СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЕДИНИЦЫ ТЕМПЕРАТУРЫ В ОБЛАСТИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
METHOD AND APPARATUS FOR REPRODUCING AND TRANSMITTING A TEMPERATURE UNIT AT HIGH TEMPERATURES

Изобретение относится к измерительной технике - радиационно-лазерной термометрии, может быть использовано в метрологии высокотемпературных измерений и предназначено для воспроизведения и передачи единицы термодинамической температуры (кельвина) согласно ее новому международному определению, основанному на взаимосвязи температуры с фундаментальными физическими константами.
Известен магнитный способ измерения термодинамической температуры, основанный на законе Кюри, согласно которому используют 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, которые определяют по частотам ядерно-магнитного резонанса (патент на изобретение РФ №2452940, МПК G01N 24/08, B82Y 99/00, опубл. 10.06.2012, БИ №16).
Недостаток данного способа заключается в том, что способ не обеспечивает высокую точность измерений, так как не является абсолютным способом измерения и требует предварительного точного знания реперной температуры тройной точки воды, вследствие этого результат применения способа изначально включает в себя неопределенность определения температуры тройной точки воды. Кроме того, способ невозможно использовать в области высоких температур. Способ предназначен только для измерения температуры, для воспроизведения и передачи кельвина - 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 на изобретение РФ №2523775, МПК G01J 5/00, G06F 17/17, опубл. 20.07.2014, БИ №20).
Недостаток способа заключается в том, что при его реализации используется операция подгонки значений параметров, отражающих структуру энергетических уровней объекта, что неизбежно влечет существенное снижение метрологической точности. Кроме того, 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 первичных преобразователей (не выше 2700 К). Способ предназначен только для измерения температуры, для воспроизведения и передачи кельвина - он 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 рассчитывают 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 на изобретение РФ №2381463, МПК G01J 5/00, опубл. 10.02.2010, БИ №4).
Недостатки указанного способа заключаются в невысокой точности получаемых результатов и в ограниченной номенклатуре анализируемых объектов. Невысокая точность обусловлена тем, что при реализации способа необходимо измерять спектральную чувствительность 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 мал, что делает технический сложной регистрацию отраженного сигнала. Кроме этого способ предназначен только для измерения температуры, для воспроизведения и передачи кельвина - способ неприменим.
Известен способ, согласно которому воспроизведение термодинамической температуры осуществляют с помощью ампул высокотемпературных реперных точек (ВТРТ), размещенных в модели абсолютно черного тела (АЧТ), а передачу значений температуры и ее измерение выполняют радиационным термометром, откалиброванным по монохроматическому излучению от лазера с использованием абсолютного криогенного радиометра, 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, T.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/).
В указанном способе для калибровки радиационного термометра используют монохроматическое излучение на заданной длине волны, при этом измеряют мощность излучения с помощью абсолютного криогенного радиометра или с помощью заранее откалиброванного трап-детектора или фильтрового радиометра, по измеренной мощности находят спектральную чувствительность радиационного термометра. В результате получают калибровочную характеристику радиационного термометра, используя которую измеряют температуру, воспроизводимую полостью ампулы ВТРТ, размещенной в модели АЧТ. При этом термодинамическую температуру находят расчетным путем, для чего используют формулу Планка для спектральной энергетической яркости АЧТ, значение мощности излучения модели АЧТ, измеренное радиационным термометром, а также полученную спектральную чувствительность радиационного термометра.
Недостаток способа - ограничение по верхнему пределу воспроизводимой термодинамической температуры значением 3474К, что обусловлено техническими возможностями существующих моделей АЧТ. Другой 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 спектров излучения монохроматического лазера и модели АЧТ. Общая величина неопределенности, вызванная указанными факторами, для эталонной метрологии является существенной, и она особенно ощутима в области высоких температур (выше 3000 К), где ее величина может достигать нескольких Кельвинов.
