RU2739731C1

RU2739731C1 - Method and apparatus for reproducing and transmitting a temperature unit at high temperatures

Info

Publication number: RU2739731C1
Application number: RU2020125440A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Петрович Ходунков
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2020-12-28

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment - radiation-laser thermometry, can be used in metrology of high-temperature measurements and is intended for reproduction and transmitting a unit of thermodynamic temperature (kelvin) according to its new international definition, based on the relationship of temperature with fundamental physical constants. According to the disclosed solution, a beam of monochromatic radiation of a given cross-section is formed with a given surface density of the radiation flux uniformly distributed therefrom. Radiation flux density is measured in a given cross-section, the emission spectrum of the absolutely black body is determined and, using Planck's formula, the thermodynamic temperature of the absolutely black body is calculated, which is equivalent to the measured surface density of the monochromatic radiation flux. Preset monochromatic radiation flux density is measured by means of measurement. A calculated value of the thermodynamic temperature is attributed to the measured signal of the measuring device. Device implementing said method comprises in series optically connected monochromatic laser with beam splitter and feedback device, laser beam expander, iris diaphragm, photometric ball, a first calibrated diaphragm, a band-pass optical filter and a attenuating neutral optical filter, to which a second calibrated diaphragm with a trap detector or a radiation thermometer with a lens is optically connected in turn. Laser power and wavelength, expansion ratio of laser beam expander, aperture of iris, first and second calibrated diaphragms, transmission spectrum of the band-pass optical filter and attenuation of the neutral optical filter are previously found by calculation and are given based on a given range of the reproduced temperature.

EFFECT: enlarging achieved range of reproduction and transfer of temperature unit to high temperatures area with simultaneous preservation of accuracy achieved in moderate temperatures, as well as simplification of composition, reduction of prime cost and power consumption of device implementing the method.

2 cl, 5 dwg

Description

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.The invention relates to measuring equipment - radiation-laser thermometry, can be used in metrology of high-temperature measurements and is intended to reproduce and transfer a unit of thermodynamic temperature (kelvin) according to its new international definition based on the relationship of temperature with fundamental physical constants.

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).There is a known magnetic method for measuring thermodynamic temperature, based on Curie's law, according to which the dependence of the magnetic susceptibility of a thermometric substance on temperature is used, while a dispersion of single-domain nanoparticles of a ferromagnetic material is used as a thermometric substance, and the temperature is found based on the strength and induction of the magnetic field inside the thermometric substance , which are determined by the frequencies of nuclear magnetic resonance (patent for the invention of the Russian Federation No. 2452940, IPC G01N 24/08, B82Y 99/00, publ. 10.06.2012, BI No. 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.The disadvantage of this method is that the method does not provide high measurement accuracy, since it is not an absolute measurement method and requires prior accurate knowledge of the reference temperature of the triple point of water, as a result of this, the result of applying the method initially includes the uncertainty in determining the temperature of the triple point of water. Moreover, the method cannot be used in the high temperature range. The method is intended only for measuring temperature, for reproduction and transmission of Kelvin - the method is not applicable.

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).There is a method and a correction system based on quantum theory to improve the accuracy of a radiation thermometer, based on measuring the radiation energy of an object with a radiation thermometer, building an adapted effective physical model of the system and calibrating a radiation thermometer (RF patent No. 2523775, IPC G01J 5/00, G06F 17 / 17, publ. 20.07.2014, BI No. 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.The disadvantage of this method is that during its implementation, the operation of adjusting the values of the parameters reflecting the structure of the energy levels of the object is used, which inevitably entails a significant decrease in the metrological accuracy. In addition, the method involves the use of pre-calibrated standard temperature measuring instruments - a platinum resistance thermometer, a thermocouple converter, a mercury thermometer - this further reduces the accuracy of the results, since the uncertainty of the initial calibration of these measuring instruments is superimposed on the uncertainty of the final measurement result. In addition, the application of the method is limited by the maximum operating temperatures of thermocouple primary converters (no higher than 2700 K). The method is intended only for measuring temperature, for reproducing and transmitting kelvin - it is not applicable.

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).A pyrometric method for determining the thermodynamic temperature of metals is known, according to which, when determining the temperature, alternate illumination of the analyzed element of the metal surface with three lasers with known powers and wavelengths of radiation is used, while determining the increments of the photodetector signals arising during alternate illumination, each of which is normalized to the power of the corresponding laser. According to the normalized increments of the signals of the photodetectors, the ratios of the monochromatic reflection coefficients are calculated, the deviation of the emissivity of the metal surface from a constant is taken into account, and the thermodynamic temperature of metals is determined when their spectral emissivity changes during heating (patent for invention of the Russian Federation No. .2010, BI No. 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.The disadvantages of this method lie in the low accuracy of the results obtained and in the limited nomenclature of the analyzed objects. The low accuracy is due to the fact that when implementing the method, it is necessary to measure the spectral sensitivity of three photodetectors, which implies a 3-fold increase in the measurement uncertainty in comparison with a single photodetector. The limitation on the nomenclature of the analyzed objects lies in the impossibility of using the method for low-reflective objects, for example, such as models of an absolutely black body, in which the reflection coefficient of laser radiation is small, which makes it technically difficult to register the reflected signal. In addition, the method is intended only for measuring temperature, for reproduction and transmission of Kelvin - the method is not applicable.

