光电高温计在使用中存在的问题及改进

宋学青

（云南省计量测试技术研究院，云南 昆明 650228）

1 引 言

辐射温度仪是非接触式测温仪表，根据物体的热辐射效应原理来测量物体表面温度的，它广泛适用于冶金、化工、机械、硅酸盐行业中连续对各种熔炉、高温窖、盐浴池等场合的高温测量，以及其他不适合装置热电偶的地方。

热辐射温度计是以物体的辐射强度与温度成一定的函数关系为基础的。利用这种原理制成了各种形式的辐射温度计，标准光电高温计和标准光学高温计也是属于辐射温度仪。辐射温度计的量传，国家有计量检定系统表和相应的检定规程。计量检定系统表为JJG 2004-1987《辐射测温仪计量器具检定系统框图》，此计量检定系统表对辐射温度仪计量器具的量传做了技术规定，是辐射温度仪量值传递及量值溯源的依据之一。因此此系统表关乎到辐射温度仪量值传递的准确可靠。在此量传系统表中，光学高温计和标准光电高温计都是计量标准器具，承担着量值溯源和传递的重要作用。光学高温计温度标定是用人眼比色测温，由于人体生理的差异，会产生主观视觉误差。光电高温计正是为解决人体主观视觉误差而设计的后一代产品。它能进行亮度自动平衡，从而达到快速测温、消除视差。光电高温计虽然消除了人眼视觉误差的问题，但在设计上，未充分考虑量传时，溯源器具（钨带灯）与传递器具（黑体炉）间不同辐射源靶材不同、外形不同、靶面形状不同，经光电高温计的物镜汇聚到调整镜上的焦点会有所不同，进入的能量、波长也会不同，从而导致聚焦能量也会不同，因此标准光学高温计和标准光电高温计在对黑体炉进行量值传递时示值不等。大量试验表明，标准光学高温计和标准光电高温计在量值传递和溯源链中量值的一致性存在一些问题。

2 原理介绍

《辐射测温仪计量器具检定系统框图》见JJG 2004-1987，从图中看到，在计量标准器具等级中，标准光电高温计和标准光学高温计的量值，均是由工作基准钨带温度灯组进行量值传递，再向黑体炉比较传递量值，最后传递给光电测温仪、比色测温仪等辐射测温仪。标准光电高温计和标准光学高温计在量值传递框图中处于同一等级，发挥着同样的作用。因此两种计量标准器具在传递中所传递的量值的一致性显得尤为重要，如果不一致，将会导致同一辐射能产生不同的温度量值，这将给量值的准确传递带来问题。

将光学高温计和光电高温计比较发现：光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，而且不能进行连续测量和记录，其测量结果又带有人眼及操作者的主观误差，而光电高温计，是采用光电器件（光电倍增管）代替人眼，进行亮度自动平衡，感受辐射源的辐亮度温度变化，从而达到自动平衡、连续测温的目的。

20世纪80年代，由中国测试技术研究院组织的几次西南大区四方（云、贵、川、云南仪表厂）技术机构光学高温计比对工作中（用工作基准钨带灯作为标准源），发现：由于使用光学高温计时，因其工作原理是用人工操作来完成亮度比色测温，经过比对发现，由不同测量人员测量所引入的系统误差，在800℃时为最大（色温较暗，难以辨别的一致），为6℃左右，而在金点（1064℃）时，测量造成的误差最小，为2℃左右。而当时副基准钨带灯组向工作基准钨带组的量值传递是由精密光学高温计实现的，其测温原理也是采用人工操作来完成亮度比色测温工作。为解决钨带灯和光学高温计量传时，测量结果带有操作者的主观误差，而且不能进行连续测量的缺陷，由中国测试技术研究院与云南仪表厂共同研制生产了WGD-1型精密光电温度计，采用光电器件把辐射能量转变成电信号，借助电子放大器测量光电流的大小来测出被测物体的温度。到20世纪80年代末期，标准光电高温计进入了我国辐射测温仪计量器具检定系统框图。在用合格的光电高温计与工作基准钨带灯为标准进行的比对工作显示，其系统误差比光学高温计明显减小，由人眼引入的误差已经消除。

光电高温计虽然解决了人眼识别引入的误差，由于当时关注的焦点是在消除视觉误差，而未考虑到当它向黑体炉进行量值传递时其自动测温原理恰恰也是产生误差的根源。

3 问题的提出

根据JJG 1032-2007《标准光电高温计检定规程》，规定了使用范围要求:本规程适用于工作基准钨带温度灯对测量范围在800℃～3 200℃内工作波长约为660nm的标准光电高温计的首次检定、后续检定和使用中检定。由此可见，在要求的温度范围内的量值传递，是在一固定的波长段下，即中心波长为660nm处实施检定的。光学高温计是在接近“单色光”的条件下进行亮度比较而得出被测温度的，所以在光学高温计的结构上，应保证有一个固定的有效波长装置。有效波长一般选择0.66μm的红光区域，将不同的亮度转化为相应的温度，不同的温度代表不同的亮度，其亮度和温度间有对应关系。

虽然光电高温计和光学高温计均是基于普朗克定律，但在接收片状辐射源（钨带灯）亮度和立体辐射源（黑体炉）辐射强度测温时，由于物镜的光学成像结果会有所不同，即会产生聚焦点不准的问题，势必影响到接受到的辐射能也会不同，经转换后的温度值也会有所不同，在理论分析和实际测量中其差异已经表现出来。