Наиболее близким по технической сущности является способ (прототип) воспроизведения, передачи и измерения термодинамической температуры, согласно которому 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 (патент на изобретение РФ №2697429, МПК G01K 15/00, G01J 5/00, опубл. 14.08.2019, БИ №23). В другом варианте осуществления этого же способа (прототипа) вместо абсолютного криогенного радиометра и квантового трап-детектора используют квантовый детектор, обладающий квантовой эффективностью, в пределах заданной точности, равной коэффициенту поглощения абсолютного криогенного радиометра.
4
2
Недостаток способа заключается в том, что, хотя в теории способ позволяет воспроизводить температуры 10 К и выше, однако его реализация для температур выше 3500 К становится затруднительной. Это связано с существующей проблемой формирования мощного Ламбертова источника, который в способе-прототипе реализуется с помощью непрерывного лазера. На современном уровне развития техники спектральная мощность известных непрерывных лазеров в диапазоне длин волн 650-800 нм ограничена значением ~7 мВт/нм (например, непрерывный лазер модель SuperK EXTREME/FIANIUM EXR-20, производитель «NKT-Photonics», Дания). В то же время для получения мощного излучения, эквивалентного высокой температуре, например, температуре T=5000 К, требуется спектральная мощность не ниже 35 мВт/нм, а с учетом реальных потерь в оптической системе, которые достигают 70%, требуется еще более высокая мощность - порядка 10 мВт/нм. Поэтому для воспроизведения единицы температуры на уровне 5000 К или выше одновременно требуется сразу несколько непрерывных лазеров, общее количество которых может достигать десяти и более. Это значимо снижает стабильность суммарного лазерного излучения, а значит и точность измерений. Кроме того, существенно возрастают себестоимость аппаратуры для реализации способа и энергопотребление. В этом заключаются главные недостатки способа-прототипа.
Технический результат от применения заявляемого способа - расширение достигаемого диапазона воспроизведения и передачи единицы температуры в область высоких температур с одновременным сохранением точности, достигаемой в области умеренных температур, а также упрощение состава, снижение себестоимости и энергопотребления устройства, реализующего способ.
Указанный технический результат достигается способом, в котором формируют пучок монохроматического излучения заданного сечения с равномерно распределенной по нему заданной поверхностной плотностью потока излучения, измеряют плотность потока излучения в данном сечении, задают спектр излучения абсолютно черного тела и по формуле Планка рассчитывают термодинамическую температуру абсолютно черного тела, эквивалентную измеренной поверхностной плотности потока монохроматического излучения, измеряют средством измерения заданную поверхностную плотность потока монохроматического излучения, измеренному сигналу средства измерения приписывают расчетное значение термодинамической температуры. Способ реализуется с помощью устройства, которое содержит последовательно оптически-соединенные монохроматический лазер со светоделительной пластиной и устройством обратной связи, расширитель лазерного пучка, ирисовую диафрагму, фотометрический шар, первую калиброванную диафрагму, полосовой оптический фильтр и ослабляющий нейтральный оптический фильтр, с которым поочередно оптически соединены вторая калиброванная диафрагма с трап-детектором или радиационный термометр с объективом, при этом мощность и длина волны лазера, кратность расширения расширителя лазерного пучка, апертуры ирисовой, первой и второй калиброванной диафрагм, спектр пропускания полосового оптического фильтра и ослабление нейтрального оптического фильтра предварительно найдены расчетным путем и заданы исходя из заданного диапазона воспроизводимой температуры.
л
max
л
1
Сущность предлагаемого способа поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, 5. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, с помощью которого осуществляется воспроизведение единицы термодинамической температуры на заданном уровне температуры; на фиг. 2 дана схема измерений, которая используется при передаче единицы термодинамической температуры (кельвина) радиационному термометру; на фиг. 3, 4 приведены графические примеры зависимости мощности Р монохроматического лазера от достигаемой при данной мощности термодинамической температуры Т, указанные зависимости приведены для заданных спектров различной ширины Δλ=1,3,5,10 нм; на фиг. 5 представлена графическая зависимость максимально-достижимой термодинамической температуры T при конкретно-заданной ширине полосы заданного спектра Δλ для фиксированной мощности монохроматического лазера, равной Р=5 Вт, центральной длины волны, равной λ=532 нм, и диаметра калиброванной диафрагмы 3, равного d=2 мм.
