使用不同截止特性濾光片的高溫計校準(zhǔn)實(shí)驗研究*

張艷莉　盧小豐　王景輝　葛良全　原遵東

(1.成都理工大學(xué)，成都 610059；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

光電高溫計(以下簡稱高溫計)是高溫溫標(biāo)量值傳遞和精密測溫等領(lǐng)域的重要測量儀器?；诟邷赜嫓y溫的精準(zhǔn)、快速、自動量程及操作簡單的優(yōu)勢，它不僅適用于計量部門作傳遞“ITS-90國際溫標(biāo)”的標(biāo)準(zhǔn)器，而且適用于鋼鐵和有色金屬冶煉、建筑材料、石油化工、交通、能源、機(jī)械制造等大型企業(yè)及科研、高教、國防部門實(shí)驗室的精密測溫。

高溫計根據(jù)普朗克黑體輻射定律，引入有效波長的概念，通過測量光電探測器的光電流之比，確定ITS-90銀凝固點(diǎn)以上溫度T的基本公式[1]：

(1)

式中：Ratio為高溫計在參考點(diǎn)溫度Tr和被測黑體溫度T的光電流之比；e稱為在溫度間隔[Tr,T]的平均有效波長；c2為第二輻射常數(shù)。

理論上所有高溫計都可以采用式(1)的方法延伸ITS-90溫標(biāo)，實(shí)現(xiàn)測量溫區(qū)的校準(zhǔn)。高溫計延伸溫標(biāo)的主要參數(shù)有效波長e與探測器、干涉濾光片(以下簡稱濾光片)及光學(xué)透鏡等光譜特性密切相關(guān)，而濾光片是高溫計實(shí)現(xiàn)并決定有效波長的關(guān)鍵元件。本文以與基準(zhǔn)溫標(biāo)復(fù)現(xiàn)波長[2]相同的660nm濾光片為研究對象，僅從截止特性差異的角度分析濾光片對高溫計有效波長及延伸溫標(biāo)的影響，為高溫計選擇合適的濾光片提供參考。

1　實(shí)驗裝置和方法

本文試驗用高溫計在中國計量科學(xué)研究院研制的RT9031光電高溫計基礎(chǔ)上改造而成[3]，其濾光片轉(zhuǎn)換輪可安裝4片濾光片，其他光路結(jié)構(gòu)完全相同，適用于測試濾光片對高溫計校準(zhǔn)實(shí)驗的影響。高溫計結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示， 在本文實(shí)驗中濾光片輪上安裝了三塊波長660nm、帶寬10nm、截止特性不同的濾光片，分別命名為F1、F2和F3。

1.可移動物鏡；2.視場光闌；3.第一準(zhǔn)直鏡；4.限制光闌；5.干涉濾光片轉(zhuǎn)換輪；6.第二準(zhǔn)直鏡；7.光電探測器；8,10,11.反射鏡；9.瞄準(zhǔn)物鏡；12.目鏡；13.電流放大器；14.屏蔽罩

圖2為高溫計的校準(zhǔn)實(shí)驗平臺，其中光譜響應(yīng)度測量裝置[4]用于測量高溫計的相對光譜響應(yīng)度，是獲得有效波長的前提條件；銀固定點(diǎn)爐[5]是高溫計延伸溫標(biāo)的起始參考點(diǎn)；工作基準(zhǔn)鎢帶燈裝置[6]用于驗證高溫計的延伸溫標(biāo)。

本文實(shí)驗按以下順序進(jìn)行：首先在光譜響應(yīng)度測量裝置中多次測量F1、F2和F3濾光片對應(yīng)的相對光譜響應(yīng)度，計算有效波長并評估不確定度；然后測量銀固定點(diǎn)凝固時的光電流并利用式(1)延伸溫標(biāo)，完成高溫計的校準(zhǔn)；最后在工作基準(zhǔn)鎢帶燈上驗證高溫計校準(zhǔn)溫標(biāo)的準(zhǔn)確性，分析濾光片截止特性對高溫計校準(zhǔn)實(shí)驗的影響。

1.高溫計；2.銀固定點(diǎn)爐；3～6.鎢帶燈；7.光譜響應(yīng)度測量裝置； 8.不間斷電源；9～12.直流電源；13.數(shù)字多用表；14.掃描開關(guān)；15.計算機(jī)；16.移動臺；17～20 .標(biāo)準(zhǔn)電阻；21.恒溫油槽

2　實(shí)驗結(jié)果與討論

在相對光譜響應(yīng)度測量前后必須進(jìn)行單色儀的波長校準(zhǔn)，高溫計的帶通區(qū)和截止區(qū)采用不同的波長帶寬和步進(jìn)波長，最后合并成高溫計的整體相對光譜響應(yīng)度[4]。圖3為高溫計在600～1200nm之間的相對光譜響應(yīng)度指數(shù)坐標(biāo)圖，上述波長之外區(qū)域的響應(yīng)度對高溫計測溫影響可以忽略。

從圖3可以看出，濾光片F(xiàn)1的帶通區(qū)兩側(cè)梯度更陡，截止區(qū)的相對響應(yīng)小于10-6量級(簡稱OD6)，從直觀角度講，F(xiàn)1具有更好的單色性。濾光片F(xiàn)2和F3的兩側(cè)梯度略緩，而且在810nm附近都具有明顯的次峰，F(xiàn)2次峰處相對響應(yīng)度大于F3，達(dá)到10-4量級。

