CN103677011B - 一种适用于真空条件下面源黑体宽温度范围控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于真空条件下面源黑体宽温度范围控制系统。本系统包括温度控制仪表、程控电源、温度传感器、制冷装置、加热片和面源黑体辐射源；其中，所述加热片、所述温度控制仪表分别设置于所述面源黑体辐射源上，所述温度控制仪表的第一路控制信号输出端经所述程控电源与所述加热片连接，所述温度控制仪表的第二路控制信号输出端与所述制冷装置的控制端连接，所述制冷装置与所述面源黑体辐射源连接；所述温度传感器所述温度控制仪表的信号输入端连接。本系统可以有效的提高面源黑体的温度控制范围，特别是制冷方式，能够使得面源黑体控制温度下限达到190K，能逼真的模拟真空低温红外辐射标准源。

Description

一种适用于真空条件下面源黑体宽温度范围控制系统

技术领域

本发明属于星载红外成像器性能标定设备领域，涉及一种适用于真空条件下面源黑体宽温度范围控制系统，该系统可以有效的提高面源黑体的温度控制范围，特别是制冷方式，能够使得面源黑体控制温度下限达到190K，能逼真的模拟真空低温红外辐射标准源。

背景技术

空间飞行器上携带的红外遥感探测器发回来的遥感数据，是经遥感器光电转换之后形成的电信号，为了将电信号反演成物体的辐射量，就需要在卫星发射之前进行红外通道的标定。标定精度的高低，直接影响到反演的精度，所以红外探测器在研制过程中都必须进行红外辐射定标试验。用于红外定标的红外辐射定标设备由真空容器、热沉、标准面源黑体、深冷黑体、数据采集系统等组成。其中红外辐射定标的关键部件是定标黑体。标准面源黑体需放置在真空舱内。由于面源黑体处于真空环境下，缺少大气热交换与热传导，导致系统阻尼系数较小，系统波动较大、难于控制、控温范围较窄。

工作在真空低温环境下的黑体是卫星遥感器红外辐射定标的标准辐射源，黑体控温系统是一种非线性、大滞后、数学模型很难建立的控制系统。为了提高控温范围，申请号：201010523060.3的专利申请提供了一种真空低温黑体控温系统，在升温初期，对黑体腔和保护腔分别采用不同的模糊控制算法，在升温后期，停止对黑体腔的加热，只对保护腔采用智能PID控制算法，通过两个腔体间的辐射换热维持黑体腔的稳定。通过大气和真空低温环境的多次调试，完善了模糊控制规则。

申请号：201020156086.4的专利申请提供了一种低温大面源黑体辐射源，包括辐射体,辐射体与辐射体框架之间的固定端通过绝热装置隔热，在辐射体的背面设有辐射体后盖；辐射体的辐射面表面经发黑和喷涂黑漆处理，铜辫通过压板设于辐射体的两侧，在辐射体的背后开有槽沟，在辐射体内的中心位置设有铂电阻，在辐射体内设有十三对热电偶，铂电阻与热电偶连接用以加热辐射体的加热控温测温电路，辐射体包括铝基体，在铝基体的表面形成有相间的黑体辐射腔。

现有的温度控制系统虽然提高了面源黑体的温度范围和精度，但是其系统结构复杂，而且均不能满足当前宽温度控制范围的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于真空条件下面源黑体宽温度范围控制系统。该系统可以在快速的控制真空面源黑体辐射温度的前提下，有效的拓展面源黑体的温度控制范围。该系统设计方法不但控制精度高，稳定性快而且结构设计简单。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于真空条件下面源黑体宽温度范围控制系统，其特征在于包括温度控制仪表、程控电源、温度传感器、制冷装置、加热片和面源黑体辐射源；其中，所述加热片、所述温度控制仪表分别设置于所述面源黑体辐射源上，所述温度控制仪表的第一路控制信号输出端经所述程控电源与所述加热片连接，所述温度控制仪表的第二路控制信号输出端与所述制冷装置的控制端连接，所述制冷装置与所述面源黑体辐射源连接；所述温度传感器所述温度控制仪表的信号输入端连接。

进一步的，所述制冷装置为一具有低温液氮电磁阀的加压液氮系统；所述面源黑体辐射源上设有液氮输入输出端口；所述温度控制仪表的第二路控制信号输出端与所述低温液氮电磁阀的开度控制端连接；所述加压液氮系统的液氮输入输出端与所述面源黑体辐射源的液氮输入输出端口连接。

