JJF(京) 106-2023 红外温度变送器校准规范.docx

北 京 市 地 方 计 量 技 术 规 范JJF（京）106-2023红外温度变送器校准规范Calibration Specification for Infrared Temperature Transmitter2023-5-22 发布2023-7-1 实施北京市市场监督管理局发布JJF(京)106-2023红外温度变送器校准规范Calibration Specification forInfrared Temperature TransmitterJJF(京)106-2023归口单位：北京市市场监督管理局主要起草单位：北京市计量检测科学研究院本规范委托北京市计量检测科学研究院负责解释JJF(京)106-2023本规范主要起草人：郭芳（北京市计量检测科学研究院）裴立宁（北京市计量检测科学研究院）张曦雯（北京市计量检测科学研究院）崔莉霞（北京市计量检测科学研究院）参加起草人：吴健（北京市计量检测科学研究院）赵霞（北京市计量检测科学研究院）余颖（北京市计量检测科学研究院）JJF(京)106-2023目录引言 . （II）1 范围 . （1）2 引用文件 . （1）3 术语与计量单位 . （1）4 概述 . （1）5 计量特性 . （2）6 校准条件 . （2）7 校准项目和校准方法 . （4）8 校准结果表达 . （8）9 复校时间间隔 . （8）附录 A 红外温度变送器原始记录格式 . （9）附录 B 校准证书参考格式 . （10）附录 C 红外温度变送器发射率不可调为 1 引入的修正值 . （11）附录 D 示值误差的不确定度评定示例 . （13）IJJF(京)106-2023引言本规范依据 JJF 1071-2010国家计量校准规范编写规则、JJF 1001-2011通用计量术语及定义和 JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示的规定而制定。本规范参考了 JJG 856-2015工作用辐射温度计中测量标准的技术要求和校准方法，以及 JJF1183-2007温度变送器校准规范中温度变送器的结构概述，并结合国内外各生产厂商的红外温度变送器技术参数和质量控制现状制定。本规范为首次发布。IIJJF(京)106-2023红外温度变送器校准规范1范围本规范适用于采用红外温度探测器作为传感器的温度变送器的校准。2引用文件本规范引用以下文件：JJG 856-2015 工作用辐射温度计JJF 1183-2007 温度变送器校准规范3术语和计量单位3.1 术 语以下术语和 JJG 856-2015 中界定的其他术语适用于本规范。3.1.1 温度变送器 temperature transmitter一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。3.1.2 红外温度变送器 infrared temperature transmitter输出与红外温度探测器检测的温度成线性关系（即具有线性化功能）的温度变送器。3.2 计 量单位温度的计量单位为摄氏度（）或开尔文（K）。电流的计量单位为毫安（mA）。电压的计量单位为伏（V）。4概述红外温度变送器（以下简称变送器）采用红外温度探测器作为传感器。变送器通常由光学系统和探测器、测量单元、信号处理和转换单元、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在探测器上并转变为相应的电信号，该信号经放大、换算转换为标准化电信号。具有显示单元的变送器可直接显示温度，具有现场总线功能的变送器可随时监控、记录和保存数据。图 1 为变送器的原理框图。1JJF(京)106-2023显示单元光学系统和探测器测量单元信号处理和转换单元现场总线输出信号（mA 或 V）图 1红外温度变送器原理框图变送器的标准化输出信号主要为（420）mA、（05）V、（010）V 等直流电信号，不排除具有特殊规定的其他标准化输出信号。变送器的接线端子通常有六线制、四线制和二线制等形式。5计量特性5.1 示 值误差在变送器的测温范围内，应不超过最大允许误差。