Обозначения на фигурах:
1 - монохроматический лазер; 2 - фотометрический шар; 3 - первая калиброванная диафрагма, установленная на выходном порте фотометрического шара 2; 4 - полосовой оптический фильтр; 5 - вторая калиброванная диафрагма, установленная на входном порте трап-детектора 6; 6 - трап-детектор; 7 - расширитель лазерного пучка; 8 - ослабляющий нейтральный оптический фильтр; 9 - радиационный термометр; 10 - объектив; 11 - светоделительная пластина; 12 - устройство обратной связи лазера 1; 13 - ирисовая диафрагма входного порта фотометрического шара 2.
Теоретическая и техническая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
Воспроизведение единицы измерения температуры (кельвина), своей конечной целью имеет передачу указанной единицы измерения конкретно взятому средству измерения температуры. В области высоких температур такая передача, как правило, осуществляется пирометрам или, т.н. радиационным термометрам. Международная температурная шкала МТШ-90 построена на законе Планка для излучения абсолютно черного тела (АЧТ), при этом для ее высокотемпературного диапазона характерна явно выраженная нелинейная зависимость спектральной энергетической яркости АЧТ от термодинамической температуры. Поэтому, в данном диапазоне температуры воспроизведение и передача кельвина должны осуществляться для каждой конкретно взятой термодинамической температуры. Вплоть до значения температуры 3500 К воспроизведение и передача кельвина с заданной точностью может быть технически реализована, например, с помощью способа, заявленного в патенте на изобретение РФ №2697429, опубл. 14.08.2019, БИ №23. Для температур выше 3500 К такая передача технически крайне сложна или даже неосуществима, что обусловлено тем, что на современном уровне развития науки и техники для температур выше 3500 К отсутствуют какие-либо эталонные источники инфракрасного излучения, являющиеся аналогом Ламбертова излучателя, и которые полностью имитируют излучение абсолютно черного тела в данной области температур. В частности, известные современные модели абсолютно черного тела обеспечивают воспроизведение максимальной термодинамической температуры, которая не превышает 3200 К (см., например, патент на изобретение РФ №2148801, МПК G01J 5/02, опубл. 10.05.2000; Огарев С.А., Хлевной Б.Б., Самойлов М.Л. и др. Высокотемпературные модели черного тела для фотометрии, радиометрии и радиационной термометрии // Измерительная техника. 2015. №11. С. 51-55). Другие источники инфракрасного излучения, например, такие как - сплошные лазеры, светодиоды, газоразрядные или ртутно-ксеноновые лампы, - для применения с данной целью в области высоких температур малопригодны, т.к. не обеспечивают либо требуемый спектр излучения, либо требуемую высокую стабильность излучения, либо высокую мощность излучения, эквивалентную заданной высокой термодинамической температуре. Таким образом, реализация способа согласно патенту на изобретение РФ №2697429 для высоких температур (выше 3500 К) затруднена, главным образом, из-за отсутствия мощного источника инфракрасного излучения, обладающего заданными и стабильными характеристиками.