进一步的，所述温度控制仪表的第一路控制信号为电压控制信号；所述第二路控制信号为电流控制信号。

进一步的，所述温度传感器固定安装在所述面源黑体辐射源的内部，通过一传感器三线制导线与所述温度控制仪表的信号输入端连接。

进一步的，所述面源黑体辐射源设有多个辅助加热区和一主加热区；所述辅助加热区位于所述面源黑体辐射源的边缘，每一辅助加热区设有一加热片，所述主加热区位于所述辅助加热区所围成的面源黑体辐射源中心区域，设有一加热片。

进一步的，所述程控电源的电压输出端通过航空插头与所述加热片连接。

进一步的，所述加热片为阻性加热片。

进一步的，所述温度传感器为PT100温度传感器。

一种适用于真空条件下面源黑体宽温度范围控制系统，该系统主要包括：温度控制仪表、温度传感器（比如PT100传感器）、程控电源、阻性加热片、低温液氮电磁阀、加压液氮系统以及面源黑体辐射源等部分。

所述PT100温度传感器测温温度范围为160K～500K，测量精度为0.05K。

所述PT100温度传感器将真空面源黑体的表面温度实时变送到温度控制仪表，通过温度控制仪表修正补偿后实时显示，采集到的温度值与温度控制仪表设定值作比较，将得到的差值在不同的温度点上作多段PID控制技术，得到两路输出。

所述温度控制仪表具有两路输出，第一路控制输出信号为0V～10V，第二路输出信号为4mA～20mA。

所述温度控制仪表的第一路输出控制程控电源的的输出电压，其输出电压根据控制信号的大小线性变化。通过航空插头将程控电源电压引入到面源黑体辐射源的加热片上，因此，加热片的输出功率就可随温度控制仪表的输出而变化改变。

所述阻性加热片的额定电流为5A，额定电阻为29Ω，可根据最大输入电压为120V。

所述温度控制仪表的第二路输出控制低温液氮电磁阀的开度，液氮的流量根据低温电磁阀的开度线性输出，液氮进入面源黑体以后，将面源黑体表面的热量带走。通过不断地控制运算，温度控制仪表的两路输出不断地变化，当面源黑体的加热总功率等于面源黑体的单位时间内能变化、系统的散热以及热辐射的总和时，系统达到热平衡，最终系统稳定。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明适用于真空条件下对面源黑体宽温度进行控制，可使面源黑体在满足均匀性的要求下，拓展面源黑体的温度控制范围。采用液氮制冷，可有效的延伸面源黑体温度控制下限。缩短控制稳定时间。同时通过程控电源驱动阻性加热片加热，可以有效的提高面源黑体温度控制上限。在研制黑体辐射源时，其主体材料都是采用适用于真空条件下的宽温有机材料与不锈钢材料。

本系统通过PT100传感器实时采集辐射面温度，将其传送给高精度温度控制仪表，与设定温度进行比较，温度控制仪表采用PID控制技术，通过两路输出分别控制制冷和加热功率，实现系统的精确闭环控制，本系统在真空环境条件下温度控制范围达到200K～480K；通过使用液氮制冷方式，可以使得系统温度下限达到190K，比帕尔贴电制冷方式温度下限要低，而且，大大的缩短了制冷时间；同时采用特殊布局的阻性加热片方式加热，首先在整个黑体辐射源表面排布一层主加热片，主加热片通过高温胶与辐射面紧密接触，用于黑体的整体区域加热。由于面源黑体辐射源四周边角热传导以及热辐射大于中心区域，为了克服这种边角效应，在黑体辐射源的左上、右上、左侧、右侧、左下、右下六个区域增加相应的辅助加热系统，用于弥补黑体边角的热损耗。这样可以使得面源黑体在满足整体均匀性的前提下，将温度控制系统的温度上限达到500K以上，较其他加热方式，具有加热功率大、易于控制、便于安装等特点，适合于真空环境下温度控制。

本系统有效的弥补面源黑体的边缘能量损失，提高了面源黑体稳定性，大大满足了测试要求，提升了整个系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通的技术人员来讲，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供的适用于真空条件下面源黑体宽控温范围的系统设计图；亦为本发明的最佳实施例，亦可作说明书摘要附图。

图2为本发明实施例所提供的低温传感器工装图；

图3为本发明实施例所提供的程控电源控制输入与输出关系图；

图4为本发明实施例所提供的电磁阀控制输入与输出关系图。

图5为本发明实施例所提供的阻性加热片布局方式。

其中，1.温度控制仪表，2.低温液氮电磁阀，3.程控电源，4.PT100传感器，5阻性加热片，6.加压液氮系统，7.面源黑体辐射源，21.传感器三线制导线，22.传感器安装标准螺纹，23.温度传感器测温外壳，51～56.辅助加热区，57.主加热区。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供的系统设计图，图1中包括：1.温度控制仪表，2.低温液氮电磁阀，3.程控电源，4.PT100传感器，5阻性加热片，6.加压液氮系统，7.面源黑体辐射源。其中：

