中(zhong)國(guo)(guo)計(ji)量科學研(yan)究院在建立我國(guo)(guo)961.78℃以上溫(wen)區國(guo)(guo)際(ji)溫(wen)標(ITS-90)的(de)基礎(chu)上，研(yan)制了用作溫(wen)標傳遞(di)標準及(ji)精密測溫(wen)的(de)新型精密光電高溫(wen)計(ji)。
鑒于鎢帶(dai)燈和(he)黑(hei)體爐在溫(wen)(wen)(wen)標(biao)傳遞中的重要地(di)位,新型光(guang)電(dian)(dian)高溫(wen)(wen)(wen)計具(ju)(ju)備測(ce)(ce)量(liang)目(mu)標(biao)小和(he)輻(fu)射(she)源尺寸效(xiao)應(Size-of-sourceeffect)小的特點。新基準(zhun)光(guang)電(dian)(dian)溫(wen)(wen)(wen)度比較(jiao)儀(yi)在設計時使(shi)其主(zhu)要參數(shu)與國際建議一致;同(tong)樣(yang),新光(guang)電(dian)(dian)高溫(wen)(wen)(wen)計在被(bei)測(ce)(ce)目(mu)標(biao)形狀、面積、受光(guang)立(li)體角、儀(yi)器光(guang)譜帶(dai)寬等參數(shu)及儀(yi)器結構(gou)上與國家基準(zhun)比較(jiao)儀(yi)保(bao)持(chi)基本一致,以(yi)避(bi)免因(yin)基準(zhun)和(he)標(biao)準(zhun)儀(yi)器的差異在溫(wen)(wen)(wen)度量(liang)值(zhi)傳遞的過(guo)程中產生顯著的系(xi)統誤(wu)差。由(you)于該高溫(wen)(wen)(wen)計的光(guang)電(dian)(dian)探測(ce)(ce)器輸出(chu)與被(bei)測(ce)(ce)目(mu)標(biao)的光(guang)譜輻(fu)射(she)亮(liang)度呈現(xian)很好的線(xian)性關系(xi),并在我國首次將原地(di)測(ce)(ce)量(liang)有效(xiao)波長方法應用于傳遞溫(wen)(wen)(wen)標(biao)的高溫(wen)(wen)(wen)計,因(yin)此,可直接由(you)內部微控制器依據普(pu)朗克定(ding)律計算被(bei)測(ce)(ce)溫(wen)(wen)(wen)度;具(ju)(ju)有數(shu)字濾(lv)波、自動(dong)暗電(dian)(dian)流修(xiu)正及發射(she)率修(xiu)正等功能(neng),具(ju)(ju)備GPIB接口功能(neng),便(bian)于組成自動(dong)化測(ce)(ce)試(shi)系(xi)統。
該高(gao)溫(wen)計在660nm波長(chang)、900℃時溫(wen)度分辨率為(wei)0.01℃;在800℃～2200℃溫(wen)度范圍、置信(xin)水平為(wei)0.99時,擴展不確定度為(wei)1.0℃～2.4℃。精(jing)密光電高(gao)溫(wen)計的(de)結(jie)構參數和性能適合溫(wen)度精(jing)密測(ce)量(liang)并作為(wei)溫(wen)標的(de)傳遞標準,也為(wei)高(gao)溫(wen)溫(wen)標采(cai)用多波長(chang)傳遞方法及固定點分度等技(ji)術創造了條件。
按(an)功能劃分(fen)高(gao)溫計在形式上分(fen)為兩部分(fen)。一部分(fen)為光(guang)學(xue)機(ji)械系統、光(guang)電轉換及微(wei)電流放大(da)器,另一部分(fen)為由(you)微(wei)控制器等(deng)組成的測量顯(xian)示儀表。
精密光(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計光(guang)學(xue)(xue)系統的(de)(de)設計,參(can)考(kao)了復現ITS-90的(de)(de)基(ji)準光(guang)電(dian)溫(wen)(wen)(wen)度比(bi)較儀的(de)(de)光(guang)學(xue)(xue)系統及國外(wai)同類儀器(qi)的(de)(de)方案(an)。高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計光(guang)學(xue)(xue)系統布置(zhi)：被測(ce)(ce)(ce)輻射(she)源經物鏡成(cheng)像(xiang)于(yu)視(shi)場(chang)光(guang)闌(lan),視(shi)場(chang)光(guang)闌(lan)中心為(wei)(wei)直(zhi)徑0.2mm的(de)(de)圓孔(kong)(kong),周圍為(wei)(wei)鏡反射(she)面(mian),用(yong)(yong)于(yu)瞄(miao)準。被測(ce)(ce)(ce)目(mu)(mu)標成(cheng)像(xiang)于(yu)圓孔(kong)(kong)上(shang),其輻射(she)經準直(zhi)鏡、限(xian)制(zhi)光(guang)闌(lan)、干(gan)涉濾(lv)(lv)光(guang)片(pian)(pian)(pian)、減(jian)弱濾(lv)(lv)光(guang)片(pian)(pian)(pian)、準直(zhi)鏡后會聚到光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)上(shang)。