铁路专用轻便型红外测温仪检定方法的探讨

浦丽华 上海铁路局科研所

铁路专用轻便型红外测温仪检定方法的探讨

浦丽华 上海铁路局科研所

从铁路专用轻便型红外测温仪的工作原理出发，介绍JJG（铁道）149-2005《铁路专用轻便型红外测温仪》检定规程对检定工作的有关规定。分析检定规程中未详细阐述检定位置、分辨力和环境温度对检定结果的影响，指出计量检定人员在实际检定过程中应注意这类影响以减少测量误差。

铁路专用轻便型红外测温仪；检定规程；测量误差

1 引言

上世纪90年代，铁路部门开始使用铁路专用轻便型红外测温仪（以下简称红外测温仪）检测列车轴温。铁路计量主管部门为加强对红外测温仪的管理，制定了检定规程JJG（铁道）149-2005《铁路专用轻便型红外测温仪》（以下简称铁专规程），规定用于铁路机车、车辆轴温和铁路其他设备温度的非接触式快速测量的红外测温仪须经计量检定合格后才能投入使用。

计量检定人员根据铁专规程开展红外测温仪检定工作时，会碰到一些铁专规程中尚未明确规定但对实际检定结果有影响的问题。为做好红外测温仪的检定工作，有必要对铁专规程中未明确的内容进行探讨和统一。

2 红外测温仪的工作原理

一切温度高于绝对零度的物体都在不断地向周围空间发出红外辐射能量。以热辐射基本定律为工作原理，利用物体的辐射强度与温度的函数关系，制成了非接触式测量物体温度的红外测温仪。

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，如图1所示。光学系统将被测目标的红外辐射能量汇聚到光电探测器上，光电探测器将接收到的红外辐射能量转化为电信号，而该电信号经信号放大器及信号处理后换算成被测目标的温度值后显示出来[1]。

图1 红外测温仪工作原理[2]

3 检定过程中应注意的问题

铁专规程对红外测温仪的检定工作包括外观、通电检查和基本误差等3个项目，规程中对检定方法、基本误差要求等给出了明确规定，但对于检定过程中检定位置、发射率问题及环境条件等因素未确切给出实施方法，应对这些问题进行探讨。

3.1 检定位置的确定

铁专规程中5.3.2.1规定测量时“应将测温仪置于其使用说明书规定的距离范围内并对准辐射源靶心”，在确定检定位置（被检红外测温仪与黑体辐射源的距离）时需考虑以下两个因素的影响。

3.1.1 光学分辨力的影响

光学分辨力是测温仪到目标之间的距离D与测量视场直径S之比[4]，如图2所示。在实际检定过程中，标准器黑体辐射源的直径是固定的，需根据被检红外测温仪的光学分辨力计算检定距离。检定距离太远，红外测温仪不能吸收汇聚视场内的辐射能量，测量数据不准、引起过大的测量误差。

图2 红外测温仪的光学分辨力

3.1.2 视场的影响

红外测温仪的探测器接收测量视场内的辐射能量，并将其转化为数字显示视场内的温度，如图3所示。但测量视场之外的区域（物体）也会产生辐射能量，这也会对红外测温仪的检定产生影响。为解决这个问题，一般要求被测目标的尺寸超过测温仪视场的50%，也就是在检定红外测温仪时建议黑体辐射源的靶面直径B大于或等于被测红外测温仪视场直径S的1.5倍。情况下计算测量误差时应将发射率不一致造成的测量误差进行修正。

根据黑体辐射的普朗克定律和斯忒藩-玻耳兹曼定律，对于目前最常见的发射率设定为0.95固定值的温度计是（8～14）μm光谱响应的宽带温度计，

图3 红外测温仪光学分辨力的正确应用[2]

以铁路系统常用的一款计量标准器黑体辐射源为例，靶面直径B为100mm，则视场直径S=100mm/1.5=66.67mm，在检定VC305型红外测温仪（D∶S=8），检定距离D应小于533 mm，超出该范围将引入过大的测量误差。

因检定位置（距离）的不同，红外测温仪的测量误差将不尽一致。为尽量减少由于检定位置（距离）引起的测量误差，应遵循上述原则，并建议在检定证书中注明检定时的检定距离以供使用人员参考。