注：1 最大允许误差（或不确定度、准确度）应根据该型号的技术文件确定。2 最大允许误差技术指标应注明与之相对应的测量距离与视场直径。5.2 重 复性应不超过变送器技术指标中对重复性的要求，同时应不超过最大允许误差绝对值的1/2。6校准条件6.1 环 境条件6.1.1 环境温度：1825。6.1.2 相对湿度：85%。6.1.3 变送器周围除地磁场外，应无影响其正常工作的外磁场；校准过程中应避免强阳光和强辐射源对实验用辐射源和变送器的干扰；避免空气对流及环境温度波动对校准结果产生不可忽略的影响。6.2 测 量标准 及其他 设备校准时所需要的标准仪器及配套设备可按变送器的规格参照表 2 进行选择。表 1标准仪器及配套设备序号仪器设备名称技术要求用途备注21黑体辐射源有效发射率 ：1±0.005，温度稳定性不大于（0.1与 0.1%t 的大者）/10min,均匀性不大于±（0.15与 0.15%t 的大者）与参考温度计组合使用提供辐射温度，或作为参考辐射源提供亮度温度1. 辐射源符合均匀性要求的辐射区域直径应不小于被校变送器目标直径的 1.4 倍或 20mm，取大者。2.辐射源和参考温度计的适用范围参考 JJG 856-2015，7.1.1.1。2面辐射源有效发射率 0.95，温度稳定性不大于（0.15与 0.15%t 的大者）/10min,均匀性不大于±（0.2与 0.2%t 的大者）3辐射温度计不确定度（k=2）不大于变送器最大允许误差的绝对值的 1/3作为参考温度计与辐射源组合使用，提供参考温度4标准铂电阻温度计二等5标准热电偶二等6电测仪器电桥或可测量电阻的数字多用表，测量范围应与标准铂电阻的电阻值范围相适应，准确度等级不低于 0.005 级，分辨力不低于0.1m测量标准铂电阻温度计的阻值可用满足准确度等级要求的其他电测仪器数字多用表，（0100）mV 量程准确度等级不低于 0.005 级，分辨力不低于 0.1V测量标准热电偶的热电动势7直流电流表（030）mA0.01 级变送器输出信号的测量标准/8直流电压表（05）V、（050）V0.01 级直流电压表单独可以作为变送器电压输出信号的测量标准；与标准电阻组合取代直流电流表作为变送器电流输出信号的测量标准/9标准电阻100（250）不低于 0.05 级10零度恒温器插入深度应不小于 200mm，工作区域温度不大于（0±0.1）为标准热电偶提供参考端温度补偿的恒温装置可以满足要求的其它恒温装置代替11直流稳压源（1248）V，MPE:±1%变送器的直流供电电源/12测长工具/用于确定测量距离/13校准工作台或支架/具有平移或旋转等功能/JJF(京)106-20237  校准项目和校准方法7.1 校 准项目变送器的示值误差和重复性。3JJF(京)106-20237.1.1 示值误差校准温度点根据用户要求选择，一般不少于 3 个温度点。7.1.2 重复性通常在示值误差的校准点中选择温度点进行测量，也可以由用户指定温度点。7.2 外 观检查 及工作 正常性检 查7.2.1 变送器上应标有型号规格、制造厂家（或商标）和产品编号。7.2.2 变送器上或使用说明书应给出测量范围、允许误差限、光谱范围、距离系数、输出信号形式和工作电压等信息。7.2.3 变送器的各接线端子的连接处应接触良好，并有明确的标记。有显示单元的变送器，数字显示应清晰完整。7.2.4 光学系统应洁净，无损伤，如果存在可移除的污染物，应进行清洁。零部件应完好无损，紧固件应无松动，可动部分应灵活可靠。7.3 校 准方法7.3.1 准备工作7.3.1.1 根据说明书信息确定变送器的校准距离。7.3.1.2 根据说明书信息确认对辐射源直径的要求。说明书未直接给出此信息时，查出与校准距离相对应的视场直径，选用的黑体辐射源或面辐射源的直径一般应分别不小于被测对象视场直径的 1.4 倍或 1.7 倍。7.3.1.3 将参考辐射温度计（如果使用）和变送器的发射率设定值设为 1。若变送器发射率为固定值（如 0.95），其校准结果应增加该项修正值。7.3.1.4 连接变送器接线端子和配套设备。注：六线制变送器一般是二根电压端，二根信号输出端和二根发射率输入端；四线制一般是二根电压端，二根信号输出端；二线制一般是电压和输入信号是同一个端子JJF 1183-2007，附录。