雒新宇

(承德石油高等?？茖W(xué)校 資產(chǎn)與后勤管理處，河北　承德　 067000)

?

插入式紅外輻射測(cè)溫儀不確定度評(píng)定

雒新宇

(承德石油高等?？茖W(xué)校 資產(chǎn)與后勤管理處，河北承德 067000)

摘要：插入式紅外輻射測(cè)溫儀是一種新型高溫領(lǐng)域測(cè)溫儀，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。介紹了插入式紅外輻射測(cè)溫儀的工作原理及其安裝組成，并對(duì)插入式紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量結(jié)果不確定度進(jìn)行了評(píng)定。

關(guān)鍵詞：插入式紅外輻射測(cè)溫儀；工作原理；不確定度

溫度是日常生活和生產(chǎn)活動(dòng)中的重要參數(shù)，在冶金、化工、煉鋼熱軋等高溫生產(chǎn)工藝流程中，溫度測(cè)量是其中的重要環(huán)節(jié)[1]。目前大部分測(cè)溫系統(tǒng)采用熱電偶進(jìn)行接觸式測(cè)量，但由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，熱電偶消耗量大、價(jià)格高，致使成本大大提高[2]。因此很多廠家開始研制并使用一種基于紅外測(cè)溫原理的插入式紅外輻射測(cè)溫儀，這種測(cè)溫儀結(jié)合了接觸式和非接觸式測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)[3]。使用耐高溫的感溫管直接接觸被測(cè)物，在感溫管內(nèi)形成光路，光路的傳輸不受周圍環(huán)境介質(zhì)的干擾。插入式紅外輻射測(cè)溫儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低廉、節(jié)省貴金屬材料等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高溫測(cè)量領(lǐng)域。但是由于沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用市場(chǎng)混亂，嚴(yán)重影響了檢測(cè)和量值的統(tǒng)一，致使產(chǎn)品屢屢出現(xiàn)不合格品。不僅造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，還直接影響了企業(yè)的安全生產(chǎn)。本文介紹了插入式紅外輻射測(cè)溫儀的工作原理及其組成，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行行不確定度評(píng)定，為后續(xù)編寫《插入式紅外輻射測(cè)溫儀技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》奠定基礎(chǔ)。

1插入式紅外輻射測(cè)溫儀工作原理

插入式紅外輻射測(cè)溫儀是由光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)處理和顯示器三部分組成,如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)的主要作用是收集被測(cè)目標(biāo)的輻射功率,并使其匯聚到光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的光電探測(cè)器上。光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。光電探測(cè)器的作用是將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。信號(hào)處理部分的作用主要是對(duì)探測(cè)的微弱信號(hào)進(jìn)行放大,以達(dá)到顯示或記錄被測(cè)溫度的目的[4]。紅外輻射測(cè)溫儀核心是光電探測(cè)器。

插入式紅外輻射測(cè)溫儀的信號(hào)接收部分由剛玉管和傳感器探頭組成，當(dāng)把剛玉管插入到測(cè)溫場(chǎng)時(shí)形成一測(cè)溫黑體空腔，通過傳感器內(nèi)的光路系統(tǒng)將光亮度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。然后，通過二次儀表將電信號(hào)轉(zhuǎn)換溫度示值。傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)分為輻射測(cè)溫和接觸式測(cè)溫，插入式紅外輻射測(cè)溫儀吸取了兩者的優(yōu)點(diǎn)，是輻射測(cè)溫和接觸式測(cè)溫以及先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合體，是一項(xiàng)先進(jìn)的在線檢測(cè)技術(shù)[5]。

2插入式紅外輻射測(cè)溫儀的安裝組成

插入式紅外輻射測(cè)溫儀大多在800 ℃～1 600 ℃的溫度環(huán)境下使用。在使用時(shí)，由于傳感器探頭無法直接接觸高溫環(huán)境，所以在傳感器探頭前加裝具有固定發(fā)射率的剛玉管。將剛玉管與傳感器探頭相連并插入被測(cè)溫介質(zhì)中，使剛玉管作為一次信號(hào)接收器接觸高溫環(huán)境。被測(cè)對(duì)象輻射能量通過剛玉管沿光路發(fā)送到傳感器探頭。光電傳感器探頭將接收到的光亮度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳送到與其相連的二次儀表。光電傳感器輸出端按正負(fù)端與儀表信號(hào)輸入端子相接，接地端與地線相接，儀表加電后即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。

