CN102374902B - 一种提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，涉及仪器仪表领域的辐射温度计，本发明采用有效的物理模型进行数据的处理，采用键盘的输入方式或数据传输的输入方式，获取到反映能级结构的参数，并最终获取到被测对象的温度值，在显示器上显示出来。本发明提供的方法，有效地克服了人们在用“辐射率修正”方法来提高辐射温度计的测温准确度时遇到的，很难准确地确定“辐射率”ε(λ.T)的具体数值等困难，使辐射温度计的测温准确度得到大幅度提高。

Description

一种提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表领域的辐射温度计，特别涉及一种提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法。

背景技术

辐射温度计是一种高精度的非接触式测温仪器，它通过光学系统接收被测物的热辐射能量而后转变成电信号，再经过微计算机处理，由显示器直接将测试的温度显示出来。辐射温度计内部的微计算机处理信号的依据，是仪器接收到的热辐射能量和被测物温度之间的函数关系。

目前，国内外的辐射温度计，一律按理想黑体模型的热辐射规律来设计，即把被测对象假想成理想黑体，“理想黑体”的具体表现方式是“标准黑体”，该“标准黑体”在世界各国计量法中被列入强制检定的计量器具目录。但是，我们面临的问题是：被测物是形形色色的物体，具有各种各样的热辐射条件。因此在实际辐射温度计的应用过程中，必须找出理想黑体的热辐射规律和各种实际被测对象的热辐射规律之间的关系，才能得到真实的结果。然而，黒体辐射理论产生于十九世纪末，由于历史条件的限制，人们根据经典理论中的基尔霍夫定律，过于简单化地认为理想黑体和实际被测对象的区别仅仅是辐射率的不同。因此在寻找理想黑体和实际被测物的热辐射规律之间的关系时，遇到了长期难以解决的辐射率修正困难，测温准确度难以提高。这实际上也是经典理论遇到的诸多困难之一。现有技术所采用的测量公式和测试方法的原理如下：

一、采用理想黑体物理模型的原理：

理想黑体是一个理想化的物理模型，它表现的是能够完全吸收入射辐射并具有最大发射率的物体，其光谱辐射能量可用Plank公式表述：

$E_0(\mathrm{\λ}.T)=C_1{\mathrm{\λ}}^{-5}{(e^{C_2/\mathrm{\λT}}-1)}^{-1}$         ①

在公式①中，E₀(λ.T)为黑体发射的光谱辐射通量密度，单位为Wcm^-2·μm^-1；C₁=3.74×10^-12W·cm^-2，称为第一辐射常数；C₂=1.44cm·K，称为第二辐射常数；λ为光谱辐射时的波长，单位为μm；T为黑体的理想温度，单位为K。

以上只是理想黑体标准的物理模型，而自然界中实际存在的物体（被测对象），其吸收能力及辐射能力都比理想黑体小（称之为灰体）。为了修正理想黑体与灰体之间的误差值，人们又设计了与实际相接近的物理模型，该灰体的光谱辐射能量公式为：

E(λ.T)=ε(λ.T)E₀(λ.T)        ②

该公式中ε(λ.T)为被测对象在温度为T、辐射波长λ时的辐射率，0<ε(λ.T)<1。

公式②说明，可以按照黑体热辐射规律来设计辐射温度计，即假设光学系统接收到的热辐射与E₀(λ.T)成比例，然后采用调整参数ε(λ.T)的方法来提高测试精度。但辐射温度计实际接收到的热辐射是与E(λ.T)成比例的。因此在使用辐射温度计时，必须求出被测对象的ε(λ.T)的数值，即进行辐射率修正方可。遗憾的是，辐射率ε(λ.T)与被测对象的材料、表面状态、波长、温度以及辐射条件、环境因素均有复杂的关系，不能写出具体的表达式，因此，用户很难准确地确定ε(λ.T)的数值，这就是目前使用辐射温度计时遇到的辐射率修正困难。

