辐射温度计固有误差测量不确定度评定
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【摘要】 本文通过具体实例介绍，以辐射温度计和精密铂电阻温度计作为参考温度计，对辐射温度计固有误差的测量不确定度进行评定，希望能够对计量工作者带来帮助和启发。
【關键词】 辐射温度计;固有误差;不确定度
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.04.007
Abstract： This paper introduces the measurement uncertainty of the inherent error of radiation thermometers with specific examples and takes radiation thermometers and precise platinum resistance thermometers as reference thermometers，hoping to be helpful and enlightening to the metrologists.
Key words： radiation thermometer;inherent error;uncertainty
辐射温度计是利用普朗克黑体辐射定律，根据热辐射体辐射特性与其温度之间的函数关系测量表观温度的仪表。通常由光学系统、探测器、信号处理单元和输出指示装置四部分组成。
1 辐射温度计的固有误差
辐射温度计的固有误差为被检温度计测量理想黑体示值与理想黑体温度的差，测量模型为：
2 辐射温度计固有误差测量不确定度评定
对辐射温度计进行检定，其固有误差的测量引入的不确定度评定主要来自计量标准装置，被检温度计和检定操作。
2.1 计量标准装置
计量标准装置主要包括标准器自身示值和辐射源特性的影响两方面，对应于的不确定度主要包括：
1）量值溯源（校准不确定度与长期稳定性）;
2）测量（重复性，分辨力，辅助仪表）;
3）辐射源控温复现性和短期稳定性;
4）辐射源温度均匀性，包括标准器测量点（或目标）与被检温度计目标之间的温差，辐射源发射率和环境温度影响修正;
5）辐射源窗口影响修正。
2.2 被检温度计特性
由被检温度计引入的不确定度包括：
1）测量（重复性，分辨力，辅助仪表）;
2）光谱范围的不确定性对有关修正的影响可忽略。
2.3 检定操作过程
由检定操作过程引入的不确定度包括：
1）参考辐射温度计（若使用）与被检温度计的瞄准;
2）数据处理中的简化与舍入。
3 合成标准不确定度以及灵敏系数
[Δt=（ΔtT-ΔtS）-ΔtTS-（ΔtTε-ΔtSε）-（ΔtTW-ΔtSW）]为温差的代数和公式，并且等号右侧的各项系数的绝对值均为1。因此，与其对应的温度不确定度分量，其灵敏系数的绝对值也为1。
在影响固有误差的不确定度的因素中，同一辐射源的发射率对于参考辐射温度计与被检测辐射温度计示值的影响，同一窗口的吸收对参考温度计与被检测辐射温度计的影响，均应按照完全相关的分量进行处理，分别采用算数相减合成方法，然后各不相关分量应依据不确定度传播率来计算合成标准不确定度。
所以，检定操作和测量条件影响等引入的标准不确定度传播率计算合成标准不确定度为：
4 不确定度评定实例
4.1 采用辐射温度计作为参考温度计
参考温度计选用分辨力为0.01 ℃的辐射温度计、光谱范围为8～14 μm、发射率为0.97±0.02，辐射面直径100 mm的面辐射源;被检温度计的光谱范围8～14 μm，温度分辨力0.1 ℃，准确度±（1%t+0.2） ℃，检定距离0.9 m，相应的目标直径为23 mm。计算在200 ℃的检定结果固有误差的不确定度。
1）固有误差的不确定度来源主要包括：
a.参考辐射温度计校准不确定度[u1];
b.参考辐射温度计在校准周期内的稳定性影响[u2];
c.参考辐射温度计分辨力影响，可忽略;
d.测量辐射温度的重复性[u3];
e.辐射源短期稳定性[u4];
f.辐射均匀性对瞄准的影响[u（ΔtTS）]记为[u5];
g.由辐射源发射率修正带来的不确定度对固有误差的影响[u（ΔtVε）]，由于参考辐射温度计及被检辐射温度计的名义波段是相同的，所以[ΔtVε=0] ℃，[u6=u（ΔtVε）=u（ΔtTε）-u（ΔtSε）=0];
h.辐射源窗口吸收对标准辐射温度计与被检温度计的影响引入的不确定度[u（ΔtTW）]，由于没有窗口，所以，[（ΔtTW）=u（ΔtTW）-u（ΔtSW）=0]。
2）被检测辐射温度计引起的不确定度[u（ΔtT）]，其中包括的不确定度分量为：
a.测量重复性[u7];
b.分辨力[u8]。
3）检定操作引入的标准不确定度[u（ΔtOP）]的分量为：
a.瞄准的影响包含在[u4]中;
b.检定数据修约[u9]。
各不确定度分量的数值见表1。
由于分量不相关，所以合成标准不确定度为：
扩展不确定度为：
4.2 采用精密铂电阻温度计作为参考温度计
黑体空腔辐射源的发射率为0.995±0.003，辐射面有效直径65 mm;被检温度计的温度分辨力为0.1 ℃，光谱范围为8～14 μm，其最大允许误差为1% t，其中，t为温度测量值，其检定距离为1.15 m，与之相应的目标直径为40 mm。在检定时，将被检测温度计的发射率调整为1.00，环境温度23.0 ℃。计算在400 ℃的检定结果固有误差的不确定度。
1）固有误差的不确定度来源主要包括：
a.精密铂电阻温度计引起的校准不确定度[u1];
b.精密铂电阻温度计在校准周期内的稳定性影响[u2];
c.测量辐射源温度的重复性[u3];
d.辐射源短期稳定性[u4];
e.辐射源有效辐射面温度均匀性和精密铂电阻温度计测量点与辐射源有效幅面温度不一致的不确定性的影响[u5];
f.由修正辐射源发射率带来的不确定度对固有误差的影响[u]（[ΔtVε]），即[u6]。
2）被检测辐射温度计引起的不确定度[u]（[ΔtT]），其中包括的不确定度分量为：
a.测量重复性引起的不确定度[u7];
b.分辨力引起的不确定度[u8]。
环境温度影响，忽略。
3）检定操作引入的标准不确定度[u]（[ΔtOP]）的分量为：
a.瞄准的影响包含在[u4]中;
b.检定数据修约引起的不确定度[u9]。
以上各不确定度分量的数值参见表2。
由于以上各分量不相关，所以合成标准不确定度为：
扩展不确定度为：
5 结语
本文通过具体实例，对辐射温度计固有误差的校准不确定度进行了全过程评定，更加直观地介绍了对辐射温度计固有误差的校准结果存在影响的相关因素，对于固有误差的准确性概念能够更好的理解。同时，也希望对计量校准工作者具有指导借鉴意义。
【参考文献】
[1] 王魁汉.温度测量实用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2] 倪育才.实用测量不确定度评定（第5版）[M].北京：中国质检出版社，2016.
[3] 工作用辐射温度计：JJG 856-2015[S].
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