固定发射率工作用辐射温度计校准方法研究

固定发射率工作用辐射温度计校准方法研究
余时帆;崔超;王晓;熊玉亭;沈才忠
【摘要】讨论分析了用于校准固定发射率工作用辐射温度计的原理.在校准中,应用辐射面源是必要的,其发射率应与温度计的固定发射率一致,以保证温度量值传递的准确性,并分析了由于两个发射率的不一致而带来的温度误差,给出了在不同温度下由发射率偏离而引起的温度误差计算式.在发射率为0.95、温度为700 K的情况下,最大误差可以达到15 K.如果实际测量对象的发射率与温度计的固定发射率相同,则可以直接测量出被测对象的真实温度.
【期刊名称】《计量学报》
【年(卷),期】2017(038)001
【总页数】3页(P40-42)
【关键词】计量学;辐射温度计;黑体;固定发射率;辐射面源
【作者】余时帆;崔超;王晓;熊玉亭;沈才忠
【作者单位】浙江省计量科学研究院,浙江杭州310018;浙江省计量科学研究院,浙江杭州310018;浙江省计量科学研究院,浙江杭州310018;浙江省计量科学研究院,浙江杭州310018;浙江省计量科学研究院,浙江杭州310018
【正文语种】中文
【中图分类】TB942
随着辐射测温在各个领域中的广泛应用，市场上出现了型号众多、结构各异以及波长范围不同的工作用辐射温度计。

这些温度计大致可以分为两类：可调整发射率
(调整范围从0～1)的温度计和不可调整的固定发射率(小于1)的温度计[1]。

前者适用于各种目标的温度测量，而后者则主要针对某些特定的测量对象。

在工作用辐射温度计中，固定发射率温度计占有相当数量的份额[2]。

其中，最为常见的是发射率为0.95的温度计，当然也可看到少量的其他发射率如0.8左右、0.38等的温度计[3]。

这些温度计主要用于长波下(例如8～14 μm)的中低温特定目标的温度测量。

理想情况下，当被测对象的表面发射率与温度计的固定发射率一致，则可用温度计直接测量出被测对象的真实温度[4～6]。

新颁布的JJG 856—2015《工作用辐射温度计检定规程》，主要适用于可调整发射率的工作用辐射温度计，而不适用于固定发射率的温度计。

就后者而言，目前尚无检定规程或校准规范。

由此可见，关于固定发射率工作用辐射温度计的检定或校准是一个值得研究并必须解决的重要课题。

这对于从事工作用辐射温度计检定或校准工作的计量部门和人员具有重要意义。

辐射测温的理论基础为普朗克(Planck)定律，其表达式为
式中：M(λ,T)为黑体的光谱(单色)辐射出射度； c1为第一辐射常数，等于3.741 9×10-16 W·m2； c2为第二辐射常数，等于1.438 8×10-2 m·K；λ为波长，μm； Tb为黑体温度，K。

由式(1)可以看出，黑体辐射出射度为温度与波长的函数。

在辐射测温理论与技术中，黑体既是一个重要的理论概念，也是一个重要的实验装置。

它通常制成各种形状的空腔予以实现，其空腔发射率可以为0.99～0.999 9。

当经过黑体检定的辐射温度计对被测目标进行温度测量时，根据普朗克公式可导出式中：T为被测目标的真实温度，K；ελ为被测目标的表面光谱发射率；Ts为被测目标的亮度温度，K；λ为辐射温度计的(有效)波长，μm。

