CN105865632A - 基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,包括黑体空腔,在黑体空腔一端设有均温块,均温块内中心位置设有温度传感器,在黑体空腔外均温块表面紧贴有半导体片,半导体片表面紧贴设有散热系统,在黑体空腔内均温块表面经粗糙处理呈毛面,并进行涂黑处理,在黑体空腔内设有氮气吹扫元件,在黑体空腔外周包裹有保温层,所述的黑体计量炉还包括PCB控温电路,PCB控温电路用于根据温度控制仪表的输出调节控制半导体片加热或制冷。该便携式黑体计量炉为工业现场中低温红外测温仪的准确校准提供了比较稳定的校准源,其方便的可携带性、快速的升、降温速率,可大大提高辐射温度计校准工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种黑体计量炉,尤其涉及一种基于半导体技术的便携式黑体计量炉,该便携式黑体计量炉适用于红外测温仪的校准检测工作。
背景技术
红外测温仪在工业过程控制系统中主要应用于温度实时监测、高温异常情况报警、监视等,尤其在汽车零部件制造、电力消防设备故障报警和药品、食品制造过程工艺温度监控等应用最为广泛。因此,各地方计量院所,工厂计量部门以及校准检测实验室均需要精度高,效率好的黑体计量炉对红外测温仪进行校准检测。
黑体计量炉是校准检测红外测温仪的主要设备。目前,红外辐射测温技术已经开始从传统的中高温测温领域向常温甚至是低温应用领域发展,与之相对应的黑体技术也向低温领域发展,然而国内的公司、高等院校以及研究机构研制的黑体炉要么采用恒温介质,要么在结构上采用球式腔体,这就造成了黑体炉体积庞大、比较笨重,难以运输到现场,无法满足在线式红外测温仪的校准要求;另一方面,体积小、重量轻的进口精密黑体炉易受工业现场的恶劣环境条件的干扰,而升降温时间不够快。因此,开发出一种升降温速度快、测温准确度高、携带方便的黑体计量炉,对于解决工业现场的需求是十分有用的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种升降温速度快、测温准确度高的基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉。
本发明的基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,包括圆筒状的黑体空腔,在黑体空腔一端设有均温块使得圆筒该端封闭,均温块内中心位置设有温度传感器,温度传感器用于将检测的温度反馈至温度控制仪表,在黑体空腔外均温块表面紧贴有半导体片,半导体片表面紧贴设有用于带走半导体片热量的散热系统,在黑体空腔内均温块表面经粗糙处理呈毛面,并采用渗碳发黑法对毛面及腔体内壁进行涂黑处理,在黑体空腔内设有用于向腔体内吹扫氮气以阻隔外部水汽进入的氮气吹扫元件,在黑体空腔外周包裹有保温层,所述的黑体计量炉还包括PCB控温电路,PCB控温电路用于根据温度控制仪表的输出调节控制半导体片加热或制冷。
上述技术方案中,所述的散热系统采用CPU水冷头。
所述的氮气吹扫元件呈筒状,在筒身圆周均匀开有3条通气槽,筒两端外周设有凸缘与黑体空腔腔壁贴合,黑体空腔上开有吹气孔,氮气由吹气孔进入黑体空腔与氮气吹扫元件间的空间由通气槽吹出。
所述的均温块的毛面采用发射率为0.95的漫反射涂层材料进行涂黑处理。
所述的黑体空腔的腔口直径为50-60mm,长度不小于150mm。
所述的温度控制仪表采用18-DS-S-S-0-0-A-00-0-AL-EE型20V-20mA双输出温度控制仪。