二、采用目前公知的辐射温度计中微机处理信号的物理模型（按工作方式分为窄带和宽带）：

1.对于工作波段为窄带的辐射温度计：

$E_0\left({\mathrm{\&lambda;}}_{0}T\right)=C_1{{\mathrm{\&lambda;}}_0}^{-5}{e}^{-C_2/{\mathrm{\&lambda;}}_{0}T}$        ③

E(λ₀.T')=ε(λ₀.T')E₀(λ₀.T)       ④

在公式③中，E₀(λ₀.T)为理想黑体发射的光谱辐射通量密度，单位为Wcm^-2·μm^-1；C₁=3.74×10^-12W·cm^-2，称为第一辐射常数；C₂=1.44cm·K，称为第二辐射常数；λ₀为红外测温仪的工作波长，单位为μm；T为黑体的绝对温度，单位为K；公式④中，E(λ₀.T')为实际被测对象（灰体）发射的光谱辐射通量密度，单位为Wcm^-2·μm^-1，T'为被测对象的温度；ε(λ₀.T')为被测对象的温度为T'、辐射波长为λ₀时的辐射率（0<ε(λ₀.T')<1）。ε(λ₀.T')的具体值很难确定，需要由用户自己通过仪器上的ε值设定键来设定。

2.对于工作波段为宽带的辐射温度计：

E₀(λ.T)=σT⁴            ⑤

E(λ₀.T')=ε(λ₀.T')E₀(λ.T)        ⑥

公式⑤、⑥中，E₀(λ.T)为理想黑体的单位辐射出射度，包括各种波长在内的总功率，单位为W/cm²；σ=5.67×10^-12W/cm²·K⁴，该参数称为斯忒藩常数，T为理想黑体的温度。E(λ₀.T')为实际被测对象（灰体）的单位辐射出射度，包括各种波长在内的总功率，单位为W/cm²；T'为被测对象的温度，ε(λ₀.T')为被测对象温度为T'、辐射波长为λ₀时的辐射率，其中0<ε(λ₀.T')<1；λ₀为仪器工作波段的中心波长，而ε(λ₀.T')的具体数值很难确定，需要由用户通过仪器上的ε值设定键自己设定。目前的辐射温度计一律采用“标准黑体”来校准，标准黑体的温度由热电偶温度计来控制，这要求辐射温度计测量黑体温度的结果与已知的控温温度一致。按上述要求校正的辐射温度计，只能测出真实物体的“亮温”（即真实物体发射的辐射功率，与温度为T的黑体发射的辐射功率相等，T就称为真实物体的亮温）。至于被测对象的真实温度，只能由用户自己设定了物体的辐射率ε具体数值后方可得到。

总之，现有的辐射温度计所采用的测温方法与被测对象的实际温度有较大偏差，只能测量被测对象的“亮温”，而实际温度很难确定。

发明内容

为了提高测温的准确度，扩大应用范围，本发明提供了一种提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，所述方法包括以下步骤：

(1)通过温度标准测量仪器测出被测对象的标准温度值Ti，通过处于校准状态下的辐射温度计测出被测对象的热辐射信号电压Ui(Ti)，其中，i=1，2，3，4······N，N的取值为正整数，将测得的所述标准温度值Ti和所述热辐射信号电压Ui(Ti)输入到安装有物理模型的PC机上进行数据处理，获取反映能级结构的参数；

所述物理模型具体包括：

对于工作波段为窄带的辐射温度计，采用的物理模型为：

U(T)=A(e^B/T-1)^-1

适当地选择工作波段后，简化为，当工作波段为较短波时，U(T)=A(e^B/T)；当工作波段为很长波时，U(T)=AT+B；将数据输入物理模型并作最小二乘法拟合，求出反映能级结构的参数A、B；

对于工作波段为宽带的辐射温度计，采用的物理模型为：

$U\left(T\right)=\underset{{\mathrm{\&lambda;}}_1}{\overset{{\mathrm{\&lambda;}}_2}{\&Integral;}}A\left(\mathrm{\&lambda;}\right){(e^{B\left(\mathrm{\&lambda;}\right)/T}-1)}^{-1}\mathrm{d\&lambda;}$

