新型精密光电高温计

　　1　引言

　　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)[1,2]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[3,4]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。

　　2　高温计测温原理和结构

　　2·1　高温计测温原理

　　普朗克黑体辐射定律给出了黑体的光谱辐射亮度L与波长、温度之间的确定关系:

A为光电高温计测量目标的面积,Ω为光电高温计受光立体角,T为被测黑体的温度,τ(λ)为干涉滤光片的光谱透过率,R(λ)为光电探测器的光谱响应。上式为探测器输出Ip和温度T的单值关系。

　　当有效波长λe随温度的变化可忽略时,温度T与光电探测器的输出Ip呈单值关系且为一元显函数。式(4)是精密光电高温计计算温度的基本公式。测量非黑体时,T是被测辐射源的亮度温度。

　　2·2　仪器描述

　　2·2·1　高温计的组成

　　按功能划分,其组成部分见图1。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。

　　2·2·2　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[1,2]的光学系统及国外同类仪器[5,6]的方案。高温计光学系统布置如图2所示。被测辐射源经物镜2成像于视场光阑3,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8、限制光阑9、干涉滤光片10、减弱滤光片11、准直镜12后会聚到光电探测器13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),4为瞄准系统的反射镜,5为瞄准物镜,6为减光片(轮),7为目镜。