浴式黑體輻射源校準(zhǔn)方法研究

董磊，蔡靜，孟蘇

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

浴式黑體輻射源校準(zhǔn)方法研究

董磊，蔡靜，孟蘇

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

介紹了幾種典型的浴式黑體輻射源，并詳細(xì)說明了校準(zhǔn)方法。校準(zhǔn)過程包括恒溫槽內(nèi)工作區(qū)域劃定、介質(zhì)溫度測量、黑體腔有效發(fā)射率評估、輻射溫度有效發(fā)射率修正等步驟。最終給出了浴式黑體輻射源的校準(zhǔn)結(jié)果，并進(jìn)行了不確定度評定。

校準(zhǔn);浴式黑體輻射源;恒溫槽;標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì);黑體腔;有效發(fā)射率;輻射溫度計(jì)

0 引言

在溫度計(jì)量領(lǐng)域，浴式黑體輻射源主要用于－50～300℃溫度范圍內(nèi)的輻射溫度計(jì)以及測量人體溫度的紅外溫度計(jì)的檢定和校準(zhǔn)。由于紅外溫度計(jì)及高精度輻射溫度計(jì)的檢定對黑體輻射源準(zhǔn)確度等級要求高，一般的工作黑體輻射源難以達(dá)到要求，因此通常采用浴式黑體輻射源。

浴式黑體輻射源的校準(zhǔn)方法與工作黑體輻射源不同，通常以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行溫度標(biāo)定，并且經(jīng)過黑體輻射源有效發(fā)射率評估，計(jì)入輻射溫度發(fā)射率修正值后實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。本文將介紹幾種典型的浴式黑體輻射源，并將詳細(xì)說明其校準(zhǔn)方法。

1 浴式黑體輻射源分類與原理

浴式黑體輻射源是一種由恒溫槽和黑體腔組成的黑體輻射源，根據(jù)恒溫槽內(nèi)工作介質(zhì)的不同，可以分為水浴黑體輻射源、酒精浴黑體輻射源、油浴黑體輻射源，溫度范圍分別為5～90℃，－50～20℃，50～300℃，其中最常見的是水浴黑體輻射源和酒精浴黑體輻射源，油浴黑體輻射源近年來的應(yīng)用逐漸減少。

浴式黑體輻射源一般在恒溫槽的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，經(jīng)加裝黑體腔后制成，可以分為臥式或立式［1］。通常用于溫度計(jì)檢定的通用恒溫槽，其工作區(qū)域的開口向上，便于溫度計(jì)的垂直安裝，可以將黑體腔豎直放入恒溫槽內(nèi)制成立式浴式黑體輻射源，其結(jié)構(gòu)原理圖見圖1。立浴式黑體輻射源適于手持式輻射溫度計(jì)的檢定，包括測量人體溫度的紅外溫度計(jì)。但是，大部分高精度輻射溫度計(jì)一般采用水平安裝來進(jìn)行測量，因此在恒溫槽側(cè)壁開口，將黑體腔水平置入恒溫槽內(nèi)制成臥浴式黑體輻射源，顯然是更適合這些輻射溫度計(jì)的瞄準(zhǔn)與測量，其結(jié)構(gòu)原理圖見圖2。

圖1 立浴式黑體輻射源結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 臥浴式黑體輻射源結(jié)構(gòu)原理圖

2 浴式黑體輻射源校準(zhǔn)方法

CR－WBB－100型浴式黑體輻射源是一種典型的臥式水浴黑體輻射源，如圖3所示。以此為例，我們對浴式黑體輻射源的校準(zhǔn)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖3 CR－WBB－100浴式黑體輻射源

CR－WBB－100型浴式黑體輻射源的技術(shù)指標(biāo)為:溫度范圍5～90℃，黑體腔口徑100 mm，計(jì)算法向有效發(fā)射率0.9993±0.0003，對應(yīng)波長范圍8～14μm。

