光电高温计校准中的有效波长修正

　　0　引言

　　精密光电高温计(以下简称高温计)[1-4]通常作为温度计量标准器,用于标准钨带灯检定、高温热电偶检定的温度量值确定。近年来更多地被作为高温黑体辐射源的温度标准器,也用于其它高温精密测量。

　　高温计的校准是确定其分度特性(或示值误差),即确定高温计函数S(T)或确定高温计示值与温度标准器温度量值之关系。从技术上讲,高温计的校准可采用固定点法和比较法。采用固定点黑体校准高温计是目前最高水平的校准方法。由于钨带灯使用方便、性能稳定的特点,用钨带灯作为标准器的比较分度方法是长期以来直至目前被广泛采用的简便、经济的方法。

　　钨带灯是非黑体,灯电流恒定时其亮度温度是波长的函数。因此利用钨带灯分度高温计的前提,是已知钨带灯在高温计波长下亮度温度与灯电流的关系。通常在校准中会涉及有效波长[5-6]的修正问题,为此,本文介绍了对此所做的研究和探讨。

　　1　高温计工作原理

　　高温计属非接触测温仪表。它采用光电探测器实现光电转换,测量物体在确定波长下的光谱辐射亮度,并依据Planck辐射定律确定物体的亮度温度。Planck公式描述了黑体温度T、黑体辐射在真空中的波长λ和黑体光谱辐射亮度Lb(λ,T)之间的关系:

　　式中,c1、c2分别为第一、第二辐射常数。

　　在本文中讨论的高温计,特指采用线性光电探测器实现光电转换的单波段窄带通的高温计。高温计通常由光学成像系统、单色器、光电探测器及电子线路等基本组成部分构成。其输出信号S(T)与黑体温度T之间的关系为:

　　其中,A和Ω分别为高温计的测量目标面积和接收立体角,R(λ)是高温计的绝对光谱响应度。

　　为采用钨带灯和亮度温度的概念分度高温计,需要引入有效波长理论。

　　选择已知温度为Tr的参考点黑体。当高温计测量温度分别为Tr和T的黑体时,其输出信号之比为Sr/S,引入有效波长λe,结合Planck公式可得[4]:

　　式(3)是利用有效波长概念的高温计测温公式[4]。

　　2　钨带灯的亮度温度与高温计有效波长

　　采用钨带灯作为标准器校准高温计时,高温计测量的是钨带灯的亮度温度。当钨带灯电流确定时,其亮度温度是波长的函数。通常将高温计测量钨带灯的亮度温度T视为钨带灯在高温计极限有效波长λt下的亮度温度。文献[5,7]对钨带灯亮度温度与高温计有效波长做了详细论述。

　　用高稳定度钨带灯分度高温计的前提是高温计的波长特性已知。因此须先行确定高温计的光谱响应度测量和有效波长,具体方法参见文献[8]。在现行国家温度量值传递体系中,钨带灯亮度温度的波长为660nm左右[4,9]。因此,采用钨带灯分度的高温计的极限有效波长应接近此数值。高温计的有效波长偏离此数值越大,亮度温度修正引入的修正不确定度越大。