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/).There is a method according to which the reproduction of the thermodynamic temperature is carried out using ampoules of high-temperature reference points (HTFT) placed in the model of an absolutely black body (ABB), and the transfer of temperature values and its measurement is performed with a radiation thermometer calibrated by monochromatic radiation from a laser using absolute cryogenic radiometer, quantum trap detector or filter radiometer (SW Brown, GP Eppeldauer, and Lykke KR Facility for spectral irradiance and radiance responsivity calibrations using uniform sources // Applied Optics, vol. 45, no. 32, 2006, - P. 8218-8237 ; GP Eppeldauer, HW Yoon, Y. Zong, TC 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 radiom etry // 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.In this method, to calibrate a radiation thermometer, monochromatic radiation at a given wavelength is used, while the radiation power is measured using an absolute cryogenic radiometer or using a pre-calibrated trap detector or filter radiometer, and the spectral sensitivity of the radiation thermometer is found from the measured power. As a result, a calibration characteristic of a radiation thermometer is obtained, which is used to measure the temperature reproduced by the cavity of the HTRT ampoule located in the black body model. In this case, the thermodynamic temperature is found by calculation, for which the Planck formula for the spectral energy brightness of the blackbody, the value of the radiation power of the blackbody model measured by a radiation thermometer, as well as the obtained spectral sensitivity of the radiation thermometer are used.

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.The disadvantage of this method is the limitation of the upper limit of the reproducible thermodynamic temperature to the value of 3474K, which is due to the technical capabilities of the existing models of blackbody. Another disadvantage of the method lies in the limitation of the achieved accuracy due to the uncertainty introduced by measuring the spectral sensitivity of the radiation thermometer and subsequent mathematical integration of the obtained values over the wavelength range, as well as due to the uncertainty caused by the difference in the emission spectra of the monochromatic laser and the blackbody model. The overall magnitude of the uncertainty caused by these factors is significant for reference metrology, and it is especially noticeable in the high temperature range (above 3000 K), where its magnitude can reach several Kelvin.

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.The closest in technical essence is a method (prototype) of reproduction, transmission and measurement of thermodynamic temperature, according to which a radiation source calibrated in cross section is formed, which is an analogue of a Lambert radiation source and has a radiation power density uniformly distributed over the cross section, while the spectral radiation band of the source is within the specified accuracy is set equal to the spectral bandwidth of the optical measuring instrument, to which the value of the thermodynamic temperature is transmitted and measured, the radiation power of the source is measured with an absolute cryogenic radiometer, the signal of the quantum trap detector from the measured radiation is recorded, the measured power and the signal of the trap detector are calculated by calculation. the efficiency of the trap detector, the measuring instrument is calibrated, for this, based on the specified accuracy and the range of reproducible temperatures, the range and step of the radiation power change are set and source, for each specified power value, the signals of the measuring instrument and the trap detector are alternately measured, the corresponding radiation power of the source is calculated from the measured signal of the trap detector and its quantum efficiency, for the calculated power values according to the Planck formula for the spectral power density, the corresponding thermodynamic temperatures are calculated by calculation and put them in accordance with the measured signals of the measuring instrument, find the approximating mathematical dependences of the signal of the measuring instrument on the thermodynamic temperature and on the power, set the thermodynamic temperature necessary for reproduction, from the obtained approximating dependences find the radiation power and the signal value of the measuring instrument corresponding to the given thermodynamic temperature, regulate the radiation power of the source and simultaneously register the signal of the measuring instrument, while the distance between the measuring instrument and the radiation source is live equal to the distance used in the calibration of the measuring instrument, when the signal of the measuring instrument reaches the specified value, it is considered that the given thermodynamic temperature is reproduced by the source, transmitted to the measuring instrument and measured by it (RF patent for invention No. 2697429, IPC G01K 15/00, G01J 5 / 00, publ. 08/14/2019, BI No. 23). In another embodiment of the same method (prototype), instead of an absolute cryogenic radiometer and a quantum trap detector, a quantum detector is used having a quantum efficiency within a given accuracy equal to the absorption coefficient of an absolute cryogenic radiometer.

Недостаток способа заключается в том, что, хотя в теории способ позволяет воспроизводить температуры 10⁴ 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 10² 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.The disadvantage of this method lies in the fact that, although in theory the method allows reproducing temperatures of 10 ⁴ K and higher, however, its implementation for temperatures above 3500 K becomes difficult. This is due to the existing problem of forming a powerful Lambert source, which in the prototype method is implemented using a continuous laser. At the current level of technology development, the spectral power of known cw lasers in the wavelength range 650-800 nm is limited to ~ 7 mW / nm (for example, a cw laser model SuperK EXTREME / FIANIUM EXR-20, manufactured by NKT-Photonics, Denmark). At the same time, to obtain powerful radiation equivalent to a high temperature, for example, a temperature of T = 5000 K, a spectral power of at least 35 mW / nm is required, and taking into account the real losses in the optical system, which reach 70%, an even higher power is required - about 10 ² mW / nm. Therefore, to reproduce a unit of temperature at a level of 5000 K or higher, several continuous lasers are required at once, the total number of which can reach ten or more. This significantly reduces the stability of the total laser radiation, and hence the measurement accuracy. In addition, the cost of equipment for the implementation of the method and power consumption increase significantly. This is the main disadvantage of the prototype method.

