测量距离影响辐射温度计检定结果的实验研究

栾海峰， 王 征

（江苏省计量科学研究院，江苏南京 210007）

测量距离影响辐射温度计检定结果的实验研究

栾海峰， 王 征

（江苏省计量科学研究院，江苏南京 210007）

针对测量距离对辐射温度计检定结果的影响进行了实验研究，给出了几种所选择的常用的辐射温度计的实验数据和分析图表。确定了辐射温度计的最佳测量距离是在离开黑体辐射源靶面0.3～0.5m范围内。

计量学；辐射温度计；测量距离；黑体辐射源

1 引 言

黑体的光谱辐射亮度是温度和波长的函数。辐射测温学的理论基础普朗克定律表达式为：

式中：Lb（λ，T）为温度为T的黑体的光谱辐射亮度，λ为在真空中的波长，T为热力学温度，第一辐射常数c1＝3.741 8×10－16W·m2，第二辐射常数c2＝1.438 8×10－2m·K。

长期以来，在短波下进行高温测量是辐射测温的传统方式［1］。随着科学技术进步，辐射测温的一个重要发展趋势是向中低温和长波方向拓展［2］。测温范围的扩展导致了辐射温度计的应用领域不断扩大和应用数量的急剧增加。这对辐射温度计的检定或校准提出了新的更高的要求。

目前，市场上具有众多类型的辐射温度计，最常用的波长范围为8～14μm。它们主要可以分为两类：一类是发射率可调整至1.00的辐射温度计；另一类是固定发射率（例如0.95）的辐射温度计。经统计，前者的市场占有量约为70%左右。因此，对此类温度计的检定进行实验研究对于温度量值的准确与统一具有一定的意义。

影响检定结果的因素较多，例如发射率、目标尺寸、测量距离、波长范围、响应时间、环境条件等等［2，3］。其中，测量距离对检定或校准结果的影响最为明显。本文针对发射率为1.00的辐射温度计进行实验研究。通过实验方法获得多组数据，建立测量距离对检定结果的数学模型，得出最佳测量距离。

2 实验方法

如图1所示，测量距离的选择主要考虑辐射温度计的距离系数（光学分辨率）D∶S，即温度计探头到目标之间距离D与被测目标直径S之比［4］。在实际检定工作中，测量距离为温度计的光学镜头到

图1 辐射温度计检测光路

黑体辐射源腔底即靶面的距离［5］。选择574CF型和RAYST80型辐射温度计进行实验，考虑到黑体辐射源的靶面实际直径为4 cm，且为了保证目标面积超过视场面积的50%［6］，可计算出S＝1.6 cm。由于这两种型号的辐射温度计的距离系数均为50∶1，则测量距离D＝80 cm，即理论上测量距离只要在0.8 m范围内，此类辐射温度计的检定都是可以进行的。为了验证这一推论，研究测量距离对辐射温度计检定结果的影响，选择测量距离在0.3～1.0 m范围内的不同位置进行实验。

考虑到574CF型与RAYST80型辐射温度计的量程分别为0～900℃和－32～760℃，因此选择0～900℃范围内的不同温度点进行实验。

3 实验数据及分析

选择574CF型与RAYST80型这两种8～14μm波长的辐射温度计进行实验，得到了多组在不同测量距离、不同温度点的辐射温度计示值的实验数据。为了便于比较，将温度计示值与标称值相减，得到各测量距离各温度点上的示值误差，见表1和表2，并且计算出各温度点上不同测量距离时温度计示值的最大最小值之差，即表中的差值列。

表1 574CF型温度计示值误差实验结果

表2 RAYST80型温度计示值误差实验结果

由于这两种型号的辐射温度计的准确度等级均为±1℃或±1%读数，为了便于分析，在表格中将示值超差的数据用黑体标出。表中实验结果均已考虑了发射率、标准器等因素的修正［7，8］。

由表1、表2的数据可以看出：

（1）随着测量距离的增大，0℃（室温以下）时温度计示值越来越大；50～900℃（室温以上）时温度计示值越来越小，且随着温度点的增大，减小的幅度越来越大，这种越接近黑体辐射源腔口，温度计示值越大的现象，符合辐射测温中的信号最大化原理。