-14
В отличие от перечисленных выше источников инфракрасного излучения монохроматические лазеры обладают гораздо большей мощностью и при этом обеспечивают требуемую высокую стабильность характеристик излучения, однако в настоящее время данные лазеры не используются в качестве эталонных источников излучения для целей радиационной термометрии. Это обусловлено тем, что спектр излучения монохроматических лазеров точно не известен и не может быть точно измерен, поэтому традиционный расчет термодинамической температуры по формуле Планка исходя из измеренной мощности лазера в данном случае невозможен. Это связано с тем, что монохроматические лазеры обладают специфической сигнатурой излучения - его спектр имеет довольно сложную структуру, которая, в свою очередь, формируется за счет двух процессов - собственного излучения рабочего вещества лазера и резонансных явлений в оптическом резонаторе лазера. С учетом этих процессов ширина линии лазерного излучения, или иначе, контура рабочего перехода лазера, приблизительно составляет 2⋅10 м. Применение оптического резонатора дополнительно сужает линию излучения и, в зависимости от типа используемого резонатора, обеспечивает длину когерентности лазерного излучения, изменяющуюся в диапазоне от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров. В таких условиях распределение энергии по спектру излучения лазера, знание которого необходимо при расчете температуры по формуле Планка, точно не может быть измерено, следовательно, не может быть точно определена термодинамическая температура, эквивалентная конкретно взятой мощности конкретно взятого монохроматического лазера. Кроме того, даже предположив, что спектр лазерного излучения точно известен, и рассчитав по нему термодинамическую температуру, эквивалентную излучению АЧТ, получаем такое ее значение, которое составляет несколько миллионов или даже несколько сотен миллионов Кельвинов. В таких условиях создать лазерное монохроматическое излучение со спектральной энергетической яркостью, соответствующей термодинамической температуре равной, например 5000 К, практически невозможно, т.к. для этого слишком малой должна быть мощность лазерного излучения.
Известно использование монохроматических лазеров в процедуре воспроизведения и передачи единицы температуры в одном из приведенных выше аналогов (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). Однако, в данном случае указанные лазеры используются исключительно в качестве источника монохроматического излучения по их прямому назначению, но не в качестве Ламбертова излучателя. В аналоге с помощью указанных лазеров осуществляют измерение спектральной чувствительности радиационного термометра. При этом под спектральной чувствительностью радиационного термометра понимают отношение его отклика (сигнала) к мощности падающего на него излучения, которая, в большинстве случаев, имеет размерность [А/Вт]. В результате калибровки радиационного термометра, выполняемой с помощью монохроматического лазера, находят зависимость отклика (сигнала) радиационного термометра от мощности падающего излучения, т.е. фактически осуществляют процедуру передачи единицы мощности лазерного излучения средству измерения - радиационному термометру. Далее с помощью радиационного термометра измеряют мощность излучения конкретно взятой ампулы ВТРТ, после чего измеренной мощности ставят в соответствие конкретную реперную термодинамическую температуру. Таким образом, измеряя мощность излучения нескольких различных ампул ВТРТ, в результате получают градуировочную зависимость отклика (сигнала) радиационного термометра от термодинамической температуры, которую в дальнейшем используют при измерениях температуры реальных объектов. Рассмотренный способ-аналог является косвенным, а не абсолютным способом, поэтому требует наличия нескольких реперных температур и, соответственно, ампул ВТРТ их воспроизводящих, вследствие чего имеет достаточно весомую неопределенность передачи единицы температуры. Кроме того, как было указано ранее, он имеет ограничение по температурному применению (вплоть до температуры 3200 К), что обусловлено ограниченным набором ампул ВТРТ и их техническими возможностями (их предельной температурой).
В заявляемом техническом решении предлагается использовать главное преимущество монохроматических лазеров по сравнению с другими источниками - их высокую мощность. При этом, в отличие от аналогов и прототипа, заданной термодинамической температуре предложено ставить в соответствие не спектральную энергетическую яркость АЧТ, как это общепринято, а поверхностную плотность потока излучения АЧТ в заданном спектре. Указанная поверхностная плотность потока излучения АЧТ создается монохроматическим лазерным излучением заданной мощности в заданном сечении, т.е., таким образом, фактически предлагается осуществлять передачу поверхностной плотности потока излучения от монохроматического лазера 1 к средству измерения - радиационному термометру 9. Так как поверхностная плотность потока излучения напрямую связана с термодинамической температурой через формулу Планка, то передача поверхностной плотности потока излучения средству измерения одновременно означает передачу ему значения термодинамической температуры, т.е. ее единицы (кельвина) на выбранном уровне температур. Для осуществления способа необходимо, чтобы монохроматическое излучение было равномерно распределено в заданном сечении и равномерно распространялось из заданного сечения в полупространство (в телесный угол, равный ω=2π стерадиан), т.е., чтобы излучение было аналогично излучению Ламбертова источника.
