摘 要：耳温计检定校准用黑体辐射源是耳温计检定和校准的计量标准器，黑体空腔的有效发射率是其关键特性。介绍耳温计检定规程推荐黑体空腔的发射率特性，并与两种国际标准推荐的耳温计黑体空腔进行了亮度温度比对实验。在数据分析基础上，给出对三个耳温计黑体空腔的评价。
关键词：耳温计 黑体空腔 有效发射率 亮度温度 比对
Blackbody Cavity Effective Emissivity Comparison and Brightness Temperature Comparison Experiment for Ear Thermometer Verification and Calibration
YANG Xue BAI Chengyu WANG Jinghui YUAN Zundong
National Institute of Metrology;
Abstract：The effective emissivity of the blackbody cavity is a key characteristic of the blackbody radiation source for ear thermometer calibration and verification. The emissivity characteristics of the blackbody cavity recommended by the ear thermometer calibration protocol are presented, and brightness temperature comparison experiments are conducted with the blackbody cavities of two international standards recommended for ear thermometers. Based on the data analysis, an evaluation of the three ear thermometer blackbody cavities is given.
Keyword：ear thermometer; blackbody cavity; effective emissivity; brightness temperature; comparison;
0 引言
近年来越来越多的红外耳温计（以下简称耳温计）被医疗机构和家庭用于人体体温测量。通常3～5秒就能完成一次测量，时间短、效率高是耳温计的突出优点。耳温计的工作原理是通过测量耳道与鼓膜形成高发射率腔体结构的热辐射来测定耳道温度。部分耳温计产品还采用人体温度分布模型，将测量结果转化为口腔温度、直肠温度、腋下温度或核心温度。要确保耳温计正确测量体温，除了需要正确操作仪器外，还需要通过耳温计检定校准用黑体辐射源对其进行可靠的出厂分度和周期检定，从而保证耳温计作为测温仪器的测量结果准确。
根据使用目的和应用场合不同，耳温计黑体辐射源的黑体空腔设计呈现出多样性。为了适合宽环境温度下产品检测需要和追求较小的量值复现不确定度，用于耳温计产品全性能测试的耳温计检定校准用黑体均采用液槽黑体的设计方案。该装置通常由黑体空腔、恒温液槽和标准铂电阻温度计组成。装置量值通过标准铂电阻温度计进行溯源，这样黑体空腔的辐射特性对整套装置的量值复现水平具有直接影响，而且这种影响是系统性的。
国际标准ASTM E1965-98(2006)[1]、EN 12470-5Final (E) 2003[2]和日本国家标准JIS T4207-2005 (EN)[3]给出耳温计检定校准用黑体空腔设计。已经颁布实施的JJG 1164-2019《红外耳温计检定规程》[4]中也公布了推荐的耳温计检定校准用黑体空腔尺寸及工艺要求。ASTM和EN标准推荐腔型被部分耳温计制造企业和校准技术机构采用，JJG 1164-2019推荐腔型已经在技术机构应用于耳温计产品的型式评价、产品检测、检定和校准性能测试。为比较NIM G2空腔、ASTM空腔和EN空腔辐射特性差异，在几种典型涂层发射率条件下计算了这三种黑体空腔的有效发射率，并对具有相同涂层的三种黑体空腔开展了量值比对实验。由于对空腔发射率的直接测量水平不理想，采用亮度温度比对方法对NIM空腔、ASTM空腔和EN空腔辐射特性差异进行比较。
1 三种耳温计检定校准用黑体空腔的结构设计简介
NIM、ASTM和EN耳温计检定校准用黑体空腔结构分别如图1、图2和图3所示。从外形看，NIM G2空腔的整体尺寸介于ASTM和EN之间。空腔底部圆锥顶角角度（120°）相较于ASTM空腔的36.4°和EN空腔的30°斜切角更容易加工。
2 NIM G2耳温计检定校准用黑体空腔发射率计算
NIM G2耳温计检定校准用黑体辐射源空腔为轴对称圆柱双圆锥形空腔设计，如图1所示。耳温计检定校准时，将黑体空腔口作为测量目标。不同于大多数工业辐射温度计，耳温计的测量辐射的接收角很大，因此评价耳温计检定校准用黑体的发射率时应采用黑体腔口中心的法向出射角ω内的平均有效发射率，如图4所示。
由于黑体腔置于温度均匀性良好的恒温槽内，可将其视为等温空腔。使用STEEP3发射率计算软件，计算内壁面发射率分别设为0.965、0.94（一般高发射率黑漆）和0.92（一般黑漆），漫射率为1时耳温计检定校准用黑体空腔的发射率。耳温计检定校准用黑体辐射源空腔100°以内出射角的有效发射率均优于0.999，可满足耳温计检定和校准的需要。其中，腔口法向两侧100°出射夹角内的有效发射率计算结果如表1所示。
表1 耳温计检定校准用黑体辐射源空腔规格参数
3 三种耳温计检定校准用黑体空腔的比对实验
3.1 实验装置组成
1）被测黑体空腔
采用3个不同标准的耳温计检定校准用黑体空腔的代号分别为NIM G2、ASTM和EN，三个黑体空腔采用同种腔体材料、相同表面处理工艺、同牌号漆和喷漆工艺制作。黑漆发射率为0.965。
2）恒温和测温设备
三个黑体空腔均垂直安装在恒温液槽内，腔体工作部分全部处于恒温液槽工作区域。比对不同黑体空腔时分别采用同型号恒温液槽。使用的恒温液槽型号是Aikom TL-1010N。其中NIM装置使用1#液槽，ASTM装置和EN装置使用2#液槽。
