影響輻射測溫用黑體輻射源應用的因素分析

張嵐，蔡靜，路林鋒

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

隨著紅外測溫技術的發展，開展紅外溫度計檢定和校準的計量機構迅速增加，檢定所用標準器具——輻射測溫用黑體輻射源（以下簡稱黑體輻射源）種類繁多、性能差異很大，不同性能的黑體輻射源在相同測試條件下測試結果可能有很大的差異。依據黑體輻射源校準規范JJF 1552-2015《輻射測溫用-10℃～200℃黑體輻射源校準規范》，JJG（軍工）162-2019《-50℃～1000℃輻射測溫用參考黑體輻射源檢定規程》，JJG（軍工）161-2019《800℃～3000℃輻射測溫用參考黑體輻射源檢定規程》，JJG（軍工）180-2019《-50℃～300℃輻射測溫用浴式參考黑體輻射源》及JJG 856-2015《工作用輻射溫度計》中對黑體輻射源的要求，結合市場上占有率比較高的黑體輻射源，分析影響其應用的關鍵因素，提出相應的改善方法。

1 影響黑體輻射源應用的因素介紹

目前，黑體輻射源的溯源方式主要包括［1］:①以接觸式溫度計為標準直接溯源，主要適用于恒溫槽式黑體輻射源和熱管式黑體輻射源；②以輻射溫度計為標準直接溯源，主要適用于高溫黑體輻射源；③以有效亮度溫度整體進行溯源，主要適用于中溫參考黑體輻射源。針對三種溯源方式，影響黑體輻射源應用的參數主要有:口徑、有效亮度溫度、溫度均勻度、溫度波動度、有效發射率、測點溫差以及控溫復現性。

其中，有效亮度溫度、溫度均勻度和溫度波動度，在黑體輻射源檢定規程/校準規范上均有明確的測量方法，在輻射溫度計檢定規程JJG 856-2015中對其技術指標也給出了明確的規定［2-5］。因此，本文主要對口徑、有效發射率、測點溫差以及控溫復現性的影響進行分析和評價。

2 影響因素分析

2.1 黑體輻射源的口徑

依據檢定規程JJG 856-2015中的要求，選用黑體輻射源的直徑一般應不小于被檢輻射溫度計視場直徑的1.4倍或1.7倍［5］。直徑較小會限制黑體輻射源的實際應用能力，而直徑過大會影響溫度均勻性、有效發射率等指標。

對市場上已有的大部分輻射溫度計視場進行分析，具體可參見表1。由表可以得出:當D∶S小于20∶1時，采用腔式黑體輻射源不能滿足視場的要求，需要使用大口徑150 mm的面輻射源進行測試。當D∶S在20∶1和60∶1之間時，測溫儀溫度范圍在1600℃以內，要滿足較大多數測溫儀的視場要求，推薦口徑為60 mm（50～600℃）和40mm（300～1600℃）的腔式黑體輻射源。當D∶S不小于75∶1時，測溫儀溫度范圍大于1000℃，要滿足較大多數測溫儀的視場要求，推薦口徑為40 mm（600～1600℃）和25 mm（800～3000℃）的腔式黑體輻射源。

表1 輻射溫度計視場分析表

2.2 黑體輻射源的有效發射率［6-7］

黑體輻射源的有效發射率是最關鍵的技術指標，但目前還沒有明確的測試方法可以對任意形狀和性能的黑體輻射源的有效發射率進行評價和驗證。

對于以接觸式溫度計為標準直接溯源的恒溫槽式黑體輻射源或熱管式黑體輻射源而言，其溫場均勻性比較好，且具有明確的空腔形狀設計，內部噴涂已知發射率的高發射率涂層，可采用等溫腔模型依據Monte-carlo法進行有效發射率的計算。對于其他的腔式黑體輻射源，可使用多種方法對黑體輻射源的理論有效發射率進行驗證，對該指標進行評價。下面以同一臺黑體輻射源HW112為例，介紹兩種常用方法對有效發射率進行計算和驗證。

1）理論計算分析

根據黑體輻射源空腔的形狀、軸向溫度分布、黑體空腔表面材料光譜發射率的實測值，依據Montecarlo法進行有效發射率的計算。采用標準熱電偶傳感器對黑體腔軸向溫度場進行測試，測試步驟為:在黑體輻射源黑體腔內放入兩根標準S型熱電偶（加陶瓷套管），待溫度穩定之后，記錄兩根標準偶的溫度；移動一根標準偶，分別至距離靶底位置0，2，3，4，5，8，10 cm處，溫度穩定后，記錄兩根標準偶溫度，計算得出軸向溫度分布場。以600℃和1000℃測量結果為例，將測試數據代入STEEP軟件，采用Monte-carlo法進行有效發射率計算，結果見圖1。

圖1 黑體輻射源有效發射率計算結果

由圖1可得，通過軸向溫度場進行理論計算得出:600℃時有效發射率約為0.9983；1000℃時有效發射率約為0.9987。

2）不同波長下有效亮度溫度校準結果驗證

由于黑體輻射源有效發射率不等于1，相同溫度下，不同波長的亮度溫度存在一定的差異，因此可采用不同波長下有效亮度溫度校準結果的差異對其有效發射率進行驗證。當有效發射率ε=0.995和0.998時，采用普朗克定律計算，不同波段下亮度溫度的誤差值見表2和表3。

