使用不同截止特性滤光片的高温计校准实验研究*

张艳莉　卢小丰　王景辉　葛良全　原遵东

(1.成都理工大学，成都 610059；2.中国计量科学研究院，北京 100029)

0　引言

光电高温计(以下简称高温计)是高温温标量值传递和精密测温等领域的重要测量仪器。基于高温计测温的精准、快速、自动量程及操作简单的优势，它不仅适用于计量部门作传递“ITS-90国际温标”的标准器，而且适用于钢铁和有色金属冶炼、建筑材料、石油化工、交通、能源、机械制造等大型企业及科研、高教、国防部门实验室的精密测温。

高温计根据普朗克黑体辐射定律，引入有效波长的概念，通过测量光电探测器的光电流之比，确定ITS-90银凝固点以上温度T的基本公式[1]：

(1)

式中：Ratio为高温计在参考点温度Tr和被测黑体温度T的光电流之比；e称为在温度间隔[Tr,T]的平均有效波长；c2为第二辐射常数。

理论上所有高温计都可以采用式(1)的方法延伸ITS-90温标，实现测量温区的校准。高温计延伸温标的主要参数有效波长e与探测器、干涉滤光片(以下简称滤光片)及光学透镜等光谱特性密切相关，而滤光片是高温计实现并决定有效波长的关键元件。本文以与基准温标复现波长[2]相同的660nm滤光片为研究对象，仅从截止特性差异的角度分析滤光片对高温计有效波长及延伸温标的影响，为高温计选择合适的滤光片提供参考。

1　实验装置和方法

本文试验用高温计在中国计量科学研究院研制的RT9031光电高温计基础上改造而成[3]，其滤光片转换轮可安装4片滤光片，其他光路结构完全相同，适用于测试滤光片对高温计校准实验的影响。高温计结构示意图如图1所示， 在本文实验中滤光片轮上安装了三块波长660nm、带宽10nm、截止特性不同的滤光片，分别命名为F1、F2和F3。

1.可移动物镜；2.视场光阑；3.第一准直镜；4.限制光阑；5.干涉滤光片转换轮；6.第二准直镜；7.光电探测器；8,10,11.反射镜；9.瞄准物镜；12.目镜；13.电流放大器；14.屏蔽罩

图2为高温计的校准实验平台，其中光谱响应度测量装置[4]用于测量高温计的相对光谱响应度，是获得有效波长的前提条件；银固定点炉[5]是高温计延伸温标的起始参考点；工作基准钨带灯装置[6]用于验证高温计的延伸温标。

本文实验按以下顺序进行：首先在光谱响应度测量装置中多次测量F1、F2和F3滤光片对应的相对光谱响应度，计算有效波长并评估不确定度；然后测量银固定点凝固时的光电流并利用式(1)延伸温标，完成高温计的校准；最后在工作基准钨带灯上验证高温计校准温标的准确性，分析滤光片截止特性对高温计校准实验的影响。

1.高温计；2.银固定点炉；3～6.钨带灯；7.光谱响应度测量装置； 8.不间断电源；9～12.直流电源；13.数字多用表；14.扫描开关；15.计算机；16.移动台；17～20 .标准电阻；21.恒温油槽

2　实验结果与讨论

在相对光谱响应度测量前后必须进行单色仪的波长校准，高温计的带通区和截止区采用不同的波长带宽和步进波长，最后合并成高温计的整体相对光谱响应度[4]。图3为高温计在600～1200nm之间的相对光谱响应度指数坐标图，上述波长之外区域的响应度对高温计测温影响可以忽略。

从图3可以看出，滤光片F1的带通区两侧梯度更陡，截止区的相对响应小于10-6量级(简称OD6)，从直观角度讲，F1具有更好的单色性。滤光片F2和F3的两侧梯度略缓，而且在810nm附近都具有明显的次峰，F2次峰处相对响应度大于F3，达到10-4量级。

图3　三种滤光片对应的高温计相对光谱响应度

滤光片F2和F3的单色性差于F1，可以从计算的有效波长更加直观证明，图4为以银固定点为参考点的三种滤光片平均有效波长。从图4可以看出，滤光片F1有效波长曲线在测温范围800～3200℃内最平缓，基本保持在0.1nm以内，且测量重复性好、不确定度小，利用拟合方程[7]计算高温计有效波长导致的温度误差小于0.01℃；滤光片F2的有效波长随温度变化最剧烈，在测温范围内相差最大能达到1nm，其测量重复性较差、不确定度大，使用拟合方程计算的有效波长导致测温误差最大可达到0.5℃以上。滤光片F3则位于F1和F2之间。

图4　三种滤光片对应的高温计平均有效波长及不确定度

从上述实验结果可以看出，滤光片截止特性明显影响高温计的相对光谱响应度测量重复性，进而影响有效波长的不确定度，截止特性好的滤光片有效波长不确定度小，因此基准级高温计应采用截止特性OD6以上的滤光片，可以大大降低延伸温标的不确定度。

本文中高温计以银固定点为温标延伸起点，测量银点凝固时的光电流值作为延伸温标公式(1)中Ratio的分子。图5为2个月内高温计多次测量银固定点的温度变化，从图可以看出，三种滤光片的短期稳定性均小于0.1℃，长期稳定性则需要后续的年度实验考查。

图5　高温计测量银点的光电流变化

为分析三种滤光片截止特性对高温计延伸温标的影响，采用工作基准钨带灯为标准源，由于钨带灯直接溯源到高温基准，因此间接考核了高温计的延伸温标与基准温标的一致性。为减小高温计稳定性的影响，实验前重新测量高温计在银点凝固时的光电流来修正漂移。

工作基准钨带灯校准高温计的温度偏差如图6所示，波折线为钨带灯校准高温计的扩展不确定度。从图可以看出，校准温度与延伸温度间的差异最大0.6℃左右，而在1700℃的突然变化，分析可能是由于真空灯和充气灯与高温计相互反射效果不同所导致的。本文中高温计的延伸温标都采用实际平均有效波长计算，从图6看出，滤光片截止特性对高温计测温的影响基本保持在不确定度范围之内。

图6　工作基准钨带灯校准高温计的延伸温标

3　总结

滤光片是高温计实现测量单色辐射亮度的重要光学元件，本文针对常用波长660nm滤光片，从滤光片的截止特性角度，分析对高温计有效波长和延伸温标校准的影响。截止特性越好，滤光片的单色性越高，有效波长不确定度越小，因此基准级高温计采用截止特性OD6以上的滤光片，可以大大降低延伸温标的不确定度。从工作基准灯校准高温计延伸温标实验可以发现，对标准级的高温计，截止特性达到OD4以上的滤光片，可以满足一般测量精度要求。由于本文的实验均在半年内进行，滤光片的长期稳定性以及中心波长不同的高温计延伸温标的一致性还将在后续进行深入实验研究。

[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]原遵东，段宇宁，王铁军，等.复现银凝固点以上国际温标(ITS-90)[J].现代计量测试，2001，9(2):13-21

[3]原遵东，赵琪，段宇宁，等.新型精密光电高温计[J].计量学报，2003，24(4): 257-261

[4]卢小丰，原遵东，柏成玉，等.基准光电高温计的光谱响应度测量[J].计量学报，2007，28(3A): 65-68

[5]段宇宁，原遵东，赵琪.新型辐射银点炉的研制[J].计量学报，1995，16(4)：241-245

[6]卢小丰，柏成玉，王景辉，等.工作基准钨带灯的新校准方法[J].计量学报，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