銫、鈉熱管標準黑體輻射源研制及性能評價

黃燊彥， 郝小鵬， 王景輝，3， 原遵東， 吳建平

（1.成都理工大學核技術(shù)與自動化工程學院，四川成都 610059；

2.中國計量科學研究院熱工計量科學與材料特性測量技術(shù)研究所，北京 100013；3.清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

銫、鈉熱管標準黑體輻射源研制及性能評價

黃燊彥1，2， 郝小鵬2， 王景輝2，3， 原遵東2， 吳建平1

（1.成都理工大學核技術(shù)與自動化工程學院，四川成都 610059；

2.中國計量科學研究院熱工計量科學與材料特性測量技術(shù)研究所，北京 100013；3.清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

介紹了中國計量科學研究院研制的270～1 000℃標準黑體輻射源，其中包括270～600℃銫熱管黑體源和500～1 000℃鈉熱管黑體源、溫度標準器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對銫、鈉熱管標準黑體輻射源進行性能測試，包括三段控溫管式爐溫場均勻性，黑體輻射源控溫穩(wěn)定性，黑體空腔軸向溫度均勻性，黑體空腔口部輻射溫度均勻性和熱管測溫孔內(nèi)溫度均勻性等。銫、鈉熱管標準黑體輻射源在整個溫度區(qū)域內(nèi)合成標準不確定度為0.09～0.13℃（k＝2）。

計量學；黑體輻射源；熱管；均勻性；穩(wěn)定性；不確定度

1 引 言

輻射測溫是應(yīng)用廣泛的非接觸測溫方法［1］，近30年來在科研和工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，如在電力、建筑、電子等行業(yè)大量使用輻射溫度計和紅外熱像儀作為測溫手段，輻射測溫的應(yīng)用同時也推動了用于檢定校準輻射溫度計和紅外熱像儀的黑體輻射源在工業(yè)和科研領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用。黑體輻射源技術(shù)水平的提高是輻射測溫法發(fā)展的計量技術(shù)基礎(chǔ)，其輻射特性的有效溯源與評價是輻射測溫量值準確與統(tǒng)一的重要保證。

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，1 000℃以下的紅外輻射溫度計大量應(yīng)用，對高水平量值溯源需求越來越迫切。2000年，英國國家物理實驗室（NPL）報道了其研制的測溫范圍為－40～1 000℃的中溫黑體輻射源［2］，包括氨熱管、水熱管、銫熱管和鈉熱管黑體源，其空腔發(fā)射率為0.999 2～0.999 6，不確定度水平為0.10～0.20℃；2003年，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）報道了其研制的測溫范圍為－60～962℃的中溫黑體輻射源［3，4］，包括氨熱管、水熱管、銫熱管和鈉熱管黑體源，其空腔發(fā)射率為0.999 6～0.999 9，不確定度水平為0.04～0.14℃；2009年，加拿大計量院（NRC）報道了其研制的測量溫度為50～100℃的中溫黑體輻射源［5］，包括水熱管、銫熱管和鈉熱管黑體源，其空腔發(fā)射率為0.999 3～0.999 6，不確定度水平為0.03～0.10℃。

為了滿足國內(nèi)1 000℃以下的黑體源和標準紅外輻射溫度計的亮度溫度的溯源需求，2012年，中國計量科學研究院（NIM）研制了黑體輻射源溯源系統(tǒng)，其溫度范圍為－30～1 000℃，包括恒溫槽、水熱管、銫熱管和鈉熱管黑體源，其空腔發(fā)射率為0.999 9，不確定度水平為0.03～0.13℃。本文介紹了銫熱管和鈉熱管標準黑體輻射源的組成部分、結(jié)構(gòu)、性能及不確定度評定。

2 系統(tǒng)組成

中國計量科學研究院研制的黑體輻射源溯源系統(tǒng)，其溫度范圍為－30～1 000℃，該系統(tǒng)包括大口徑標準黑體輻射源組，多波長輻射溫度計組，溫度標準器和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，見圖1。

