紅外耳溫計檢定及誤差分析

楊晟

摘? 要：紅外耳溫計是利用耳道和鼓膜與探測器間的熱輻射交換來測量人體溫度的測溫儀器。本文介紹了紅外耳溫計的測量原理，以及如何建立一套高精度的計量標準裝置，包括主要標準器及其配套設備的配置，實現(xiàn)對耳溫計的檢定。針對檢定過程中的測量誤差，根據(jù)測量數(shù)學模型進行詳細分析，主要從測量重復性、計量標準器本身的誤差及配套設備引入的誤差，還有就是黑體空腔的發(fā)射率的影響等3個方面進行分析，希望為紅外耳溫計的檢定工作和測量不確定度評定提供借鑒。

關鍵詞：紅外耳溫計? 檢定? 黑體空腔? 發(fā)射率? 誤差分析

中圖分類號：TH776? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（b）-0244-03

Verification and Error Analysis of Infrared Ear Thermometer

YANG Sheng

（Liyang Market Comprehensive Inspection and Testing Center， Liyang， Jiangsu Province， 213300? China）

Abstract： Infrared ear thermometer is a kind of temperature measuring instrument which uses the heat radiation exchange between the ear canal and tympanic membrane and the detector to measure the temperature of human body. This paper introduces the measurement principle of the infrared ear thermometer， and how to establish a set of high-precision measurement standard device， including the configuration of the main standard device and its supporting equipment， so as to realize the verification of the ear thermometer. In view of the measurement error in the verification process， according to the measurement mathematical model， this paper analyzes in detail from three aspects： the measurement repeatability， the error of the measurement standard itself and the error introduced by the supporting equipment， and the influence of the emissivity of the blackbody cavity， hoping to provide reference for the verification of the infrared ear thermometer and the evaluation of the measurement uncertainty.

Key Words： Infrared ear thermometer; Verification; Blackbody cavity; Emissivity; Error analysis

體溫一直都是衡量健康非常重要的一個指標，特別是在新冠肺炎疫情爆發(fā)及常態(tài)化防控時期尤為明顯，對于快速測量體溫對于疫情防控已必不可少。紅外耳溫計是一個可以快速對人體溫度進行準確測量的儀器，目前其普及率已經(jīng)較為廣泛，學校、醫(yī)院等公共場所及個人也較多應用。相對于傳統(tǒng)的玻璃體溫計和采用熱敏電阻作為傳感元件的電子體溫計而言， 其測量響應快，操作更為簡單，而且安全可靠，特別是在對嬰幼兒、低齡兒童進行測溫時，由于其安全性較強，避免傳統(tǒng)水銀式體溫計出現(xiàn)交叉使用出現(xiàn)感染的情況，而且不會斷裂，經(jīng)久耐用。為保證紅外耳溫計計量性能的穩(wěn)定可靠，我們需要建立一套高精度的計量標準裝置， 實現(xiàn)對耳溫計的檢定，為政府行政機關法制計量工作提供技術保障，從而間接地保障人民群眾的生命健康安全。

1? 紅外耳溫計的測量原理

紅外耳溫計作為非接觸式的測溫儀器，其工作原理在于利用耳道和鼓膜與探測器間的熱輻射交換來測定人體溫度。它通常采用熱電探測器為傳感器， 測量范圍一般為35.0～42.0℃。人體耳鼓膜供血與大腦下視丘（下視丘是腦部溫控中心， 并不斷向外輻射紅外線）的供血源于同一動脈血管，兩處位置接近，因此耳鼓膜比口腔、腋下和直腸等傳統(tǒng)的測溫部分，能夠更加敏感，測量溫度更加準確[1]。另外，耳道壁和鼓膜形成的腔體，十分接近黑體（即ε=1.0），因此用耳溫計測量時，對輻射率ε不確定的影響很小，測得的溫度會接近耳道的實際溫度，測量模擬圖如圖1所示。

