[科普中国]-光电高温计

简介

中国计量科学研究院在建立我国961.78 ℃以上温区国际温标(ITS-90)的基础上, 研制了用作温标传递标准及精密测温的新型精密光电高温计。

鉴于钨带灯和黑体炉在温标传递中的重要地位, 新型光电高温计具备测量目标小和辐射源尺寸效应(Size-of-source effect)小的特点。新基准光电温度比较仪在设计时使其主要参数与国际建议一致;同样, 新光电高温计在被测目标形状、面积、受光立体角、仪器光谱带宽等参数及仪器结构上与国家基准比较仪保持基本一致, 以避免因基准和标准仪器的差异在温度量值传递的过程中产生显著的系统误差。由于该高温计的光电探测器输出与被测目标的光谱辐射亮度呈现很好的线性关系, 并在我国首次将原地测量有效波长方法应用于传递温标的高温计, 因此, 可直接由内部微控制器依据普朗克定律计算被测温度;具有数字滤波、自动暗电流修正及发射率修正等功能, 具备GPIB 接口功能, 便于组成自动化测试系统。

该高温计在660 nm 波长、900 ℃时温度分辨率为0.01 ℃;在800 ℃～ 2 200 ℃温度范围、置信水平为0.99 时, 扩展不确定度为1.0 ℃～ 2.4 ℃。精密光电高温计的结构参数和性能适合温度精密测量并作为温标的传递标准, 也为高温温标采用多波长传递方法及固定点分度等技术创造了条件1。

仪器描述1 高温计的组成

按功能划分高温计在形式上分为两部分。一部分为光学机械系统、光电转换及微电流放大器, 另一部分为由微控制器等组成的测量显示仪表。

2 光学系统布置及参数

精密光电高温计光学系统的设计, 参考了复现ITS-90 的基准光电温度比较仪的光学系统及国外同类仪器的方案。高温计光学系统布置：被测辐射源经物镜成像于视场光阑, 视场光阑中心为直径0.2 mm 的圆孔, 周围为镜反射面, 用于瞄准。被测目标成像于圆孔上, 其辐射经准直镜、限制光阑、干涉滤光片、减弱滤光片、准直镜后会聚到光电探测器上。限制光阑决定高温计的孔径比。可转动的干涉滤光片轮上有四个安装位置, 可安装三片不同波长的干涉滤光片, 使光束单色化, 减弱滤光片用于扩展测温上限(使光电探测器工作于线性区域),为瞄准系统的反射镜, 为瞄准物镜,为减光片(轮),为目镜。

高温计物镜直径为68 mm , 焦距140 mm, 最小测量距离约0.4 m, 最小测量靶面直径小于0.8mm, 显微物镜和目镜放大倍数为2 ×15 。高温计采用干涉滤光片为单色器, 其中心波长约为660 nm,半宽带约为10 nm, 长波截止至1 200 nm , 830 nm 附近次峰透过率约为1 ×10-4 ;采用吸热玻璃可将次峰透过率降低1 ～ 2 个数量级。根据需要可选用900nm 或950 nm 的红外干涉滤光片。

虽然高温计在小目标和窄谱带条件下测量难度增加, 但在测量靶直径为0.75 mm 条件下使用时, 测量靶的形状大小、有效波长及光谱带宽等参数与国家基准的相应参数基本一致, 避免了温度基准至标准的传递过程中因这些参数不同引起的系统误差。

电流放大器通常有5 ～ 6 个量程,其动态范围满足800 ℃～ 3 200 ℃测温范围探测器光电流的测量要求。放大器的输入失调电压的变化将导致探测器光谱响应率的变化, 必须严格限制。由于测量信号微弱, 对光电探测器及放大器采取了严格的屏蔽措施。

带有微处理机的测量显示仪表的组成部分：测量显示仪表在微处理器的控制下完成对微电流放大器的控制及对放大器输出电压的A D 转换;按放大器相应量程增益计算光电流, 并根据普朗克定律计算并显示温度值。可通过GPIB 接口接收相应的控制命令或发送测量数据、仪器状态、参数等。在800 ℃, 高温计的分辨率优于0.05 ℃, 在900 ℃时分辨率优于0.01 ℃2。

原地测量有效波长根据普朗克定律测温的前提之一是准确确定精密光电高温计的有效波长。它是高温计光学系统光谱透过率、光电探测器光谱响应及被测温度的函数。其数值主要取决于干涉滤光片的光谱特性。干涉滤光片具有显著的不均匀性, 必须采用原地测量方法确定高温计有效波长, 以减小有效波长的不确定度。由于选用的中心波长约为660nm 的干涉滤光片在830 nm 附近有次峰, 其峰值透过率为10-4数量级。该次峰将导致有效波长在较低温度时随温度降低迅速增大。为减小次峰对有效波长的影响, 在干涉滤光片前加一吸热玻璃, 使有效波长随温度变化显著减小, 同时也减小了光电探测器光谱响应测量不确定度对有效波长不确定度的影响。加吸热玻璃前后干涉滤光片的光谱透过率及平均有效波长计算结果。加吸热玻璃后有效波长随温度的变化显著减小。

分度重复性用真空灯和充气灯分度高温计的分度重复性, 10 天内分度6 次。实验时室温控制在22 ℃±1 ℃内, 灯座温度控制在21 ℃±0.3 ℃内3。

辐射源尺寸效应(SSE)由于光学系统杂散光及象差等因素的影响, 高温计测量温度一定的辐射源时, 测量结果与被测源形状大小有关。高温计在测量1 000 ℃和2 000 ℃的 40mm 面黑体时, SSE 的影响分别为0.13 ℃和0.43 ℃。该特性表明, 用钨带灯分度该高温计, 在测量黑体炉时, 若不做SSE 修正也不致产生显著的误差。

距离影响测量距离不同时高温计光学系统的透过率略有变化。用钨带灯和黑体炉测量了高温计放大器输出受测量距离的影响(DE) 。在近距离测量时要注意距离变化的影响1。

不确定度评定精密光电高温计在确定其有效波长和放大器各量程增益比后, 仅需一个参考温度点分度, 即可确定其温度量值(忽略高温计非线性的影响)。作为温标的传递标准时, 为与现行检定方法统一, 800 ℃～2 200 ℃暂用工作基准灯检定(或检验)精密(标准)光电高温计。影响其不确定度的主要因素为以下6项:分度重复性标准不确定度;标准光电高温计年稳定性的标准不确定度;工作基准灯的合成标准不确定度;工作基准灯电测设备标准不确定度(含标准电阻、电压测量仪表和稳流电源纹波的影响);有效波长的标准不确定度(0.2 nm)对钨带灯亮度温度的影响u5 ;环境温度对标准光电高温计影响的标准不确定度。

当采用固定点作为温度参考点的分度方法时,参考点温度不确定度对各温度延伸点的影响都将显著减小。由于本精密光电高温计在设计上完全具备用单点分度的技术特点, 因此为将来采用新分度方法传递温标、减小测温不确定度打下了良好基础2。

总结精密光电高温计的结构参数和性能不仅适用于温度精密测量, 而且可作为温标的传递标准。该高温计在小目标和窄谱带的测量条件下, 具有分辨率高、SSE 小、自动化测量等特点。采用原地测量有效波长标定技术, 测温范围为800 ℃ ～ 3 200 ℃。在660 nm 波长下, 900 ℃时温度分辨率为0.01 ℃, 在800 ℃～ 2 200 ℃温度范围内, 置信水平为0.99 时,扩展不确定度为1.0 ℃～ 2.4 ℃3。