限(xian)制(zhi)光(guang)闌(lan)決定(ding)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計的(de)(de)孔(kong)(kong)徑比(bi)。可轉動的(de)(de)干(gan)涉濾(lv)(lv)光(guang)片(pian)(pian)(pian)輪上(shang)有(you)四個(ge)安裝位置(zhi),可安裝三片(pian)(pian)(pian)不同波(bo)長的(de)(de)干(gan)涉濾(lv)(lv)光(guang)片(pian)(pian)(pian),使光(guang)束(shu)單色化,減(jian)弱濾(lv)(lv)光(guang)片(pian)(pian)(pian)用(yong)(yong)于(yu)擴展測(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)(wen)上(shang)限(xian)(使光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)工作(zuo)于(yu)線性區域(yu)),為(wei)(wei)瞄(miao)準系統的(de)(de)反射(she)鏡,為(wei)(wei)瞄(miao)準物鏡,為(wei)(wei)減(jian)光(guang)片(pian)(pian)(pian)(輪),為(wei)(wei)目(mu)(mu)鏡。
高溫計(ji)物(wu)鏡直徑為68mm,焦距140mm,最(zui)小(xiao)測(ce)量距離(li)約0.4m,最(zui)小(xiao)測(ce)量靶(ba)面直徑小(xiao)于0.8mm,顯微物(wu)鏡和目鏡放大(da)倍(bei)數為2×15。高溫計(ji)采(cai)用干涉濾光片(pian)(pian)為單色器,其中心波長約為660nm,半寬帶(dai)約為10nm,長波截止至1200nm,830nm附(fu)近次(ci)(ci)峰透(tou)過(guo)率約為1×10-4；采(cai)用吸(xi)熱玻璃可(ke)將次(ci)(ci)峰透(tou)過(guo)率降(jiang)低1～2個數量級。根(gen)據需(xu)要可(ke)選用900nm或(huo)950nm的(de)紅外干涉濾光片(pian)(pian)。
雖然(ran)高溫計在小目標和(he)窄譜(pu)帶條件(jian)下(xia)測(ce)量(liang)難度增加,但(dan)在測(ce)量(liang)靶直(zhi)徑為(wei)0.75mm條件(jian)下(xia)使(shi)用時,測(ce)量(liang)靶的(de)形狀大(da)小、有效波長及光(guang)譜(pu)帶寬(kuan)等參數(shu)與國家(jia)基(ji)準(zhun)的(de)相(xiang)應參數(shu)基(ji)本一致,避免了溫度基(ji)準(zhun)至標準(zhun)的(de)傳(chuan)遞過程(cheng)中(zhong)因(yin)這些參數(shu)不同(tong)引起(qi)的(de)系統誤差。
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(de)測(ce)量(liang)(liang)顯示儀(yi)表的(de)組(zu)成部分(fen)：測(ce)量(liang)(liang)顯示儀(yi)表在(zai)微處理器(qi)的(de)控制下完成對微電流放(fang)大(da)器(qi)的(de)控制及對放(fang)大(da)器(qi)輸出(chu)電壓(ya)的(de)AD轉(zhuan)換;按放(fang)大(da)器(qi)相應量(liang)(liang)程增益計(ji)算光電流,并(bing)根據普(pu)朗克(ke)定律(lv)計(ji)算并(bing)顯示溫(wen)度值。可通(tong)過(guo)GPIB接(jie)口接(jie)收相應的(de)控制命令或發(fa)送(song)測(ce)量(liang)(liang)數(shu)(shu)據、儀(yi)器(qi)狀態、參數(shu)(shu)等。在(zai)800℃,高溫(wen)計(ji)的(de)分(fen)辨(bian)率優于(yu)0.05℃,在(zai)900℃時分(fen)辨(bian)率優于(yu)0.01℃。
