中國(guo)計(ji)量科(ke)學研究院在建立我國(guo)961.78℃以(yi)上溫區國(guo)際溫標(ITS-90)的(de)基(ji)礎上，研制了(le)用作溫標傳遞標準及精密測溫的(de)新型精密光電高溫計(ji)。
鑒于鎢(wu)帶燈和黑體(ti)爐在(zai)溫(wen)(wen)(wen)(wen)標(biao)傳遞(di)中的(de)(de)重要地(di)位,新型(xing)光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計具備(bei)(bei)測(ce)(ce)(ce)量(liang)目標(biao)小和輻(fu)射源尺寸效應(ying)(Size-of-sourceeffect)小的(de)(de)特點(dian)。新基(ji)準光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度比較(jiao)儀(yi)在(zai)設計時(shi)使(shi)其主要參數(shu)(shu)與國(guo)際建議一(yi)(yi)致(zhi)(zhi);同樣,新光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計在(zai)被(bei)測(ce)(ce)(ce)目標(biao)形(xing)狀(zhuang)、面(mian)積、受光(guang)(guang)(guang)(guang)立體(ti)角、儀(yi)器(qi)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)帶寬(kuan)等(deng)參數(shu)(shu)及儀(yi)器(qi)結構(gou)上與國(guo)家基(ji)準比較(jiao)儀(yi)保持基(ji)本一(yi)(yi)致(zhi)(zhi),以避免因(yin)基(ji)準和標(biao)準儀(yi)器(qi)的(de)(de)差異在(zai)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度量(liang)值傳遞(di)的(de)(de)過程中產生顯著的(de)(de)系(xi)(xi)統誤(wu)差。由于該(gai)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)(ce)器(qi)輸出與被(bei)測(ce)(ce)(ce)目標(biao)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)輻(fu)射亮度呈現很好的(de)(de)線(xian)性關(guan)系(xi)(xi),并在(zai)我國(guo)首(shou)次將原地(di)測(ce)(ce)(ce)量(liang)有效波(bo)長方(fang)法(fa)應(ying)用于傳遞(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)標(biao)的(de)(de)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計,因(yin)此(ci),可直(zhi)接由內部微控(kong)制器(qi)依據普朗克定(ding)律計算被(bei)測(ce)(ce)(ce)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度;具有數(shu)(shu)字濾波(bo)、自動暗電(dian)流修正(zheng)及發射率(lv)修正(zheng)等(deng)功能,具備(bei)(bei)GPIB接口(kou)功能,便于組(zu)成(cheng)自動化(hua)測(ce)(ce)(ce)試系(xi)(xi)統。
該(gai)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計在(zai)660nm波(bo)長(chang)、900℃時溫(wen)(wen)(wen)度分辨率為(wei)0.01℃;在(zai)800℃～2200℃溫(wen)(wen)(wen)度范圍(wei)、置信(xin)水平(ping)為(wei)0.99時,擴展不確定度為(wei)1.0℃～2.4℃。精密(mi)光電高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計的(de)結(jie)構參數和(he)性能(neng)適(shi)合溫(wen)(wen)(wen)度精密(mi)測量并作為(wei)溫(wen)(wen)(wen)標的(de)傳(chuan)遞標準,也(ye)為(wei)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)溫(wen)(wen)(wen)標采用多波(bo)長(chang)傳(chuan)遞方法(fa)及固定點(dian)分度等(deng)技術創造了條件。
按(an)功能(neng)劃分(fen)高(gao)溫計(ji)在形(xing)式(shi)上分(fen)為兩部(bu)分(fen)。一(yi)部(bu)分(fen)為光學機械系統、光電轉換及(ji)微電流放大(da)器,另一(yi)部(bu)分(fen)為由(you)微控(kong)制器等組成的測量顯示儀表。
精密光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)的(de)(de)設計(ji),參(can)考了復現ITS-90的(de)(de)基準(zhun)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)溫(wen)度比(bi)較儀的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)及國外(wai)同類儀器的(de)(de)方案。高(gao)溫(wen)計(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)布置：被測(ce)(ce)輻射(she)(she)源經物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)成(cheng)像于(yu)視場光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)闌,視場光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)闌中心為(wei)(wei)直徑0.2mm的(de)(de)圓(yuan)孔(kong),周圍為(wei)(wei)鏡(jing)(jing)(jing)反射(she)(she)面,用于(yu)瞄準(zhun)。