CN106331440B - 改进的防爆热成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热成像系统。热成像系统包括防爆壳体，具有被构造成抑制爆炸压力的光学窗口。光学窗口允许电磁热能通过。热成像传感器被设置在防爆壳体中。热成像电子器件联接到热成像传感器，并且被构造成基于来自热成像传感器的信号提供至少一个热图像。透镜组件至少在防爆壳体外部被设置在光学窗口前方。还提供了一种用于热成像的复合光学窗口。在另一实施例中，热成像系统包括防爆壳体，所述防爆壳体具有被构造成抑制爆炸压力的光学窗口。红外(IR)照相机被设置在防爆壳体中。反射器向IR照相机反射电磁热能，但是防止物体撞击光学窗口。

Description

改进的防爆热成像系统

背景技术

类似于标准照相机使用可见光形成图像的方法，红外照相机通常使用红外辐射形成图像。然而，红外照相机通常地以诸如14,000纳米等的更长波长的照明操作。红外照相机在提供对存在于像场中的热的非接触指示的多个应用中是非常有用的。此外，在一些环境中，红外照相机可以被校准，使得对表面温度的指示可以直接地从由红外照相机提供的图像直接地得到。

红外照相机在其中特别有用的一种环境是在过程控制和监控中。在该环境中，过程流体，诸如石油化学产品、浆料、药类化合物等，可以被处理和传送到处理设备中的多个位置。然而，过程控制和监控环境在以下方面对多种装置提出挑战，即环境自身可能具有在其中存在的非常易燃的或易爆的气体。因此，在一些这样的环境中，对于在其中使用的电子装置，重要的是被容纳在防爆箱中。当被如此容纳时，即使装置的电路生成火花或包括具有足够高以点燃环境的表面温度的电力部件，所导致的点火将被完全地容纳在箱中，并且不能够泄露进入周边环境中。这是重要的，以确保在其中的过程控制设备和工作人员的安全。

防爆等级的一个示例是根据用于潜在爆炸性环境的Ex-d标准EN60079-0和EN60079-1的ATEX认证。通常地，防爆壳体是较为笨重的，以使得机械坚固足以容纳内部爆炸没有破裂。通常地，该防爆容器是非常坚固的金属箱，所述金属箱被设计成经受爆炸压力。然而，对于诸如依靠对环境的光学感测的红外照相机之类的装置，所述箱必须容纳一些种类的窗口以允许红外照相机观察环境。然而，为了抑制爆炸压力和冲击力的需要，窗口必须是较厚的。不幸地，增加窗口的厚度使得窗口机械坚固足以抑制爆炸压力，将减少窗口的透射率，增加窗口的成本，并且不期望地影响辐射温度测量值。

发明内容

提供了一种热成像系统。热成像系统包括防爆壳体，具有被构造成抑制爆炸压力的光学窗口。光学窗口允许电磁热能通过。热成像传感器被设置在防爆壳体中。热成像电子器件联接到热成像传感器，并且被构造成基于来自热成像传感器的信号提供至少一个热图像。透镜组件至少在防爆壳体外部被设置在光学窗口前方。还提供了一种用于热成像的复合光学窗口。

在另一实施例中，提供了热成像系统，所述热成像系统具有防爆壳体，所述防爆壳体包括被构造成抑制爆炸压力的光学窗口。光学窗口允许电磁热能穿过。红外(IR)照相机被设置在防爆壳体中。反射器被构造成将电磁热能反射至IR照相机，但是防止物体撞击光学窗口。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的防爆热成像系统的示意图。

图2是根据本发明的实施例的被设置在透镜组件中的IR窗口的示意图。

图3是示出击打聚焦透镜并且通过聚焦透镜的撞击物体的示意图。

图4A是撞击物体撞击硒化锌窗口的示意图。

图4B是根据本发明的实施例的复合IR窗口的示意图。

图5是根据本发明的实施例的在危险环境中操作红外照相机的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例总体上通过在热成像光学器件前改变或提供防爆窗口和/或额外的修改以改进热成像系统。总体而言，热成像照相机的热成像光学器件不被设计成经受需要满足防爆认证的内部压力。例如，用于适当的IR透射材料的破裂系数(MR)是较小的。

