浦麗華 上海鐵路局科研所

鐵路專用輕便型紅外測(cè)溫儀檢定方法的探討

浦麗華 上海鐵路局科研所

從鐵路專用輕便型紅外測(cè)溫儀的工作原理出發(fā)，介紹JJG（鐵道）149-2005《鐵路專用輕便型紅外測(cè)溫儀》檢定規(guī)程對(duì)檢定工作的有關(guān)規(guī)定。分析檢定規(guī)程中未詳細(xì)闡述檢定位置、分辨力和環(huán)境溫度對(duì)檢定結(jié)果的影響，指出計(jì)量檢定人員在實(shí)際檢定過程中應(yīng)注意這類影響以減少測(cè)量誤差。

鐵路專用輕便型紅外測(cè)溫儀；檢定規(guī)程；測(cè)量誤差

1 引言

上世紀(jì)90年代，鐵路部門開始使用鐵路專用輕便型紅外測(cè)溫儀（以下簡(jiǎn)稱紅外測(cè)溫儀）檢測(cè)列車軸溫。鐵路計(jì)量主管部門為加強(qiáng)對(duì)紅外測(cè)溫儀的管理，制定了檢定規(guī)程JJG（鐵道）149-2005《鐵路專用輕便型紅外測(cè)溫儀》（以下簡(jiǎn)稱鐵專規(guī)程），規(guī)定用于鐵路機(jī)車、車輛軸溫和鐵路其他設(shè)備溫度的非接觸式快速測(cè)量的紅外測(cè)溫儀須經(jīng)計(jì)量檢定合格后才能投入使用。

計(jì)量檢定人員根據(jù)鐵專規(guī)程開展紅外測(cè)溫儀檢定工作時(shí)，會(huì)碰到一些鐵專規(guī)程中尚未明確規(guī)定但對(duì)實(shí)際檢定結(jié)果有影響的問題。為做好紅外測(cè)溫儀的檢定工作，有必要對(duì)鐵專規(guī)程中未明確的內(nèi)容進(jìn)行探討和統(tǒng)一。

2 紅外測(cè)溫儀的工作原理

一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不斷地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。以熱輻射基本定律為工作原理，利用物體的輻射強(qiáng)度與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成了非接觸式測(cè)量物體溫度的紅外測(cè)溫儀。

紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成，如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量匯聚到光電探測(cè)器上，光電探測(cè)器將接收到的紅外輻射能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，而該電信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器及信號(hào)處理后換算成被測(cè)目標(biāo)的溫度值后顯示出來[1]。

圖1 紅外測(cè)溫儀工作原理[2]

3 檢定過程中應(yīng)注意的問題

鐵專規(guī)程對(duì)紅外測(cè)溫儀的檢定工作包括外觀、通電檢查和基本誤差等3個(gè)項(xiàng)目，規(guī)程中對(duì)檢定方法、基本誤差要求等給出了明確規(guī)定，但對(duì)于檢定過程中檢定位置、發(fā)射率問題及環(huán)境條件等因素未確切給出實(shí)施方法，應(yīng)對(duì)這些問題進(jìn)行探討。

3.1 檢定位置的確定

鐵專規(guī)程中5.3.2.1規(guī)定測(cè)量時(shí)“應(yīng)將測(cè)溫儀置于其使用說明書規(guī)定的距離范圍內(nèi)并對(duì)準(zhǔn)輻射源靶心”，在確定檢定位置（被檢紅外測(cè)溫儀與黑體輻射源的距離）時(shí)需考慮以下兩個(gè)因素的影響。

3.1.1 光學(xué)分辨力的影響

光學(xué)分辨力是測(cè)溫儀到目標(biāo)之間的距離D與測(cè)量視場(chǎng)直徑S之比[4]，如圖2所示。在實(shí)際檢定過程中，標(biāo)準(zhǔn)器黑體輻射源的直徑是固定的，需根據(jù)被檢紅外測(cè)溫儀的光學(xué)分辨力計(jì)算檢定距離。檢定距離太遠(yuǎn)，紅外測(cè)溫儀不能吸收匯聚視場(chǎng)內(nèi)的輻射能量，測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、引起過大的測(cè)量誤差。