PT100传感器4将测得面源黑体7的温度变送到温度控制仪表1中，经修正补偿后，与温度设定值进行运算，最终得到控制输出信号。

温度控制仪表1具有一路输入，两路输出，第一路输出控制信号为：0V-10V，另一路控制信号输出为4mA-20mA，第一路输出控制程控电源3的输出电压，第二路控制低温液氮电磁阀2的开度。

温度控制仪表1的第一路输出控制程控电源3的输出电压，其输出电压根据控制信号的大小线性变化。通过航空插头将程控电源电压引入到面源黑体辐射源的阻性加热片5上，因此阻性加热片5的输出功率就可随温度控制仪表1的输出而变化改变。

温度控制仪表1的第二路输出控制低温液氮电磁阀2的开度，液氮的流量根据低温电磁阀2的开度线性输出，液氮进入面源黑体7以后，将面源黑体表面的热量带走。通过不断地控制运算，温度控制仪表的两路输出不断地变化，当面源黑体的加热总功率等于面源黑体的单位时间内能变化、系统的散热以及热辐射的总和时，系统达到热平衡，最总系统稳定。

图2为本发明所采用的PT100温度传感器结构封装，主要包括：21.传感器三线制导线，22.传感器安装标准螺纹，23.温度传感器测温外壳。温度传感器通过标准安装螺纹22固定在真空面源黑体内部。传感器通过三线制导线21将PT100阻值信号变送传递给温度控制仪表。温度传感器外壳23通过热传导PT100的阻值信号发生变化。

图3为本发明所采用的程控电源输出电压随控制电压的变化关系，当温度控制仪表的输出电压为0V时，程控电源无输出电压，当随着温度控制仪表的输出增加，程控电源的电压线性增加。当温度控制仪表的第一路输出电压达到最大值10V时，程控电源的输出电压也达到最大值120V。

图4为本发明所采用的液氮电磁阀开度随温度控制仪表的输出控制电流的变化关系，当温度控制仪表的输出电流为4mA时，液氮电磁阀关闭，当随着温度控制仪表的输出增加，液氮电磁阀线性打开。当温度控制仪表的第二路输出电流达到最大值20mA时，液氮电磁阀完全打开。

图5为本发明阻性加热片的布局方式，51～56为辅助加热区，每一辅助加热区设有一阻性加热片，与程控电源连接，弥补真空面源黑体的边角热损失效益，57为主加热区，设有一阻性加热片，与程控电源连接，主要为面源黑体本体整体加热，加热片布满整个面源黑体辐射源表面。辅助加热区实际上是在主加热片的基础上再增加了六个辅助加热片，可以有效的提高面源黑体辐射源的边角加热功率，弥补了面源黑体的边角热损失。

Claims (6)

1.一种适用于真空条件下面源黑体宽温度范围控制系统，其特征在于包括温度控制仪表、程控电源、温度传感器、制冷装置、加热片和面源黑体辐射源；其中，所述加热片、所述温度控制仪表分别设置于所述面源黑体辐射源上，所述温度控制仪表的第一路控制信号输出端经所述程控电源与所述加热片连接，所述温度控制仪表的第二路控制信号输出端与所述制冷装置的控制端连接，所述制冷装置与所述面源黑体辐射源连接；所述温度传感器与所述温度控制仪表的信号输入端连接；所述面源黑体辐射源设有多个辅助加热区和一主加热区；所述辅助加热区位于所述面源黑体辐射源的边缘，每一辅助加热区设有一加热片，所述主加热区位于所述辅助加热区所围成的面源黑体辐射源中心区域，设有一加热片；所述制冷装置为一具有低温液氮电磁阀的加压液氮系统；所述面源黑体辐射源上设有液氮输入输出端口；所述温度控制仪表的第二路控制信号输出端与所述低温液氮电磁阀的开度控制端连接；所述加压液氮系统的液氮输入输出端与所述面源黑体辐射源的液氮输入输出端口连接。

2.如权利要求1所述的面源黑体宽温度范围控制系统，其特征在于所述温度控制仪表的第一路控制信号为电压控制信号；所述第二路控制信号为电流控制信号。

3.如权利要求1所述的面源黑体宽温度范围控制系统，其特征在于所述温度传感器固定安装在所述面源黑体辐射源的内部，通过一传感器三线制导线与所述温度控制仪表的信号输入端连接。

4.如权利要求1所述的面源黑体宽温度范围控制系统，其特征在于所述程控电源的电压输出端通过航空插头与所述加热片连接。

5.如权利要求1所述的面源黑体宽温度范围控制系统，其特征在于所述加热片为阻性加热片。

6.如权利要求1所述的面源黑体宽温度范围控制系统，其特征在于所述温度传感器为PT100温度传感器。