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高温辐射温度计激光能量校准方法探讨
摘要 根据辐射测温的基本原理,提出了一种新的高温辐射温度计校准方法。利用黑体辐射能量与温度之间的确定关系,由激光辐射源模拟发射黑体在某一温度和某一波段下的辐射能量,即用激光辐射源取代常规校准过程中的黑体炉作为校准辐射温度计的辐射源,从理论上解决了用黑体炉无法对3 200 ℃以上高温辐射温度计进行校准的问题。 给出了激光辐射源校准装置的设计方案和校准方法,并评定了校准结果的不确定度。
1 引言
    对辐射温度计的校准、检定,通常采用比较法,就是通过高稳 定度的辐射源(通常为黑体辐射源)和其他配套设备,将标准器所复现的温度与被检辐射温度计所复现的温度进行比较,以判断其是否合格或给出校准结果。
    在校准、检定工作中,辐射源一般在-6~1 200 ℃(或1 600 ℃)范围内可用开口式 中、低温黑体炉,1 200 (或1 600 ℃)~3 200 ℃采用抽真空并充惰性气体保护的高温黑体炉。标准器分别为二等标准热电偶(二等标准铂电阻温度计)和标准光学(光电)高温计。
    目前,国家检定系统表上3 200 ℃以上部分没有相应的传递系统。但是,根据型号任务 的需要,有些单位已经研制、使用了测温上限超过3 200 ℃的辐射温度计。对这些温度计进 行 校准、检定时,辐射热源作为标准与被检之间的比较介质是非常重要的。其主要技术指标为:温度范围、稳定度和有效发射率。现在的黑体辐射源通常为黑体炉,在现有的技术条件下,由于受制造加热器、黑体空腔的材料耐温性限制,其温度范围只能达到-60~3 200 ℃ ,无法用于检定测温上限超过3200 ℃的辐射温度计。
    激光能量法是本文提出的一种新的校准方法。根据此原理建立相应的激光辐射源校准 装置,将可实现对测温上限超过3200 ℃的辐射温度计的校准、检定。
2 工作原理
    辐射温度计是依据物体辐射的能量来测量温度的仪表。根据辐射理论,任何物 体只要不处于绝对零度(-273.15 ℃),那么在其他任意温度下都存在热辐射。处于热平衡 状态的黑体在半球方向的单色辐射出射度是波长和温度的函数。
    在一定的波长下,黑体的单色辐射出射度是温度的单值函数,可以通过某一波长下的单色辐射出射度的测量来得出黑体的温度。这就是辐射测温学的理论基础,黑体辐射的普朗克定律。
    在实际测量中,辐射温度计的单色器不可能是完全单色的。而且,探测器也要求获得一定光谱范围的辐射能量,否则由于所接收的能量很小而无法作出响应。同时,实际被测物体也不是黑体。
    测温时,将辐射温度计瞄准被测物体,辐射温度计的探测器接收到被测物体所辐射的能量,经信号处理电路转换为相应的电信号或进一步通过显示器直接显示出被测物体的温度值。
    根据以上辐射温度计的测温原理,可寻找出辐射能量的波长 在[λ1,λ2]范围内的辐射源;辐射能量对应于黑体某一特定的温度,但是辐射源本身的温度并不等于此温度,辐射能量连续可调,输出的辐射能量较高。
    由于激光器发射对应于黑体在几千摄氏度高温时所发出的辐射温度计有效波段内的辐射能量时,激光器本身的温度是达不到几千摄氏度的,特别是用于校准的激光器功率较小,因此自身的温度很低。这样,激光器所发出的辐射能量就不受本身制造材料耐温性的限制。利用激光器的这一特点,选择工作波长在辐射温度计有效波长范围内的激光器,来模拟温度辐射在某一特定温度和辐射温度计有效波段内的黑体辐射能量,使辐射温度计所接收到的激光能量与此特定温度的黑体在辐射温度计有效波段内的辐射能量相等,把激光器的输出能量与特定温度联系起来,可取代常规校准过程中的黑体炉作为校准辐射温度计的辐射源。激光器的输出能量由标准激光功率计进行校准,标准激光功率计的标准值可通过测量电量的方法准确获得。
    用标准激光功率计作为标准器,校准激光器输出的辐射能量,此辐射能量与特定温度下辐射温度计所接收到的黑体辐射能量相等,从而将通常情况下校准辐射温度计的标准器由准确度高一等级的温度计改为标准激光功率计,由激光器代替黑体辐射源,实现了高温辐射温度计的校准,这就是激光能量法校准辐射温度计的基本原理。此激光器可称为激光辐射源。
3 激光能量法的特点
激光能量法具有几下特点:
    a) 激光辐射源本身的温度可以很低,避免了现有黑体辐射源因本体材料的耐热性导致的 温度上限不能超过3 200 ℃的情况,因此温度上限可以很高。由于采用激光器代替了黑体炉作为辐射源,其输出的能量完全可以满足辐射温度计对高温校准的要求。
    b) 使用方便。从键盘输入辐射温度计光学系统的通光孔径r,辐射温度计与被测目标的 距离R为1 000 mm时,目标能够辐射到辐射温度计面积S,光学系统光谱范围的上、下限波长λ1,λ2 和温度值T0i后,激光辐射源即可直接输出对应于温度T0i的辐射能量φ0λ1,λ2(T0i)。
    c) 激光能量法属于绝对法校准,不需要标准温度计。同时,也不同于一般的绝对法校准,不需要定义固定点和内插方程。采用标准激光功率计作为标准器,通过激光辐射源的输出能量来获得对应于热力学温度T0的辐射能量φ0λ1,λ2(T0i)。标准激光功率计对激光辐射源的输出能量进行测量,并进行自校准。
    d) 节省时间。激光辐射源没有升温和恒温过程,所以可实现快速校准、检定。
    e) 校准时,可不考虑辐射温度计的距离系数。
    f) 激光能量法主要用于高温范围辐射温度计的校准、检定,所以不必考虑环境辐射的影响。
4 问题讨论
    激光辐射源输出激光的波长应在辐射温度计的有效波长范围之内。由于激光辐射源不是黑体辐射源,所以输出激光的波长必须与辐射温度计相适应。也就是说,一台通常单频率的激光辐射源不能满足校准所有辐射温度计的需要。在校准装置中,工作波长不同的多台激光辐射源可共用一套控制系统。若采用频率可调的激光器可克服此问题。
    校准时,应注意辐射温度计与激光束的同轴。因为激光束很窄,若瞄准不好可能使激 光束打不到探测器上。
    在不确定度的评定过程中,由于条件所限,没有考虑辐射温度计光学系统光谱透过波长的测量误差问题。因波长测量误差会导致辐射能量的计算误差,最终对校准结果产生影响。同时,也没有考虑辐射温度计光学系统的通光孔径r,辐射温度计与被测目标的距离R为1 000 mm时,目标能够辐射到辐射温度计的面积S的测量误差,这两项误差将对计算辐射能量直接产生影响。对此,将在今后的研究中加以解决。
    对激光能量法与黑体辐射源法校准辐射温度计的差异还有待理论及实践的探讨与研究 。
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