紅外熱像儀測溫精度校準(zhǔn)裝置的建立及校準(zhǔn)能力驗(yàn)證

史三省，何志強(qiáng)，張欲曉

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紅外熱像儀測溫精度校準(zhǔn)裝置的建立及校準(zhǔn)能力驗(yàn)證

史三省，何志強(qiáng)，張欲曉

（國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052）

紅外熱像儀廣泛應(yīng)用于質(zhì)量控制、安全檢測等領(lǐng)域，為保證其測溫的準(zhǔn)確可靠，建立了紅外熱像儀測溫精度校準(zhǔn)裝置，并對該校準(zhǔn)裝置進(jìn)行了重復(fù)性試驗(yàn)、穩(wěn)定性考核以及測量不確定度評定，通過采用傳遞比較法驗(yàn)證了該校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)結(jié)果的可信度和測量不確定度的合理性，從而驗(yàn)證了該校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)能力，即可以開展相應(yīng)等級的紅外熱像儀的測溫精度校準(zhǔn)工作。

紅外熱像儀；校準(zhǔn)裝置；校準(zhǔn)能力驗(yàn)證；重復(fù)性試驗(yàn)；穩(wěn)定性考核；測量不確定度評定

0 引言

由于紅外熱像儀在準(zhǔn)確判斷設(shè)備故障、有效降低維修費(fèi)用和保障安全可靠供電方面有著立竿見影的功效，所以它在電力行業(yè)得到了很廣泛的應(yīng)用。除此之外，紅外熱像儀還廣泛應(yīng)用于質(zhì)量控制、安全檢測等涉及產(chǎn)品質(zhì)量和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的領(lǐng)域。為保證紅外測溫的準(zhǔn)確可靠，應(yīng)對紅外熱像儀測溫精度進(jìn)行定期校準(zhǔn)，為此需要依據(jù)JJF 1033-2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》和JJF 1187-2008《熱像儀校準(zhǔn)規(guī)范》建立紅外熱像儀測溫精度校準(zhǔn)裝置。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于紅外熱像儀測溫問題的研究，多是關(guān)注于環(huán)境溫度、距離、目標(biāo)表面發(fā)射率、視場角等對紅外熱像儀測溫精度的影響以及如何提高紅外熱像儀測溫精度等方面，而對于紅外熱像儀測溫精度的校準(zhǔn)方法，和怎樣建立校準(zhǔn)裝置以及如何對建立起的校準(zhǔn)裝置進(jìn)行能力驗(yàn)證則很少有人研究[1-5]。

本文介紹了本單位所建紅外熱像儀測溫精度校準(zhǔn)裝置的組成及工作原理，并對該校準(zhǔn)裝置進(jìn)行了重復(fù)性試驗(yàn)、穩(wěn)定性考核以及測量不確定度評定，通過采用傳遞比較法驗(yàn)證了校準(zhǔn)結(jié)果的可信度和測量不確定度的合理性，從而驗(yàn)證了該校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)能力。本文為此類校準(zhǔn)裝置的建立及校準(zhǔn)能力驗(yàn)證提供了方法，具有一定的參考價(jià)值。

1 校準(zhǔn)裝置的組成及工作原理

1.1 校準(zhǔn)裝置的組成

該校準(zhǔn)裝置由兩臺黑體輻射源組成，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)器的主要技術(shù)參數(shù)

該校準(zhǔn)裝置適用于校準(zhǔn)最大允許誤差為±1℃或±1%×測量值（℃）（取絕對值大者）及以下的紅外熱像儀。其主要技術(shù)指標(biāo)為：

1）測量范圍：－20℃～1000℃。

2）最大允許誤差：－20℃～100℃時(shí)，±0.2℃；100℃～1000℃時(shí)，±0.25%×測量值（℃）。

1.2 校準(zhǔn)裝置的工作原理

紅外熱像儀測溫精度校準(zhǔn)采用直接測量法。

1.2.1 示值誤差校準(zhǔn)

示值誤差是指紅外熱像儀的溫度測量值與被測黑體輻射源的溫度標(biāo)準(zhǔn)值之間的差[6]。校準(zhǔn)時(shí)將黑體輻射源設(shè)置為紅外熱像儀測量范圍內(nèi)的若干個(gè)溫度值，將紅外熱像儀發(fā)射率設(shè)置為與黑體輻射源發(fā)射率相同。在測量距離為2～3m的情況下，調(diào)節(jié)紅外熱像儀使其沿黑體輻射源的軸向方向瞄準(zhǔn)被測黑體輻射源目標(biāo)中心，測取溫度值，記錄紅外熱像儀測量值與黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算示值誤差，應(yīng)滿足被校紅外熱像儀的最大允許誤差要求。校準(zhǔn)原理圖如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)原理圖

1.2.2 測溫一致性校準(zhǔn)

測溫一致性是指在紅外熱像儀視場內(nèi)不同區(qū)域溫度測量結(jié)果的一致性[6]。校準(zhǔn)時(shí)將黑體輻射源溫度設(shè)置為100℃，將紅外熱像儀的成像畫面等分為9個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域的中心點(diǎn)按照校準(zhǔn)示值誤差的方法進(jìn)行測溫，計(jì)算各點(diǎn)之間的溫差，應(yīng)滿足被校紅外熱像儀的最大允許誤差要求。

2 校準(zhǔn)裝置的重復(fù)性試驗(yàn)

校準(zhǔn)裝置的重復(fù)性是指在相同測量條件下（即相同測量程序、相同觀測者、在相同的條件下使用相同的測量儀器、相同的地點(diǎn)、在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)測量），對同一被測量進(jìn)行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性[7]。通常用觀測值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差來表示，即：

