工作用辐射温度计检定中若干技术问题的研究

章龙飞， 孙 坚， 李文军， 李希明， 顾喆涵

（中国计量学院，浙江杭州310018）

工作用辐射温度计检定中若干技术问题的研究

章龙飞， 孙 坚， 李文军， 李希明， 顾喆涵

针对辐射温度计检定中的有关测量距离、瞄准方法和附加光阑等技术问题进行了讨论。根据检定温度不同，提出了利用测量信号的最大化和最小化原理来确定最佳测量距离的方法。对瞄准腔底和瞄准腔口两种瞄准方法进行了比较与分析，得出瞄准腔底的方法具有更大的可靠性和准确性。此外，针对辐射源尺寸效应（SSE），给出了由SSE而产生的温度修正公式。

计量学；辐射温度计；测量距离；瞄准方法；附加光阑；辐射源尺寸效应

1 引 言

随着辐射测温向中低温和长波方向不断拓展，红外辐射温度计在食品、纺织、建筑等工业部门得到了越来越广泛的应用。它们的温度范围通常为-50℃～500℃，而波长范围为8～14μm。温度计的探测器一般是应用热电堆等热电探测器，具有相当稳定的性能。目前，这类温度计的型号繁杂、数量较多，已经成为中低温红外温度计的主体。

此外，在中低温条件下，由周围环境所引起的反射辐射的影响越来越不能忽略，它们可能成为工业测量中的一个主要误差来源，而该影响还会带来有关辐射测温理论和技术方面的某些变化。

鉴于上述原因，原检定规程的某些条文已不适用，起草新的工作用辐射温度计的检定规程具有十分重要的意义。本文对工作用的辐射温度计检定中的若干技术问题进行了研究，并给出了一些可供参考的结论。

2 测量距离

在辐射温度计检定中，黑体辐射源通常是采用圆柱形黑体空腔，而确定测量距离是进行检定工作的必要条件。测量距离可以是温度计与空腔底部之间的距离d，见图1，也可以是温度计与腔口之间的距离。如果使用光阑的话，也可以是温度计与光阑之间的距离。因为探测器表面有一定的大小，因而，被确定的测量距离可以有一定的范围。

图1 温度计与空腔底部的距离示意图

对于具有良好光学聚焦性能的温度计来说，测量距离是容易确定的，即为温度计的焦距。通常，它由制造商的说明书给出，如ⅡS／N2812型辐射温度计。该型号温度计有2个波长范围，分别为3.9μm和8～14μm。说明书给出的测量距离分别为360 mm和382 mm。实验表明，根据上述测量距离得出的测量结果是十分理想的。

然而，绝大多数送检的工作用辐射温度计并没有光学聚焦系统。而说明书给出的数据或光路图往往是不充分和不准确的，如Fluke66和68型，Raytek-ST80型等温度计。实验表明，按照这些温度计的说明书所提供的信息进行测量，会产生相当大的示值误差。在这种情况下，用实验来确定温度计的测量距离是非常必要的。图2给出了Fluke66测量距离实验曲线。

图2 Fluke 66最佳测量距离实验

由实验曲线可以看出，在辐射源处在环境温度以上时，具有最大化测量信号的测量距离为最佳测量距离。此时，温度计可以得到来自黑体辐射源的最大辐射能量。与此相反，在辐射源温度低于环境温度时，最小化测量信号所对应的测量距离则为最佳测量距离。

可以认为，利用测量信号的最大化或最小化原理来确定检定中的测量距离是一种比较好的方法。

3 瞄准方法

在辐射温度计检定中，瞄准方法是一个有争议的问题。简单地说，是瞄准（聚焦）腔底和瞄准（聚焦）腔口之争。瞄准腔口等效于瞄准直径为腔口直径的黑平面辐射源模型，见图3。该黑平面的有效发射率表示黑体空腔发射率，而它的温度则表示黑体空腔的有效温度。

图3 等效黑平面示意图

圆柱形黑体空腔的有效温度的概念首先是由日本的服部晋提出［1］，后由东北大学的高魁明和谢植加以一定的完善［2］。这个概念表征了腔体温度分布对有效辐射的影响，对于评价黑体空腔的性能具有一定的价值。

当黑体空腔处于等温状态下，2种瞄准方法的测量结果是一致的。也就是说，腔底温度等于空腔的有效温度。例如，在基准固定点的复现中，黑体空腔处于非常好的等温区域内，此时，无论瞄准腔底还是瞄准腔口均会得出相同的测量结果。

实际上，尤其在中低温条件下，空腔不可能处于等温状态。由于空腔开口直接对外，其轴向温度分布曲线单边向下。本文给出了HT-2型和Kelvin JQ-500型黑体空腔辐射源分别在200℃和500℃下的轴向温度分布曲线，见图4和图5。应用2种瞄准方法，在不同温度下对以上2种黑体辐射源的测试结果列于表1和表2。

