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测量
欧洲工业高温测量解决方案项目（HITEMS）——成果总结
J.V.Pearce ,D.Lowe .A.Greenen, C.J.Elliott, G.Machin： National Physical Laboratory（NPL），Hampton Road，Teddington TW11 0LW，UK
F.Edler ,K.Anhalt：Physikalisch Technischen Bundesastalt（PTB），Abbestra_E 2-12，10587 Berlin，Germany
F.Girard ,M.Battuello: istituto Nazionale di Ricerca Metrologia（INRIM），Strada delle Cacce 91，10135 Torino，Italy
M.Sadli ,F.Bourson： Laboratoire Commun de Metrologie（LNE和CNAM），61 rue du landy，93210 Saint Denis，FRance
E.M.Vuelban ,P.Dekker: Dutch Metrology Institute（VSL），Thijsseweg 11，P.O.Box 654，NL-2629 Ja Delft，The Netherlands
R.Strnad ,A.Diril: Ulusal Metroloji Enstit_s_（Tubitak Ume），Kocaeli，Turkey
L.Kn_Azovick: Czech Metrology Institute（CMI），Radiova 3，102 00 Praha 10，Czech Republic
P.Pavl_Sek: Slovak Institute o f Metrology（SMU），Karloveska 63，Bratislava，Slovakia
M.Seifert: Fraunhofer Institute F_r wer德国德累斯顿Winterbergstra_e 28，01277，Kstoff-und Strahltechnik IWS（FHG）
文章信息
文章历史：
收到日期：2015年2月18日
2015年9月28日收到修订版
接受日期：2015年9月30日
在线提供日期：2015年10月9日
关键词：
高温测量
高温定点（HTFPS）
工业过程控制
辐射温度计
摘要
由于测量条件不理想，工业高温测量存在较大的不确定性，如辐射测温的发射率和窗口传输率未知，传感器污染和老化等，导致接触测温不可预测的漂移。本文概述了欧洲计量研究计划（EMRP）项目“工业应用高温计量”（HITEMS），该项目的目标是从广义上解决非接触和接触温度测量领域中的一些未解决的测量挑战。它汇集了15个合作组织：国家计量机构（NMI）（10）、工业公司（4）和弗劳恩霍夫研究所。该项目于2011年9月开工，2014年8月竣工。在应对所有温度测量挑战方面取得了重大进展。
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1.介绍
测量1000摄氏度以上的温度对于确保各种工业过程的成功至关重要。然而，要确保测量的可靠性，特别是要在工业过程中直接追溯到1990年国际温标（ITS-90）[1]，即使在某些工业环境中并非不可能，也是非常困难的。
Hitems[2,3]通过开发一套方法和技术来解决这个问题，这些方法和技术有可能显著改进工业高温非接触和接触测温的实践，至少达到2500℃。特别强调通过解决未知M等问题来促进原位可追溯性。材料发射率、传感器漂移和(/或)未量化的传输变化。
Hitems是一个为期三年、15年的合作项目，部分由欧洲计量研究计划（EMRP）资助。项目合作伙伴包括：NMI；英国（NPL，协调员）、西班牙（Centro Espa_ol de Metrologia CEM）、捷克共和国（CMI）、法国（LNE和CNAM）、意大利（istituto Nazionale di Ricerca Metrologia Inrim）、德国（PTB）、斯洛伐克（SMU）、土耳其（Turkish National Metrology Institute，Tubitak Ume）、荷兰（VSL）和工业家GDF Suez（GDF）fr。安斯，美捷特传感系统（MSS）英国，能源委员会，原子能和辅助能源替代品（CEA）法国和Endress Hauser（E H）德国。此外，德国弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所（FHG）还获得了一项卓越奖（Reg）研究员，专门从事激光焊接和材料加工。在项目启动后，巴伐利亚应用能源研究中心（Zae Bayern）获得了第二笔注册拨款，其作用是对HITEMS所涵盖的过程中通常遇到的材料进行发射率测量。
研究分为六个技术工作包，每个工作包处理不同的未解决的温度测量问题。简而言之，这些是：
非接触式温度计：
发射率和反射辐射，以实现原位可追溯性为目标。 自我验证和修正，用于变化的窗口/路径传输，约2500 C。 激光材料加工中的实时可追踪温度测量。
接触式温度计：
