插入式紅外輻射測溫儀不確定度評定

雒新宇

(承德石油高等專科學(xué)校 資產(chǎn)與后勤管理處，河北　承德　 067000)

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插入式紅外輻射測溫儀不確定度評定

雒新宇

(承德石油高等專科學(xué)校 資產(chǎn)與后勤管理處，河北承德 067000)

摘要：插入式紅外輻射測溫儀是一種新型高溫領(lǐng)域測溫儀，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。介紹了插入式紅外輻射測溫儀的工作原理及其安裝組成，并對插入式紅外輻射測溫儀測量結(jié)果不確定度進行了評定。

關(guān)鍵詞：插入式紅外輻射測溫儀；工作原理；不確定度

溫度是日常生活和生產(chǎn)活動中的重要參數(shù)，在冶金、化工、煉鋼熱軋等高溫生產(chǎn)工藝流程中，溫度測量是其中的重要環(huán)節(jié)[1]。目前大部分測溫系統(tǒng)采用熱電偶進行接觸式測量，但由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，熱電偶消耗量大、價格高，致使成本大大提高[2]。因此很多廠家開始研制并使用一種基于紅外測溫原理的插入式紅外輻射測溫儀，這種測溫儀結(jié)合了接觸式和非接觸式測溫的優(yōu)點[3]。使用耐高溫的感溫管直接接觸被測物，在感溫管內(nèi)形成光路，光路的傳輸不受周圍環(huán)境介質(zhì)的干擾。插入式紅外輻射測溫儀具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低廉、節(jié)省貴金屬材料等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高溫測量領(lǐng)域。但是由于沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用市場混亂，嚴(yán)重影響了檢測和量值的統(tǒng)一，致使產(chǎn)品屢屢出現(xiàn)不合格品。不僅造成了重大的經(jīng)濟損失，還直接影響了企業(yè)的安全生產(chǎn)。本文介紹了插入式紅外輻射測溫儀的工作原理及其組成，并對測量結(jié)果進行行不確定度評定，為后續(xù)編寫《插入式紅外輻射測溫儀技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》奠定基礎(chǔ)。

1插入式紅外輻射測溫儀工作原理

插入式紅外輻射測溫儀是由光學(xué)系統(tǒng)、信號處理和顯示器三部分組成,如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)的主要作用是收集被測目標(biāo)的輻射功率,并使其匯聚到光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的光電探測器上。光學(xué)系統(tǒng)的視場大小由測溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。光電探測器的作用是將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號輸出。信號處理部分的作用主要是對探測的微弱信號進行放大,以達到顯示或記錄被測溫度的目的[4]。紅外輻射測溫儀核心是光電探測器。

插入式紅外輻射測溫儀的信號接收部分由剛玉管和傳感器探頭組成，當(dāng)把剛玉管插入到測溫場時形成一測溫黑體空腔，通過傳感器內(nèi)的光路系統(tǒng)將光亮度轉(zhuǎn)換成電信號。然后，通過二次儀表將電信號轉(zhuǎn)換溫度示值。傳統(tǒng)的測溫技術(shù)分為輻射測溫和接觸式測溫，插入式紅外輻射測溫儀吸取了兩者的優(yōu)點，是輻射測溫和接觸式測溫以及先進技術(shù)的結(jié)合體，是一項先進的在線檢測技術(shù)[5]。

2插入式紅外輻射測溫儀的安裝組成

插入式紅外輻射測溫儀大多在800 ℃～1 600 ℃的溫度環(huán)境下使用。在使用時，由于傳感器探頭無法直接接觸高溫環(huán)境，所以在傳感器探頭前加裝具有固定發(fā)射率的剛玉管。將剛玉管與傳感器探頭相連并插入被測溫介質(zhì)中，使剛玉管作為一次信號接收器接觸高溫環(huán)境。被測對象輻射能量通過剛玉管沿光路發(fā)送到傳感器探頭。光電傳感器探頭將接收到的光亮度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑐魉偷脚c其相連的二次儀表。光電傳感器輸出端按正負端與儀表信號輸入端子相接，接地端與地線相接，儀表加電后即可實現(xiàn)測溫。

安裝插入式紅外輻射測溫儀時，應(yīng)將剛玉管緩慢插入被測溫介質(zhì)中，可垂直、水平或斜向插入，插入后加以固定，安裝后應(yīng)保證傳感器尾端溫度不得高于70 ℃。儀表加電后，應(yīng)預(yù)熱20 min，使其穩(wěn)定顯示測量溫度。插入式紅外輻射測溫儀傳感器與顯示儀安裝示意圖如圖2所示。

3測量結(jié)果不確定度評定

3.1測量原理

將測溫儀的剛玉管與二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶的測量端用細鉑銠絲捆扎成束，然后緩慢插入管式檢定爐最高溫區(qū)中心位置并加以固定，熱電偶的冷端經(jīng)冰水融體(0 ℃)或0 ℃恒溫器后，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶接入熱工儀表校驗儀對標(biāo)準(zhǔn)熱電偶信號進行監(jiān)測。控制爐溫從800 ℃～1 600 ℃進行選點測量。選取中間溫度點1 200 ℃進行本裝置的不確定度評定。待檢定爐在各個溫度點穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)記錄，記錄插入式紅外輻射測溫儀二次儀表的顯示值、監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)器熱工儀表校驗儀顯示值以及檢定爐控溫顯示示值。

3.2測量模型

本裝置示值誤差按下式進行計算：

Δt=t-t0

(1)

式中：Δt為被檢插入式紅外測溫儀示值誤差，℃；t為測溫儀讀數(shù)的平均值，℃；t0為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶讀數(shù)實際溫度，℃。