其中，A(λ)=C₁λ^-5；B(λ)=-C₂/λ，适当地选择工作波段后，简化为，当工作波段为较短波时，U(T)=AT⁴+BT³+CT²+DT；当工作波段为很长波时，U(T)=AT+B；将数据输入该物理模型并作最小二乘法拟合，求出反映能级结构的参数A、B、C、D或A、B；

对于工作波段为无穷带宽时的辐射温度计，采用的物理模型为：

U(T)=AT^B

将数据输入该物理模型并作最小二乘法拟合，求出反映能级结构的参数A、B；

(2)将获取到的所述反映能级结构的参数输入到辐射温度计系统内，实现对所述辐射温度计的校准；

(3)使所述辐射温度计进入测温状态并对被测对象实施测温，通过光学系统接收到被测对象的辐射能量值；

(4)通过所述辐射温度计系统内的PC机或单片机根据物理模型进行运算处理，获取被测对象的温度值；

(5)将所述温度值通过显示器予以显示。

所述辐射温度计有确定被测对象反映能级结构参数的数值和确定被测对象温度的数值两种功能。

步骤(2)中所述将获取到的所述反映能级结构的参数输入到辐射温度计系统内，实现对辐射温度计的校准，具体包括：

将获取到的反映能级结构的参数A、B输入到辐射温度计系统内，实现窄带工作波段辐射温度计的校准；将获取到的反映能级结构的参数A、B、C、D或A、B输入到辐射温度计系统内，实现宽带工作波段辐射温度计的校准；将获取到的反映能级结构的参数A、B输入到辐射温度计系统内，实现工作波段为无穷带宽时辐射温度计的校准。

所述将获取到的反映能级结构的参数输入到辐射温度计系统内，具体通过键盘输入方式或数据传输方式输入到所述辐射温度计系统内。

步骤(4)中所述通过所述辐射温度计系统内的PC机或单片机根据物理模型进行运算处理，获取被测对象的温度值，具体为：

通过所述辐射温度计系统内的PC机或单片机根据窄带物理模型或宽带物理模型或无穷带宽物理模型进行运算处理，获取被测对象的温度值。

所述温度标准测量仪器具体为标准铂电阻温度计或标准热电偶温度计或者标准水银温度计。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供的方法，通过采用有效的物理模型进行数据的处理，采用键盘输入方式或数据传输输入方式，获取到反映能级结构的参数，并最终获取到被测对象的温度值，在显示器上显示出来。有效地克服了人们在用“辐射率修正”方法来提高辐射温度计的测温准确度时遇到的，很难准确地确定“辐射率”ε(λ.T)的具体数值等困难，使辐射温度计的测温准确度得到大幅度提高。应用本发明设计的辐射温度计，原则上可以实现针对用户面临的具体测量条件来设计辐射温度计的目标（这里所说的测量条件包括被测对象的辐射率、背景辐射、介质吸收、辐射温度计的工作波段等诸多影响仪器光学系统接收被测对象辐射能量的因素）。可以消除由“辐射率修正困难”引起的系统误差及诸多环境因素带来的影响，较大幅度地提高辐射温度计的测温准确度。

附图说明

图1为本发明提供的工作原理图；

图2为本发明提供的工作流程图；

图3为本发明提供的数据处理原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：被测对象；                     2：光学系统；

3：红外探测器；                   4：放大电路；

5：PC机或单片机；                 6：键盘输入或数据传输输入；

7：显示器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了提高测温的精确度，扩大应用范围，本发明实施例提供了一种提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，本发明实施例根据辐射的本质是微观粒子的量子跃迁这一现代量子理论，将普朗克公式中含波长的表达式视为“反映能级结构的参数”，并用实验方法标定对于特定被测对象该“反映能级结构的参数”的具体数值。有效地克服了100多年来，人们在用“辐射率修正”方法来提高辐射温度计的测温准确度时遇到的困难，使辐射温度计测温准确度得到大幅度提高。参见图1和图2，详见下文描述：

