中國計量科學研究院在建(jian)立我(wo)國961.78℃以上(shang)溫區(qu)國際溫標(ITS-90)的(de)基礎上(shang),研制(zhi)了(le)用(yong)作溫標傳遞標準及精密測溫的(de)新型精密光電高溫計。
鑒于鎢帶燈和黑體(ti)爐在溫(wen)(wen)標(biao)傳遞中的(de)(de)重要地位,新(xin)型光(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)具(ju)備(bei)(bei)測(ce)(ce)量目標(biao)小(xiao)和輻射(she)源尺寸效應(ying)(Size-of-sourceeffect)小(xiao)的(de)(de)特點。新(xin)基(ji)準(zhun)光(guang)(guang)電(dian)溫(wen)(wen)度比(bi)較儀(yi)在設(she)計(ji)時使其主(zhu)要參數(shu)與(yu)國際建議一致(zhi);同樣,新(xin)光(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)在被(bei)測(ce)(ce)目標(biao)形狀、面積、受光(guang)(guang)立(li)體(ti)角、儀(yi)器光(guang)(guang)譜(pu)帶寬等(deng)參數(shu)及儀(yi)器結構上與(yu)國家基(ji)準(zhun)比(bi)較儀(yi)保持基(ji)本(ben)一致(zhi),以避免因(yin)(yin)基(ji)準(zhun)和標(biao)準(zhun)儀(yi)器的(de)(de)差異在溫(wen)(wen)度量值傳遞的(de)(de)過程中產生顯(xian)著的(de)(de)系(xi)統誤(wu)差。由(you)于該(gai)高溫(wen)(wen)計(ji)的(de)(de)光(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)器輸出(chu)與(yu)被(bei)測(ce)(ce)目標(biao)的(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)輻射(she)亮度呈現很好的(de)(de)線性關(guan)系(xi),并在我國首次將(jiang)原(yuan)地測(ce)(ce)量有(you)效波(bo)長方法應(ying)用于傳遞溫(wen)(wen)標(biao)的(de)(de)高溫(wen)(wen)計(ji),因(yin)(yin)此,可直接由(you)內部微控制器依據普朗克定律計(ji)算(suan)被(bei)測(ce)(ce)溫(wen)(wen)度;具(ju)有(you)數(shu)字濾波(bo)、自(zi)動暗電(dian)流修正(zheng)(zheng)及發(fa)射(she)率(lv)修正(zheng)(zheng)等(deng)功能,具(ju)備(bei)(bei)GPIB接口功能,便于組成(cheng)自(zi)動化測(ce)(ce)試系(xi)統。
該(gai)高(gao)溫(wen)計在660nm波(bo)(bo)長(chang)、900℃時溫(wen)度(du)(du)分辨(bian)率為(wei)0.01℃;在800℃~2200℃溫(wen)度(du)(du)范(fan)圍、置信(xin)水平(ping)為(wei)0.99時,擴(kuo)展(zhan)不確定度(du)(du)為(wei)1.0℃~2.4℃。精(jing)密光(guang)電高(gao)溫(wen)計的結構參數(shu)和性能適合溫(wen)度(du)(du)精(jing)密測量并作(zuo)為(wei)溫(wen)標的傳遞(di)標準,也為(wei)高(gao)溫(wen)溫(wen)標采用多波(bo)(bo)長(chang)傳遞(di)方法及固定點分度(du)(du)等技術(shu)創造了條(tiao)件。
按功能(neng)劃(hua)分高溫計在形式上(shang)分為兩部(bu)分。一部(bu)分為光(guang)學機械(xie)系統、光(guang)電(dian)(dian)轉換及微電(dian)(dian)流放大(da)器,另一部(bu)分為由微控(kong)制(zhi)器等組成(cheng)的測量顯示儀表。
精密光(guang)(guang)(guang)(guang)電高溫(wen)(wen)計光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)(xi)統的(de)設(she)計,參考了復現ITS-90的(de)基準(zhun)(zhun)光(guang)(guang)(guang)(guang)電溫(wen)(wen)度比較儀的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)(xi)統及國外(wai)同(tong)類儀器(qi)的(de)方案(an)。高溫(wen)(wen)計光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)(xi)統布(bu)置:被測(ce)輻射源(yuan)經物(wu)鏡(jing)(jing)成像于(yu)視(shi)場(chang)(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan),視(shi)場(chang)(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan)中心為(wei)直(zhi)徑(jing)(jing)0.2mm的(de)圓孔,周圍為(wei)鏡(jing)(jing)反射面,用于(yu)瞄準(zhun)(zhun)。