基于彈性夾具的輻射溫度計檢定裝置研究

蔡永洪，梁滿兵，吳珍菊

（廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州510663）

0 引言

輻射溫度計是一種基于物體的熱輻射特性與溫度之間對應關系（黑體輻射定律）的非接觸式測溫儀表，測量結果受被測對象發射率、中間介質和測量距離等因素影響［1-4］。隨著輻射溫度計越來越廣泛地應用于各行各業，其測量結果的準確性對安全生產和質量控制愈發重要，因此對輻射溫度計的檢定是十分必要且重要的。

1 輻射溫度計檢定現狀

現行的輻射溫度計檢定依據是JJG 856-2015《工作用輻射溫度計檢定規程》。該規程要求，被檢溫度計安裝在輻射源軸線方向特定距離處并瞄準輻射源中心，參考和被檢溫度計應交替瞄準或以機械方式可重復地切換位置［5］。目前，大多數檢定員都采用手持的方式實施檢定操作，即手握被檢溫度計，通過手臂和手腕的運動來調整被檢溫度計的姿態，在肉眼觀察和主觀判斷下完成瞄準與測量。雖然手持方式十分靈活快捷，但手持姿態難以重現，主觀判斷的瞄準點和檢定距離易引入較大的隨機誤差，無法保證重復性準確度。

為此，出現了使用夾具夾持被檢溫度計實施檢定的方式。目前，常見的兩種用于夾持被檢溫度計的夾具如圖1所示。通過將溫度計光學測頭放入夾具的安裝部位以達到固定溫度計的目的，然后機械控制檢定距離和瞄準中心，從而提高重復性測量的精度。不可調節夾具如圖1（a）所示，其結構簡單，安裝溫度計之后無法再進行方位調整；可調節夾具如圖1（b）所示，它能夠進行高度和多個方位角度的調整。然而，輻射溫度計的外觀形狀多種多樣、大小不一，尤其表現在測頭部分。若使用夾具a安裝不同輻射溫度計，安裝位置將直接影響瞄準位置，無法保證瞄準中心彼此相同；若使用夾具b安裝時，由于多個方位需要分別調整，效率低下，而且在確定的瞄準方位之間無法進行切換，導致同一臺輻射溫度計在多溫度點檢定時方位無法保持一致。

圖1 輻射溫度計夾具

2 高重復性準確度的夾具設計

雖然輻射溫度計光學測頭形狀各不相同，但手把部位卻因以方便抓握為功能目標而具有相同特點，即左右對稱、大小以一只成年人的手可正常抓握為合適、外表面圓滑。因此，考慮設計一種模擬人手抓握的夾具，該夾具以夾持手把為特點，適配各種形狀的輻射溫度計。

現有夾具將夾持和瞄準分開操作，即先固定溫度計，再逐步調整夾具的位置和姿態，達到中心對準的狀態。為了提高瞄準效率，考慮將手持的靈活性和夾持的可重復性融合一體，即在夾持溫度計的同時也進行瞄準，一邊裝夾、一邊瞄準。

針對共用一個夾具時溫度計需要頻繁裝卸的問題，可考慮一個夾具配一個溫度計、共用一個檢定臺的方式，溫度計與夾具整體從檢定臺上裝上或者卸下，由于溫度計在夾具上已固定姿態，而夾具在檢定臺上則通過定位銷固定位置，從而確保溫度計在重復裝卸時不會改變瞄準位置和姿態，只需要在首次夾持時進行瞄準，后續進行其他檢定點檢定和重復性測量時都不再需要瞄準了。

本文采用上述設計思想和解決方案，提出了一種高重復性精度的被檢夾具設計方案［6］。如圖2所示，被檢夾具主要由彈簧片、螺桿、夾桿、導桿、支柱、遮板等組成。使用時，將被檢溫度計的手把放置在彈簧片中間。旋動螺桿，左、右滑桿帶動彈簧片向中間靠攏，將被檢溫度計夾持住。螺桿旋進越多，彈簧片變形越大，被檢溫度計夾持得就越牢固。