輻射溫度計可分成單波長溫度計、比色（或多波長） 溫度計和全輻射溫度計這3個類型。由于被測物體的發(fā)射率難以準確掌握，因此輻射溫度計測得的是物體假定溫度，單波長溫度計測得的是物體的亮度溫度，比色溫度計測得的是物體的顏色溫度，而全輻射溫度計測得的是物體的輻射溫度，本文中所討論的紅外耳溫計采用全輻射式測量方法。采用輻射測溫方法的基本原理來自斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律，斯蒂芬-玻爾茲曼定律建立了黑體的輻射亮度與溫度之間的定量關系，它的數(shù)學表達式為：

（1）

式中為黑體的輻射亮度，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，等于5.67037×（W..），為黑體的實際溫度（K）。

該定律指出，黑體的輻射亮度正比于它的絕對溫度的四次方。這一結論不僅對黑體是正確的，而且對任何實際物體也是成立的，這說明任何輻射物體的輻射亮度總是與它的溫度的四次方成正比。利用這一特性，我們可以通過測量物體的輻射亮度來準確確定該物體的溫度[2]。這就是紅外耳溫計的測量原理。

2? 紅外耳溫計的檢定

紅外耳溫計檢定裝置一般由恒溫水槽、黑體空腔、標準溫度計以及電測設備組成。水槽為黑體空腔提供均勻穩(wěn)定的恒溫水浴環(huán)境，液體恒溫具有均勻性好、易控制、波動小的特點。黑體空腔材料采用電解銅，通常為圓柱圓錐型、雙圓錐型或圓柱形等[3]，空腔內(nèi)壁表面采用噴砂工藝形成漫射面以達到提升空腔發(fā)射率的目的。實驗室通常采用比較法對紅外耳溫計進行檢定。以液體恒溫槽為媒介，用性能穩(wěn)定的溫度計作為標準器（通常采用二等及以上等級的標準鉑電阻溫度計作為標準溫度計），主要原因為標準鉑電阻溫度計優(yōu)異的穩(wěn)定性、成熟的檢定技術， 通過使用耳溫計測量黑體輻射源的溫度來確定耳溫計的準確性，檢定時應及時調整耳溫計的位置和距離，使得耳溫計測量光軸與黑體空腔軸線重合，檢定溫度點為∶35.0℃、37.0℃、41.5℃。檢定時環(huán)境溫度為18～28℃，環(huán)境濕度為10%～85%RH，檢定環(huán)境應無強環(huán)境熱輻射、無強空氣對流，耳溫計應放置在上述環(huán)境下30min以上，耳溫計的探頭保護套如有污染，應及時更換。

3? 實驗室誤差分析

紅外耳溫計作為一種非接觸式溫度計，儀表準確度較接觸式的醫(yī)用溫度計的穩(wěn)定性能差，而且測量數(shù)據(jù)會由于多種因素變化，最為重要的是被測對象輻射率的不確定因素，無法準確測出被測對象實際溫度，測量距離與環(huán)境溫度的因素也將產(chǎn)生測量的誤差。另外，作為一種醫(yī)療儀器，紅外耳溫計的性能應當符合技術法規(guī)的要求，由于之前國家對于紅外耳溫計只有校準規(guī)范沒有國家檢定規(guī)程，因此，耳溫計校準研究的目的就是使它為我們提供準確的體溫數(shù)值，對耳溫計校準方法的研究，有關人士均進行大量實驗，且因為測試手段在陸續(xù)更新，計算機的處理水平也越來越強，對其研究也在不斷發(fā)展，且技術日趨完善，本次對紅外耳溫計檢定過程誤差的分析研究也是在前人研究的基礎作進一步的補充和完善。由于紅外耳溫計測量過程中，耳溫計的數(shù)據(jù)處理單元將引入人體不同部位的溫度差異修正，目前這種修正沒有標準數(shù)學模型可以采用，通常由耳溫計制造商通過試驗方法獲得或引用相關文獻數(shù)據(jù)，不同產(chǎn)品的修正模型存在較大差異?；诙鷾赜嫯a(chǎn)品的這種工作方式，我們引入了實驗室條件下檢驗耳溫計在不同溫濕度環(huán)境、機械環(huán)境下的“實驗室誤差”這一概念[4]。

