基于彈性夾具的輻射溫度計(jì)檢定裝置研究

蔡永洪，梁滿兵，吳珍菊

（廣州計(jì)量檢測技術(shù)研究院，廣東廣州510663）

0 引言

輻射溫度計(jì)是一種基于物體的熱輻射特性與溫度之間對應(yīng)關(guān)系（黑體輻射定律）的非接觸式測溫儀表，測量結(jié)果受被測對象發(fā)射率、中間介質(zhì)和測量距離等因素影響［1-4］。隨著輻射溫度計(jì)越來越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性對安全生產(chǎn)和質(zhì)量控制愈發(fā)重要，因此對輻射溫度計(jì)的檢定是十分必要且重要的。

1 輻射溫度計(jì)檢定現(xiàn)狀

現(xiàn)行的輻射溫度計(jì)檢定依據(jù)是JJG 856-2015《工作用輻射溫度計(jì)檢定規(guī)程》。該規(guī)程要求，被檢溫度計(jì)安裝在輻射源軸線方向特定距離處并瞄準(zhǔn)輻射源中心，參考和被檢溫度計(jì)應(yīng)交替瞄準(zhǔn)或以機(jī)械方式可重復(fù)地切換位置［5］。目前，大多數(shù)檢定員都采用手持的方式實(shí)施檢定操作，即手握被檢溫度計(jì)，通過手臂和手腕的運(yùn)動來調(diào)整被檢溫度計(jì)的姿態(tài)，在肉眼觀察和主觀判斷下完成瞄準(zhǔn)與測量。雖然手持方式十分靈活快捷，但手持姿態(tài)難以重現(xiàn)，主觀判斷的瞄準(zhǔn)點(diǎn)和檢定距離易引入較大的隨機(jī)誤差，無法保證重復(fù)性準(zhǔn)確度。

為此，出現(xiàn)了使用夾具夾持被檢溫度計(jì)實(shí)施檢定的方式。目前，常見的兩種用于夾持被檢溫度計(jì)的夾具如圖1所示。通過將溫度計(jì)光學(xué)測頭放入夾具的安裝部位以達(dá)到固定溫度計(jì)的目的，然后機(jī)械控制檢定距離和瞄準(zhǔn)中心，從而提高重復(fù)性測量的精度。不可調(diào)節(jié)夾具如圖1（a）所示，其結(jié)構(gòu)簡單，安裝溫度計(jì)之后無法再進(jìn)行方位調(diào)整；可調(diào)節(jié)夾具如圖1（b）所示，它能夠進(jìn)行高度和多個方位角度的調(diào)整。然而，輻射溫度計(jì)的外觀形狀多種多樣、大小不一，尤其表現(xiàn)在測頭部分。若使用夾具a安裝不同輻射溫度計(jì)，安裝位置將直接影響瞄準(zhǔn)位置，無法保證瞄準(zhǔn)中心彼此相同；若使用夾具b安裝時，由于多個方位需要分別調(diào)整，效率低下，而且在確定的瞄準(zhǔn)方位之間無法進(jìn)行切換，導(dǎo)致同一臺輻射溫度計(jì)在多溫度點(diǎn)檢定時方位無法保持一致。

圖1 輻射溫度計(jì)夾具

2 高重復(fù)性準(zhǔn)確度的夾具設(shè)計(jì)

雖然輻射溫度計(jì)光學(xué)測頭形狀各不相同，但手把部位卻因以方便抓握為功能目標(biāo)而具有相同特點(diǎn)，即左右對稱、大小以一只成年人的手可正常抓握為合適、外表面圓滑。因此，考慮設(shè)計(jì)一種模擬人手抓握的夾具，該夾具以夾持手把為特點(diǎn)，適配各種形狀的輻射溫度計(jì)。

現(xiàn)有夾具將夾持和瞄準(zhǔn)分開操作，即先固定溫度計(jì)，再逐步調(diào)整夾具的位置和姿態(tài)，達(dá)到中心對準(zhǔn)的狀態(tài)。為了提高瞄準(zhǔn)效率，考慮將手持的靈活性和夾持的可重復(fù)性融合一體，即在夾持溫度計(jì)的同時也進(jìn)行瞄準(zhǔn)，一邊裝夾、一邊瞄準(zhǔn)。

針對共用一個夾具時溫度計(jì)需要頻繁裝卸的問題，可考慮一個夾具配一個溫度計(jì)、共用一個檢定臺的方式，溫度計(jì)與夾具整體從檢定臺上裝上或者卸下，由于溫度計(jì)在夾具上已固定姿態(tài)，而夾具在檢定臺上則通過定位銷固定位置，從而確保溫度計(jì)在重復(fù)裝卸時不會改變瞄準(zhǔn)位置和姿態(tài)，只需要在首次夾持時進(jìn)行瞄準(zhǔn)，后續(xù)進(jìn)行其他檢定點(diǎn)檢定和重復(fù)性測量時都不再需要瞄準(zhǔn)了。

本文采用上述設(shè)計(jì)思想和解決方案，提出了一種高重復(fù)性精度的被檢夾具設(shè)計(jì)方案［6］。如圖2所示，被檢夾具主要由彈簧片、螺桿、夾桿、導(dǎo)桿、支柱、遮板等組成。使用時，將被檢溫度計(jì)的手把放置在彈簧片中間。旋動螺桿，左、右滑桿帶動彈簧片向中間靠攏，將被檢溫度計(jì)夾持住。螺桿旋進(jìn)越多，彈簧片變形越大，被檢溫度計(jì)夾持得就越牢固。

