高溫輻射溫度計激光能量校準方法探討

高溫輻射溫度計激光能量校準方法探討

摘要 根據輻射測溫的基本原理，提出了一種新的高溫輻射溫度計校準方法。利用黑體輻射能量與溫度之間的確定關系，由激光輻射源模擬發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校準過程中的黑體爐作為校準輻射溫度計的輻射源，從理論上解決了用黑體爐無法對3 200 ℃以上高溫輻射溫度計進行校準的問題。 給出了激光輻射源校準裝置的設計方案和校準方法，并評定了校準結果的不確定度。
1 引言?
對輻射溫度計的校準、檢定，通常采用比較法，就是通過高穩 定度的輻射源（通常為黑體輻射源）和其他配套設備，將標準器所復現的溫度與被檢輻射溫度計所復現的溫度進行比較，以判斷其是否合格或給出校準結果。
在校準、檢定工作中，輻射源一般在-6～1 200 ℃（或1 600 ℃）范圍內可用開口式 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的高溫黑體爐。標準器分別為二等標準熱電偶（二等標準鉑電阻溫度計）和標準光學（光電）高溫計。
目前，國家檢定系統表上3 200 ℃以上部分沒有相應的傳遞系統。但是，根據型號任務 的需要，有些單位已經研制、使用了測溫上限超過3 200 ℃的輻射溫度計。對這些溫度計進 行 校準、檢定時，輻射熱源作為標準與被檢之間的比較介質是非常重要的。其主要技術指標為：溫度范圍、穩定度和有效發射率。現在的黑體輻射源通常為黑體爐，在現有的技術條件下，由于受制造加熱器、黑體空腔的材料耐溫性限制，其溫度范圍只能達到-60～3 200 ℃ ，無法用于檢定測溫上限超過3200 ℃的輻射溫度計。
激光能量法是本文提出的一種新的校準方法。根據此原理建立相應的激光輻射源校準 裝置，將可實現對測溫上限超過3200 ℃的輻射溫度計的校準、檢定。
2 工作原理
輻射溫度計是依據物體輻射的能量來測量溫度的儀表。根據輻射理論，任何物 體只要不處于絕對零度（-273.15 ℃），那么在其他任意溫度下都存在熱輻射。處于熱平衡 狀態的黑體在半球方向的單色輻射出射度是波長和溫度的函數。
在一定的波長下，黑體的單色輻射出射度是溫度的單值函數，可以通過某一波長下的單色輻射出射度的測量來得出黑體的溫度。這就是輻射測溫學的理論基礎，黑體輻射的普朗克定律。
在實際測量中，輻射溫度計的單色器不可能是完全單色的。而且，探測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法作出響應。同時，實際被測物體也不是黑體。
測溫時，將輻射溫度計瞄準被測物體，輻射溫度計的探測器接收到被測物體所輻射的能量，經信號處理電路轉換為相應的電信號或進一步通過顯示器直接顯示出被測物體的溫度值。
根據以上輻射溫度計的測溫原理，可尋找出輻射能量的波長 在［λ1，λ2］范圍內的輻射源；輻射能量對應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，輻射能量連續可調，輸出的輻射能量較高。
由于激光器發射對應于黑體在幾千攝氏度高溫時所發出的輻射溫度計有效波段內的輻射能量時，激光器本身的溫度是達不到幾千攝氏度的，特別是用于校準的激光器功率較小，因此自身的溫度很低。這樣，激光器所發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，選擇工作波長在輻射溫度計有效波長范圍內的激光器，來模擬溫度輻射在某一特定溫度和輻射溫度計有效波段內的黑體輻射能量，使輻射溫度計所接收到的激光能量與此特定溫度的黑體在輻射溫度計有效波段內的輻射能量相等，把激光器的輸出能量與特定溫度聯系起來，可取代常規校準過程中的黑體爐作為校準輻射溫度計的輻射源。激光器的輸出能量由標準激光功率計進行校準，標準激光功率計的標準值可通過測量電量的方法準確獲得。
用標準激光功率計作為標準器，校準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所接收到的黑體輻射能量相等，從而將通常情況下校準輻射溫度計的標準器由準確度高一等級的溫度計改為標準激光功率計，由激光器代替黑體輻射源，實現了高溫輻射溫度計的校準，這就是激光能量法校準輻射溫度計的基本原理。此激光器可稱為激光輻射源。
3 激光能量法的特點
激光能量法具有幾下特點：
a) 激光輻射源本身的溫度可以很低，避免了現有黑體輻射源因本體材料的耐熱性導致的 溫度上限不能超過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足輻射溫度計對高溫校準的要求。
b) 使用方便。從鍵盤輸入輻射溫度計光學系統的通光孔徑r，輻射溫度計與被測目標的 距離R為1 000 mm時，目標能夠輻射到輻射溫度計面積S，光學系統光譜范圍的上、下限波長λ1，λ2 和溫度值T0i后，激光輻射源即可直接輸出對應于溫度T0i的輻射能量φ0λ1,λ2（T0i）。
c) 激光能量法屬于絕對法校準，不需要標準溫度計。同時，也不同于一般的絕對法校準，不需要定義固定點和內插方程。采用標準激光功率計作為標準器，通過激光輻射源的輸出能量來獲得對應于熱力學溫度T0的輻射能量φ0λ1,λ2(T0i)。標準激光功率計對激光輻射源的輸出能量進行測量，并進行自校準。
d) 節省時間。激光輻射源沒有升溫和恒溫過程，所以可實現快速校準、檢定。
e) 校準時，可不考慮輻射溫度計的距離系數。
f) 激光能量法主要用于高溫范圍輻射溫度計的校準、檢定，所以不必考慮環境輻射的影響。
4 問題討論
激光輻射源輸出激光的波長應在輻射溫度計的有效波長范圍之內。由于激光輻射源不是黑體輻射源，所以輸出激光的波長必須與輻射溫度計相適應。也就是說，一臺通常單頻率的激光輻射源不能滿足校準所有輻射溫度計的需要。在校準裝置中，工作波長不同的多臺激光輻射源可共用一套控制系統。若采用頻率可調的激光器可克服此問題。
校準時，應注意輻射溫度計與激光束的同軸。因為激光束很窄，若瞄準不好可能使激 光束打不到探測器上。
在不確定度的評定過程中，由于條件所限，沒有考慮輻射溫度計光學系統光譜透過波長的測量誤差問題。因波長測量誤差會導致輻射能量的計算誤差，最終對校準結果產生影響。同時，也沒有考慮輻射溫度計光學系統的通光孔徑r，輻射溫度計與被測目標的距離R為1 000 mm時，目標能夠輻射到輻射溫度計的面積S的測量誤差，這兩項誤差將對計算輻射能量直接產生影響。對此，將在今后的研究中加以解決。
對激光能量法與黑體輻射源法校準輻射溫度計的差異還有待理論及實踐的探討與研究 。論文出處(作者):
淺談能源經濟發展過程中的政策因素
選修論文-有色金屬行業節能減排現狀與戰略

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