高溫輻射校準(zhǔn)方法溫度計(jì)

根據(jù)輻射溫度測(cè)量的基本原理，提出了一種新的高溫輻射溫度計(jì)校準(zhǔn)方法。激光輻射源利用黑體輻射能量與溫度的確定關(guān)系，模擬發(fā)射黑體在某一溫度和某一波段的輻射能量，即激光輻射源代替?zhèn)鹘y(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程中的黑體爐作為校準(zhǔn)輻射的輻射源溫度計(jì)，從理論上解決了黑體爐無(wú)法校準(zhǔn)3 200℃以上高溫輻射溫度計(jì)的問(wèn)題。給出了激光輻射源校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)方案和校準(zhǔn)方法，并對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評(píng)定。

導(dǎo)言

對(duì)于輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證，通常采用比較方法，即通過(guò)高度穩(wěn)定的輻射源(通常是黑體輻射源)和其他支持設(shè)備，將標(biāo)準(zhǔn)裝置再現(xiàn)的溫度與檢測(cè)到的輻射溫度計(jì)再現(xiàn)的溫度進(jìn)行比較，以判斷其是否合格或給出校準(zhǔn)結(jié)果。

在校準(zhǔn)和驗(yàn)證工作中，輻射源一般可在-6 ~ 1200℃(或1600℃)范圍內(nèi)使用，開(kāi)放式中低溫黑體爐，帶抽真空和惰性氣體保護(hù)的高溫黑體爐可在1200℃(或1600℃)至3200℃范圍內(nèi)使用。標(biāo)準(zhǔn)裝置分別為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶(二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì))和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)(光電)高溫計(jì)。

目前，國(guó)家檢定系統(tǒng)上還沒(méi)有相應(yīng)的3200℃以上部件的傳輸系統(tǒng)。但是，根據(jù)模型和任務(wù)的要求，一些單位開(kāi)發(fā)和使用了溫度測(cè)量上限超過(guò)3200℃的輻射溫度計(jì)。在這些溫度計(jì)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證過(guò)程中，輻射熱源作為標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試之間的比較介質(zhì)非常重要。其主要技術(shù)指標(biāo)是:溫度范圍、穩(wěn)定性和有效發(fā)射率。目前的黑體輻射源通常是黑體爐。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，由于制造加熱器和黑體空腔所用材料的耐溫性限制，其溫度范圍只能達(dá)到-60 ~ 3200℃，不能用于檢測(cè)溫度測(cè)量上限超過(guò)3200℃ 溫度計(jì)的輻射。

激光能量法是本文提出的一種新的標(biāo)定方法。根據(jù)這一原理，建立了相應(yīng)的激光輻射源校準(zhǔn)裝置，能夠校準(zhǔn)和驗(yàn)證溫度測(cè)量上限超過(guò)3200℃的輻射溫度計(jì)。

工作原理

輻射溫度計(jì)是一種根據(jù)物體輻射的能量測(cè)量溫度的儀器。根據(jù)輻射理論，只要任何物體不在零度(-273.15℃)，熱輻射就存在于任何其他溫度。熱平衡中黑體發(fā)出的單色輻射是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)。

在一定波長(zhǎng)下，黑體的單色輻射發(fā)射率是溫度的單值函數(shù)，通過(guò)測(cè)量一定波長(zhǎng)下的單色輻射發(fā)射率可以得到黑體的溫度。這是輻射測(cè)溫的理論基礎(chǔ)，普朗克黑體輻射定律。

在實(shí)際測(cè)量中，輻射單色儀溫度計(jì)不能完全是單色的。此外，探測(cè)器還需要獲得一定光譜范圍內(nèi)的輻射能量，否則它不能響應(yīng)，因?yàn)榻邮盏降哪芰糠浅Ｐ　Ｍ瑫r(shí)，實(shí)際測(cè)量的物體不是黑色的。

在溫度測(cè)量期間，輻射溫度計(jì)對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體，輻射溫度計(jì)的探測(cè)器接收待測(cè)物體輻射的能量，并通過(guò)信號(hào)處理電路將能量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，或者進(jìn)一步通過(guò)顯示器直接顯示待測(cè)物體的溫度值。

根據(jù)上述輻射溫度計(jì)的溫度測(cè)量原理，可以發(fā)現(xiàn)輻射能的波長(zhǎng)在[λ；1，&λ；2)輻射源范圍內(nèi)；輻射能對(duì)應(yīng)于黑體的特定溫度，但是輻射源本身的溫度不等于這個(gè)溫度。輻射能量是連續(xù)可調(diào)的，并且輸出輻射能量相對(duì)較高。

