光電高溫計在使用中存在的問題及改進

宋學青

（云南省計量測試技術(shù)研究院，云南 昆明 650228）

1 引 言

輻射溫度儀是非接觸式測溫儀表，根據(jù)物體的熱輻射效應(yīng)原理來測量物體表面溫度的，它廣泛適用于冶金、化工、機械、硅酸鹽行業(yè)中連續(xù)對各種熔爐、高溫窖、鹽浴池等場合的高溫測量，以及其他不適合裝置熱電偶的地方。

熱輻射溫度計是以物體的輻射強度與溫度成一定的函數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ)的。利用這種原理制成了各種形式的輻射溫度計，標準光電高溫計和標準光學高溫計也是屬于輻射溫度儀。輻射溫度計的量傳，國家有計量檢定系統(tǒng)表和相應(yīng)的檢定規(guī)程。計量檢定系統(tǒng)表為JJG 2004-1987《輻射測溫儀計量器具檢定系統(tǒng)框圖》，此計量檢定系統(tǒng)表對輻射溫度儀計量器具的量傳做了技術(shù)規(guī)定，是輻射溫度儀量值傳遞及量值溯源的依據(jù)之一。因此此系統(tǒng)表關(guān)乎到輻射溫度儀量值傳遞的準確可靠。在此量傳系統(tǒng)表中，光學高溫計和標準光電高溫計都是計量標準器具，承擔著量值溯源和傳遞的重要作用。光學高溫計溫度標定是用人眼比色測溫，由于人體生理的差異，會產(chǎn)生主觀視覺誤差。光電高溫計正是為解決人體主觀視覺誤差而設(shè)計的后一代產(chǎn)品。它能進行亮度自動平衡，從而達到快速測溫、消除視差。光電高溫計雖然消除了人眼視覺誤差的問題，但在設(shè)計上，未充分考慮量傳時，溯源器具（鎢帶燈）與傳遞器具（黑體爐）間不同輻射源靶材不同、外形不同、靶面形狀不同，經(jīng)光電高溫計的物鏡匯聚到調(diào)整鏡上的焦點會有所不同，進入的能量、波長也會不同，從而導致聚焦能量也會不同，因此標準光學高溫計和標準光電高溫計在對黑體爐進行量值傳遞時示值不等。大量試驗表明，標準光學高溫計和標準光電高溫計在量值傳遞和溯源鏈中量值的一致性存在一些問題。

2 原理介紹

《輻射測溫儀計量器具檢定系統(tǒng)框圖》見JJG 2004-1987，從圖中看到，在計量標準器具等級中，標準光電高溫計和標準光學高溫計的量值，均是由工作基準鎢帶溫度燈組進行量值傳遞，再向黑體爐比較傳遞量值，最后傳遞給光電測溫儀、比色測溫儀等輻射測溫儀。標準光電高溫計和標準光學高溫計在量值傳遞框圖中處于同一等級，發(fā)揮著同樣的作用。因此兩種計量標準器具在傳遞中所傳遞的量值的一致性顯得尤為重要，如果不一致，將會導致同一輻射能產(chǎn)生不同的溫度量值，這將給量值的準確傳遞帶來問題。

將光學高溫計和光電高溫計比較發(fā)現(xiàn)：光學高溫計是由人工操作來完成亮度平衡工作的，而且不能進行連續(xù)測量和記錄，其測量結(jié)果又帶有人眼及操作者的主觀誤差，而光電高溫計，是采用光電器件（光電倍增管）代替人眼，進行亮度自動平衡，感受輻射源的輻亮度溫度變化，從而達到自動平衡、連續(xù)測溫的目的。

20世紀80年代，由中國測試技術(shù)研究院組織的幾次西南大區(qū)四方（云、貴、川、云南儀表廠）技術(shù)機構(gòu)光學高溫計比對工作中（用工作基準鎢帶燈作為標準源），發(fā)現(xiàn)：由于使用光學高溫計時，因其工作原理是用人工操作來完成亮度比色測溫，經(jīng)過比對發(fā)現(xiàn)，由不同測量人員測量所引入的系統(tǒng)誤差，在800℃時為最大（色溫較暗，難以辨別的一致），為6℃左右，而在金點（1064℃）時，測量造成的誤差最小，為2℃左右。而當時副基準鎢帶燈組向工作基準鎢帶組的量值傳遞是由精密光學高溫計實現(xiàn)的，其測溫原理也是采用人工操作來完成亮度比色測溫工作。為解決鎢帶燈和光學高溫計量傳時，測量結(jié)果帶有操作者的主觀誤差，而且不能進行連續(xù)測量的缺陷，由中國測試技術(shù)研究院與云南儀表廠共同研制生產(chǎn)了WGD-1型精密光電溫度計，采用光電器件把輻射能量轉(zhuǎn)變成電信號，借助電子放大器測量光電流的大小來測出被測物體的溫度。到20世紀80年代末期，標準光電高溫計進入了我國輻射測溫儀計量器具檢定系統(tǒng)框圖。在用合格的光電高溫計與工作基準鎢帶燈為標準進行的比對工作顯示，其系統(tǒng)誤差比光學高溫計明顯減小，由人眼引入的誤差已經(jīng)消除。