被測(ce)(ce)目標(biao)成(cheng)像于(yu)圓(yuan)孔(kong)上(shang)(shang),其輻射(she)(she)經準(zhun)直鏡(jing)(jing)(jing)、限(xian)制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)闌、干(gan)(gan)涉濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)、減(jian)弱(ruo)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)、準(zhun)直鏡(jing)(jing)(jing)后會聚(ju)到光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測(ce)(ce)器上(shang)(shang)。限(xian)制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)闌決(jue)定高(gao)溫(wen)計(ji)的(de)(de)孔(kong)徑比(bi)。可(ke)轉動(dong)的(de)(de)干(gan)(gan)涉濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)輪(lun)上(shang)(shang)有四個安(an)裝位(wei)置,可(ke)安(an)裝三片(pian)不同波長的(de)(de)干(gan)(gan)涉濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian),使(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束單色化,減(jian)弱(ruo)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)用于(yu)擴展測(ce)(ce)溫(wen)上(shang)(shang)限(xian)(使(shi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)探(tan)測(ce)(ce)器工(gong)作于(yu)線(xian)性(xing)區域),為(wei)(wei)瞄準(zhun)系(xi)統(tong)的(de)(de)反射(she)(she)鏡(jing)(jing)(jing),為(wei)(wei)瞄準(zhun)物(wu)鏡(jing)(jing)(jing),為(wei)(wei)減(jian)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)(輪(lun)),為(wei)(wei)目鏡(jing)(jing)(jing)。
高(gao)溫(wen)計(ji)物鏡(jing)直(zhi)徑為68mm,焦距(ju)(ju)140mm,最(zui)(zui)小測量距(ju)(ju)離約(yue)(yue)0.4m,最(zui)(zui)小測量靶(ba)面直(zhi)徑小于(yu)0.8mm,顯微(wei)物鏡(jing)和(he)目鏡(jing)放大倍數(shu)為2×15。高(gao)溫(wen)計(ji)采用(yong)干(gan)涉(she)濾(lv)光片為單色器,其中心波長(chang)約(yue)(yue)為660nm,半寬帶約(yue)(yue)為10nm,長(chang)波截止至1200nm,830nm附近次(ci)峰透(tou)過(guo)(guo)率約(yue)(yue)為1×10-4；采用(yong)吸熱玻璃可(ke)將次(ci)峰透(tou)過(guo)(guo)率降低(di)1～2個數(shu)量級(ji)。根據需要可(ke)選(xuan)用(yong)900nm或950nm的紅(hong)外干(gan)涉(she)濾(lv)光片。
雖然(ran)高(gao)溫(wen)計在小目標(biao)和窄譜帶條(tiao)件(jian)下(xia)測(ce)量(liang)難度增加,但在測(ce)量(liang)靶直徑為0.75mm條(tiao)件(jian)下(xia)使用時,測(ce)量(liang)靶的形(xing)狀(zhuang)大小、有效波長及光譜帶寬等參(can)數(shu)與國家基(ji)(ji)準的相(xiang)應參(can)數(shu)基(ji)(ji)本一致,避免(mian)了溫(wen)度基(ji)(ji)準至(zhi)標(biao)準的傳遞過程中因這些參(can)數(shu)不(bu)同引起的系(xi)統誤(wu)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(you)微處理機的(de)測量(liang)顯(xian)示儀表的(de)組(zu)成(cheng)部分(fen)：測量(liang)顯(xian)示儀表在微處理器(qi)(qi)的(de)控(kong)制下完成(cheng)對(dui)微電流(liu)放(fang)大(da)器(qi)(qi)的(de)控(kong)制及(ji)對(dui)放(fang)大(da)器(qi)(qi)輸出電壓的(de)AD轉(zhuan)換;按(an)放(fang)大(da)器(qi)(qi)相應(ying)量(liang)程增(zeng)益計(ji)算光電流(liu),并(bing)根據(ju)普朗克定律(lv)計(ji)算并(bing)顯(xian)示溫度值。可(ke)通(tong)過(guo)GPIB接口接收相應(ying)的(de)控(kong)制命令或發送(song)測量(liang)數(shu)據(ju)、儀器(qi)(qi)狀態(tai)、參(can)數(shu)等。在800℃,高溫計(ji)的(de)分(fen)辨率優于0.05℃,在900℃時分(fen)辨率優于0.01℃。
