影響輻射測(cè)溫用黑體輻射源應(yīng)用的因素分析

張嵐，蔡靜，路林鋒

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

隨著紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，開展紅外溫度計(jì)檢定和校準(zhǔn)的計(jì)量機(jī)構(gòu)迅速增加，檢定所用標(biāo)準(zhǔn)器具——輻射測(cè)溫用黑體輻射源（以下簡(jiǎn)稱黑體輻射源）種類繁多、性能差異很大，不同性能的黑體輻射源在相同測(cè)試條件下測(cè)試結(jié)果可能有很大的差異。依據(jù)黑體輻射源校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1552-2015《輻射測(cè)溫用-10℃～200℃黑體輻射源校準(zhǔn)規(guī)范》，JJG（軍工）162-2019《-50℃～1000℃輻射測(cè)溫用參考黑體輻射源檢定規(guī)程》，JJG（軍工）161-2019《800℃～3000℃輻射測(cè)溫用參考黑體輻射源檢定規(guī)程》，JJG（軍工）180-2019《-50℃～300℃輻射測(cè)溫用浴式參考黑體輻射源》及JJG 856-2015《工作用輻射溫度計(jì)》中對(duì)黑體輻射源的要求，結(jié)合市場(chǎng)上占有率比較高的黑體輻射源，分析影響其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，提出相應(yīng)的改善方法。

1 影響黑體輻射源應(yīng)用的因素介紹

目前，黑體輻射源的溯源方式主要包括［1］:①以接觸式溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)直接溯源，主要適用于恒溫槽式黑體輻射源和熱管式黑體輻射源；②以輻射溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)直接溯源，主要適用于高溫黑體輻射源；③以有效亮度溫度整體進(jìn)行溯源，主要適用于中溫參考黑體輻射源。針對(duì)三種溯源方式，影響黑體輻射源應(yīng)用的參數(shù)主要有:口徑、有效亮度溫度、溫度均勻度、溫度波動(dòng)度、有效發(fā)射率、測(cè)點(diǎn)溫差以及控溫復(fù)現(xiàn)性。

其中，有效亮度溫度、溫度均勻度和溫度波動(dòng)度，在黑體輻射源檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范上均有明確的測(cè)量方法，在輻射溫度計(jì)檢定規(guī)程JJG 856-2015中對(duì)其技術(shù)指標(biāo)也給出了明確的規(guī)定［2-5］。因此，本文主要對(duì)口徑、有效發(fā)射率、測(cè)點(diǎn)溫差以及控溫復(fù)現(xiàn)性的影響進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2 影響因素分析

2.1 黑體輻射源的口徑

依據(jù)檢定規(guī)程JJG 856-2015中的要求，選用黑體輻射源的直徑一般應(yīng)不小于被檢輻射溫度計(jì)視場(chǎng)直徑的1.4倍或1.7倍［5］。直徑較小會(huì)限制黑體輻射源的實(shí)際應(yīng)用能力，而直徑過(guò)大會(huì)影響溫度均勻性、有效發(fā)射率等指標(biāo)。

對(duì)市場(chǎng)上已有的大部分輻射溫度計(jì)視場(chǎng)進(jìn)行分析，具體可參見(jiàn)表1。由表可以得出:當(dāng)D∶S小于20∶1時(shí)，采用腔式黑體輻射源不能滿足視場(chǎng)的要求，需要使用大口徑150 mm的面輻射源進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)D∶S在20∶1和60∶1之間時(shí)，測(cè)溫儀溫度范圍在1600℃以內(nèi)，要滿足較大多數(shù)測(cè)溫儀的視場(chǎng)要求，推薦口徑為60 mm（50～600℃）和40mm（300～1600℃）的腔式黑體輻射源。當(dāng)D∶S不小于75∶1時(shí)，測(cè)溫儀溫度范圍大于1000℃，要滿足較大多數(shù)測(cè)溫儀的視場(chǎng)要求，推薦口徑為40 mm（600～1600℃）和25 mm（800～3000℃）的腔式黑體輻射源。

表1 輻射溫度計(jì)視場(chǎng)分析表

2.2 黑體輻射源的有效發(fā)射率［6-7］

黑體輻射源的有效發(fā)射率是最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，但目前還沒(méi)有明確的測(cè)試方法可以對(duì)任意形狀和性能的黑體輻射源的有效發(fā)射率進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。