圖1 黑體輻射源溯源系統(tǒng)圖

標準黑體輻射源組主要包括－30～80℃恒溫槽黑體輻射源，50～270℃水熱管黑體輻射源，270～600℃銫熱管黑體輻射源和500～1 000℃鈉熱管黑體輻射源。輻射溫度計組主要包括9032-RTA，LP4，Heitronics TRT4.82，Heitronics TRT2，Heitronics KT19.01等。溫度標準器主要包括1個金鉑熱電偶（Au-Pt）和3個標準鉑電阻溫度計（SPRT）。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要包括Fluke 1594A測溫電橋，F(xiàn)luke 8508A數(shù)字電壓表和Isel三維精密移動臺。

2.1 銫、鈉熱管標準黑體輻射源

銫、鈉熱管黑體輻射源裝置由三段式管式爐、熱管黑體、高純氧化鋁管和溫度標準器組成，見圖2。

圖2 黑體輻射源裝置示意圖

2.1.1 熱管黑體空腔

黑體輻射源空腔設(shè)計為圓柱型腔體，腔長為520 mm，測溫孔腔長為241 mm，空腔直徑為φ49 mm。腔體均使用Iconel 600合金加工，表面加工錐角為31°V型槽。腔體內(nèi)壁涂有Pyromark 2500黑漆，涂層發(fā)射率為0.9，腔體法向平均有效發(fā)射率經(jīng)Steep3蒙特卡羅模擬軟件［6，7］計算為0.999 9。

2.1.2 三段控溫管式爐

采用英國卡博萊特三段控溫管式爐進行加熱，見圖2。該管式爐最高溫度為1 200℃，額定功率6 240 W，額定電壓380 V。爐體中間為主加熱區(qū)，兩端為輔加熱區(qū)，主控溫表為歐陸3 504，其顯示分辨力為0.01℃，輔控溫表為歐陸2 312。

2.2 標準器與數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

銫熱管溫度標準器采用云南大方生產(chǎn)的中溫標準鉑電阻溫度計，長為510 mm，外徑為φ7 mm，測溫范圍為0～660.323℃。鈉熱管溫度標準器采用英國ISOTECH生產(chǎn)的標準金鉑熱電偶，其測量精確度在0～962℃溫區(qū)內(nèi)為0.02℃，其參考冷端置于冰水混合物中的不確定度達到0.005℃。

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括Fluke 1594A測溫電橋，F(xiàn)luke 8508A數(shù)字電壓表和Isel三維精密移動臺。Fluke 1594A用于測量銫熱管黑體輻射源標準鉑電阻溫度計的電阻值，F(xiàn)luke 8508A用于測量鈉熱管黑體輻射源標準金鉑熱電偶的電壓值，計算機通過GPIB接口接收控制命令或發(fā)送測量數(shù)據(jù)、儀器狀態(tài)和參數(shù)等。精密移動臺可實現(xiàn)一臺熱管黑體分度多臺高精度輻射溫度計或者多臺熱管黑體分度一臺高精度輻射溫度計的程序控制功能，其三軸行程分別為3 000 mm，700 mm和600 mm。

3 性能測試結(jié)果

測試結(jié)果主要包括三段控溫管式爐溫場均勻性，黑體空腔溫度穩(wěn)定性，軸向溫度均勻性，空腔口部輻射溫度均勻性和熱管測溫孔內(nèi)溫度均勻性等。

3.1 三段控溫管式爐溫場均勻性

管式爐溫場均勻性的測量方法是將標準S型熱電偶放入高純氧化鋁管中，測量時讓熱電偶貼著管壁，管口用保溫棉堵住，將其沿著管壁向外拉，每次移動距離為50 mm，測量其溫度分布。在350 mm范圍內(nèi)管式爐在500℃的溫場均勻性好于1.3℃，在600℃的溫場均勻性好于0.9℃，見圖3和圖4。

