插入式红外辐射测温仪不确定度评定

雒新宇

(承德石油高等专科学校 资产与后勤管理处，河北　承德　 067000)



插入式红外辐射测温仪不确定度评定

雒新宇

(承德石油高等专科学校 资产与后勤管理处，河北承德 067000)

摘要：插入式红外辐射测温仪是一种新型高温领域测温仪，并广泛应用于工业生产过程中。介绍了插入式红外辐射测温仪的工作原理及其安装组成，并对插入式红外辐射测温仪测量结果不确定度进行了评定。

关键词：插入式红外辐射测温仪；工作原理；不确定度

温度是日常生活和生产活动中的重要参数，在冶金、化工、炼钢热轧等高温生产工艺流程中，温度测量是其中的重要环节[1]。目前大部分测温系统采用热电偶进行接触式测量，但由于工业现场环境恶劣，热电偶消耗量大、价格高，致使成本大大提高[2]。因此很多厂家开始研制并使用一种基于红外测温原理的插入式红外辐射测温仪，这种测温仪结合了接触式和非接触式测温的优点[3]。使用耐高温的感温管直接接触被测物，在感温管内形成光路，光路的传输不受周围环境介质的干扰。插入式红外辐射测温仪具有结构简单、使用方便、成本低廉、节省贵金属材料等优点，广泛应用于高温测量领域。但是由于没有统一的国家标准规范，导致产品的生产和使用市场混乱，严重影响了检测和量值的统一，致使产品屡屡出现不合格品。不仅造成了重大的经济损失，还直接影响了企业的安全生产。本文介绍了插入式红外辐射测温仪的工作原理及其组成，并对测量结果进行行不确定度评定，为后续编写《插入式红外辐射测温仪技术标准》奠定基础。

1插入式红外辐射测温仪工作原理

插入式红外辐射测温仪是由光学系统、信号处理和显示器三部分组成,如图1所示。光学系统的主要作用是收集被测目标的辐射功率,并使其汇聚到光学系统内部的光电探测器上。光学系统的视场大小由测温仪的光学零件以及位置决定。光电探测器的作用是将接收到的红外辐射转换为电信号输出。信号处理部分的作用主要是对探测的微弱信号进行放大,以达到显示或记录被测温度的目的[4]。红外辐射测温仪核心是光电探测器。

插入式红外辐射测温仪的信号接收部分由刚玉管和传感器探头组成，当把刚玉管插入到测温场时形成一测温黑体空腔，通过传感器内的光路系统将光亮度转换成电信号。然后，通过二次仪表将电信号转换温度示值。传统的测温技术分为辐射测温和接触式测温，插入式红外辐射测温仪吸取了两者的优点，是辐射测温和接触式测温以及先进技术的结合体，是一项先进的在线检测技术[5]。

2插入式红外辐射测温仪的安装组成

插入式红外辐射测温仪大多在800 ℃～1 600 ℃的温度环境下使用。在使用时，由于传感器探头无法直接接触高温环境，所以在传感器探头前加装具有固定发射率的刚玉管。将刚玉管与传感器探头相连并插入被测温介质中，使刚玉管作为一次信号接收器接触高温环境。被测对象辐射能量通过刚玉管沿光路发送到传感器探头。光电传感器探头将接收到的光亮度信号转变为电信号，传送到与其相连的二次仪表。光电传感器输出端按正负端与仪表信号输入端子相接，接地端与地线相接，仪表加电后即可实现测温。

安装插入式红外辐射测温仪时，应将刚玉管缓慢插入被测温介质中，可垂直、水平或斜向插入，插入后加以固定，安装后应保证传感器尾端温度不得高于70 ℃。仪表加电后，应预热20 min，使其稳定显示测量温度。插入式红外辐射测温仪传感器与显示仪安装示意图如图2所示。

3测量结果不确定度评定

3.1测量原理

将测温仪的刚玉管与二等标准铂铑10-铂热电偶的测量端用细铂铑丝捆扎成束，然后缓慢插入管式检定炉最高温区中心位置并加以固定，热电偶的冷端经冰水融体(0 ℃)或0 ℃恒温器后，标准热电偶接入热工仪表校验仪对标准热电偶信号进行监测。控制炉温从800 ℃～1 600 ℃进行选点测量。选取中间温度点1 200 ℃进行本装置的不确定度评定。待检定炉在各个温度点稳定后进行数据记录，记录插入式红外辐射测温仪二次仪表的显示值、监测标准器热工仪表校验仪显示值以及检定炉控温显示示值。

3.2测量模型

本装置示值误差按下式进行计算：

Δt=t-t0

(1)

