CN109642826B - 用于高速旋转机器的红外温度传感器 - Google Patents

Abstract

红外传感器(2)通常在涡轮分子泵(1)中用于检测转子(100)或其他机械部件的温度，并且因此指示即将发生的故障或潜在运行的故障。由于沉积物累积在红外传感器上或所监测表面上，则由传感器给出的读数可能不是实际表面温度的真实表示，这可能导致泵控制器无法及时停止泵。本发明提供一种用于通过在使转子保持在环境温度的同时在传感器中产生确定的温度上升来校准传感器的方法和设备。特别地，本发明使用马达定子(44)作为加热器以导致温度增加。

Description

用于高速旋转机器的红外温度传感器

技术领域

本发明涉及一种被构造成测量旋转机器转子、特别是高速旋转机器转子（诸如涡轮分子真空泵转子）的温度的红外传感器系统，以及一种包括红外传感器系统的马达。本发明还涉及一种测试红外传感器系统的操作效力的方法；以及一种被构造成操作所述方法的控制器。本发明进一步涉及一种校准待由红外传感器监测的表面的发射率的方法，以及一种被构造成操作所述方法的控制器。

背景技术

许多旋转机器利用红外传感器来检测热敏移动部件的温度。接触式传感器难以定位在移动部件上，并且因此，非接触式传感器（诸如红外传感器）是理想解决方案。

如图1中示出的，已知的红外传感器2通常包括热电堆4，其是与热接点6（即，检测接点6）串联连接、连接到红外吸收材料（吸收器）8（诸如极薄隔膜（或窗）8）的多个热电偶。吸收器8的小的热质量意味着其对其正被测量的物体101的表面温度T_OB的变化快速作出响应。

热电堆4的冷接点10通常位于等温块12中，使得其全部处于传感器的相同温度（参考温度T_REF）下，该温度由在传感器内部的热敏电阻18测量。

当待测量物体101定位在传感器的IR吸收表面8前方时，IR吸收表面8将以热（红外）辐射的形式经受热的净增加或净损失，这取决于吸收表面8处于分别比所测量物体101的温度高还是低的温度。

随着物体101的表面温度(T_OB)与传感器2相比上升，热接点6将开始吸收红外辐射，并且变得比参考温度(T_REF)更热。这导致在热电堆4中生成与物体的表面的温度变化(T_OB)对应的电压。由红外传感器测量的温度T_OB由通过内部热敏电阻18测量的温度T_REF补偿，并且获得物体表面温度的准确读数。

涡轮分子泵用于需要高真空（即，低压）的许多应用中。例如，半导体行业将涡轮分子泵用于许多处理步骤，以便维持增加低缺陷设备的产量所需的低压。

在操作中，涡轮分子泵转子以高旋转速度旋转。转子叶片的尖端与泵壳体的内壁之间的公差或距离必须尽可能小，以便使该泵实现所需的泵送性能。如果泵在所期望温度以上操作，则转子叶片的所产生扩张可以使得可能因转子叶片与内部机构的固定部件（诸如定子叶片）碰撞而发生灾难性故障。因此，需要仔细控制和监测内部泵温度。这通常使用红外温度传感器2实现。

半导体行业利用的许多处理步骤产生腐蚀性和/或可冷凝副产物，其被输送离开处理室并且被输送通过包括涡轮分子泵的真空泵系统。这些过程可能涂覆或腐蚀所采用的任何温度传感器；或者涂覆所监测的转子表面，从而修改表面发射率达到其干扰（特别是）红外传感器提供准确读数的能力的程度。

因此，温度传感器可能无法检测泵内的危险的温度上升。

本发明的目的是克服或至少减少这些问题的影响。

发明内容

根据本发明，提供一种使用红外温度传感器系统测量一表面的初始发射率E_I并将其与预期发射率E_E进行比较的方法，所述系统包括指向待被测量的表面的红外温度传感器和邻近所述红外传感器定位以便加热所述传感器的加热器，所述方法包括以下步骤：升高所述加热器的温度以加热所述红外传感器、而不显著加热所述表面；测量通过加热所述红外传感器而生成的电压V_G；将由所述红外传感器生成的所述电压与预期电压V_E进行比较；以及根据等式E_I = E_E(V_G/V_E)计算所述表面的所述初始发射率E_I。

根据本发明的另一方面，提供一种测试红外传感器系统的操作状态的方法，所述系统包括红外传感器和邻近所述红外传感器定位以便加热所述红外传感器的加热器，所述方法包括以下步骤：使所述红外传感器指向在所述红外传感器外部的物体的表面，所述表面具有发射率E；升高所述加热器的温度以加热所述红外传感器、而不显著加热物体表面；测量通过加热所述红外传感器而生成的电压V_G；以及将由所述红外传感器生成的所述电压与预期电压V_E进行比较。