圖2 紅外測(cè)溫儀的光學(xué)分辨力

3.1.2 視場(chǎng)的影響

紅外測(cè)溫儀的探測(cè)器接收測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)的輻射能量，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字顯示視場(chǎng)內(nèi)的溫度，如圖3所示。但測(cè)量視場(chǎng)之外的區(qū)域（物體）也會(huì)產(chǎn)生輻射能量，這也會(huì)對(duì)紅外測(cè)溫儀的檢定產(chǎn)生影響。為解決這個(gè)問題，一般要求被測(cè)目標(biāo)的尺寸超過測(cè)溫儀視場(chǎng)的50%，也就是在檢定紅外測(cè)溫儀時(shí)建議黑體輻射源的靶面直徑B大于或等于被測(cè)紅外測(cè)溫儀視場(chǎng)直徑S的1.5倍。情況下計(jì)算測(cè)量誤差時(shí)應(yīng)將發(fā)射率不一致造成的測(cè)量誤差進(jìn)行修正。

根據(jù)黑體輻射的普朗克定律和斯忒藩-玻耳茲曼定律，對(duì)于目前最常見的發(fā)射率設(shè)定為0.95固定值的溫度計(jì)是（8～14）μm光譜響應(yīng)的寬帶溫度計(jì)，

圖3 紅外測(cè)溫儀光學(xué)分辨力的正確應(yīng)用[2]

以鐵路系統(tǒng)常用的一款計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器黑體輻射源為例，靶面直徑B為100mm，則視場(chǎng)直徑S=100mm/1.5=66.67mm，在檢定VC305型紅外測(cè)溫儀（D∶S=8），檢定距離D應(yīng)小于533 mm，超出該范圍將引入過大的測(cè)量誤差。

因檢定位置（距離）的不同，紅外測(cè)溫儀的測(cè)量誤差將不盡一致。為盡量減少由于檢定位置（距離）引起的測(cè)量誤差，應(yīng)遵循上述原則，并建議在檢定證書中注明檢定時(shí)的檢定距離以供使用人員參考。

3.2 發(fā)射率的影響

鐵專規(guī)程5.3.2.1指出在檢定紅外測(cè)溫儀時(shí)“有發(fā)射率調(diào)整功能的測(cè)溫儀應(yīng)將發(fā)射率調(diào)至1”。這種規(guī)定是基于假設(shè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器黑體輻射源的發(fā)射率為1。但是目前國內(nèi)外所用的各種黑體均是“人工黑體”，發(fā)射率接近1但永遠(yuǎn)小于1；發(fā)射率為1的黑體可以稱作理想黑體，在地球自然環(huán)境內(nèi)，理想黑體可以說是不存在的[5]。因此在具體開展檢定工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器黑體輻射源溯源證書中的信息以及紅外測(cè)溫儀是否具有發(fā)射率調(diào)整功能等情況區(qū)別對(duì)待。

第一種情況：標(biāo)準(zhǔn)器溯源證書中直接給出標(biāo)準(zhǔn)器發(fā)射率為0.95時(shí)的實(shí)際值，此時(shí)該值可作為校準(zhǔn)發(fā)射率設(shè)置為0.95的紅外測(cè)溫儀的標(biāo)準(zhǔn)值。這種情況下可將紅外測(cè)溫儀的測(cè)量值直接減去標(biāo)準(zhǔn)器在該點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值作為測(cè)量誤差。中國計(jì)量科學(xué)研究院、上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院出具這類能夠直接給出“可作為校準(zhǔn)發(fā)射率設(shè)置為0.95的（8～14）μm輻射溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值”溯源證書。

第二種情況：標(biāo)準(zhǔn)器溯源證書中給出標(biāo)準(zhǔn)器發(fā)射率為1時(shí)的實(shí)際值，此時(shí)該值可作為校準(zhǔn)發(fā)射率設(shè)置為1的紅外測(cè)溫儀的標(biāo)準(zhǔn)值。這種情況下可將紅外測(cè)溫儀的測(cè)量值直接減去標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)值作為測(cè)量誤差。