所述的PCB温控电路包括电阻R1及R4-R8、光电耦合器U1和U2、CMOS门控电路D1和D2、肖特基二极管D3以及电容C1和C2;PCB接头J2、J5之间为+14VDC供电,接头J7、J5之间为-14VDC供电,接头J1-1连接U2的引脚2,U2的引脚1连接R5的一端,R5的另一端连接接头J1-3,接头J1-4连接U1的引脚2,U1的引脚1连接R4的一端,R4的另一端连接J1-5,U1的引脚4连接R6及R8的一端,U1的引脚5与R7的一端、D1的源极、接头J2以及C1的正极连接,R6的另一端与R1的一端、D3的正极相连,D3的负极连接R7的另一端、D1的栅极以及U2的引脚5,R1的另一端与D2的栅极相连,R8的另一端连接U2的引脚4、D2的源极、接头J7以及C2的负极,D1的漏极、D2的漏极以及接头J4相连,C1的负极、C2的正极与接头J5相连;接头J4、J5连接半导体片,接头J1-1与J1-3连接温度控制仪表的OUT1,接头J1-4与J1-5连接温度控制仪表的OUT2。
本发明的便携式黑体计量炉,集中采用了圆柱形的短型高发射率腔体、半导体技术、抗干扰能力强的PCB控温电路以及氮气吹扫技术,能有效提高红外测温仪校准工作的效率,加快腔体的升降温速率,且可避免黑体炉受工业现场的恶劣环境条件的干扰,此外可防止低温时腔体结霜。
本发明具有的有益效果:
(1)采用可控硅和半导体技术研制获得升降温速度快、便携的黑体计量炉。
目前黑体辐射源主要使用加热丝、硅碳棒等进行加热,由于加热方式的固有特性,导致黑体辐射源偏离理想黑体,温度分布不均匀导致控温的热电阻测得温度不一致,影响辐射温度计的测量结果。
一块半导体片同时作为热源和冷源,相较于水浴或油浴作为温度源的黑体,在重量和体积上具有非常明显的优势。
(2)采用长径比小的短型腔体,采用渗碳发黑法对腔体内部和腔底的均温块进行涂黑加工,获得发射率高的腔体。
该便携式黑体计量炉为工业现场中低温红外测温仪的准确校准提供了比较稳定的校准源,其方便的可携带性、快速的升、降温速率,可大大提高辐射温度计校准工作效率。
附图说明
图1为本发明黑体计量炉的结构示意图;
图2为均温块的结构示意图;
图3为氮气吹扫元件的结构示意图;
图4为PCB控温电路的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示,基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,包括圆筒状的黑体空腔,在黑体空腔一端设有均温块使得圆筒该端封闭,使腔底的温度均匀,有利于提高腔底发射率,均温块内中心位置设有温度传感器(均温块的结构如图2所示),温度传感器用于将检测的温度反馈至温度控制仪表,在黑体空腔外均温块表面紧贴有半导体片,半导体片表面紧贴设有用于带走半导体片热量的散热系统,在黑体空腔内均温块表面经粗糙处理呈毛面,并进行涂黑处理,在黑体空腔内设有用于向腔体内吹扫氮气以阻隔外部水汽进入的氮气吹扫元件,在黑体空腔外周包裹有保温层,所述的黑体计量炉还包括PCB控温电路,PCB控温电路用于根据温度控制仪表的输出调节控制半导体片加热或制冷。
上述技术方案中,所述的散热系统采用CPU水冷头。选用半导体片作为加热/制冷源,可达到腔体快速升降温的目的。半导体片制冷时,需及时将背面的热量散去才能保证腔体持续制冷,故选用CPU水冷头贴于半导体背面,通过防冻液循环快速带走多余的热量,达到快速降温的目的。
如图3所示,所述的氮气吹扫元件呈筒状,在筒身圆周均匀开有3条通气槽,通气槽与筒端面呈30°角,筒两端外周设有凸缘与黑体空腔腔壁贴合,黑体空腔上开有吹气孔,氮气由吹气孔进入黑体空腔与氮气吹扫元件间的空间由通气槽吹出,从而形成氮气的气帘,当黑体的设定温度低于室温时,可以防止空气中的水蒸气在腔体内结霜凝露。
所述的均温块的毛面采用发射率为0.95的漫反射涂层材料进行涂黑处理。均温块材质可选用导热性能优越的无氧铜的均温块。均温块内部可插入两支直径为3mm的小型A级铂电阻,其中一支铂电阻连接控温仪表进行温度测量,另一支作为备用。