7.3.1.5 需要预热的参考标准、变送器和电测设备，按预定时间进行预热；7.3.1.6 需要冷却的变送器，按照说明书要求接通冷却装置。7.3.2 瞄准要求7.3.2.1 使被校变送器的光轴与辐射源的前方中心轴线重合。7.3.2.2 按说明书确认的校准距离进行被校变送器的瞄准。说明书没有明确校准距离的具体含义的，默认瞄准辐射源空腔靶底。如果瞄准靶底时无法满足校准距离的要求，在可获412AA  JJF(京)106-2023得有效校准结果的前提下，允许将被校变送器的瞄准面从腔底向腔口方向移动。7.3.2.3 通过被校变送器的辅助瞄准光束（如果有）或根据温场的对称性确定瞄准靶面中心。7.3.2.4 如果测量标准采用参考辐射温度计，瞄准方法重复 7.3.2.1 至 7.3.2.3 的步骤，通过校准工作台或支架实现与被校变送器重复切换位置。7.3.3 示值误差7.3.3.1 根据变送器的量程,将辐射源的温度调到第一个校准点，使稳定后的辐射源量值与校准点的偏差不超过变送器最大允许误差的 2 倍。7.3.3.2 对参考温度计或参考辐射源与被校变送器应尽量同步地记录两次数据。不能同步测量时，可以按下列顺序进行。标准被校被校标准注：1 应在被校变送器示值相对稳定后读数。如有漂移，先用挡光板遮挡辐射源不少于 30s，并在移开挡光板并启动测量后的若干秒（一般为响应时间的 3 倍）后读数。2 同步是相对于辐射源稳定性而言的，若辐射源稳定性足够好，则可依次校准多个变送器。7.3.3.3 改变校准点，稳定后重复 7.3.3.1 至 7.3.3.2 的步骤，完成其它校准点的测量。7.3.4 重复性7.3.4.1 辐射源在重复性校准点稳定后，使被校变送器瞄准辐射源。7.3.4.2 用挡光板在变送器前遮挡不少于 30s，移开挡光板并启动测量，若干秒（一般为响应时间的 3 倍）后读数，尽量同步地记录参考温度和被校变送器的示值。7.3.4.3 重复 7.3.4.2 的测量过程，共进行 10 次。7.4 校 准数据 处理7.4.1 输出直流电信号与温度值的换算被校变送器输出的直流电信号，应换算为温度值 tT：(t2 - t1 )´ (A  A1 ) + ttT =(1)1式中：t1 被校变送器的输入量程下限名义值，；t2 被校变送器的输入量程上限名义值，；A 被校变送器的读数平均值；mA 或 V；5JJF(京)106-2023A1 被校变送器的输出的理论下限值，mA 或 V；A2 被校变送器的输出的理论上限值，mA 或 V。7.4.2 示值误差7.4.2.1 测量标准实测标准值对校准点的温度差 DtS测量标准器采用参考温度计时，标准器实测示值相对于校准点 tN 的示值差 DtS 为：DtS =12(tS1 + tS2 ) - tSN(2)式中：tS1、tS2参考温度计测量辐射源的两次实际示值，；tSN由参考温度计证书确定的对应于校准点 tN 的示值，。注：对于电量输出指示的参考温度计，可先将其换算为温度值。测量标准采用参考辐射源时，根据参考辐射源的亮度温度证书值，修正参考辐射源指示温度的实测值与证书值之差。辐射源实际亮度温度与校准点的示值差 DtS 为：DtS = (tSC  tN ) + ê   (tSI1 + tSI2 )  tSIC )ú式中：é 1 ùë 2 û(3)tSC参考辐射源证书在对应校准点 tN 的亮度温度值，；tSIC参考辐射源证书在对应校准点 tN 的指示温度，；tSI1、tSI2参考辐射源指示温度的两次实测值，。7.4.2.2 被校变送器的实际示值与校准点的温度差 DtT 为：DtT =12(tT1 + tT2 )  tN(4)式中：tT1、tT2被校变送器两次读数的换算温度值，；tN校准温度点，。7.4.2.3 示值误差的计算综合测量标准和被校变送器对校准温度点的温度差，修正辐射源和被校变送器发射率偏离 1、被校与参考温度计测量点温差等因素引入的不可忽略影响，示值误差 Dt 为：Dt = (DtT  Dts ) - DtTBe - DtTe - DtTS(5)6JJF(京)106-2023式中：DtT 被校变送器在校准点 tN 处的示值误差，；DtTBe 辐射源发射率偏离 1 引入的误差，；DtTe 被校变送器的发射率不可调为 1 引入的误差，；DtTS 被校变送器的瞄准区域与参考温度计的测温区域之间的温度差，。