铯、钠热管标准黑体辐射源研制及性能评价

黄燊彦， 郝小鹏， 王景辉，3， 原遵东， 吴建平

（1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都 610059；

2.中国计量科学研究院热工计量科学与材料特性测量技术研究所，北京 100013；3.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084）

铯、钠热管标准黑体辐射源研制及性能评价

黄燊彦1，2， 郝小鹏2， 王景辉2，3， 原遵东2， 吴建平1

（1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都 610059；

2.中国计量科学研究院热工计量科学与材料特性测量技术研究所，北京 100013；3.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084）

介绍了中国计量科学研究院研制的270～1 000℃标准黑体辐射源，其中包括270～600℃铯热管黑体源和500～1 000℃钠热管黑体源、温度标准器和数据采集系统。对铯、钠热管标准黑体辐射源进行性能测试，包括三段控温管式炉温场均匀性，黑体辐射源控温稳定性，黑体空腔轴向温度均匀性，黑体空腔口部辐射温度均匀性和热管测温孔内温度均匀性等。铯、钠热管标准黑体辐射源在整个温度区域内合成标准不确定度为0.09～0.13℃（k＝2）。

计量学；黑体辐射源；热管；均匀性；稳定性；不确定度

1 引 言

辐射测温是应用广泛的非接触测温方法［1］，近30年来在科研和工业领域发展迅猛，如在电力、建筑、电子等行业大量使用辐射温度计和红外热像仪作为测温手段，辐射测温的应用同时也推动了用于检定校准辐射温度计和红外热像仪的黑体辐射源在工业和科研领域中的研究与应用。黑体辐射源技术水平的提高是辐射测温法发展的计量技术基础，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。

随着工业的飞速发展，1 000℃以下的红外辐射温度计大量应用，对高水平量值溯源需求越来越迫切。2000年，英国国家物理实验室（NPL）报道了其研制的测温范围为－40～1 000℃的中温黑体辐射源［2］，包括氨热管、水热管、铯热管和钠热管黑体源，其空腔发射率为0.999 2～0.999 6，不确定度水平为0.10～0.20℃；2003年，德国联邦物理技术研究院（PTB）报道了其研制的测温范围为－60～962℃的中温黑体辐射源［3，4］，包括氨热管、水热管、铯热管和钠热管黑体源，其空腔发射率为0.999 6～0.999 9，不确定度水平为0.04～0.14℃；2009年，加拿大计量院（NRC）报道了其研制的测量温度为50～100℃的中温黑体辐射源［5］，包括水热管、铯热管和钠热管黑体源，其空腔发射率为0.999 3～0.999 6，不确定度水平为0.03～0.10℃。

为了满足国内1 000℃以下的黑体源和标准红外辐射温度计的亮度温度的溯源需求，2012年，中国计量科学研究院（NIM）研制了黑体辐射源溯源系统，其温度范围为－30～1 000℃，包括恒温槽、水热管、铯热管和钠热管黑体源，其空腔发射率为0.999 9，不确定度水平为0.03～0.13℃。本文介绍了铯热管和钠热管标准黑体辐射源的组成部分、结构、性能及不确定度评定。

2 系统组成

中国计量科学研究院研制的黑体辐射源溯源系统，其温度范围为－30～1 000℃，该系统包括大口径标准黑体辐射源组，多波长辐射温度计组，温度标准器和数据采集控制系统，见图1。

图1 黑体辐射源溯源系统图

标准黑体辐射源组主要包括－30～80℃恒温槽黑体辐射源，50～270℃水热管黑体辐射源，270～600℃铯热管黑体辐射源和500～1 000℃钠热管黑体辐射源。辐射温度计组主要包括9032-RTA，LP4，Heitronics TRT4.82，Heitronics TRT2，Heitronics KT19.01等。温度标准器主要包括1个金铂热电偶（Au-Pt）和3个标准铂电阻温度计（SPRT）。数据采集控制系统主要包括Fluke 1594A测温电桥，Fluke 8508A数字电压表和Isel三维精密移动台。

2.1 铯、钠热管标准黑体辐射源

铯、钠热管黑体辐射源装置由三段式管式炉、热管黑体、高纯氧化铝管和温度标准器组成，见图2。

图2 黑体辐射源装置示意图

2.1.1 热管黑体空腔

黑体辐射源空腔设计为圆柱型腔体，腔长为520 mm，测温孔腔长为241 mm，空腔直径为φ49 mm。腔体均使用Iconel 600合金加工，表面加工锥角为31°V型槽。腔体内壁涂有Pyromark 2500黑漆，涂层发射率为0.9，腔体法向平均有效发射率经Steep3蒙特卡罗模拟软件［6，7］计算为0.999 9。

