光電高溫計(jì)在使用中存在的問題及改進(jìn)

宋學(xué)青

（云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，云南 昆明 650228）

1 引 言

輻射溫度儀是非接觸式測(cè)溫儀表，根據(jù)物體的熱輻射效應(yīng)原理來測(cè)量物體表面溫度的，它廣泛適用于冶金、化工、機(jī)械、硅酸鹽行業(yè)中連續(xù)對(duì)各種熔爐、高溫窖、鹽浴池等場(chǎng)合的高溫測(cè)量，以及其他不適合裝置熱電偶的地方。

熱輻射溫度計(jì)是以物體的輻射強(qiáng)度與溫度成一定的函數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ)的。利用這種原理制成了各種形式的輻射溫度計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)也是屬于輻射溫度儀。輻射溫度計(jì)的量傳，國家有計(jì)量檢定系統(tǒng)表和相應(yīng)的檢定規(guī)程。計(jì)量檢定系統(tǒng)表為JJG 2004-1987《輻射測(cè)溫儀計(jì)量器具檢定系統(tǒng)框圖》，此計(jì)量檢定系統(tǒng)表對(duì)輻射溫度儀計(jì)量器具的量傳做了技術(shù)規(guī)定，是輻射溫度儀量值傳遞及量值溯源的依據(jù)之一。因此此系統(tǒng)表關(guān)乎到輻射溫度儀量值傳遞的準(zhǔn)確可靠。在此量傳系統(tǒng)表中，光學(xué)高溫計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)都是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具，承擔(dān)著量值溯源和傳遞的重要作用。光學(xué)高溫計(jì)溫度標(biāo)定是用人眼比色測(cè)溫，由于人體生理的差異，會(huì)產(chǎn)生主觀視覺誤差。光電高溫計(jì)正是為解決人體主觀視覺誤差而設(shè)計(jì)的后一代產(chǎn)品。它能進(jìn)行亮度自動(dòng)平衡，從而達(dá)到快速測(cè)溫、消除視差。光電高溫計(jì)雖然消除了人眼視覺誤差的問題，但在設(shè)計(jì)上，未充分考慮量傳時(shí)，溯源器具（鎢帶燈）與傳遞器具（黑體爐）間不同輻射源靶材不同、外形不同、靶面形狀不同，經(jīng)光電高溫計(jì)的物鏡匯聚到調(diào)整鏡上的焦點(diǎn)會(huì)有所不同，進(jìn)入的能量、波長(zhǎng)也會(huì)不同，從而導(dǎo)致聚焦能量也會(huì)不同，因此標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)在對(duì)黑體爐進(jìn)行量值傳遞時(shí)示值不等。大量試驗(yàn)表明，標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)在量值傳遞和溯源鏈中量值的一致性存在一些問題。

2 原理介紹

《輻射測(cè)溫儀計(jì)量器具檢定系統(tǒng)框圖》見JJG 2004-1987，從圖中看到，在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具等級(jí)中，標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)的量值，均是由工作基準(zhǔn)鎢帶溫度燈組進(jìn)行量值傳遞，再向黑體爐比較傳遞量值，最后傳遞給光電測(cè)溫儀、比色測(cè)溫儀等輻射測(cè)溫儀。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)在量值傳遞框圖中處于同一等級(jí)，發(fā)揮著同樣的作用。因此兩種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具在傳遞中所傳遞的量值的一致性顯得尤為重要，如果不一致，將會(huì)導(dǎo)致同一輻射能產(chǎn)生不同的溫度量值，這將給量值的準(zhǔn)確傳遞帶來問題。

將光學(xué)高溫計(jì)和光電高溫計(jì)比較發(fā)現(xiàn)：光學(xué)高溫計(jì)是由人工操作來完成亮度平衡工作的，而且不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和記錄，其測(cè)量結(jié)果又帶有人眼及操作者的主觀誤差，而光電高溫計(jì)，是采用光電器件（光電倍增管）代替人眼，進(jìn)行亮度自動(dòng)平衡，感受輻射源的輻亮度溫度變化，從而達(dá)到自動(dòng)平衡、連續(xù)測(cè)溫的目的。