在波长λ和光谱发射率ελ已知的情况下，根据式(2)可以由黑体亮度温度Ts计算
出被测目标的真实温度T。

对于可调整发射率的温度计，只要把温度计的发射率值调整到与被测目标的发射率一致，则温度计可直接读得被测目标的真实温度。

就固定发射率温度计而言，如果其发射率刚好与被测目标的发射率相同，则该温度计也同样能读出被测目标的真实温度。

在被测目标的发射率未知的情况下，温度计读出的只能是目标的亮度温度Ts，而
不是真实温度。

为简便起见，用维恩(Wein)公式取代普朗克公式，则由式(2)导出
由于ελ<1，因此Ts<T,即亮度温度始终小于真实温度。

事实上，被测目标通常是用工作用辐射温度计进行测量的，而它是经黑体分度的标准温度计(发射率为1)进行量值传递的。

这样，在标准温度计和被检温度计之间必
须引入一个与工作用温度计和固有发射率一致的辐射源。

该辐射源通常称为辐射面源。

这样做的目的是为了确保对其发射率与固定发射率相同的特定目标直接读出它的真实温度。

具体的量值传递系统见图1。

根据式(2)和式(3)，只要面源的发射率、温度计固定发射率与被测目标的发射率完
全一致，上述传递系统就可以直接得出被测目标的真实温度。

这也就是在固定发射率工作用辐射温度计的检定或校准中不能适用黑体空腔的原因。

辐射面源是由表面镀有涂层的金属圆盘制成，背面置有均匀分布的加热丝以进行均匀加热，其上限温度为550 ℃。

目前，在市场上已有各类辐射面源产品可供选择。

固定发射率工作用辐射温度计检定或校准的一个关键问题在于辐射面源的发射率与温度计的固定发射率之间能否保持一致。

根据式(2)和式(3)可以导出由于它们的偏
离而引起的温度误差表示式
式中：ΔT为温度误差，K；Δελ为辐射面源与温度计之间的发射率偏离；λ为固定发射率温度计的有效波长，μm。

对于波长范围为8～14 μm(大气窗口)的温度计，其有效波长可以取10 μm[7]。

根据式(4)可以给出在不同温度下由发射率偏离而引起的温度误差。

图2给出了不同发射率偏离下的工作用辐射温度计的温度误差曲线。

由图2可以看出，温度误差随着发射率偏离的增大而增大，同时温度误差随着测试温度的增大而增大，其中当测试温度为700 K，发射率偏离为0.05时，温差可以达到15 K。

目前，对于发射率0.95辐射面源的应用已经比较普遍了，而对0.8和0.38的辐射面源则需特殊制作或选择。

由于涂层的广泛应用，选择某种涂料制作0.8辐射面源并不困难；而对于0.38辐射面源，钨带灯是一种可能的选择，因为钨带灯的表面发射率在0.38左右。

总之，在固定发射率的检定或校准中，发射率偏离是一项主要的不确定度来源，应尽早采取措施将温度误差减小到最低程度。

(1)固定发射率工作用辐射温度计用于其发射率与固定发射率相一致的特定的测量对象，可直接得出被测对象的真实温度；
(2)在固定发射率辐射温度计的检定或校准中，必须应用与固定发射率相一致的辐射面源，而不能使用黑体空腔；
(3)在校准装置中，制作或选择辐射面源是十分重要的，以确保量值传递的准确一致；
(4)辐射面源与温度计之间的发射率偏差是检定或校准的一项主要不确定度来源。

对于发射率为0.95的温度计，在发射率偏差为0.05、温度为700 K的情况下，温度误差可以达到15 K。

这相当于使用黑体空腔所造成的不确定度。

【相关文献】
[1] 崔志尚.温度计量与测试[M].北京: 中国计量出版社，1998.
[2] 王文革.固定发射率辐射温度计校准中的温度修正计算方法[J].宇航计测技术，2006,26(2):17-22.
[3] 原遵东，段宇宁，王铁军，等.发射率设定值不为1的辐射温度计的校准[J].计量技术，2007,(5):43-46.
[4] 高庆中. 温度计量[M].北京:中国计量出版社，2004.
[5] 原遵东. 黑体辐射源发射率对辐射测温准确度的影响及修正方法[J].计量学报，2007,28(z1):19-22.
[6] 原遵东. 有效亮度温度理论[J].计量学报，2009,30(6):493-497.
[7] 原遵东，辐射温度计的等效波长及其应用[J].仪器仪表学报，2009,30(2):374-379.。