欒海峰， 王 征

（江蘇省計量科學研究院，江蘇南京 210007）

測量距離影響輻射溫度計檢定結(jié)果的實驗研究

欒海峰， 王 征

（江蘇省計量科學研究院，江蘇南京 210007）

針對測量距離對輻射溫度計檢定結(jié)果的影響進行了實驗研究，給出了幾種所選擇的常用的輻射溫度計的實驗數(shù)據(jù)和分析圖表。確定了輻射溫度計的最佳測量距離是在離開黑體輻射源靶面0.3～0.5m范圍內(nèi)。

計量學；輻射溫度計；測量距離；黑體輻射源

1 引 言

黑體的光譜輻射亮度是溫度和波長的函數(shù)。輻射測溫學的理論基礎普朗克定律表達式為：

式中：Lb（λ，T）為溫度為T的黑體的光譜輻射亮度，λ為在真空中的波長，T為熱力學溫度，第一輻射常數(shù)c1＝3.741 8×10－16W·m2，第二輻射常數(shù)c2＝1.438 8×10－2m·K。

長期以來，在短波下進行高溫測量是輻射測溫的傳統(tǒng)方式［1］。隨著科學技術(shù)進步，輻射測溫的一個重要發(fā)展趨勢是向中低溫和長波方向拓展［2］。測溫范圍的擴展導致了輻射溫度計的應用領域不斷擴大和應用數(shù)量的急劇增加。這對輻射溫度計的檢定或校準提出了新的更高的要求。

目前，市場上具有眾多類型的輻射溫度計，最常用的波長范圍為8～14μm。它們主要可以分為兩類：一類是發(fā)射率可調(diào)整至1.00的輻射溫度計；另一類是固定發(fā)射率（例如0.95）的輻射溫度計。經(jīng)統(tǒng)計，前者的市場占有量約為70%左右。因此，對此類溫度計的檢定進行實驗研究對于溫度量值的準確與統(tǒng)一具有一定的意義。

影響檢定結(jié)果的因素較多，例如發(fā)射率、目標尺寸、測量距離、波長范圍、響應時間、環(huán)境條件等等［2，3］。其中，測量距離對檢定或校準結(jié)果的影響最為明顯。本文針對發(fā)射率為1.00的輻射溫度計進行實驗研究。通過實驗方法獲得多組數(shù)據(jù)，建立測量距離對檢定結(jié)果的數(shù)學模型，得出最佳測量距離。

2 實驗方法

如圖1所示，測量距離的選擇主要考慮輻射溫度計的距離系數(shù)（光學分辨率）D∶S，即溫度計探頭到目標之間距離D與被測目標直徑S之比［4］。在實際檢定工作中，測量距離為溫度計的光學鏡頭到

圖1 輻射溫度計檢測光路

黑體輻射源腔底即靶面的距離［5］。選擇574CF型和RAYST80型輻射溫度計進行實驗，考慮到黑體輻射源的靶面實際直徑為4 cm，且為了保證目標面積超過視場面積的50%［6］，可計算出S＝1.6 cm。由于這兩種型號的輻射溫度計的距離系數(shù)均為50∶1，則測量距離D＝80 cm，即理論上測量距離只要在0.8 m范圍內(nèi)，此類輻射溫度計的檢定都是可以進行的。為了驗證這一推論，研究測量距離對輻射溫度計檢定結(jié)果的影響，選擇測量距離在0.3～1.0 m范圍內(nèi)的不同位置進行實驗。

考慮到574CF型與RAYST80型輻射溫度計的量程分別為0～900℃和－32～760℃，因此選擇0～900℃范圍內(nèi)的不同溫度點進行實驗。

3 實驗數(shù)據(jù)及分析

選擇574CF型與RAYST80型這兩種8～14μm波長的輻射溫度計進行實驗，得到了多組在不同測量距離、不同溫度點的輻射溫度計示值的實驗數(shù)據(jù)。為了便于比較，將溫度計示值與標稱值相減，得到各測量距離各溫度點上的示值誤差，見表1和表2，并且計算出各溫度點上不同測量距離時溫度計示值的最大最小值之差，即表中的差值列。

表1 574CF型溫度計示值誤差實驗結(jié)果

表2 RAYST80型溫度計示值誤差實驗結(jié)果

由于這兩種型號的輻射溫度計的準確度等級均為±1℃或±1%讀數(shù)，為了便于分析，在表格中將示值超差的數(shù)據(jù)用黑體標出。表中實驗結(jié)果均已考慮了發(fā)射率、標準器等因素的修正［7，8］。

由表1、表2的數(shù)據(jù)可以看出：

（1）隨著測量距離的增大，0℃（室溫以下）時溫度計示值越來越大；50～900℃（室溫以上）時溫度計示值越來越小，且隨著溫度點的增大，減小的幅度越來越大，這種越接近黑體輻射源腔口，溫度計示值越大的現(xiàn)象，符合輻射測溫中的信號最大化原理。