根據普朗克定(ding)律測(ce)溫(wen)(wen)的前(qian)提之(zhi)一是(shi)準確確定(ding)精密光(guang)(guang)電(dian)(dian)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)的有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)。它是(shi)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)光(guang)(guang)學系統光(guang)(guang)譜(pu)透過率(lv)、光(guang)(guang)電(dian)(dian)探測(ce)器(qi)光(guang)(guang)譜(pu)響(xiang)應及被測(ce)溫(wen)(wen)度(du)(du)的函數(shu)。其(qi)數(shu)值主要取決(jue)于干涉(she)(she)濾光(guang)(guang)片(pian)的光(guang)(guang)譜(pu)特性(xing)。干涉(she)(she)濾光(guang)(guang)片(pian)具有(you)顯著(zhu)(zhu)的不(bu)(bu)均勻性(xing),必須采用原地測(ce)量(liang)方法(fa)確定(ding)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang),以(yi)減小(xiao)有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)的不(bu)(bu)確定(ding)度(du)(du)。由于選用的中心波(bo)(bo)長(chang)(chang)約為660nm的干涉(she)(she)濾光(guang)(guang)片(pian)在(zai)830nm附近有(you)次(ci)峰(feng),其(qi)峰(feng)值透過率(lv)為10-4數(shu)量(liang)級。該次(ci)峰(feng)將導致有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)在(zai)較低(di)溫(wen)(wen)度(du)(du)時(shi)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)降低(di)迅速增大。為減小(xiao)次(ci)峰(feng)對有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)的影(ying)響(xiang),在(zai)干涉(she)(she)濾光(guang)(guang)片(pian)前(qian)加(jia)(jia)一吸(xi)(xi)熱玻(bo)(bo)璃(li),使有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)變化(hua)顯著(zhu)(zhu)減小(xiao),同時(shi)也減小(xiao)了光(guang)(guang)電(dian)(dian)探測(ce)器(qi)光(guang)(guang)譜(pu)響(xiang)應測(ce)量(liang)不(bu)(bu)確定(ding)度(du)(du)對有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)不(bu)(bu)確定(ding)度(du)(du)的影(ying)響(xiang)。加(jia)(jia)吸(xi)(xi)熱玻(bo)(bo)璃(li)前(qian)后干涉(she)(she)濾光(guang)(guang)片(pian)的光(guang)(guang)譜(pu)透過率(lv)及平均有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)計(ji)算結(jie)果。加(jia)(jia)吸(xi)(xi)熱玻(bo)(bo)璃(li)后有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)的變化(hua)顯著(zhu)(zhu)減小(xiao)。
用真(zhen)空燈和充氣燈分度高溫計的(de)分度重復性(xing),10天內(nei)分度6次。實(shi)驗時室溫控(kong)制在(zai)22℃±1℃內(nei),燈座溫度控(kong)制在(zai)21℃±0.3℃內(nei)。
由于(yu)光(guang)學系統(tong)雜散光(guang)及象差等(deng)因素的(de)影響(xiang),高(gao)溫計(ji)測量(liang)溫度一定的(de)輻射源時,測量(liang)結果與被(bei)測源形狀大(da)小有(you)關。高(gao)溫計(ji)在測量(liang)1000℃和2000℃的(de)40mm面黑體時,SSE的(de)影響(xiang)分別(bie)為0.13℃和0.43℃。該特性表明,用鎢帶燈分度該高(gao)溫計(ji),在測量(liang)黑體爐時,若不(bu)做SSE修正也不(bu)致產生顯著的(de)誤(wu)差。
測量(liang)距離不同(tong)時(shi)高溫計光學(xue)系統的(de)透(tou)過(guo)率略有變化。用(yong)鎢帶燈和黑體(ti)爐測量(liang)了高溫計放大器(qi)輸出受測量(liang)距離的(de)影響(xiang)(DE)。在近距離測量(liang)時(shi)要注意距離變化的(de)影響(xiang)。
