鐵路專用輕便型紅外測溫儀檢定方法的探討

浦麗華 上海鐵路局科研所

鐵路專用輕便型紅外測溫儀檢定方法的探討

浦麗華 上海鐵路局科研所

從鐵路專用輕便型紅外測溫儀的工作原理出發(fā)，介紹JJG（鐵道）149-2005《鐵路專用輕便型紅外測溫儀》檢定規(guī)程對檢定工作的有關(guān)規(guī)定。分析檢定規(guī)程中未詳細闡述檢定位置、分辨力和環(huán)境溫度對檢定結(jié)果的影響，指出計量檢定人員在實際檢定過程中應(yīng)注意這類影響以減少測量誤差。

鐵路專用輕便型紅外測溫儀；檢定規(guī)程；測量誤差

1 引言

上世紀90年代，鐵路部門開始使用鐵路專用輕便型紅外測溫儀（以下簡稱紅外測溫儀）檢測列車軸溫。鐵路計量主管部門為加強對紅外測溫儀的管理，制定了檢定規(guī)程JJG（鐵道）149-2005《鐵路專用輕便型紅外測溫儀》（以下簡稱鐵專規(guī)程），規(guī)定用于鐵路機車、車輛軸溫和鐵路其他設(shè)備溫度的非接觸式快速測量的紅外測溫儀須經(jīng)計量檢定合格后才能投入使用。

計量檢定人員根據(jù)鐵專規(guī)程開展紅外測溫儀檢定工作時，會碰到一些鐵專規(guī)程中尚未明確規(guī)定但對實際檢定結(jié)果有影響的問題。為做好紅外測溫儀的檢定工作，有必要對鐵專規(guī)程中未明確的內(nèi)容進行探討和統(tǒng)一。

2 紅外測溫儀的工作原理

一切溫度高于絕對零度的物體都在不斷地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。以熱輻射基本定律為工作原理，利用物體的輻射強度與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成了非接觸式測量物體溫度的紅外測溫儀。

紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成，如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)將被測目標的紅外輻射能量匯聚到光電探測器上，光電探測器將接收到的紅外輻射能量轉(zhuǎn)化為電信號，而該電信號經(jīng)信號放大器及信號處理后換算成被測目標的溫度值后顯示出來[1]。

圖1 紅外測溫儀工作原理[2]

3 檢定過程中應(yīng)注意的問題

鐵專規(guī)程對紅外測溫儀的檢定工作包括外觀、通電檢查和基本誤差等3個項目，規(guī)程中對檢定方法、基本誤差要求等給出了明確規(guī)定，但對于檢定過程中檢定位置、發(fā)射率問題及環(huán)境條件等因素未確切給出實施方法，應(yīng)對這些問題進行探討。

3.1 檢定位置的確定

鐵專規(guī)程中5.3.2.1規(guī)定測量時“應(yīng)將測溫儀置于其使用說明書規(guī)定的距離范圍內(nèi)并對準輻射源靶心”，在確定檢定位置（被檢紅外測溫儀與黑體輻射源的距離）時需考慮以下兩個因素的影響。

3.1.1 光學(xué)分辨力的影響

光學(xué)分辨力是測溫儀到目標之間的距離D與測量視場直徑S之比[4]，如圖2所示。在實際檢定過程中，標準器黑體輻射源的直徑是固定的，需根據(jù)被檢紅外測溫儀的光學(xué)分辨力計算檢定距離。檢定距離太遠，紅外測溫儀不能吸收匯聚視場內(nèi)的輻射能量，測量數(shù)據(jù)不準、引起過大的測量誤差。

圖2 紅外測溫儀的光學(xué)分辨力

3.1.2 視場的影響

紅外測溫儀的探測器接收測量視場內(nèi)的輻射能量，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字顯示視場內(nèi)的溫度，如圖3所示。但測量視場之外的區(qū)域（物體）也會產(chǎn)生輻射能量，這也會對紅外測溫儀的檢定產(chǎn)生影響。為解決這個問題，一般要求被測目標的尺寸超過測溫儀視場的50%，也就是在檢定紅外測溫儀時建議黑體輻射源的靶面直徑B大于或等于被測紅外測溫儀視場直徑S的1.5倍。情況下計算測量誤差時應(yīng)將發(fā)射率不一致造成的測量誤差進行修正。

根據(jù)黑體輻射的普朗克定律和斯忒藩-玻耳茲曼定律，對于目前最常見的發(fā)射率設(shè)定為0.95固定值的溫度計是（8～14）μm光譜響應(yīng)的寬帶溫度計，

圖3 紅外測溫儀光學(xué)分辨力的正確應(yīng)用[2]

以鐵路系統(tǒng)常用的一款計量標準器黑體輻射源為例，靶面直徑B為100mm，則視場直徑S=100mm/1.5=66.67mm，在檢定VC305型紅外測溫儀（D∶S=8），檢定距離D應(yīng)小于533 mm，超出該范圍將引入過大的測量誤差。

因檢定位置（距離）的不同，紅外測溫儀的測量誤差將不盡一致。為盡量減少由于檢定位置（距離）引起的測量誤差，應(yīng)遵循上述原則，并建議在檢定證書中注明檢定時的檢定距離以供使用人員參考。