20世紀(jì)80年代，由中國測(cè)試技術(shù)研究院組織的幾次西南大區(qū)四方（云、貴、川、云南儀表廠）技術(shù)機(jī)構(gòu)光學(xué)高溫計(jì)比對(duì)工作中（用工作基準(zhǔn)鎢帶燈作為標(biāo)準(zhǔn)源），發(fā)現(xiàn)：由于使用光學(xué)高溫計(jì)時(shí)，因其工作原理是用人工操作來完成亮度比色測(cè)溫，經(jīng)過比對(duì)發(fā)現(xiàn)，由不同測(cè)量人員測(cè)量所引入的系統(tǒng)誤差，在800℃時(shí)為最大（色溫較暗，難以辨別的一致），為6℃左右，而在金點(diǎn)（1064℃）時(shí)，測(cè)量造成的誤差最小，為2℃左右。而當(dāng)時(shí)副基準(zhǔn)鎢帶燈組向工作基準(zhǔn)鎢帶組的量值傳遞是由精密光學(xué)高溫計(jì)實(shí)現(xiàn)的，其測(cè)溫原理也是采用人工操作來完成亮度比色測(cè)溫工作。為解決鎢帶燈和光學(xué)高溫計(jì)量傳時(shí)，測(cè)量結(jié)果帶有操作者的主觀誤差，而且不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的缺陷，由中國測(cè)試技術(shù)研究院與云南儀表廠共同研制生產(chǎn)了WGD-1型精密光電溫度計(jì)，采用光電器件把輻射能量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，借助電子放大器測(cè)量光電流的大小來測(cè)出被測(cè)物體的溫度。到20世紀(jì)80年代末期，標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)進(jìn)入了我國輻射測(cè)溫儀計(jì)量器具檢定系統(tǒng)框圖。在用合格的光電高溫計(jì)與工作基準(zhǔn)鎢帶燈為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的比對(duì)工作顯示，其系統(tǒng)誤差比光學(xué)高溫計(jì)明顯減小，由人眼引入的誤差已經(jīng)消除。

光電高溫計(jì)雖然解決了人眼識(shí)別引入的誤差，由于當(dāng)時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)是在消除視覺誤差，而未考慮到當(dāng)它向黑體爐進(jìn)行量值傳遞時(shí)其自動(dòng)測(cè)溫原理恰恰也是產(chǎn)生誤差的根源。

3 問題的提出

根據(jù)JJG 1032-2007《標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)檢定規(guī)程》，規(guī)定了使用范圍要求:本規(guī)程適用于工作基準(zhǔn)鎢帶溫度燈對(duì)測(cè)量范圍在800℃～3 200℃內(nèi)工作波長(zhǎng)約為660nm的標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定。由此可見，在要求的溫度范圍內(nèi)的量值傳遞，是在一固定的波長(zhǎng)段下，即中心波長(zhǎng)為660nm處實(shí)施檢定的。光學(xué)高溫計(jì)是在接近“單色光”的條件下進(jìn)行亮度比較而得出被測(cè)溫度的，所以在光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)上，應(yīng)保證有一個(gè)固定的有效波長(zhǎng)裝置。有效波長(zhǎng)一般選擇0.66μm的紅光區(qū)域，將不同的亮度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度，不同的溫度代表不同的亮度，其亮度和溫度間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

雖然光電高溫計(jì)和光學(xué)高溫計(jì)均是基于普朗克定律，但在接收片狀輻射源（鎢帶燈）亮度和立體輻射源（黑體爐）輻射強(qiáng)度測(cè)溫時(shí)，由于物鏡的光學(xué)成像結(jié)果會(huì)有所不同，即會(huì)產(chǎn)生聚焦點(diǎn)不準(zhǔn)的問題，勢(shì)必影響到接受到的輻射能也會(huì)不同，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的溫度值也會(huì)有所不同，在理論分析和實(shí)際測(cè)量中其差異已經(jīng)表現(xiàn)出來。

