完整版标准黑体炉操作手册.docx
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完整版标准黑体炉操作手册
HZ-2标准黑体
操作手册
北京南奇星科技发展有限公司
2003年（新版）
1产品简介……………………………………………………………………2
2产品特点……………………………………………………………………2
3系统组成……………………………………………………………………3
4系统连接…………………………………………………………………3
5运行操作…………………………………………………………………4
5.1仪表面表简介………………………………………………………………4
5.2操作面板简介………………………………………………………………4
5.3运行操作…………………………………………………………………5
6注意事项……………………………………………………………………5
7辐射温度计校准介绍（仅作参考）…………………………………………5
7.1不等温黑体校准辐射温度计存在的问题………………………………6
7.2等温黑体温度均匀性分析………………………………………………7
7.3辐射温度计校准………………………………………………………7
8故障维修………………………………………………………………………8
9校准…………………………………………………………………………9
HZ-2标准黑体操作手册
1产品简介
标准黑体作为标准辐射源，主要用于校准辐射温度计、红外温度计和辐射温度传感探测器。
黑体的物理意义是：
能全部吸收外部的辐射能量，同时能全部辐射出自身全部能量的物体。
量化说明吸收率为1，发射率为1。
这是理想黑体，理想黑体是一极限值。
通常我们所说的黑体产品为人工黑体，人工黑体的发射率接近1，但不等于1。
通常人工黑体发射率大于0.99。
我公司目前具有国际最先进的黑体技术，产品种类最全、温度范围最宽的黑体系列产品。
黑体系列的工作温度为-80～1600℃，为开口式；封闭式黑体温度可以达到2500℃以上。
HZ-2型标准黑体工作温度为300～1200℃，腔口直径为Φ40mm，为等温黑体。
本产品体积小、重量轻、便于携带，不仅适合各级计量机构实验室校准辐射温度计使用，同时可以用于现场校准。
多年来我们对黑体腔的设计、理论计算和实验进行专门研究。
同时对发射率的测量、对红外测温技术和校准技术从理论和实际应用上也进行专门研究。
本产品就是这些研究成果的转化。
产品的核心技术获得国防2000年科学技术二等将。
获奖证书号为2000GF2106-1。
2产品特点
HZ-2标准黑体为等温黑体，黑体腔为金属，因此黑体腔内的温度均匀性很好，腔口的辐射非常均匀。
使用了最新发射率理论和技术，使得腔口发射率已经做到0.995以上；采用最先进24位温度程序控制器，在1700℃仍有0.1℃的分辨率。
产品的技术指标为：
工作温度；300～1200℃；
腔口直径：
Φ40mm；
腔口发射率：
≥0.995；
温度稳定度：
<±0.3℃；
电源：
220VAC，10A；
功率：
2000W；
校准时的环境温度：
见JJG415-2001，为23±5℃；
系统工作环境温度：
5~45℃。
体积：
控制器210×210×280mm，黑体源370×370×600mm
重量：
约25kg
由于本产品为等温黑体空腔，因此腔口辐射的能量随光谱分布均匀，尤其能准确校准各种不同波长的红外辐射温度计。
标准黑体的温度控制技术，是标准黑体关键技术之一。
HZ-2将300～1200℃的温度分成10个点，分别对每台产品P、I、D参数的进行最佳整定，分别存入高性能的温度程序控制器（SR253）中记忆，升温速度快，恒温时间短，用户可以很方便的使用本产品。
