高温辐射校准方法温度计

根据辐射温度测量的基本原理，提出了一种新的高温辐射温度计校准方法。激光辐射源利用黑体辐射能量与温度的确定关系，模拟发射黑体在某一温度和某一波段的辐射能量，即激光辐射源代替传统校准过程中的黑体炉作为校准辐射的辐射源温度计，从理论上解决了黑体炉无法校准3 200℃以上高温辐射温度计的问题。给出了激光辐射源校准装置的设计方案和校准方法，并对校准结果的不确定度进行了评定。

导言

对于辐射温度计的校准和验证，通常采用比较方法，即通过高度稳定的辐射源(通常是黑体辐射源)和其他支持设备，将标准装置再现的温度与检测到的辐射温度计再现的温度进行比较，以判断其是否合格或给出校准结果。

在校准和验证工作中，辐射源一般可在-6 ~ 1200℃(或1600℃)范围内使用，开放式中低温黑体炉，带抽真空和惰性气体保护的高温黑体炉可在1200℃(或1600℃)至3200℃范围内使用。标准装置分别为二级标准热电偶(二级标准铂电阻温度计)和标准光学(光电)高温计。

目前，国家检定系统上还没有相应的3200℃以上部件的传输系统。但是，根据模型和任务的要求，一些单位开发和使用了温度测量上限超过3200℃的辐射温度计。在这些温度计的校准和验证过程中，辐射热源作为标准和测试之间的比较介质非常重要。其主要技术指标是:温度范围、稳定性和有效发射率。目前的黑体辐射源通常是黑体炉。在现有技术条件下，由于制造加热器和黑体空腔所用材料的耐温性限制，其温度范围只能达到-60 ~ 3200℃，不能用于检测温度测量上限超过3200℃ 温度计的辐射。

激光能量法是本文提出的一种新的标定方法。根据这一原理，建立了相应的激光辐射源校准装置，能够校准和验证温度测量上限超过3200℃的辐射温度计。

工作原理

辐射温度计是一种根据物体辐射的能量测量温度的仪器。根据辐射理论，只要任何物体不在零度(-273.15℃)，热辐射就存在于任何其他温度。热平衡中黑体发出的单色辐射是波长和温度的函数。

在一定波长下，黑体的单色辐射发射率是温度的单值函数，通过测量一定波长下的单色辐射发射率可以得到黑体的温度。这是辐射测温的理论基础，普朗克黑体辐射定律。

在实际测量中，辐射单色仪温度计不能完全是单色的。此外，探测器还需要获得一定光谱范围内的辐射能量，否则它不能响应，因为接收到的能量非常小。同时，实际测量的物体不是黑色的。

在温度测量期间，辐射温度计对准待测物体，辐射温度计的探测器接收待测物体辐射的能量，并通过信号处理电路将能量转换成相应的电信号，或者进一步通过显示器直接显示待测物体的温度值。

根据上述辐射温度计的温度测量原理，可以发现辐射能的波长在[λ；1，&λ；2)辐射源范围内；辐射能对应于黑体的特定温度，但是辐射源本身的温度不等于这个温度。辐射能量是连续可调的，并且输出辐射能量相对较高。

由于激光器在几千摄氏度的高温下发射与黑体发射的辐射相对应的有效波段温度计内的辐射能，激光器本身的温度不能达到几千摄氏度，尤其是用于校准的激光器功率小，因此激光器本身的温度非常低。通过这种方式，激光器发射的辐射能不受其制造的材料的耐温性的限制。根据激光器的这一特性，选择在辐射温度计的有效波长范围内具有工作波长的激光器来模拟特定温度下温度辐射的黑体辐射能量和辐射温度计的有效波长带，使得辐射温度计接收的激光能量等于辐射温度计的有效波长带内该特定温度下黑体的辐射能量， 并且激光器的输出能量与特定温度相结合，以代替传统校准过程中的黑体炉作为校准辐射的辐射源温度计。 激光器的输出能量由标准激光功率计校准，通过测量电量可以准确获得标准激光功率计的标准值。

标准激光功率计用作校准激光器输出的辐射能量的标准装置，该辐射能量等于特定温度下辐射温度计接收的黑体辐射能量。因此，在正常情况下用于校准辐射温度计的标准装置从高精度温度计变为标准激光功率计，并且激光器代替黑体辐射源，从而实现高温辐射温度计的校准。这是通过激光能量法校准辐射温度计的基本原理。这种激光器可以称为激光辐射源。

激光能量法的特点

激光能量法有几个特点:

a)激光辐射源本身的温度可以非常低，避免了现有黑体辐射源的温度上限由于本体材料的耐热性而不能超过3200℃的情况，因此温度上限可以非常高。由于黑体炉被激光代替作为辐射源，输出能量完全可以满足辐射温度计对高温校准的要求。

b)易于使用。从键盘输入辐射温度计光学系统的孔径。当辐射源温度计和测量目标之间的距离R为1000毫米时，目标可以辐射到辐射源温度计区域S，以及光学系统光谱范围λ的上波长和下波长；1，&λ；2和温度T0i时，激光辐射源可以直接输出与温度T0i对应的辐射能量φ；0λ；1，&λ；2(T0i).

c)激光能量法属于校准法，不需要标准温度计。同时，它也不同于一般的标定方法，不需要定义不动点和插值方程。使用标准激光功率计作为标准，通过激光辐射源的输出能量获得对应于热力学温度T0的辐射能量φ。0λ；1，&λ；2(T0i).标准激光功率计测量激光辐射源的输出能量并执行自校准。

d)节省时间。激光辐射源没有温升和恒温过程，可以实现快速校准和验证。

e)校准时，可能不考虑辐射距离系数温度计。

f)激光能量法主要用于高温范围辐射温度计的校准和验证，因此没有必要考虑环境辐射的影响。

问题讨论

激光辐射源输出的激光波长应在辐射温度计的有效波长范围内。由于激光辐射源不是黑体辐射源，输出激光的波长必须适应辐射温度计。换句话说，单频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，具有不同工作波长的多个激光辐射源可以共享一套控制系统。如果使用频率可调的激光器，这个问题可以被克服。

校准期间，应注意同轴辐射温度计和激光束。因为激光束非常窄，如果没有正确瞄准，激光束可能不会击中探测器。

在不确定度评估中，由于条件的限制，没有考虑辐射温度计光学系统光谱透射波长的测量误差。由于波长测量误差会导致辐射能的计算误差，zui较终会影响校准结果。同时，当辐射温度计和被测目标之间的距离R为1，000毫米时，也不考虑目标可以辐射的区域S的测量误差温度计。这两个误差将直接影响辐射能的计算。这将在未来的研究中得到解决。

激光能量法和黑体辐射源法校准辐射温度计的差异需要在理论和实践上进行讨论和研究。

来源:北京绿野创新机电设备有限

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