輻射溫度計固有誤差測量不確定度評定

左月

【摘要】 本文通過具體實例介紹，以輻射溫度計和精密鉑電阻溫度計作為參考溫度計，對輻射溫度計固有誤差的測量不確定度進行評定，希望能夠對計量工作者帶來幫助和啟發。

【關鍵詞】 輻射溫度計;固有誤差;不確定度

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.04.007

Abstract： This paper introduces the measurement uncertainty of the inherent error of radiation thermometers with specific examples and takes radiation thermometers and precise platinum resistance thermometers as reference thermometers，hoping to be helpful and enlightening to the metrologists.

Key words： radiation thermometer;inherent error;uncertainty

輻射溫度計是利用普朗克黑體輻射定律，根據熱輻射體輻射特性與其溫度之間的函數關系測量表觀溫度的儀表。通常由光學系統、探測器、信號處理單元和輸出指示裝置四部分組成。

1 輻射溫度計的固有誤差

輻射溫度計的固有誤差為被檢溫度計測量理想黑體示值與理想黑體溫度的差，測量模型為：

2 輻射溫度計固有誤差測量不確定度評定

對輻射溫度計進行檢定，其固有誤差的測量引入的不確定度評定主要來自計量標準裝置，被檢溫度計和檢定操作。

2.1 計量標準裝置

計量標準裝置主要包括標準器自身示值和輻射源特性的影響兩方面，對應于的不確定度主要包括：

1）量值溯源（校準不確定度與長期穩定性）;

2）測量（重復性，分辨力，輔助儀表）;

3）輻射源控溫復現性和短期穩定性;

4）輻射源溫度均勻性，包括標準器測量點（或目標）與被檢溫度計目標之間的溫差，輻射源發射率和環境溫度影響修正;

5）輻射源窗口影響修正。

2.2 被檢溫度計特性

由被檢溫度計引入的不確定度包括：

1）測量（重復性，分辨力，輔助儀表）;

2）光譜范圍的不確定性對有關修正的影響可忽略。

2.3 檢定操作過程

由檢定操作過程引入的不確定度包括：

1）參考輻射溫度計（若使用）與被檢溫度計的瞄準;

2）數據處理中的簡化與舍入。

3 合成標準不確定度以及靈敏系數

[Δt=（ΔtT-ΔtS）-ΔtTS-（ΔtTε-ΔtSε）-（ΔtTW-ΔtSW）]為溫差的代數和公式，并且等號右側的各項系數的絕對值均為1。因此，與其對應的溫度不確定度分量，其靈敏系數的絕對值也為1。

在影響固有誤差的不確定度的因素中，同一輻射源的發射率對于參考輻射溫度計與被檢測輻射溫度計示值的影響，同一窗口的吸收對參考溫度計與被檢測輻射溫度計的影響，均應按照完全相關的分量進行處理，分別采用算數相減合成方法，然后各不相關分量應依據不確定度傳播率來計算合成標準不確定度。

所以，檢定操作和測量條件影響等引入的標準不確定度傳播率計算合成標準不確定度為：

4 不確定度評定實例

4.1 采用輻射溫度計作為參考溫度計

參考溫度計選用分辨力為0.01 ℃的輻射溫度計、光譜范圍為8～14 μm、發射率為0.97±0.02，輻射面直徑100 mm的面輻射源;被檢溫度計的光譜范圍8～14 μm，溫度分辨力0.1 ℃，準確度±（1%t+0.2） ℃，檢定距離0.9 m，相應的目標直徑為23 mm。計算在200 ℃的檢定結果固有誤差的不確定度。

1）固有誤差的不確定度來源主要包括：

a.參考輻射溫度計校準不確定度[u1];

b.參考輻射溫度計在校準周期內的穩定性影響[u2];

c.參考輻射溫度計分辨力影響，可忽略;

d.測量輻射溫度的重復性[u3];

e.輻射源短期穩定性[u4];

f.輻射均勻性對瞄準的影響[u（ΔtTS）]記為[u5];

g.由輻射源發射率修正帶來的不確定度對固有誤差的影響[u（ΔtVε）]，由于參考輻射溫度計及被檢輻射溫度計的名義波段是相同的，所以[ΔtVε=0] ℃，[u6=u（ΔtVε）=u（ΔtTε）-u（ΔtSε）=0];

h.輻射源窗口吸收對標準輻射溫度計與被檢溫度計的影響引入的不確定度[u（ΔtTW）]，由于沒有窗口，所以，[（ΔtTW）=u（ΔtTW）-u（ΔtSW）=0]。

2）被檢測輻射溫度計引起的不確定度[u（ΔtT）]，其中包括的不確定度分量為：

a.測量重復性[u7];

b.分辨力[u8]。

3）檢定操作引入的標準不確定度[u（ΔtOP）]的分量為：

a.瞄準的影響包含在[u4]中;

b.檢定數據修約[u9]。

各不確定度分量的數值見表1。

由于分量不相關，所以合成標準不確定度為：

擴展不確定度為：

4.2 采用精密鉑電阻溫度計作為參考溫度計

黑體空腔輻射源的發射率為0.995±0.003，輻射面有效直徑65 mm;被檢溫度計的溫度分辨力為0.1 ℃，光譜范圍為8～14 μm，其最大允許誤差為1% t，其中，t為溫度測量值，其檢定距離為1.15 m，與之相應的目標直徑為40 mm。在檢定時，將被檢測溫度計的發射率調整為1.00，環境溫度23.0 ℃。計算在400 ℃的檢定結果固有誤差的不確定度。

1）固有誤差的不確定度來源主要包括：

a.精密鉑電阻溫度計引起的校準不確定度[u1];

b.精密鉑電阻溫度計在校準周期內的穩定性影響[u2];

c.測量輻射源溫度的重復性[u3];

d.輻射源短期穩定性[u4];

e.輻射源有效輻射面溫度均勻性和精密鉑電阻溫度計測量點與輻射源有效幅面溫度不一致的不確定性的影響[u5];

f.由修正輻射源發射率帶來的不確定度對固有誤差的影響[u]（[ΔtVε]），即[u6]。

2）被檢測輻射溫度計引起的不確定度[u]（[ΔtT]），其中包括的不確定度分量為：

a.測量重復性引起的不確定度[u7];

b.分辨力引起的不確定度[u8]。

環境溫度影響，忽略。

3）檢定操作引入的標準不確定度[u]（[ΔtOP]）的分量為：

a.瞄準的影響包含在[u4]中;

b.檢定數據修約引起的不確定度[u9]。

以上各不確定度分量的數值參見表2。

由于以上各分量不相關，所以合成標準不確定度為：

擴展不確定度為：

5 結語

本文通過具體實例，對輻射溫度計固有誤差的校準不確定度進行了全過程評定，更加直觀地介紹了對輻射溫度計固有誤差的校準結果存在影響的相關因素，對于固有誤差的準確性概念能夠更好的理解。同時，也希望對計量校準工作者具有指導借鑒意義。

【參考文獻】

[1] 王魁漢.溫度測量實用技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2] 倪育才.實用測量不確定度評定（第5版）[M].北京：中國質檢出版社，2016.

[3] 工作用輻射溫度計：JJG 856-2015[S].