（1）發(fā)射源形狀的不一致帶來的誤差。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)向工作基準(zhǔn)鎢帶燈溯源和向黑體爐量傳時(shí)，它接受的是輻射亮度，因此從工作基準(zhǔn)鎢帶燈到黑體爐由于均是主觀測(cè)量，影響不大，也能滿足量傳系統(tǒng)表上δ值的要求。但當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)量時(shí)，由于光電高溫計(jì)接受到的鎢帶燈光源是片狀的輻射源，也可以理解為是一個(gè)平面的有固定入射角的輻射源。而黑體爐是全波長(zhǎng)的立體的輻射源，何況此立體輻射源來自黑體爐腔體不同的部位，使各點(diǎn)輻射源與光電高溫計(jì)的物鏡距離有遠(yuǎn)有近，不能以類似鎢帶燈平面的輻射形式，與物鏡保持在同一距離。況且由于不同形狀的黑體爐，通過物鏡和調(diào)制鏡匯聚到達(dá)探測(cè)元件的能量是不同的，每單位通量入射光也會(huì)不同。由于接收平面物鏡成像和立體物鏡成像，所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度和相應(yīng)的電流值與實(shí)際結(jié)果是有差異的，因此產(chǎn)生了測(cè)溫偏差。

（2）光電高溫計(jì)接收輻射源“對(duì)位”不準(zhǔn)帶來的誤差。光學(xué)高溫計(jì)在向工作基準(zhǔn)鎢帶燈溯源和向黑體爐傳遞量值時(shí)，所接受的都是光的亮度，都是以色溫作為測(cè)量的依據(jù)，人眼進(jìn)行主觀判斷測(cè)量，因此在溯源傳遞鏈中沒有問題。光電高溫計(jì)在溯源和傳遞時(shí)，所接受的是光輻射能，而不是亮度。對(duì)光電高溫計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)光學(xué)物鏡成像時(shí)，接受基準(zhǔn)鎢帶燈薄帶狀物象，在調(diào)制鏡上的成像是匯聚為點(diǎn)狀，探測(cè)元件接受的輻射強(qiáng)度很容易做到“對(duì)位準(zhǔn)確”。但在接受黑體爐立體物象時(shí)，經(jīng)光學(xué)物鏡成像時(shí)調(diào)制鏡上的成像為團(tuán)狀，因此探測(cè)元件上接受的輻射強(qiáng)度存在不一定是溫度中心的問題，也就是存在“對(duì)位不準(zhǔn)”的問題，何況黑體爐有很多種形狀，如球形、圓柱型、錐形等。不同形狀的黑體爐會(huì)產(chǎn)生不同夾角的輻射能，何況輻射能的發(fā)出與物鏡的距離有遠(yuǎn)有近，這給光電高溫計(jì)在測(cè)溫時(shí)物鏡的成像也會(huì)帶來不同。因此對(duì)位不準(zhǔn)的問題會(huì)更加明顯。由于標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的自動(dòng)平衡原理，無法對(duì)對(duì)位不準(zhǔn)的問題進(jìn)行自動(dòng)修正，導(dǎo)致了在溯源時(shí)接受工作基準(zhǔn)鎢帶燈時(shí)的片狀輻射源與傳遞時(shí)接受黑體爐的立體輻射源所匯聚到光電器件上的輻射能其情況是有差異的，可能相同的溫度會(huì)測(cè)出不一致的輻射能。

（3）發(fā)射靶臺(tái)材質(zhì)不同帶來的誤差。不同的材質(zhì)，會(huì)有不同的輻射光譜，其輻射能也會(huì)有所不同。光電高溫計(jì)在向黑體爐傳遞時(shí)，是面對(duì)不同材質(zhì)的黑體爐，不同材質(zhì)靶臺(tái)的輻射光譜與溯源時(shí)的鎢帶光譜也會(huì)不同。光電倍增管對(duì)光譜的變化十分敏感，由于溯源和傳遞材質(zhì)的不一致，導(dǎo)致了光譜的不一致，光電倍增管接受的輻射能也不一致，因此光電高溫計(jì)量在量傳時(shí)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