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.The technical result from the application of the proposed method is to expand the achievable range of reproduction and transfer of the unit of temperature to the high temperature region while maintaining the accuracy achieved in the region of moderate temperatures, as well as simplifying the composition, reducing the cost and energy consumption of the device that implements the method.

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.The specified technical result is achieved by a method in which a beam of monochromatic radiation of a given section is formed with a given surface radiation flux density uniformly distributed over it, the radiation flux density in this section is measured, the radiation spectrum of an absolutely black body is set, and the thermodynamic temperature of an absolutely black body is calculated using the Planck formula, equivalent to the measured surface flux density of monochromatic radiation, the specified surface flux density of monochromatic radiation is measured by the measuring means, the calculated value of the thermodynamic temperature is assigned to the measured signal of the measuring instrument. The method is implemented using a device that contains an optically connected monochromatic laser with a beam splitting plate and a feedback device, a laser beam expander, an iris diaphragm, a photometric ball, a first calibrated aperture, a band-pass optical filter and an attenuating neutral optical filter, to which they are optically connected in turn the second calibrated diaphragm with a trap detector or a radiation thermometer with a lens, while the power and wavelength of the laser, the expansion ratio of the laser beam expander, the iris aperture, the first and second calibrated diaphragms, the transmission spectrum of the bandpass optical filter and the attenuation of the neutral optical filter were previously found by calculation and are set based on a predetermined reproducible temperature range.

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_л 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_max при конкретно-заданной ширине полосы заданного спектра Δλ для фиксированной мощности монохроматического лазера, равной Р_л=5 Вт, центральной длины волны, равной λ=532 нм, и диаметра калиброванной диафрагмы 3, равного d₁=2 мм.The essence of the proposed method is illustrated in Fig. 1, 2, 3, 4, 5. FIG. 1 shows a block diagram of a device with which the unit of thermodynamic temperature is reproduced at a given temperature level; in fig. 2 shows the measurement scheme, which is used when transferring a unit of thermodynamic temperature (kelvin) to a radiation thermometer; in fig. Figures 3, 4 show graphical examples of the dependence of the power R _{l of a} monochromatic laser on the thermodynamic temperature T achieved at a given power; these dependences are given for specified spectra of various widths Δλ = 1,3,5,10 nm; in fig. 5 shows a graphical dependence of the maximum attainable thermodynamic temperature T _max for a specified bandwidth of a given spectrum Δλ for a fixed power of a monochromatic laser equal to P _l = 5 W, a central wavelength equal to λ = 532 nm, and a calibrated diaphragm 3 diameter equal to d ₁ = 2 mm.

Обозначения на фигурах:Legend on the figures:

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 2.1 - monochromatic laser; 2 - photometric ball; 3 - the first calibrated diaphragm installed at the output port of the photometric ball 2; 4 - band-pass optical filter; 5 - the second calibrated diaphragm installed at the inlet port of the trap detector 6; 6 - trap detector; 7 - laser beam expander; 8 - attenuating neutral optical filter; 9 - radiation thermometer; 10 - lens; 11 - beam splitting plate; 12 - laser feedback device 1; 13 - iris diaphragm of the input port of the photometric ball 2.

Теоретическая и техническая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.The theoretical and technical essence of the proposed method is as follows.

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.Reproduction of the unit of measurement of temperature (kelvin), its ultimate goal is to transfer the specified unit of measurement to a specific temperature measuring instrument. In the high temperature range, this transfer is usually carried out by pyrometers or, so-called. radiation thermometers. The international temperature scale ITSh-90 is based on Planck's law for blackbody radiation (blackbody), while its high-temperature range is characterized by a pronounced nonlinear dependence of the spectral energy brightness of the blackbody on the thermodynamic temperature. Therefore, in a given temperature range, the reproduction and transmission of Kelvin must be carried out for each specific thermodynamic temperature. Up to a temperature value of 3500 K, reproduction and transmission of a Kelvin with a given accuracy can be technically implemented, for example, using the method claimed in the patent for invention of the Russian Federation No. 2697429, publ. 08/14/2019, BI No. 23. For temperatures above 3500 K, such a transfer is technically extremely difficult or even impracticable, which is due to the fact that at the current level of development of science and technology for temperatures above 3500 K, there are no reference sources of infrared radiation, which are analogous to the Lambert emitter, and which completely imitate radiation a blackbody in a given temperature range. In particular, well-known modern models of an absolutely black body ensure the reproduction of the maximum thermodynamic temperature, which does not exceed 3200 K (see, for example, patent for invention of the Russian Federation No. 2148801, IPC G01J 5/02, publ. 10.05.2000; Ogarev S.A. , Khlevnoy BB, Samoilov ML et al. High-temperature blackbody models for photometry, radiometry and radiation thermometry // Measuring equipment. 2015. No. 11. P. 51-55). Other sources of infrared radiation, for example, such as solid lasers, LEDs, gas-discharge or mercury-xenon lamps, are of little use for this purpose at high temperatures, because do not provide either the required radiation spectrum, or the required high stability of radiation, or high radiation power equivalent to a given high thermodynamic temperature. Thus, the implementation of the method according to the patent for invention of the Russian Federation No. 2697429 for high temperatures (above 3500 K) is difficult, mainly due to the lack of a powerful source of infrared radiation, which has desired and stable characteristics.

