CN108132100A - 一种红外测温仪的校正装置及校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于红外测温仪温度校正的视镜；还公开了一种红外测温仪的校正装置，包括依次间隔设置的黑体炉、视镜和红外测温装置，所述黑体炉内设有辐射体，所述视镜包括双层视镜玻璃和设在双层视镜玻璃之间的冷却水夹层，所述红外测温装置包括红外测温仪；本发明还公开了红外测温仪的校正方法。通过对红外测温仪的校正，可以实现测量温度和硅棒的实际温度之间误差控制在±3℃以内，实现还原炉内硅棒温度的精准测量，满足区熔硅生产时对硅棒表面温度准确平稳控制的要求；视镜的作用是为了模拟红外测温仪测量还原炉内多晶硅或区熔硅生产温度时的测量条件，使得校正环境和实际测量环境一致，保证红外测量仪测定温度的准确度和精确度。
Description
技术领域
本发明涉及测温仪的校正装置及校正方法，特别涉及一种红外测温仪的校正装置及校正方法。
背景技术
在西门子法生产多晶硅的生产过程中，硅棒表面温度是重要的控制参数，控制合理的硅棒表面温度不仅可以保证良好的硅棒表面形态，而且还可以将还原电耗控制在较低的水平，同时避免因温度异常而产生的生产事故。目前，国内太阳能级多晶硅生产企业判定温度多根据硅棒表面颜色凭经验判断，该方法对人员的经验要求较高，且无法得到定量的数据；其次是采用高温红外仪测量，这种测量方法可以进行定量检测，但所测的温度与实际的温度往往存在较大偏差。
在高压元器件生产原料区熔硅的生产过程，要求硅料的生产过程中硅棒表面温度准确平稳控制，温度控制不准确会导致硅棒沉积速率异常而引起沉积缺陷，硅棒的微观结构缺陷会导致硅棒在下游客户区熔时出现断裂或晶体生长异常。因此，在区熔硅的生产过程中，以上两种测温方法均无法满足生产要求。
发明内容
发明目的：为了解决现有用于测定区熔硅生产温度的测温仪的测定温度与实际温度存在较大偏差的问题，本发明提供了一种红外测温仪的校正装置，本发明进一步地提供了红外测温仪的校正方法。
技术方案：本发明所述一种用于红外测温仪温度校正的视镜，包括双层视镜玻璃和设在双层视镜玻璃之间的冷却水夹层。所述双层视镜玻璃中一层为石英玻璃，另一层为硅硼玻璃，所述视镜玻璃通过法兰连接方式进行固定；所述视镜还包括冷却水进口和冷却水出口。
本发明进一步地提供包括上述视镜的红外测温仪的校正装置，包括依次非接触设置的黑体炉、视镜和红外测温装置，视镜和红外测温装置的距离控制在5～10cm，所述黑体炉内设有辐射体，所述视镜包括双层视镜玻璃和设在双层视镜玻璃之间的冷却水夹层，所述红外测温装置包括红外测温仪；所述辐射体发射的红外线透过视镜聚集到红外测温仪上转化为相应的电学信号，所述电学信号经过红外测温仪的放大器和信号处理电路，按照红外测温仪内部的算法和目标发射率校正后转变为黑体炉的温度值。
黑体炉是一种对非接触式红外测温仪进行温度校正的装置。黑体的辐射能量按照光谱分布(也就是黑体光谱辐射能量、也称为单色能量)都能符合普朗克定律，在检定或校准辐射温度计时，以黑体的温度(或标准辐射温度计)的示值，来修正辐射温度计的偏差。温度校正过程中，主要是利用黑体辐射和温度的对应关系，黑体的发射率越高越好。优选发射率较高的腔式黑体。所述辐射体的材料接近黑体，发射率为0.95～1。
视镜：所述视镜玻璃中靠近黑体炉的玻璃为石英玻璃；所述视镜中靠近红外测温装置的玻璃为硅硼玻璃；所述视镜通过法兰连接的方式进行紧固。所述视镜还包括冷却水进口和冷却水出口。在多晶硅实际生产过程中，硅棒表面发射的能量需要首先通过视镜，然后聚集到红外测温仪上，校正装置中视镜的作用是为了模拟红外测温仪测量还原炉内区熔硅生产温度时的测量条件，使得校正环境和实际测量环境一致，保证红外测量仪测定温度的准确度和精确度；若不设置视镜，会导致实际温度和测量温度存在较大偏移，一般来讲，红外测温仪的测量温度比实际温度低30～50℃。