101：通过温度标准测量仪器测出被测对象的标准温度值Ti，通过处于校准状态下的辐射温度计测出被测对象的热辐射信号电压Ui(Ti)，其中，i=1，2，3，4······N，将测得的标准温度值Ti和热辐射信号电压Ui(Ti)输入到安装有物理模型的PC机上进行数据处理，获取反映能级结构的参数；

其中，N的取值为正整数。

其中，温度标准测量仪器具体为标准铂电阻温度计、标准热电偶温度计或者标准水银温度计。

其中，辐射温度计有校准和测温两种功能，校准是为了确定被测对象反映能级结构的参数的具体数值，测温是为了确定被测对象温度的具体数值。

进一步地，PC机上安装的物理模型具体包括：

对于工作波段为窄带的辐射温度计，采用的物理模型为（普朗克公式）：

U(T)=A(e^B/T-1)^-1

该物理模型计算起来比较复杂，但适当地选择工作波段后可以将它简化为以下两种物理模型：

[1]、当工作波段为较短波时，上述物理模型可简化为（维恩公式）：

U(T)=A(e^B/T)

[2]、当工作波段为很长波时，上述物理模型可简化为（瑞利-金斯公式）：

U(T)=AT+B

将数据输入该物理模型并作最小二乘法拟合，求出反映能级结构的参数A、B。

对于工作波段为宽带的辐射温度计，采用的物理模型为（在工作波段对普朗克公式积分）：

$U\left(T\right)=\underset{{\mathrm{\&lambda;}}_1}{\overset{{\mathrm{\&lambda;}}_2}{\&Integral;}}A\left(\mathrm{\&lambda;}\right){(e^{B\left(\mathrm{\&lambda;}\right)/T}-1)}^{-1}\mathrm{d\&lambda;}$

其中，A(λ)=C₁λ^-5；B(λ)=-C₂/λ。该物理模型计算起来比较复杂，但适当地选择工作波段后可以将它简化为以下两种物理模型：

[3]、当工作波段为较短波时，上述物理模型可简化（在工作波段对维恩公式积分）为：

U(T)=AT⁴+BT³+CT²+DT

[4]、当工作波段为很长波时，上述物理模型可简化（在工作波段对瑞利-金斯公式积分）为：

U(T)=AT+B

将数据输入该物理模型并作最小二乘法拟合，求出反映能级结构的参数A、B、C、D或A、B。

对于工作波段为无穷带宽时的辐射温度计，采用的物理模型为：

U(T)=AT^B

将数据输入该物理模型并作最小二乘法拟合，求出反映能级结构的参数A、B。

其中，在工作波段对维恩公式积分得到，

$U\left(T\right)=\underset{{\mathrm{\&lambda;}}_1}{\overset{{\mathrm{\&lambda;}}_2}{\&Integral;}}A\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\left(e^{B\left(\mathrm{\&lambda;}\right)/T}\right)\mathrm{d\&lambda;}={\mathrm{AT}}^4+{\mathrm{BT}}^3+{\mathrm{CT}}^2+\mathrm{DT}$

其中，A(λ)=C₁λ^-5；B(λ)=-C₂/λ。

102：将获取到的反映能级结构的参数输入到辐射温度计系统内，实现对辐射温度计的校准；

其中，该步骤具体包括：将获取到的反映能级结构的参数A、B输入到辐射温度计系统内，实现窄带工作波段辐射温度计的校准；将获取到的反映能级结构的参数A、B、C、D或A、B输入到辐射温度计系统内，实现宽带工作波段辐射温度计的校准；将获取到的反映能级结构的参数A、B输入到辐射温度计系统内，实现无穷带宽工作波段辐射温度计的校准。