注：1 辐射源发射率偏离 1 引入的误差 DtTBe 包含辐射源发射率偏离 1 引入的被校变送器的误差和辐射源实际温度因辐射源发射率偏离 1 引入的误差，计算方法见 JJG 856-2015 工作用辐射温度计附录 C。2 被校变送器的发射率不可调为 1 引入的误差 DtTe 的计算方法见本规范附录 C。3 被校变送器瞄准区域与参考温度计测温区域之间的温度差 DtTS 根据标准装置的实际情况确定，必要时可采用多种计量标准形式进行验证。7.4.3 重复性重复性通常表示为单次测量的实验标准偏差 s 的 2 倍。实验标准偏差 s 为：1å (d   i d   )2s =nn 1 i=1（6）式中：n测量次数；di 被校变送器单次测量结果与参考温度读数的差值，；d  di 的平均值，。重复性 R 为：R = 2s8校准结果表达8.1 原 始记录原始记录格式参考附录 A。8.2 校 准证书校准证书由封面和校准数据组成，校准结果内容参考附录 B。（7）7JJF(京)106-20239复校时间间隔建议复校时间间隔不超过一年，或由送校单位根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。8JJF(京)106-2023附录 A红外温度变送器原始记录格式计量器具名称：委托方名称： 证书编号：型号/规格： 产品编号： 制造厂：温度范围：（） 最大允许误差：红外温度变送器参数：发射率设置：；响应波长：m；D：S=；输出范围：计量标准：测量范围：不确定度或准确度等级或最大允许误差： 技术文件：本次测量所使用的主要计量器具：环境温度：；相对湿度：% 校准员：核验员：校准日期：年月日外观：符合要求 不符合要求光学系统：符合要求 不符合要求测量距离：m视场直径：mm1.4 倍/1.7 倍： mm校准地点：证书值（）            实测值（）          偏差测量值（mA/V/）        换算温度率不为 1（）（）（）校准温度点（）参考温度计                                                被校变送器名义温度   证书示值     1       2     平均值                1        2      平均值偏差辐射源发射（）变送器发射率不为1（）测点温差（）输出值（mA/V）校准结果示值误差（）U(k=2，)（）（）校准温度点（）参考辐射源                                                被校变送器证书值（）            实测值（）          偏差 测量值（mA/V/）        换算温度指示温度   亮度温度     1       2     平均值                1        2      平均值偏差（）辐射源发射率不为 1（）变送器发射率不为1（）测点温差（）输出值（mA/V）校准结果示值误差（）U(k=2，)（mA/V/）                                                                                                       差值的平实验标准偏差（）     重复性重复性实验测量温度点（）变送器测量值参考温度（）均值换算温度（） （）（）差值（）9标准温度红外温度变送器示值mA/V示值误差扩展不确定度 U（k=2）测量距离m辐射源直径mm辐射源类型重复性实验温度点/重复性/附录 B校准证书内页参考格式校准结果说明：1、被校红外温度变送器的光谱范围：（     ）m；2、被校红外温度变送器发射率设置为：3、其他需要说明的事项（如果有）。以下空白10JJF(京)106-2023附录 C红外温度变送器发射率不可调为 1 引入的测量误差部分被校变送器的内部将被测目标的发射率设为固定值，如 0.95，则其测量结果包括了对发射率设定值的修正。