Согласно предлагаемому способу, при осуществлении процедуры передачи единицы температуры в заданном сечении создают некоторую поверхностную плотность потока излучения от монохроматического лазера 1, измеряют ее и виртуально считают ее равной поверхностной плотности потока излучения АЧТ в конкретно заданном спектральном диапазоне в одноименном заданном сечении. Затем, используют формулу Планка для спектральной энергетической яркости АЧТ и по ней рассчитывают искомую термодинамическую температуру, соответствующую конкретно измеренной поверхностной плотности потока излучения от монохроматического лазера. Математически эти операции описываются следующими соотношениями:
где
м
q - поверхностная плотность потока излучения, создаваемая монохроматическим лазером 1,
τ(λ) - спектральный коэффициент пропускания полосового оптического фильтра 4, задающего спектр излучения АЧТ,
b,λ
L(λ,Т) - спектральная энергетическая яркость АЧТ, которую рассчитывают по формуле Планка (приводится ниже),
λ - длина волны излучения,
Т- термодинамическая температура.
Соотношение для спектральной энергетической яркости согласно формуле Планка для излучения от АЧТ в воздушной среде (нормальные условия) имеет вид:
h - фундаментальная постоянная Планка,
c - скорость света в вакууме,
n - показатель преломления воздуха,
k - фундаментальная постоянная Больцмана.
Расчет термодинамической температуры Т выполняют по соотношениям (1), (2).
Для создания монохроматического излучения, которое в заданном сечении равномерно распределено, т.е. обладает равномерно распределенной по данному сечению поверхностной плотностью потока излучения и равномерно распространяется в полупространство в телесном угле 2π стерадиан, используют совокупность из следующих последовательно оптически соединенных элементов:
1
- монохроматический лазер 1, расширитель лазерного пучка 7, ирисовая диафрагма 13, фотометрический шар 2, первая калиброванная диафрагма 3. С помощью фотометрического шара 2 обеспечивают равномерное распределение мощности монохроматического излучения по сечению первой калиброванной диафрагмы 3, при этом излучение из ее сечения распространяется в полупространство аналогично Ламбертову излучению. С помощью первой калиброванной диафрагмы 3, установленной на выходном порте фотометрического шара 2, в пределах заданной точности задают сечение пучка излучения диаметром d.
Расширитель лазерного пучка 7 позволяет изменять (в частности, расширять) исходный диаметр лазерного пучка и при этом одновременно выполняет две функции:
1. При апертуре ирисовой диафрагмы 13 большей или равной диаметру входного порта фотометрического шара 2 расширение диаметра лазерного пучка существенно снижает плотность энергии в месте первого попадания лазерного луча в фотометрический шар, - это существенно снижает перегрев фотометрического шара и обеспечивает его нормальное функционирование.
2
2
2. При изменении апертуры ирисовой диафрагмы 13 от некоторого минимального значения до значения, равного диаметру входного порта фотометрического шара 2, расширитель лазерного пучка 7 обеспечивает возможность широкодиапазонной регулировки мощности лазерного излучения, подаваемого в фотометрический шар. Например, при кратности увеличения равной η=10х, мощность может изменяться от 1 до 10=100 крат, при кратности, равной η=16х, - от 1 до 16=256 крат.
м
м
В результате предлагаемых технических решений, монохроматический лазер 1 совместно с расширителем лазерного пучка 7, ирисовой диафрагмой 1, фотометрическим шаром 2 и первой калиброванной диафрагмой 3 с заданной точностью воспроизводят заданную поверхностную плотность потока излучения, которую виртуально принимают равной поверхностной плотности потока излучения абсолютно черного тела в заданном спектральном диапазоне, и которая численно равна интегралу спектральной энергетической яркости АЧТ по заданному спектру. Таким образом, указанной поверхностной плотности потока излучения q ставится в соответствие конкретная термодинамическая температура Т. В результате получают зависимость термодинамической температуры Т от поверхностной плотности потока излучения q, создаваемого конкретно взятым монохроматическим лазером 1. Указанную зависимость в дальнейшем используют для воспроизведения и передачи единицы термодинамической температуры (кельвина), преимущественно - для уровня температур выше 3500 К.