光電高溫計雖然解決了人眼識別引入的誤差，由于當時關(guān)注的焦點是在消除視覺誤差，而未考慮到當它向黑體爐進行量值傳遞時其自動測溫原理恰恰也是產(chǎn)生誤差的根源。

3 問題的提出

根據(jù)JJG 1032-2007《標準光電高溫計檢定規(guī)程》，規(guī)定了使用范圍要求:本規(guī)程適用于工作基準鎢帶溫度燈對測量范圍在800℃～3 200℃內(nèi)工作波長約為660nm的標準光電高溫計的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定。由此可見，在要求的溫度范圍內(nèi)的量值傳遞，是在一固定的波長段下，即中心波長為660nm處實施檢定的。光學高溫計是在接近“單色光”的條件下進行亮度比較而得出被測溫度的，所以在光學高溫計的結(jié)構(gòu)上，應(yīng)保證有一個固定的有效波長裝置。有效波長一般選擇0.66μm的紅光區(qū)域，將不同的亮度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度，不同的溫度代表不同的亮度，其亮度和溫度間有對應(yīng)關(guān)系。

雖然光電高溫計和光學高溫計均是基于普朗克定律，但在接收片狀輻射源（鎢帶燈）亮度和立體輻射源（黑體爐）輻射強度測溫時，由于物鏡的光學成像結(jié)果會有所不同，即會產(chǎn)生聚焦點不準的問題，勢必影響到接受到的輻射能也會不同，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的溫度值也會有所不同，在理論分析和實際測量中其差異已經(jīng)表現(xiàn)出來。

（1）發(fā)射源形狀的不一致帶來的誤差。當標準光學高溫計向工作基準鎢帶燈溯源和向黑體爐量傳時，它接受的是輻射亮度，因此從工作基準鎢帶燈到黑體爐由于均是主觀測量，影響不大，也能滿足量傳系統(tǒng)表上δ值的要求。但當使用標準光電高溫計測量時，由于光電高溫計接受到的鎢帶燈光源是片狀的輻射源，也可以理解為是一個平面的有固定入射角的輻射源。而黑體爐是全波長的立體的輻射源，何況此立體輻射源來自黑體爐腔體不同的部位，使各點輻射源與光電高溫計的物鏡距離有遠有近，不能以類似鎢帶燈平面的輻射形式，與物鏡保持在同一距離。況且由于不同形狀的黑體爐，通過物鏡和調(diào)制鏡匯聚到達探測元件的能量是不同的，每單位通量入射光也會不同。由于接收平面物鏡成像和立體物鏡成像，所產(chǎn)生的輻射強度和相應(yīng)的電流值與實際結(jié)果是有差異的，因此產(chǎn)生了測溫偏差。

（2）光電高溫計接收輻射源“對位”不準帶來的誤差。光學高溫計在向工作基準鎢帶燈溯源和向黑體爐傳遞量值時，所接受的都是光的亮度，都是以色溫作為測量的依據(jù)，人眼進行主觀判斷測量，因此在溯源傳遞鏈中沒有問題。光電高溫計在溯源和傳遞時，所接受的是光輻射能，而不是亮度。對光電高溫計的光學系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)光學物鏡成像時，接受基準鎢帶燈薄帶狀物象，在調(diào)制鏡上的成像是匯聚為點狀，探測元件接受的輻射強度很容易做到“對位準確”。但在接受黑體爐立體物象時，經(jīng)光學物鏡成像時調(diào)制鏡上的成像為團狀，因此探測元件上接受的輻射強度存在不一定是溫度中心的問題，也就是存在“對位不準”的問題，何況黑體爐有很多種形狀，如球形、圓柱型、錐形等。不同形狀的黑體爐會產(chǎn)生不同夾角的輻射能，何況輻射能的發(fā)出與物鏡的距離有遠有近，這給光電高溫計在測溫時物鏡的成像也會帶來不同。因此對位不準的問題會更加明顯。由于標準光電高溫計的自動平衡原理，無法對對位不準的問題進行自動修正，導致了在溯源時接受工作基準鎢帶燈時的片狀輻射源與傳遞時接受黑體爐的立體輻射源所匯聚到光電器件上的輻射能其情況是有差異的，可能相同的溫度會測出不一致的輻射能。

