Способ воспроизведения, передачи и измерения термодинамической температуры - RU2697429C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к измерительной технике термодинамических параметров в области высоких температур и может быть использовано в эталонной метрологии для воспроизведения, передачи и измерения термодинамической температуры согласно новому международному определению единицы ее измерения.

Известен магнитный способ измерения термодинамической температуры, согласно которому измерения выполняют на основе закона Кюри, используя зависимость магнитной восприимчивости термометрического вещества от температуры, при этом в качестве термометрического вещества используют дисперсию из однодоменных наночастиц ферромагнитного материала, а температуру находят исходя из напряженности и индукции магнитного поля внутри термометрического вещества, определяемым по частотам ядерно-магнитного резонанса (патент РФ №2452940, МПК G01N 24/08, B82Y 99/00, опубл. 10.06.2012).

Недостаток данного способа заключается в том, что он не обеспечивает высокую точность измерений, так как не является абсолютным способом измерения и требует знания реперной температуры тройной точки воды, поэтому результат применения способа изначально включает в себя неопределенность определения температуры тройной точки воды. Кроме этого, способ нельзя использовать в области высоких и сверхвысоких температур. Способ предназначен только для измерения температуры, для ее воспроизведения и передачи - способ неприменим.

Известен способ и система коррекции на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра, основанные на измерении энергии излучения объекта радиационным термометром, построении адаптированной эффективной физической модели системы и калибровке радиационного термометра (патент РФ №2523775, МПК G01J 5/00, G06F 17/17, опубл. 20.07.2014).

Недостаток способа заключается в том, что при его реализации используется операция подгонки значений параметров, отражающих структуру энергетических уровней объекта, а это неизбежно влечет существенное снижение метрологической точности. Также, способ предполагает использование заранее откалиброванных стандартных средств измерений температуры - платинового термометра сопротивления, термопарного преобразователя, ртутного термометра - это дополнительно снижает точность получаемых результатов, так как на неопределенность конечного результата измерений накладывается неопределенность исходной калибровки указанных средств измерений. Кроме этого, применение способа ограничено максимальными рабочими температурами термопарных преобразователей. Способ предназначен только для измерения температуры, для ее воспроизведения и передачи - способ неприменим.

Известен пирометрический способ определения термодинамической температуры металлов, согласно которому при определении температуры используют поочередную подсветку анализируемого элемента поверхности металла тремя лазерами с известными мощностями и длинами волн излучения, при этом определяют возникающие при поочередной подсветке приращения сигналов фотоприемников, каждое из которых нормируют на мощность соответствующего лазера. По нормированным приращениям сигналов фотоприемников вычисляют отношения монохроматических коэффициентов отражения, учитывают отклонение излучательной способности поверхности металлов от константы и определяют термодинамическую температуру металлов при изменении их спектрального коэффициента излучения в процессе нагрева (патент РФ №2381463, МПК G01J 5/00, опубл. 10.02.2010).

Недостатки указанного способа заключаются в невысокой точности получаемых результатов и в ограниченной номенклатуре анализируемых объектов. Невысокая точность обусловлена тем, что при реализации способа необходимо измерение спектральной чувствительности трех фотоприемников, из чего следует 3-х кратное увеличение неопределенности измерений в сравнении с одиночным фотоприемником. Ограничение по номенклатуре анализируемых объектов заключается в невозможности использования способа для слабоотражающих объектов, например, таких как модели абсолютно черного тела, у которых коэффициент отражения лазерного излучения недостаточен для надежной и точной регистрации отраженного сигнала. Кроме этого способ предназначен только для измерения температуры, для ее воспроизведения и передачи - способ неприменим.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является общепринятый в мировой практике способ, согласно которому воспроизведение термодинамической температуры осуществляется с помощью ампул высокотемпературных реперных точек (ВТРТ) и модели абсолютно черного тела (АЧТ), а передача значений температуры и ее измерение выполняется радиационным термометром путем его калибровки по монохроматическому излучению от лазера с использованием абсолютного криогенного радиометра и квантового трап-детектора или фильтрового радиометра (S.W. Brown, G.P. Eppeldauer, and Lykke K.R. Facility for spectral irradiance and radiance responsivity calibrations using uniform sources // Applied Optics, vol. 45, №32, 2006, - P. 8218-8237; G.P. Eppeldauer, H.W. Yoon, Y. Zong, Т.C. Larason, A. Smith, and Racz M. Radiometer standard for absolute responsivity calibrations from 950 nm to 1650 nm with 0.05% (k=2) uncertainty // National Institute of Standards and Technology Technical, Note 1621, 371 pages (March 2009), P. 21-33; Klaus A. and Graham M. Thermodynamic temperature by primary radiometry // Phil. Trans. R. Soc. A 374: 20150041, 17 p., http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2015.0041; http://rsta.royalsocietypublishing.org/) (прототип).