所述方法可包括以下额外步骤：如果V_G并不大致等于V_E，则确定所述红外系统不处于理想操作状态；或者相反地，如果V_G大致等于V_E，则确定所述红外系统处于理想操作状态。

所述红外传感器系统可位于旋转机器中，并且所述红外传感器用于测量从所述旋转机器的旋转表面发射的热辐射。所述红外传感器系统可位于真空泵中，并且用于测量从真空泵转子表面、特别是涡轮分子泵转子发射的热辐射。

所述方法可在所述泵处于室温时初始化，或者所述方法可在所述泵处于稳定操作状态时初始化。

根据本发明的又一方面，可提供一种测试红外传感器系统的操作状态的方法，所述系统包括邻近马达定位或与马达成一体的红外传感器；所述方法包括以下步骤：使所述红外传感器指向在所述红外传感器外部的物体的表面，所述表面具有发射率E；向至少一个马达绕组施加DC电流以升高所述马达的温度、而不引起所述马达的显著旋转，从而加热所述红外传感器、而不显著加热物体表面；测量由所述红外传感器生成的电压V_G；以及将由所述红外传感器生成的所述电压与预期电压V_E进行比较。

所述方法可包括以下额外步骤：如果V_G并不大致等于V_E，则确定所述红外系统不处于理想操作状态；或者相反地，如果V_G大致等于V_E，则确定所述红外系统处于理想操作状态。

所述红外传感器系统和马达可位于旋转机器中，并且所述红外传感器用于测量从所述旋转机器的旋转表面发射的热辐射。所述红外传感器系统和马达可位于真空泵中，并且用于测量从真空泵转子表面、特别是涡轮分子泵转子发射的热辐射。所述方法可在所述泵处于室温时初始化。

根据本发明的再一方面，提供一种用于测量从转子的表面发射的热辐射的红外传感器系统，所述系统包括红外传感器和加热器，所述加热器邻近所述红外传感器定位以便加热所述红外传感器。优选地为电阻加热器的所述加热器可以与所述红外传感器成一体。提供一种包括红外系统的真空泵、特别是涡轮分子泵，其中所述红外系统被定位成用于测量从所述真空泵的转子的表面发射的热辐射。所述真空泵的转子的表面可以是涡轮分子转子叶片、涡轮分子定子叶片、转子轴和分子拖曳泵转子中的一者。

提供一种用于使转子旋转的马达，所述马达包括前述红外系统，其中所述红外传感器可以邻近马达绕组定位，并且当位于包括所述转子的设备中时被定位成用于测量由所述转子的表面发射的热辐射。

所述马达绕组可封装在灌封材料中，并且所述红外传感器可安装在所述灌封材料中。所述加热器可由所述马达提供。

提供一种涡轮分子真空泵，其包括前述马达，其中所述红外传感器可用于测量从涡轮分子转子叶片、涡轮分子定子叶片、转子轴和分子拖曳泵转子中的至少一者的表面发射的热辐射。替代性地，所述红外传感器指向的表面可以是碳纤维增强套筒。

附图说明

为了可以很好地理解本发明，现在将参考附图描述其仅作为示例给出的实施例，在附图中：

图1是已知红外传感器的示意性表示。

图2是根据本发明的一个方面的红外传感器系统的示意性表示。

图3是根据本发明的一方面的包括红外传感器系统的涡轮分子泵的横截面。

图4是根据本发明的另一方面的包括红外传感器系统的涡轮分子泵的局部横截面。

具体实施方式

首先参考图2，示出根据本发明的红外传感器系统20的示意性表示。

传感器系统20包括具有与如图1中示出和上面所描述的标准红外传感器2大致相同的特征的红外传感器2。此外，传感器系统20包括邻近传感器2定位的加热器14、以及连接到红外传感器2和加热器设备14两者的控制器16。

控制器16被构造成根据本发明的方法操作红外传感器系统20。

加热器14必须邻近红外传感器2定位，使得当控制器16操作加热器14时，加热器14加热红外传感器2、而不显著加热物体101的红外系统所指向的表面105。在图2中所示的示例中，表面105是真空泵转子、物体101的表面。传感器系统20的加热器14可以与红外传感器2分开或者与红外传感器2成一体；其可以是任何合适类型的加热器14，例如电阻加热器。