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^-14 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.In contrast to the above-mentioned sources of infrared radiation, monochromatic lasers have a much higher power and at the same time provide the required high stability of radiation characteristics, however, at present, these lasers are not used as reference radiation sources for the purposes of radiation thermometry. This is due to the fact that the emission spectrum of monochromatic lasers is not precisely known and cannot be accurately measured; therefore, the traditional calculation of the thermodynamic temperature using the Planck formula based on the measured laser power is impossible in this case. This is due to the fact that monochromatic lasers have a specific signature of radiation - its spectrum has a rather complex structure, which, in turn, is formed due to two processes - the intrinsic radiation of the working substance of the laser and resonance phenomena in the optical cavity of the laser. Taking these processes into account, the width of the laser radiation line, or otherwise, the contour of the working transition of the laser, is approximately 2⋅10 ^-14 m. The use of an optical resonator further narrows the radiation line and, depending on the type of resonator used, provides the coherence length of the laser radiation, which varies in range from a few centimeters to several hundred meters. Under such conditions, the energy distribution over the laser radiation spectrum, the knowledge of which is necessary when calculating the temperature by the Planck formula, cannot be accurately measured, therefore, the thermodynamic temperature equivalent to the specific power of a particular monochromatic laser cannot be accurately determined. In addition, even assuming that the spectrum of laser radiation is accurately known, and calculating from it the thermodynamic temperature equivalent to the radiation of the blackbody, we obtain its value, which is several million or even several hundred million Kelvin. Under such conditions, it is practically impossible to create monochromatic laser radiation with a spectral energy brightness corresponding to a thermodynamic temperature of, for example, 5000 K, because for this, the laser power must be too low.

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).It is known to use monochromatic lasers in the procedure for reproducing and transmitting a unit of temperature in one of the above analogs (SW Brown, GP Eppeldauer, and Lykke KR Facility for spectral irradiance and radiance responsivity calibrations using uniform sources // Applied Optics, vol. 45, no. 32, 2006, - P. 8218-8237). However, in this case, these lasers are used exclusively as a source of monochromatic radiation for their intended purpose, but not as a Lambert emitter. In the analogue, using these lasers, the spectral sensitivity of the radiation thermometer is measured. In this case, the spectral sensitivity of a radiation thermometer is understood as the ratio of its response (signal) to the power of the incident radiation, which, in most cases, has the dimension [A / W]. As a result of the calibration of the radiation thermometer, performed using a monochromatic laser, the dependence of the response (signal) of the radiation thermometer on the power of the incident radiation is found, i.e. in fact, the procedure of transferring the unit of laser radiation power to a measuring instrument - a radiation thermometer is carried out. Then, using a radiation thermometer, the radiation power of a given HTRT ampoule is measured, after which the measured power is matched to a specific reference thermodynamic temperature. Thus, by measuring the radiation power of several different HTRT ampoules, as a result, a calibration dependence of the response (signal) of the radiation thermometer on the thermodynamic temperature is obtained, which is then used to measure the temperature of real objects. The considered analogue method is an indirect rather than an absolute method, therefore it requires several reference temperatures and, accordingly, HTRT ampoules reproducing them, as a result of which it has a rather significant uncertainty in the transfer of a unit of temperature. In addition, as mentioned earlier, it has a limitation in temperature application (up to a temperature of 3200 K), which is due to the limited set of HTRT ampoules and their technical capabilities (their limiting temperature).

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.In the claimed technical solution, it is proposed to use the main advantage of monochromatic lasers in comparison with other sources - their high power. At the same time, in contrast to analogs and the prototype, it is proposed to assign a given thermodynamic temperature not to the spectral energy brightness of the blackbody, as is generally accepted, but to the surface flux density of the blackbody in a given spectrum. The specified surface density of the blackbody radiation flux is created by monochromatic laser radiation of a given power in a given cross section, i.e., thus, in fact, it is proposed to transfer the surface radiation flux density from the monochromatic laser 1 to the measuring instrument - a radiation thermometer 9. Since the surface radiation flux density is directly related to the thermodynamic temperature through the Planck formula, then the transfer of the surface radiation flux density to the measuring instrument simultaneously means the transfer of the thermodynamic temperature value to it, i.e. its units (kelvin) at the selected temperature level. To implement the method, it is necessary that monochromatic radiation be uniformly distributed in a given section and uniformly spread from a given section into a half-space (into a solid angle equal to ω = 2π steradians), i.e., that the radiation is similar to the radiation of a Lambert source.