（3）發(fā)射靶臺材質(zhì)不同帶來的誤差。不同的材質(zhì)，會有不同的輻射光譜，其輻射能也會有所不同。光電高溫計在向黑體爐傳遞時，是面對不同材質(zhì)的黑體爐，不同材質(zhì)靶臺的輻射光譜與溯源時的鎢帶光譜也會不同。光電倍增管對光譜的變化十分敏感，由于溯源和傳遞材質(zhì)的不一致，導致了光譜的不一致，光電倍增管接受的輻射能也不一致，因此光電高溫計量在量傳時會產(chǎn)生測量誤差。

由于存在“對位”不準和“聚焦”情況以及材質(zhì)不同等問題，經(jīng)數(shù)次實驗（用不同形狀的黑體爐）結(jié)果表明：用光電高溫計對黑體爐測溫時，與黑體爐的實際溫度的偏差超出了標準光電高溫計的總不確定度（比黑體爐實際溫度偏高13℃以上）。當黑體爐的非等溫特性明顯時，隨著輻射溫度的升高，此偏差變得更大。也就是說，光電高溫計在向黑體爐量傳時，是難以達到量傳要求的。因此雖然光電高溫計解決了亮度自動平衡、快速測溫、消除視差的問題，但在量值傳遞中，能否確保所傳遞的量值準確可靠，卻仍存在一些問題。

其次，從量傳系統(tǒng)表上可以看到，工作基準鎢帶燈組的溫度量傳范圍為800℃～2000℃，而標準光電高溫計和標準光學高溫計的溫度量傳范圍為800℃～3200℃，2000℃～3200℃間的量傳通過直接傳遞是不能實現(xiàn)的，因此此高溫段是通過計算的方法，這給高溫段準確的量傳帶了問題。為了達到全溫度范圍內(nèi)實物傳遞的目的，應(yīng)建立高溫黑體標準，對傳遞方法、傳遞要求等做出明確規(guī)定，以便完善量傳。

4 對問題的思考

如何將測量原理做些改進，以保證量值得到準確傳遞。思考其原因有以下幾點：

由于光電高溫計在量值傳遞框圖中，與光學高溫計處于同一地位，因此應(yīng)盡可能將光電高溫計與光學高溫計之間的差異進行消除。通過試驗、比較發(fā)現(xiàn)：

（1）光電高溫計和光學高溫計向黑體爐量傳時，所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差不同，無法確定是哪一個量值更準，由此會帶來量值傳遞的混亂，也換句話說，向黑體爐傳遞量值的標準有兩個，而當兩個標準器傳遞的量值又不一致時，難以確定哪一個量值更準確。因此在傳遞鏈中顯然有些問題。

（2）光電高溫計由于設(shè)計時先天有缺陷，導致在向黑體爐量傳時，量值很容易超出了量傳系統(tǒng)框圖要求的總不確定度。

5 解決的辦法

由于光電高溫計是針對光學高溫計存在的問題而設(shè)計的，因此當標準光電高溫計向黑體爐進行量值傳遞出現(xiàn)問題時，可以考慮研制、使用特制的高質(zhì)量光闌（一片或兩片）加裝在黑體爐的腔口前，經(jīng)過光闌的轉(zhuǎn)換，使經(jīng)過光闌后的不同形狀的立體輻射源能形成與工作基準鎢帶燈片狀輻射源基本一致的輻射源，在調(diào)制鏡上匯聚成和鎢帶燈類似的點光源，以達到消除黑體爐立體輻射源形狀與鎢帶燈片狀輻射源形狀不一致導致的聚焦后能量不同及對位不準所帶來的測量誤差的目的。

6 結(jié)束語

我國的國家計量檢定系統(tǒng)表和計量檢定規(guī)程是確保量值準確傳遞的技術(shù)依據(jù)，國家計量檢定系統(tǒng)表也是制定相應(yīng)計量檢定規(guī)程的依據(jù)，如何保證光電高溫計在接受任何形狀的輻射源，其能量均能轉(zhuǎn)化為相同的溫度，這是實現(xiàn)輻射測溫儀計量器具準確量傳的重要問題。

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