章龍飛， 孫 堅(jiān)， 李文軍， 李希明， 顧喆涵

（中國計(jì)量學(xué)院，浙江杭州310018）

工作用輻射溫度計(jì)檢定中若干技術(shù)問題的研究

章龍飛， 孫 堅(jiān)， 李文軍， 李希明， 顧喆涵

針對(duì)輻射溫度計(jì)檢定中的有關(guān)測(cè)量距離、瞄準(zhǔn)方法和附加光闌等技術(shù)問題進(jìn)行了討論。根據(jù)檢定溫度不同，提出了利用測(cè)量信號(hào)的最大化和最小化原理來確定最佳測(cè)量距離的方法。對(duì)瞄準(zhǔn)腔底和瞄準(zhǔn)腔口兩種瞄準(zhǔn)方法進(jìn)行了比較與分析，得出瞄準(zhǔn)腔底的方法具有更大的可靠性和準(zhǔn)確性。此外，針對(duì)輻射源尺寸效應(yīng)（SSE），給出了由SSE而產(chǎn)生的溫度修正公式。

計(jì)量學(xué)；輻射溫度計(jì)；測(cè)量距離；瞄準(zhǔn)方法；附加光闌；輻射源尺寸效應(yīng)

1 引 言

隨著輻射測(cè)溫向中低溫和長(zhǎng)波方向不斷拓展，紅外輻射溫度計(jì)在食品、紡織、建筑等工業(yè)部門得到了越來越廣泛的應(yīng)用。它們的溫度范圍通常為-50℃～500℃，而波長(zhǎng)范圍為8～14μm。溫度計(jì)的探測(cè)器一般是應(yīng)用熱電堆等熱電探測(cè)器，具有相當(dāng)穩(wěn)定的性能。目前，這類溫度計(jì)的型號(hào)繁雜、數(shù)量較多，已經(jīng)成為中低溫紅外溫度計(jì)的主體。

此外，在中低溫條件下，由周圍環(huán)境所引起的反射輻射的影響越來越不能忽略，它們可能成為工業(yè)測(cè)量中的一個(gè)主要誤差來源，而該影響還會(huì)帶來有關(guān)輻射測(cè)溫理論和技術(shù)方面的某些變化。

鑒于上述原因，原檢定規(guī)程的某些條文已不適用，起草新的工作用輻射溫度計(jì)的檢定規(guī)程具有十分重要的意義。本文對(duì)工作用的輻射溫度計(jì)檢定中的若干技術(shù)問題進(jìn)行了研究，并給出了一些可供參考的結(jié)論。

2 測(cè)量距離

在輻射溫度計(jì)檢定中，黑體輻射源通常是采用圓柱形黑體空腔，而確定測(cè)量距離是進(jìn)行檢定工作的必要條件。測(cè)量距離可以是溫度計(jì)與空腔底部之間的距離d，見圖1，也可以是溫度計(jì)與腔口之間的距離。如果使用光闌的話，也可以是溫度計(jì)與光闌之間的距離。因?yàn)樘綔y(cè)器表面有一定的大小，因而，被確定的測(cè)量距離可以有一定的范圍。

圖1 溫度計(jì)與空腔底部的距離示意圖

對(duì)于具有良好光學(xué)聚焦性能的溫度計(jì)來說，測(cè)量距離是容易確定的，即為溫度計(jì)的焦距。通常，它由制造商的說明書給出，如ⅡS／N2812型輻射溫度計(jì)。該型號(hào)溫度計(jì)有2個(gè)波長(zhǎng)范圍，分別為3.9μm和8～14μm。說明書給出的測(cè)量距離分別為360 mm和382 mm。實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)上述測(cè)量距離得出的測(cè)量結(jié)果是十分理想的。

然而，絕大多數(shù)送檢的工作用輻射溫度計(jì)并沒有光學(xué)聚焦系統(tǒng)。而說明書給出的數(shù)據(jù)或光路圖往往是不充分和不準(zhǔn)確的，如Fluke66和68型，Raytek-ST80型等溫度計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，按照這些溫度計(jì)的說明書所提供的信息進(jìn)行測(cè)量，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的示值誤差。在這種情況下，用實(shí)驗(yàn)來確定溫度計(jì)的測(cè)量距離是非常必要的。圖2給出了Fluke66測(cè)量距離實(shí)驗(yàn)曲線。

圖2 Fluke 66最佳測(cè)量距離實(shí)驗(yàn)

由實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，在輻射源處在環(huán)境溫度以上時(shí)，具有最大化測(cè)量信號(hào)的測(cè)量距離為最佳測(cè)量距離。此時(shí)，溫度計(jì)可以得到來自黑體輻射源的最大輻射能量。與此相反，在輻射源溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，最小化測(cè)量信號(hào)所對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離則為最佳測(cè)量距離。