式中：Δt为被检插入式红外测温仪示值误差，℃；t为测温仪读数的平均值，℃；t0为二等标准铂铑10-铂热电偶读数实际温度，℃。

3.3灵敏度系数

C1=∂Δt/∂t=1，C2=∂Δt/∂t=-1。

4标准不确定度来源分析

在量值传递过程中，不确定度的来源主要有测量装置、测量人员、测量方法、测量环境和被测对象5个方面[6]。

4.1A类标准不确定度

插入式红外辐射测温仪短期重复性引入的标准不确定度，用uA表示，自由度用νA表示。

4.2B类标准不确定度

1)辐射源温场不均匀引入的标准不确定度用u1表示，自由度用v1表示，包含因子用k1表示，不可靠性所占比例用η1表示。2)辐射源炉温不稳定引入的标准不确定度用u2表示，自由度用v2表示，包含因子用k2表示，不可靠性所占比例用η2表示。3)被检插入式红外辐射测温仪的示值分辨力引入的标准不确定度用u3表示，自由度用v3表示，包含因子用k3表示，不可靠性所占比例用η3表示。4)标准热电偶的不确定度引入的标准不确定度用u4表示，自由度用v4表示，包含因子用k4表示，不可靠性所占比例用η4表示。5)辐射源靶面不均匀性引入的标准不确定度用u5表示，自由度用v5表示，包含因子用k5表示，不可靠性所占比例用η5表示。6)标准器与被检测温仪测温点之间的温差引入的标准不确定度用u6表示，自由度用v6表示，包含因子用k6表示，不可靠性所占比例用η6表示。7)电测系统引入的标准不确定度u7表示，自由度用v7表示，包含因子用k7表示，不可靠性所占比例用η7表示。

5标准不确定度评定

5.1A类标准不确定度的评定

在黑体炉装置上，用插入式红外辐射测温仪在1 200 ℃点进行重复测量，在同一测量人员、同一测量环境、同一被测对象，短时间内测得10次数据，见表1，由标准偏差计算公式求出本装置A类标准不确定度的值。

表1　插入式红外辐射测温仪测量数据

将表1中测量结果代入下式，

则标准差

(2)

则A类标准不确定度：uA=0.67 ℃

A类标准不确定度自由度：vA=n-1=10-1=9

5.2B类标准不确定度的评定

B类标准不确定度各项误差源引入到装置的标准不确定度分量用下式求出：

ui=ai/ki

(3)

其中：ui—表示u1…u7(℃)；

ai—被测量可能值区间的半宽度a1…a7(℃)；

表2　B类标准不确定度汇总

5.3标准不确定度分量自由度的确定

各标准不确定度分量自由度由下式求出：

(4)

其中：vi—表示自由度v1…v7；

ηi—表示不可靠性所占比例η1…η7(%)。

表3　标准不确定度分量的自由

5.4合成标准不确定度

以上各项均不相关，因此不考虑相关项，合成标准不确定度为：

(5)

其中：uc—合成标准不确定度(℃)；

ui—表示u1…u7(℃)；

n—标准不确定度各分量。

将uA及表2中的各不确定度分量ui代入(5)式中得：

=1.64(℃)

5.5合成标准不确定度uc的有效自由度

为了进一步求出扩展不确定度的包含因子k，首先用下式计算合成标准不确定度uc的有效自由度：

(6)

式中：veff—合成标准不确定度的自由度；

ui—表示uA、u1…u7(℃)；

vi—表示vA、v1…v7。

将uc、uA、vA及表3中各标准不确定度分量的自由度vi，代入式(6)得：

=26

5.6扩展标准不确定度U

取p=95%，按veff=26查t分布表，得包含因子：k=t(0.95)(26)=2.06

则扩展标准不确定度：U=kuc=2.06×1.64=3.4(℃)(k=2.06,veff=26,p=0.95)

6小结

插入式红外辐射测温仪是高温测量领域新型测温仪仪，本文通过对插入式红外辐射测温仪1 200 ℃ 测温点进行不确定度评定与分析，指出了使用时各分量对测量结果的影响，以便使用时应尽量减少各可控因素对测量结果的影响量，提高测温仪测量精度。同时，也为后续编写《插入式红外辐射测温仪技术标准》奠定了基础。

参考文献：

[1]姜世昌.红外测温技术[J].自动化仪表，1996(17):4.

[2]王魁汉.高温热电偶及特殊场合下的温度测量技术[J] .仪器仪表,2003(3):13-17.

[3]陈素,康志茹,靳辰.插入式红外辐射测温仪校准方法的研究[J]. 计量技术，2010(10)：44-46.

[4]周庆福,杨永军,吕国义.红外辐射测温仪及校准方法探讨[J].计量技术，2008(4)：34-35.

[5]杨永军.温度测量技术现状和发展概述[J].计量技术，2009(29)：64-65.

[6]李金海.误差理论与测量不确定度评定[M].北京：中国计量出版社，2003.

Uncertainty Evaluation of Plug-infrared Radiation Thermometer

LAO Xin-yu

(Assets and Logistics Administration Section, Chengde Petroleum College,Chengde 067000, Hebei, China)

Abstract:Plug-infrared radiation thermometer is a new high-temperature thermometer, and is widely used in industrial production process. This paper describes the working principle and installation composition of plug-infrared radiation thermometer. Furthermore, the uncertainty evaluation of the plug-infrared radiation thermometer is presented.

Key words:plug-infrared radiation thermometer; working principle; uncertainty evaluation

基金项目：国家标准化管理委员会科研项目(插入式红外辐射测温仪技术标准研究)：20080112-T-604

收稿日期：2015-11-25

作者简介：雒新宇(1989-)，男，满族，河北承德人，承德石油高等专科学校资产与后勤管理处助教，硕士，主要研究方向为无损检测、测控技术与仪器等。

中图分类号：TH81

文献标识码：A

文章编号：1008-9446(2016)02-0036-05