由于存在“對(duì)位”不準(zhǔn)和“聚焦”情況以及材質(zhì)不同等問題，經(jīng)數(shù)次實(shí)驗(yàn)（用不同形狀的黑體爐）結(jié)果表明：用光電高溫計(jì)對(duì)黑體爐測(cè)溫時(shí)，與黑體爐的實(shí)際溫度的偏差超出了標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的總不確定度（比黑體爐實(shí)際溫度偏高13℃以上）。當(dāng)黑體爐的非等溫特性明顯時(shí)，隨著輻射溫度的升高，此偏差變得更大。也就是說，光電高溫計(jì)在向黑體爐量傳時(shí)，是難以達(dá)到量傳要求的。因此雖然光電高溫計(jì)解決了亮度自動(dòng)平衡、快速測(cè)溫、消除視差的問題，但在量值傳遞中，能否確保所傳遞的量值準(zhǔn)確可靠，卻仍存在一些問題。

其次，從量傳系統(tǒng)表上可以看到，工作基準(zhǔn)鎢帶燈組的溫度量傳范圍為800℃～2000℃，而標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)的溫度量傳范圍為800℃～3200℃，2000℃～3200℃間的量傳通過直接傳遞是不能實(shí)現(xiàn)的，因此此高溫段是通過計(jì)算的方法，這給高溫段準(zhǔn)確的量傳帶了問題。為了達(dá)到全溫度范圍內(nèi)實(shí)物傳遞的目的，應(yīng)建立高溫黑體標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)傳遞方法、傳遞要求等做出明確規(guī)定，以便完善量傳。

4 對(duì)問題的思考

如何將測(cè)量原理做些改進(jìn)，以保證量值得到準(zhǔn)確傳遞。思考其原因有以下幾點(diǎn)：

由于光電高溫計(jì)在量值傳遞框圖中，與光學(xué)高溫計(jì)處于同一地位，因此應(yīng)盡可能將光電高溫計(jì)與光學(xué)高溫計(jì)之間的差異進(jìn)行消除。通過試驗(yàn)、比較發(fā)現(xiàn)：

（1）光電高溫計(jì)和光學(xué)高溫計(jì)向黑體爐量傳時(shí)，所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差不同，無法確定是哪一個(gè)量值更準(zhǔn)，由此會(huì)帶來量值傳遞的混亂，也換句話說，向黑體爐傳遞量值的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，而當(dāng)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器傳遞的量值又不一致時(shí)，難以確定哪一個(gè)量值更準(zhǔn)確。因此在傳遞鏈中顯然有些問題。

（2）光電高溫計(jì)由于設(shè)計(jì)時(shí)先天有缺陷，導(dǎo)致在向黑體爐量傳時(shí)，量值很容易超出了量傳系統(tǒng)框圖要求的總不確定度。

5 解決的辦法

由于光電高溫計(jì)是針對(duì)光學(xué)高溫計(jì)存在的問題而設(shè)計(jì)的，因此當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)向黑體爐進(jìn)行量值傳遞出現(xiàn)問題時(shí)，可以考慮研制、使用特制的高質(zhì)量光闌（一片或兩片）加裝在黑體爐的腔口前，經(jīng)過光闌的轉(zhuǎn)換，使經(jīng)過光闌后的不同形狀的立體輻射源能形成與工作基準(zhǔn)鎢帶燈片狀輻射源基本一致的輻射源，在調(diào)制鏡上匯聚成和鎢帶燈類似的點(diǎn)光源，以達(dá)到消除黑體爐立體輻射源形狀與鎢帶燈片狀輻射源形狀不一致導(dǎo)致的聚焦后能量不同及對(duì)位不準(zhǔn)所帶來的測(cè)量誤差的目的。

6 結(jié)束語

我國的國家計(jì)量檢定系統(tǒng)表和計(jì)量檢定規(guī)程是確保量值準(zhǔn)確傳遞的技術(shù)依據(jù)，國家計(jì)量檢定系統(tǒng)表也是制定相應(yīng)計(jì)量檢定規(guī)程的依據(jù)，如何保證光電高溫計(jì)在接受任何形狀的輻射源，其能量均能轉(zhuǎn)化為相同的溫度，這是實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)溫儀計(jì)量器具準(zhǔn)確量傳的重要問題。

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