對(duì)于以接觸式溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)直接溯源的恒溫槽式黑體輻射源或熱管式黑體輻射源而言，其溫場(chǎng)均勻性比較好，且具有明確的空腔形狀設(shè)計(jì)，內(nèi)部噴涂已知發(fā)射率的高發(fā)射率涂層，可采用等溫腔模型依據(jù)Monte-carlo法進(jìn)行有效發(fā)射率的計(jì)算。對(duì)于其他的腔式黑體輻射源，可使用多種方法對(duì)黑體輻射源的理論有效發(fā)射率進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。下面以同一臺(tái)黑體輻射源HW112為例，介紹兩種常用方法對(duì)有效發(fā)射率進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。

1）理論計(jì)算分析

根據(jù)黑體輻射源空腔的形狀、軸向溫度分布、黑體空腔表面材料光譜發(fā)射率的實(shí)測(cè)值，依據(jù)Montecarlo法進(jìn)行有效發(fā)射率的計(jì)算。采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶傳感器對(duì)黑體腔軸向溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試步驟為:在黑體輻射源黑體腔內(nèi)放入兩根標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶（加陶瓷套管），待溫度穩(wěn)定之后，記錄兩根標(biāo)準(zhǔn)偶的溫度；移動(dòng)一根標(biāo)準(zhǔn)偶，分別至距離靶底位置0，2，3，4，5，8，10 cm處，溫度穩(wěn)定后，記錄兩根標(biāo)準(zhǔn)偶溫度，計(jì)算得出軸向溫度分布場(chǎng)。以600℃和1000℃測(cè)量結(jié)果為例，將測(cè)試數(shù)據(jù)代入STEEP軟件，采用Monte-carlo法進(jìn)行有效發(fā)射率計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 黑體輻射源有效發(fā)射率計(jì)算結(jié)果

由圖1可得，通過(guò)軸向溫度場(chǎng)進(jìn)行理論計(jì)算得出:600℃時(shí)有效發(fā)射率約為0.9983；1000℃時(shí)有效發(fā)射率約為0.9987。

2）不同波長(zhǎng)下有效亮度溫度校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證

由于黑體輻射源有效發(fā)射率不等于1，相同溫度下，不同波長(zhǎng)的亮度溫度存在一定的差異，因此可采用不同波長(zhǎng)下有效亮度溫度校準(zhǔn)結(jié)果的差異對(duì)其有效發(fā)射率進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)有效發(fā)射率ε=0.995和0.998時(shí)，采用普朗克定律計(jì)算，不同波段下亮度溫度的誤差值見(jiàn)表2和表3。

對(duì)同一臺(tái)黑體輻射源，在600℃和1000℃時(shí)分別用傳遞用輻射溫度計(jì) TRT2（波段為 3.9μm）和TRT4.82（波段為8～14μm）對(duì)黑體輻射源進(jìn)行測(cè)試［8］，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4所示。其中實(shí)測(cè)差值為輻射溫度計(jì)TRT2與TRT4.82測(cè)量結(jié)果之差；ε=0.995理論差值為有效發(fā)射率0.995時(shí)，相同溫度下3.9μm與8～14μm亮度溫度差值，可參照表2計(jì)算得出；ε=0.998理論差值為有效發(fā)射率0.998時(shí)，相同溫度下3.9μm與8～14μm亮度溫度差值，可參照表3計(jì)算得出。根據(jù)表4可看出，600℃和1000℃時(shí)，有效發(fā)射率均位于0.995與0.998之間。

表2 ε=0.995時(shí)亮度溫度誤差 ℃

表3 ε=0.998時(shí)亮度溫度誤差 ℃

表4 黑體輻射源亮度溫度測(cè)試結(jié)果 ℃

根據(jù)圖1和表4可以看出，采用理論計(jì)算分析方法與采用多波長(zhǎng)有效亮度溫度校準(zhǔn)結(jié)果推算兩種方法得出的有效發(fā)射率存在一定的差異，分析原因主要是:理論計(jì)算分析方法中，使用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量軸向溫度有一定的測(cè)量誤差，靶底溫度存在鼓肚現(xiàn)象，造成有效發(fā)射率偏高；多波長(zhǎng)有效亮度溫度校準(zhǔn)結(jié)果推算方法中，兩臺(tái)輻射溫度計(jì)固有誤差的不確定度較大，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定影響。

2.3 黑體輻射源的測(cè)點(diǎn)溫差

黑體輻射源的測(cè)點(diǎn)溫差是指由于黑體輻射源的溫度不均勻性引起的黑體空腔底部的輻射面中心溫度與確定控溫表溫度的溫度計(jì)（或者是直接作為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)溫溫度計(jì)）的測(cè)點(diǎn)之間的溫度差。該因素主要對(duì)以接觸式溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器類的黑體輻射源產(chǎn)生影響。對(duì)于以輻射溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器和以有效亮度溫度整體溯源的黑體輻射源，則消除了測(cè)點(diǎn)溫差造成的影響。