在實(shí)際校準(zhǔn)過程中，我們先參照J(rèn)JF 1030－2010《恒溫槽技術(shù)性能測試規(guī)范》(以下稱《規(guī)范》)劃定工作區(qū)域，采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測試恒溫槽內(nèi)介質(zhì)的溫度穩(wěn)定性和溫度均勻性，并確定介質(zhì)溫度;然后采用表面溫度計(jì)測量黑體腔壁面的軸向溫度梯度，并利用STEEP321軟件計(jì)算黑體腔的有效發(fā)射率;最后給出經(jīng)過發(fā)射率修正的輻射溫度作為校準(zhǔn)結(jié)果，并給出測量不確定度。

2.1 恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度穩(wěn)定性

如圖4所示劃定工作區(qū)域，浴式黑體輻射源的工作區(qū)域指包含黑體腔的長方體區(qū)域，其中該區(qū)域的上水平面應(yīng)與液面保持一定距離，保證標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的沒入深度。由于黑體腔在恒溫槽的一側(cè)開口，實(shí)際上該工作區(qū)域并未完全涵蓋黑體腔整個軸向長度。

圖4 CR－WBB－100浴式黑體輻射源工作區(qū)域示意圖

依據(jù)《規(guī)范》，將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)1插入工作區(qū)域1/2深度位置，即為圖4所示的O點(diǎn)，為了避開黑體腔，O點(diǎn)并不是工作區(qū)域的幾何中心。待恒溫槽在某溫度點(diǎn)溫度穩(wěn)定10 min后，以每分鐘至少6次的均勻間隔讀取示值，10 min共計(jì)讀取60個示值，取最大值與最小值的差，即為浴式黑體輻射源恒溫槽在該溫度點(diǎn)相應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的波動性。

2.2 恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度均勻性

依據(jù)《規(guī)范》，將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)1作為固定溫度計(jì)插入O點(diǎn)位置，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)2作為移動溫度計(jì)，依次插入到工作區(qū)域上水平面A，B，C，D位置處，按一定順序讀取固定溫度計(jì)和移動溫度計(jì)的示值，共讀取4組示值，移動溫度計(jì)示值平均值與固定溫度計(jì)示值平均值之差為該點(diǎn)相對于O點(diǎn)的溫度示值差，同理測出下水平面E，F(xiàn)，G，H位置處相對于O點(diǎn)的溫度示值差。

從上水平面四點(diǎn)相對于O點(diǎn)的溫度示值差中找出最大值和最小值，最大值減去最小值的差即為工作區(qū)域上水平面的最大溫差，同理，從下水平面四點(diǎn)相對于O點(diǎn)的溫度示值差中找出最大值和最小值，最大值減去最小值的差即為工作區(qū)域下水平面的最大溫差。從所有八點(diǎn)相對于O點(diǎn)的溫度示值差中找出最大值和最小值，最大值減去最小值的差即為工作區(qū)域的最大溫差。

2.3 恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度

以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)1在O點(diǎn)處測得的溫度示值為浴式黑體輻射源恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度，將恒溫槽穩(wěn)定性測試過程中測量所得的60個示值取平均值即為介質(zhì)溫度，此組測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為重復(fù)性。

2.4 黑體腔壁面軸向溫度梯度

圖5所示為CR－WBB－100浴式黑體輻射源黑體腔幾何形狀，使用表面溫度計(jì)依次測量黑體腔內(nèi)間隔為l的各點(diǎn)a，b，c，d，e，f的表面溫度，得到浴式黑體輻射源黑體腔壁面的軸向溫度梯度。

圖5 黑體腔幾何形狀草圖

2.5 浴式黑體輻射源有效發(fā)射率

利用浴式黑體輻射源黑體腔的幾何形狀、表面涂層發(fā)射率、壁面軸向溫度梯度等參數(shù)，通過STEEP321軟件計(jì)算得到浴式黑體輻射源有效發(fā)射率的評估值。

2.6 浴式黑體輻射源輻射溫度

如果浴式黑體輻射源的有效發(fā)射率為1，浴式黑體輻射源恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度可以看作浴式黑體輻射源的輻射溫度，兩者溫度值沒有差別。