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:According to the proposed method, when carrying out the procedure for transferring a unit of temperature in a given section, a certain surface radiation flux density from a monochromatic laser 1 is created, it is measured and virtually considered equal to the surface radiation flux density of a blackbody in a specified spectral range in a given section of the same name. Then, Planck's formula is used for the spectral radiance of the blackbody and the desired thermodynamic temperature is calculated from it, corresponding to the specifically measured surface flux density of radiation from a monochromatic laser. Mathematically, these operations are described by the following relations:

гдеWhere

q_м - поверхностная плотность потока излучения, создаваемая монохроматическим лазером 1,q _m is the surface radiation flux density created by the monochromatic laser 1,

τ(λ) - спектральный коэффициент пропускания полосового оптического фильтра 4, задающего спектр излучения АЧТ,τ (λ) is the spectral transmittance of the band-pass optical filter 4, which sets the emission spectrum of the blackbody,

L_b,λ(λ,Т) - спектральная энергетическая яркость АЧТ, которую рассчитывают по формуле Планка (приводится ниже),L _{b, λ} (λ, T) is the spectral radiance of the blackbody, which is calculated by the Planck formula (given below),

λ - длина волны излучения,λ - radiation wavelength,

Т- термодинамическая температура.T is the thermodynamic temperature.

Соотношение для спектральной энергетической яркости согласно формуле Планка для излучения от АЧТ в воздушной среде (нормальные условия) имеет вид:The ratio for spectral radiance according to Planck's formula for radiation from a blackbody in air (normal conditions) has the form:

h - фундаментальная постоянная Планка,h is Planck's fundamental constant,

c - скорость света в вакууме,c - speed of light in vacuum,

n - показатель преломления воздуха,n is the refractive index of air,

k - фундаментальная постоянная Больцмана.k is the fundamental Boltzmann constant.

Расчет термодинамической температуры Т выполняют по соотношениям (1), (2).The calculation of the thermodynamic temperature T is performed according to the relations (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:To create monochromatic radiation, which is uniformly distributed in a given section, i.e. has a surface radiation flux density uniformly distributed over a given section and evenly spreads into a half-space in a solid angle of 2π steradians, a set of the following optically connected elements in series is used:

- 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 d₁.- a monochromatic laser 1, a laser beam expander 7, an iris diaphragm 13, a photometric ball 2, the first calibrated diaphragm 3. Using the photometric sphere 2, a uniform distribution of the power of monochromatic radiation over the cross section of the first calibrated diaphragm 3 is provided, while the radiation from its cross section propagates into a half-space similar to Lambert radiation. With the help of the first calibrated diaphragm 3, installed at the output port of the photometric ball 2, within the specified accuracy, the cross section of the radiation beam with a diameter d _{1 is set} .

Расширитель лазерного пучка 7 позволяет изменять (в частности, расширять) исходный диаметр лазерного пучка и при этом одновременно выполняет две функции:The expander of the laser beam 7 allows you to change (in particular, expand) the initial diameter of the laser beam and simultaneously performs two functions:

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.1. When the aperture of the iris diaphragm 13 is greater or equal to the diameter of the input port of the photometric ball 2, the expansion of the diameter of the laser beam significantly reduces the energy density at the place of the first hit of the laser beam into the photometric ball, this significantly reduces the overheating of the photometric ball and ensures its normal functioning.

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 10²=100 крат, при кратности, равной η=16х, - от 1 до 16²=256 крат.2. When changing the aperture of the iris diaphragm 13 from a certain minimum value to a value equal to the diameter of the input port of the photometric ball 2, the expander of the laser beam 7 provides the possibility of wide-range adjustment of the power of the laser radiation supplied to the photometric ball. For example, with a magnification factor of η = 10x, the power can vary from 1 to 10 ² = 100 times, with a magnification equal to η = 16x, from 1 to 16 ² = 256 times.

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_м ставится в соответствие конкретная термодинамическая температура Т. В результате получают зависимость термодинамической температуры Т от поверхностной плотности потока излучения q_м, 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.As a result of the proposed technical solutions, a monochromatic laser 1 together with a laser beam expander 7, an iris diaphragm 1, a photometric ball 2 and a first calibrated diaphragm 3 reproduce with a given accuracy the given surface radiation flux density, which is virtually taken equal to the surface radiation flux density of an absolutely black body in a given spectral range, and which is numerically equal to the integral of the spectral energy brightness of the blackbody over a given spectrum. Thus, the specified surface radiation flux density q _m is associated with a specific thermodynamic temperature T. As a result, the dependence of the thermodynamic temperature T on the surface radiation flux density q _m generated by a specific monochromatic laser 1 is obtained. This dependence is further used to reproduce and transfer the unit thermodynamic temperature (Kelvin), mainly for temperatures above 3500 K.

Как следует из соотношений (1), (2) для нахождения искомой термодинамической температуры Т по формуле Планка необходимо знать поверхностную плотность потока излучения монохроматического лазера q_м 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.As follows from relations (1), (2), to find the desired thermodynamic temperature T by the Planck formula, it is necessary to know the surface flux density of the monochromatic laser radiation q _m and the spectral transmittance τ (λ). The spectral transmittance τ (λ) is entirely determined by the spectral transmittance of the band-pass optical filter 4, which is installed at the input port of the radiation thermometer 9. Obtaining numerical values of τ (λ) does not present any difficulties - they are accurately measured in advance by existing spectrum analyzers.