由表中可以看出，2种瞄准方法的测量结果之间的差值大于辐射温度计检定的允许误差。这些结果也与规程工作组技术报告中所提供的数据相一致。造成这种状况的主要原因在于空腔的有效温度低于腔底温度。当然，当黑体空腔辐射源的温度处在环境温度以下时，则会呈现出相反的规律。引起这种比较大的差异的另一个原因是根据空腔内壁发射率分布，空腔底部具有更高的有效发射率。

图4 HT-2型辐射源轴向温度分布曲线

图5 Kelvin JQ-500型辐射源轴向温度分布曲线

表1 HT-2辐射源2种瞄准方法测量结果 ℃

综上所述，可以认为瞄准腔底的方法具有更大的可靠性和准确性。同时，还须指出的是，大多数工作用辐射温度计是用激光点进行瞄准，而激光点并不处于温度计的光学中心。因此，必须经过仔细地调整，使温度计的光轴和空腔中心处于同一轴线上。

表2 Kelvin JQ-500辐射源2种瞄准方法测量结果℃

4 附加光阑

所谓附加光阑是指在辐射源前面加上一个具有一定大小孔径的光阑，见图6。附加光阑的主要用途是防止由环境辐射而产生的散射影响。这种散射投射到温度计探测器表面会引起温度信号或示值的变化。

图6 附加光阑示意图

在大多数检定中，并不需要在光路加上附加光阑。如果温度计制造商推荐或用户特殊要求，在检定中可以使用光阑。但必须在检定报告中提供光阑孔径大小、光阑与辐射源腔口之间的距离等信息。

对附加光阑的表面反射特性应有一定的要求。光阑向辐射源一侧应具有高发射率的表面涂层，而向辐射温度计一侧应具有高反射率的表面。

考虑到附加光阑长时间处于辐射源前面位置，会受到辐射源的加热或冷却，进而引起温度示值误差。因此，对附加光阑采取控温措施是必要的。例如对附加光阑通以恒温水，以使光阑处在恒定的温度下。也可以采用双光阑或光阑本身配置的散热器的办法以避免光阑被辐射源过度加热或冷却。

5 SSE引起的温度修正

在辐射温度计的检定中，即使黑体辐射源处于同一温度下，由于其尺寸的不同，温度计也会产生不同的显示值。这种现象称为辐射源尺寸效应（size of source effect，SSE）。为了统一量值，就需要对不同源尺寸修正到相同源尺寸。这样，就产生了一个由于SSE所产生的温度修正问题［3～5］。

在中低温条件下，温度计的辐射响应S是辐射源温度T，辐射源开口半径r和环境温度Tam的函数，即S（r，T，Tam）。根据定义，下式成立

式中，S（r1，T，Tam）和S（r2，T，Tam）为温度计在黑体辐射源开口半径分别为r1和r2时辐射响应；σ（r1）和σ（r2）分别为在r1和r2时的SSE系数。

如果把r2尺寸修正到r1尺寸，则

式中，ΔT（r2，r1）为r2对r1的温度修正值。

将式（2）带入式（1），则有对式（3）进行微分可得出r2到r1的温度修正式，即

当σ（r2）／σ（r1）＝1.01，环境温度为20℃时，波长分别为10μm和3.9μm的温度修正曲线见图7。

由图中可以看出，在辐射源高于环境温度情况下，温度修正值随着波长和温度的增加而增大；而低于环境温度的情况下，温度修正的绝对值随着温度的降低而急剧增大。

6 结 论

（1）对于大多数工作用辐射温度计来说，实验确定测量距离是必要的。实验研究表明，应用测量信号的最大化（检定温度高于环境温度）和最小化（检定温度低于环境温度）原理来确定测量距离是一种比较有效的方法。

图7 在10μm和3.9μm下的温度修正曲线

（2）对瞄准腔底和瞄准腔口的两种方法进行了测量。结果表明，两者存在比较大的差异。文中对这种差异进行了分析，并给出了造成这种差异的原因。在分析中还引入了黑体空腔的有效温度的概念。

（3）附加光阑的主要用途是避免由环境辐射所产生的温度计测量信号的变化。一般来说，这种变化是比较小的。因此，在大多数检定中，可以不用附加光阑。

（4）本文讨论了辐射源尺寸效应（SSE），并给出了由SSE而产生的温度修正公式。该公式对检定结果的修正和工业测量具有一定的价值。

］

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

［2］ 高魁明，谢植.红外辐射测温理论与技术［M］.沈阳：东北工学院出版社，1988.

［3］ 赵泉钦，李文军，孙坚，等.较低温度条件下SSE影响红外温度计校准的实验研究［J］.计量学报，2012，33（6）：509-512.

［4］ 李文军，孙坚，陈坚，等.200℃以下红外温度计校准的相关研究［J］.计量学报，2012，33（2）：126-129.

［5］ 原遵东.消除背景辐射影响的辐射源尺寸效应测量模型［J］.光学学报，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

（中国计量学院，浙江杭州310018）

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.06

2013-05-14；

：2014-10-23

章龙飞（1988-），男，浙江金华人，中国计量学院研究生，主要从事红外温度计校准和辐射源尺寸效应的研究。zhang587641＠163.com