м
Как следует из соотношений (1), (2) для нахождения искомой термодинамической температуры Т по формуле Планка необходимо знать поверхностную плотность потока излучения монохроматического лазера q и спектральный коэффициент пропускания τ(λ). Спектральный коэффициент пропускания τ(λ) целиком и полностью определяется спектральным пропусканием полосового оптического фильтра 4, который устанавливается на входном порте радиационного термометра 9. Получение численных значений τ(λ) не представляет каких-либо сложностей - их заранее точно измеряют существующими анализаторами спектра.
м
м
1
TR
м
Измерение поверхностной плотности потока излучения монохроматического лазера q, также не является проблемой, данную операцию осуществляют следующим образом. Для измерения q используют, например, квантовый трап-детектор 6 с известной квантовой эффективностью, значение которой предварительно, заранее и единожды измерено, например, с помощью абсолютного криогенного радиометра, как это делается в способе-прототипе. Для этого, квантовый трап-детектор 6 располагают соосно фотометрическому шару 2 на некотором заданном расстоянии D от него, на входном порте трап-детектора устанавливают вторую калиброванную диафрагму 5 с заранее заданным диаметром и тот же самый полосовой оптический фильтр 4, который используется в радиационном термометре 9 (фиг. 1). Измеряют сигнал трап-детектора I и по нему расчетным путем находят поверхностную плотность потока излучения q в сечении первой калиброванной диафрагмы 3. Расчет выполняют по соотношению:
где
QED - квантовая эффективность трап-детектора 6, измеренная при нормальных условиях в воздушной среде,
е - заряд электрона,
М
λ - длина волны излучения используемого монохроматического лазера,
G - конфигурационный фактор,
1
2
F=πr/4 - площадь сечения первой калиброванной диафрагмы 3,
TR
I - измеренный сигнал трап-детектора (фототок).
Конфигурационный фактор G рассчитывают по соотношению:
где
1
r - радиус апертуры первой калиброванной диафрагмы 3,
2
r - радиус апертуры второй калиброванной диафрагмы 5,
1
D - расстояние между диафрагмами 3 и 5.
м
В том случае, когда воспроизводят очень высокую температуру, эквивалентная ей поверхностная плотность потока лазерного излучения может оказаться настолько высока, что превысит максимально-допустимую для трап-детектора и радиационного термометра. В этом случае полосовой оптический фильтр 4 снабжают нейтральным оптическим фильтром 8, дополнительно ослабляющим излучение, при этом коэффициент ослабления данного фильтра 8 считается известным с заданной точностью. Нейтральный оптический фильтр 8 устанавливают вплотную или рядом с полосовым оптическим фильтром 4, спереди или за ним. В этом случае расчет поверхностной плотности потока излучения q выполняют по соотношению:
где
Ф
τ - коэффициент пропускания нейтрального оптического фильтра 8.
м
В результате выполнения перечисленных операций измерения и расчета поверхностная плотность потока q излучения в сечении первой калиброванной диафрагмы 3 с заданной точностью определена и ей соответствует конкретная термодинамическая температура Т, т.е. она воспроизведена, равна конкретному числу единиц кельвина, которое далее может быть передано конкретному средству измерения - радиационному термометру 9.