出厂时P、I、D参数见表1。
表1P、I、D参数选择表
控温仪设定点
设定温度
P（%）
I（秒）
D（秒）
MR（超调抑制）
1
300
4.0
1440
835
0
2
400
3.8
980
355
0
3
500
3.3
941
255
0
4
600
2.9
910
180
0
5
700
2.7
910
73
0
6
800
2.0
880
75
0
7
900
2.0
880
67
0
8
1000
2.0
820
57
0
9
1100
2.0
1000
46
0
10
1200
2.0
990
41
0
3系统组成
HZ-2由标准黑体源和黑体温度控制两部分组成。
图1HZ-2标准黑体
在两部分的面板上，温度控制部分有温度程序控制器和电源开关，温度显示、参数设定等均在温度程序控制器上进行；标准黑体源部分，有黑体辐射腔口。
4系统连接
在标准黑体源和黑体温度控制的背面，分别标有“电源220VAC”、“控温热电偶接口”、“加热电源接口”。
随机带来3根连接导线，分别为电源线、加热电源线和热电偶连接线，其中热电偶连接线为补偿导线。
系统连接：
●将加热电源连接线（5芯航空插头）分别连接到温度控制器和标准黑体源的背面标有“加热电源接口”的5芯航空插座上；
●将控温热电偶从黑体源的后面热电偶安装支架中插入到黑体腔热电偶插孔中，一定要插到内部金属块的孔中，并将热电偶连接线（3芯航空插头）分别连接到温度控制器背面标有“控温热电偶接口”的3芯航空插座上；
●电源连接线已经连接在温度控制器上。
5运行操作
5.1仪表面板介绍
温度程序控温器面板如图2所示。
其中
1——AT为PID自动整定指示灯，
操作控制指示灯；
2——实际测量温度显示；
3——加热显示；
4——监控状态显示灯。
5——参数和输出状况显示窗口；
6——操作面板；
5.2操作面板介绍
操作面板如图3所示。
这是一组软键盘。
DISP——用于返回到初始监控状态。
GRP——用于主菜单翻页。
SCRN——用于子菜单翻页。
⊿▽△——组合成程序菜单的参数设置和选择。
ENT——确认键，同计算机上的“ENTER”键。
详细的操作说明见SR253操作手册。
5.3运行操作
1——检查接线是否正确；
2——将电源插头接到220VAC，即市电；
3——打开黑体温度控制面板上的电源开关（将I一端按下），温度程序控制器上的指示灯亮；温度程序控制器先进行自检，随后停留在上一次最后温度设置点上；
4——用“DISP”、
、▽、△和“ENT”键选择工作温度，设定点与工作温度对应见表1。
5——设备进入自动工作，等待温度满足校准的要求；
6——当温度满足要求时，进行辐射温度计的校准；
7——进入下一工作温度的校准，重复步骤4—6的操作；
8——校准完毕后，将温度程序控制器上的工作设置在1点，即200℃，以便在下一次开机时不至于立即加热；
9——关闭黑体温度控制面板上的电源开关（将O一端按下）。
操作举例：
校准温度为“300℃”，上次关机前的操作停留在设置点1上，将黑体的工作温度设定在“300℃”上。
操作步骤为：
1——检查接线是否正确；
2——将电源插头接到220VAC，即市电；
3——打开黑体温度控制面板上的电源开关（将I一端按下）；
4——按“
”键1次，按“△”键1次，内部设定号显示为“02”，设定温度显示为“300℃”时，按下“ENT”键；
至此就完成了黑体工作温度设置。
6注意事项：
黑体的工作状态已经经过严格的实验和调试，温度程序控制器上的参数不允
许自行更改，否则装置不能正常工作。
系统的最高工作温度为1200℃，不允许更改设置随意升高温度，否则会烧毁加热器。
希望在1200℃温度点上不要长时间工作，这样能保证装置的使用寿命。
用于现场校准时，携带需要用海绵等防震材料，正向放置。