В способе-прототипе для калибровки радиационного термометра используется монохроматическое излучение на заданной длине волны, при этом мощность излучения измеряется абсолютным криогенным радиометром, по измеренной мощности калибруется квантовый трап-детектор или фильтровый радиометр, с помощью трап-детектора определяется спектральная чувствительность средства измерения - радиационного термометра. Исходя из полученной спектральной чувствительности радиационного термометра, по формуле Планка находится соответствующая заданной мощности излучения термодинамическая температура. Таким образом находится калибровочная характеристика радиационного термометра, после чего, с его помощью измеряется воспроизводимая температура полости ампулы ВТРТ, размещенной в модели АЧТ.

Недостаток способа заключается в ограничении достигаемой точности из-за неопределенности, вносимой измерением спектральной чувствительности радиационного термометра и последующим математическим интегрированием полученных значений по диапазону длин волн, а также - из-за неопределенности, обусловленной различием спектрального распределения мощности монохроматического излучения лазера и измеряемого излучения от модели АЧТ. Общая величина неопределенности, вызванная данными факторами, для эталонной метрологии является существенной, она особенно ощутима при высоких температурах, для которых ее величина может достигать нескольких единиц кельвина. Другой недостаток способа - ограничение по верхнему пределу воспроизводимой термодинамической температуры значением 3474К, что обусловлено техническими возможностями существующих моделей АЧТ.

Технический результат от применения способа - повышение точности воспроизведения, передачи и измерения термодинамической температуры с одновременным расширением динамического диапазона в область высоких температур.

Указанная цель достигается тем, что в способе воспроизведения, передачи и измерения термодинамической температуры формируют калиброванный по сечению источник излучения, являющийся аналогом Ламбертова источника излучения и обладающий равномерно распределенной по сечению плотностью мощности излучения, при этом спектральную полосу излучения источника в пределах заданной точности задают равной спектральной полосе пропускания оптического средства измерения, которому передается и которым измеряется значение термодинамической температуры, измеряют мощность излучения источника абсолютным криогенным радиометром, регистрируют сигнал квантового трап-детектора от измеренного излучения, по измеренной мощности и сигналу трап-детектора расчетным путем определяют квантовую эффективность трап-детектора, калибруют средство измерения, для этого, исходя из заданной точности и диапазона воспроизводимых температур, задают диапазон и шаг изменения мощности излучения источника, для каждого заданного значения мощности поочередно измеряют сигналы средства измерения и трап-детектора, по измеренному сигналу трап-детектора и его квантовой эффективности рассчитывают соответствующую мощность излучения источника, для рассчитанных значений мощности по формуле Планка для спектральной плотности мощности расчетным путем находят соответствующие термодинамические температуры и ставят их в соответствие измеренным сигналам средства измерения, находят аппроксимирующие математические зависимости сигнала средства измерения от термодинамической температуры и от мощности, задают необходимую для воспроизведения термодинамическую температуру, из полученных аппроксимирующих зависимостей находят мощность излучения и величину сигнала средства измерения, соответствующие заданной термодинамической температуре, регулируют мощность излучения источника и одновременно регистрируют сигнал средства измерения, при этом расстояние между средством измерения и источником излучения выдерживают равным расстоянию, использованному при калибровке средства измерения, при достижении равенства сигнала средства измерения заданному значению считают, что заданная термодинамическая температура источником воспроизведена, передана средству измерения и им измерена.