第三種情況：標(biāo)準(zhǔn)器溯源證書中給出標(biāo)準(zhǔn)器發(fā)射率為1時(shí)的實(shí)際值，但紅外測(cè)溫儀的發(fā)射率不為1且不可調(diào)。這種

式中：

ε--紅外測(cè)溫儀的發(fā)射率設(shè)定值；

λ--真空中的波長(zhǎng)；

Tin--紅外測(cè)溫儀示值；

Lb（λ，T）--溫度為T的黑體輻射源的光譜輻射亮度；Tam--環(huán)境溫度；

R（λ）--紅外測(cè)溫儀的相對(duì)光譜響應(yīng)度。

此時(shí)示值偏差△tc為

式中：

Tin--紅外測(cè)溫儀示值；

Tbb--黑體輻射源溫度。

根據(jù)式（2）、（3），計(jì)算當(dāng)環(huán)境溫度Tam為20℃時(shí)，示值偏差△tc的結(jié)果見表1。

表1 典型計(jì)算結(jié)果[6]（單位：℃）

目前，鐵路系統(tǒng)內(nèi)大多適用第一種情況，第二種情況只是關(guān)于發(fā)射率的理想狀態(tài)，第三種情況符合理論研究和實(shí)際應(yīng)用但在一般檢定過程中較少應(yīng)用。

3.3 環(huán)境條件的影響

鐵專規(guī)程5.2.2對(duì)于檢定時(shí)的環(huán)境條件規(guī)定如下"檢定時(shí)環(huán)境溫度為（20±3）℃，相對(duì)濕度不大于85%，無強(qiáng)環(huán)境輻射、無強(qiáng)空氣對(duì)流"，同時(shí)鐵專規(guī)程5.3.2要求“測(cè)溫儀的檢定應(yīng)在測(cè)溫儀與環(huán)境溫度等溫后進(jìn)行”，但是具體等溫多少時(shí)間并未給出要求。而我們?cè)诓殚喖t外測(cè)溫儀產(chǎn)品說明書時(shí)發(fā)現(xiàn)，一般說明書中都有對(duì)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的要求，也即是在不同環(huán)境溫度中進(jìn)行測(cè)量時(shí)均需將產(chǎn)品放置10min以上以便適應(yīng)新環(huán)境（不同生產(chǎn)廠家對(duì)建議放置時(shí)間不同）。因此在綜合考慮產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性要求以及元器件穩(wěn)定性等要求，為減小環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，建議檢定紅外測(cè)溫儀時(shí)應(yīng)：①將被檢紅外測(cè)溫儀在規(guī)定環(huán)境條件下等溫2h及以上。②調(diào)低實(shí)驗(yàn)室空調(diào)風(fēng)速或改變空調(diào)風(fēng)向，避免空氣對(duì)流造成的測(cè)量誤差。

4 結(jié)束語

JJG（鐵道）149-2005《鐵路專用輕便型紅外測(cè)溫儀》制修訂時(shí)間較早，鑒于近些年國內(nèi)外關(guān)于輻射理論研究取得的新成果以及國內(nèi)開展關(guān)于輻射溫度計(jì)檢定系統(tǒng)框圖的修訂工作，建議下次修訂鐵專規(guī)程時(shí)可增加關(guān)于檢定位置、分辨力和環(huán)境條件等內(nèi)容，以便廣大鐵路計(jì)量檢定人員開展紅外測(cè)溫儀的檢定工作。

[1]鄭子偉.紅外測(cè)溫儀概述[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2006（10）

[2]王彥春等.鐵路計(jì)量技術(shù)與管理[M].北京：中國鐵道出版社.

[3]JJG（鐵道）149-2005.鐵路專用輕便型紅外測(cè)溫儀.

[4]張欽.紅外測(cè)溫儀的工作原理及檢定數(shù)據(jù)處理方法探討[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2008.

[5]李吉林、肖功弼、俞倫鵬.輻射測(cè)溫和檢定/校準(zhǔn)技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社，2009∶216～217.

[6]原遵東等.發(fā)射率設(shè)定值不為1的輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)[J].計(jì)量技術(shù)，2007（5）.

責(zé)任編輯：王華 張勇慧
來稿日期：2014-02-11