紅外耳溫計檢定中針對計量性能要求主要就是實驗室誤差，所謂實驗室誤差就是測試模式下，紅外耳溫計示值與黑體溫度之差，其的測量模型可由下式表示：

（2）

耳溫計檢定的實驗室誤差應不超過±0.2℃[5]。根據(jù)測量模型可知，耳溫計的實驗室誤差測量引入的不確定度主要是3個方面，即來源于測量重復性及其分辨力，計量標準器本身的誤差及配套設備引入的誤差，還有就是黑體空腔的發(fā)射率帶入的不確定度。

我們來逐個分析，首先由于重復性引入的標準不確定度與分辨力引入的標準不確定度有重復考慮的部分，因此應取其中較大者。其次計量標準器引入的標準不確定度主要是標準溫度計的允許誤差以及電測設備的準確度，這些都可以從計量標準上級溯源證書中找到;配套設備引入的標準不確定度主要考慮的是液體恒溫槽的穩(wěn)定性和均勻性，因為黑體空腔處于液體恒溫槽工作區(qū)，通過對液體恒溫槽工作區(qū)工質的溫度控制實現(xiàn)黑體空腔的溫度控制，所以黑體空腔溫度完全是通過恒溫槽的液體工質溫度來表征，恒溫槽的這些參數(shù)都可以在設備生產(chǎn)商的使用說明書中查到，在半寬區(qū)間內(nèi)都可認為服從均勻分布。最后黑體空腔的發(fā)射率的不確定度的影響因素包括：腔壁的材料發(fā)射率，溫度分布的影響，空腔的幾何尺寸。根據(jù)我們?nèi)粘z定所使用的空腔及其工作狀態(tài)，后兩項影響因素的影響可忽略不計，黑體空腔的發(fā)射率的不確定度主要由腔壁的材料發(fā)射率測量誤差引起。作為醫(yī)用溫度計，技術指標要求紅外耳溫計的最小分度值為0.1℃。這就要求在檢定耳溫計時，耳溫計的讀數(shù)與黑體空腔的實際溫度之偏差應小于0.1℃。根據(jù)紅外耳溫計的測量原理，假設發(fā)射率分別為0.9、0.99、0.999，耳溫計示值為35～42℃，每間隔1℃，計算紅外耳溫計示值與黑體溫度的偏差，計算結果列于表1。

由表1可知，只有當黑體空腔的空腔發(fā)射率達到或大于0.999時，偏差才滿足要求。所以可以依據(jù)不同環(huán)境溫度下，耳溫計黑體發(fā)射率小于1引入的修正值來確定該不確定度分量，具體可見《紅外耳溫計檢定規(guī)程》（JJG 1164-2019）附錄表B.1、表B.2[6-7]。

4? 結語

綜上所述，紅外耳溫計作為常用的測溫儀器，可有效增強醫(yī)院等醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)應對類似新冠肺炎等突發(fā)公共衛(wèi)生事件的醫(yī)療保障水平，所以確保耳溫計的量值準確和數(shù)據(jù)的有效溯源尤為關鍵。本文就做好紅外耳溫計的檢定工作，以及建立相應的計量標準進行了詳細的闡述，并分析了紅外耳溫計檢定裝置測量誤差的種種不確定因素，紅外耳溫計的檢定對所用標準器及配套設備的精度要求較高，為確保能夠得到真實準確的檢定結果，就要嚴格遵守檢定規(guī)定，不斷地提高檢定過程的規(guī)范性和科學性。

參考文獻

[1] 張恒.紅外耳溫計示值修正值的不確定度評定[J].產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，2020，2（35）：28-30.

[2] 陸雅婷.變壓器壓力釋放閥校準裝置的研制[D].杭州：中國計量大學，2019.

[3] 鄒軼，柏成玉，曾麟，等.環(huán)溫對紅外耳溫計校準的影響實驗[J].計量技術，2019（1）：52-54.

[4] 柏成玉.JJG1164-2019《紅外耳溫計檢定規(guī)程》解讀[J].中國計量，2020（3）：124-126.

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[6] 劉虎生，欒海峰.紅外耳溫計實驗室誤差測量不確定度評定[J].中國計量，2020（12）：109-110.

[7] 王桌培.高精度非接觸式體溫測量網(wǎng)絡化系統(tǒng)研究[D].南京：南京郵電大學，2018.