В другом варианте осуществления способа вместо абсолютного криогенного радиометра и квантового трап-детектора используют квантовый детектор, обладающий квантовой эффективностью, в пределах заданной точности, равной коэффициенту поглощения абсолютного криогенного радиометра.

Для пояснения сущности предлагаемого способа на фиг. 1 представлена принципиальная схема формирования заданного излучения и измерения его мощности абсолютным криогенным радиометром (АКР), на фиг. 2 - принципиальная схема измерения квантовой эффективности квантового трап-детектора, на фиг. 3 - схема калибровки оптического средства измерения - радиационного термометра, на фиг. 4 - схема измерений термодинамической температуры радиационным термометром.

Обозначения на фигурах: 1 - модель абсолютно черного тела (МАЧТ); 2 - лазер непрерывный; 3 - другой источник излучения; 4 - акусто-оптический туннельный фильтр (АОТФ); 5 - интегрирующая сфера (ИС); 6 - диафрагма выходного порта ИС; 7 - диафрагма входного порта абсолютного криогенного радиометра; 8 - абсолютный криогенный радиометр (АКР); 9 - диафрагма входного порта квантового трап-детектора; 10 - квантовый трап-детектор; 11 - радиационный термометр; 12 - ампула высокотемпературной реперной точки (ВТРТ).

В отличие от известных способов в предлагаемом способе для калибровки оптического средства измерения, например - радиационного термометра, предлагается использовать излучение со спектральной полосой заданной конечной ширины, т.е. - полихроматическое излучение, исходящее от калиброванного по сечению Ламбертова источника излучения, при этом полоса данного излучения с заданной точностью подбирается равной спектральной полосе пропускания средства измерения, которому передается и которым измеряется значение термодинамической температуры. В качестве такого источника могут быть равноправно использованы - модель абсолютно черного тела (АЧТ), широкополосный источник лазерного излучения, светодиод, температурная или ксеноновая лампа и другие, работающие совместно с интегрирующей сферой. При этом необходимо иметь в виду, что верхний предел воспроизводимой температуры при использовании модели АЧТ ограничен температурой 3474К, при использовании светодиода, ксеноновой лампы - определяется предельно-допустимой мощностью выбранного источника, а при использовании лазерного источника - практически не ограничен. В отличие от традиционно используемого монохроматического излучения использование излучения с заданной спектральной полосой конечной ширины, т.е. полихроматического излучения, позволяет максимально приблизить воспроизводимую температуру к ее истинному значению. При использовании полихроматического излучения исключается неопределенность воспроизведения температуры, вызванная различием спектрального распределения плотности мощности монохроматического излучения и измеряемого излучения от выбранного источника. Под полихроматическим излучением в данном случае считается излучение в полосе частот, с заданной точностью совпадающей с рабочей полосой длин волн оптического средства измерения - радиационного термометра, которая обычно находится в диапазоне λ_LP=640-660 нм.

Согласно предлагаемому способу процесс воспроизведения термодинамической температуры и передачи ее значения средству измерения - радиационному термометру с последующим измерением этого значения условно можно разделить на четыре этапа, которые реализуются следующим образом.