红外测温仪：硅棒表面发射的红外线聚集到红外测温仪的光学探测仪上并转化为相应的电学信号，该信号经过放大器和信号处理电路，按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。目前还原炉使用的红外测温仪均为双色测温仪，其测温原理为测量波长为950nm和1100nm辐射光的强度比确定辐射体(如硅棒)的温度，对辐射体表面粗糙度以及辐射体和测温仪之间气氛影响不敏感。所述红外测温仪可活动地设置在支架上。
本发明进一步地提供所述的校正装置校正红外测温仪的方法，包括以下步骤：
(1)当红外测温仪的显示温度达到最大值时固定红外测温仪的位置，所述红外测温仪的镜头正对着黑体炉内的辐射体；
(2)设定黑体炉的温度为800～1100℃，黑体炉内的辐射体发射的红外线透过视镜聚集到红外测温仪上；
(3)读取红外测温仪不同时刻的显示温度T1、T2……Tn，计算出不同时刻的显示温度算数平均值T；通过调整红外测温仪的电气参数使得不同时刻的显示温度波动控制在2℃之内，通过调整红外测温仪的发射系数使得显示温度与黑体炉的实际温度的温差控制在±1℃；
(4)在800～1100℃范围内多次调整黑体炉的温度，温度间隔为5～20℃，重复步骤(2)～(3)，调整红外测温仪的电气参数和发射系数。
步骤(2)中所述视镜的冷却水夹层中冷却水的温度为20～30℃；所述视镜的冷却水夹层中冷却水的流量为5～10L/min。
步骤(3)中所述Tn中n为3～5。
校正原理及方法：黑体炉加热到特定温度激发的红外线经过视镜聚集到红外测温仪上，由红外测温仪进行测量，利用实际温度对测量温度进行比对，通过调整红外测温仪的电气参数使得不同时刻的显示温度波动控制在2℃之内，通过调整红外测温仪的发射系数使得显示温度与黑体炉的实际温度一致。在多晶硅实际生产过程中，硅棒表面发射的能量需要首先通过视镜，然后聚集到红外测温仪上，校正装置中视镜的作用是为了模拟红外测温仪测量还原炉区熔硅生产温度时的测量条件，使得校正环境和实际测量环境一致，保证红外测量仪测定温度的准确度和精确度；完成校正的红外测温仪可用于准确测量区熔硅生产时的温度，满足区熔硅生产时对硅棒表面温度准确平稳控制的要求。
有益效果：(1)通过对红外测温仪的校正，可以实现红外测温仪的测量温度和硅棒的实际温度之间误差控制在±3℃以内，实现还原炉内硅棒温度的精准测量，满足区熔硅生产时对硅棒表面温度准确平稳控制的要求；(2)视镜的作用是为了模拟红外测温仪测量还原炉内多晶硅或区熔硅生产温度时的测量条件，使得校正环境和实际测量环境一致，保证红外测量仪测定温度的准确度和精确度。
附图说明
图1为视镜的结构简图(剖视图)；
图2为视镜的结构简图(右视图)；
图3为红外测温仪的校正装置示意图；
图4为不同冷却水温度下测量温度-实际温度对应图；
图5为冷却水流量1L/min时水温梯度分布图。
具体实施方式
实施例1
一种用于红外测温仪温度校正的视镜，见图1，包括双层视镜玻璃101和设在双层视镜玻璃101之间的冷却水夹层102。所述视镜通过法兰连接的方式进行紧固；所述视镜还包括冷却水进口103和冷却水出口104。
一种红外测温仪的校正装置，见图3，包括依次非接触设置的黑体炉2、视镜1和红外测温装置3，所述黑体炉内设有辐射体201，所述视镜1包括双层视镜玻璃101和设在双层视镜玻璃101之间的冷却水夹层102(见图1)，所述红外测温装置3包括红外测温仪301；所述辐射体201发射的红外线透过视镜1聚集到红外测温仪301上转化为相应的电学信号，所述电学信号经过红外测温仪301的放大器和信号处理电路，按照红外测温仪301内部的算法和目标发射率校正后转变为黑体炉的温度值。
黑体炉2：是一种对非接触式红外测温仪进行温度校正的装置。黑体的辐射能量按照光谱分布(也就是黑体光谱辐射能量、也称为单色能量)都能符合普朗克定律，在检定或校准辐射温度计时，以黑体的温度(或标准辐射温度计)的示值，来修正辐射温度计的偏差。温度校正过程中，主要是利用黑体辐射和温度的对应关系，黑体的发射率越高越好。优选发射率较高的腔式黑体。所述辐射体的发射率约为0.99。