所述的黑体空腔的腔口直径为50-60mm,长度不小于150mm。可以选用腔长为150mm的耐高温塑料圆柱形腔体根据调查统计,辐射温度计校准实验室中600℃以下的中低温黑体辐射源的腔口尺寸一般在(30~60)mm。实际校准中,当测量目标直径小于30mm时,一般无法准确得到校准结果。根据有关规程的要求,腔底(或腔口)的面积要大于测量目标的1.25倍,为了满足大部分红外辐射温度计对靶面大小和视场角要求,黑体空腔的腔口尺寸设计为50-60mm。黑体空腔的发射率ε是评价其性能的核心指标,经理论计算及实验验证,采用本发明的圆筒状黑体空腔发射率指标符合要求(即发射率大于0.995)。
所述的温度控制仪表采用18-DS-S-S-0-0-A-00-0-AL-EE型20V-20mA双输出温度控制仪。
所述的PCB温控电路分加热制冷输出两路,根据控温仪表的输出调节输出给半导体片的电功率大小和电流方向,从而控制半导体片加热或制冷,以及相应的加热/制冷功率。以达到温度过冲小,快速稳定在设定温度点上的目的。
如图4所示,PCB温控电路具体包括:电阻R1及R4-R8、光电耦合器U1和U2、CMOS门控电路D1和D2、肖特基二极管D3以及电容C1和C2;PCB接头J2、J5之间为+14VDC供电,接头J7、J5之间为-14VDC供电,接头J1-1连接U2的引脚2,U2的引脚1连接R5的一端,R5的另一端连接接头J1-3,接头J1-4连接U1的引脚2,U1的引脚1连接R4的一端,R4的另一端连接J1-5,U1的引脚4连接R6及R8的一端,U1的引脚5与R7的一端、D1的源极、接头J2以及C1的正极连接,R6的另一端与R1的一端、D3的正极相连,D3的负极连接R7的另一端、D1的栅极以及U2的引脚5,R1的另一端与D2的栅极相连,R8的另一端连接U2的引脚4、D2的源极、接头J7以及C2的负极,D1的漏极、D2的漏极以及接头J4相连,C1的负极、C2的正极与接头J5相连;接头J4、J5连接半导体片,接头J1-1与J1-3连接温度控制仪表的OUT1,接头J1-4与J1-5连接温度控制仪表的OUT2。
变压器通过交流转直流桥路后,分别提供到J2、J5之间+14VDC和J7、J5之间-14V供电,从而实现PCB板28V直流供电。PCB板的可控硅控制电路通过光电耦合器U1、U2隔离变压器交流信号对精密控制仪表输出信号的干扰。当热电阻测量温度低于设定值时,需要进行半导体加热,控制仪表的OUT1输出端输入到J1的J1-4和J1-5之间相应的PWM信号,OUT2无输出,此时光电耦合器U1的发光二极管工作,光电耦合器U2的发光二极管截止,可控硅控制系统的CMOS门控电路D2导通,CMOS门控电路D1截止,半导体输入端J4和J2同向,故实现半导体正向加热。随着温度的升高,热电阻测量温度超过黑体设定值,控制仪表的OUT2输出端输入到J1的J1-1和J1-3之间的相应的PWM信号,OUT1无输出,此时光电耦合器U1的发光二极管截止,光电耦合器U2的发光二极管工作,可控硅控制系统的CMOS门控电路D2截止,CMOS门控电路D1导通,半导体输入端J4和J7同向,实现半导体的反向制冷。在可控硅控制电路中增加了肖特基二极管D3,避免高精度温度控制器实现对CMOS电路的触发中,由于外界干扰和控制仪表的两个输出端全部输出为高电平,导致光电耦合器U1、U2的发光二极管都工作,可控硅控制电路的CMOS门控电路D1、D2全部导通,造成CMOS大电流直接击穿。经过试验增加肖特基二极管和电阻,实现在环境干扰脉冲或控制仪表的两个输出端全部输出为高电平时,半导体工作在加热状态,可以完全避免CMOS击穿问题,实现半导体加热制冷可靠的工作。
本发明黑体计量炉的技术性能指标为:
(1)腔口尺寸:黑体计量炉的腔口直径为50-60mm;
(2)温度测量范围:(-20~+150)℃,连续可调;