2.1.2 三段控温管式炉

采用英国卡博莱特三段控温管式炉进行加热，见图2。该管式炉最高温度为1 200℃，额定功率6 240 W，额定电压380 V。炉体中间为主加热区，两端为辅加热区，主控温表为欧陆3 504，其显示分辨力为0.01℃，辅控温表为欧陆2 312。

2.2 标准器与数据采集控制系统

铯热管温度标准器采用云南大方生产的中温标准铂电阻温度计，长为510 mm，外径为φ7 mm，测温范围为0～660.323℃。钠热管温度标准器采用英国ISOTECH生产的标准金铂热电偶，其测量精确度在0～962℃温区内为0.02℃，其参考冷端置于冰水混合物中的不确定度达到0.005℃。

数据采集控制系统包括Fluke 1594A测温电桥，Fluke 8508A数字电压表和Isel三维精密移动台。Fluke 1594A用于测量铯热管黑体辐射源标准铂电阻温度计的电阻值，Fluke 8508A用于测量钠热管黑体辐射源标准金铂热电偶的电压值，计算机通过GPIB接口接收控制命令或发送测量数据、仪器状态和参数等。精密移动台可实现一台热管黑体分度多台高精度辐射温度计或者多台热管黑体分度一台高精度辐射温度计的程序控制功能，其三轴行程分别为3 000 mm，700 mm和600 mm。

3 性能测试结果

测试结果主要包括三段控温管式炉温场均匀性，黑体空腔温度稳定性，轴向温度均匀性，空腔口部辐射温度均匀性和热管测温孔内温度均匀性等。

3.1 三段控温管式炉温场均匀性

管式炉温场均匀性的测量方法是将标准S型热电偶放入高纯氧化铝管中，测量时让热电偶贴着管壁，管口用保温棉堵住，将其沿着管壁向外拉，每次移动距离为50 mm，测量其温度分布。在350 mm范围内管式炉在500℃的温场均匀性好于1.3℃，在600℃的温场均匀性好于0.9℃，见图3和图4。

图3 管式炉500℃温场曲线

图4 管式炉600℃温场曲线

3.2 黑体空腔温度稳定性

测量铯热管在550℃和钠热管在950℃的温度稳定性的方法是将温度标准器放入热管后端测温孔内，设置加热程序至相应温度，并在相应温度稳定约2 h，分别采集相应温度标准器的10 min输出值。在10 min内铯热管黑体在550℃的稳定性为0.012℃，钠热管黑体在950℃的稳定性为0.009℃，结果见图5和图6。

图5 铯热管550℃稳定性曲线

图6 钠热管950℃稳定性曲线

3.3 轴向温度均匀性

黑体空腔温场均匀性是黑体的重要指标，本装置采用热管，主要利用热管的高导热能力，提高热管腔体内的温度均匀性。因此当黑体在某一温度下稳定一定时间后，采用2只标准温度计，其中温度计A放入热管后部测温孔内监测热管温度的漂移，温度计B放入黑体空腔内，将B温度计沿着空腔向外拉，每次移动距离50 mm，拉到空腔口部后，再将B温度计反向逐次推回至空腔底部。结果显示在350 mm范围内铯热管在300℃，400℃和550℃的均匀性分别好于1.39℃，0.47℃和0.16℃；钠热管在550℃，700℃和950℃的均匀性分别好于0.14℃，0.14℃和0.23℃，结果见图7。

3.4 空腔口部温度均匀性

图7 铯、钠热管轴向均匀性曲线

采用1台辐射温度计瞄准黑体空腔口部，空腔口部4个方向分别为A、B、C、D，沿着A到B，再从C到D测量其辐射温度分布，黑体空腔口部均匀性测量示意图见图8。测量铯、钠热管黑体辐射源性能所用的辐射温度计分别为波长1.58μm的InGaAs辐射温度计RTA（RTA测量距离为900 mm，目标直径为φ10 mm）［8～10］和波长为0.65μm和0.8μm的LP4辐射温度计（LP4测量距离为900 mm，目标直径为φ1.65 mm）。结果显示铯热管在550℃时均匀性为0.029℃，钠热管在950℃的均匀性为0.017℃，见图9和图10。