视镜1：所述视镜由两片玻璃镜片101和冷却水夹层102组成，两片玻璃镜片101和冷却水夹层102通过法兰片105连接的方式使用螺栓106进行紧固，冷却水在两片玻璃镜片之间流通，同时保证没有水泄露出来；两片玻璃镜片的材质分别为石英玻璃和硅硼玻璃；所述视镜1包括冷却水进口103和冷却水出口104。
在多晶硅实际生产过程中，硅棒表面发射的能量需要首先通过视镜，然后聚集到红外测温仪上，校正装置中视镜的作用是为了模拟红外测温仪测量还原炉内多晶硅或区熔硅生产温度时的测量条件，使得校正环境和实际测量环境一致，保证红外测量仪测定温度的准确度和精确度；若不设置视镜，会导致实际温度和温度存在较大偏移，一般来讲，红外测温仪的测量温度比实际温度低30～50℃。
红外测温仪301：硅棒表面发射的红外线聚集到红外测温仪的光学探测仪上并转化为相应的电学信号，该信号经过放大器和信号处理电路，按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。目前还原炉使用的红外测温仪均为双色测温仪，其测温原理为测量波长为950nm和1100nm辐射光的强度比确定辐射体(如硅棒)的温度，对辐射体表面粗糙度以及辐射体和测温仪之间气氛影响不敏感。所述红外测温仪301可活动地设置在支架302上。
实施例2
冷却水的流量会影响视镜中冷却水温度分布，当冷却水流量为1L/min时，以还原炉实际运行工况作为边界条件，通过流体力学模拟软件计算视镜水的温度分布情况，从模拟结果来看，视镜冷却水存在明显的温度梯度分布，见图4，冷却水流量过小会引起由于冷却水温度梯度过大导致的测温误差，合理的冷却水流量选择5～10L/min。
由于冷却水对红外线具有吸收作用，即硅棒发射出的能量在经过视镜后部分能量被冷却水吸收，导致红外测温仪的测量温度低于硅棒的实际温度。硅棒表面实际温度和测量温度之间的偏差受冷却水温度和冷却水流量的影响较大。一般来讲冷却水的温度越高，实际温度与测量温度之间的误差越大，因此为了尽量减小实际温度与测量温度之间的差距，提高还原炉测温准确性，一般选择较低的冷却水温度，但是冷却水温度过低容易引起还原炉运行时产生镜片半透明的硅油，影响测量精度，合理的冷却水温度为20～30℃见图5。具体的实验方法如下：
(1)将校正装置根据图3所示固定好，启动黑体炉2；
(2)打开视镜1冷却水，使得两片视镜玻璃101之间充满水，待冷却水夹层102中水流达到稳定，冷却水流量为6L/min；
(3)将冷却水的温度设定为20℃，然后将黑体炉的温度依次设定为900℃、950℃、1000℃、1060℃和1100℃，同时读取相对应的高温测温仪显示温度T；
(4)重复步骤(1)～(3)，分别将冷却水温度设定为22.5℃、25℃、27.5℃……45℃(冷却水温度的变化梯度为2.5℃)，测量不同工况下黑体炉温度和高温测温仪温度的对应值。
实施例3
根据还原炉实际运行时的状态，制作如图3的校正装置，在进行红外测温仪温度校正时需要将红外测温仪301的位置进行调整，当红外测温仪301的显示温度达到最大值时将红外测温仪301的位置进行固定，此时红外测温仪301的镜头正对着辐射体201，具体的校正方法如下：
(1)将校正装置根据图3所示固定好，启动黑体炉2并将温度设定为1000℃；
(2)打开视镜1冷却水，使得两片视镜玻璃101之间充满水，待冷却水夹层102中水流达到稳定，此时冷却水的温度为30℃，冷却水的流量为6L/min；
(3)读取红外测温仪301不同时刻的显示温度T1，T2……，计算出不同时刻的显示温度平均值T，通过优化红外测温仪301的电气参数使得不同时刻的温度波动范围控制在2℃以内；调整红外测温仪301的发射系数值，使得显示温度与黑体炉2实际温度一致；
(4)相同方法，在黑体炉温度在800～1100℃的范围内每隔5℃进行一次电气参数和发射系数调整。
表1校正前后测温仪显示温度与温度波动范围表
Claims (10)
1.一种用于红外测温仪温度校正的视镜，其特征在于，包括双层视镜玻璃(101)和设在双层视镜玻璃(101)之间的冷却水夹层(102)。