На первом этапе (фиг. 1) предварительно выбирают тип источника излучения - АЧТ, лазер, или другой источник - светодиод, лампа и т.д. Широкополосное излучение произвольно выбранной мощности P₀ от выбранного типа источника излучения 1 или 2 или 3 преобразуют в полихроматическое с заданной полосой длин волн, с заданной точностью равной рабочей полосе пропускания средства измерения - радиационного термометра. Данная операция может быть выполнена, например, с помощью акусто-оптического туннельного фильтра 4. Далее, указанное полихроматическое излучение калибруют по сечению пучка излучения и выравнивают равномерность распределения его плотности мощности по данному сечению. Выравнивание осуществляется, например, с помощью интегрирующей сферы 5, а калибровка - с помощью диафрагмы 6, установленной на выходном порте ИС. Затем данное излучение через диафрагму 7 подают на вход абсолютного криогенного радиометра 8. При этом мощность излучения от источника подбирают таким образом, чтобы мощность излучения, падающего на радиометр АКР, находилась в пределах его динамического диапазона и рекомендательно была близка к его середине (например, P_CR≈0,35 мВт). С помощью АКР с высокой точностью (99,995%) измеряют мощность P_CR, входящего в него излучения, после чего рассчитывают мощность P_IS излучения в калиброванном сечении пучка (в сечении диафрагмы на выходном порте ИС). Расчет выполняют по соотношению:

где

r₁ - радиус апертуры диафрагмы 6, установленной на выходном порте интегрирующей сферы (радиус калиброванного пучка), м;

r₂ - радиус апертуры диафрагмы 7, установленной на входном порте АКР, м;

d₁ - расстояние между диафрагмами, м.

Далее рассчитывают поверхностную плотность мощности излучения q_IS в калиброванном сечении пучка излучения. Расчет выполняют по соотношению:

На втором этапе (фиг. 2) полихроматическое излучение той же (измеренной) мощности и с такой же полосой, как на первом этапе, подают на вход квантового трап-детектора 10 и регистрируют его фототок I_TR. По измеренному фототоку выполняют расчет квантовой эффективности трап-детектора QED_TR. Для этого используют соотношение:

где

I_TR - фототок квантового трап-детектора, А;

λ₁, λ₂ - границы полосы регистрируемого спектра излучения (обычно λ₁≈640 нм, λ₂≈660 нм), нм;

Δλ1=λ₂-λ₁ - ширина полосы спектра излучения, нм;

h=(6,6260755±0,00023)×10^-34 - постоянная Планка, Дж×С;

е=1,602176462(65)×10^-19 - элементарный заряд, Кл или (А×с);

с=2,99792458×10⁸ - скорость света в вакууме, м/с;

r₁ - радиус калиброванного пучка, м;

r₃ - радиус апертуры диафрагмы 9, установленной на входном порте трап-детектора, м;

d₂ - расстояние между диафрагмами, м.

Данное соотношение получено из известного соотношения для фототока фотодиода и из условия, что спектральное распределение мощности излучения в заданной полосе частот - равномерное и не зависит от длины волны. Это позволяет упростить вычисление интеграла тока.

После нахождения значения величины квантовой эффективности трап-детектора (которая обычно составляет ≈0,97) любая другая i-ая мощность (P_ISi) и поверхностная плотность мощности (q_ISi) излучения интегрирующей сферы (калиброванного пучка излучения) в заданной полосе длин волн, измеренная трап-детектором, может быть определена по соотношениям:

На третьем этапе (фиг. 3) выполняют калибровку оптического средства измерения - радиационного термометра 11. Для этого в зависимости от требуемой точности, задают диапазон и шаг изменения мощности источника излучения P₀. Калибруемый радиационный термометр 11, установленный на заданном расстоянии от источника излучения, фокусируют на калиброванное сечение пучка излучения (на плоскость сечения диафрагмы 6, установленной на выходном порте ИС). В процессе измерений изменяют на заданную величину мощность источника излучения 1 или 2 или 3, при этом каждый раз поочередно измеряют с помощью трап-детектора 10 мощность в калиброванном сечении пучка P_ISi и регистрируют фототок радиационного термометра 11 I_LPi, соответствующий данной измеренной мощности. В результате калибровки получают набор значений фототока радиационного термометра I_LPi и соответствующих им значений поверхностной плотности мощности излучения q_ISi в калиброванном сечении пучка. Далее выполняют расчет значений термодинамической температуры T_i, эквивалентных измеренным плотностям мощности q_ISi. Искомые значения температуры находят из уравнения:

где

L_b,λ(λ,T_i) - спектральная плотность мощности излучения АЧТ, рассчитываемая по соотношению:

C₁=2πhc²=3,74177118×10^-16 - первый коэффициент в законе Планка, Вт×м²;

С₂=hc/k=1,4387752(25)×10^-2 - второй коэффициент в законе Планка, м×К;

По полученным данным находят аппроксимирующие математические зависимости фототока радиационного термометра 11 от поверхностной плотности мощности излучения в калиброванном сечении пучка r₁ и от термодинамической температуры, т.е. зависимости I_LPi=ƒ(q_ISi) и I_LPi=ƒ(T_i). Таким образом, каждому измеренному значению фототока радиационного термометра ставят в соответствие термодинамическую температуру и поверхностную плотность мощности в калиброванном сечении пучка излучения.

На четвертом этапе (фиг. 4) задают требуемую к воспроизведению термодинамическую температуру Т_ЗАД и по полученной аппроксимирующей зависимости I_LPi=ƒ(T_i) находят значение фототока радиационного термометра, соответствующее заданной температуре Т_ЗАД. Выбирают тип источника излучения, с помощью которого будет выполняться воспроизведение термодинамической температуры.

В случае выбора модели АЧТ, как источника воспроизведения, фокусируют радиационный термометр в излучающую полость ампулы ВТРТ 12 (фиг. 4), установленной внутри модели АЧТ, при этом устанавливают радиационный термометр таким образом, чтобы расстояние между ним и анализируемым сечением полости ампулы ВТРТ было равно расстоянию L_ЗАД, использованному при калибровке радиационного термометра. В случае выбора широкополосного лазера 2 или другого источника 3 - на аналогичном расстоянии фокусируют радиационный термометр на калиброванное сечение пучка излучения - на сечение диафрагмы 6, установленной на выходном порте ИС.

Далее, путем регулировки мощности излучения выбранного источника воспроизведения добиваются заданного значения фототока радиационного термометра, которое соответствует заданной температуре. При достижении равенства фототока заданному считают, что заданная термодинамическая температура источником излучения воспроизведена, а ее значение в виде фототока передано радиационному термометру и им измерено. Таким образом, согласно рассмотренному способу, термодинамическая температура абсолютно определена и измерена.

Другой вариант осуществления способа - вместо абсолютного криогенного радиометра и квантового трап-детектора используют высокоэффективный квантовый детектор, обладающий квантовой эффективностью, в пределах заданной точности, равной коэффициенту поглощения абсолютного криогенного радиометра. Такой детектор является квантовым аналогом абсолютного криогенного радиометра и может одновременно выполнять функции как АКР, так и квантового трап-детектора. В качестве примера такого квантового детектора может быть использован, так называемый, предсказуемый квантовый эффективный детектор (ПКЭД), который, согласно данным разработчиков, обладает квантовой эффективностью, равной 99,995(7) %, что, в полной мере, позволяет использовать его взамен АКР (Meelis Sildoja, Farshid Manoocheri, Mikko Merimaa, Erkki Ikonen, Ingmar

В данном варианте осуществления способа в отличие от первоначальной версии выполняются следующие операции.

Измерения мощности излучения абсолютным криогенным радиометром не производят, а приступают сразу к калибровке радиационного термометра. Для этого в процессе измерений изменяют на заданную величину мощность источника излучения, при этом каждый раз выполняют поочередное измерение мощности в калиброванном сечении пучка P_ISi с помощью ПКЭД и регистрацию фототока радиационного термометра I_LPi, соответствующего данной измеренной мощности. При этом, расчет измеряемой мощности выполняют по соотношению:

где

I_PQED - измеренный фототок ПКЭД, А;

r₁ - радиус апертуры диафрагмы, установленной на выходном порте интегрирующей сферы (радиус калиброванного пучка), м;

r₄ - радиус апертуры диафрагмы, установленной на входном порте ПКЭД, м;

d₃ - расстояние между диафрагмами, м.

