高溫輻射溫度計(jì)激光能量校準(zhǔn)方法探討

摘要 根據(jù)輻射測(cè)溫的基本原理，提出了一種新的高溫輻射溫度計(jì)校準(zhǔn)方法。利用黑體輻射能量與溫度之間的確定關(guān)系，由激光輻射源模擬發(fā)射黑體在某一溫度和某一波段下的輻射能量，即用激光輻射源取代常規(guī)校準(zhǔn)過(guò)程中的黑體爐作為校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的輻射源，從理論上解決了用黑體爐無(wú)法對(duì)3 200 ℃以上高溫輻射溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)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，并評(píng)定了校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度。
1 引言?
對(duì)輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)、檢定，通常采用比較法，就是通過(guò)高穩(wěn) 定度的輻射源（通常為黑體輻射源）和其他配套設(shè)備，將標(biāo)準(zhǔn)器所復(fù)現(xiàn)的溫度與被檢輻射溫度計(jì)所復(fù)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)、檢定工作中，輻射源一般在-6～1 200 ℃（或1 600 ℃）范圍內(nèi)可用開(kāi)口式 中、低溫黑體爐，1 200 （或1 600 ℃）～3 200 ℃采用抽真空并充惰性氣體保護(hù)的高溫黑體爐。標(biāo)準(zhǔn)器分別為二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（二等標(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)表上3 200 ℃以上部分沒(méi)有相應(yīng)的傳遞系統(tǒng)。但是，根據(jù)型號(hào)任務(wù) 的需要，有些單位已經(jīng)研制、使用了測(cè)溫上限超過(guò)3 200 ℃的輻射溫度計(jì)。對(duì)這些溫度計(jì)進(jìn) 行 校準(zhǔn)、檢定時(shí)，輻射熱源作為標(biāo)準(zhǔn)與被檢之間的比較介質(zhì)是非常重要的。其主要技術(shù)指標(biāo)為：溫度范圍、穩(wěn)定度和有效發(fā)射率。現(xiàn)在的黑體輻射源通常為黑體爐，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，由于受制造加熱器、黑體空腔的材料耐溫性限制，其溫度范圍只能達(dá)到-60～3 200 ℃ ，無(wú)法用于檢定測(cè)溫上限超過(guò)3200 ℃的輻射溫度計(jì)。
激光能量法是本文提出的一種新的校準(zhǔn)方法。根據(jù)此原理建立相應(yīng)的激光輻射源校準(zhǔn) 裝置，將可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫上限超過(guò)3200 ℃的輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)、檢定。
2 工作原理
輻射溫度計(jì)是依據(jù)物體輻射的能量來(lái)測(cè)量溫度的儀表。根據(jù)輻射理論，任何物 體只要不處于絕對(duì)零度（-273.15 ℃），那么在其他任意溫度下都存在熱輻射。處于熱平衡 狀態(tài)的黑體在半球方向的單色輻射出射度是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)。
在一定的波長(zhǎng)下，黑體的單色輻射出射度是溫度的單值函數(shù)，可以通過(guò)某一波長(zhǎng)下的單色輻射出射度的測(cè)量來(lái)得出黑體的溫度。這就是輻射測(cè)溫學(xué)的理論基礎(chǔ)，黑體輻射的普朗克定律。
在實(shí)際測(cè)量中，輻射溫度計(jì)的單色器不可能是完全單色的。而且，探測(cè)器也要求獲得一定光譜范圍的輻射能量，否則由于所接收的能量很小而無(wú)法作出響應(yīng)。同時(shí)，實(shí)際被測(cè)物體也不是黑體。
測(cè)溫時(shí)，將輻射溫度計(jì)瞄準(zhǔn)被測(cè)物體，輻射溫度計(jì)的探測(cè)器接收到被測(cè)物體所輻射的能量，經(jīng)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)或進(jìn)一步通過(guò)顯示器直接顯示出被測(cè)物體的溫度值。
根據(jù)以上輻射溫度計(jì)的測(cè)溫原理，可尋找出輻射能量的波長(zhǎng) 在［λ1，λ2］范圍內(nèi)的輻射源；輻射能量對(duì)應(yīng)于黑體某一特定的溫度，但是輻射源本身的溫度并不等于此溫度，輻射能量連續(xù)可調(diào)，輸出的輻射能量較高。
由于激光器發(fā)射對(duì)應(yīng)于黑體在幾千攝氏度高溫時(shí)所發(fā)出的輻射溫度計(jì)有效波段內(nèi)的輻射能量時(shí)，激光器本身的溫度是達(dá)不到幾千攝氏度的，特別是用于校準(zhǔn)的激光器功率較小，因此自身的溫度很低。這樣，激光器所發(fā)出的輻射能量就不受本身制造材料耐溫性的限制。利用激光器的這一特點(diǎn)，選擇工作波長(zhǎng)在輻射溫度計(jì)有效波長(zhǎng)范圍內(nèi)的激光器，來(lái)模擬溫度輻射在某一特定溫度和輻射溫度計(jì)有效波段內(nèi)的黑體輻射能量，使輻射溫度計(jì)所接收到的激光能量與此特定溫度的黑體在輻射溫度計(jì)有效波段內(nèi)的輻射能量相等，把激光器的輸出能量與特定溫度聯(lián)系起來(lái)，可取代常規(guī)校準(zhǔn)過(guò)程中的黑體爐作為校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的輻射源。激光器的輸出能量由標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值可通過(guò)測(cè)量電量的方法準(zhǔn)確獲得。
