红外额温计测量准确性的主要影响因素分析
时间：2023-06-22 22:20:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王亚梅 史超星
[山西省检验检测中心（山西省标准计量技术研究院）]
近年来，由于SARS、禽流感、新冠肺炎等疫情的暴发，红外额温计（以下简称：额温计）的使用越来越广泛。与传统的玻璃液体体温计、电子接触式体温计相比，额温计具有响应速度快和携带方便等优点。在红外体温计中，红外耳温计测量时必须伸入耳道，且每次更换新的镜头保护套，否则可能引起交叉感染；
红外筛检仪成本较高，一般设置在机场、火车站等人流量大的地方；
额温计成本低且能避免交叉感染，因此得到了广泛的应用。
然而，与接触式体温计相比，额温计的测量结果受到人体发射率、环境温度、测量距离等因素影响，误差普遍偏大。中国仪器仪表协会标准T/CIS11003—2021《红外额温计》针对额温计的产品检测性能、技术要求及对应的检测方法制定了规范，使检测机构和制造厂商在检验和管控产品质量时有据可依。在计量工作中，笔者发现JJF1107—2003《测量人体温度的红外温度计校准规范》中的部分内容也亟待更新。本文将从计量和使用的角度对影响额温计测量准确性的三个重要因素——环境温度、测量距离和标准装置进行分析。
自然界中，任何高于绝对零度的物体都会向外界辐射不同强度的能量，物体辐射能量的大小与物体表面温度有着特定的关系。额温计基于这一原理，通过探测器获得人体表面辐射亮度的大小，经换算得到人体表面温度。
根据普朗克定律，人体的光谱辐射亮度见式（1）：
式中：
L(λ,T)——人体的光谱辐射亮度，W·m3·sr-1；
T——人体实际温度，K；
λ——波长，m；
ε——人体皮肤发射率，取0.98[1]；
c1——第一辐射常数，数值为3.748×10-16，W·m2；
c2——第二辐射常数，数值为1.4388×10-2，m·K。
由于测量时受到环境温度的影响，在不同环境温度下人体温度的理论测量温度Tm（假设人体温度在20℃时实际温度为T）见式2：
式中：
T20——20℃时的温度，K；
Tm——人体理论测量温度，K；
Tt——环境温度，K。
常见额温计的波长范围为8μm～14μm，有效波长取10.3μm，假设人体温度T在20℃下恒定为 37℃。JJF1107—2003中要求额温计的使用环境条件为16℃～35℃，因此分别取环境温度Tt为16℃、20℃、25℃、30℃、35℃进行计算，根据式（2）可以得到相应的理论测量值Tm。计算结果见表1。
表1 不同环境温度下的人体测量温度理论值（℃）
从表1计算结果可知，环境温度在16℃～35℃变化时，人体测量温度理论值在36.7℃～37.1℃，由于环境温度的变化引起的测量误差高达0.4℃。JJF1107—2003给出的额温计最大允许误差为±0.3℃，而仅环境温度变化引起的测量误差就超过了这一值。
JJF1107—2003规定，校准实验室环境温度应满足 18℃ ～28℃。GB/T19146—2010《红外人体表面温度快速筛检仪》规定红外筛检仪的校准应分别在 16℃ ～18℃、24℃ ～26℃、30℃ ～32℃三种环境条件下进行。T/CIS11003—2021《红外额温计》中规定，需分别在三种环境条件下测量额温计的误差，分别是在实验室温度中、比实验室温度高10℃的环境试验箱中和比实验室温度低10℃的环境试验箱中。参考这些规定，笔者建议额温计的校准也应在三种不同的环境温度下进行，并在校准证书上分别给出不同环境条件下的测量误差。