用户需要自行设置校准温度时，一定要完全熟悉SR253温度程序控制器的使用后，才能操作，用户自己设置温度，放在第1温度设置点，PID参数可以参照表1设置。
7辐射温度计校准介绍（仅作参考）
7.1不等温黑体校准辐射温度计存在的问题
黑体是校准辐射温度计的重要设备。
对于现有黑体，没有形成有效的黑体空腔。
在辐射温度计的旧检定规程中，提到黑体炉靶面全波长有效发射率，目前条件下基本上是无法测量的。
从靶面的发射率来看，目前还没有材料表面发射率达到0.98以上。
新规程JJG415-2001中，提到辐射源的有效发射率为ε=1±0.010。
我们知道，任何黑体的发射率不可能大于1，规程只所以这样写，是因为目前常见的黑体根本就不能说是黑体，只能说是辐射源；由于没有形成一有效的黑体空腔，所以只能从靶心到炉口看作是黑体空腔，其温度梯度非常大，总可以用某一工作波长的高精度辐射温度计测量，使得不等温黑体（即现有的黑体）通过调节温度，使得在某个工作波长下的光谱发射率等量于1，但在其他波长下，由于辐射不均匀，有可能因为温度的高出，折算出的发射率就大于1。
因此用现有的黑体校准辐射温度计（尤其是红外辐射温度计），有较大的误差。
下面我们从理论进行分析和数字计算结果予以说明。
对不等温黑体从理论上建立数学模型。
光谱辐射能
与波长λ、温度T不是线性关系。
对于不等温黑体，腔口辐射的能量为各不同温度表面的各辐射能量之和（其中与各表面的发射率和角系数有关），因为普朗克定律的非线性，即使不等温黑体全光谱发射率等量于某个当量温度下为1，但迭加后的光谱能量不再适合用普朗克定律反算温度。
现假定有一不等温黑体腔，将其温度不均匀近似划为3个区域，为了简化计算并将各
看作相等，光谱发射率均看作1（只考虑温度差异的影响，而不考虑发射率的影响），每个区域只看作一个温度（即等价温度），最后用算术平均值作为黑体腔的温度。
计算结果得出，对于不等温黑体，光谱能量迭加后当量温度，不等于不同面积上的温度算术加权平均值。
波长越短，当量温度越高，如果算术平均值为298.33℃（温度差异性为±35℃），在0.665μm波长处，当量温度为318.62℃；而在5μm当量温度为300.86℃；随着波长的增加，当量温度值趋向算术加权平均值，接近300℃。
在平均温度1098.33℃时（温度差异性±35℃），0.665μm的当量温度为1102.94℃，与平均温度差4.6℃；5μm处当量温度为1098.57℃，与平均温度基本接近。
那么温度究竟以哪个为准？
很难有个确定的标准。
不等温黑体内表面的温度差异性越大，当量温度和算术加权平均温度之差也越大。
在相同的温度差异性上，随着黑体自身温度的升高，当量温度与平均温度差值下降。
上述分析以每个面为黑体进行分析，避开了发射的差异仅分析温度差异影响。
实际上每个面的发射率不是1。
如果既考虑温度的差异性，又考虑发射率的影响，其数值远大于上述分析的数值，偏差更大。
在通常的情况下，如果用标准光学高温计对黑体炉定标，标准光学高温计在波长0.665μm所测出的温度作为检定温度，而其他波长的实际温度均低于检定温度，所检定的辐射温度计可能是正差。
对不等温黑体定义全光谱辐射率为0.99时，总能找到一温度，在该温度下黑体的等效发射率为0.99，辐射靶的两端面温差不大于2℃也是可以做到的，但光谱能量迭加非线性，这是不等温黑体的固有特性，是无法改变的。
因此用这种黑体，在校准红外温度计时，偏差太大而无法校准。
综上所述，无论是不等温黑体还是辐射源，均不能用于检定红外辐射温度计。
7.2等温黑体温度均匀性分析
等温黑体本身已经形成空腔。
腔体内表面发射率的已经经过特殊工艺处理均匀一致，温度均匀性也好。
假定等温黑体空腔内温度不均匀时，情况又如何呢？
下面进行详细的理论分析。
同第7.1节一样进行简化，将园柱形空腔分为3个区域，腔底、腔口和腔壁。
