光電高溫計

光電高溫計（photoelectric pyrometer）是指用光電池作為敏感元件，其光電流與受熱物體發出的光束成正比例因而就是受熱物體溫度的度量。以客觀的和無惰性的方式測量受熱物體的溫度，因此既可測量高速進行的工作過程溫度，還可以自動地記錄和調節這些溫度。

基本介紹

• 中文名：光電高溫計
• 外文名：photoelectric pyrometer
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 範圍：961.78 ℃以上溫區
• 特點：自動地記錄和調節這些溫度

簡介

中國計量科學研究院在建立我國961.78 ℃以上溫區國際溫標(ITS-90)的基礎上, 研製了用作溫標傳遞標準及精密測溫的新型精密光電高溫計。

鑒於鎢帶燈和黑體爐在溫標傳遞中的重要地位, 新型光電高溫計具備測量目標小和輻射源尺寸效應(Size-of-source effect)小的特點。新基準光電溫度比較儀在設計時使其主要參數與國際建議一致;同樣, 新光電高溫計在被測目標形狀、面積、受光立體角、儀器光譜頻寬等參數及儀器結構上與國家基準比較儀保持基本一致, 以避免因基準和標準儀器的差異在溫度量值傳遞的過程中產生顯著的系統誤差。由於該高溫計的光電探測器輸出與被測目標的光譜輻射亮度呈現很好的線性關係, 並在我國首次將原地測量有效波長方法套用於傳遞溫標的高溫計, 因此, 可直接由內部微控制器依據普朗克定律計算被測溫度;具有數字濾波、自動暗電流修正及發射率修正等功能, 具備GPIB 接口功能, 便於組成自動化測試系統。

該高溫計在660 nm 波長、900 ℃時溫度解析度為0.01 ℃;在800 ℃～ 2 200 ℃溫度範圍、置信水平為0.99 時, 擴展不確定度為1.0 ℃～ 2.4 ℃。精密光電高溫計的結構參數和性能適合溫度精密測量並作為溫標的傳遞標準, 也為高溫溫標採用多波長傳遞方法及固定點分度等技術創造了條件。

儀器描述

1 　高溫計的組成

按功能劃分高溫計在形式上分為兩部分。一部分為光學機械系統、光電轉換及微電流放大器, 另一部分為由微控制器等組成的測量顯示儀表。

2 　光學系統布置及參數

精密光電高溫計光學系統的設計, 參考了復現ITS-90 的基準光電溫度比較儀的光學系統及國外同類儀器的方案。高溫計光學系統布置：被測輻射源經物鏡成像於視場光闌, 視場光闌中心為直徑0.2 mm 的圓孔, 周圍為鏡反射面, 用於瞄準。被測目標成像於圓孔上, 其輻射經準直鏡、限制光闌、干涉濾光片、減弱濾光片、準直鏡後會聚到光電探測器上。限制光闌決定高溫計的孔徑比。可轉動的干涉濾光片輪上有四個安裝位置, 可安裝三片不同波長的干涉濾光片, 使光束單色化, 減弱濾光片用於擴展測溫上限(使光電探測器工作於線性區域),為瞄準系統的反射鏡, 為瞄準物鏡,為減光片(輪),為目鏡。

高溫計物鏡直徑為68 mm , 焦距140 mm, 最小測量距離約0.4 m, 最小測量靶面直徑小於0.8mm, 顯微物鏡和目鏡放大倍數為2 ×15 。高溫計採用干涉濾光片為單色器, 其中心波長約為660 nm,半寬頻約為10 nm, 長波截止至1 200 nm , 830 nm 附近次峰透過率約為1 ×10-4 ;採用吸熱玻璃可將次峰透過率降低1 ～ 2 個數量級。根據需要可選用900nm 或950 nm 的紅外干涉濾光片。

雖然高溫計在小目標和窄譜帶條件下測量難度增加, 但在測量靶直徑為0.75 mm 條件下使用時, 測量靶的形狀大小、有效波長及光譜頻寬等參數與國家基準的相應參數基本一致, 避免了溫度基準至標準的傳遞過程中因這些參數不同引起的系統誤差。

電流放大器通常有5 ～ 6 個量程,其動態範圍滿足800 ℃～ 3 200 ℃測溫範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回響率的變化, 必須嚴格限制。由於測量信號微弱, 對光電探測器及放大器採取了嚴格的禁止措施。