在实际应用中，额温计的使用场合常见于火车站、机场、医院、学校等公共场合的入口处，受室外天气的影响，环境温度可能低至寒冬的-10℃，高至酷暑的40℃，因此额温计的使用者必须了解环境温度对测量结果的影响，在环境温度超出16℃～35℃时谨慎使用额温计。需要注意的是，在不同的环境温度条件下，人体体表温度本身变化较大，且个体差异大，理论分析仅从额温计的测量误差角度进行了分析，不涉及环境变化引起的人体自身的体表温度变化。
基于以上计算和分析结果，笔者建议额温计的生产商在产品上增加测量环境温度的探头，并设置相关的计算程序，对环境温度的影响进行补偿计算；
建议计量人员在校准额温计时，分别测量并在校准结果中给出不同环境温度范围下的误差值；
建议额温计的使用人员尽量避免在低于16℃或高于35℃的环境条件下使用。
理想的额温计的测量结果只与其瞄准的人体皮肤的辐射亮度有关，而实际额温计的输出还与目标以外的背景辐射的强弱有关，表现为输出信号与被测人体部位的大小有关。测温距离过大或被测部位面积过小，会导致被测部位皮肤不能完全覆盖额温计的视场，这也会对测量准确性带来影响。据笔者统计，额温计说明书上一般都没有给出详细的距离-视场关系图表（D-S图），仅有部分型号的额温计明确了测量距离的要求。
为了研究测量距离对校准结果的影响，选取6种不同型号的额温计进行校准。标准器为直径6cm的空腔黑体辐射源，发射率为0.998。将黑体辐射源等效为人体，根据斯忒藩-玻尔兹曼定律公式见式（3）:
式中：
σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数；
εs——黑体辐射源发射率，0.998；
Ts——黑体辐射源温度，K。
人体发射率取0.98，体温37℃对应的T为310.15K。根据式（3）计算可得，等效的黑体辐射源温度为Ts=310.64 K，相当于36.7℃。需要注意的是，由于部分额温计没有校准模式，同时为了避免不同型号的额温计之间校准模式的差异性，此处采用了不同发射率之间的换算。
故将黑体辐射源设置为36.7℃，在恒温20℃、无风的环境条件下进行实验。选取六种不同型号的额温计，分别是型1、型2、型3、型4、型5、型6。测量时，额温计对准黑体辐射源的中心，且垂直于辐射源的腔口，测量距离取测温仪镜头至黑体辐射源腔口的距离。在额温计标称的最小测量距离对黑体测量3次，得出平均值Ts近；
在额温计标称的最大测量距离对黑体测量3次，得出平均值Ts远。则，Ts近和Ts远的差值可表示测量距离对校准结果的影响。
为了比较校准结果与实际测量结果的差异，在相同的测量方法对人体额头进行测量，得出最小和最大测量距离下的差值T近-T远。结果见表2。
表2 最大和最小测量距离下测量结果的差值（℃）
从表 2 可以发现，Ts近-Ts远的值为 0.2℃ ～0.4℃，而T近-T远基本均为0。可见在校准过程中，校准距离对结果的影响不可忽略，其带来的偏差甚至可能大于额温计的最大允许误差±0.3℃。而对人体额头的测量中，测量距离（在额温计标称的范围内）带来的影响基本可以忽略不计。笔者认为，这种结果的差异主要是由于黑体辐射源的腔体直径小于人体额头宽度，在额温计标称的最大测量距离处测量时，黑体辐射源不能完全覆盖额温计的视场。人体额头直径约为10cm，而用于校准额温计的黑体辐射源腔口直径一般都小于这一数值，这就导致额温计校准结果对应的测量距离与实际使用中的测量距离不一致，在使用中无法根据校准结果中的实验室误差对体温测量值进行修正。
因此，计量人员在校准额温计时，不能参考说明书上给出的测量距离，应尽可能地靠近黑体辐射源腔口。受实际使用环境的影响，在环境温度较低或者有风的情况下，使用者常常选择测量手腕部位的温度。在这种情况下，手腕部位的面积较小，可能无法覆盖额温计的视场，测温距离也应适当缩短。
基于以上分析，笔者建议额温计的生产商在产品说明上明确测量距离信息，可以给出测量不同的人体部位时最佳测量距离，也可以给出测量距离与视场直径的关系；
