簡介

中國計量科學(xué)研究院在建立我國961.78℃以上溫區(qū)國際溫標(ITS-90)的基礎(chǔ)上，研制了用作溫標傳遞標準及精密測溫的新型精密光電高溫計。

鑒于鎢帶燈和黑體爐在溫標傳遞中的重要地位,新型光電高溫計具備測量目標小和輻射源尺寸效應(yīng)(Size-of-sourceeffect)小的特點。新基準光電溫度比較儀在設(shè)計時使其主要參數(shù)與國際建議一致;同樣,新光電高溫計在被測目標形狀、面積、受光立體角、儀器光譜帶寬等參數(shù)及儀器結(jié)構(gòu)上與國家基準比較儀保持基本一致,以避免因基準和標準儀器的差異在溫度量值傳遞的過程中產(chǎn)生顯著的系統(tǒng)誤差。由于該高溫計的光電探測器輸出與被測目標的光譜輻射亮度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,并在我國首次將原地測量有效波長方法應(yīng)用于傳遞溫標的高溫計,因此,可直接由內(nèi)部微控制器依據(jù)普朗克定律計算被測溫度;具有數(shù)字濾波、自動暗電流修正及發(fā)射率修正等功能,具備GPIB接口功能,便于組成自動化測試系統(tǒng)。

該高溫計在660nm波長、900℃時溫度分辨率為0.01℃;在800℃～2200℃溫度范圍、置信水平為0.99時,擴展不確定度為1.0℃～2.4℃。精密光電高溫計的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能適合溫度精密測量并作為溫標的傳遞標準,也為高溫溫標采用多波長傳遞方法及固定點分度等技術(shù)創(chuàng)造了條件。

儀器描述

1、光溫計的組成

按功能劃分高溫計在形式上分為兩部分。一部分為光學(xué)機械系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換及微電流放大器,另一部分為由微控制器等組成的測量顯示儀表。

2、光學(xué)系統(tǒng)布置及參數(shù)

精密光電高溫計光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計,參考了復(fù)現(xiàn)ITS-90的基準光電溫度比較儀的光學(xué)系統(tǒng)及國外同類儀器的方案。高溫計光學(xué)系統(tǒng)布置：被測輻射源經(jīng)物鏡成像于視場光闌,視場光闌中心為直徑0.2mm的圓孔,周圍為鏡反射面,用于瞄準。被測目標成像于圓孔上,其輻射經(jīng)準直鏡、限制光闌、干涉濾光片、減弱濾光片、準直鏡后會聚到光電探測器上。限制光闌決定高溫計的孔徑比?？赊D(zhuǎn)動的干涉濾光片輪上有四個安裝位置,可安裝三片不同波長的干涉濾光片,使光束單色化,減弱濾光片用于擴展測溫上限(使光電探測器工作于線性區(qū)域),為瞄準系統(tǒng)的反射鏡,為瞄準物鏡,為減光片(輪),為目鏡。

高溫計物鏡直徑為68mm,焦距140mm,最小測量距離約0.4m,最小測量靶面直徑小于0.8mm,顯微物鏡和目鏡放大倍數(shù)為2×15。高溫計采用干涉濾光片為單色器,其中心波長約為660nm,半寬帶約為10nm,長波截止至1200nm,830nm附近次峰透過率約為1×10-4；采用吸熱玻璃可將次峰透過率降低1～2個數(shù)量級。根據(jù)需要可選用900nm或950nm的紅外干涉濾光片。

雖然高溫計在小目標和窄譜帶條件下測量難度增加,但在測量靶直徑為0.75mm條件下使用時,測量靶的形狀大小、有效波長及光譜帶寬等參數(shù)與國家基準的相應(yīng)參數(shù)基本一致,避免了溫度基準至標準的傳遞過程中因這些參數(shù)不同引起的系統(tǒng)誤差。

電流放大器通常有5～6個量程,其動態(tài)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(diào)電壓的變化將導(dǎo)致探測器光譜響應(yīng)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儀表的組成部分：測量顯示儀表在微處理器的控制下完成對微電流放大器的控制及對放大器輸出電壓的AD轉(zhuǎn)換;按放大器相應(yīng)量程增益計算光電流,并根據(jù)普朗克定律計算并顯示溫度值?？赏ㄟ^GPIB接口接收相應(yīng)的控制命令或發(fā)送測量數(shù)據(jù)、儀器狀態(tài)、參數(shù)等。在800℃,高溫計的分辨率優(yōu)于0.05℃,在900℃時分辨率優(yōu)于0.01℃。