3.3靈敏度系數(shù)

C1=?Δt/?t=1，C2=?Δt/?t=-1。

4標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源分析

在量值傳遞過程中，不確定度的來源主要有測量裝置、測量人員、測量方法、測量環(huán)境和被測對象5個方面[6]。

4.1A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

插入式紅外輻射測溫儀短期重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用uA表示，自由度用νA表示。

4.2B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1)輻射源溫場不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u1表示，自由度用v1表示，包含因子用k1表示，不可靠性所占比例用η1表示。2)輻射源爐溫不穩(wěn)定引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u2表示，自由度用v2表示，包含因子用k2表示，不可靠性所占比例用η2表示。3)被檢插入式紅外輻射測溫儀的示值分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u3表示，自由度用v3表示，包含因子用k3表示，不可靠性所占比例用η3表示。4)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的不確定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u4表示，自由度用v4表示，包含因子用k4表示，不可靠性所占比例用η4表示。5)輻射源靶面不均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u5表示，自由度用v5表示，包含因子用k5表示，不可靠性所占比例用η5表示。6)標(biāo)準(zhǔn)器與被檢測溫儀測溫點之間的溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u6表示，自由度用v6表示，包含因子用k6表示，不可靠性所占比例用η6表示。7)電測系統(tǒng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u7表示，自由度用v7表示，包含因子用k7表示，不可靠性所占比例用η7表示。

5標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

5.1A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

在黑體爐裝置上，用插入式紅外輻射測溫儀在1 200 ℃點進行重復(fù)測量，在同一測量人員、同一測量環(huán)境、同一被測對象，短時間內(nèi)測得10次數(shù)據(jù)，見表1，由標(biāo)準(zhǔn)偏差計算公式求出本裝置A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的值。

表1　插入式紅外輻射測溫儀測量數(shù)據(jù)

將表1中測量結(jié)果代入下式，

則標(biāo)準(zhǔn)差

(2)

則A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：uA=0.67 ℃

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度自由度：vA=n-1=10-1=9

5.2B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度各項誤差源引入到裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量用下式求出：

ui=ai/ki

(3)

其中：ui—表示u1…u7(℃)；

ai—被測量可能值區(qū)間的半寬度a1…a7(℃)；

表2　B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總

5.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量自由度的確定

各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量自由度由下式求出：

(4)

其中：vi—表示自由度v1…v7；

ηi—表示不可靠性所占比例η1…η7(%)。

表3　標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的自由

5.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各項均不相關(guān)，因此不考慮相關(guān)項，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(5)

其中：uc—合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(℃)；

ui—表示u1…u7(℃)；

n—標(biāo)準(zhǔn)不確定度各分量。

將uA及表2中的各不確定度分量ui代入(5)式中得：

=1.64(℃)

5.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的有效自由度

為了進一步求出擴展不確定度的包含因子k，首先用下式計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的有效自由度：

(6)

式中：veff—合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的自由度；

ui—表示uA、u1…u7(℃)；

vi—表示vA、v1…v7。

將uc、uA、vA及表3中各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的自由度vi，代入式(6)得：

=26

5.6擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度U

取p=95%，按veff=26查t分布表，得包含因子：k=t(0.95)(26)=2.06

則擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度：U=kuc=2.06×1.64=3.4(℃)(k=2.06,veff=26,p=0.95)

6小結(jié)

插入式紅外輻射測溫儀是高溫測量領(lǐng)域新型測溫儀儀，本文通過對插入式紅外輻射測溫儀1 200 ℃ 測溫點進行不確定度評定與分析，指出了使用時各分量對測量結(jié)果的影響，以便使用時應(yīng)盡量減少各可控因素對測量結(jié)果的影響量，提高測溫儀測量精度。同時，也為后續(xù)編寫《插入式紅外輻射測溫儀技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]姜世昌.紅外測溫技術(shù)[J].自動化儀表，1996(17):4.

[2]王魁漢.高溫?zé)犭娕技疤厥鈭龊舷碌臏囟葴y量技術(shù)[J] .儀器儀表,2003(3):13-17.

[3]陳素,康志茹,靳辰.插入式紅外輻射測溫儀校準(zhǔn)方法的研究[J]. 計量技術(shù)，2010(10)：44-46.

[4]周慶福,楊永軍,呂國義.紅外輻射測溫儀及校準(zhǔn)方法探討[J].計量技術(shù)，2008(4)：34-35.

[5]楊永軍.溫度測量技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展概述[J].計量技術(shù)，2009(29)：64-65.

[6]李金海.誤差理論與測量不確定度評定[M].北京：中國計量出版社，2003.

Uncertainty Evaluation of Plug-infrared Radiation Thermometer

LAO Xin-yu

(Assets and Logistics Administration Section, Chengde Petroleum College,Chengde 067000, Hebei, China)

Abstract:Plug-infrared radiation thermometer is a new high-temperature thermometer, and is widely used in industrial production process. This paper describes the working principle and installation composition of plug-infrared radiation thermometer. Furthermore, the uncertainty evaluation of the plug-infrared radiation thermometer is presented.

Key words:plug-infrared radiation thermometer; working principle; uncertainty evaluation

基金項目：國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會科研項目(插入式紅外輻射測溫儀技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究)：20080112-T-604

收稿日期：2015-11-25

作者簡介：雒新宇(1989-)，男，滿族，河北承德人，承德石油高等專科學(xué)校資產(chǎn)與后勤管理處助教，碩士，主要研究方向為無損檢測、測控技術(shù)與儀器等。

中圖分類號：TH81

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-9446(2016)02-0036-05