（1）发射源形状的不一致带来的误差。当标准光学高温计向工作基准钨带灯溯源和向黑体炉量传时，它接受的是辐射亮度，因此从工作基准钨带灯到黑体炉由于均是主观测量，影响不大，也能满足量传系统表上δ值的要求。但当使用标准光电高温计测量时，由于光电高温计接受到的钨带灯光源是片状的辐射源，也可以理解为是一个平面的有固定入射角的辐射源。而黑体炉是全波长的立体的辐射源，何况此立体辐射源来自黑体炉腔体不同的部位，使各点辐射源与光电高温计的物镜距离有远有近，不能以类似钨带灯平面的辐射形式，与物镜保持在同一距离。况且由于不同形状的黑体炉，通过物镜和调制镜汇聚到达探测元件的能量是不同的，每单位通量入射光也会不同。由于接收平面物镜成像和立体物镜成像，所产生的辐射强度和相应的电流值与实际结果是有差异的，因此产生了测温偏差。

（2）光电高温计接收辐射源“对位”不准带来的误差。光学高温计在向工作基准钨带灯溯源和向黑体炉传递量值时，所接受的都是光的亮度，都是以色温作为测量的依据，人眼进行主观判断测量，因此在溯源传递链中没有问题。光电高温计在溯源和传递时，所接受的是光辐射能，而不是亮度。对光电高温计的光学系统进行分析，发现经光学物镜成像时，接受基准钨带灯薄带状物象，在调制镜上的成像是汇聚为点状，探测元件接受的辐射强度很容易做到“对位准确”。但在接受黑体炉立体物象时，经光学物镜成像时调制镜上的成像为团状，因此探测元件上接受的辐射强度存在不一定是温度中心的问题，也就是存在“对位不准”的问题，何况黑体炉有很多种形状，如球形、圆柱型、锥形等。不同形状的黑体炉会产生不同夹角的辐射能，何况辐射能的发出与物镜的距离有远有近，这给光电高温计在测温时物镜的成像也会带来不同。因此对位不准的问题会更加明显。由于标准光电高温计的自动平衡原理，无法对对位不准的问题进行自动修正，导致了在溯源时接受工作基准钨带灯时的片状辐射源与传递时接受黑体炉的立体辐射源所汇聚到光电器件上的辐射能其情况是有差异的，可能相同的温度会测出不一致的辐射能。

（3）发射靶台材质不同带来的误差。不同的材质，会有不同的辐射光谱，其辐射能也会有所不同。光电高温计在向黑体炉传递时，是面对不同材质的黑体炉，不同材质靶台的辐射光谱与溯源时的钨带光谱也会不同。光电倍增管对光谱的变化十分敏感，由于溯源和传递材质的不一致，导致了光谱的不一致，光电倍增管接受的辐射能也不一致，因此光电高温计量在量传时会产生测量误差。

由于存在“对位”不准和“聚焦”情况以及材质不同等问题，经数次实验（用不同形状的黑体炉）结果表明：用光电高温计对黑体炉测温时，与黑体炉的实际温度的偏差超出了标准光电高温计的总不确定度（比黑体炉实际温度偏高13℃以上）。当黑体炉的非等温特性明显时，随着辐射温度的升高，此偏差变得更大。也就是说，光电高温计在向黑体炉量传时，是难以达到量传要求的。因此虽然光电高温计解决了亮度自动平衡、快速测温、消除视差的问题，但在量值传递中，能否确保所传递的量值准确可靠，却仍存在一些问题。

其次，从量传系统表上可以看到，工作基准钨带灯组的温度量传范围为800℃～2000℃，而标准光电高温计和标准光学高温计的温度量传范围为800℃～3200℃，2000℃～3200℃间的量传通过直接传递是不能实现的，因此此高温段是通过计算的方法，这给高温段准确的量传带了问题。为了达到全温度范围内实物传递的目的，应建立高温黑体标准，对传递方法、传递要求等做出明确规定，以便完善量传。

4 对问题的思考

如何将测量原理做些改进，以保证量值得到准确传递。思考其原因有以下几点：

由于光电高温计在量值传递框图中，与光学高温计处于同一地位，因此应尽可能将光电高温计与光学高温计之间的差异进行消除。通过试验、比较发现：

（1）光电高温计和光学高温计向黑体炉量传时，所产生的系统误差不同，无法确定是哪一个量值更准，由此会带来量值传递的混乱，也换句话说，向黑体炉传递量值的标准有两个，而当两个标准器传递的量值又不一致时，难以确定哪一个量值更准确。因此在传递链中显然有些问题。

（2）光电高温计由于设计时先天有缺陷，导致在向黑体炉量传时，量值很容易超出了量传系统框图要求的总不确定度。

5 解决的办法

由于光电高温计是针对光学高温计存在的问题而设计的，因此当标准光电高温计向黑体炉进行量值传递出现问题时，可以考虑研制、使用特制的高质量光阑（一片或两片）加装在黑体炉的腔口前，经过光阑的转换，使经过光阑后的不同形状的立体辐射源能形成与工作基准钨带灯片状辐射源基本一致的辐射源，在调制镜上汇聚成和钨带灯类似的点光源，以达到消除黑体炉立体辐射源形状与钨带灯片状辐射源形状不一致导致的聚焦后能量不同及对位不准所带来的测量误差的目的。

6 结束语

我国的国家计量检定系统表和计量检定规程是确保量值准确传递的技术依据，国家计量检定系统表也是制定相应计量检定规程的依据，如何保证光电高温计在接受任何形状的辐射源，其能量均能转化为相同的温度，这是实现辐射测温仪计量器具准确量传的重要问题。

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