浴式黑體輻射源校準方法研究

董磊，蔡靜，孟蘇

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

浴式黑體輻射源校準方法研究

董磊，蔡靜，孟蘇

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

介紹了幾種典型的浴式黑體輻射源，并詳細說明了校準方法。校準過程包括恒溫槽內工作區域劃定、介質溫度測量、黑體腔有效發射率評估、輻射溫度有效發射率修正等步驟。最終給出了浴式黑體輻射源的校準結果，并進行了不確定度評定。

校準;浴式黑體輻射源;恒溫槽;標準鉑電阻溫度計;黑體腔;有效發射率;輻射溫度計

0 引言

在溫度計量領域，浴式黑體輻射源主要用于－50～300℃溫度范圍內的輻射溫度計以及測量人體溫度的紅外溫度計的檢定和校準。由于紅外溫度計及高精度輻射溫度計的檢定對黑體輻射源準確度等級要求高，一般的工作黑體輻射源難以達到要求，因此通常采用浴式黑體輻射源。

浴式黑體輻射源的校準方法與工作黑體輻射源不同，通常以標準鉑電阻溫度計為標準器進行溫度標定，并且經過黑體輻射源有效發射率評估，計入輻射溫度發射率修正值后實現校準。本文將介紹幾種典型的浴式黑體輻射源，并將詳細說明其校準方法。

1 浴式黑體輻射源分類與原理

浴式黑體輻射源是一種由恒溫槽和黑體腔組成的黑體輻射源，根據恒溫槽內工作介質的不同，可以分為水浴黑體輻射源、酒精浴黑體輻射源、油浴黑體輻射源，溫度范圍分別為5～90℃，－50～20℃，50～300℃，其中最常見的是水浴黑體輻射源和酒精浴黑體輻射源，油浴黑體輻射源近年來的應用逐漸減少。

浴式黑體輻射源一般在恒溫槽的基礎上進行改造，經加裝黑體腔后制成，可以分為臥式或立式［1］。通常用于溫度計檢定的通用恒溫槽，其工作區域的開口向上，便于溫度計的垂直安裝，可以將黑體腔豎直放入恒溫槽內制成立式浴式黑體輻射源，其結構原理圖見圖1。立浴式黑體輻射源適于手持式輻射溫度計的檢定，包括測量人體溫度的紅外溫度計。但是，大部分高精度輻射溫度計一般采用水平安裝來進行測量，因此在恒溫槽側壁開口，將黑體腔水平置入恒溫槽內制成臥浴式黑體輻射源，顯然是更適合這些輻射溫度計的瞄準與測量，其結構原理圖見圖2。

圖1 立浴式黑體輻射源結構原理圖

圖2 臥浴式黑體輻射源結構原理圖

2 浴式黑體輻射源校準方法

CR－WBB－100型浴式黑體輻射源是一種典型的臥式水浴黑體輻射源，如圖3所示。以此為例，我們對浴式黑體輻射源的校準方法進行詳細說明。

圖3 CR－WBB－100浴式黑體輻射源

CR－WBB－100型浴式黑體輻射源的技術指標為:溫度范圍5～90℃，黑體腔口徑100 mm，計算法向有效發射率0.9993±0.0003，對應波長范圍8～14μm。

在實際校準過程中，我們先參照JJF 1030－2010《恒溫槽技術性能測試規范》(以下稱《規范》)劃定工作區域，采用二等標準鉑電阻溫度計測試恒溫槽內介質的溫度穩定性和溫度均勻性，并確定介質溫度;然后采用表面溫度計測量黑體腔壁面的軸向溫度梯度，并利用STEEP321軟件計算黑體腔的有效發射率;最后給出經過發射率修正的輻射溫度作為校準結果，并給出測量不確定度。

2.1 恒溫槽內介質溫度穩定性

如圖4所示劃定工作區域，浴式黑體輻射源的工作區域指包含黑體腔的長方體區域，其中該區域的上水平面應與液面保持一定距離，保證標準鉑電阻溫度計的沒入深度。由于黑體腔在恒溫槽的一側開口，實際上該工作區域并未完全涵蓋黑體腔整個軸向長度。

圖4 CR－WBB－100浴式黑體輻射源工作區域示意圖

依據《規范》，將標準鉑電阻溫度計1插入工作區域1/2深度位置，即為圖4所示的O點，為了避開黑體腔，O點并不是工作區域的幾何中心。待恒溫槽在某溫度點溫度穩定10 min后，以每分鐘至少6次的均勻間隔讀取示值，10 min共計讀取60個示值，取最大值與最小值的差，即為浴式黑體輻射源恒溫槽在該溫度點相應時間間隔內的波動性。