圖3　三種濾光片對應(yīng)的高溫計相對光譜響應(yīng)度

濾光片F(xiàn)2和F3的單色性差于F1，可以從計算的有效波長更加直觀證明，圖4為以銀固定點(diǎn)為參考點(diǎn)的三種濾光片平均有效波長。從圖4可以看出，濾光片F(xiàn)1有效波長曲線在測溫范圍800～3200℃內(nèi)最平緩，基本保持在0.1nm以內(nèi)，且測量重復(fù)性好、不確定度小，利用擬合方程[7]計算高溫計有效波長導(dǎo)致的溫度誤差小于0.01℃；濾光片F(xiàn)2的有效波長隨溫度變化最劇烈，在測溫范圍內(nèi)相差最大能達(dá)到1nm，其測量重復(fù)性較差、不確定度大，使用擬合方程計算的有效波長導(dǎo)致測溫誤差最大可達(dá)到0.5℃以上。濾光片F(xiàn)3則位于F1和F2之間。

圖4　三種濾光片對應(yīng)的高溫計平均有效波長及不確定度

從上述實(shí)驗結(jié)果可以看出，濾光片截止特性明顯影響高溫計的相對光譜響應(yīng)度測量重復(fù)性，進(jìn)而影響有效波長的不確定度，截止特性好的濾光片有效波長不確定度小，因此基準(zhǔn)級高溫計應(yīng)采用截止特性O(shè)D6以上的濾光片，可以大大降低延伸溫標(biāo)的不確定度。

本文中高溫計以銀固定點(diǎn)為溫標(biāo)延伸起點(diǎn)，測量銀點(diǎn)凝固時的光電流值作為延伸溫標(biāo)公式(1)中Ratio的分子。圖5為2個月內(nèi)高溫計多次測量銀固定點(diǎn)的溫度變化，從圖可以看出，三種濾光片的短期穩(wěn)定性均小于0.1℃，長期穩(wěn)定性則需要后續(xù)的年度實(shí)驗考查。

圖5　高溫計測量銀點(diǎn)的光電流變化

為分析三種濾光片截止特性對高溫計延伸溫標(biāo)的影響，采用工作基準(zhǔn)鎢帶燈為標(biāo)準(zhǔn)源，由于鎢帶燈直接溯源到高溫基準(zhǔn)，因此間接考核了高溫計的延伸溫標(biāo)與基準(zhǔn)溫標(biāo)的一致性。為減小高溫計穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗前重新測量高溫計在銀點(diǎn)凝固時的光電流來修正漂移。

工作基準(zhǔn)鎢帶燈校準(zhǔn)高溫計的溫度偏差如圖6所示，波折線為鎢帶燈校準(zhǔn)高溫計的擴(kuò)展不確定度。從圖可以看出，校準(zhǔn)溫度與延伸溫度間的差異最大0.6℃左右，而在1700℃的突然變化，分析可能是由于真空燈和充氣燈與高溫計相互反射效果不同所導(dǎo)致的。本文中高溫計的延伸溫標(biāo)都采用實(shí)際平均有效波長計算，從圖6看出，濾光片截止特性對高溫計測溫的影響基本保持在不確定度范圍之內(nèi)。

圖6　工作基準(zhǔn)鎢帶燈校準(zhǔn)高溫計的延伸溫標(biāo)

3　總結(jié)

濾光片是高溫計實(shí)現(xiàn)測量單色輻射亮度的重要光學(xué)元件，本文針對常用波長660nm濾光片，從濾光片的截止特性角度，分析對高溫計有效波長和延伸溫標(biāo)校準(zhǔn)的影響。截止特性越好，濾光片的單色性越高，有效波長不確定度越小，因此基準(zhǔn)級高溫計采用截止特性O(shè)D6以上的濾光片，可以大大降低延伸溫標(biāo)的不確定度。從工作基準(zhǔn)燈校準(zhǔn)高溫計延伸溫標(biāo)實(shí)驗可以發(fā)現(xiàn)，對標(biāo)準(zhǔn)級的高溫計，截止特性達(dá)到OD4以上的濾光片，可以滿足一般測量精度要求。由于本文的實(shí)驗均在半年內(nèi)進(jìn)行，濾光片的長期穩(wěn)定性以及中心波長不同的高溫計延伸溫標(biāo)的一致性還將在后續(xù)進(jìn)行深入實(shí)驗研究。

[1]Yuan Z, Lu X, Wang J, et al.Realization of ITS-90 above the Silver Point at the NIM[J].Int J Thermophys, 2011(32):1611-1621

[2]原遵東，段宇寧，王鐵軍，等.復(fù)現(xiàn)銀凝固點(diǎn)以上國際溫標(biāo)(ITS-90)[J].現(xiàn)代計量測試，2001，9(2):13-21

[3]原遵東，趙琪，段宇寧，等.新型精密光電高溫計[J].計量學(xué)報，2003，24(4): 257-261

[4]盧小豐，原遵東，柏成玉，等.基準(zhǔn)光電高溫計的光譜響應(yīng)度測量[J].計量學(xué)報，2007，28(3A): 65-68

[5]段宇寧，原遵東，趙琪.新型輻射銀點(diǎn)爐的研制[J].計量學(xué)報，1995，16(4)：241-245

[6]盧小豐，柏成玉，王景輝，等.工作基準(zhǔn)鎢帶燈的新校準(zhǔn)方法[J].計量學(xué)報，2012，33(6A): 58-60

[7]Yuan Zundong, Wang Tiejun, Duan Yuning, et al.Precision Photoelectric Pyrometer and Its Calibration[C].Temperature：Its Measurement and Control in Science and Industry, Vol VII, AIP Conference Proceedings, New York, 2003: 559-564