3.2 發(fā)射率的影響

鐵專規(guī)程5.3.2.1指出在檢定紅外測溫儀時“有發(fā)射率調(diào)整功能的測溫儀應(yīng)將發(fā)射率調(diào)至1”。這種規(guī)定是基于假設(shè)計量標準器黑體輻射源的發(fā)射率為1。但是目前國內(nèi)外所用的各種黑體均是“人工黑體”，發(fā)射率接近1但永遠小于1；發(fā)射率為1的黑體可以稱作理想黑體，在地球自然環(huán)境內(nèi)，理想黑體可以說是不存在的[5]。因此在具體開展檢定工作時，應(yīng)根據(jù)標準器黑體輻射源溯源證書中的信息以及紅外測溫儀是否具有發(fā)射率調(diào)整功能等情況區(qū)別對待。

第一種情況：標準器溯源證書中直接給出標準器發(fā)射率為0.95時的實際值，此時該值可作為校準發(fā)射率設(shè)置為0.95的紅外測溫儀的標準值。這種情況下可將紅外測溫儀的測量值直接減去標準器在該點的標準值作為測量誤差。中國計量科學(xué)研究院、上海市計量測試技術(shù)研究院出具這類能夠直接給出“可作為校準發(fā)射率設(shè)置為0.95的（8～14）μm輻射溫度計的標準值”溯源證書。

第二種情況：標準器溯源證書中給出標準器發(fā)射率為1時的實際值，此時該值可作為校準發(fā)射率設(shè)置為1的紅外測溫儀的標準值。這種情況下可將紅外測溫儀的測量值直接減去標準器的標準值作為測量誤差。

第三種情況：標準器溯源證書中給出標準器發(fā)射率為1時的實際值，但紅外測溫儀的發(fā)射率不為1且不可調(diào)。這種

式中：

ε--紅外測溫儀的發(fā)射率設(shè)定值；

λ--真空中的波長；

Tin--紅外測溫儀示值；

Lb（λ，T）--溫度為T的黑體輻射源的光譜輻射亮度；Tam--環(huán)境溫度；

R（λ）--紅外測溫儀的相對光譜響應(yīng)度。

此時示值偏差△tc為

式中：

Tin--紅外測溫儀示值；

Tbb--黑體輻射源溫度。

根據(jù)式（2）、（3），計算當(dāng)環(huán)境溫度Tam為20℃時，示值偏差△tc的結(jié)果見表1。

表1 典型計算結(jié)果[6]（單位：℃）

目前，鐵路系統(tǒng)內(nèi)大多適用第一種情況，第二種情況只是關(guān)于發(fā)射率的理想狀態(tài)，第三種情況符合理論研究和實際應(yīng)用但在一般檢定過程中較少應(yīng)用。

3.3 環(huán)境條件的影響

鐵專規(guī)程5.2.2對于檢定時的環(huán)境條件規(guī)定如下"檢定時環(huán)境溫度為（20±3）℃，相對濕度不大于85%，無強環(huán)境輻射、無強空氣對流"，同時鐵專規(guī)程5.3.2要求“測溫儀的檢定應(yīng)在測溫儀與環(huán)境溫度等溫后進行”，但是具體等溫多少時間并未給出要求。而我們在查閱紅外測溫儀產(chǎn)品說明書時發(fā)現(xiàn)，一般說明書中都有對產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的要求，也即是在不同環(huán)境溫度中進行測量時均需將產(chǎn)品放置10min以上以便適應(yīng)新環(huán)境（不同生產(chǎn)廠家對建議放置時間不同）。因此在綜合考慮產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性要求以及元器件穩(wěn)定性等要求，為減小環(huán)境條件對測量結(jié)果的影響，建議檢定紅外測溫儀時應(yīng)：①將被檢紅外測溫儀在規(guī)定環(huán)境條件下等溫2h及以上。②調(diào)低實驗室空調(diào)風(fēng)速或改變空調(diào)風(fēng)向，避免空氣對流造成的測量誤差。

4 結(jié)束語

JJG（鐵道）149-2005《鐵路專用輕便型紅外測溫儀》制修訂時間較早，鑒于近些年國內(nèi)外關(guān)于輻射理論研究取得的新成果以及國內(nèi)開展關(guān)于輻射溫度計檢定系統(tǒng)框圖的修訂工作，建議下次修訂鐵專規(guī)程時可增加關(guān)于檢定位置、分辨力和環(huán)境條件等內(nèi)容，以便廣大鐵路計量檢定人員開展紅外測溫儀的檢定工作。

[1]鄭子偉.紅外測溫儀概述[J].計量與測試技術(shù)，2006（10）

[2]王彥春等.鐵路計量技術(shù)與管理[M].北京：中國鐵道出版社.

[3]JJG（鐵道）149-2005.鐵路專用輕便型紅外測溫儀.

[4]張欽.紅外測溫儀的工作原理及檢定數(shù)據(jù)處理方法探討[J].計量與測試技術(shù)，2008.

[5]李吉林、肖功弼、俞倫鵬.輻射測溫和檢定/校準技術(shù)[M].北京：中國計量出版社，2009∶216～217.

[6]原遵東等.發(fā)射率設(shè)定值不為1的輻射溫度計的校準[J].計量技術(shù)，2007（5）.

責(zé)任編輯：王華 張勇慧
來稿日期：2014-02-11