圖3 管式爐500℃溫場曲線

圖4 管式爐600℃溫場曲線

3.2 黑體空腔溫度穩(wěn)定性

測量銫熱管在550℃和鈉熱管在950℃的溫度穩(wěn)定性的方法是將溫度標準器放入熱管后端測溫孔內(nèi)，設(shè)置加熱程序至相應(yīng)溫度，并在相應(yīng)溫度穩(wěn)定約2 h，分別采集相應(yīng)溫度標準器的10 min輸出值。在10 min內(nèi)銫熱管黑體在550℃的穩(wěn)定性為0.012℃，鈉熱管黑體在950℃的穩(wěn)定性為0.009℃，結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 銫熱管550℃穩(wěn)定性曲線

圖6 鈉熱管950℃穩(wěn)定性曲線

3.3 軸向溫度均勻性

黑體空腔溫場均勻性是黑體的重要指標，本裝置采用熱管，主要利用熱管的高導熱能力，提高熱管腔體內(nèi)的溫度均勻性。因此當黑體在某一溫度下穩(wěn)定一定時間后，采用2只標準溫度計，其中溫度計A放入熱管后部測溫孔內(nèi)監(jiān)測熱管溫度的漂移，溫度計B放入黑體空腔內(nèi)，將B溫度計沿著空腔向外拉，每次移動距離50 mm，拉到空腔口部后，再將B溫度計反向逐次推回至空腔底部。結(jié)果顯示在350 mm范圍內(nèi)銫熱管在300℃，400℃和550℃的均勻性分別好于1.39℃，0.47℃和0.16℃；鈉熱管在550℃，700℃和950℃的均勻性分別好于0.14℃，0.14℃和0.23℃，結(jié)果見圖7。

3.4 空腔口部溫度均勻性

圖7 銫、鈉熱管軸向均勻性曲線

采用1臺輻射溫度計瞄準黑體空腔口部，空腔口部4個方向分別為A、B、C、D，沿著A到B，再從C到D測量其輻射溫度分布，黑體空腔口部均勻性測量示意圖見圖8。測量銫、鈉熱管黑體輻射源性能所用的輻射溫度計分別為波長1.58μm的InGaAs輻射溫度計RTA（RTA測量距離為900 mm，目標直徑為φ10 mm）［8～10］和波長為0.65μm和0.8μm的LP4輻射溫度計（LP4測量距離為900 mm，目標直徑為φ1.65 mm）。結(jié)果顯示銫熱管在550℃時均勻性為0.029℃，鈉熱管在950℃的均勻性為0.017℃，見圖9和圖10。

圖8 黑體空腔口部均勻性測量方法示意圖

圖9 銫熱管黑體源空腔口部均勻性

3.5 熱管測溫孔溫度均勻性

熱管測溫孔內(nèi)溫度均勻性的測量方法是將溫度計A放入熱管測溫孔內(nèi)，沿著孔徑方向?qū)囟扔婣拉出，再依次推回至測溫孔底部，每次移動步長為10 mm，一共移動距離為50 mm，將溫度計B放入另一個測溫孔內(nèi)監(jiān)測和修正爐溫的漂移。在50 mm范圍內(nèi)銫熱管550℃的均勻性為0.081℃，鈉熱管950℃的均勻性為0.014℃，見圖11。

圖10 鈉熱管黑體源空腔口部均勻性

圖11 銫、鈉熱管測溫孔溫度均勻性曲線

3.6 SPRT與Au-Pt熱電偶一致性驗證

將2個標準器分別放入銫熱管2個測溫孔內(nèi)，分別在3個溫度點測量。降溫后交換溫度計位置，再升溫測量3個相同溫度點。通過計算得出，SPRT測得的溫度值與Au-Pt熱電偶測得的差值為38 mK，結(jié)果見表1。