Измерение поверхностной плотности потока излучения монохроматического лазера q_м, также не является проблемой, данную операцию осуществляют следующим образом. Для измерения q_м 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 D₁ 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_TR и по нему расчетным путем находят поверхностную плотность потока излучения q_м в сечении первой калиброванной диафрагмы 3. Расчет выполняют по соотношению:Measurement of the surface flux density of a monochromatic laser q _m is also not a problem, this operation is carried out as follows. To measure q _m , for example, a quantum trap detector 6 with a known quantum efficiency is used, the value of which is previously, in advance and once measured, for example, using an absolute cryogenic radiometer, as is done in the prototype method. For this, the quantum trap detector 6 is positioned coaxially with the photometric ball 2 at a certain predetermined distance D ₁ from it, a second calibrated diaphragm 5 with a predetermined diameter and the same band-pass optical filter 4, which is used in radiation, is installed at the input port of the trap detector. thermometer 9 (Fig. 1). The signal of the trap detector I _{TR is} measured and the surface radiation flux density q _m in the section of the first calibrated diaphragm 3 is calculated using it. The calculation is performed according to the ratio:

гдеWhere

QED - квантовая эффективность трап-детектора 6, измеренная при нормальных условиях в воздушной среде,QED is the quantum efficiency of trap detector 6, measured under normal conditions in air,

е - заряд электрона,e is the electron charge,

λ_М - длина волны излучения используемого монохроматического лазера,λ _M is the radiation wavelength of the monochromatic laser used,

G - конфигурационный фактор,G - configuration factor,

F=πr₁ ²/4 - площадь сечения первой калиброванной диафрагмы 3,F = πr _^1/2 4 - sectional area of the first calibrated aperture 3,

I_TR - измеренный сигнал трап-детектора (фототок).I _TR is the measured signal of the trap detector (photocurrent).

Конфигурационный фактор G рассчитывают по соотношению:Configuration factor G is calculated by the ratio:

гдеWhere

r₁ - радиус апертуры первой калиброванной диафрагмы 3,r ₁ is the radius of the aperture of the first calibrated diaphragm 3,

r₂ - радиус апертуры второй калиброванной диафрагмы 5,r ₂ is the radius of the aperture of the second calibrated diaphragm 5,

D₁ - расстояние между диафрагмами 3 и 5.D ₁ is the distance between diaphragms 3 and 5.

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_м выполняют по соотношению:In the case when a very high temperature is reproduced, the equivalent surface laser radiation flux density can be so high that it will exceed the maximum allowable for the trap detector and radiation thermometer. In this case, the band-pass optical filter 4 is equipped with a neutral optical filter 8, which additionally attenuates the radiation, while the attenuation coefficient of this filter 8 is considered known with a given accuracy. The neutral optical filter 8 is installed close to or next to the optical bandpass filter 4, in front of or behind it. In this case, the calculation of the surface radiation flux density q _{m is} performed according to the ratio:

гдеWhere

τ_Ф - коэффициент пропускания нейтрального оптического фильтра 8.τ _Ф - transmission coefficient of the neutral optical filter 8.

В результате выполнения перечисленных операций измерения и расчета поверхностная плотность потока q_м 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.As a result of performing the listed operations of measurement and calculation, the surface flux density q _{m of} radiation in the cross section of the first calibrated diaphragm 3 is determined with a given accuracy and a specific thermodynamic temperature T corresponds to it, i.e. it is reproduced, equal to a specific number of Kelvin units, which can then be transferred to a specific measuring instrument - a radiation thermometer 9.

Передачу единицы термодинамической температуры к средству измерения путем передачи поверхностной плотности потока излучения q_м 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.The transfer of the unit of thermodynamic temperature to the measuring instrument by transferring the surface radiation flux density q _m from the monochromatic laser 1 to the measuring instrument — the radiation thermometer 9 — is carried out as follows. A band-pass optical filter 4, which was previously used to reproduce a specific thermodynamic temperature, is installed on the input port of the radiation thermometer 9. In this case, depending on the level of the reproduced temperature, either use or do not use a neutral optical filter 8. Then, keeping the laser power 1 unchanged, which was set when reproducing a specific thermodynamic temperature, using the lens 10, the radiation thermometer 9 is focused on the cross section of the first calibrated diaphragm 3, installed at the output port of the photometric ball 2. The signal of the radiation thermometer 9 is measured and this signal is assigned a specific value of the thermodynamic temperature, which was determined at the stage of temperature reproduction. Performing this operation means that a specific value of the thermodynamic temperature is transferred to the radiation thermometer 9 and a specific value of the signal of the radiation thermometer 9 is assigned to it. After performing the above operations of reproduction and transmission for various powers of the laser 1, a calibration dependence of the signal of the radiation thermometer 9 on the thermodynamic temperature is obtained. After that, the radiation thermometer 9 is used to measure the temperature of real objects, while using the obtained calibration dependence.

Мощность Р_л 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_м, при этом используют заранее известные значения τ(λ). Затем выполняют расчет мощности лазера по соотношению:The power R _{l of the} monochromatic laser 1, which is required to reproduce the Kelvin at a given thermodynamic temperature, is determined as follows. Based on the given thermodynamic temperature according to relations (1), (2), the required surface radiation flux density q _{m is} calculated, while using the previously known values of τ (λ). Then the laser power is calculated according to the ratio:

гдеWhere

τ_р - коэффициент пропускания излучения расширителем лазерного пучка 7,τ _p - the transmittance of radiation by the expander of the laser beam 7,

τ_ф - коэффициент пропускания излучения фотометрическим шаром 2.τ _f is the transmittance of radiation by the photometric ball 2.