可以認(rèn)為，利用測(cè)量信號(hào)的最大化或最小化原理來確定檢定中的測(cè)量距離是一種比較好的方法。

3 瞄準(zhǔn)方法

在輻射溫度計(jì)檢定中，瞄準(zhǔn)方法是一個(gè)有爭(zhēng)議的問題。簡(jiǎn)單地說，是瞄準(zhǔn)（聚焦）腔底和瞄準(zhǔn)（聚焦）腔口之爭(zhēng)。瞄準(zhǔn)腔口等效于瞄準(zhǔn)直徑為腔口直徑的黑平面輻射源模型，見圖3。該黑平面的有效發(fā)射率表示黑體空腔發(fā)射率，而它的溫度則表示黑體空腔的有效溫度。

圖3 等效黑平面示意圖

圓柱形黑體空腔的有效溫度的概念首先是由日本的服部晉提出［1］，后由東北大學(xué)的高魁明和謝植加以一定的完善［2］。這個(gè)概念表征了腔體溫度分布對(duì)有效輻射的影響，對(duì)于評(píng)價(jià)黑體空腔的性能具有一定的價(jià)值。

當(dāng)黑體空腔處于等溫狀態(tài)下，2種瞄準(zhǔn)方法的測(cè)量結(jié)果是一致的。也就是說，腔底溫度等于空腔的有效溫度。例如，在基準(zhǔn)固定點(diǎn)的復(fù)現(xiàn)中，黑體空腔處于非常好的等溫區(qū)域內(nèi)，此時(shí)，無論瞄準(zhǔn)腔底還是瞄準(zhǔn)腔口均會(huì)得出相同的測(cè)量結(jié)果。

實(shí)際上，尤其在中低溫條件下，空腔不可能處于等溫狀態(tài)。由于空腔開口直接對(duì)外，其軸向溫度分布曲線單邊向下。本文給出了HT-2型和Kelvin JQ-500型黑體空腔輻射源分別在200℃和500℃下的軸向溫度分布曲線，見圖4和圖5。應(yīng)用2種瞄準(zhǔn)方法，在不同溫度下對(duì)以上2種黑體輻射源的測(cè)試結(jié)果列于表1和表2。

由表中可以看出，2種瞄準(zhǔn)方法的測(cè)量結(jié)果之間的差值大于輻射溫度計(jì)檢定的允許誤差。這些結(jié)果也與規(guī)程工作組技術(shù)報(bào)告中所提供的數(shù)據(jù)相一致。造成這種狀況的主要原因在于空腔的有效溫度低于腔底溫度。當(dāng)然，當(dāng)黑體空腔輻射源的溫度處在環(huán)境溫度以下時(shí)，則會(huì)呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。引起這種比較大的差異的另一個(gè)原因是根據(jù)空腔內(nèi)壁發(fā)射率分布，空腔底部具有更高的有效發(fā)射率。

圖4 HT-2型輻射源軸向溫度分布曲線

圖5 Kelvin JQ-500型輻射源軸向溫度分布曲線

表1 HT-2輻射源2種瞄準(zhǔn)方法測(cè)量結(jié)果 ℃

綜上所述，可以認(rèn)為瞄準(zhǔn)腔底的方法具有更大的可靠性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，還須指出的是，大多數(shù)工作用輻射溫度計(jì)是用激光點(diǎn)進(jìn)行瞄準(zhǔn)，而激光點(diǎn)并不處于溫度計(jì)的光學(xué)中心。因此，必須經(jīng)過仔細(xì)地調(diào)整，使溫度計(jì)的光軸和空腔中心處于同一軸線上。

表2 Kelvin JQ-500輻射源2種瞄準(zhǔn)方法測(cè)量結(jié)果℃

4 附加光闌

所謂附加光闌是指在輻射源前面加上一個(gè)具有一定大小孔徑的光闌，見圖6。附加光闌的主要用途是防止由環(huán)境輻射而產(chǎn)生的散射影響。這種散射投射到溫度計(jì)探測(cè)器表面會(huì)引起溫度信號(hào)或示值的變化。

圖6 附加光闌示意圖

在大多數(shù)檢定中，并不需要在光路加上附加光闌。如果溫度計(jì)制造商推薦或用戶特殊要求，在檢定中可以使用光闌。但必須在檢定報(bào)告中提供光闌孔徑大小、光闌與輻射源腔口之間的距離等信息。

對(duì)附加光闌的表面反射特性應(yīng)有一定的要求。光闌向輻射源一側(cè)應(yīng)具有高發(fā)射率的表面涂層，而向輻射溫度計(jì)一側(cè)應(yīng)具有高反射率的表面。

考慮到附加光闌長(zhǎng)時(shí)間處于輻射源前面位置，會(huì)受到輻射源的加熱或冷卻，進(jìn)而引起溫度示值誤差。因此，對(duì)附加光闌采取控溫措施是必要的。例如對(duì)附加光闌通以恒溫水，以使光闌處在恒定的溫度下。也可以采用雙光闌或光闌本身配置的散熱器的辦法以避免光闌被輻射源過度加熱或冷卻。