帶有微處理機的測量顯示儀表的組成部分：測量顯示儀表在微處理器的控制下完成對微電流放大器的控制及對放大器輸出電壓的A D 轉換;按放大器相應量程增益計算光電流, 並根據普朗克定律計算並顯示溫度值。可通過GPIB 接口接收相應的控制命令或傳送測量數據、儀器狀態、參數等。在800 ℃, 高溫計的解析度優於0.05 ℃, 在900 ℃時解析度優於0.01 ℃。

原地測量有效波長

根據普朗克定律測溫的前提之一是準確確定精密光電高溫計的有效波長。它是高溫計光學系統光譜透過率、光電探測器光譜回響及被測溫度的函式。其數值主要取決於干涉濾光片的光譜特性。干涉濾光片具有顯著的不均勻性, 必須採用原地測量方法確定高溫計有效波長, 以減小有效波長的不確定度。由於選用的中心波長約為660nm 的干涉濾光片在830 nm 附近有次峰, 其峰值透過率為10-4數量級。該次峰將導致有效波長在較低溫度時隨溫度降低迅速增大。為減小次峰對有效波長的影響, 在干涉濾光片前加一吸熱玻璃, 使有效波長隨溫度變化顯著減小, 同時也減小了光電探測器光譜回響測量不確定度對有效波長不確定度的影響。加吸熱玻璃前後干涉濾光片的光譜透過率及平均有效波長計算結果。加吸熱玻璃後有效波長隨溫度的變化顯著減小。

分度重複性

用真空燈和充氣燈分度高溫計的分度重複性, 10 天內分度6 次。實驗時室溫控制在22 ℃±1 ℃內, 燈座溫度控制在21 ℃±0.3 ℃內。

輻射源尺寸效應(SSE)

由於光學系統雜散光及象差等因素的影響, 高溫計測量溫度一定的輻射源時, 測量結果與被測源形狀大小有關。高溫計在測量1 000 ℃和2 000 ℃的 40mm 面黑體時, SSE 的影響分別為0.13 ℃和0.43 ℃。該特性表明, 用鎢帶燈分度該高溫計, 在測量黑體爐時, 若不做SSE 修正也不致產生顯著的誤差。

距離影響

測量距離不同時高溫計光學系統的透過率略有變化。用鎢帶燈和黑體爐測量了高溫計放大器輸出受測量距離的影響(DE) 。在近距離測量時要注意距離變化的影響。

不確定度評定

精密光電高溫計在確定其有效波長和放大器各量程增益比後, 僅需一個參考溫度點分度, 即可確定其溫度量值(忽略高溫計非線性的影響)。作為溫標的傳遞標準時, 為與現行檢定方法統一, 800 ℃～2 200 ℃暫用工作基準燈檢定(或檢驗)精密(標準)光電高溫計。影響其不確定度的主要因素為以下6項:分度重複性標準不確定度;標準光電高溫計年穩定性的標準不確定度;工作基準燈的合成標準不確定度;工作基準燈電測設備標準不確定度(含標準電阻、電壓測量儀表和穩流電源紋波的影響);有效波長的標準不確定度(0.2 nm)對鎢帶燈亮度溫度的影響u5 ;環境溫度對標準光電高溫計影響的標準不確定度。

當採用固定點作為溫度參考點的分度方法時,參考點溫度不確定度對各溫度延伸點的影響都將顯著減小。由於本精密光電高溫計在設計上完全具備用單點分度的技術特點, 因此為將來採用新分度方法傳遞溫標、減小測溫不確定度打下了良好基礎。

總結

精密光電高溫計的結構參數和性能不僅適用於溫度精密測量, 而且可作為溫標的傳遞標準。該高溫計在小目標和窄譜帶的測量條件下, 具有解析度高、SSE 小、自動化測量等特點。採用原地測量有效波長標定技術, 測溫範圍為800 ℃ ～ 3 200 ℃。在660 nm 波長下, 900 ℃時溫度解析度為0.01 ℃, 在800 ℃～ 2 200 ℃溫度範圍內, 置信水平為0.99 時,擴展不確定度為1.0 ℃～ 2.4 ℃。