Остальные операции - идентичны операциям, применяемым в первом варианте осуществления способа.

ОЦЕНКА ОЖИДАЕМОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Ожидаемая неопределенность воспроизведения, передачи и измерения температуры согласно предлагаемому способу оценивается по следующим основным по вкладу составляющим относительной неопределенности:

для первого варианта осуществления способа:

- неопределенность измерения мощности абсолютным криогенным радиометром (u₁)

- неопределенность измерения фототока трап-детектора и определения его квантовой эффективности (u₂);

- неопределенность измерений фототока радиационного термометра (u₃);

- неопределенность расчетных данных (геометрического фактора, мощности, плотности потока мощности), (u₄)

- неопределенность математической аппроксимации зависимости фототока радиационного термометра от мощности излучения и от измеряемой термодинамической температуры (u₅);

- неопределенность установки заданного значения мощности, соответствующего воспроизводимой температуре (u₆);

- неопределенность измерения фототока радиационного термометра при воспроизведении заданной температуры (u₇);

для второго варианта осуществления способа:

- неопределенность измерения мощности предсказуемым квантовым эффективным детектором (u₈);

- неопределенность измерений фототока радиационного термометра (u₃);

- неопределенность расчетных данных (геометрического фактора, мощности, плотности потока мощности), (u₄);

- неопределенность математической аппроксимации зависимости фототока радиационного термометра от мощности излучения и от измеряемой термодинамической температуры (u₅)

- неопределенность установки заданного значения мощности, соответствующего воспроизводимой температуре (u₆);

- неопределенность измерения фототока радиационного термометра при воспроизведении заданной температуры (u₇).

Суммарная относительная неопределенность способа рассчитывается по соотношению:

где u_i - i-ая составляющая неопределенности.

Для используемых в конкретном устройстве для осуществления способа приборных средств составляющие неопределенности оцениваются следующими значениями:

u₁=5^⋅10^-5; u₂=5^⋅10^-8; u₃=5^⋅10^-8; u₄=2^⋅10^-5; u₅=10^-5; u₆=10^-5; u₇=5^⋅10^-8; u₈=5^⋅10^-5.

Суммарная относительная неопределенность составляет:

- для первого варианта осуществления способа: u_∑ ≈ 9^⋅10^-5;

- для второго варианта осуществления способа: u_∑ ≈ 9^⋅10^-5,

что в абсолютных значениях, например для термодинамической температуры Т=3400 К, составляет: u_∑^⋅T=9^⋅10^-5⋅3400≈0,31 К.

Предлагаемый способ позволяет воспроизводить практически неограниченные по верхнему пределу термодинамические температуры. Это обеспечивается за счет лазера как источника излучения и за счет возможности варьирования в широких пределах размером апертур диафрагм, а также расстоянием между ними. Такое варьирование гарантирует работоспособность способа и высокую точность измерений, выполняемых как при помощи абсолютного криогенного радиометра совместно с трап-детектором, так и с помощью высокоэффективного квантового детектора. Таким образом, способ позволяет воспроизводить температуры вплоть до температуры 10000 К и выше.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

Реализация способа, например, может быть осуществлена с помощью приборного комплекса, в состав которого входят:

- модель абсолютно черного тела (модель BB3500YY) и широкополосный лазер (модель Supercontinuum SUPER K EVO-04), как равноправные источники излучения;

- акусто-оптический туннельный фильтр-аттенюатор (модель Super K VARIA), как преобразователь широкополосного излучения в полихроматическое излучение с заданной полосой пропускания;

- прецизионные диафрагмы с различными апертурами, предназначенные для калибровки пучка излучения;

- абсолютный криогенный радиометр (модель CryoRad III);

- интегрирующая сфера (модель ISP75-130), как оптическое средство для выравнивания пучка;

- трехэлементный трап-детектор на кремниевых фотодиодах (тип S1337-1010BR, модель НН03-S1337);

- средство измерения - радиационный термометр (модель LP-5);

- предсказуемый квантовый эффективный детектор (ПКЭД), как альтернатива абсолютному криогенному радиометру.

