章龍飛， 孫 堅， 李文軍， 李希明， 顧喆涵

（中國計量學(xué)院，浙江杭州310018）

工作用輻射溫度計檢定中若干技術(shù)問題的研究

章龍飛， 孫 堅， 李文軍， 李希明， 顧喆涵

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

計量學(xué)；輻射溫度計；測量距離；瞄準方法；附加光闌；輻射源尺寸效應(yīng)

1 引 言

隨著輻射測溫向中低溫和長波方向不斷拓展，紅外輻射溫度計在食品、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℃，而波長范圍為8～14μm。溫度計的探測器一般是應(yīng)用熱電堆等熱電探測器，具有相當穩(wěn)定的性能。目前，這類溫度計的型號繁雜、數(shù)量較多，已經(jīng)成為中低溫紅外溫度計的主體。

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)測量中的一個主要誤差來源，而該影響還會帶來有關(guān)輻射測溫理論和技術(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的檢定規(guī)程具有十分重要的意義。本文對工作用的輻射溫度計檢定中的若干技術(shù)問題進行了研究，并給出了一些可供參考的結(jié)論。

2 測量距離

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

圖1 溫度計與空腔底部的距離示意圖

對于具有良好光學(xué)聚焦性能的溫度計來說，測量距離是容易確定的，即為溫度計的焦距。通常，它由制造商的說明書給出，如ⅡS／N2812型輻射溫度計。該型號溫度計有2個波長范圍，分別為3.9μm和8～14μm。說明書給出的測量距離分別為360 mm和382 mm。實驗表明，根據(jù)上述測量距離得出的測量結(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確的，如Fluke66和68型，Raytek-ST80型等溫度計。實驗表明，按照這些溫度計的說明書所提供的信息進行測量，會產(chǎn)生相當大的示值誤差。在這種情況下，用實驗來確定溫度計的測量距離是非常必要的。圖2給出了Fluke66測量距離實驗曲線。

圖2 Fluke 66最佳測量距離實驗

由實驗曲線可以看出，在輻射源處在環(huán)境溫度以上時，具有最大化測量信號的測量距離為最佳測量距離。此時，溫度計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，最小化測量信號所對應(yīng)的測量距離則為最佳測量距離。

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

3 瞄準方法

在輻射溫度計檢定中，瞄準方法是一個有爭議的問題。簡單地說，是瞄準（聚焦）腔底和瞄準（聚焦）腔口之爭。瞄準腔口等效于瞄準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］。這個概念表征了腔體溫度分布對有效輻射的影響，對于評價黑體空腔的性能具有一定的價值。

當黑體空腔處于等溫狀態(tài)下，2種瞄準方法的測量結(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，在基準固定點的復(fù)現(xiàn)中，黑體空腔處于非常好的等溫區(qū)域內(nèi)，此時，無論瞄準腔底還是瞄準腔口均會得出相同的測量結(jié)果。

實際上，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種瞄準方法，在不同溫度下對以上2種黑體輻射源的測試結(jié)果列于表1和表2。

由表中可以看出，2種瞄準方法的測量結(jié)果之間的差值大于輻射溫度計檢定的允許誤差。這些結(jié)果也與規(guī)程工作組技術(shù)報告中所提供的數(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。當然，當黑體空腔輻射源的溫度處在環(huán)境溫度以下時，則會呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。引起這種比較大的差異的另一個原因是根據(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種瞄準方法測量結(jié)果 ℃

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

表2 Kelvin JQ-500輻射源2種瞄準方法測量結(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探測器表面會引起溫度信號或示值的變化。

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，而向輻射溫度計一側(cè)應(yīng)具有高反射率的表面。

考慮到附加光闌長時間處于輻射源前面位置，會受到輻射源的加熱或冷卻，進而引起溫度示值誤差。因此，對附加光闌采取控溫措施是必要的。例如對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，溫度計也會產(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，就需要對不同源尺寸修正到相同源尺寸。這樣，就產(chǎn)生了一個由于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）為溫度計在黑體輻射源開口半徑分別為r1和r2時輻射響應(yīng)；σ（r1）和σ（r2）分別為在r1和r2時的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r1的溫度修正值。

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

當σ（r2）／σ（r1）＝1.01，環(huán)境溫度為20℃時，波長分別為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，溫度修正的絕對值隨著溫度的降低而急劇增大。

6 結(jié) 論

（1）對于大多數(shù)工作用輻射溫度計來說，實驗確定測量距離是必要的。實驗研究表明，應(yīng)用測量信號的最大化（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）對瞄準腔底和瞄準腔口的兩種方法進行了測量。結(jié)果表明，兩者存在比較大的差異。文中對這種差異進行了分析，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)生的溫度計測量信號的變化。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。該公式對檢定結(jié)果的修正和工業(yè)測量具有一定的價值。

］

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

［3］ 趙泉欽，李文軍，孫堅，等.較低溫度條件下SSE影響紅外溫度計校準的實驗研究［J］.計量學(xué)報，2012，33（6）：509-512.

［4］ 李文軍，孫堅，陳堅，等.200℃以下紅外溫度計校準的相關(guān)研究［J］.計量學(xué)報，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)測量模型［J］.光學(xué)學(xué)報，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，中國計量學(xué)院研究生，主要從事紅外溫度計校準和輻射源尺寸效應(yīng)的研究。zhang587641＠163.com