（2）在50℃溫度點，測量距離對檢定結(jié)果的影響較小，隨著溫度點的降低和升高，測量距離對檢定結(jié)果的影響越來越大，即檢定時溫度點偏離環(huán)境溫度越大，測量距離對檢定結(jié)果的影響越大。

（3）與推論相比，測量距離為0.8 m時，除了50℃、100℃兩個溫度點，其他溫度點的示值均已超差；測量距離為0.7 m時，574CF型溫度計400～800℃溫度段，RAYST80型溫度計400～600℃溫度段示值超差；測量距離為0.6 m時，574CF型溫度計400～500℃溫度段示值超差，RAYST80型溫度計示值雖未超差，但其示值誤差也較大，由此可以看出對于574CF型溫度計的測量距離在0.3～0.5 m范圍內(nèi)較為合適，最佳測量距離為0.3～0.5 m，同時也可認為RAYST80型溫度計的最佳測量距離為0.3～0.6 m。

選擇常見的不同型號發(fā)射率1.00、波長8～14 μm的輻射溫度計進行了實驗，具體的實驗結(jié)果見表3。

表3 不同型號的輻射溫度計的最佳測量距離

由表3可以看出，對于此類輻射溫度計，雖然測溫范圍和距離系數(shù)互有不同，但最佳測量距離可以認為均在0.3～0.5 m范圍內(nèi)。在實際檢測中，如無特殊要求，一般選擇該范圍內(nèi)的某一值作為測量距離進行檢測。

4 結(jié)論與討論

本文針對實際檢測中最為常見的發(fā)射率1.00、波長8～14μm的輻射溫度計，實驗研究了測量距離對輻射溫度計檢定結(jié)果的影響，從而得到以下結(jié)論：

（1）最佳測量距離為距離黑體輻射源靶面0.3～0.5 m范圍內(nèi)；

（2）隨著測量距離的增大，室溫以下的溫度點示值越來越大，室溫以上的溫度點示值越來越小，且隨著溫度點的增大，偏離的幅度越來越大，這一趨勢符合輻射測溫中的信號最大化原理；

（3）在低溫段，測量距離對測量結(jié)果的影響較小；在中高溫段，測量距離對測量結(jié)果影響顯著，且隨著溫度的升高，測量距離對檢定結(jié)果的影響越來越大。

此外，由于測量距離是校準中不確定度的最主要因素之一，并且對檢定結(jié)論的可靠性有決定性的影響，建議在檢定證書或報告中明確注明檢定時的測量距離，用以指導實際使用［9］。

對于固定發(fā)射率的輻射溫度計或者單一波長的輻射溫度計，是否也有類似的規(guī)律和最佳測量距離，以及測量距離在中低溫段和高溫段是否仍是主要影響因素，這將是下一步的研究課題。

［1］ 崔志尚，等.溫度計量與測試［M］.北京：中國計量出版社，1998，178－187.

［2］ 李吉林，肖功弼，俞倫鵬.輻射測溫和檢定／校準技術(shù)［M］.北京：中國計量出版社，2009，200－216.

［3］ 謝鵬.檢定輻射溫度計過程中應該注意的問題［J］.工業(yè)計量，2013，23（2）：17－18.

［4］ 邢波.不同瞄準方法對輻射溫度計檢定結(jié)果的影響［J］.計量學報，2012，33（6A）：97－100.

［5］ 原遵東.輻射溫度計檢定的源瞄準測量條件確定方法［J］.計量學報，2012，33（6A）：38－41.

［6］ 張弓，李玉石.紅外輻射測溫原理及使用［J］.企業(yè)標準化，2010，（24）：38－39.

［7］ 原遵東.黑體輻射源發(fā)射率對輻射測溫準確度的影響及修正方法［J］.計量學報，2007，28（3A）：19－22.

［8］ 孔令輝，郝小鵬，黃燊彥，等.環(huán)境溫度對輻射溫度計穩(wěn)定性的影響研究［J］.計量學報，2012，33（6A）：86－89.

［9］ 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.工作用輻射溫度計檢定規(guī)程JJG 415—2001［S］.2001.

Experimental Research on the Effect of Measuring Distance on Calibration Results of Radiation Thermometers

LUAN Hai-feng， WANG Zheng
（Jiangsu Institute ofMetrology，Nanjing，Jiangsu 210007，China）

Aiming at the effect ofmeasuring distance on calibration results of radiation thermometers，the experimental research was carried out.Both testing data and analytical charts for the several conventional radiation thermometers chosen are shown.The optimalmeasuring distance of radiation thermometer is defined，which is in the range of0.3～0.5m to be away from the target surface of blackbody radiation source.

Metrology；Radiation thermometer；Measuring distance；Blackbody radiation source

TB94

A

1000-1158（2014）06-0588-03

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．14

2014-03-22；

2014-07-03

欒海峰（1981－），男，江蘇鎮(zhèn)江人，江蘇省計量科學研究院工程師，碩士，主要從事溫度計量檢測研究。yemuhaifeng＠163.com