對(duì)于使用接觸式溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器的恒溫槽式黑體輻射源和熱管式黑體輻射源，溫度均勻性好，可將其測(cè)溫區(qū)域近似為等溫區(qū)，即空腔底部輻射面溫度與接觸式溫度計(jì)測(cè)得的溫度溫差小，測(cè)點(diǎn)溫差的影響可忽略不計(jì)。

由于影響因素較多，測(cè)點(diǎn)溫差不易準(zhǔn)確測(cè)量，因此除均勻性較好的恒溫槽式黑體輻射源和熱管式黑體輻射源以外，其他不等溫腔黑體輻射源不建議使用接觸式溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行溯源，以消除測(cè)點(diǎn)溫差的影響。

2.4 黑體輻射源的控溫復(fù)現(xiàn)性

黑體輻射源的控溫復(fù)現(xiàn)性是指當(dāng)黑體輻射源控溫儀表設(shè)置相同溫度，多次升降溫并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，黑體輻射源亮度溫度的復(fù)現(xiàn)性。

對(duì)于以輻射溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器的黑體輻射源，能夠消除控溫復(fù)現(xiàn)性造成的影響。對(duì)于接觸溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器和以有效亮度溫度整體溯源的黑體輻射源，無(wú)法消除控溫復(fù)現(xiàn)性的影響，使用過(guò)程中需要對(duì)該參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

以黑體輻射源HW1012為例進(jìn)行說(shuō)明，在600℃和1000℃使用穩(wěn)定性較好的輻射溫度計(jì)（TRT2）驗(yàn)證其控溫復(fù)現(xiàn)性，具體方法為短時(shí)間內(nèi)對(duì)黑體輻射源進(jìn)行10次升降溫測(cè)試，待溫度穩(wěn)定之后分別記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以未加修正的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行控溫復(fù)現(xiàn)性的分析。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 控溫復(fù)現(xiàn)性測(cè)試結(jié)果

由圖2可得出，該黑體輻射源在600℃和1000℃時(shí)，10次測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)分別為0.2℃和0.3℃，約為0.3‰左右，在使用過(guò)程中可忽略該部分的影響。以接觸溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器和以有效亮度溫度整體溯源的黑體輻射源，如何保證較好的控溫復(fù)現(xiàn)性，可從以下幾個(gè)方面考慮:

1）采用性能較好的控溫溫度計(jì)。例如選用經(jīng)檢定合格的精密鉑電阻，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或者高精度輻射溫度計(jì)作為控溫傳感器，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行考察。

2）控溫溫度計(jì)與測(cè)溫孔的熱接觸特性以及相對(duì)位置關(guān)系。例如控溫傳感器的測(cè)溫孔可設(shè)計(jì)一定的長(zhǎng)徑比，并使其底部形狀與控溫傳感器吻合，以保障傳熱性能。

3）升降溫時(shí)的熱脹冷縮效應(yīng)，震動(dòng)或運(yùn)輸導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)的變化；尤其是控溫傳感器位置的變化，將大大影響控溫復(fù)現(xiàn)性。

3 結(jié)論

以某黑體輻射源HW112為例，分別對(duì)口徑、有效發(fā)射率、測(cè)點(diǎn)溫差以及控溫復(fù)現(xiàn)性等影響因素進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的驗(yàn)證方法和改進(jìn)建議。對(duì)于以接觸式溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)直接溯源的恒溫槽式黑體輻射源或熱管式黑體輻射源，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均較好，關(guān)鍵因素對(duì)其影響較??；以標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)直接溯源的黑體輻射源，非相同/相近波段量傳時(shí)需考慮有效發(fā)射率的影響，可通過(guò)上述介紹的理論計(jì)算分析與多波長(zhǎng)有效亮度溫度校準(zhǔn)結(jié)果推算兩種方法對(duì)有效發(fā)射率進(jìn)行驗(yàn)證；以有效亮度溫度整體進(jìn)行溯源的黑體輻射源、有效發(fā)射率和控溫復(fù)現(xiàn)性對(duì)其結(jié)果影響較大。

經(jīng)分析，三種溯源方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)黑體輻射源的具體性能結(jié)合使用者的要求，選擇合適的溯源方式，為廣大計(jì)量用戶在進(jìn)行黑體輻射源選型與性能分析方面提供了可靠地技術(shù)支撐與建議。