但是，在用輻射溫度計(jì)測量黑體輻射源溫度的過程中，輻射溫度計(jì)發(fā)射率默認(rèn)設(shè)置為1，認(rèn)為黑體輻射源的有效發(fā)射率為1，而實(shí)際有效發(fā)射率肯定不為1，這里就會因?yàn)橛行Оl(fā)射率不為1引入輻射溫度測量的修正值，黑體輻射源的有效發(fā)射率越接近1，引入的輻射溫度發(fā)射率修正值就越小。

浴式黑體輻射源輻射溫度應(yīng)為恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度加上輻射溫度發(fā)射率修正值。

3 浴式黑體輻射源校準(zhǔn)結(jié)果

采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測量恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度及其穩(wěn)定性和均勻性的結(jié)果如表1所示;采用表面溫度計(jì)測量黑體腔壁面的軸向溫度梯度的結(jié)果如表2所示;利用STEEP321軟件計(jì)算黑體腔的有效發(fā)射率，計(jì)算參數(shù)表如表3所示;輻射溫度發(fā)射率修正值及其變化區(qū)間的半寬度經(jīng)如表4所示。

表1 恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度及其穩(wěn)定性、均勻性

表2 浴式黑體輻射源黑體腔軸向溫度梯度 ℃

表3 浴式黑體輻射源黑體腔有效發(fā)射率計(jì)算參數(shù)表

表4 輻射溫度發(fā)射率修正值及其變化區(qū)間的半寬 ℃

采用STEEP321進(jìn)行計(jì)算，浴式黑體輻射源黑體腔作為等溫腔，法向有效發(fā)射率為0.9993(3)，浴式黑體輻射源黑體腔作為不等溫腔，在波長范圍8～14 μm內(nèi)法向有效發(fā)射率為0.9993(3)，實(shí)際按不等溫腔的有效發(fā)射率給出輻射溫度的發(fā)射率修正值。利用普朗克定律可以計(jì)算得出計(jì)入環(huán)境輻射的發(fā)射率修正值。

4 校準(zhǔn)結(jié)果及不確定度評定

4.1 數(shù)學(xué)模型

式中:Tr為浴式黑體輻射源輻射溫度;Tm為浴式黑體輻射源恒溫槽介質(zhì)溫度;ΔTe為浴式黑體輻射源輻射溫度發(fā)射率修正值。

4.2 不確定度來源

式中:u1為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測量浴式黑體輻射源恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，為A類不確定度;u2為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)兩次檢定周期間穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，為B類不確定度; u3為測溫儀溫度準(zhǔn)確度(長期)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，為B類不確定度;u4為浴式黑體輻射源恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，為B類不確定度; u5為浴式黑體輻射源恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，為B類不確定度;u6為輻射溫度發(fā)射率修正值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(包含環(huán)境輻射、波段范圍的影響)，為B類不確定度。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評定

利用貝塞爾公式計(jì)算重復(fù)性:

4.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評定

1)u2來源于二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)兩次檢定周期間穩(wěn)定性，按標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)檢定規(guī)程，其相鄰周期檢定結(jié)果的差值為10 mK，則變化區(qū)間半寬估計(jì)為0.010℃，按均勻分布，包含因子k =

2)u3來源于測溫儀1529溫度準(zhǔn)確度(長期)，按儀器說明書，取較大值，則變化區(qū)間半寬估計(jì)為0.009℃，按均勻分布，包含因子k =

3)u4來源于浴式黑體輻射源恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度均勻性，參見表1，考慮到測量當(dāng)中的不確定度，溫度點(diǎn)5.00，20.00，80.00，90.00℃，溫度均勻性變化區(qū)間半寬估計(jì)分別為0.009，0.007，0.007，0.007℃，按均勻分布，包含因子k =

4)u5來源于浴式黑體輻射源恒溫槽內(nèi)介質(zhì)溫度穩(wěn)定性，參見表1，考慮到測量當(dāng)中的不確定度，溫度點(diǎn)5.00，20.00，80.00，90.00℃，溫度波動性變化區(qū)間半寬估計(jì)分別為0.010，0.010，0.010，0.009℃，按均勻分布，包含因子k =。