м
Передачу единицы термодинамической температуры к средству измерения путем передачи поверхностной плотности потока излучения q от монохроматического лазера 1 к средству измерения - радиационному термометру 9 осуществляют следующим образом. Устанавливают на входной порт радиационного термометра 9 полосовой оптический фильтр 4, который ранее использовали для воспроизведения конкретной термодинамической температуры. При этом, в зависимости от уровня воспроизводимой температуры, используют, либо не используют нейтральный оптический фильтр 8. Затем, сохраняя неизменной мощность лазера 1, которая была задана при воспроизведении конкретной термодинамической температуры, с помощью объектива 10 фокусируют радиационный термометр 9 на сечение первой калиброванной диафрагмы 3, установленной на выходном порте фотометрического шара 2. Измеряют сигнал радиационного термометра 9 и данному сигналу приписывают конкретное значение термодинамической температуры, которое было определено на этапе воспроизведения температуры. Выполнение данной операции означает, что конкретное значение термодинамической температуры передано радиационному термометру 9 и ей в соответствие поставлено конкретное значение сигнала радиационного термометра 9. Выполнив перечисленные выше операции воспроизведения и передачи для различных мощностей лазера 1, получают градуировочную зависимость сигнала радиационного термометра 9 от термодинамической температуры. После этого радиационный термометр 9 используют для измерения температуры реальных объектов, при этом пользуются полученной градуировочной зависимостью.
л
м
Мощность Р монохроматического лазера 1, которая требуется для воспроизведения кельвина при заданной термодинамической температуре, определяют следующим образом. Исходя из заданной термодинамической температуры по соотношениям (1), (2) рассчитывают требуемую поверхностную плотность потока излучения q, при этом используют заранее известные значения τ(λ). Затем выполняют расчет мощности лазера по соотношению:
где
р
τ - коэффициент пропускания излучения расширителем лазерного пучка 7,
ф
τ - коэффициент пропускания излучения фотометрическим шаром 2.
л
1
р
ф
max
л
1
р
ф
max
max
-1/4
На фиг. 3, 4 представлены примеры рассчитанных по соотношению (6) графических зависимостей мощности Р от требуемой термодинамической температуры для спектров различной ширины Δλ=1,3,5,10 нм. Расчеты выполнены для длины волны лазерного излучения, равной λ=532 нм, диаметра первой калиброванной диафрагмы 3, равного 2r=2 мм, при этом приняты значения параметров, равные τ=0,8; τ=0,5. На фиг. 5 представлен пример зависимости максимальной термодинамической температуры T от ширины полосы заданного спектра Δλ, которую можно достичь с помощью лазера с конкретной мощностью Р=5 Вт при длине волны лазерного излучения λ=532 нм, диаметре первой калиброванной диафрагмы 3, равном 2r=2 мм; τ=0,8; τ=0,5. Как установлено, максимальная термодинамическая температура T обратно пропорциональна четвертой степени ширины полосы, т.е. T~Δλ.
Сущность заявленного способа поясняется работой реализующего его устройства. Устройство состоит из монохроматического лазера 1; фотометрического шара 2, первой калиброванной диафрагмы 3, которая установлена на выходном порте фотометрического шара 2; полосового оптического фильтра 4; второй калиброванной диафрагмы 5, которая установлена на входном порте трап-детектора 6; трап-детектора 6; расширителя лазерного пучка 7; нейтрального оптического фильтра 8, ослабляющего излучение; радиационного термометра 9; объектива 10, светоделительной пластины 11; устройства обратной связи 12 лазера 1; ирисовой диафрагмы 13.
л
М
М
М
В качестве монохроматического лазера 1 могут использоваться стандартные монохроматические лазеры, обладающие требуемой мощностью Р и высокой стабильностью излучения, например, такие лазеры как: He-Ne газовый лазер с длиной волны λ=632,816 нм, твердотельный лазер Nd:YAG-лазер с длиной волны λ=532 нм, например, лазер модели «Monopower-532-5W» фирмы «Alphalas» GmbH (Германия) и другие. В качестве фотометрического шара 2 может использоваться любой тип интегрирующих сфер, например интегрирующие сферы типа ISP. В качестве трап-детектора 6 может быть использован многоэлементный фотодиодный детектор, например, модель HH03-S1337 тип S1337-1010BR. В качестве расширителя лазерного пучка 7 - стандартные или изготовленные на заказ расширители лазерных лучей типа Галилея, предназначенные для использования в инфракрасном диапазоне с регулируемой кратностью расширения вплоть до крат (20х), например: моторизованный перестраиваемый расширитель пучка модель «МОТЕХ» (производитель «Altechna»), или, например, расширитель пучка на длину волны λ=532 нм модель «BEST-532-20M» с увеличением 20х (производитель «Laser Components»), или другие. В качестве радиационного термометра 9 может использоваться, например, прецизионный линейный пирометр, модель LP-4 или LP-5, или другие. Остальные структурные элементы - 4, 5, 8, 10, 11, 12, 13, как правило, являются стандартными изделиями и подбираются потребителем, реализующим способ, индивидуально.