建议计量人员在校准额温计时，选择适当的测量距离，在出具额温计校准证书时，给出标准设备黑体辐射源的直径和校准距离；
建议额温计的使用人员在说明书给定的测量距离范围内测量。
现有的校准规范JJF1107—2003要求采用黑体辐射源作为计量标准。JJG1164—2019《红外耳温计》实施以来，很多设备生产商研制出了液体恒温槽与黑体空腔配套使用的校准装置，采用标准铂电阻温度计作为标准器监测和控制恒温槽的温度，黑体空腔处于液体恒温槽的工作区域，通过对液体恒温槽工作区的温度控制实现黑体空腔的温度控制，黑体空腔可以制成不同的腔体直径和开口直径，分别满足红外额温计和红外耳温计的校准要求。下面分别论述这两种标准装置作为计量标准使用时需要关注的问题。
3.1 黑体辐射源作为标准设备
根据JJF1107—2003，用于校准红外额温计的标准装置应采用黑体辐射源，要求其空腔有效发射率不小于0.997，控温稳定度不大于0.002℃/10min，辐射温度不确定度不大于被校温度计最大误差绝对值的1/3。黑体空腔壁面温度通常采用接触温度计测量，一般是铂电阻温度计。
上述对黑体辐射源的要求中，发射率这一参数存在测量困难的问题。黑体辐射源的生产商会给出声称的发射率值，但是发射率值的溯源非常困难，计量人员难以掌握黑体辐射源发射率的变化。黑体辐射源溯源时，上一级计量单位出具的校准证书会给出黑体辐射源8μm～14μm的亮度温度校准结果。常见的红外额温计工作波段均在8μm～14μm，因此黑体辐射源在这一波段进行有效亮度温度校准，可满足红外额温计校准的需要。用于相近波段的校准，也可以基本上消除发射率不确定性的影响。
此外，黑体辐射源作为标准设备可能存在控温复现性的问题，下面举例说明。黑体辐射源溯源证书上给出控温显示37.00℃时对应的8μm～14μm亮度温度为37.01℃，即测点温差为0.01℃。计量人员在校准过程中，待黑体辐射源稳定在37.00℃时，默认测点温差为溯源得到的0.01℃。而此时，测点温差可能发生了变化，其原因有多方面：接触式标准温度计测点与腔底辐射面的相对应关系及传热特性，温度计的插入深度，温度计与测温孔的热接触热性，热胀冷缩效应导致的内部结构的不可逆变化，震动或运输的影响[2]。因此，采用黑体辐射源整体校准的方式溯源，应特别关注控温复现性，例如可以对黑体辐射源内置的控温温度计进行定期核查。
3.2 黑体空腔和恒温槽配套作为标准设备
黑体空腔和恒温槽配套使用时，主标准器是用于控温的标准铂电阻温度计。通过标准铂电阻温度计进行溯源，黑体空腔发射率和腔口直径满足要求即可，无需进行溯源，避免了运输过程中的震动。黑体空腔置于液体恒温槽中，恒温槽性能较好时，均匀性和波动性较理想，理论上受环境温度变化的影响也更小。
将标准铂电阻温度计作为主标准器存在一些需要关注的问题。标准铂电阻温度计测量得到的是液体恒温槽的温度，约等于黑体空腔的实际温度（恒温槽均匀性较好的情况下）。这种情况下无法得到黑体空腔在8μm～14μm的亮度温度，黑体空腔发射率偏离1引起的测量误差难以得到。因此，笔者推荐实验室配备一台有效波段在8μm～14μm的高精密辐射温度计，对黑体空腔的亮度温度进行定期核查。在对校准装置进行不确定度评定时，应全面考虑铂电阻温度计、恒温槽、黑体腔、电测仪表的影响。
基于以上分析，建议JJF1107—2003修订时增加黑体空腔和恒温槽配套的方式作为标准设备。
本文分别用理论计算和试验分析的方法研究了环境温度、测量距离和标准装置对红外额温计测量准确性的影响。研究结论为额温计的生产商、计量人员和使用者提供了一些值得参考的建议，也给相关校准规范的修订提供了一些思路。
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