5)u6來源于輻射溫度發(fā)射率修正值，變化區(qū)間半寬參見表4，按均勻分布，包含因子k =

4.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

浴式黑體輻射源輻射溫度校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量及合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度見表5。

表5 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量及合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.6 校準(zhǔn)結(jié)果及擴(kuò)展不確定度

校準(zhǔn)的結(jié)果及其擴(kuò)展不確定度見表6。表6中輻射溫度已進(jìn)行了發(fā)射率修正，并考慮了環(huán)境輻射及波段的影響，環(huán)境溫度范圍為18～28℃，波長范圍為8～14μm。浴式黑體輻射源有效發(fā)射率評估值為0.9993 (3)。

表6 浴式黑體輻射源校準(zhǔn)結(jié)果 ℃

5 結(jié)束語

采用上述的校準(zhǔn)方法可以對其它類型的浴式黑體輻射源進(jìn)行校準(zhǔn)，如立式酒精浴黑體輻射源、立式水浴黑體輻射源、臥式酒精浴黑體輻射源等。

在通用恒溫槽上加裝黑體腔后制成的CR－ABB－80V型浴式黑體輻射源，就是一種典型的立式酒精浴黑體輻射源;美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的第三代浴式黑體輻射源［2］是一種典型的臥式水浴黑體輻射源;歐盟標(biāo)準(zhǔn)《BSEN 12470－5－2003 Clinical Thermometers－Part 5 Performance Of Infra－red Ear Thermometers(with Maximum Device)》中，提到了一種用于紅外耳溫計(jì)檢定的浴式黑體輻射源，也是一種典型的立式水浴黑體輻射源，這里需要指出，由于歐標(biāo)浴式黑體輻射源黑體腔的幾何形狀非軸對稱，黑體腔的底部為斜面，我們參考Alexander V Prokhorov等人的計(jì)算結(jié)果［3］，按不等溫腔給出了有效發(fā)射率的評估值。

浴式黑體輻射源校準(zhǔn)方法研究中，最重要的兩個方面是恒溫槽性能測試和黑體腔有效發(fā)射率評估。目前，恒溫槽已是市面上成熟的產(chǎn)品，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能夠滿足制作高精度的浴式黑體輻射源，并且在相關(guān)技術(shù)規(guī)范的支撐下，恒溫槽性能測試方面已無障礙。在黑體腔有效發(fā)射率評估方面，已有成熟的計(jì)算方法，并有大量的相關(guān)技術(shù)文章可做參考，另外，制作有效發(fā)射率大于0.999的黑體腔也不再是技術(shù)難題。因此，本文所述的浴式黑體輻射源校準(zhǔn)方法，在業(yè)已成熟的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上是切實(shí)可行的，可以滿足相應(yīng)儀器設(shè)備的校準(zhǔn)要求。

［1］國防科工委科技與質(zhì)量司.熱學(xué)計(jì)量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］Joel B Fowler.A Third Generation Water Bath Based Blackbody Source［J］.Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology，1995，100(5):591－599.

［3］Alexander V Prokhorov，Leonard M Hanssen.Effective Emissivity of A Cylindrical Cavity with An Inclined Bottom:II.Non－isothermal Cavity［J］.Metrologia，2010，47: 33－46.

Research on Calibration M ethods of Bath Blackbody Source

DONG Lei，CAI Jing，MENG Su
(Changcheng Institute of Metrology＆Measurement，Beijing 100095，China)

This paper introduces several typicalbath blackbody sources and gives detailed descriptions of calibrationmethods.The procedure of the calibration includes definition of the working area in temperature－controlled bath，temperaturemeasurement of themedium，evaluation of effective emissivity of the blackbody cavity and radiation temperature correction for the effective emissivity.At last，this paper presents the calibration results of the bath blackbody sources and assesses the uncertainty.

calibration;bath blackbody source;temperature－controlled bath;standard platinum resistance thermometer;blackbody cavity;effective emissivity;radiation thermometer

TB942

A

1674－5795(2015)01－0033－05

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.08

2014－10－08

國家“十二五”技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(J052012B002)

董磊(1981－)，男，工程師，從事輻射溫度、輻射熱流測量及校準(zhǔn)研究工作。