根據普(pu)朗(lang)克定律測(ce)溫(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)提之一(yi)是(shi)(shi)準確(que)確(que)定精密光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)效(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)。它是(shi)(shi)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學系統光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)透(tou)過(guo)率、光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電探測(ce)器(qi)(qi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)響(xiang)應及被測(ce)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)函數(shu)。其數(shu)值(zhi)主要(yao)取(qu)決于(yu)干涉(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)特性(xing)。干涉(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)具(ju)有(you)(you)顯著的(de)(de)(de)(de)(de)不均勻性(xing),必須采用原地測(ce)量方法確(que)定高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)(ji)有(you)(you)效(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang),以減小(xiao)有(you)(you)效(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)不確(que)定度(du)(du)。由于(yu)選用的(de)(de)(de)(de)(de)中心波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)約為(wei)660nm的(de)(de)(de)(de)(de)干涉(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)在(zai)830nm附(fu)近有(you)(you)次峰(feng),其峰(feng)值(zhi)透(tou)過(guo)率為(wei)10-4數(shu)量級。該次峰(feng)將導致有(you)(you)效(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)在(zai)較低(di)溫(wen)(wen)度(du)(du)時隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)降低(di)迅速增(zeng)大。為(wei)減小(xiao)次峰(feng)對有(you)(you)效(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang),在(zai)干涉(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)前(qian)加一(yi)吸熱玻(bo)璃(li)(li),使有(you)(you)效(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)變化顯著減小(xiao),同時也減小(xiao)了光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電探測(ce)器(qi)(qi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)響(xiang)應測(ce)量不確(que)定度(du)(du)對有(you)(you)效(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)不確(que)定度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)。加吸熱玻(bo)璃(li)(li)前(qian)后干涉(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)透(tou)過(guo)率及平(ping)均有(you)(you)效(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)計(ji)(ji)算(suan)結(jie)果。加吸熱玻(bo)璃(li)(li)后有(you)(you)效(xiao)波(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)(chang)隨(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)變化顯著減小(xiao)。
用真空(kong)燈(deng)和充氣燈(deng)分度高溫(wen)計(ji)的分度重(zhong)復(fu)性,10天(tian)內(nei)(nei)分度6次。實驗時室溫(wen)控制在22℃±1℃內(nei)(nei),燈(deng)座溫(wen)度控制在21℃±0.3℃內(nei)(nei)。
由于光(guang)(guang)學(xue)系統雜(za)散光(guang)(guang)及象差等因(yin)素的(de)影(ying)響,高(gao)(gao)溫計測量(liang)溫度(du)一定的(de)輻射(she)源時,測量(liang)結果與被測源形狀大小有關。高(gao)(gao)溫計在測量(liang)1000℃和2000℃的(de)40mm面黑(hei)體時,SSE的(de)影(ying)響分別為(wei)0.13℃和0.43℃。該(gai)特性表明,用(yong)鎢帶燈分度(du)該(gai)高(gao)(gao)溫計,在測量(liang)黑(hei)體爐時,若不做SSE修正也不致產生顯(xian)著的(de)誤差。