用標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器，校準(zhǔn)激光器輸出的輻射能量，此輻射能量與特定溫度下輻射溫度計(jì)所接收到的黑體輻射能量相等，從而將通常情況下校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)器由準(zhǔn)確度高一等級(jí)的溫度計(jì)改為標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，由激光器代替黑體輻射源，實(shí)現(xiàn)了高溫輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)，這就是激光能量法校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的基本原理。此激光器可稱(chēng)為激光輻射源。
3 激光能量法的特點(diǎn)
激光能量法具有幾下特點(diǎn)：
a) 激光輻射源本身的溫度可以很低，避免了現(xiàn)有黑體輻射源因本體材料的耐熱性導(dǎo)致的 溫度上限不能超過(guò)3 200 ℃的情況，因此溫度上限可以很高。由于采用激光器代替了黑體爐作為輻射源，其輸出的能量完全可以滿(mǎn)足輻射溫度計(jì)對(duì)高溫校準(zhǔn)的要求。
b) 使用方便。從鍵盤(pán)輸入輻射溫度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的通光孔徑r，輻射溫度計(jì)與被測(cè)目標(biāo)的 距離R為1 000 mm時(shí)，目標(biāo)能夠輻射到輻射溫度計(jì)面積S，光學(xué)系統(tǒng)光譜范圍的上、下限波長(zhǎng)λ1，λ2 和溫度值T0i后，激光輻射源即可直接輸出對(duì)應(yīng)于溫度T0i的輻射能量φ0λ1,λ2（T0i）。
c) 激光能量法屬于絕對(duì)法校準(zhǔn)，不需要標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。同時(shí)，也不同于一般的絕對(duì)法校準(zhǔn)，不需要定義固定點(diǎn)和內(nèi)插方程。采用標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器，通過(guò)激光輻射源的輸出能量來(lái)獲得對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度T0的輻射能量φ0λ1,λ2(T0i)。標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)對(duì)激光輻射源的輸出能量進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行自校準(zhǔn)。
d) 節(jié)省時(shí)間。激光輻射源沒(méi)有升溫和恒溫過(guò)程，所以可實(shí)現(xiàn)快速校準(zhǔn)、檢定。
e) 校準(zhǔn)時(shí)，可不考慮輻射溫度計(jì)的距離系數(shù)。
f) 激光能量法主要用于高溫范圍輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)、檢定，所以不必考慮環(huán)境輻射的影響。
4 問(wèn)題討論
激光輻射源輸出激光的波長(zhǎng)應(yīng)在輻射溫度計(jì)的有效波長(zhǎng)范圍之內(nèi)。由于激光輻射源不是黑體輻射源，所以輸出激光的波長(zhǎng)必須與輻射溫度計(jì)相適應(yīng)。也就是說(shuō)，一臺(tái)通常單頻率的激光輻射源不能滿(mǎn)足校準(zhǔn)所有輻射溫度計(jì)的需要。在校準(zhǔn)裝置中，工作波長(zhǎng)不同的多臺(tái)激光輻射源可共用一套控制系統(tǒng)。若采用頻率可調(diào)的激光器可克服此問(wèn)題。
校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)注意輻射溫度計(jì)與激光束的同軸。因?yàn)榧す馐�很窄，若瞄�?zhǔn)不好可能使激 光束打不到探測(cè)器上。
在不確定度的評(píng)定過(guò)程中，由于條件所限，沒(méi)有考慮輻射溫度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)光譜透過(guò)波長(zhǎng)的測(cè)量誤差問(wèn)題。因波長(zhǎng)測(cè)量誤差會(huì)導(dǎo)致輻射能量的計(jì)算誤差，最終對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生影響。同時(shí)，也沒(méi)有考慮輻射溫度計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的通光孔徑r，輻射溫度計(jì)與被測(cè)目標(biāo)的距離R為1 000 mm時(shí)，目標(biāo)能夠輻射到輻射溫度計(jì)的面積S的測(cè)量誤差，這兩項(xiàng)誤差將對(duì)計(jì)算輻射能量直接產(chǎn)生影響。對(duì)此，將在今后的研究中加以解決。
對(duì)激光能量法與黑體輻射源法校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)的差異還有待理論及實(shí)踐的探討與研究 。論文出處(作者):
淺談能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中的政策因素
選修論文-有色金屬行業(yè)節(jié)能減排現(xiàn)狀與戰(zhàn)略

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