5 SSE引起的溫度修正

在輻射溫度計(jì)的檢定中，即使黑體輻射源處于同一溫度下，由于其尺寸的不同，溫度計(jì)也會(huì)產(chǎn)生不同的顯示值。這種現(xiàn)象稱為輻射源尺寸效應(yīng)（size of source effect，SSE）。為了統(tǒng)一量值，就需要對(duì)不同源尺寸修正到相同源尺寸。這樣，就產(chǎn)生了一個(gè)由于SSE所產(chǎn)生的溫度修正問題［3～5］。

在中低溫條件下，溫度計(jì)的輻射響應(yīng)S是輻射源溫度T，輻射源開口半徑r和環(huán)境溫度Tam的函數(shù)，即S（r，T，Tam）。根據(jù)定義，下式成立

式中，S（r1，T，Tam）和S（r2，T，Tam）為溫度計(jì)在黑體輻射源開口半徑分別為r1和r2時(shí)輻射響應(yīng)；σ（r1）和σ（r2）分別為在r1和r2時(shí)的SSE系數(shù)。

如果把r2尺寸修正到r1尺寸，則

式中，ΔT（r2，r1）為r2對(duì)r1的溫度修正值。

將式（2）帶入式（1），則有對(duì)式（3）進(jìn)行微分可得出r2到r1的溫度修正式，即

當(dāng)σ（r2）／σ（r1）＝1.01，環(huán)境溫度為20℃時(shí)，波長(zhǎng)分別為10μm和3.9μm的溫度修正曲線見圖7。

由圖中可以看出，在輻射源高于環(huán)境溫度情況下，溫度修正值隨著波長(zhǎng)和溫度的增加而增大；而低于環(huán)境溫度的情況下，溫度修正的絕對(duì)值隨著溫度的降低而急劇增大。

6 結(jié) 論

（1）對(duì)于大多數(shù)工作用輻射溫度計(jì)來說，實(shí)驗(yàn)確定測(cè)量距離是必要的。實(shí)驗(yàn)研究表明，應(yīng)用測(cè)量信號(hào)的最大化（檢定溫度高于環(huán)境溫度）和最小化（檢定溫度低于環(huán)境溫度）原理來確定測(cè)量距離是一種比較有效的方法。

圖7 在10μm和3.9μm下的溫度修正曲線

（2）對(duì)瞄準(zhǔn)腔底和瞄準(zhǔn)腔口的兩種方法進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明，兩者存在比較大的差異。文中對(duì)這種差異進(jìn)行了分析，并給出了造成這種差異的原因。在分析中還引入了黑體空腔的有效溫度的概念。

（3）附加光闌的主要用途是避免由環(huán)境輻射所產(chǎn)生的溫度計(jì)測(cè)量信號(hào)的變化。一般來說，這種變化是比較小的。因此，在大多數(shù)檢定中，可以不用附加光闌。

（4）本文討論了輻射源尺寸效應(yīng)（SSE），并給出了由SSE而產(chǎn)生的溫度修正公式。該公式對(duì)檢定結(jié)果的修正和工業(yè)測(cè)量具有一定的價(jià)值。

］

［1］ 服部晉.円筒空洞の実効溫度［J］.Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers，1980，16（4）：539-543.

［2］ 高魁明，謝植.紅外輻射測(cè)溫理論與技術(shù)［M］.沈陽：東北工學(xué)院出版社，1988.

［3］ 趙泉?dú)J，李文軍，孫堅(jiān)，等.較低溫度條件下SSE影響紅外溫度計(jì)校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2012，33（6）：509-512.

［4］ 李文軍，孫堅(jiān)，陳堅(jiān)，等.200℃以下紅外溫度計(jì)校準(zhǔn)的相關(guān)研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2012，33（2）：126-129.

［5］ 原遵東.消除背景輻射影響的輻射源尺寸效應(yīng)測(cè)量模型［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（12）：1-5.

Study on Several Technical Problem s in Calibration of Working Radiation Thermometer

ZHANG Long-fei， SUN Jian， LIWen-jun， LIXi-ming， GU Zhe-han
（China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）

The several technical problems such as themeasurement distance，aimingmethod and additional aperture in the calibration of working radiation thermometer are discussed.A method for determining measurement distance is presented，which is according to the maximization and minimization principles of measurement signals in different test temperatures.Two aimingmethods are compared and analyzed，and the correlative conclusion is that themethod of targeting the bottom cavity is of greater reliability and accuracy.In addition，for the radiation source size effect（SSE），the temperature correction formula generated by SSE is given.

Metrology；Radiation thermometer；Measurement distance；Aimingmethod；Additional aperture；SSE

TB942

：A

：1000-1158（2015）03-0247-04

（中國計(jì)量學(xué)院，浙江杭州310018）

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.06

2013-05-14；

：2014-10-23

章龍飛（1988-），男，浙江金華人，中國計(jì)量學(xué)院研究生，主要從事紅外溫度計(jì)校準(zhǔn)和輻射源尺寸效應(yīng)的研究。zhang587641＠163.com