其中，将获取到的反映能级结构的参数输入到辐射温度计系统内具体通过键盘（数字键盘）输入方式或数据传输的输入方式输入到辐射温度计系统内。

103：使辐射温度计进入测温状态并对被测对象实施测温，通过光学系统接收到被测对象的辐射能量值U（T）；

104：通过辐射温度计系统内的PC机或单片机根据物理模型进行运算处理，获取被测对象的温度值T；

该步骤具体为通过辐射温度计系统内的PC机或单片机根据窄带物理模型或宽带物理模型或无穷带宽物理模型进行运算处理，即可求出被测对象的温度值T。

105：将温度值T通过显示器予以显示。

综上所述，本发明实施例提供了一种提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，采用有效的物理模型进行数据的处理，采用键盘的输入方式或数据传输输入方式，获取到反映能级结构的参数，并最终获取到被测对象的温度值，在显示器上显示出来。通过该方法有效地克服了人们在用“辐射率修正”方法来提高辐射温度计的测温准确度时遇到的，很难准确地确定“辐射率”ε(λ.T)的具体数值等困难，使辐射温度计的测温准确度得到大幅度提高。应用本发明实施例中设计的辐射温度计，原则上可以实现针对用户面临的具体测量条件来设计辐射温度计的目标（这里所说的测量条件包括被测对象的辐射率、背景辐射、介质吸收、辐射温度计的工作波段等诸多影响仪器光学系统接收被测对象辐射能量的因素。）。可以消除由“辐射率修正困难”引起的系统误差及诸多环境因素带来的影响，较大幅度地提高辐射温度计的测温准确度。

下面通过图3的数据处理原理图，对本发明实施例提供的方法进行详细的说明，参见下文描述：

1、由程序录入器输入PC机数据处理程序，将原始数据输入后保存在存储器的“只读存储器”中，PC机的主要任务是计算处理物理模型。

2、由键盘输入PC的数据保存在存储器的“随机存储器中”（关机时数据丢失）或“可改写只读存储器”中（关机时数据不丢失），主要目的是提供反映测量条件的各参数的具体数值：对于工作波段为窄带的辐射温度计，是相应物理模型中的A、B的具体值；对于工作波段为宽带的辐射温度计，是相应物理模型中的A、B、C、D或A、B的具体数值；对于工作波段为无穷带宽的辐射温度计，是相应物理模型中的A、B的具体值。

3、由辐射温度计光学系统收集到的被测对象辐射的辐射信号，经放大器放大后得到电信号（图中用光学及放大器表示），该电信号保存在存储器的“随机存储器”中，该信号值除以放大器的放大倍数后，即可求出辐射温度计接收到的辐射信号的大小，即U（T）。

此外，目前的辐射温度计一般只有三个键，即设定键、上翻键和下翻键，用来改变显示状态和设定ε值。本发明实施例增加了0～9这十个数字键，以便将反映测量条件的具体参数的具体数值进行输入。由于本方法可应用在各种辐射温度计中，只需在现有的辐射温度计中增加0～9十个数字键的键盘即可，而且也保留原辐射温度计的set、△、▽三个功能键，因此不再给出辐射温度计的图示。

最佳实施例：

根据该方法设计的辐射温度计样机在天津市计量技术研究所用“标准黑体”进行检测，测量环境为：测试距离为400mm，室温环境20℃，检测设备为标准黑体炉，黑体空腔发射率为0.995，测量温度与标准仪器的温度的对比如下测试结果表所示，

测试结果表

表中，标准温度由测量黑体炉靶心温度的标准热电偶测得，实际温度由辐射温度计测得。由此可见，本发明实施例提供的方法取得了明显的效果：传统辐射温度计的分辨率可达读数的0.1%左右，而准确度只能达到读数的1%左右。实际检测表明，根据本发明实施例提供的方法设计的辐射温度计测温准确度可以与分辨率同数量级，即准确度亦可达到读数的0.1%左右，测量准确度被有效提高。传统方法是利用“辐射率修正”的方法来得到被测对象的实际温度。有专家从理论上计算，即使黑体炉的辐射率为0.99，在1200℃时也有-9.21℃的系统误差。然而，目前的辐射温度计辐射率调整的步长为0.01，其误差不可能小于0.01。所以，以上实测结果按照过去的理论往往被认为是不可能实现的。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)通过温度标准测量仪器测出被测对象的标准温度值Ti，通过处于校准状态下的辐射温度计测出被测对象的热辐射信号电压Ui(Ti)，其中，i=1，2，3，4······N，N的取值为正整数，将测得的所述标准温度值Ti和所述热辐射信号电压Ui(Ti)输入到安装有物理模型的PC机上进行数据处理，获取反映能级结构的参数；