(3)测温与控温精度:优于±0.2℃;
(4)温度稳定性:0.2℃/8小时;
(5)温度均匀性:优于±0.2℃;
(6)腔体发射率:优于0.99;
(7)升温与降温速率:升温速率优于13℃/min,降温速率优于18℃/min。
(8)外形尺寸为:L*W*H(300*274*165)mm,轻便可携带。
Claims (7)
1.基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,其特征在于,包括圆筒状的黑体空腔,在黑体空腔一端设有均温块使得圆筒该端封闭,均温块内中心位置设有温度传感器,温度传感器用于将检测的温度反馈至温度控制仪表,在黑体空腔外均温块表面紧贴有半导体片,半导体片表面紧贴设有用于带走半导体片热量的散热系统,在黑体空腔内均温块表面经粗糙处理呈毛面,并采用渗碳发黑法对毛面及腔体内壁进行涂黑处理,在黑体空腔内设有用于向腔体内吹扫氮气以阻隔外部水汽进入的氮气吹扫元件,在黑体空腔外周包裹有保温层,所述的黑体计量炉还包括PCB控温电路,PCB控温电路用于根据温度控制仪表的输出调节控制半导体片加热或制冷。
2.根据权利要求1所述的基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,其特征在于,所述的散热系统采用CPU水冷头。
3.根据权利要求1所述的基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,其特征在于,所述的氮气吹扫元件呈筒状,在筒身圆周均匀开有3条通气槽,筒两端外周设有凸缘与黑体空腔腔壁贴合,黑体空腔上开有吹气孔,氮气由吹气孔进入黑体空腔与氮气吹扫元件间的空间由通气槽吹出。
4.根据权利要求1所述的基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,其特征在于,所述的均温块的毛面采用发射率为0.95的漫反射涂层材料进行涂黑处理。
5.根据权利要求1所述的基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,其特征在于,所述的黑体空腔的腔口直径为50-60mm,长度不小于150mm。
6.根据权利要求1所述的基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,其特征在于,所述的温度控制仪表采用18-DS-S-S-0-0-A-00-0-AL-EE型20V-20mA双输出温度控制仪。
7.根据权利要求5所述的基于半导体和微型水冷散热技术的便携式黑体计量炉,其特征在于,所述的PCB温控电路包括电阻R1及R4-R8、光电耦合器U1和U2、CMOS门控电路D1和D2、肖特基二极管D3以及电容C1和C2;PCB接头J2、J5之间为+14VDC供电,接头J7、J5之间为-14VDC供电,接头J1-1连接U2的引脚2,U2的引脚1连接R5的一端,R5的另一端连接接头J1-3,接头J1-4连接U1的引脚2,U1的引脚1连接R4的一端,R4的另一端连接J1-5,U1的引脚4连接R6及R8的一端,U1的引脚5与R7的一端、D1的源极、接头J2以及C1的正极连接,R6的另一端与R1的一端、D3的正极相连,D3的负极连接R7的另一端、D1的栅极以及U2的引脚5,R1的另一端与D2的栅极相连,R8的另一端连接U2的引脚4、D2的源极、接头J7以及C2的负极,D1的漏极、D2的漏极以及接头J4相连,C1的负极、C2的正极与接头J5相连;接头J4、J5连接半导体片,接头J1-1与J1-3连接温度控制仪表的OUT1,接头J1-4与J1-5连接温度控制仪表的OUT2。
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