На фиг. 3, 4 представлены примеры рассчитанных по соотношению (6) графических зависимостей мощности Р_л 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 2r₁=2 мм, при этом приняты значения параметров, равные τ_р=0,8; τ_ф=0,5. На фиг. 5 представлен пример зависимости максимальной термодинамической температуры T_max от ширины полосы заданного спектра Δλ, которую можно достичь с помощью лазера с конкретной мощностью Р_л=5 Вт при длине волны лазерного излучения λ=532 нм, диаметре первой калиброванной диафрагмы 3, равном 2r₁=2 мм; τ_р=0,8; τ_ф=0,5. Как установлено, максимальная термодинамическая температура T_max обратно пропорциональна четвертой степени ширины полосы, т.е. T_max~Δλ^-1/4.FIG. Figures 3, 4 show examples of graphical dependences of the power P _l on the required thermodynamic temperature for spectra of various widths Δλ = 1,3,5,10 nm, calculated by the ratio (6). The calculations were performed for the wavelength of laser radiation equal to λ = 532 nm, the diameter of the first calibrated diaphragm 3, equal to 2r ₁ = 2 mm, while the parameter values were taken equal to τ _p = 0.8; τ _f = 0.5. FIG. 5 shows an example of the dependence of the maximum thermodynamic temperature T _max on the bandwidth of a given spectrum Δλ, which can be achieved with a laser with a specific power P _l = 5 W at a laser wavelength λ = 532 nm, the diameter of the first calibrated diaphragm 3, equal to 2r ₁ = 2 mm; τ _p = 0.8; τ _f = 0.5. The maximum thermodynamic temperature T _{max has been found to be} inversely proportional to the fourth power of the bandwidth, i. E. T _max ~ Δλ ^-1/4 .

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.The essence of the claimed method is illustrated by the operation of the device implementing it. The device consists of a monochromatic laser 1; photometric ball 2, the first calibrated diaphragm 3, which is installed at the output port of the photometric ball 2; band-pass optical filter 4; a second calibrated diaphragm 5, which is installed at the inlet port of the trap detector 6; trap detector 6; expander of the laser beam 7; neutral optical filter 8, attenuating radiation; radiation thermometer 9; objective 10, beam splitting plate 11; feedback device 12 of the laser 1; iris diaphragm 13.

В качестве монохроматического лазера 1 могут использоваться стандартные монохроматические лазеры, обладающие требуемой мощностью Р_л и высокой стабильностью излучения, например, такие лазеры как: He-Ne газовый лазер с длиной волны λ_М=632,816 нм, твердотельный лазер Nd:YAG-лазер с длиной волны λ_М=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_М=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.As a monochromatic laser 1, standard monochromatic lasers with the required power P _l and high stability of radiation can be used, for example, such lasers as: He-Ne gas laser with a wavelength λ _M = 632.816 nm, solid-state Nd: YAG laser with a length wavelength λ _M = 532 nm, for example, laser model "Monopower-532-5W" from "Alphalas" GmbH (Germany) and others. As the photometric ball 2, any type of integrating spheres can be used, for example, integrating spheres of the ISP type. As the trap detector 6, a multi-element photodiode detector, for example, model HH03-S1337, type S1337-1010BR, can be used. As a laser beam expander 7 - standard or custom-made laser beam expanders of the Galileo type, designed for use in the infrared range with an adjustable expansion ratio up to a factor of (20x), for example: motorized tunable beam expander model "MOTEX" (manufactured by "Altechna" ), or, for example, a beam expander for a wavelength λ _M = 532 nm model "BEST-532-20M" with a magnification of 20x (manufactured by "Laser Components"), or others. As the radiation thermometer 9, for example, a precision linear pyrometer, model LP-4 or LP-5, or others can be used. The rest of the structural elements - 4, 5, 8, 10, 11, 12, 13, as a rule, are standard products and are selected individually by the consumer who implements the method.

