紅外測溫儀檢定誤差原因剖析及對策

史恩忠 楊寶華 / 馬鞍山市計量測試研究所

紅外測溫儀檢定誤差原因剖析及對策

史恩忠 楊寶華 / 馬鞍山市計量測試研究所

介紹黑體爐及紅外測溫儀的基本工作原理。分析紅外測溫儀檢定時測量誤差產(chǎn)生的原因，并提出了減小誤差的措施和方法。

紅外測溫儀；黑體爐；測量誤差；措施方法

0 引言

直接式測溫儀與紅外測溫儀相比具有更多優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于冶金、石化、電力等許多領(lǐng)域，在測量計量中發(fā)揮著巨大的作用。要保證紅外測溫儀量值傳遞的準確可靠，做好定期的檢定校準是必須的，然而怎樣才能做好紅外測溫儀的檢定校準？在以標準黑體爐作為主要標準器檢定紅外測溫儀的實際工作中，常有溫度讀數(shù)偏差較大、檢定數(shù)據(jù)難以判斷的情況。因此，探討紅外測溫儀檢定誤差產(chǎn)生的原因及相應(yīng)的解決辦法，就顯得尤為重要。

1 基本原理

1.1 黑體爐

紅外測溫儀所測得的溫度是物體的輻射溫度而不是物體的實際溫度。紅外測溫儀的標準化檢定方法是采用標準黑體爐檢定[1-2]。黑體爐是一種實用的黑體輻射源，黑體腔體放置在特定的恒溫場中，它是黑體空腔理論[3]在實際測溫中的具體應(yīng)用。黑體爐一般都是由加熱體和發(fā)射近似黑體輻射的腔體組成。中溫黑體爐（300 ～ 1 200 ℃）一般用電阻絲加熱，爐管中間部位放置黑體空腔。通過精確的自動控溫調(diào)整，黑體腔體所在區(qū)域的技術(shù)指標：水平溫差不大于0.05 ℃，垂直溫差不大于0.10 ℃；溫度波動度不大于±0.1 ℃/10 min。輻射黑體源的腔體置于這樣的工作區(qū)域內(nèi)，其靶面的溫度均勻性小于1.0 ℃，控溫穩(wěn)定度不大于0.3 ℃/10 min?？涨徊捎貌讳P鋼或鎳鎘合金制成，并在高溫下進行充分氧化發(fā)黑處理，以提高其表面的發(fā)射率，其有效發(fā)射率可達到0.995。

1.2 紅外測溫儀

紅外測溫儀是根據(jù)物體的紅外輻射特性,依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測器 (傳感器) ,并轉(zhuǎn)換成電信號，再通過放大電路、補償電路及線性處理后，終端顯示被測物體的溫度。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，按照儀器內(nèi)部的計算和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的輻射溫度值[4]。除此之外，還應(yīng)考慮目標和測溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、煙霧、塵埃、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。

2 紅外測溫過程中的誤差分析

紅外測溫儀通過接收目標物體的輻射能量來測量其表面溫度。由于紅外測溫是非接觸式的，導(dǎo)致在測量過程中會存在著各種誤差。影響誤差的因素很多，除了儀器本身的因素外，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 距離系數(shù)

距離系數(shù)（K=S∶D）是紅外測溫儀探頭到被測目標之間的距離S與被測目標直徑D的比值（這里的被測目標直徑指標準黑體爐的腔口直徑，也即輻射源靶面直徑）。它對紅外測溫儀的測量準確度有很大影響，K值越大，光學(xué)分辨力越高。在實際的檢定校準工作中，許多人忽略了測溫儀對距離系數(shù)的要求。不管被測目標點直徑D的大小，這樣測量得到的結(jié)果會有一定的誤差。例如，用距離系數(shù)為S∶D =8∶1的測溫儀，測量距離應(yīng)滿足表1的要求。

因此，如果測溫儀由于測量條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量較小的目標，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨力的測溫儀，以減小測量誤差。需要指出的是，在用測溫儀瞄準測量目標進行測量時，被測目標的直徑是不變的，而測溫儀的測量距離要求應(yīng)根據(jù)測量結(jié)果的實際情況來確定。即遵循示值最大化原則，在規(guī)定的測量距離上，以測溫儀對被測目標測量結(jié)果中的最大值所對應(yīng)的距離來確定測溫儀的實際測量距離。