所述物理模型具体包括：

对于工作波段为窄带的辐射温度计，采用的物理模型为：

U(T)=A(e^B/T-1)^-1

适当地选择工作波段后，简化为，当工作波段为较短波时，U(T)=A(e^B/T)；当工作波段为很长波时，U(T)=AT+B；将数据输入物理模型并作最小二乘法拟合，求出反映能级结构的参数A、B；

对于工作波段为宽带的辐射温度计，采用的物理模型为：

$\left(T\right)=\underset{{\mathrm{\&lambda;}}_1}{\overset{{\mathrm{\&lambda;}}_2}{\&Integral;}}A\left(\mathrm{\&lambda;}\right){(e^{B\left(\mathrm{\&lambda;}\right)/T}-1)}^{-1}\mathrm{d\&lambda;}$

其中，A(λ)=C₁λ^-5；B(λ)=-C₂/λ，适当地选择工作波段后，简化为，当工作波段为较短波时，U(T)=AT⁴+BT³+CT²+DT；当工作波段为很长波时，U(T)=AT+B；将数据输入该物理模型并作最小二乘法拟合，求出反映能级结构的参数A、B、C、D或A、B；C₁为第一辐射常数；C₂为第二辐射常数;λ为波长；

对于工作波段为无穷带宽时的辐射温度计，采用的物理模型为：

U(T)=AT^B

将数据输入该物理模型并作最小二乘法拟合，求出反映能级结构的参数A、B；

(2)将获取到的所述反映能级结构的参数输入到辐射温度计系统内，实现对所述辐射温度计的校准；

(3)使所述辐射温度计进入测温状态并对被测对象实施测温，通过光学系统接收到被测对象的辐射能量值；

(4)通过所述辐射温度计系统内的PC机或单片机根据物理模型进行运算处理，获取被测对象的温度值；

(5)将所述温度值通过显示器予以显示。

2.根据权利要求1所述提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，其特征在于，所述辐射温度计有确定被测对象反映能级结构参数的数值和确定被测对象温度的数值两种功能。

3.根据权利要求1所述的提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，其特征在于，步骤(2)中所述将获取到的所述反映能级结构的参数输入到辐射温度计系统内，实现对辐射温度计的校准，具体包括：

将获取到的反映能级结构的参数A、B输入到辐射温度计系统内，实现窄带工作波段辐射温度计的校准；将获取到的反映能级结构的参数A、B、C、D或A、B输入到辐射温度计系统内，实现宽带工作波段辐射温度计的校准；将获取到的反映能级结构的参数A、B输入到辐射温度计系统内，实现工作波段为无穷带宽时辐射温度计的校准。

4.根据权利要求1或3所述的提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，其特征在于，所述将获取到的反映能级结构的参数输入到辐射温度计系统内，具体通过键盘输入方式或数据传输方式输入到所述辐射温度计系统内。

5.根据权利要求1所述的提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，其特征在于，步骤(4)中所述通过所述辐射温度计系统内的PC机或单片机根据物理模型进行运算处理，获取被测对象的温度值，具体为：

通过所述辐射温度计系统内的PC机或单片机根据窄带物理模型或宽带物理模型或无穷带宽物理模型进行运算处理，获取被测对象的温度值。

6.根据权利要求1所述的提高辐射温度计测温准确度的量子论修正方法，其特征在于，所述温度标准测量仪器具体为标准铂电阻温度计或标准热电偶温度计或者标准水银温度计。

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