Абсолютный криогенный радиометр (модель CryoRad III) - радиометр с замещением электрической мощностью, предназначен для измерения оптической мощности с относительной неопределенностью 5^⋅10^-5. Диапазон измеряемой мощности 1 мкВт - 1 мВт.

Модель абсолютно черного тела (модель BB3500YY), предназначена для реализации процесса фазового перехода (плавления, затвердевания) чистых веществ (металлов) и смесей. В комплекте с ампулами ВТРТ АЧТ в диапазоне температуры 961,78°С - 3474 К обеспечивает создание излучения, близкого к Ламбертову излучению. Ампулы ВТРТ предназначены для размещения в них чистых металлов и эвтектических смесей и конструктивно обеспечены полостью, моделирующей идеальное АЧТ.

Широкополосный лазер (модель Supercontinuum SUPER K EVO-04), предназначен для генерации широкоспектрального излучения в диапазоне длин волн 400-2400 нм. Суммарная мощность излучения лазера - 3 Вт.

Акусто-оптический туннельный фильтр-аттенюатор (модель Super K VARIA), предназначен для вырезания заданной спектральной полосы из спектра излучения лазера. Ширина полосы регулируется от 5 до 100 нм. Диапазон длин волн 400-850 нм.

Интегрирующая сфера (модель ISP75-130), предназначена для преобразования лазерного излучения в Ламбертово излучение.

Трехэлементный трап-детектор на кремниевых фотодиодах (тип S1337-1010BR, модель HH03-S1337), предназначен для измерения мощности оптического излучения. Квантовая эффективность >0,97; спектральный диапазон 350-950 нм.

Радиационный термометр (модель LP-5), предназначен для прецизионного бесконтактного измерения температуры.

Прецизионные диафрагмы с различными апертурами предназначены для калибровки пучка излучения и создания заданной плотности оптической мощности.

Приборный комплекс функционирует следующим способом.

С помощью выбранного источника - модели абсолютно черного тела 1 (модель BB3500YY) или широкополосного лазера 2 (модель Supercontinuum SUPER K EVO-04) (либо другого источника 3), а также последовательно за ними расположенных акусто-оптического туннельного фильтра-аттенюатора 4 (модель Super K VARIA), интегрирующей сферы 5 (модель ISP75-130) и прецизионной диафрагмы 6 с апертурой заданного размера, формируют калиброванный с равномерно распределенной по заданному сечению мощностью источник теплового излучения, являющийся аналогом Ламбертову источнику излучения (фиг. 1). С помощью акусто-оптического туннельного фильтра-аттенюатора 4 устанавливают спектральную полосу излучения источника в пределах заданной точности равную спектральной полосе пропускания средства измерения - радиационного термометра (модель LP-5, полоса пропускания λ=640-660 нм).

Подбирают мощность излучения от источника таким образом, чтобы мощность P_CR излучения, падающего на радиометр АКР 8, находилась в пределах его динамического диапазона, например, P_CR≈0,35 мВт. Измеряют мощность P_CR излучения, входящего в абсолютный криогенный радиометр (модель CryoRad III), после чего рассчитывают мощность излучения в калиброванном сечении пучка P_IS.

Затем направляют измеренное излучение (той же мощности) на вход квантового трап-детектора 10 (трехэлементный трап-детектор на кремниевых фотодиодах, тип S1337-1010BR, модель HH03-S1337) и регистрируют его фототок (фиг. 2). Расчетным путем определяют квантовую эффективность трап-детектора.