圖2 高重復性準確度夾具

該夾具利用彈性夾條夾持被檢溫度計，能適應各種形狀的輻射溫度計，提高溫度計檢定校準裝置的適用范圍，具有顯著的通用性；利用人的手腕對被檢溫度計進行姿態調整，能夠靈活、方便、快速地達到測量關于瞄準的要求，使檢測操作更簡單方便。

3 高重復性準確度的檢定裝置

3.1 檢定裝置結構

裝置由被檢夾具、標準夾具、橫向導軌、縱向滑臺、上位機、電控柜、支座、輻射源組成，如圖3所示。被檢夾具和標準夾具分別安裝在橫向導軌上的滑塊上。其中，被檢夾具與滑塊使用滾珠彈簧銷配合，能夠方便快捷地安裝和卸下。兩個滑塊分別安裝了限位拉桿，當滑塊正對輻射源空腔中心時，限位拉桿剛好達到極限位置。橫向導軌安裝在縱向滑臺之上，能夠在輻射源空腔中軸延長線方向上直線移動。上位機安裝了檢定程序軟件，可設定檢定參數并控制滑臺運動。

圖3 高重復性準確度輻射溫度計檢定裝置

3.2 裝置操作方法

高重復性精度輻射溫度計檢定裝置的操作方法包括以下主要步驟［7］：

1）安裝被檢溫度計

利用被檢溫度計射出的輔助瞄準激光，對準在輻射源旁邊標記的爐腔中心參考點，同時旋緊夾具使被檢溫度計的瞄準姿態保持足夠牢固。當需要檢測多個溫度計時，需要為每臺被檢溫度計分配一幅夾具并安裝好。

2）爐腔溫度測量

首先，使用參考溫度計測量爐腔溫度；然后，將安裝被檢夾具的滑塊移至拉桿限位處，使被檢溫度計對準爐腔中心；接著，通過上位機控制滑臺將被檢溫度計移向檢定距離處；最后，按下測量鍵得到測量值，重復測量多次取平均值。同樣地，換上其他被檢溫度計的夾具，完成所有被檢溫度計的測量。

3）其他溫度點的檢定

改變輻射源設定溫度，重復步驟2）。

4 檢定裝置測試

在橫向導軌上通過限位拉桿使夾具定位到輻射源爐腔中軸方向，其中標準夾具的重復定位誤差不高于0.01 mm，被檢夾具的重復定位誤差不高于0.02 mm。

使用彈性夾條實現被檢溫度計的固定，這種夾持方式雖不如剛性連接方式牢固，時間長可能會有一定程度的松弛和失穩，但在正常的檢定工作時間內，其牢固程度仍然足夠，可保持被檢溫度計的姿態不發生改變。經過測試，被檢溫度計在1 m檢定距離處經過30 min后，瞄準點偏移0.3 mm；經過60 min后，瞄準點偏移0.5 mm。

檢定裝置使用步進電機控制檢定距離，縱向滑臺的示值誤差如表1所示。

表1 縱向滑臺示值誤差 mm

現以3臺工作用輻射溫度計作為被檢對象，使用高重復性精度檢定裝置（簡稱本裝置）和手持檢定（簡稱手持式）兩種方式測量黑體爐（設定溫度500℃，亮度溫度為498.4℃），每隔1 min測量一次，重復測量10次，測量數據如表2所示［8］。

表2 不同測量方法的溫度示值 ℃

比較二者測量結果可知，使用本裝置測量的結果重復性明顯優于手持測量。

5 小結

綜上，本文提出的高重復性輻射溫度計檢定裝置具有如下特點：①使用可辨識的標記作為輻射源空腔中心點的外部瞄準點，客觀又直觀；②利用輻射溫度計手握部位的形狀大小隨型號規格變化差異不大的特點進行設計，夾具具有顯著的通用性；③利用2對彈簧片夾持被檢溫度計，能夠靈活、方便、快速地調整被檢溫度計的姿態并保持穩固；④利用“一副夾具安裝一臺被檢，共用一個檢定臺”的方式，在多溫度點檢定和重復性測量中，無需多次瞄準和重復安裝，提高了檢定工作的機械化程度和效率，以及重復性精度；⑤人機界面友好，采用程序控制，實現證書電子化和數據數字化。