精(jing)密光(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)在確定(ding)(ding)其有效波長和(he)放大器各(ge)量(liang)(liang)(liang)程增益比后,僅(jin)需一(yi)個參考溫(wen)度(du)(du)(du)點分(fen)(fen)度(du)(du)(du),即(ji)可確定(ding)(ding)其溫(wen)度(du)(du)(du)量(liang)(liang)(liang)值(忽(hu)略高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)非(fei)線性的(de)(de)影響)。作為溫(wen)標(biao)(biao)的(de)(de)傳(chuan)遞標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)時,為與現行檢(jian)定(ding)(ding)方法統一(yi),800℃～2200℃暫(zan)用工(gong)作基準(zhun)(zhun)燈(deng)檢(jian)定(ding)(ding)(或檢(jian)驗)精(jing)密(標(biao)(biao)準(zhun)(zhun))光(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)。影響其不(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)的(de)(de)主(zhu)要因素為以下6項:分(fen)(fen)度(du)(du)(du)重復性標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du);標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)光(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)年穩(wen)定(ding)(ding)性的(de)(de)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du);工(gong)作基準(zhun)(zhun)燈(deng)的(de)(de)合成標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du);工(gong)作基準(zhun)(zhun)燈(deng)電(dian)測(ce)(ce)設備標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(含標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)電(dian)阻、電(dian)壓(ya)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)儀表和(he)穩(wen)流(liu)電(dian)源紋(wen)波的(de)(de)影響);有效波長的(de)(de)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(0.2nm)對鎢帶燈(deng)亮度(du)(du)(du)溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)(de)影響u5;環境溫(wen)度(du)(du)(du)對標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)光(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)影響的(de)(de)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)。
當(dang)采用(yong)固定點(dian)作為(wei)溫度(du)(du)參(can)考(kao)點(dian)的分度(du)(du)方法時,參(can)考(kao)點(dian)溫度(du)(du)不(bu)確(que)定度(du)(du)對各(ge)溫度(du)(du)延伸(shen)點(dian)的影響都將顯(xian)著減小。由于本精(jing)密(mi)光電高溫計在設計上完全具備用(yong)單點(dian)分度(du)(du)的技術(shu)特點(dian),因此為(wei)將來采用(yong)新分度(du)(du)方法傳遞溫標、減小測溫不(bu)確(que)定度(du)(du)打(da)下了良好基礎。
精(jing)密(mi)光電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)的(de)結構(gou)參數和性能不(bu)僅適用(yong)(yong)于溫(wen)(wen)度精(jing)密(mi)測量,而且(qie)可作為(wei)(wei)溫(wen)(wen)標(biao)(biao)的(de)傳遞標(biao)(biao)準。該高溫(wen)(wen)計(ji)在(zai)小目標(biao)(biao)和窄(zhai)譜帶(dai)的(de)測量條件下,具有分辨率高、SSE小、自動(dong)化(hua)測量等特點。采(cai)用(yong)(yong)原地測量有效波長標(biao)(biao)定(ding)技術,測溫(wen)(wen)范圍為(wei)(wei)800℃～3200℃。在(zai)660nm波長下,900℃時(shi)溫(wen)(wen)度分辨率為(wei)(wei)0.01℃,在(zai)800℃～2200℃溫(wen)(wen)度范圍內,置(zhi)信水平為(wei)(wei)0.99時(shi),擴(kuo)展不(bu)確定(ding)度為(wei)(wei)1.0℃～2.4℃。