被測(ce)目(mu)標成像于(yu)圓孔上(shang),其輻射經準(zhun)(zhun)直(zhi)鏡(jing)(jing)、限制光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan)、干涉濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)、減(jian)弱濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)、準(zhun)(zhun)直(zhi)鏡(jing)(jing)后會(hui)聚到光(guang)(guang)(guang)(guang)電探測(ce)器(qi)上(shang)。限制光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan)決定(ding)高溫(wen)(wen)計的(de)孔徑(jing)(jing)比。可轉動的(de)干涉濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)輪上(shang)有四個(ge)安裝(zhuang)位置,可安裝(zhuang)三片(pian)不同(tong)波長的(de)干涉濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian),使(shi)(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)束單色化,減(jian)弱濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)用于(yu)擴展(zhan)測(ce)溫(wen)(wen)上(shang)限(使(shi)(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)電探測(ce)器(qi)工作(zuo)于(yu)線性區(qu)域),為(wei)瞄準(zhun)(zhun)系(xi)(xi)統的(de)反射鏡(jing)(jing),為(wei)瞄準(zhun)(zhun)物(wu)鏡(jing)(jing),為(wei)減(jian)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)(輪),為(wei)目(mu)鏡(jing)(jing)。
高溫(wen)計(ji)物鏡(jing)(jing)直(zhi)徑為68mm,焦距140mm,最小(xiao)(xiao)(xiao)測量距離約(yue)0.4m,最小(xiao)(xiao)(xiao)測量靶面(mian)直(zhi)徑小(xiao)(xiao)(xiao)于0.8mm,顯微物鏡(jing)(jing)和目鏡(jing)(jing)放大倍(bei)數(shu)為2×15。高溫(wen)計(ji)采用(yong)(yong)干(gan)涉濾光片(pian)為單色器,其中心波長(chang)約(yue)為660nm,半寬(kuan)帶(dai)約(yue)為10nm,長(chang)波截止至(zhi)1200nm,830nm附近(jin)次(ci)峰透過率約(yue)為1×10-4;采用(yong)(yong)吸熱(re)玻(bo)璃可(ke)將次(ci)峰透過率降低1~2個數(shu)量級(ji)。根據需(xu)要(yao)可(ke)選用(yong)(yong)900nm或950nm的紅外干(gan)涉濾光片(pian)。
雖然高溫(wen)計在小(xiao)目標(biao)和窄譜(pu)(pu)帶條件下測(ce)量(liang)難度增加(jia),但在測(ce)量(liang)靶(ba)直(zhi)徑為0.75mm條件下使(shi)用時,測(ce)量(liang)靶(ba)的形狀大小(xiao)、有(you)效波長(chang)及(ji)光(guang)譜(pu)(pu)帶寬(kuan)等參(can)數與國家(jia)基準(zhun)的相應參(can)數基本一致,避免了溫(wen)度基準(zhun)至標(biao)準(zhun)的傳遞(di)過(guo)程中(zhong)因這些(xie)參(can)數不同引起的系統誤差(cha)。
電流放大器通常有5~6個量程,其動態范圍滿足800℃~3200℃測溫范圍探測器光電流的測量要求。放大器的輸入失調電壓的變化將導致探測器光譜響應率的變化, 必須嚴格限制。由于測量信號微弱,對光電探測器及放大器采取了嚴格的屏蔽措施。帶有微處理機的測量顯示(shi)儀(yi)表(biao)的組成部分:測量顯示(shi)儀(yi)表(biao)在微處理器(qi)(qi)的控(kong)(kong)制下完成對(dui)微電(dian)流放(fang)(fang)大器(qi)(qi)的控(kong)(kong)制及對(dui)放(fang)(fang)大器(qi)(qi)輸(shu)出電(dian)壓(ya)的AD轉換;按放(fang)(fang)大器(qi)(qi)相應(ying)量程增益(yi)計(ji)(ji)算(suan)光電(dian)流,并根據(ju)普朗(lang)克定律計(ji)(ji)算(suan)并顯示(shi)溫(wen)度值。可通(tong)過GPIB接口接收(shou)相應(ying)的控(kong)(kong)制命令或(huo)發(fa)送測量數(shu)據(ju)、儀(yi)器(qi)(qi)狀態、參數(shu)等。在800℃,高溫(wen)計(ji)(ji)的分辨率優于0.05℃,在900℃時分辨率優于0.01℃。