（2）在50℃温度点，测量距离对检定结果的影响较小，随着温度点的降低和升高，测量距离对检定结果的影响越来越大，即检定时温度点偏离环境温度越大，测量距离对检定结果的影响越大。

（3）与推论相比，测量距离为0.8 m时，除了50℃、100℃两个温度点，其他温度点的示值均已超差；测量距离为0.7 m时，574CF型温度计400～800℃温度段，RAYST80型温度计400～600℃温度段示值超差；测量距离为0.6 m时，574CF型温度计400～500℃温度段示值超差，RAYST80型温度计示值虽未超差，但其示值误差也较大，由此可以看出对于574CF型温度计的测量距离在0.3～0.5 m范围内较为合适，最佳测量距离为0.3～0.5 m，同时也可认为RAYST80型温度计的最佳测量距离为0.3～0.6 m。

选择常见的不同型号发射率1.00、波长8～14 μm的辐射温度计进行了实验，具体的实验结果见表3。

表3 不同型号的辐射温度计的最佳测量距离

由表3可以看出，对于此类辐射温度计，虽然测温范围和距离系数互有不同，但最佳测量距离可以认为均在0.3～0.5 m范围内。在实际检测中，如无特殊要求，一般选择该范围内的某一值作为测量距离进行检测。

4 结论与讨论

本文针对实际检测中最为常见的发射率1.00、波长8～14μm的辐射温度计，实验研究了测量距离对辐射温度计检定结果的影响，从而得到以下结论：

（1）最佳测量距离为距离黑体辐射源靶面0.3～0.5 m范围内；

（2）随着测量距离的增大，室温以下的温度点示值越来越大，室温以上的温度点示值越来越小，且随着温度点的增大，偏离的幅度越来越大，这一趋势符合辐射测温中的信号最大化原理；

（3）在低温段，测量距离对测量结果的影响较小；在中高温段，测量距离对测量结果影响显著，且随着温度的升高，测量距离对检定结果的影响越来越大。

此外，由于测量距离是校准中不确定度的最主要因素之一，并且对检定结论的可靠性有决定性的影响，建议在检定证书或报告中明确注明检定时的测量距离，用以指导实际使用［9］。

对于固定发射率的辐射温度计或者单一波长的辐射温度计，是否也有类似的规律和最佳测量距离，以及测量距离在中低温段和高温段是否仍是主要影响因素，这将是下一步的研究课题。

［1］ 崔志尚，等.温度计量与测试［M］.北京：中国计量出版社，1998，178－187.

［2］ 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，2009，200－216.

［3］ 谢鹏.检定辐射温度计过程中应该注意的问题［J］.工业计量，2013，23（2）：17－18.

［4］ 邢波.不同瞄准方法对辐射温度计检定结果的影响［J］.计量学报，2012，33（6A）：97－100.

［5］ 原遵东.辐射温度计检定的源瞄准测量条件确定方法［J］.计量学报，2012，33（6A）：38－41.

［6］ 张弓，李玉石.红外辐射测温原理及使用［J］.企业标准化，2010，（24）：38－39.

［7］ 原遵东.黑体辐射源发射率对辐射测温准确度的影响及修正方法［J］.计量学报，2007，28（3A）：19－22.

［8］ 孔令辉，郝小鹏，黄燊彦，等.环境温度对辐射温度计稳定性的影响研究［J］.计量学报，2012，33（6A）：86－89.

［9］ 国家质量技术监督局.工作用辐射温度计检定规程JJG 415—2001［S］.2001.

Experimental Research on the Effect of Measuring Distance on Calibration Results of Radiation Thermometers

LUAN Hai-feng， WANG Zheng
（Jiangsu Institute ofMetrology，Nanjing，Jiangsu 210007，China）

Aiming at the effect ofmeasuring distance on calibration results of radiation thermometers，the experimental research was carried out.Both testing data and analytical charts for the several conventional radiation thermometers chosen are shown.The optimalmeasuring distance of radiation thermometer is defined，which is in the range of0.3～0.5m to be away from the target surface of blackbody radiation source.

Metrology；Radiation thermometer；Measuring distance；Blackbody radiation source

TB94

A

1000-1158（2014）06-0588-03

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．14

2014-03-22；

2014-07-03

栾海峰（1981－），男，江苏镇江人，江苏省计量科学研究院工程师，硕士，主要从事温度计量检测研究。yemuhaifeng＠163.com