測(ce)(ce)量(liang)距離(li)(li)(li)不同時(shi)高溫計光學(xue)系統的透過率略(lve)有變化(hua)。用鎢帶燈和黑體爐測(ce)(ce)量(liang)了高溫計放大器輸出受測(ce)(ce)量(liang)距離(li)(li)(li)的影響(xiang)(DE)。在近距離(li)(li)(li)測(ce)(ce)量(liang)時(shi)要注意距離(li)(li)(li)變化(hua)的影響(xiang)。
精(jing)密(mi)光(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)在確(que)(que)定其(qi)有(you)效波(bo)長和(he)放大器各量(liang)程增(zeng)益(yi)比后,僅需一個參考溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)點分(fen)度(du)(du)(du)(du)(du),即(ji)可(ke)確(que)(que)定其(qi)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)量(liang)值(zhi)(忽(hu)略高溫(wen)(wen)計(ji)非(fei)線(xian)性的影響(xiang))。作(zuo)為溫(wen)(wen)標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)的傳遞標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)時,為與現行檢定方法統(tong)一,800℃～2200℃暫用工作(zuo)基準(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)檢定(或檢驗(yan))精(jing)密(mi)(標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun))光(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)。影響(xiang)其(qi)不(bu)確(que)(que)定度(du)(du)(du)(du)(du)的主要因素(su)為以下6項:分(fen)度(du)(du)(du)(du)(du)重復(fu)性標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)(que)定度(du)(du)(du)(du)(du);標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)光(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)年穩(wen)定性的標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)(que)定度(du)(du)(du)(du)(du);工作(zuo)基準(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)的合成標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)(que)定度(du)(du)(du)(du)(du);工作(zuo)基準(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)電(dian)測設備(bei)標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)(que)定度(du)(du)(du)(du)(du)(含標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)電(dian)阻、電(dian)壓測量(liang)儀表和(he)穩(wen)流電(dian)源紋波(bo)的影響(xiang));有(you)效波(bo)長的標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)(que)定度(du)(du)(du)(du)(du)(0.2nm)對(dui)鎢帶燈(deng)亮度(du)(du)(du)(du)(du)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的影響(xiang)u5;環境溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)對(dui)標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)光(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)影響(xiang)的標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)(que)定度(du)(du)(du)(du)(du)。
當采用(yong)固定點(dian)作為溫(wen)(wen)度(du)參考點(dian)的分(fen)(fen)度(du)方法時,參考點(dian)溫(wen)(wen)度(du)不(bu)確(que)定度(du)對(dui)各(ge)溫(wen)(wen)度(du)延伸點(dian)的影響都將顯(xian)著減小。由于本精密光電高溫(wen)(wen)計(ji)在設計(ji)上完全具備用(yong)單點(dian)分(fen)(fen)度(du)的技(ji)術特點(dian),因此為將來采用(yong)新分(fen)(fen)度(du)方法傳遞(di)溫(wen)(wen)標、減小測(ce)溫(wen)(wen)不(bu)確(que)定度(du)打下了良好基(ji)礎。
精(jing)密(mi)光電(dian)高(gao)(gao)(gao)溫計的結構參數和性能不(bu)僅適(shi)用于溫度精(jing)密(mi)測量,而且可作為溫標(biao)(biao)的傳遞標(biao)(biao)準(zhun)。該高(gao)(gao)(gao)溫計在小目標(biao)(biao)和窄譜帶的測量條件下,具有分辨率高(gao)(gao)(gao)、SSE小、自(zi)動化(hua)測量等特(te)點(dian)。采用原地(di)測量有效波(bo)長標(biao)(biao)定技術(shu),測溫范圍為800℃～3200℃。在660nm波(bo)長下,900℃時溫度分辨率為0.01℃,在800℃～2200℃溫度范圍內,置(zhi)信水平為0.99時,擴展不(bu)確定度為1.0℃～2.4℃。