根據普朗克定(ding)律(lv)測溫(wen)(wen)的(de)(de)前(qian)提(ti)之一是準確確定(ding)精(jing)密(mi)光(guang)(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)(ji)的(de)(de)有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)。它是高溫(wen)(wen)計(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)學系統光(guang)(guang)(guang)譜透過率、光(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測器光(guang)(guang)(guang)譜響(xiang)應及(ji)(ji)被測溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)函數(shu)(shu)。其(qi)數(shu)(shu)值(zhi)主要取決于干(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)片(pian)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜特性(xing)。干(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)片(pian)具有(you)顯著的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)均勻性(xing),必(bi)須采用原地測量方法(fa)確定(ding)高溫(wen)(wen)計(ji)(ji)有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang),以減(jian)小(xiao)(xiao)有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)確定(ding)度(du)。由(you)于選用的(de)(de)中心波(bo)長(chang)(chang)(chang)約為660nm的(de)(de)干(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)片(pian)在830nm附近有(you)次(ci)峰(feng)(feng),其(qi)峰(feng)(feng)值(zhi)透過率為10-4數(shu)(shu)量級。該次(ci)峰(feng)(feng)將導致有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)在較低(di)溫(wen)(wen)度(du)時隨溫(wen)(wen)度(du)降低(di)迅速增大。為減(jian)小(xiao)(xiao)次(ci)峰(feng)(feng)對有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)的(de)(de)影(ying)響(xiang),在干(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)片(pian)前(qian)加一吸(xi)(xi)熱玻(bo)璃(li),使有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)隨溫(wen)(wen)度(du)變(bian)化(hua)顯著減(jian)小(xiao)(xiao),同(tong)時也減(jian)小(xiao)(xiao)了光(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測器光(guang)(guang)(guang)譜響(xiang)應測量不(bu)(bu)(bu)確定(ding)度(du)對有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)不(bu)(bu)(bu)確定(ding)度(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)。加吸(xi)(xi)熱玻(bo)璃(li)前(qian)后(hou)干(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)片(pian)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜透過率及(ji)(ji)平均有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)計(ji)(ji)算結果。加吸(xi)(xi)熱玻(bo)璃(li)后(hou)有(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)隨溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)變(bian)化(hua)顯著減(jian)小(xiao)(xiao)。
用真空(kong)燈和充氣燈分(fen)度(du)高溫(wen)計(ji)的分(fen)度(du)重(zhong)復性,10天內分(fen)度(du)6次(ci)。實驗時室溫(wen)控制(zhi)在22℃±1℃內,燈座溫(wen)度(du)控制(zhi)在21℃±0.3℃內。
由于光(guang)學系統雜散光(guang)及象差等因素的(de)影(ying)響(xiang),高溫計(ji)測量(liang)溫度一定的(de)輻(fu)射源(yuan)時,測量(liang)結果(guo)與被測源(yuan)形狀(zhuang)大小(xiao)有關。高溫計(ji)在測量(liang)1000℃和2000℃的(de)40mm面黑體(ti)時,SSE的(de)影(ying)響(xiang)分(fen)別為(wei)0.13℃和0.43℃。該特(te)性表明,用(yong)鎢帶燈分(fen)度該高溫計(ji),在測量(liang)黑體(ti)爐時,若不做SSE修正也不致產生顯(xian)著的(de)誤差。