2.根据权利要求1所述的视镜，其特征在于，所述双层视镜玻璃(101)中一层为石英玻璃，另一层为硅硼玻璃，所述视镜玻璃通过法兰连接方式进行固定；所述视镜还包括冷却水进口(103)和冷却水出口(104)。
3.一种红外测温仪的校正装置，其特征在于，包括依次非接触设置的黑体炉(2)、视镜(1)和红外测温装置(3)，视镜和红外测温装置间的距离控制在5～10cm，所述黑体炉(2)内设有辐射体(201)，所述视镜(1)包括双层视镜玻璃(101)和设在双层视镜玻璃(101)之间的冷却水夹层(102)，所述红外测温装置(3)包括红外测温仪(301)；所述辐射体(201)发射的红外线透过视镜(1)聚集到红外测温仪(301)上转化为相应的电学信号，所述电学信号经过红外测温仪(301)的放大器和信号处理电路，按照红外测温仪(301)内部的算法和目标发射率校正后转变为黑体炉(2)的温度值。
4.根据权利要求3所述的校正装置，其特征在于，所述黑体炉(2)为腔式黑体炉。
5.根据权利要求3所述的校正装置，其特征在于，所述辐射体(201)的发射率为0.95～1。
6.根据权利要求3所述的校正装置，其特征在于，所述视镜(1)的双层视镜玻璃中靠近黑体炉的一层为石英玻璃，靠近红外测温装置的一层为硅硼玻璃，所述视镜玻璃通过法兰连接方式进行固定；所述视镜还包括冷却水进口(103)和冷却水出口(104)。
7.一种利用权利要求3-6任意一项所述的校正装置校正红外测温仪的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)当红外测温仪(301)的显示温度达到最大值时固定红外测温仪(301)的位置，所述红外测温仪(301)的镜头正对着黑体炉(2)内的辐射体(201)；
(2)设定黑体炉(2)的温度为800～1100℃，黑体炉(2)内的辐射体(201)发射的红外线透过视镜(1)聚集到红外测温仪(301)上；
(3)读取红外测温仪(301)不同时刻的显示温度T1、T2……Tn，计算出不同时刻的显示温度算数平均值T；通过调整红外测温仪(301)的电气参数使得不同时刻的显示温度波动控制在2℃之内，通过调整红外测温仪(301)的发射系数使得显示温度与黑体炉(2)的实际温度的温差控制在±1℃；
(4)在800～1100℃范围内多次调整黑体炉(2)的温度，温度间隔为5～20℃，重复步骤(2)～(3)，调整红外测温仪(301)的电气参数和发射系数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述视镜(1)的冷却水夹层(102)中冷却水的温度为20～30℃。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述视镜(1)的冷却水夹层(102)中冷却水的流量为5～10L/min。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述Tn中n为3～5。
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Application publication date: 20180608 Assignee: Yangzhou Xinhua Semiconductor Technology Co.,Ltd. Assignor: Jiangsu Xinhua Semiconductor Technology Co.,Ltd. Contract record no.: X2024980007191 Denomination of invention: A calibration device and calibration method for an infrared thermometer Granted publication date: 20220715 License type: Common License Record date: 20240614 |