在滿足上述前提下，選定一臺性能穩(wěn)定的、最大允許誤差為±2℃或±2%×測量值（℃）（取絕對值大者）的P30型紅外熱像儀，對黑體輻射源的200℃點(diǎn)進(jìn)行10次重復(fù)性測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

將數(shù)據(jù)代入公式(1)，經(jīng)計(jì)算得出：()＝0.12℃。校準(zhǔn)裝置的測量重復(fù)性滿足校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度的要求。

3 校準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性考核

校準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性是指校準(zhǔn)裝置保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力[7]。選定一臺性能穩(wěn)定的、最大允許誤差為±2℃或±2%×測量值（℃）（取絕對值大者）的P30型紅外熱像儀，每隔一個(gè)月在相同測量條件下，對黑體輻射源的200℃點(diǎn)進(jìn)行一組10次重復(fù)性測量，取其算術(shù)平均值作為該組的測量結(jié)果。共觀測4組，取4個(gè)測量結(jié)果中的最大值和最小值之差，作為該校準(zhǔn)裝置在該時(shí)間段內(nèi)的穩(wěn)定性。測量數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，校準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性為0.49℃，小于校準(zhǔn)裝置的最大允許誤差的絕對值，故校準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性考核合格。

4 校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度評定

使用M305型黑體輻射源對紅外熱像儀進(jìn)行校準(zhǔn)，在200℃點(diǎn)進(jìn)行不確定度的評定。

表3 穩(wěn)定性考核測量數(shù)據(jù)

4.1 數(shù)學(xué)模型及不確定度來源分析

紅外熱像儀示值誤差校準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型為：

Δt＝t－T(2)

式中：Δt為在第個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，被校紅外熱像儀的示值誤差，℃；t為在第個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，被校紅外熱像儀的示值，℃；T為在第個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，黑體輻射源的示值，℃。

對紅外熱像儀校準(zhǔn)結(jié)果不確定度有影響的量為被校紅外熱像儀的示值t和黑體輻射源的示值T，這兩個(gè)量彼此獨(dú)立，因此，其合成不確定度為[8]：

式中：(t)為輸入量t的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；(T)為輸入量T的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

4.2 測量不確定度評定

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

1）輸入量t的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(t)的評定

①紅外熱像儀測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量1

②紅外熱像儀示值分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量2

則輸入量t的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(t)為：

2）輸入量T的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(T)的評定

黑體輻射源在200℃點(diǎn)的最大允許誤差為±0.25%×200℃＝±0.5℃，按均勻分布考慮，則輸入量T的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(T)為：

4.2.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

由式(3)可得，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.2.3 擴(kuò)展不確定度的確定

在給出校準(zhǔn)結(jié)果時(shí)，應(yīng)報(bào)告擴(kuò)展不確定度，它由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子得到[8]，即：

＝×c

一般?。?，則＝0.6℃。

5 校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果的可信度和測量不確定度的合理性，采用傳遞比較法，即選定一臺穩(wěn)定性較好的紅外熱像儀作為被校對象，用本單位的校準(zhǔn)裝置對其進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將其送到中國計(jì)量科學(xué)研究院，用另一更高級校準(zhǔn)裝置對其進(jìn)行校準(zhǔn)。若本單位和中國計(jì)量科學(xué)研究院的校準(zhǔn)結(jié)果分別為和0，它們的擴(kuò)展不確定度分別為和0，則應(yīng)滿足[7, 9-10]：

表4為本單位和中國計(jì)量科學(xué)研究院分別校準(zhǔn)所得的結(jié)果。

由表4可知，驗(yàn)證結(jié)果滿足式(4)的要求，故校準(zhǔn)結(jié)果的可信度和測量不確定度的合理性得以驗(yàn)證。

表4 驗(yàn)證結(jié)果

6 結(jié)論

依據(jù)JJF 1033-2008《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》建立了紅外熱像儀測溫精度校準(zhǔn)裝置，并對其校準(zhǔn)能力進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，該校準(zhǔn)裝置的重復(fù)性滿足校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度的要求，穩(wěn)定性小于校準(zhǔn)裝置的最大允許誤差的絕對值，校準(zhǔn)結(jié)果和測量不確定度驗(yàn)證合格，符合JJF 1187-2008《熱像儀校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，可以開展測量范圍為－20℃～1000℃，最大允許誤差為±1℃或±1%×測量值（℃）（取絕對值大者）及以下的紅外熱像儀的測溫精度校準(zhǔn)工作。本文為此類校準(zhǔn)裝置的建立及校準(zhǔn)能力驗(yàn)證提供了方法，具有一定的參考價(jià)值。

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Building and Proficiency Testing of Calibration Device for Temperature Measurement Accuracy of Thermal Imager

SHI Sansheng，HE Zhiqiang，ZHANG Yuxiao

(,450052,)

Thermal imager is widely used in quality control, security detection and other fields. In order to ensure the accuracy and reliability of the temperature measurement, the calibration device for temperature measurement accuracy of thermal imager is built, and the repeatability test, stability assessment and measurement uncertainty evaluation of the calibration device are conducted. The reliability of calibration results and the rationality of measurement uncertainty are verified by using transfer comparison method, and thus the calibration capability of the calibration device is verified, which make it can be carried out the temperature measurement accuracy calibration of the appropriate level of thermal imager.

thermal imager，calibration device，calibration proficiency testing，repeatability test，stability assessment，measurement uncertainty evaluation

TN219

A

1001-8891(2016)05-0429-04

2015-12-30；

2016-02-22.

史三?。?983-），男，河南南陽人，工程師，國家一級注冊計(jì)量師，碩士，從事計(jì)量校準(zhǔn)及研究工作。E-mail：ssszzu@163.com。