表1 測量距離與目標直徑對應(yīng)值

2.2 測量的方向與角度

紅外測溫儀從物體上接收到的輻射能量大小正比于它的發(fā)射率。物體的發(fā)射率除了與物體的材料形狀、表面粗糙度、凹凸程度等有關(guān)，還與測量時的方向與角度有關(guān)。若物體為光潔表面時，其方向性更為敏感。測量角度越大，則測量誤差越大。在對紅外測溫儀進行檢定校準時，這一點很容易被忽視。一般來說，測量時紅外測溫儀應(yīng)垂直對準黑體爐腔口，其光軸與輻射源靶面軸線重合。測量時角度最好控制在30°以內(nèi)，不宜大于45°。如果不得不大于45°進行測量，可以適當?shù)卣{(diào)低測溫儀的發(fā)射率進行修正[5]。在實際的檢定過程中應(yīng)注意標準黑體爐和測溫儀相對應(yīng)的發(fā)射率，對紅外測溫儀發(fā)射率的設(shè)定調(diào)整要盡量準確，必要時進行標準黑體爐和測溫儀發(fā)射率的換算，以減小所測量溫度的誤差。需要注意的是，如果要對兩個相同物體的測溫數(shù)據(jù)進行分析比較，那么在測量時測量角度一定要相同，這樣才更具有可比性。

2.3 被測目標尺寸

被測目標尺寸和紅外測溫儀的視場決定了儀器測量的準確度。使用紅外測溫儀測溫時，只能測定被測目標表面上確定面積的溫度值。在定測量距離時，應(yīng)確保被測目標面積等于或大于受測的測溫儀視場。激光瞄準器型測溫儀，激光點應(yīng)在目標中心的上方，有12 mm的偏置距離。一般測量時有以下三種情況：（1）當被測目標大于測試視場時，測溫儀不會受到測量區(qū)域外面的背景輻射能量影響，能夠顯示被測物體位于光學(xué)目標內(nèi)確定面積的真實溫度，這時的測量效果最好。就如在檢定紅外測溫儀時，黑體輻射源靶面直徑應(yīng)大于或等于測溫儀要求的目標直徑。（2）當被測目標等于測試視場時，已受到背景輻射能量影響，但影響還比較小，測量效果一般。（3）當被測目標小于測試視場時，背景輻射能量就會干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。因此在實際測溫時，被測目標尺寸應(yīng)超過測溫儀視場大小的50%為好。

2.4 響應(yīng)時間和環(huán)境因素

響應(yīng)時間表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達最后讀數(shù)的95%能量所需要的時間。它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)。紅外測溫儀響應(yīng)時間的選擇要同被測目標的情況相適應(yīng)。如果被測目標的運動速度很快或溫度變化的速度很快，要選用快速響應(yīng)的測溫儀，否則達不到足夠的信號響應(yīng)，會降低測量準確度；對于靜止的目標或溫度變化速度慢的目標，則測溫儀的響應(yīng)時間可以放寬要求。此外，環(huán)境溫度的較大變化將影響紅外測溫儀的測量準確度，對于待檢定的紅外測溫儀需要在實驗室放置30 min以上才可以進行檢定。

3 結(jié)語

影響紅外測溫儀檢定數(shù)據(jù)準確可靠的原因很多，但只要深入研究檢定過程中應(yīng)注意的一些問題，掌握標準黑體爐和紅外測溫儀的工作原理，對標準設(shè)備及被檢儀器的各個部分進行認真分析，就不難找出合理的減少測溫誤差的方法，從而保證紅外測溫儀檢定工作的正常開展。

[1] JJG 415-2001工作用輻射溫度計檢定規(guī)程[S]. 北京：中國計量出版社，2001.

[2] JJG 67-2003工作用全輻射溫度計檢定規(guī)程[S]. 北京：中國計量出版社，2003.

[3] 常蕾，趙儉，武建紅. 銥金屬管黑體腔高溫傳感器發(fā)射率研究[J]. 工業(yè)計量，2013，（03）：35-36.

[4] 曾強，舒芳譽，李清華. 紅外測溫儀的工作原理及應(yīng)用[J]. 電子質(zhì)量，2007，（01）：25-26.

[5] 孫文錦. 如何用紅外測溫儀進行精確測量[J]. 工業(yè)計量，2010，（S1）：90-93.

The calibration of infrared temperature measurement error analysis of causes and
countermeasures

Shi Enzhong，Yang Baohua
（Ma′anshan Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper introduces the basic theory of blackbody furnace and infrared thermometer. Combined with the actual situation of the veri fi cation, divided Analysis of the causes of the infrared thermometer inspection timing measurement errors，and puts forward some measures and methods to reduce errors

infrared temperature instrument；blackbody furnace；measurement error；methods