1
л
TR
м
л
R
л
л
л
л
TR
м
R
Устройство работает следующим образом. Собирают схему устройства для воспроизведения единицы температуры согласно фиг. 1, при этом на оптической оси выходного порта фотометрического шара 2 и первой калиброванной диафрагмы 3 на некотором заданном расстоянии D, которое подбирают экспериментально, устанавливают вплотную друг к другу полосовой оптический фильтр 4, нейтральный оптический фильтр 8 (для высоких температур), вторую калиброванную диафрагму 5 и трап-детектор 6. Включают устройство и задают мощность Р лазера 1, которая предварительно рассчитана по соотношению (6) исходя из заданной термодинамической температуры. Измеряют сигнал I трап-детектора 6 и по соотношению (3) рассчитывают поверхностную плотность потока излучения q, по соотношениям (1), (2), (4) находят значение термодинамической температуры T. Далее собирают схему для передачи единицы температуры согласно фиг. 2, при этом, вместо второй калиброванной диафрагмы 5 и трап-детектора 6 устанавливают последовательно объектив 10 и средство измерения - радиационный термометр 9 и фокусируют их на плоскость апертуры первой калиброванной диафрагмы 3. Сохраняя мощность Р лазера 1 неизменной и равной мощности, используемой при воспроизведении единицы температуры, измеряют сигнал I радиационного термометра 9 и данному значению приписывают заданное значение термодинамической температуры. Затем изменяют мощность Р лазера 1 на заданную величину ±ΔР и регистрируют новый сигнал радиационного термометра 9. После этого собирают схему согласно фиг. 1, при этом, вместо объектива 10 и радиационного термометра 9 устанавливают вплотную друг к другу полосовой оптический фильтр 4, нейтральный оптический фильтр 8 (для высоких температур), вторую калиброванную диафрагму 5 и трап-детектор 6, а мощность лазера 1 сохраняют равной измененному значению мощности Р±ΔР. Измеряют сигнал I трап-детектора 6 и по соотношению (3) рассчитывают поверхностную плотность потока излучения q, из которой по соотношениям (1), (2), (4) находят новое значение термодинамической температуры, которое ставят в соответствие измеренному новому сигналу радиационного термометра 9. Повторяя перечисленные операции для нескольких разных мощностей лазера 1 получают градуировочную характеристику радиационного термометра - зависимость его сигнала от термодинамической температуры, т.е. I=ƒ(T).
Расчетную оценку суммарной относительной (в относительных единицах) стандартной неопределенности воспроизведения и передачи кельвина при заданной термодинамической температуре выполняют по соотношению:
где
δ(QED) - относительная стандартная неопределенность измерения квантовой эффективности QED трап-детектора 6,
1
2
1
2
δr, δr - относительные стандартные неопределенности измерения радиуса r первой 3 и радиуса r второй 5 калиброванных диафрагм, соответственно,
1
δD - относительная стандартная неопределенность измерения расстояния между первой и второй калиброванными диафрагмами,
TR
TR
δI - относительная стандартная неопределенность измерения сигнала I трап-детектора 6,
R
δI - относительная стандартная неопределенность измерения сигнала радиационного термометра 9,
λ
δτ - относительная стандартная неопределенность измерения спектрального пропускания полосового оптического фильтра 4.
-4
-3
В зависимости от типа применяемой аппаратуры на современном уровне развития техники заявленные способ и устройство обеспечивают суммарную относительную (в относительных единицах) стандартную неопределенность воспроизведения и передачи кельвина в пределах от 5⋅10 до 10.