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黑体炉标准及应用

文章来源:李葆,王宗 上传日期:2014-06-13 浏览次数:
    在生产过程中温度的准确与否和产品的质量有很大关系,标准调校工作和标准校准源就越来越受到重视,但在1970年底以前对于温度校准源,或对调校标准的重要性只有很初步的认识,因此时常购置或生产了不好的产品,反而怀疑红外传感技术的准确度,而限制了这项技术的发展。随着较先进的红外传感技术进一步在热像技术,气象,卫星对地面监察,光谱分析,武器设计,安全防护监测等等方面的扩大使用,非接触测温技术在半导体晶体生长,玻璃的处理,铝的碾压及挤压,钢的再热炉内温度的测量等担当越来越重要的角色,仪器的校准就显得特别重要。无论在工厂或导弹试验等方面都广泛使用温度标准源。
  美国MIKRON公司成立三十年来,在非接触式红外测温技术领域方面一直执世界牛耳,所生产的黑体辐射炉和温度校准源闻名世界,既为美国标准局所采用,也提供给生产红外测温仪的同行作为校准之用。其原标准源(金属凝固点黑体源)至今在世界上尚没有竞争对手。
  红外测温仪和辐射测量仪的测量是否准确,与目标物体的红外线的辐射特性有关,唯一办法是用一具有已知辐射系数和温度标准的光源去调校。公认权威的光源就是MIKRON的以热量为基准的黑体标准源。
  本文重点介绍MIKRON公司为一般应用而生产的标准温度产品,即原标准设备,次标准设备和转移标准设备。该公司也生产在真空情况下应用,以及国防,航天部门,汽车工业和生产热像仪单位需要的宽视场角的大面积黑体源。MIKRON的标准温度产品有:


1.原标准设备-金属凝固点/熔点黑体源

  原标准设备所采用的原理是当金属从熔融状态变成固体状态时温度的延滞现象。从冷却曲线(见图1)上可看出物质在特定的温度下停留数分钟,然后才继续冷却的延滞期间。纯度很高的金属元素,它的延滞温度非常准确,因此,可以用来作为原标准校准源。

(图1)

960nm窄带辐射器记录的标准金凝固曲线

  MIKRON的M380系列有八种型号,每一种是利用不同金属的凝固点制成。通过电脑软件与MIKRON某型号的转移标准连接,以得到该金属凝固点的清晰的测定数字。
  凝固点黑体源的基本结构如图2所示。高纯度的金属在石墨坩埚内加热。圆锥柱石墨腔体被熔融的金属完全包住,坩埚保持在惰性氩气里以防石墨的氧化。每个凝固点黑体连同控制器都用一紧凑的台式外壳包装。要得到金的凝固点1337.33K,首先将控制器温度定在135K,即凝固点以上20K,使金属完全熔化。为保证金属完全熔化,炉温保持在该温度大约30分钟,然后将控制器的温度校在1327K,即低于凝固点10K。凝固金属的温度可用一个960nm窄带辐射计记录下来。


(图2)

金属凝固点黑体源的基本结构    图不按比例

M380系列特性

型号

熔融物质

凝固温度

误差

M380-CU

1084.62

0.50

M380-AU

1064.18

0.40

M380-AG

961.78

0.40

M380-AL

660.32

0.30

M380-ZN

419.53

0.30

M380-SN

231.93

0.20

M380-SB

156.60

0.20

M380-GA

29.76

0.05

腔孔直径:6.0m,孔立体角:15°,辐射系数:0.999+0.0005-0.0001,凝固金属纯度:+99.9999%(可提供NIST的金属纯度证书),凝固点停滞持续时间:5至7min,工作环境温度:15到30℃,电源:115VAC±5%50/60Hz 1.0KW max.(100VAC,220VAC供选择)


2.次标准设备-携带/台式可调温度黑体源
  所有物体都与周围物体有能量交换,既有辐射,也有吸收,当辐射与吸收相等时,达到平衡,表现为一个特定的温度。能对到达的辐射全部吸收的物体称为黑体,黑体也是最大辐射体,其辐射率定义为1,黑体是理想辐射体,任何真实物体辐射率均小于1


(图3)