После этого приступают к калибровке средства измерения - радиационного термометра LP-5 (фиг. 3).

Перед выполнением калибровки предварительно, исходя из заданной точности и диапазона воспроизводимых температур, задают диапазон и шаг изменения мощности излучения источника, например - диапазон изменения мощности 0,05 мВт - 0,6 мВт, шаг изменения мощности 0,01 мВт.

Для каждого заданного значения мощности поочередно измеряют фототоки радиационного термометра 11 и трап-детектора 10, после чего, используя найденное ранее значение квантовой эффективности трап-детектора по измеренным фототокам трап-детектора рассчитывают соответствующие им мощности излучения источника, а по формуле Планка для спектральной плотности мощности расчетным путем находят соответствующие термодинамические температуры. Рассчитанные значения мощности и температуры ставят в соответствие измеренным фототокам радиационного термометра LP-5.

По полученному набору данных находят аппроксимирующие математические зависимости фототока радиационного термометра от термодинамической температуры и от мощности, т.е. зависимости I_LPi=ƒ(q_ISi) и I_LPi=ƒ(T_i).

После этого задают необходимую для воспроизведения термодинамическую температуру. Из полученных аппроксимирующих зависимостей I_LPi=ƒ(q_ISi) и I_LPi=ƒ(T_i) находят мощность излучения и величину фототока радиационного термометра, соответствующие данной термодинамической температуре. Регулируют мощность излучения выбранного источника и одновременно регистрируют фототок радиационного термометра LP-5, при этом расстояние между LP-5 и источником излучения выдерживают равным расстоянию, использованному при его калибровке. При достижении равенства фототока LP-5 заданному значению считают, что заданная термодинамическая температура источником воспроизведена, передана радиационному термометру и им измерена.

В другом варианте осуществления способа взамен АКР и трап-детектора используется предсказуемый эффективный квантовый детектор, обладающий квантовой эффективностью 99,995(7). В данном варианте способа измерение мощности излучения абсолютным криогенным радиометром не производят, а приступают сразу к калибровке радиационного термометра. Для этого аналогично первому варианту в процессе измерений изменяют на заданную величину мощность источника излучения, при этом каждый раз с помощью ПКЭД выполняют поочередное измерение мощности в калиброванном сечении пучка P_ISi и регистрируют фототок радиационного термометра I_LPi, соответствующий данной измеренной мощности.

Остальные операции выполняются идентично операциям, применяемым в первом варианте осуществления способа.

При экспериментальной проверке способа установлена абсолютная неопределенность воспроизведения термодинамической температуры при Т=3474 К и она составила u_∑≈0,9 К.

Согласно предлагаемому способу термодинамическая температура определяется абсолютным методом, опирается на современное определение единицы температуры, обеспечивает наивысшую точность и увеличение температурного диапазона в область высоких температур.

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике в области высоких температур и может быть использовано в эталонной метрологии для воспроизведения, передачи и измерения термодинамической температуры согласно новому международному определению единицы ее измерения. Заявленный способ включает формирование калиброванного по заданному сечению источника Ламбертова излучения с полосой с заданной точностью, равной спектральной полосе пропускания средства измерения, которому передается и которым измеряется значение термодинамической температуры, измерение мощности излучения абсолютным криогенным радиометром или квантовым детектором, измерение квантовой эффективности квантового трап-детектора, регистрацию сигнала средства измерения, нахождение аппроксимирующих зависимостей сигнала средства измерения от мощности излучения и термодинамической температуры, нахождение мощности излучения, соответствующей заданной термодинамической температуре, воспроизведение и измерение температуры. Технический результат изобретения - повышение точности воспроизведения термодинамической температуры с одновременным увеличением динамического диапазона в область высоких температур. 2 н.п. ф.-лы, 4 ил.

Формула