本发明的实施例总体提供一种适合于作用为压力屏障的红外窗口。在一些实施例中，红外窗口由硒化锌(ZNSE)形成。尽管用于提供防爆热成像系统的一个可能是仅在具有由诸如ZNSE的IR透射材料形成的较厚IR窗口的坚固壳体中放置常规红外照相机，但是需要的窗口尺寸可以是下述直径，所述直径使得用于抑制爆炸压力的窗口厚度不会影响光学性能。此外，该窗口将是成本过高的。根据本发明的一些实施例，IR窗口被放置在热成像光学器件的至少一个光学元件中或至少放置在热成像光学器件的至少一个光学元件后方。这样，光学元件可以减少必须穿过IR窗口的射线束的尺寸。这样，IR窗口的直径可以被减少，这然后可以允许厚度被减少，同时仍然满足压力和冲击力抑制要求。

图1是根据本发明的实施例的防爆热成像系统的示意图。系统100包括热成像传感器102和联接到传感器102的相关联电子器件104。电子器件104被电联接到连接器106，连接器106穿过壳体108以允许系统100被联接到适当的电源和/或通信源。透镜组件110被设置成接近传感器102，并且被布置成将热辐射聚焦在热成像传感器102上。在图示的实施例中，透镜组件110包括四个不同的透镜112、114、116和118。另外地，防爆窗口120设置在透镜114和116之间。窗口120由诸如ZNSE之类的具有较高红外透射率的材料形成。诸如弹性O型环122等的环境密封件将防爆窗口120密封到透镜组件110的框架。相对于框架124，窗口120的尺寸形成为提供框架淬熄路径(frame-quenching path)126。因为窗口120被设置在透镜组件110中，因此与窗口120被放置在透镜112前方时所需要的直径相比，窗口120的直径更小。通过减少窗口120的直径，窗口120的厚度可以被减少，同时仍然能够满足压力抑制要求。这允许材料成本减少，同时还潜在地提高了整个系统的光学性能。

图2是根据本发明的实施例的被设置在透镜组件110中的窗口120的示意图。热成像电磁辐射在穿过窗口120之前首先穿过第一部分(由附图标记130表示)。第一部分130通常由外部聚焦透镜112和第二聚焦透镜114构成。一旦热成像电磁辐射穿过第二聚焦透镜114，则热成像电磁辐射穿过窗口120，在一个实施例中窗口120由硒化锌形成。然后，热成像电磁辐射穿过聚焦透镜116，聚焦透镜116被布置成用于会聚射线束。离开透镜116的热成像电磁辐射进入聚焦透镜114中，聚焦透镜114进一步地将射线束聚焦在用于获取图像的照相机传感器102上。

为满足相关的防爆认证，装置必须经过某些测试。在一个测试中，一英寸直径的球体以四焦耳的力被撞击至光学器件上。这确保被许可的设计将能够经受至少一些强度的撞击，而不会不适当地影响装置的压力抑制能力。不幸地，(特别是那些由ZNSE形成的)IR窗口特别易于被该撞击测试损坏。

本发明的提供被设置在照相机透镜组件中的IR窗口的实施例从本质上保护IR窗口免于该测试的撞击。在透镜组件中设置IR窗口确保一英寸直径球体的撞击仅影响外部透镜，并且不影响系统的压力抑制能力。

图3是示出击打聚焦透镜112并且通过聚焦透镜112的撞击物体150的示意图。然而，金属护罩152的尺寸形成为使得一英寸直径球体不能到达IR窗口120或甚至透镜114。因而，本发明的至少一些实施例提供改进的防爆热成像系统，其具有设置在透镜112外侧的护罩152，所述透镜112具有小于一英寸的直径。因而在到达和潜在地撞击IR窗口120之前，撞击物体150停止。当撞击物体150与透镜组件接触时，撞击物体150将首先被外部透镜112、114减速，并且最后在撞击IR窗口120之前被透镜框架(护罩152)停止。该装置便于满足防爆等级。一旦被撞击，则外部透镜112被毁坏，并且系统将不再能够产生可用的测量值。然而，该测量失效将容易地被热图像自身识别，并且操作员将被警示发生故障。因此，联接到传感器102(如图1所示)的电子器件104可以经由硬件、软件或其组合被构造成，在一段时间内比较热图像的时间顺序或与透镜系统的透射率相关的参数以检测改变，例如透镜组件110中的一个或多个透镜的破裂或损坏。这样，如果透镜破裂或被损坏，则电子器件104将向操作员提供警报。

如上所述，硒化锌窗口的撞击测试已经表示，该IR窗口不是特别耐撞击的。然而，对于获得和保持防爆标准，撞击抵抗力是非常重要的。尽管迄今描述的实施例通常通过将防爆窗口放置在热成像系统的透镜组件中以保护防爆窗口，但是至少一些实施例针对撞击而具体地调整IR窗口。