圖2 高重復(fù)性準(zhǔn)確度夾具

該夾具利用彈性夾條夾持被檢溫度計(jì)，能適應(yīng)各種形狀的輻射溫度計(jì)，提高溫度計(jì)檢定校準(zhǔn)裝置的適用范圍，具有顯著的通用性；利用人的手腕對被檢溫度計(jì)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，能夠靈活、方便、快速地達(dá)到測量關(guān)于瞄準(zhǔn)的要求，使檢測操作更簡單方便。

3 高重復(fù)性準(zhǔn)確度的檢定裝置

3.1 檢定裝置結(jié)構(gòu)

裝置由被檢夾具、標(biāo)準(zhǔn)夾具、橫向?qū)к?、縱向滑臺、上位機(jī)、電控柜、支座、輻射源組成，如圖3所示。被檢夾具和標(biāo)準(zhǔn)夾具分別安裝在橫向?qū)к壣系幕瑝K上。其中，被檢夾具與滑塊使用滾珠彈簧銷配合，能夠方便快捷地安裝和卸下。兩個滑塊分別安裝了限位拉桿，當(dāng)滑塊正對輻射源空腔中心時，限位拉桿剛好達(dá)到極限位置。橫向?qū)к壈惭b在縱向滑臺之上，能夠在輻射源空腔中軸延長線方向上直線移動。上位機(jī)安裝了檢定程序軟件，可設(shè)定檢定參數(shù)并控制滑臺運(yùn)動。

圖3 高重復(fù)性準(zhǔn)確度輻射溫度計(jì)檢定裝置

3.2 裝置操作方法

高重復(fù)性精度輻射溫度計(jì)檢定裝置的操作方法包括以下主要步驟［7］：

1）安裝被檢溫度計(jì)

利用被檢溫度計(jì)射出的輔助瞄準(zhǔn)激光，對準(zhǔn)在輻射源旁邊標(biāo)記的爐腔中心參考點(diǎn)，同時旋緊夾具使被檢溫度計(jì)的瞄準(zhǔn)姿態(tài)保持足夠牢固。當(dāng)需要檢測多個溫度計(jì)時，需要為每臺被檢溫度計(jì)分配一幅夾具并安裝好。

2）爐腔溫度測量

首先，使用參考溫度計(jì)測量爐腔溫度；然后，將安裝被檢夾具的滑塊移至拉桿限位處，使被檢溫度計(jì)對準(zhǔn)爐腔中心；接著，通過上位機(jī)控制滑臺將被檢溫度計(jì)移向檢定距離處；最后，按下測量鍵得到測量值，重復(fù)測量多次取平均值。同樣地，換上其他被檢溫度計(jì)的夾具，完成所有被檢溫度計(jì)的測量。

3）其他溫度點(diǎn)的檢定

改變輻射源設(shè)定溫度，重復(fù)步驟2）。

4 檢定裝置測試

在橫向?qū)к壣贤ㄟ^限位拉桿使夾具定位到輻射源爐腔中軸方向，其中標(biāo)準(zhǔn)夾具的重復(fù)定位誤差不高于0.01 mm，被檢夾具的重復(fù)定位誤差不高于0.02 mm。

使用彈性夾條實(shí)現(xiàn)被檢溫度計(jì)的固定，這種夾持方式雖不如剛性連接方式牢固，時間長可能會有一定程度的松弛和失穩(wěn)，但在正常的檢定工作時間內(nèi)，其牢固程度仍然足夠，可保持被檢溫度計(jì)的姿態(tài)不發(fā)生改變。經(jīng)過測試，被檢溫度計(jì)在1 m檢定距離處經(jīng)過30 min后，瞄準(zhǔn)點(diǎn)偏移0.3 mm；經(jīng)過60 min后，瞄準(zhǔn)點(diǎn)偏移0.5 mm。

檢定裝置使用步進(jìn)電機(jī)控制檢定距離，縱向滑臺的示值誤差如表1所示。

表1 縱向滑臺示值誤差 mm

現(xiàn)以3臺工作用輻射溫度計(jì)作為被檢對象，使用高重復(fù)性精度檢定裝置（簡稱本裝置）和手持檢定（簡稱手持式）兩種方式測量黑體爐（設(shè)定溫度500℃，亮度溫度為498.4℃），每隔1 min測量一次，重復(fù)測量10次，測量數(shù)據(jù)如表2所示［8］。

表2 不同測量方法的溫度示值 ℃

比較二者測量結(jié)果可知，使用本裝置測量的結(jié)果重復(fù)性明顯優(yōu)于手持測量。

5 小結(jié)

綜上，本文提出的高重復(fù)性輻射溫度計(jì)檢定裝置具有如下特點(diǎn)：①使用可辨識的標(biāo)記作為輻射源空腔中心點(diǎn)的外部瞄準(zhǔn)點(diǎn)，客觀又直觀；②利用輻射溫度計(jì)手握部位的形狀大小隨型號規(guī)格變化差異不大的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，夾具具有顯著的通用性；③利用2對彈簧片夾持被檢溫度計(jì)，能夠靈活、方便、快速地調(diào)整被檢溫度計(jì)的姿態(tài)并保持穩(wěn)固；④利用“一副夾具安裝一臺被檢，共用一個檢定臺”的方式，在多溫度點(diǎn)檢定和重復(fù)性測量中，無需多次瞄準(zhǔn)和重復(fù)安裝，提高了檢定工作的機(jī)械化程度和效率，以及重復(fù)性精度；⑤人機(jī)界面友好，采用程序控制，實(shí)現(xiàn)證書電子化和數(shù)據(jù)數(shù)字化。