表1 SPRT與Au-Pt熱電偶差異驗證結(jié)果℃

4 不確定度分析

影響銫、鈉熱管不確定度的主要因素有腔底溫度、溫度計校準、溫度計穩(wěn)定性、電阻、熱電勢測量、冰點、底部熱交換、溫度不均勻性、溫度控制和有效發(fā)射率等。各個影響不確定度的分量轉(zhuǎn)換成為溫度量，見表2。

表2 銫、鈉熱管不確定度評定℃

由表2可以發(fā)現(xiàn)，空腔發(fā)射率對不確定度影響較大，空腔發(fā)射率通過蒙特卡羅模擬軟件steep3計算可得。銫熱管在300℃和550℃時的不確定度分別為0.09℃和0.10℃；鈉熱管在550℃和950℃時的不確定度分別為0.12℃和0.13℃。

5 結(jié) 論

介紹了中國計量科學研究院研制的270～600℃銫熱管黑體源和500～1 000℃鈉熱管黑體源系統(tǒng)及其性能。通過調(diào)整三段控溫匹配，優(yōu)化了管式爐的軸向溫場均勻性，實驗表明在350 mm范圍內(nèi)管式爐550℃和600℃溫場均勻性分別為1.3℃和0.9℃。為了驗證黑體空腔性能，分別測量了黑體空腔溫度穩(wěn)定性、軸向均勻性、空腔開口溫度均勻性和熱管測溫孔溫度均勻性。實驗結(jié)果表明10 min內(nèi)，銫熱管550℃和鈉熱管950℃溫度穩(wěn)定性分別為0.012℃和0.009℃。由熱管空腔底至空腔開口處350 mm范圍內(nèi)，銫熱管在300℃、400℃和550℃軸向均勻性分別為1.39℃、0.47℃和0.16℃；鈉熱管在550℃、700℃和950℃軸向均勻性分別為0.14℃、0.14℃和0.23℃。當銫熱管在550℃和鈉熱管在960℃，其空腔開口溫度均勻性分別為0.029℃和0.017℃。在熱管測溫孔底至向外50 mm范圍內(nèi)，當銫熱管在550℃和鈉熱管在950℃時，測溫孔溫度均勻性分別為0.081℃和0.014℃。銫、鈉熱管標準黑體輻射源在整個溫度區(qū)域內(nèi)不確定度（k＝2）為0.09～0.13℃。該溫區(qū)黑體輻射源溯源系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)了輻射測溫用黑體輻射源的多波長亮度溫度溯源，為黑體輻射源亮度溫度和標準輻射溫度計校準提供重要的研究基礎(chǔ)。

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Development and Characterization of Cesium，Sodium Heat Pipe Standard Blackbody Radiation Sources

HUANG Shen-yan1，2， HAO Xiao-peng2， WANG Jing-hui2，3， YUAN Zun-dong2， WU Jian-ping1
（1.College of Applied Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China； 2.Division of Thermophysics and Process Measurements，National Institute of Metrology，Beijing 100013，China； 3.Key Laboratory of Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The development and characterization of cesium，sodium heat pipe blackbodies270～1 000℃at National Institute of Metrology is described.It includes cesium heat pipe blackbody source 270～600℃，sodium heat pipe blackbody source500～1 000℃，standard thermometer device and data acquisition system.The cesium，sodium heat pipe performance is tested，including temperature uniformity of the three-zone furnace，temperature stability of the blackbody，axial temperature uniform ity of the blackbody cavity，temperature uniformity of the blackbody cavity aperture，temperature uniformity of the heat pipe thermometerwelland so on.The combined standard uncertainty is0.09～0.13℃（k＝2）in the temperature region from 270～1 000℃.

Metrology；Blackbody radiation；Heat pipe；Uniform ity；Stability；Uncertainty

TB942

A

1000-1158（2014）02-0120-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．05

2013-10-29；

2013-11-25

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項項目（200910106）

黃燊彥（1989－），男，江蘇省江陰人，成都理工大學研究生，主要研究方向為輻射測溫。hsyzcywan＠163.com