2.2 恒溫槽內介質溫度均勻性

依據《規范》，將標準鉑電阻溫度計1作為固定溫度計插入O點位置，標準鉑電阻溫度計2作為移動溫度計，依次插入到工作區域上水平面A，B，C，D位置處，按一定順序讀取固定溫度計和移動溫度計的示值，共讀取4組示值，移動溫度計示值平均值與固定溫度計示值平均值之差為該點相對于O點的溫度示值差，同理測出下水平面E，F，G，H位置處相對于O點的溫度示值差。

從上水平面四點相對于O點的溫度示值差中找出最大值和最小值，最大值減去最小值的差即為工作區域上水平面的最大溫差，同理，從下水平面四點相對于O點的溫度示值差中找出最大值和最小值，最大值減去最小值的差即為工作區域下水平面的最大溫差。從所有八點相對于O點的溫度示值差中找出最大值和最小值，最大值減去最小值的差即為工作區域的最大溫差。

2.3 恒溫槽內介質溫度

以標準鉑電阻溫度計1在O點處測得的溫度示值為浴式黑體輻射源恒溫槽內介質溫度，將恒溫槽穩定性測試過程中測量所得的60個示值取平均值即為介質溫度，此組測量值的標準偏差作為重復性。

2.4 黑體腔壁面軸向溫度梯度

圖5所示為CR－WBB－100浴式黑體輻射源黑體腔幾何形狀，使用表面溫度計依次測量黑體腔內間隔為l的各點a，b，c，d，e，f的表面溫度，得到浴式黑體輻射源黑體腔壁面的軸向溫度梯度。

圖5 黑體腔幾何形狀草圖

2.5 浴式黑體輻射源有效發射率

利用浴式黑體輻射源黑體腔的幾何形狀、表面涂層發射率、壁面軸向溫度梯度等參數，通過STEEP321軟件計算得到浴式黑體輻射源有效發射率的評估值。

2.6 浴式黑體輻射源輻射溫度

如果浴式黑體輻射源的有效發射率為1，浴式黑體輻射源恒溫槽內介質溫度可以看作浴式黑體輻射源的輻射溫度，兩者溫度值沒有差別。

但是，在用輻射溫度計測量黑體輻射源溫度的過程中，輻射溫度計發射率默認設置為1，認為黑體輻射源的有效發射率為1，而實際有效發射率肯定不為1，這里就會因為有效發射率不為1引入輻射溫度測量的修正值，黑體輻射源的有效發射率越接近1，引入的輻射溫度發射率修正值就越小。

浴式黑體輻射源輻射溫度應為恒溫槽內介質溫度加上輻射溫度發射率修正值。

3 浴式黑體輻射源校準結果

采用二等標準鉑電阻溫度計測量恒溫槽內介質溫度及其穩定性和均勻性的結果如表1所示;采用表面溫度計測量黑體腔壁面的軸向溫度梯度的結果如表2所示;利用STEEP321軟件計算黑體腔的有效發射率，計算參數表如表3所示;輻射溫度發射率修正值及其變化區間的半寬度經如表4所示。

表1 恒溫槽內介質溫度及其穩定性、均勻性

表2 浴式黑體輻射源黑體腔軸向溫度梯度 ℃

表3 浴式黑體輻射源黑體腔有效發射率計算參數表

表4 輻射溫度發射率修正值及其變化區間的半寬 ℃

采用STEEP321進行計算，浴式黑體輻射源黑體腔作為等溫腔，法向有效發射率為0.9993(3)，浴式黑體輻射源黑體腔作為不等溫腔，在波長范圍8～14 μm內法向有效發射率為0.9993(3)，實際按不等溫腔的有效發射率給出輻射溫度的發射率修正值。利用普朗克定律可以計算得出計入環境輻射的發射率修正值。

4 校準結果及不確定度評定

4.1 數學模型

式中:Tr為浴式黑體輻射源輻射溫度;Tm為浴式黑體輻射源恒溫槽介質溫度;ΔTe為浴式黑體輻射源輻射溫度發射率修正值。

4.2 不確定度來源

式中:u1為二等標準鉑電阻溫度計測量浴式黑體輻射源恒溫槽內介質溫度重復性引入的標準不確定度，為A類不確定度;u2為二等標準鉑電阻溫度計兩次檢定周期間穩定性引入的標準不確定度，為B類不確定度; u3為測溫儀溫度準確度(長期)引入的標準不確定度，為B類不確定度;u4為浴式黑體輻射源恒溫槽內介質溫度均勻性引入的標準不確定度，為B類不確定度; u5為浴式黑體輻射源恒溫槽內介質溫度穩定性引入的標準不確定度，為B類不確定度;u6為輻射溫度發射率修正值引入的標準不確定度(包含環境輻射、波段范圍的影響)，為B類不確定度。

4.3 標準不確定度A類評定

利用貝塞爾公式計算重復性:

4.4 標準不確定度B類評定

1)u2來源于二等標準鉑電阻溫度計兩次檢定周期間穩定性，按標準鉑電阻溫度計檢定規程，其相鄰周期檢定結果的差值為10 mK，則變化區間半寬估計為0.010℃，按均勻分布，包含因子k =

2)u3來源于測溫儀1529溫度準確度(長期)，按儀器說明書，取較大值，則變化區間半寬估計為0.009℃，按均勻分布，包含因子k =

3)u4來源于浴式黑體輻射源恒溫槽內介質溫度均勻性，參見表1，考慮到測量當中的不確定度，溫度點5.00，20.00，80.00，90.00℃，溫度均勻性變化區間半寬估計分別為0.009，0.007，0.007，0.007℃，按均勻分布，包含因子k =

4)u5來源于浴式黑體輻射源恒溫槽內介質溫度穩定性，參見表1，考慮到測量當中的不確定度，溫度點5.00，20.00，80.00，90.00℃，溫度波動性變化區間半寬估計分別為0.010，0.010，0.010，0.009℃，按均勻分布，包含因子k =。

5)u6來源于輻射溫度發射率修正值，變化區間半寬參見表4，按均勻分布，包含因子k =

4.5 合成標準不確定度

浴式黑體輻射源輻射溫度校準標準不確定度分量及合成標準不確定度見表5。

表5 標準不確定度分量及合成標準不確定度

4.6 校準結果及擴展不確定度

校準的結果及其擴展不確定度見表6。表6中輻射溫度已進行了發射率修正，并考慮了環境輻射及波段的影響，環境溫度范圍為18～28℃，波長范圍為8～14μm。浴式黑體輻射源有效發射率評估值為0.9993 (3)。

表6 浴式黑體輻射源校準結果 ℃

5 結束語

采用上述的校準方法可以對其它類型的浴式黑體輻射源進行校準，如立式酒精浴黑體輻射源、立式水浴黑體輻射源、臥式酒精浴黑體輻射源等。

在通用恒溫槽上加裝黑體腔后制成的CR－ABB－80V型浴式黑體輻射源，就是一種典型的立式酒精浴黑體輻射源;美國國家標準與技術研究院(NIST)的第三代浴式黑體輻射源［2］是一種典型的臥式水浴黑體輻射源;歐盟標準《BSEN 12470－5－2003 Clinical Thermometers－Part 5 Performance Of Infra－red Ear Thermometers(with Maximum Device)》中，提到了一種用于紅外耳溫計檢定的浴式黑體輻射源，也是一種典型的立式水浴黑體輻射源，這里需要指出，由于歐標浴式黑體輻射源黑體腔的幾何形狀非軸對稱，黑體腔的底部為斜面，我們參考Alexander V Prokhorov等人的計算結果［3］，按不等溫腔給出了有效發射率的評估值。

浴式黑體輻射源校準方法研究中，最重要的兩個方面是恒溫槽性能測試和黑體腔有效發射率評估。目前，恒溫槽已是市面上成熟的產品，各項技術指標能夠滿足制作高精度的浴式黑體輻射源，并且在相關技術規范的支撐下，恒溫槽性能測試方面已無障礙。在黑體腔有效發射率評估方面，已有成熟的計算方法，并有大量的相關技術文章可做參考，另外，制作有效發射率大于0.999的黑體腔也不再是技術難題。因此，本文所述的浴式黑體輻射源校準方法，在業已成熟的相關技術基礎上是切實可行的，可以滿足相應儀器設備的校準要求。

［1］國防科工委科技與質量司.熱學計量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］Joel B Fowler.A Third Generation Water Bath Based Blackbody Source［J］.Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology，1995，100(5):591－599.

［3］Alexander V Prokhorov，Leonard M Hanssen.Effective Emissivity of A Cylindrical Cavity with An Inclined Bottom:II.Non－isothermal Cavity［J］.Metrologia，2010，47: 33－46.

Research on Calibration M ethods of Bath Blackbody Source

DONG Lei，CAI Jing，MENG Su
(Changcheng Institute of Metrology＆Measurement，Beijing 100095，China)

This paper introduces several typicalbath blackbody sources and gives detailed descriptions of calibrationmethods.The procedure of the calibration includes definition of the working area in temperature－controlled bath，temperaturemeasurement of themedium，evaluation of effective emissivity of the blackbody cavity and radiation temperature correction for the effective emissivity.At last，this paper presents the calibration results of the bath blackbody sources and assesses the uncertainty.

calibration;bath blackbody source;temperature－controlled bath;standard platinum resistance thermometer;blackbody cavity;effective emissivity;radiation thermometer

TB942

A

1674－5795(2015)01－0033－05

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.08

2014－10－08

國家“十二五”技術基礎科研項目(J052012B002)

董磊(1981－)，男，工程師，從事輻射溫度、輻射熱流測量及校準研究工作。