對同一臺黑體輻射源，在600℃和1000℃時分別用傳遞用輻射溫度計 TRT2（波段為 3.9μm）和TRT4.82（波段為8～14μm）對黑體輻射源進行測試［8］，測試結果見表4所示。其中實測差值為輻射溫度計TRT2與TRT4.82測量結果之差；ε=0.995理論差值為有效發射率0.995時，相同溫度下3.9μm與8～14μm亮度溫度差值，可參照表2計算得出；ε=0.998理論差值為有效發射率0.998時，相同溫度下3.9μm與8～14μm亮度溫度差值，可參照表3計算得出。根據表4可看出，600℃和1000℃時，有效發射率均位于0.995與0.998之間。

表2 ε=0.995時亮度溫度誤差 ℃

表3 ε=0.998時亮度溫度誤差 ℃

表4 黑體輻射源亮度溫度測試結果 ℃

根據圖1和表4可以看出，采用理論計算分析方法與采用多波長有效亮度溫度校準結果推算兩種方法得出的有效發射率存在一定的差異，分析原因主要是:理論計算分析方法中，使用標準熱電偶測量軸向溫度有一定的測量誤差，靶底溫度存在鼓肚現象，造成有效發射率偏高；多波長有效亮度溫度校準結果推算方法中，兩臺輻射溫度計固有誤差的不確定度較大，對測量結果造成一定影響。

2.3 黑體輻射源的測點溫差

黑體輻射源的測點溫差是指由于黑體輻射源的溫度不均勻性引起的黑體空腔底部的輻射面中心溫度與確定控溫表溫度的溫度計（或者是直接作為標準的測溫溫度計）的測點之間的溫度差。該因素主要對以接觸式溫度計作為標準器類的黑體輻射源產生影響。對于以輻射溫度計作為標準器和以有效亮度溫度整體溯源的黑體輻射源，則消除了測點溫差造成的影響。

對于使用接觸式溫度計作為標準器的恒溫槽式黑體輻射源和熱管式黑體輻射源，溫度均勻性好，可將其測溫區域近似為等溫區，即空腔底部輻射面溫度與接觸式溫度計測得的溫度溫差小，測點溫差的影響可忽略不計。

由于影響因素較多，測點溫差不易準確測量，因此除均勻性較好的恒溫槽式黑體輻射源和熱管式黑體輻射源以外，其他不等溫腔黑體輻射源不建議使用接觸式溫度計作為標準器進行溯源，以消除測點溫差的影響。

2.4 黑體輻射源的控溫復現性

黑體輻射源的控溫復現性是指當黑體輻射源控溫儀表設置相同溫度，多次升降溫并達到穩定狀態時，黑體輻射源亮度溫度的復現性。

對于以輻射溫度計作為標準器的黑體輻射源，能夠消除控溫復現性造成的影響。對于接觸溫度計作為標準器和以有效亮度溫度整體溯源的黑體輻射源，無法消除控溫復現性的影響，使用過程中需要對該參數進行評價。

以黑體輻射源HW1012為例進行說明，在600℃和1000℃使用穩定性較好的輻射溫度計（TRT2）驗證其控溫復現性，具體方法為短時間內對黑體輻射源進行10次升降溫測試，待溫度穩定之后分別記錄實驗數據，以未加修正的原始數據進行控溫復現性的分析。測試結果如圖2所示。

圖2 控溫復現性測試結果

由圖2可得出，該黑體輻射源在600℃和1000℃時，10次測量結果的波動分別為0.2℃和0.3℃，約為0.3‰左右，在使用過程中可忽略該部分的影響。以接觸溫度計作為標準器和以有效亮度溫度整體溯源的黑體輻射源，如何保證較好的控溫復現性，可從以下幾個方面考慮:

1）采用性能較好的控溫溫度計。例如選用經檢定合格的精密鉑電阻，標準熱電偶或者高精度輻射溫度計作為控溫傳感器，并對其穩定性進行考察。

2）控溫溫度計與測溫孔的熱接觸特性以及相對位置關系。例如控溫傳感器的測溫孔可設計一定的長徑比，并使其底部形狀與控溫傳感器吻合，以保障傳熱性能。

3）升降溫時的熱脹冷縮效應，震動或運輸導致的結構的變化；尤其是控溫傳感器位置的變化，將大大影響控溫復現性。

3 結論

以某黑體輻射源HW112為例，分別對口徑、有效發射率、測點溫差以及控溫復現性等影響因素進行分析，并提出了相應的驗證方法和改進建議。對于以接觸式溫度計為標準直接溯源的恒溫槽式黑體輻射源或熱管式黑體輻射源，各項技術指標均較好，關鍵因素對其影響較小；以標準輻射溫度計為標準直接溯源的黑體輻射源，非相同/相近波段量傳時需考慮有效發射率的影響，可通過上述介紹的理論計算分析與多波長有效亮度溫度校準結果推算兩種方法對有效發射率進行驗證；以有效亮度溫度整體進行溯源的黑體輻射源、有效發射率和控溫復現性對其結果影響較大。

經分析，三種溯源方式各有優缺點，可根據黑體輻射源的具體性能結合使用者的要求，選擇合適的溯源方式，為廣大計量用戶在進行黑體輻射源選型與性能分析方面提供了可靠地技術支撐與建議。