图8 黑体空腔口部均匀性测量方法示意图

图9 铯热管黑体源空腔口部均匀性

3.5 热管测温孔温度均匀性

热管测温孔内温度均匀性的测量方法是将温度计A放入热管测温孔内，沿着孔径方向将温度计A拉出，再依次推回至测温孔底部，每次移动步长为10 mm，一共移动距离为50 mm，将温度计B放入另一个测温孔内监测和修正炉温的漂移。在50 mm范围内铯热管550℃的均匀性为0.081℃，钠热管950℃的均匀性为0.014℃，见图11。

图10 钠热管黑体源空腔口部均匀性

图11 铯、钠热管测温孔温度均匀性曲线

3.6 SPRT与Au-Pt热电偶一致性验证

将2个标准器分别放入铯热管2个测温孔内，分别在3个温度点测量。降温后交换温度计位置，再升温测量3个相同温度点。通过计算得出，SPRT测得的温度值与Au-Pt热电偶测得的差值为38 mK，结果见表1。

表1 SPRT与Au-Pt热电偶差异验证结果℃

4 不确定度分析

影响铯、钠热管不确定度的主要因素有腔底温度、温度计校准、温度计稳定性、电阻、热电势测量、冰点、底部热交换、温度不均匀性、温度控制和有效发射率等。各个影响不确定度的分量转换成为温度量，见表2。

表2 铯、钠热管不确定度评定℃

由表2可以发现，空腔发射率对不确定度影响较大，空腔发射率通过蒙特卡罗模拟软件steep3计算可得。铯热管在300℃和550℃时的不确定度分别为0.09℃和0.10℃；钠热管在550℃和950℃时的不确定度分别为0.12℃和0.13℃。

5 结 论

介绍了中国计量科学研究院研制的270～600℃铯热管黑体源和500～1 000℃钠热管黑体源系统及其性能。通过调整三段控温匹配，优化了管式炉的轴向温场均匀性，实验表明在350 mm范围内管式炉550℃和600℃温场均匀性分别为1.3℃和0.9℃。为了验证黑体空腔性能，分别测量了黑体空腔温度稳定性、轴向均匀性、空腔开口温度均匀性和热管测温孔温度均匀性。实验结果表明10 min内，铯热管550℃和钠热管950℃温度稳定性分别为0.012℃和0.009℃。由热管空腔底至空腔开口处350 mm范围内，铯热管在300℃、400℃和550℃轴向均匀性分别为1.39℃、0.47℃和0.16℃；钠热管在550℃、700℃和950℃轴向均匀性分别为0.14℃、0.14℃和0.23℃。当铯热管在550℃和钠热管在960℃，其空腔开口温度均匀性分别为0.029℃和0.017℃。在热管测温孔底至向外50 mm范围内，当铯热管在550℃和钠热管在950℃时，测温孔温度均匀性分别为0.081℃和0.014℃。铯、钠热管标准黑体辐射源在整个温度区域内不确定度（k＝2）为0.09～0.13℃。该温区黑体辐射源溯源系统的建立，实现了辐射测温用黑体辐射源的多波长亮度温度溯源，为黑体辐射源亮度温度和标准辐射温度计校准提供重要的研究基础。

［1］ 崔志尚.温度计量与测试［M］.北京：中国计量出版社，1998.

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Development and Characterization of Cesium，Sodium Heat Pipe Standard Blackbody Radiation Sources

HUANG Shen-yan1，2， HAO Xiao-peng2， WANG Jing-hui2，3， YUAN Zun-dong2， WU Jian-ping1
（1.College of Applied Nuclear Technology and Automation Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China； 2.Division of Thermophysics and Process Measurements，National Institute of Metrology，Beijing 100013，China； 3.Key Laboratory of Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The development and characterization of cesium，sodium heat pipe blackbodies270～1 000℃at National Institute of Metrology is described.It includes cesium heat pipe blackbody source 270～600℃，sodium heat pipe blackbody source500～1 000℃，standard thermometer device and data acquisition system.The cesium，sodium heat pipe performance is tested，including temperature uniformity of the three-zone furnace，temperature stability of the blackbody，axial temperature uniform ity of the blackbody cavity，temperature uniformity of the blackbody cavity aperture，temperature uniformity of the heat pipe thermometerwelland so on.The combined standard uncertainty is0.09～0.13℃（k＝2）in the temperature region from 270～1 000℃.

Metrology；Blackbody radiation；Heat pipe；Uniform ity；Stability；Uncertainty

TB942

A

1000-1158（2014）02-0120-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．05

2013-10-29；

2013-11-25

质检公益性行业科研专项项目（200910106）

黄燊彦（1989－），男，江苏省江阴人，成都理工大学研究生，主要研究方向为辐射测温。hsyzcywan＠163.com