7-变温黑体辐射源溯源方式探讨-计量院-原遵东

第六届全国温度测量与控制技术学术交流会会议论文集-45-变温黑体辐射源溯源方式探讨原遵东,王景辉,郝小鹏,邢波,柏成玉,王铁军（中国计量科学研究院，北京100013）摘要：变温黑体辐射源是辐射温度计检定与校准中最常用的辐射源。绝大多数中低温变温黑体辐射源采用接触温度计作为溯源标准器。本文总结了辐射源的溯源方法，重点讨论了辐射测温溯源方法，包括以标准辐射温度计为参考和辐射源直接比较法亮度温度溯源方式，比较了各溯源方法的特点。简要介绍了中国计量科学研究院在研课题的辐射源多波长（波段）亮度温度溯源方案。关键词：计量学；辐射测温；黑体辐射源；溯源；亮度温度TraceableapproachesofvariabletemperatureblackbodyradiationsourcesYuanZundong，WangJinghui，HaoXiaopeng，XingBo，BaiChengyu，WangTiejun（NationalInstituteofMetrology,Beijing100013,China）Abstract：Variabletemperatureblackbodyradiationsources(VTBB)arethemostcommonusedsourcesintheradiationthermometerverification.ThemostofmediumtemperatureVTBBsusedacontactthermometerasthetemperaturereference.ThisarticlesummarizesthetraceableapproachesofVTBBs,anddiscussesthetraceableapproachesofradiancetemperaturesofVTBBs,includingthereferenceradiationthermometermethodandthesourcedirectivecomparisonmethod,andthecharacteristicsofdifferentmethods.Thetraceabilityschemeofthemulti-wavelengthradiancetemperaturesofblackbodysources,whichisundergoingattheNIM,isintroduced.Keywords：metrology;radiationthermometry;blackbodyradiationsource;traceability;radiancetemperature0引言辐射测温是应用最广泛的非接触测温方法，近三十年来持续迅速发展。普朗克黑体辐射理论是辐射测温的理论基础。因此，辐射温度计的检定校准广泛采用变温黑体辐射源（无特殊说明时以下简称为黑体辐射源）作为标准装置。其辐射特性的有效溯源与评价是辐射测温量值准确与统一的重要保证。在以往的辐射测温检定系统表[1]中，黑体辐射源作为比较装置，被检辐射温度计与温度标准器通过黑体辐射源进行量值比较。在此传递方式下，工作用辐射温度计的现行检定规程有三项[2-4]，它们均以可单独溯源的接触式标准温度计或标准高温计为标准器，并对黑体辐射源的有效发射率做出规定。上述温度标准器按检定系统的规定溯源至国家温度基准。在国外，NIST、PTB、NPL和NMIA等国家计量院建立了标准黑体辐射源组，可提供黑体辐射源的亮度温度校准[5-8]。本文分析了我国辐射测温用黑体辐射源在量值传递系统中存在的问题，阐述了黑体辐射源的几种溯源方法，包含新的多波长亮度温度溯源方式，介绍了在研黑体辐射源溯源课题的研究目的与方案。1我国辐射温度计溯源现状1.1实际传递系统由于1990国际温标的实施，现在的实际辐射测温传递系统与[1]有所变化，但基本结构相同。黑体辐射源部第六届全国温度测量与控制技术学术交流会会议论文集-46-分的溯源与传递关系如图1所示。图1现行检定系统中黑体辐射源在传递链中的作用在检定系统表和有关规程中，黑体辐射源被视为被检辐射温度计与标准温度计进行比较的媒介。1.2存在问题随着辐射测温技术的发展与广泛应用，对辐射温度计的检定与校准需求越来越大，要求越来越高。同时大量黑体辐射源被用于辐射温度计的检定与校准。其中，中低温黑体辐射源所占比例很大。黑体辐射源的辐射特性主要由两个因素决定：黑体辐射源的温度和有效发射率。广泛使用的黑体辐射源可以分为两类：(1)配有可拆卸（可溯源）的温度标准器的黑体辐射源；(2)无可拆卸温度标准器的黑体辐射源。目前很多实用黑体辐射源属后者，不符合现行辐射温度计检定规程中对黑体辐射源的要求。对于有可拆卸接触式温度标准器的实用黑体辐射源，除少量热管黑体和恒温槽黑体外，绝大多数黑体辐射源的可拆卸接触式温度标准器的温度测量与黑体辐射源的黑体空腔腔底温度有明显偏差。该偏差可能随时间而变。目前光谱发射率测量水平远远不能满足辐射温度计检定/校准对黑体辐射源有效发射率的需求，因此，多数商用黑体辐射源的发射率指标仅为等温空腔模型下的设计指标。以往的研究已发现其数值与实际性能可能有较大的差异，很多黑体辐射源检定装置的性能评价却只能依赖黑体辐射源制造商给出的技术指标。有关规程对黑体辐射源有效发射率的最高要求为1±0.005，而且检定结果不需修正发射率偏离1的影响。此水平的辐射源在现阶段也属较高技术指标，但对于对8~14μm辐射温度计检定结果的影响在1000℃约为3.7℃[9]，对于最大允许误差为1%的温度计已超过最大允许误差绝对值的1/3。而且，黑体辐射源产品往往只是笼统给出发射率0.995或发射率0.995，而没有指出发射率估计值及其不确定度，一般未明确指出发射率指标是等温腔模型的设计指标还是实际指标，也未说明是全辐射发射率还是光谱发射率。