碱金属热电偶寿命评估和碱金属以及重金属热电偶漂移测量。 对温度传感器进行自我验证和现场验证，温度至少达到2000摄氏度， 用于确定高温非标准热电偶可靠参考功能的设备。
Hitems项目始于2011年9月，于2014年8月竣工。本文综述了HITEMS项目研究的主要成果。更多的研究技术细节可以在参考中到。
2.可追溯、准确的现场表面高温测量技术（gt;1000℃） 本工作包括的活动涉及各种发射温度测量方法技术的开发、发射率测量和测量不确定度来源的调查，例如被测表面的几何结构和大规模源效应（SSE）[4，5]
2.1.同时测量温度和发射率的紫外多波长技术
多波长测温法（MWT）是一种基于测量被测物表面在多个波长下的发射辐射的方法。这种方法具有潜在的吸引力，因为通过一系列多波长测量，可以确定样品的表面温度和发射率。然而，该方法存在明显的缺陷[6]，在可见红外区域（通常为650-950nm）使用该方法会加剧这一缺陷，从而导致严重的测量精度问题。当前的MWT系统对测量噪声和模型误差（由光谱发射率行为的不同假设产生的误差）高度敏感。Inrim进行了严格的数学模拟，结果表明，将多波长方法扩展到紫外线区域可能会显著降低不确定性[7]。模拟结果表明，通过将工作波长延长到350nm，可以大大降低测量噪声和模型误差的影响。
为了验证模拟结果，INRIM开发了一个原型测量装置，并证明了同时测定表面温度和发射率的可行性。这是基于两个商用设备，一个摄谱仪Horiba Scientific Model Microhr Auto和一个TE冷却CCD探测器Horiba Syncerity 1024 256，耦合在一起。作为参考源，使用了商业用地校准黑体（型号R1500T）。工作在350纳米和900纳米之间的MWT具有充分的特征，并使用一种常见的手工制品——铬镍铁合金600进行测量比较。在表1中，使用MWT设置对铬镍铁合金600进行温度测量的结果与标准参考辐射温度计（单点RT，工作波长900 nm）在三个源温度下的温度读数进行了比较。图1显示了在900摄氏度下测得的铬镍铁合金600的光谱发射率[不确定度5.5摄氏度（k=2）]，由mwt得出。有关MWT设置和测量比较的更多详细信息，请参见[8]。值得注意的是，与传统的MWT方法相比，将MWT扩展到近紫外（350纳米），具有显著的优势，正如INRIM所做的模拟所示[7]。模拟允许开发一个确认结果可靠性的一般规则；该方法的主要缺点是不保证结果，但当获得结果时，它具有良好的可信度。
2.2.源效应（SSE）测量尺寸
SSE是辐射温度计测量不确定度的主要来源之一。为了确定工业环境中SSE的不确定性影响，VSL开发了一种表征设备（如图2所示），可以模拟工业条件（例如，具有大背景反射、不同环境温度条件、不同源孔径直径）。
该装置的特点在于不同孔径形状和尺寸以及炉壁发出的背景辐射对辐射温度计信号的不同影响。
表一 根据mwt测量得出的铬镍铁合金600样品在900℃时的光谱发射率，通过假设发射率的线性模型得出。
图1。根据mwt测量得出的铬镍铁合金600样品在900℃时的光谱发射率，通过假设发射率的线性模型得出。
传统的SSE测定方法，如直接法和间接法，都涉及使用多组不同尺寸的圆孔。VSL建议使用扫描方法[9]来确定SSE，并对此进行了进一步研究[10]。图3给出了直接扫描法和固定缝宽扫描法的比较，显示了源位置变化的影响。更多详情请参见[10]。
2.3.金杯辐射温度计表面几何结构的不确定度贡献
金杯辐射温度计（图4a）已被证明在工业应用中有用。这些装置的工作原理是将反射杯（通常是半球）靠近被测表面。杯中建立了伪黑体辐射，消除了表面的发射率，从而有助于可靠的温度测量。然而，由于所测量表面的几何结构远不理想，这种类型的辐射温度计提供的结果的精度是高度可变的。典型的例子是管状和倾斜表面，例如在各种加工行业中常见的表面。VSL建立了一个设施（如图4b和c所示），在该设施中，基于腔的辐射温度计可以用不同的表面几何结构进行彻底表征。表征结果表明，与在700℃温度下在曲面上进行测量相关的组合不确定度（k=2）可能高达3.5C，占测量总组合不确定度（6.1 c）的一半以上。对于倾斜表面，表面几何结构的不确定度贡献为0.4 C（最大角度为20），总组合不确定度为5.4 C。这些结果表明，金杯温度计对适度倾斜的表面相对不敏感，但受到曲面的强烈影响[11]。这些调查的典型结果如图5所示。当金杯靠近表面时，温度较低。这是因为当金杯靠近金杯表面时，来自周围环境的高温热辐射无法再进入金杯，因此对表面温度进行了更真实的评估。
图2。在VSL开发的用于工业规模的源特征化和金杯高温计性能评估的设备。在高环境背景辐射环境中，箱式炉可以模拟不同的几何结构，如斜面和曲面（如见图4b和c）。
图3。比较直接法（菱形）和扫描法计算出的SSE结果，使用一个36 mm的狭缝，该狭缝与震源相距148 mm（正方形）和378 mm（三角形）。
2.4.利用虚拟源技术测量与温度无关的发射率
用于发射率测量的虚拟源方法涉及到通过将真实源辐射反射到具有已知反射比的镜子上来创建所谓的“虚拟源”。来自辐射源的辐射通量主要由两部分组成：直接来自真实源的热辐射和来自虚拟源的辐射（从镜子反射的辐射）。通过改变产生虚拟光源的镜子的位
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资料编号：[1970]
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