当被测目标温度高于（或低于）环境温度时，测量结果显著高于（或低于）目标温度。因此，校准时必须对此影响进行相应的修正。本附录给出了被校变送器发射率不可调为 1 引入的测量误差的计算方法。此方法假定校准所用黑体辐射源为理想黑体，实际黑体辐射源发射率偏离 1 引入的误差在此不予考虑。校准时参考温度如采用与被校变送器相同发射率的对应波长（或光谱范围）的亮度温度，则回避了被校变送器发射率不可调为 1 引入的误差，只需考虑所采用参考辐射源或参考辐射温度计的亮度温度溯源。本方法适用于单波段的被校变送器。为简化公式表达与计算，本附录采用极限有效波长方法。C.1 被校变送器的测量模型校准时，被校变送器测量的是黑体辐射源的热辐射。被校变送器测量结果的换算温度值与黑体辐射源的实际温度值之间的关系为：eLb(l,tT ) + (1  e )Lb(l,TAM ) = Lb(l,TBB )式中：tT被校变送器测量结果的换算温度值，K；TBB黑体辐射源的实际温度，K；TAM环境温度，K；被校变送器的（极限有效）波长，m；被校变送器的发射率设定值；Lb黑体的光谱辐射亮度，W·m-3·sr-1。C.2 发射率不可调为 1 引入的误差的计算普朗克黑体辐射定律给出黑体的光谱辐射亮度 Lb 与温度 T 和波长  的关系：(C-1）plexp(2 )  1Lb (l,T ) =c15 clT(C-2）式中：11黑体温度 TBB-60-40-2002060100150变送器换算温度-69.12-45.10-22.76-1.1820.0061.80103.27154.95误差tTDtTe-9.12-5.10-2.76-1.180.001.803.274.95黑体温度 TBB200250300400500600700800变送器换算温度206.60258.29310.02413.65517.50621.54725.73830.05误差tTDtTe6.608.2910.0213.6517.5021.5425.7330.05黑体温度 TBB9001000110012001300140015001600变送器换算温度934.491039.021143.621248.301353.031457.811562.631667.49误差tTDtTe34.4939.0243.6248.3053.0357.8162.6367.49c1第一辐射常数，数值为 3.7418×10-16，W·m2；c2第二辐射常数，数值为 1.4388×10-2，m·K。将公式（C-2）代入公式（C-1），得到：l                                     (C-3）ee1 ec   2c2lTBBlTAMtT =c2 1exp( )  1 exp( )  1-ln( + 1)被校变送器发射率不可调为 1 引入的误差为：DtTe = tT - TBB(C-4）对于窄带被校变送器，波长取其中心波长。对于宽带被校变送器，假定其光谱响应近似为无选择性带通（矩形）模型，极限有效波长采用以下拟合公式：l(814)m = 9.60 + 221/(t + 273.15)l(718)m = 8.70 + 525/(t + 273.15)(C-5）(C-6）公式（C-5）和（C-6）分别为（814）m 和（718）m 光谱响应的被校变送器在温度 t 下的极限有效波长拟合公式，拟合最大相对偏差均不超过±1%。C.3 发射率固定为 0.95 引入的误差的典型计算结果（被校变送器的发射率不可调为 1 的最常见的是（814）m 光谱响应的宽带变送器，其发射率的典型设定值为 0.95。表 C.1 给出环境温度为 20时， 814）m 光谱响应的被校变送器发射率固定为 0.95 引入的误差。