综上所述，在辐射温度计的检定/校准中需要重点考虑的主要不确定度因素为：(1)黑体辐射源接触测温标准器测点与被检辐射温度计瞄准位置间的温度差；(2)发射率指标的确认；(3)发射率偏离1的影响。2黑体辐射源溯源方法将黑体辐射源（或与参考温度计的组合）视为计量器具，其可行的溯源方法如下：(1)以接触式温度计为参考温度计；(2)以辐射温度计为参考温度计；(3)黑体辐射源多波长(波段)亮度温度溯源。方法1是目前最为广泛采用的溯源方法，特别是对中低温黑体辐射源。前面所述测点温度差和发射率确认是采用该方法的突出问题。当采用热管或液体搅拌槽技术时，测点温度差可被很好地解决，黑体空腔的有效发射率计算也可采用等温模型计算。空腔设计和空腔涂料选择是关键性的。由于接触式参考温度计的不确定度优势，最高级别的黑体辐射源常采用这种方法。部分国家计量院以实验方法确定黑体辐射源的发射率特性[10-11]。标准光电高温计标准热电偶或铂电阻温度计光学高温计用黑体炉比较各种辐射温度计第六届全国温度测量与控制技术学术交流会会议论文集-47-对于实用的黑体辐射源，控制测点温度差和发射率风险是必要的。其手段包括与空腔相同涂料样品的发射率测试，采用溯源方法2和3的验证。方法2是高温黑体辐射源的主要的、乃至唯一的溯源方式。由于可基本上消除测点温度差和发射率在同波长（或波段）的影响，用于中低温黑体辐射源具有很大潜力，可用于不具备可溯源接触式参考温度计的黑体辐射源。采用不同波长的参考温度计或方法3进行一次性或多周期间隔的多波长亮度温度验证可减小光谱发射率选择性的风险。方法3将黑体辐射源本身视为计量标准器，在辐射测温常用波长（或波段）进行周期性的亮度温度校准。该方法回避了发射率测量的困难，又可有效消除或大幅减小测点温度差和发射率风险；也适用于不具备可溯源接触式参考温度计的黑体辐射源，但受黑体辐射源的运输局限性的限制。3种方法中，方法2用于中低温黑体辐射源和方法3在我国属新的溯源方式。黑体辐射源新的溯源方式框图见图2。图2黑体辐射源（VTBB）新的溯源方式初步采用新溯源方式需研究的主要问题：(1)标准黑体辐射源建立；(2)黑体辐射源多波长亮度温度校准方法；(3)黑体辐射源的控温重复性、稳定性、运输影响(含需拆卸件的重新安装影响)；(4)标准辐射温度计校准与稳定性。3国家计量院黑体辐射源溯源相关研究国家计量院在研制0.66μm标准光电高温计[12]后，研发了多种0.9μm和1.6μm标准辐射温度计[13-14]，并改进温度计性能[15-16]，为黑体辐射源的辐射测温溯源建立了良好基础。新型高温和中温固定点黑体的建立[17-18]和高温基准的提升[19-20]为标准辐射温度计的基准级溯源提供了基础。从2010年起国家计量院开展“黑体辐射源溯源系统建立”研究，该课题将于2012年完成-30~960°C标准黑体辐射源组和亮度温度比较法校准装置的建立。标准黑体辐射源组的设计参数见表1。亮度温度比较装置的测量波长（波段）包括0.66、0.9、1.5(或2.0)、4、8~14μm，基本上覆盖辐射温度计测温的常用光谱范围。该标准的预期标准不确定度为0.04~0.25°C。SPRT、STCSRT亮度温度比较SVTBBSRTSPRT、Au/PtTCFPBBsFPBB+R(λ)+NL各种辐射温度计、热像仪VTBBFPBB：固定点黑体R(λ)：响应度测量NL：非线性测量S：标准PRT：铂电阻温度计TC：热电偶VTBB：变温黑体RT：辐射温度计第六届全国温度测量与控制技术学术交流会会议论文集-48-表1黑体空腔参数表温区/℃均温方式腔径/mm发射率-30~50恒温槽800.999550~270水热管730.9995270~600Cs热管490.9995500~960Na热管490.9995近几年国家计量院在现有条件[21]下，尝试进行了黑体辐射源的多波长亮度温度校准。新的标准黑体辐射源组的建立，将显著提升对黑体辐射源的多波长亮度温度校准能力和对精密（标准）辐射温度计的校准能力，推动黑体辐射源新溯源方法的应用。参考文献[1]国家质量技术监督局.JJG2004-87辐射测温仪[S].北京:中国计量出版社，1987.[2]国家质量技术监督局.JJG856-1994500℃以下工作用辐射温度计[S].北京:中国计量出版社，1994.[3]国家质量技术监督局.JJG415-2001工作用辐射温度计[S].北京，中国计量出版社，2001.[4]国家质量技术监督局.JJG67-2003工作用全辐射温度计[S].北京，中国计量出版社，2003.[5]L.M.Hanssen.NISTradiancetemperatureandinfraredspectralradiancescalesatnear-ambienttemperatures.IntJThermophys,2008,29:1026–1040.[6]J.Hartmann.High-temperaturemeasurementtechniquesfortheapplicationinphotometry,radiometryandthermometry,PhysicsReports469(2009)205-269.[7]Machin,G.,Chu.B.,“Highqualityblackbodysourcesforinfraredthermometryandthermographybetween–40°Cand1000°C”,ImagingScience,48,2000.[8]Ballico.TheCSIRO-NMLradiationthermometrycalibrationfacility.Proc.TEMPMEKO042004.[9]原遵东.辐射温度计的等效波长及其应用[J].仪器仪表学报,2009,30(2):374-379.[10]M.Ballico.Asimpletechniqueformeasuringtheinfraredemissivityofblack-bodyradiators.Metrologia,2000,37,295-300.[11]L.