安裝插入式紅外輻射測(cè)溫儀時(shí)，應(yīng)將剛玉管緩慢插入被測(cè)溫介質(zhì)中，可垂直、水平或斜向插入，插入后加以固定，安裝后應(yīng)保證傳感器尾端溫度不得高于70 ℃。儀表加電后，應(yīng)預(yù)熱20 min，使其穩(wěn)定顯示測(cè)量溫度。插入式紅外輻射測(cè)溫儀傳感器與顯示儀安裝示意圖如圖2所示。

3測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

3.1測(cè)量原理

將測(cè)溫儀的剛玉管與二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶的測(cè)量端用細(xì)鉑銠絲捆扎成束，然后緩慢插入管式檢定爐最高溫區(qū)中心位置并加以固定，熱電偶的冷端經(jīng)冰水融體(0 ℃)或0 ℃恒溫器后，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶接入熱工儀表校驗(yàn)儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？刂茽t溫從800 ℃～1 600 ℃進(jìn)行選點(diǎn)測(cè)量。選取中間溫度點(diǎn)1 200 ℃進(jìn)行本裝置的不確定度評(píng)定。待檢定爐在各個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，記錄插入式紅外輻射測(cè)溫儀二次儀表的顯示值、監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器熱工儀表校驗(yàn)儀顯示值以及檢定爐控溫顯示示值。

3.2測(cè)量模型

本裝置示值誤差按下式進(jìn)行計(jì)算：

Δt=t-t0

(1)

式中：Δt為被檢插入式紅外測(cè)溫儀示值誤差，℃；t為測(cè)溫儀讀數(shù)的平均值，℃；t0為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶讀數(shù)實(shí)際溫度，℃。

3.3靈敏度系數(shù)

C1=?Δt/?t=1，C2=?Δt/?t=-1。

4標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源分析

在量值傳遞過程中，不確定度的來源主要有測(cè)量裝置、測(cè)量人員、測(cè)量方法、測(cè)量環(huán)境和被測(cè)對(duì)象5個(gè)方面[6]。

4.1A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

插入式紅外輻射測(cè)溫儀短期重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用uA表示，自由度用νA表示。

4.2B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1)輻射源溫場(chǎng)不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u1表示，自由度用v1表示，包含因子用k1表示，不可靠性所占比例用η1表示。2)輻射源爐溫不穩(wěn)定引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u2表示，自由度用v2表示，包含因子用k2表示，不可靠性所占比例用η2表示。3)被檢插入式紅外輻射測(cè)溫儀的示值分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u3表示，自由度用v3表示，包含因子用k3表示，不可靠性所占比例用η3表示。4)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的不確定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u4表示，自由度用v4表示，包含因子用k4表示，不可靠性所占比例用η4表示。5)輻射源靶面不均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u5表示，自由度用v5表示，包含因子用k5表示，不可靠性所占比例用η5表示。6)標(biāo)準(zhǔn)器與被檢測(cè)溫儀測(cè)溫點(diǎn)之間的溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用u6表示，自由度用v6表示，包含因子用k6表示，不可靠性所占比例用η6表示。7)電測(cè)系統(tǒng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u7表示，自由度用v7表示，包含因子用k7表示，不可靠性所占比例用η7表示。

5標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

5.1A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

在黑體爐裝置上，用插入式紅外輻射測(cè)溫儀在1 200 ℃點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，在同一測(cè)量人員、同一測(cè)量環(huán)境、同一被測(cè)對(duì)象，短時(shí)間內(nèi)測(cè)得10次數(shù)據(jù)，見表1，由標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式求出本裝置A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的值。

表1　插入式紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量數(shù)據(jù)

將表1中測(cè)量結(jié)果代入下式，

則標(biāo)準(zhǔn)差

(2)