3.2 发射率的影响

铁专规程5.3.2.1指出在检定红外测温仪时“有发射率调整功能的测温仪应将发射率调至1”。这种规定是基于假设计量标准器黑体辐射源的发射率为1。但是目前国内外所用的各种黑体均是“人工黑体”，发射率接近1但永远小于1；发射率为1的黑体可以称作理想黑体，在地球自然环境内，理想黑体可以说是不存在的[5]。因此在具体开展检定工作时，应根据标准器黑体辐射源溯源证书中的信息以及红外测温仪是否具有发射率调整功能等情况区别对待。

第一种情况：标准器溯源证书中直接给出标准器发射率为0.95时的实际值，此时该值可作为校准发射率设置为0.95的红外测温仪的标准值。这种情况下可将红外测温仪的测量值直接减去标准器在该点的标准值作为测量误差。中国计量科学研究院、上海市计量测试技术研究院出具这类能够直接给出“可作为校准发射率设置为0.95的（8～14）μm辐射温度计的标准值”溯源证书。

第二种情况：标准器溯源证书中给出标准器发射率为1时的实际值，此时该值可作为校准发射率设置为1的红外测温仪的标准值。这种情况下可将红外测温仪的测量值直接减去标准器的标准值作为测量误差。

第三种情况：标准器溯源证书中给出标准器发射率为1时的实际值，但红外测温仪的发射率不为1且不可调。这种

式中：

ε--红外测温仪的发射率设定值；

λ--真空中的波长；

Tin--红外测温仪示值；

Lb（λ，T）--温度为T的黑体辐射源的光谱辐射亮度；Tam--环境温度；

R（λ）--红外测温仪的相对光谱响应度。

此时示值偏差△tc为

式中：

Tin--红外测温仪示值；

Tbb--黑体辐射源温度。

根据式（2）、（3），计算当环境温度Tam为20℃时，示值偏差△tc的结果见表1。

表1 典型计算结果[6]（单位：℃）

目前，铁路系统内大多适用第一种情况，第二种情况只是关于发射率的理想状态，第三种情况符合理论研究和实际应用但在一般检定过程中较少应用。

3.3 环境条件的影响

铁专规程5.2.2对于检定时的环境条件规定如下"检定时环境温度为（20±3）℃，相对湿度不大于85%，无强环境辐射、无强空气对流"，同时铁专规程5.3.2要求“测温仪的检定应在测温仪与环境温度等温后进行”，但是具体等温多少时间并未给出要求。而我们在查阅红外测温仪产品说明书时发现，一般说明书中都有对产品环境适应性的要求，也即是在不同环境温度中进行测量时均需将产品放置10min以上以便适应新环境（不同生产厂家对建议放置时间不同）。因此在综合考虑产品环境适应性要求以及元器件稳定性等要求，为减小环境条件对测量结果的影响，建议检定红外测温仪时应：①将被检红外测温仪在规定环境条件下等温2h及以上。②调低实验室空调风速或改变空调风向，避免空气对流造成的测量误差。

4 结束语

JJG（铁道）149-2005《铁路专用轻便型红外测温仪》制修订时间较早，鉴于近些年国内外关于辐射理论研究取得的新成果以及国内开展关于辐射温度计检定系统框图的修订工作，建议下次修订铁专规程时可增加关于检定位置、分辨力和环境条件等内容，以便广大铁路计量检定人员开展红外测温仪的检定工作。

[1]郑子伟.红外测温仪概述[J].计量与测试技术，2006（10）

[2]王彦春等.铁路计量技术与管理[M].北京：中国铁道出版社.

[3]JJG（铁道）149-2005.铁路专用轻便型红外测温仪.

[4]张钦.红外测温仪的工作原理及检定数据处理方法探讨[J].计量与测试技术，2008.

[5]李吉林、肖功弼、俞伦鹏.辐射测温和检定/校准技术[M].北京：中国计量出版社，2009∶216～217.

[6]原遵东等.发射率设定值不为1的辐射温度计的校准[J].计量技术，2007（5）.

责任编辑：王华 张勇慧
来稿日期：2014-02-11