表 C.1 环境温度为 20时, (814)m 变送器发射率 0.95 引入的误差  单位：12JJF(京)106-2023附录 D示值误差的不确定度评定示例D.1 示值误差的不确定度分析D.1.1 数学模型按本规范给出的红外温度变送器校准方法，示值误差的数学计算模型为：Dt = (DtT  Dts ) - DtTBe - DtTe - DtTS(D-1)其中： Dt 被校变送器在校准点 tN 处的示值误差，；DtT 被校变送器读数 tT 相对于校准点 tN 的温度差，；DtS 辐射源校准量（通常为亮度温度）tS 相对于校准点 tN 的温度差，；DtTBe 辐射源发射率偏离 1 引入的误差，包括被校变送器示值和测量标准参考温度值两方面的影响，；DtTe 被校变送器的发射率不可调为 1 引入的误差，；DtTS 被校变送器瞄准区域与参考温度计测温区域之间的温度差，。D.1.2 示值误差的测量不确定度来源示值误差的测量不确定度来自测量标准、被校变送器以及校准操作三个方面：D.1.2.1 测量标准装置，包括标准器自身示值和辐射源特性的影响两方面。量值溯源（校准不确定度与长期稳定性）；重复性、分辨力、辅助仪表；辐射源发射率和环境温度影响；辐射源温度均匀性，包括标准器测量点（或目标）与被校变送器目标之间的温差；辐射源控温的复现性或短期稳定性。D.1.2.2 被校变送器特性重复性、分辨力、辅助仪表；被校变送器的发射率不能设为 1（如果适用）引入的修正的影响。D.1.2.3 校准操作过程参考辐射温度计（若使用）与被校变送器的瞄准；数据处理中的简化与舍入。13D.1.3 灵敏系数及合成标准不确定度式（D-1）为温差的代数和公式，且等号右侧各项的系数绝对值均为 1，因此与之对应的温度不确定度分量的灵敏系数的绝对值也为 1。影响示值误差的不确定度因素中，辐射源发射率对参考辐射温度计与被校变送器示值的影响，应按照完全相关的分量处理，采用算术相减合成方法；此后，各不相关分量依据不确定度传播率计算合成标准不确定度：u2 (Dt) = u2(DtS ) + (u(DtSBe )  u(DtTBe )2 + u2 (DtTe ) + u2 (DtTS ) + u2 (DtOP )(D-2)其中： u(DtOP )校准操作和测量条件影响等引入的标准不确定度，。D.2 不确定度评定实例D.2.1 以接触式标准温度计为参考温度计，校准（814）m 红外温度变送器采用标准铂电阻温度计作为参考温度计。黑体空腔置于液体恒温槽内，发射率0.995±0.003，辐射面有效直径 65mm。被校变送器的光谱范围（814）m、温度分辨力 0.1，输出信号为（420）mA，测温范围为（-20180），最大允许误差为±1%t或 1，重复性为±0.5%t 或 0.5（t 为温度测量值）。校准时被校变送器的发射率设置在 1.00，环境温度 23.0，校准距离 0.3m，相应的目标直径为 20mm。计算在 100的校准结果示值误差的不确定度。D.2.1.1 影响固有误差的不确定度来源D.2.1.1.1 测量标准参考标准铂电阻温度计与黑体辐射源引入的不确定度包括以下分量：kuku参考标准铂电阻温度计校准不确定度，由证书给出 0.02，正态分布，=2，1=0.01；参考标准铂电阻温度计在校准周期内的变化量为 0.04，均匀分布，= 3 ，2=0.03；测量辐射源温度的重复性，通过贝塞尔公式计算得出，u3=0.02；辐射源短期稳定性不超过 0.05每 10 分钟，均匀分布，k= 3 ，u4=0.03；ku辐射源均匀性对瞄准和测点温差都有影响，不超过 0.05，均匀分布，= 3 ，5=0.03；辐射源发射率的不确定度为 0.003，引入的温度修正为 0.189，均匀分布，k= 3 ，u6=0.11。D.2.1.1.2 被校变送器引入的不确定度包括以下分量：测量重复性，通过贝塞尔公式计算得，u7=0.06；测量被校变送器的输出电流值的电测仪表引入的误差，0.00636mA，换算成温度值为14不确定度来源类别灵敏系数ui/参考温度计（标准铂电阻温度计）校准不确定度 u1B-10.01校准周期内的稳定性 u2B-10.03测温重复性 u3A-10.02黑体辐射源短期稳定性 u4B-10.03均匀性对瞄准的影响 u5B10.03发射率修正对确定固有误差的影响 u6B-10.11被校变送器测量重复性 u7A10.06电测仪表 u8B10.05校准操作数据修约 u9B10.03JJF(京)106-20230.0795，均匀分布，k= 3 ，u8=0.05。D.2.1.1.3 操作引入的标准不确定度瞄准的影响包含在 u5 中；