原地測量有效波長

根據(jù)普朗克定律測溫的前提之一是準確確定精密光電高溫計的有效波長。它是高溫計光學(xué)系統(tǒng)光譜透過率、光電探測器光譜響應(yīng)及被測溫度的函數(shù)。其數(shù)值主要取決于干涉濾光片的光譜特性。干涉濾光片具有顯著的不均勻性,必須采用原地測量方法確定高溫計有效波長,以減小有效波長的不確定度。由于選用的中心波長約為660nm的干涉濾光片在830nm附近有次峰,其峰值透過率為10-4數(shù)量級。該次峰將導(dǎo)致有效波長在較低溫度時隨溫度降低迅速增大。為減小次峰對有效波長的影響,在干涉濾光片前加一吸熱玻璃,使有效波長隨溫度變化顯著減小,同時也減小了光電探測器光譜響應(yīng)測量不確定度對有效波長不確定度的影響。加吸熱玻璃前后干涉濾光片的光譜透過率及平均有效波長計算結(jié)果。加吸熱玻璃后有效波長隨溫度的變化顯著減小。

分度重復(fù)性

用真空燈和充氣燈分度高溫計的分度重復(fù)性,10天內(nèi)分度6次。實驗時室溫控制在22℃±1℃內(nèi),燈座溫度控制在21℃±0.3℃內(nèi)。

輻射源尺寸效應(yīng)(SSE)

由于光學(xué)系統(tǒng)雜散光及象差等因素的影響,高溫計測量溫度一定的輻射源時,測量結(jié)果與被測源形狀大小有關(guān)。高溫計在測量1000℃和2000℃的40mm面黑體時,SSE的影響分別為0.13℃和0.43℃。該特性表明,用鎢帶燈分度該高溫計,在測量黑體爐時,若不做SSE修正也不致產(chǎn)生顯著的誤差。

距離影響

測量距離不同時高溫計光學(xué)系統(tǒng)的透過率略有變化。用鎢帶燈和黑體爐測量了高溫計放大器輸出受測量距離的影響(DE)。在近距離測量時要注意距離變化的影響。

不確定度評定

精密光電高溫計在確定其有效波長和放大器各量程增益比后,僅需一個參考溫度點分度,即可確定其溫度量值(忽略高溫計非線性的影響)。作為溫標的傳遞標準時,為與現(xiàn)行檢定方法統(tǒng)一,800℃～2200℃暫用工作基準燈檢定(或檢驗)精密(標準)光電高溫計。影響其不確定度的主要因素為以下6項:分度重復(fù)性標準不確定度;標準光電高溫計年穩(wěn)定性的標準不確定度;工作基準燈的合成標準不確定度;工作基準燈電測設(shè)備標準不確定度(含標準電阻、電壓測量儀表和穩(wěn)流電源紋波的影響);有效波長的標準不確定度(0.2nm)對鎢帶燈亮度溫度的影響u5;環(huán)境溫度對標準光電高溫計影響的標準不確定度。

當(dāng)采用固定點作為溫度參考點的分度方法時,參考點溫度不確定度對各溫度延伸點的影響都將顯著減小。由于本精密光電高溫計在設(shè)計上完全具備用單點分度的技術(shù)特點,因此為將來采用新分度方法傳遞溫標、減小測溫不確定度打下了良好基礎(chǔ)。

總結(jié)

精密光電高溫計的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能不僅適用于溫度精密測量,而且可作為溫標的傳遞標準。該高溫計在小目標和窄譜帶的測量條件下,具有分辨率高、SSE小、自動化測量等特點。采用原地測量有效波長標定技術(shù),測溫范圍為800℃～3200℃。在660nm波長下,900℃時溫度分辨率為0.01℃,在800℃～2200℃溫度范圍內(nèi),置信水平為0.99時,擴展不確定度為1.0℃～2.4℃。