測量(liang)距離(li)不同時高溫計(ji)光學(xue)系統的(de)透過率略(lve)有變化(hua)。用(yong)鎢帶燈(deng)和黑體爐測量(liang)了高溫計(ji)放大(da)器輸(shu)出受測量(liang)距離(li)的(de)影響(DE)。在近距離(li)測量(liang)時要注(zhu)意(yi)距離(li)變化(hua)的(de)影響。
精密(mi)光電(dian)(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)在確(que)定(ding)其有(you)效波長和放大器(qi)各量(liang)程增益(yi)比(bi)后,僅(jin)需一個參(can)考溫(wen)度(du)(du)(du)(du)點(dian)分度(du)(du)(du)(du),即可(ke)確(que)定(ding)其溫(wen)度(du)(du)(du)(du)量(liang)值(忽略高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)非(fei)線性(xing)的(de)(de)(de)影(ying)響)。作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)溫(wen)標(biao)(biao)的(de)(de)(de)傳遞標(biao)(biao)準(zhun)時,為(wei)(wei)與現行(xing)檢(jian)定(ding)方法統(tong)一,800℃~2200℃暫用工(gong)作(zuo)(zuo)基準(zhun)燈檢(jian)定(ding)(或檢(jian)驗(yan))精密(mi)(標(biao)(biao)準(zhun))光電(dian)(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)。影(ying)響其不確(que)定(ding)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)主要因(yin)素為(wei)(wei)以下6項:分度(du)(du)(du)(du)重(zhong)復性(xing)標(biao)(biao)準(zhun)不確(que)定(ding)度(du)(du)(du)(du);標(biao)(biao)準(zhun)光電(dian)(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)年穩定(ding)性(xing)的(de)(de)(de)標(biao)(biao)準(zhun)不確(que)定(ding)度(du)(du)(du)(du);工(gong)作(zuo)(zuo)基準(zhun)燈的(de)(de)(de)合成標(biao)(biao)準(zhun)不確(que)定(ding)度(du)(du)(du)(du);工(gong)作(zuo)(zuo)基準(zhun)燈電(dian)(dian)測設(she)備(bei)標(biao)(biao)準(zhun)不確(que)定(ding)度(du)(du)(du)(du)(含標(biao)(biao)準(zhun)電(dian)(dian)阻、電(dian)(dian)壓(ya)測量(liang)儀表和穩流電(dian)(dian)源紋波的(de)(de)(de)影(ying)響);有(you)效波長的(de)(de)(de)標(biao)(biao)準(zhun)不確(que)定(ding)度(du)(du)(du)(du)(0.2nm)對鎢帶燈亮度(du)(du)(du)(du)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)影(ying)響u5;環境溫(wen)度(du)(du)(du)(du)對標(biao)(biao)準(zhun)光電(dian)(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)影(ying)響的(de)(de)(de)標(biao)(biao)準(zhun)不確(que)定(ding)度(du)(du)(du)(du)。
當采用固(gu)定(ding)(ding)點(dian)作(zuo)為溫(wen)(wen)度參考(kao)點(dian)的分(fen)度方法時,參考(kao)點(dian)溫(wen)(wen)度不確定(ding)(ding)度對各溫(wen)(wen)度延伸點(dian)的影(ying)響(xiang)都(dou)將(jiang)顯著減小。由于本精密光電高溫(wen)(wen)計(ji)在設計(ji)上完全(quan)具備用單點(dian)分(fen)度的技術特點(dian),因此為將(jiang)來采用新(xin)分(fen)度方法傳遞溫(wen)(wen)標、減小測(ce)溫(wen)(wen)不確定(ding)(ding)度打下了良好基(ji)礎。
精密光電高(gao)溫計的結(jie)構參數和(he)性能(neng)不僅(jin)適用(yong)于溫度精密測(ce)量,而且可作為(wei)(wei)溫標(biao)的傳遞標(biao)準。該高(gao)溫計在(zai)(zai)小(xiao)目標(biao)和(he)窄譜帶(dai)的測(ce)量條件下(xia)(xia),具有(you)分辨率高(gao)、SSE小(xiao)、自動化測(ce)量等(deng)特點。采(cai)用(yong)原地測(ce)量有(you)效波(bo)長(chang)標(biao)定技術,測(ce)溫范圍為(wei)(wei)800℃~3200℃。在(zai)(zai)660nm波(bo)長(chang)下(xia)(xia),900℃時(shi)溫度分辨率為(wei)(wei)0.01℃,在(zai)(zai)800℃~2200℃溫度范圍內(nei),置信水平(ping)為(wei)(wei)0.99時(shi),擴展不確定度為(wei)(wei)1.0℃~2.4℃。