图4A是撞击物体150在位置162处撞击硒化锌窗口160的示意图。一旦冲击，则多个裂缝164从点162沿x和z方向扩展。一旦裂缝行进跨越窗口160的整个厚度(T)，则窗口160的机械整体性被损坏并且爆炸压力将不再被抑制。

图4B是根据本发明的实施例的复合IR窗口170的示意图。窗口170由一对较薄的硒化锌层172、174形成，所述一对较薄的硒化锌层将IR透明的聚酰胺层176夹在中间。聚酰胺层176是非常耐冲击的并且不像硒化锌一样破裂。因此，当撞击物体150在位置178处撞击层172时，裂缝如附图标记180所示蔓延。裂缝将最终蔓延通过层172，但是将不蔓延通过聚酰胺层176。因此，层174的机械整体不变，并且仍然能够抑制用于获得和保持必要的防爆认证的爆炸压力。撞击能量的大部分被第一层172吸收，从而将施加到第二层174的撞击降低到将抵抗裂缝的水平。此外，聚酰胺层176可以促进中断该裂缝的蔓延。层174容纳有压力承载密封件，并且要求对于防爆认证保持不受损害。利用图4B图示的复合IR窗口，本发明的实施例可以能够为已知的热成像系统提供简单的箱。然而，可以明确设想到：通过将混合窗口设计结合至IR窗口120中，图4B中提供的复合IR窗口可以用于上述实施例中。

图5是根据本发明的实施例的改进的防爆热成像系统的示意图。热成像系统200包括设置在防爆壳体204中的IR照相机202。防爆壳体204在一个端部处包括IR窗口206。IR窗口206不具有以其他方式阻碍红外辐射的任何网格或固态结构。在一些实施例中，IR窗口206可以包括图4B示出的混合IR窗口设计。然而，实施例还包括仅为单个整体一件的IR透明材料——例如硒化锌——的IR窗口206。为保护IR窗口206免于撞击，反射器208大致地放置在IR窗口206前方。因此，诸如撞击物体150等的物体被防止打击IR窗口206。这样，反射器208为IR窗口206提供机械防护，同时光学地参与热图像的获得。在图5示出的示例中，反射器208是抛物面反射镜，因而有助于将像场聚焦在IR照相机202上。另外地，系统200还包括发射率参照物体210，发射率参照物体210被设置成接近IR窗口206并且被布置成包括具有已知发射率的至少一个表面212。当IR照相机202对表面212成像时，与表面212的图像组合的已知发射率可以提供关于反射镜208和IR窗口206的一个或两个的状态的有价值的信息。例如，如果反射镜208或IR窗口206变脏或被损坏，则该状态可以被IR照相机202通过观察发射率参照表面212而确定。另外地，在至少一些实施例中，图5示出的整个结构可以围绕轴线214转动，使得可以使用IR照相机202对360°的视场进行热成像。这将允许甚至较低分辨率的成像器能够在IR照相机用于行扫描模式时提高分辨率。另外地，在至少一些实施例中，反射镜208可以仅围绕IR照相机202的光学轴线转动以提供360°视场成像。这可以简化设计，使得IR照相机202的转动和相关联的转动连接器将不是必须的。

虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。

Claims (7)

1.一种热成像系统，包括：

防爆壳体，所述防爆壳体包括光学窗口，所述光学窗口被构造成抑制爆炸压力，所述光学窗口允许电磁热能穿过；

热成像传感器，所述热成像传感器被设置在防爆壳体中；

热成像电子器件，所述热成像电子器件联接到热成像传感器，并且被构造成基于来自热成像传感器的信号提供至少一个热图像；

透镜组件，所述透镜组件至少在防爆壳体外部被设置在光学窗口前方；

其中，所述透镜组件包括至少一个聚焦透镜，所述至少一个聚焦透镜被设置在防爆壳体中所述光学窗口后面并且被构造成将电磁热能聚焦在热成像传感器上。

2.根据权利要求1所述的热成像系统，其中：

所述透镜组件包括设置在光学窗口前方的一对透镜。

3.根据权利要求1所述的热成像系统，其中：

所述光学窗口由硒化锌形成。

4.根据权利要求1所述的热成像系统，其中：

所述透镜组件包括壳体，所述壳体具有小于1英寸的直径。

5.根据权利要求1所述的热成像系统，其中：

所述光学窗口至少部分地限定火焰淬熄路径。

6.根据权利要求1所述的热成像系统，其中：

所述光学窗口由被夹在两层硒化锌之间的聚酰胺形成。

7.根据权利要求1所述的热成像系统，其中：

所述热成像电子器件被设置在防爆壳体中。

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