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 D₁, 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_л лазера 1, которая предварительно рассчитана по соотношению (6) исходя из заданной термодинамической температуры. Измеряют сигнал I_TR трап-детектора 6 и по соотношению (3) рассчитывают поверхностную плотность потока излучения q_м, 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_л лазера 1 неизменной и равной мощности, используемой при воспроизведении единицы температуры, измеряют сигнал I_R радиационного термометра 9 и данному значению приписывают заданное значение термодинамической температуры. Затем изменяют мощность Р_л лазера 1 на заданную величину ±ΔР_л 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_л±ΔР_л. Измеряют сигнал I_TR трап-детектора 6 и по соотношению (3) рассчитывают поверхностную плотность потока излучения q_м, 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_R=ƒ(T).The device works as follows. A diagram of the device for reproducing the unit of temperature according to FIG. 1, while on the optical axis of the output port of the photometric ball 2 and the first calibrated diaphragm 3 at a certain predetermined distance D ₁ , which is selected experimentally, a band-pass optical filter 4, a neutral optical filter 8 (for high temperatures), a second calibrated diaphragm 5 and trap detector 6. Turn on the device and set the power R _{l of the} laser 1, which is pre-calculated by the ratio (6) based on the given thermodynamic temperature. The signal I _{TR of the} trap detector 6 is measured and, according to the relation (3), the surface radiation flux density q _{m is} calculated, the thermodynamic temperature T value is found from the relations (1), (2), (4). The circuit is then assembled to transfer the unit of temperature according to FIG. ... 2, in this case, instead of the second calibrated diaphragm 5 and the trap detector 6, a lens 10 and a measuring instrument - a radiation thermometer 9 are installed in series and focus them on the plane of the aperture of the first calibrated diaphragm 3. Keeping the power P _{l of the} laser 1 unchanged and equal to the power used for reproducing the unit of temperature, the signal I _{R of the} radiation thermometer 9 is measured, and a given value of the thermodynamic temperature is assigned to this value. Then the power P _{l of the} laser 1 is changed by a predetermined value ± ΔP _l and a new signal of the radiation thermometer 9 is recorded. After that, the circuit is assembled according to FIG. 1, in this case, instead of the objective 10 and the radiation thermometer 9, a band-pass optical filter 4, a neutral optical filter 8 (for high temperatures), a second calibrated diaphragm 5 and a trap detector 6 are installed close to each other, and the laser power 1 is kept equal to the changed value power Р _l ± ΔР _l . The signal I _{TR of the} trap detector 6 is measured and, according to the relation (3), the surface radiation flux density q _{m is} calculated, from which, according to the relations (1), (2), (4), a new value of the thermodynamic temperature is found, which is put in accordance with the measured new signal radiation thermometer 9. By repeating the above operations for several different powers of the laser 1, the calibration characteristic of the radiation thermometer is obtained - the dependence of its signal on the thermodynamic temperature, i.e. I _R = ƒ (T).

Расчетную оценку суммарной относительной (в относительных единицах) стандартной неопределенности воспроизведения и передачи кельвина при заданной термодинамической температуре выполняют по соотношению:The calculated estimate of the total relative (in relative units) standard uncertainty of reproduction and transmission of Kelvin at a given thermodynamic temperature is performed according to the ratio:

гдеWhere

δ(QED) - относительная стандартная неопределенность измерения квантовой эффективности QED трап-детектора 6,δ (QED) is the relative standard uncertainty of measuring the quantum efficiency of the QED trap detector 6,

δr₁, δr₂ - относительные стандартные неопределенности измерения радиуса r₁ первой 3 и радиуса r₂ второй 5 калиброванных диафрагм, соответственно,δr ₁ , δr ₂ are the relative standard uncertainties of measuring the radius r _{1 of the} first 3 and the radius r _{2 of the} second 5 calibrated diaphragms, respectively,

δD₁ - относительная стандартная неопределенность измерения расстояния между первой и второй калиброванными диафрагмами,δD ₁ is the relative standard uncertainty of measuring the distance between the first and second calibrated diaphragms,

δI_TR - относительная стандартная неопределенность измерения сигнала I_TR трап-детектора 6,δI _TR is the relative standard measurement uncertainty of the signal I _{TR of the} trap detector 6,

δI_R - относительная стандартная неопределенность измерения сигнала радиационного термометра 9,δI _R is the relative standard uncertainty of the measurement of the signal of the radiation thermometer 9,

δτ_λ - относительная стандартная неопределенность измерения спектрального пропускания полосового оптического фильтра 4.δτ _λ is the relative standard uncertainty of measuring the spectral transmission of the band-pass optical filter 4.

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^-4 до 10^-3.Depending on the type of equipment used at the current state of the art, the claimed method and device provide the total relative (in relative units) standard uncertainty of reproduction and transmission of kelvin in the range from 5⋅10 ^-4 to 10 ^-3 .

Claims

1. A method of reproducing and transferring a unit of thermodynamic temperature in the high temperature region, which consists in the fact that a beam of monochromatic radiation of a given section is formed with a given surface radiation flux density uniformly distributed over it, the radiation flux density in this section is measured, the radiation spectrum of an absolutely black body is set and according to Planck's formula, the thermodynamic temperature of an absolutely black body is calculated, which is equivalent to the measured surface flux density of monochromatic radiation, the specified surface flux density of monochromatic radiation is measured by the measuring means, the calculated value of the thermodynamic temperature is assigned to the measured signal of the measuring instrument.

2. A device for reproducing and transmitting a unit of thermodynamic temperature (kelvin) in the high temperature region, containing in series an optically connected monochromatic laser with a beam splitting plate and a feedback device, a laser beam expander, an iris diaphragm, a photometric sphere, a first calibrated aperture, a band-pass optical filter and an attenuating neutral optical filter, to which a second calibrated diaphragm with a trap detector or a radiation thermometer with a lens are alternately optically connected, while the power and wavelength of the laser, the expansion ratio of the laser beam expander, the iris aperture, the first and second calibrated diaphragms, the transmission spectrum of the band pass of the optical filter and the attenuation of the neutral optical filter are previously found by calculation and are set based on a given range of reproducible temperature.