則A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：uA=0.67 ℃

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度自由度：vA=n-1=10-1=9

5.2B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度各項(xiàng)誤差源引入到裝置的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量用下式求出：

ui=ai/ki

(3)

其中：ui—表示u1…u7(℃)；

ai—被測(cè)量可能值區(qū)間的半寬度a1…a7(℃)；

表2　B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總

5.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量自由度的確定

各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量自由度由下式求出：

(4)

其中：vi—表示自由度v1…v7；

ηi—表示不可靠性所占比例η1…η7(%)。

表3　標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的自由

5.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各項(xiàng)均不相關(guān)，因此不考慮相關(guān)項(xiàng)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(5)

其中：uc—合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(℃)；

ui—表示u1…u7(℃)；

n—標(biāo)準(zhǔn)不確定度各分量。

將uA及表2中的各不確定度分量ui代入(5)式中得：

=1.64(℃)

5.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的有效自由度

為了進(jìn)一步求出擴(kuò)展不確定度的包含因子k，首先用下式計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的有效自由度：

(6)

式中：veff—合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的自由度；

ui—表示uA、u1…u7(℃)；

vi—表示vA、v1…v7。

將uc、uA、vA及表3中各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的自由度vi，代入式(6)得：

=26

5.6擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度U

取p=95%，按veff=26查t分布表，得包含因子：k=t(0.95)(26)=2.06

則擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度：U=kuc=2.06×1.64=3.4(℃)(k=2.06,veff=26,p=0.95)

6小結(jié)

插入式紅外輻射測(cè)溫儀是高溫測(cè)量領(lǐng)域新型測(cè)溫儀儀，本文通過對(duì)插入式紅外輻射測(cè)溫儀1 200 ℃ 測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行不確定度評(píng)定與分析，指出了使用時(shí)各分量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，以便使用時(shí)應(yīng)盡量減少各可控因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響量，提高測(cè)溫儀測(cè)量精度。同時(shí)，也為后續(xù)編寫《插入式紅外輻射測(cè)溫儀技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜世昌.紅外測(cè)溫技術(shù)[J].自動(dòng)化儀表，1996(17):4.

[2]王魁漢.高溫?zé)犭娕技疤厥鈭?chǎng)合下的溫度測(cè)量技術(shù)[J] .儀器儀表,2003(3):13-17.

[3]陳素,康志茹,靳辰.插入式紅外輻射測(cè)溫儀校準(zhǔn)方法的研究[J]. 計(jì)量技術(shù)，2010(10)：44-46.

[4]周慶福,楊永軍,呂國義.紅外輻射測(cè)溫儀及校準(zhǔn)方法探討[J].計(jì)量技術(shù)，2008(4)：34-35.

[5]楊永軍.溫度測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展概述[J].計(jì)量技術(shù)，2009(29)：64-65.

[6]李金海.誤差理論與測(cè)量不確定度評(píng)定[M].北京：中國計(jì)量出版社，2003.

Uncertainty Evaluation of Plug-infrared Radiation Thermometer

LAO Xin-yu

(Assets and Logistics Administration Section, Chengde Petroleum College,Chengde 067000, Hebei, China)

Abstract:Plug-infrared radiation thermometer is a new high-temperature thermometer, and is widely used in industrial production process. This paper describes the working principle and installation composition of plug-infrared radiation thermometer. Furthermore, the uncertainty evaluation of the plug-infrared radiation thermometer is presented.

Key words:plug-infrared radiation thermometer; working principle; uncertainty evaluation

基金項(xiàng)目：國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)科研項(xiàng)目(插入式紅外輻射測(cè)溫儀技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究)：20080112-T-604

收稿日期：2015-11-25

作者簡(jiǎn)介：雒新宇(1989-)，男，滿族，河北承德人，承德石油高等?？茖W(xué)校資產(chǎn)與后勤管理處助教，碩士，主要研究方向?yàn)闊o損檢測(cè)、測(cè)控技術(shù)與儀器等。

中圖分類號(hào)：TH81

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9446(2016)02-0036-05