由于激光器在幾千攝氏度的高溫下發(fā)射與黑體發(fā)射的輻射相對(duì)應(yīng)的有效波段溫度計(jì)內(nèi)的輻射能，激光器本身的溫度不能達(dá)到幾千攝氏度，尤其是用于校準(zhǔn)的激光器功率小，因此激光器本身的溫度非常低。通過(guò)這種方式，激光器發(fā)射的輻射能不受其制造的材料的耐溫性的限制。根據(jù)激光器的這一特性，選擇在輻射溫度計(jì)的有效波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有工作波長(zhǎng)的激光器來(lái)模擬特定溫度下溫度輻射的黑體輻射能量和輻射溫度計(jì)的有效波長(zhǎng)帶，使得輻射溫度計(jì)接收的激光能量等于輻射溫度計(jì)的有效波長(zhǎng)帶內(nèi)該特定溫度下黑體的輻射能量， 并且激光器的輸出能量與特定溫度相結(jié)合，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程中的黑體爐作為校準(zhǔn)輻射的輻射源溫度計(jì)。 激光器的輸出能量由標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)校準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)量電量可以準(zhǔn)確獲得標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值。

標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)用作校準(zhǔn)激光器輸出的輻射能量的標(biāo)準(zhǔn)裝置，該輻射能量等于特定溫度下輻射溫度計(jì)接收的黑體輻射能量。因此，在正常情況下用于校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置從高精度溫度計(jì)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，并且激光器代替黑體輻射源，從而實(shí)現(xiàn)高溫輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)。這是通過(guò)激光能量法校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的基本原理。這種激光器可以稱為激光輻射源。

激光能量法的特點(diǎn)

激光能量法有幾個(gè)特點(diǎn):

a)激光輻射源本身的溫度可以非常低，避免了現(xiàn)有黑體輻射源的溫度上限由于本體材料的耐熱性而不能超過(guò)3200℃的情況，因此溫度上限可以非常高。由于黑體爐被激光代替作為輻射源，輸出能量完全可以滿足輻射溫度計(jì)對(duì)高溫校準(zhǔn)的要求。

b)易于使用。從鍵盤(pán)輸入輻射溫度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的孔徑。當(dāng)輻射源溫度計(jì)和測(cè)量目標(biāo)之間的距離R為1000毫米時(shí)，目標(biāo)可以輻射到輻射源溫度計(jì)區(qū)域S，以及光學(xué)系統(tǒng)光譜范圍λ的上波長(zhǎng)和下波長(zhǎng)；1，&λ；2和溫度T0i時(shí)，激光輻射源可以直接輸出與溫度T0i對(duì)應(yīng)的輻射能量φ；0λ；1，&λ；2(T0i).

c)激光能量法屬于校準(zhǔn)法，不需要標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。同時(shí)，它也不同于一般的標(biāo)定方法，不需要定義不動(dòng)點(diǎn)和插值方程。使用標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)激光輻射源的輸出能量獲得對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度T0的輻射能量φ。0λ；1，&λ；2(T0i).標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)測(cè)量激光輻射源的輸出能量并執(zhí)行自校準(zhǔn)。

d)節(jié)省時(shí)間。激光輻射源沒(méi)有溫升和恒溫過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)快速校準(zhǔn)和驗(yàn)證。

e)校準(zhǔn)時(shí)，可能不考慮輻射距離系數(shù)溫度計(jì)。

f)激光能量法主要用于高溫范圍輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證，因此沒(méi)有必要考慮環(huán)境輻射的影響。

問(wèn)題討論

激光輻射源輸出的激光波長(zhǎng)應(yīng)在輻射溫度計(jì)的有效波長(zhǎng)范圍內(nèi)。由于激光輻射源不是黑體輻射源，輸出激光的波長(zhǎng)必須適應(yīng)輻射溫度計(jì)。換句話說(shuō)，單頻激光輻射源不能滿足校準(zhǔn)所有輻射溫度計(jì)的需要。在校準(zhǔn)裝置中，具有不同工作波長(zhǎng)的多個(gè)激光輻射源可以共享一套控制系統(tǒng)。如果使用頻率可調(diào)的激光器，這個(gè)問(wèn)題可以被克服。

校準(zhǔn)期間，應(yīng)注意同軸輻射溫度計(jì)和激光束。因?yàn)榧す馐浅Ｕ绻麤](méi)有正確瞄準(zhǔn)，激光束可能不會(huì)擊中探測(cè)器。

在不確定度評(píng)估中，由于條件的限制，沒(méi)有考慮輻射溫度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)光譜透射波長(zhǎng)的測(cè)量誤差。由于波長(zhǎng)測(cè)量誤差會(huì)導(dǎo)致輻射能的計(jì)算誤差，zui較終會(huì)影響校準(zhǔn)結(jié)果。同時(shí)，當(dāng)輻射溫度計(jì)和被測(cè)目標(biāo)之間的距離R為1，000毫米時(shí)，也不考慮目標(biāo)可以輻射的區(qū)域S的測(cè)量誤差溫度計(jì)。這兩個(gè)誤差將直接影響輻射能的計(jì)算。這將在未來(lái)的研究中得到解決。

激光能量法和黑體輻射源法校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的差異需要在理論和實(shí)踐上進(jìn)行討論和研究。

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