配套使用一等标准铂电阻温度计和同一台FLUKE电测仪表1594A配合组成不同的耳温计检定装置，以尽可能减少实验装置对空腔比对结果的影响。其中NIM装置使用1#一等标准铂电阻温度计，ASTM装置和EN装置使用2#一等标准铂电阻温度计。
3）亮度温度比较器
使用不同厂家的三个型号耳温计各两只，作为亮度温度比较器，其在亮度温度比较实验中采用的测试模式下的显示分辨力为0.01℃。
3.2 实验过程
实验室环境温度在23.0℃±0.5℃时进行比对测试实验。
实验时使用耳温计检定校准用黑体空腔NIM G2与恒温液槽1#及一等标准铂电阻温度计1#组成NIM装置。黑体空腔ASTM与恒温液槽2#及一等标准铂电阻温度计2#组成ASTM装置。两套装置中一等铂电阻温度计示值由同一台电测仪表测得，使用耳温计作为亮度温度比较器对NIM装置和ASTM装置在35.5℃、37.0℃、41.5℃进行实验，每只耳温计在每套装置上各进行10次黑体空腔亮度温度测量读数，每个工作日完成1次比对测试。两个工作日完成NIM与ASTM黑体空腔的亮度温度比对测试实验。
完成ASTM装置比对实验后，用黑体空腔EN12470替换装置中的ASTM空腔，重复上述过程，形成NIM与EN黑体空腔的比对测试。
3.3 比对测试结果
在恒温液槽内测试实验中使用的两支标准铂电阻温度计的差异，如表2所示。两支温度标准器的量值差异不超过0.002℃。由于差异很小，在比对实验数据处理中忽略该差异的影响，未进行修正。
表2 标准铂电阻温度计示值比较（单位：℃）
比对实验中采用的恒温液槽控温稳定性和温场均匀性性能相当，均匀性测试在液面下2～30 cm区域内，37.000℃时均不超过0.010℃。
图5反映了3个不同型号的6只耳温计亮度温度比较器在测试模式下连续多次测量时示值的变化情况。由图5可知，连续测量时最大值与最小值之差为0.06℃。
图5 测试模式下耳温计测量重复性
表3为亮度温度比对实验的结果。由于是亮度温度比较，数据处理时不需作黑体空腔发射率偏离1的修正。
表3 亮度温度比对结果（单位：℃）
4 结论
表3中“亮度温度差1 (ASTM-NIM）”反映了ASTM空腔与NIM G2空腔复现亮度差异。从数值上看，两个空腔复现亮度温度一致。在相同工艺条件下，NIM G2空腔与ASTM空腔等效。耳温计检定中，采用ASTM空腔和NIM G2空腔不会产生明显差异。
对比图1、图2、图3中提供的空腔结构可以看出，NIM G2空腔的整体尺寸较ASTM小，空腔底部圆锥顶角角度（120°）相对于ASTM空腔的36.4°更容易加工。与ASTM空腔相比，材料成本低和加工难度小是NIM G2空腔的优点。
表3中“亮度温度差2 (EN-NIM）”反映了EN空腔与NIM G2空腔复现亮度差异。在三个温度点，EN空腔复现量值均偏低0.01℃。当环境温度为23℃，黑体目标为35.5℃、37℃和41.5℃，0.01℃亮度温度差异对应黑体有效发射率差异约为0.001。对于耳温计校准通常所需的0.04℃～0.07℃的扩展不确定度而言是应该引起关注的。为使EN空腔发射率符合JJG1164要求，在内壁处理和内壁涂层材料选择上应特别慎重。
[1]ASTM. Standard Specification for Infrared Thermometers for Intermittent Determination of Patient Temperature:ASTM Standards E 1965-98[S].West Conshohocken, PA:ASTM, 1998.
[2]European Committee for Standardization. Clinical Thermometers—Part 5:Performance of Infra-Red Ear Thermometers(with Maximum Device):EN 12470-5:2003[S].CEN, Brussels, 2003.
[3]Japanese Industrial Standard Infrared Ear Thermometers:JIS T4207[S].Tokyo, 2005.
[4]国家技术监督局.红外耳温计检定规程:JJG1164-2019[S].北京:中国质检出版社, 2019.
[5]国家技术监督局.工作用辐射温度计检定规程:JJG856-2015[S].北京:中国质检出版社, 2015.
[6]Kim G J, Yoo Y S, Kim B H, et al. A small-size transfer blackbody cavity for calibration of infrared ear thermometers[J].Physiological Measurement, 2014, 35(5):753.
[7]S F Tsai. Comparison Measurements of Infrared Ear Thermometers Against Three Types of Blackbody Sources[J].International Journal of Thermophysics,2010,31:8-9.
[8]Punik I, Clausen S, Favreau J O, et al. Comparison of Blackbodies for Calibration of Infrared Ear Thermometers[J].International Journal of Thermophysics, 2011, 32(1-2):127-138.
[9]柏成玉,原遵东,王铁军.红外耳温计的校准[J].计量技术,2007(4):46-49.
[10]杨方英,刘丽华.红外耳温计的临床应用观察[J].护理研究,2002, 16(1):8-9.
[11]邹轶,柏成玉,曾麟,等.环温对红外耳温计校准的影响实验[J].计量技术, 2019(1):52-54.
[12]周四清,吴双双,张莉群,等.人体红外温度计校准装置设计与验证[J].中国计量, 2016(12):71-72.