黑体腔体

一般用的黑体源,其辐射系数达到98%的效率,为实验室用的有99.98%效率的源。最普通的黑体是用一个在表面具有一个小孔的球形腔体或一头封闭的管,其长度大于它的直径,球或管保持在均匀的温度。如图3所示,这些结构对所有进入孔内的辐射有多种反射。虽然球或管壁稍有反射,但经过多次反射,所有的能已被吸收,即球或管的孔在光谱的可见部分呈现黑色。图4所示是一商业用的次标准设备结构,是根据一个小孔在一个加热的均匀球形腔体的原理制成。

(图4)

温度200°到1200℃球形腔体次标准

M300系列次标准黑体校准源的温度是-20℃到3000℃。所有的黑体源都有极高的辐射系数,与适当的孔径,和目标的形状相配合;极均匀的表面;以及高度的准确性。在生产后,这些黑体都经过严格的测试和加热试验,用辐射来确定它的准确性。如需要时,都可提供追源于美国标准机构的证书。M300系列还有为顾客特殊需要而设计的,诸如大面积黑体源;为航空部门所需的黑体源;用在真空环境下的黑体源等。


3.转移标准设备-超高准确度的红外测温仪
  在重视产品质量的今天,测温的准确度与质量的关系已是众所周知。要保证生产线上仪表的准确,对它们进行定期的,科学的校准与鉴定是很重要的。通过用转移标准设备,可以把现场的工作仪表,标准实验室的标准设备,调校至国家标准,也就是说,转移标准使定期例检的工作能够在当地进行。

校准热辐射的转移标准设备可以是黑体源也可以是红外测温仪。他们都是作为比较器用来测试待校准的次标准设备和工作器件。转移标准设备是需要经常运输的,红外测温仪,由于它的价格便宜,使用方便,人们就乐于选用它。M190-TS型号拥有多种独特的优点,因此特别适合这方面的应用。
  M190-TS的特点是极高的准确性;在测量镜上观看非常精确,通过光系统清楚地对准并划定视场角;以及0.1°温度显示分辨度。M190-TS还可为计算机操作和数据收集提供所需的三种数字输出接口;在总量程内,用户可选用窄如50°的温度跨度;和设定小数点后三位数字的辐射系数。另外,还有可选用的功能,如可变密度的滤光镜,用户在很亮的光源下工作时可减低眼睛的疲劳等等。这些,使M190-TS成为光辐射调校温度转移标准的首选。

M190-TS系列一般规格

型号

温度范围

()


温度解析


光谱响应

观场角


最小可测的
目标直径


M190Q-TS

200-1600

0.1


1.0-1.6
微米


60.1

3.2mm

M190H-TS

600-2200

0.1


0.78-1.06
微米


180.1

1.06mm

M190V-TS

800-3000

0.1


0.65
窄带微米


300.1

0.65mm

世界已进入信息时代,科技也已进入高精类阶段。要进入世界市场,要讲究产品质量,在生产过程中利用测试仪表是不可缺少的。今天测温仪表不仅适用于高科技如航天,军工,安全防护监视,电子等工业,同时也适用于一般工业如塑胶,水泥,玻璃,钢铁等,已属非常普及。我们甚至发现过去不为国内注意的MIKRON黑体炉,今年来也有了市场,而且销售情况越来越好。
  从提高国内产品质量来说,以中国这样大的国家,应按辐射仪表的分布情况划分为若干区。在适当的集中地设立国家标准级的机构,装备成套原标准及次标准设备,监管该地区的辐射仪表达至国家标准。从经济与方便来考虑,在每个区设立若干调校中心装备成套次标准黑体炉与转移标准设备,使当地的辐射仪表的准确性能够追源于国家标准。这样,就可以保持全国各地的辐射测温准确度达到国家标准



附件1为美国MIKRON黑体炉部分产品价格表。其中在国内外广泛应用型号有:

M340-20℃——+150℃),M310+10℃——+350℃),M330330℃——1700℃),M190系列,M380系列等等。

附件为论文《黑体炉标准及应用》,您可以参考刊物“激光与红外 LASER & INFRARED”,1999年 第2期 No.2 Vol.29 1999


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