这里假设最大温度差异为20～40℃，其计算结果为平均温度为300℃（腔内极限温差为20℃），在0.665μm波长处，当量温度为302.01℃；5μm当量温度为300.18℃；随着波长的增加，当量温度基本等于算术加权平均值300℃。
在平均温度1100℃时（温度差异40℃），0.665μm的当量温度为1101.3℃，与平均温度差1.3℃；0.8μm以后，当量温度基本为1100℃，与平均温度已经接近。
本公司黑体为等温黑体空腔，温度均匀性很好，等温黑体温度腔内温度差异很小。
腔口发射能随波长分布均匀，完全可以看作光谱辐射能量符合普朗克定律。
用等温黑体检定辐射温度计，只要等温黑体工作正常，因工作波长的不同所带来辐射温度测量的差异，完全可以忽略不计。
7.3辐射温度计校准
在检定规程JJG415—2001中，要求标准和被校辐射温度计光学镜头聚焦到黑体炉的靶面上，即黑体炉的炉底。
这对不等温黑体来说，均以靶面为准，而对等温黑体来说，情况就不一样，下面就等温黑体的情况来进行分析。
对辐射温度计，在校准过程中，要求被测物体的辐射面积要充满整个视场，现在根据校准情况，画出测量的光路示意图见图4。
辐射温度计的光路一般有两种形式，即变焦距和定焦距。
图4a所示为测温仪光路是变焦距，并聚焦到黑体腔底。
从光路图可看出，通过黑体腔口的面积比到腔底的大，对于等温黑体，只要腔口充满视场，测量的温度就准确。
没有必要将镜头聚焦到腔底。
如果镜头聚焦到黑体腔底，当黑体腔和黑体的前沿段都较长时，为了满足测温的要求，这势必要增加管式黑体的内径和腔口直径，否则，腔口的尺寸就不能充满测温仪的视场，测温就不准确。
对等温黑体，通常在检定辐射温度计时，应该尽量将聚焦位置定在腔口的中心，因为黑体腔口的辐射能量是以中心呈环状分布，靠近中心位置更均匀些。
与图4a相比，图4b的聚焦在黑体腔口，因测温仪最小测量目标在给定距离的聚焦面上，因此对黑体炉腔口大小的要求比图4a要小。
只要黑体腔口尺寸能满足辐射测温仪的最小测量目标的要求，就能进行校准。
在实际校准中，当黑体炉温度保持不变时，将辐射温度计的镜头聚焦到腔口后，显示温度值；继续将镜头延伸，显示值保持不变；直到某个位置，腔口尺寸不能充满视场时，温度开始下降。
测量中，聚焦正确所得出的温度值，总是测量最高值。
图4c为定焦距测温仪的一种，分析同图4a和图4b，不再叙述。
图4辐射测温仪测量光路图
使用HZ-2校准辐射温度计时注意事项：
1因为HZ-2的腔口直径较大，在实际使用中，辐射温度计距腔口的距离，希望不小于200mm。
2在温度控制在设定温度值时，输出进行动态调节时，黑体辐射最均匀。
3希望在设置控温点时，设定点温度大于实际炉温100℃以上。
8故障维修
当打开电源开关，黑体温度控制面板所有的指示灯均不亮。
检查黑体温度控制内部的过流保护器是否处于保护状态，是，将过流保护器合到ON上；在断电的状况下，打开电源开关，用万用表测量电源导线交流接线电阻，看看有无短路现象，正常后接通电源。
黑体源不升温。
检查加热器是否无损坏。
（加热器的总电阻在27欧姆左右）
检查固体继电器（SSR）工作是否正常，加热导线是否断开，SSR的控制信号线是否断开。
9校准
方法一：
用标准铂铑10-铂标准热电偶
将标准铂铑10-铂标准热电偶装入直径为10mm的刚玉套管，从控温热电偶的旁边的监测孔插入，一定要插到内金属块的孔中，在黑体温度稳定时，用标准热电偶测量的温度与温度程序控制器上的温度比较。
方法二：
用0.1～0.2%精度经校准后的红外辐射温度计
用红外辐射温度计按测试要求，聚焦到黑体的腔口，在黑体温度稳定后，测量黑体的辐射温度，与温度程序控制器上的温度进行比较。
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