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以钨带灯作为辐射源的标定装置的研究

2014/11/13 23:08:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  为保证辐射温度计的准确可靠,需定期对其进行分度和校准。目前使用的装置一般为黑体炉。然而,由于黑体炉体积庞大、价格昂贵、升温时间长,无法满足生产和使用过程中对大量辐射温度计的分度和校准的要求。因此研制一种更为经济简便的标定装置,显得十分必要。本文介绍一种满足上述需求的标定装置,即用标准钨带灯代替黑体炉作为过渡辐射源。

  一、工作原理

  依据黑体辐射的普朗克定律,选择工作波长覆盖辐射温度计工作波长范围的钨带灯,来模拟在相同温度及有效波长范围内黑体炉的辐射能量,使辐射温度计接收到的辐射能量与在相同温度下黑体炉在该有效波段内的辐射能量相等。 通过标准器将黑体炉的“辐射能量———温度”复制到标准钨带灯,使其转化为辐射温度计比较定装置的测定标准。

  由于钨带灯是非黑体辐射源,其真实温度与亮度温度之间的关系用下式表示:

  式中:Ts———钨带灯的亮温;T———钨带灯的真实温度;λe———钨带灯亮温与真温之间的平均有效波长;(λ,T)———钨带灯在工作波长范围内的平均光谱发射率。

  综上所述, 可建立钨带灯电流I与温度T的对应关系, 从而实现钨带灯代替黑体炉对辐射温度计的标定与校准。

  二、装置组成

  本装置主要由三部分组成: 标准钨带灯及其光学扩展系统、调节支架及导轨和准标准辐射温度计。其中,标准钨带灯是标定装置的核心部分,作为过渡辐射源对辐射温度计进行标定。 由于标准钨带灯的灯带狭窄,与辐射温度计的相关参数不符合,所以必须设计适当的光学系统对标准钨带灯的稳定温度区域进行扩展,使之满足辐射温度计测量目标的要求。 光学系统由标准钨带灯灯带、透镜、变焦窗口、瞄准系统组成,其基本原理如图1所示。

  钨带灯是一种非黑体辐射源,它具有与黑体不同的光谱能量分布, 灯带的辐射发射具有很强的方向性,因此要设计灵活可调的安装支架,进行不同距离和方位的调节,使辐射温度计能够更有效地接收辐射信号。选择稳定性、复现性较好的同型号的辐射温度计作为该标定装置的标准器,通过它将黑体炉能量———温度关系复制到标准钨带灯。为保证“准标准辐射温度计”的准确性,必须在标准高温黑体炉上对其稳定性、复现性进行考核及分度误差验证。

  三、标定方法

  在利用该装置进行标定前,首先要在标准高温黑体炉上对“准标准辐射温度计”进行标定,得到黑体炉温度-毫伏值,如表1所示。

  通过“准标准辐射温度计”在本套装置上进行测试,将以上关系复制到标准钨带灯,从而得到标准钨带灯电流-温度关系,如表2所示。

  以表2中的钨带灯电流-温度关系作为该比较标定装置的测定标准,即可进行辐射温度计的标定。

  四、讨论

  经过长期试验验证,该装置的分度误差为5℃,半年内的温度变化为5℃, 分度范围为:1200℃~1800℃。 以1500℃为例评定该装置测量结果的不确定度:在95%的置信概率下,其不确定度为4.2℃。

  由于该装置只是过渡辐射源,在校准时必须以与被校温度计具有相同光谱特性的温度计作为标准器,具有一定的局限性。 因此,对本装置的普遍适用性还有待进一步探讨与研究。

  作者单位【邢寒雪 宋光涛 河北大学、张瑞林 河北省质量技术监督局、郭增军 河北省计量监督检测院】

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