在操作中，红外传感器系统控制器16能够根据现在将描述的本发明的第一方面（即，方法）来运行操作状态检查。

通过此方法，当真空泵转子101的表面105处于室温（即，在泵（未显示）已经启动之前）或者在稳态操作期间（例如当泵正以操作速度运行并且无气体正通过其入口时），可以确定红外传感器系统20的操作状态。当真空泵处于这两个条件状态（关闭状态或稳定状态）中的一个中时，红外传感器2与转子表面105之间的净热交换将为零，原因在于传感器2和转子表面105将处于大致相同的温度。

然后，当加热器14均匀地加热红外传感器热电堆4的热接点/端子6和冷接点/端子10两者并且红外传感器吸收器窗8干净且没有残留物时，转子表面105将存在净热损失，原因在于转子表面105现在将处于比红外传感器2低的温度。因此，将在热电堆4中生成负电压V_G，其将与预期的所生成电压V_E相匹配。因此，控制器16将指示红外系统20的操作状态是理想的。

通过“理想的”，我们意指传感器的状态使得其被认为是按预期运行的，并且目前不需要对其进行维护。

然而，如果传感器吸收器窗8涂覆有油脂或其他碎屑，则由于碎片的绝缘效果和回到热电堆4的热反射，窗8的热损失率将低于预期。因此，所生成电压V_G将不大致等于预期的所生成电压V_E，并且因此控制器16将指示操作状态不是理想的并且系统20需要维修。

控制器16可还被构造成根据本发明的另一方面操作系统20，以提供测量一表面的初始发射率E_I并将其与预期发射率E_E进行比较的方法。

特别有利的是，将高发射率涂层施加到由红外传感器2测量其温度的转子101的表面105。高发射率涂层确保可以获得准确的温度读数，原因在于其确保来自红外传感器2的热不被反射离开表面105，并且由转子101的表面生成的基本所有热辐射都指向红外传感器2。已经发现，特别有利的是，将碳纤维增强环氧树脂套筒110应用于转子（诸如涡轮分子泵的转子）以克服涂层随时间损失的问题。

然而，如果经涂覆转子101的表面105或套筒110的表面105'在泵的初始制造期间涂覆有油脂，则经涂覆表面或套筒的初始发射率E_I将低于预期发射率E_E，从而导致泵的操作寿命的剩余部分的不准确读数。

因此，通过使用红外传感器系统20，可以在生产之后（即，在使用之前）校准表面105, 105'的初始发射率E₁，使得此后可以获得准确读数。该第二方法包括以下步骤：升高加热器14的温度以加热红外传感器2、而不显著加热表面105, 105'；测量由指向表面105,105'的红外传感器2生成的电压V_G；将由红外传感器2生成的电压V_G与预期电压V_E进行比较；以及根据等式E_I = E_E(V_G/V_E)计算表面105的初始发射率E_I。

如果表面105, 105'的发射率被发现为如预期那样，则在测试期间生成的电压V_G将大致匹配预期的所生成电压V_E。然而，如果经涂覆转子101或转子套筒110的表面105,105'的发射率不如预期那么良好，则在测试期间由表面105, 105'吸收或发射的热的量将不同，并且所生成的电压V_G将成比例地不同。因此，可以计算经涂覆表面105或套筒表面105'的初始发射率E₁。如果发射率测量结果在预定的可接受范围（例如0.9至0.97）内，则控制器16使用所计算的初始发射率E_I来在泵操作的同时校准将来的温度读数。如果所测量的初始发射率超出预定的可接受范围，则将需要维修泵，并且更换套筒110或补充涂层。

现在参考图3和图4，示出根据本发明的又一方面的包括马达26的涡轮分子泵1的横截面。泵1包括外壳或壳体19，其具有用于接收气体的入口3、以及用于在使用中排出被输送通过泵1的气体的出口5。

在壳体19内设置有转子100，其包括多个径向向外延伸的转子叶片级9。壳体19限定定子组件，该定子组件包括径向向内延伸并且以涡轮分子泵设计领域的技术人员众所周知的方式定位在转子叶片级9中的每一者之间的一系列定子叶片级11。邻近出口5，转子100还包括一系列分子拖曳或霍尔维克（Holweck）级13，其降低支承涡轮分子泵的泵的入口压力要求。

在该实施例中，转子100在其最上端和最下端（如所示的）处分别用轴承17和15支撑。最下部轴承15包括球型轴承布置，并且最上部轴承17包括被动磁性轴承布置。转子的最上部部件还可以由一组球型止推轴承（未显示）保护，以防止转子在被动磁性轴承17故障的情况下与泵的固定部件碰撞。

转子100连接到马达26。在所示示例中，马达26是包含在定子28中的同步两极的、三相无刷24伏DC马达。马达26包括均匀分布在马达定子28周围的三组马达线圈绕组44。马达线圈绕组44包含在灌封材料（诸如具有良好导热性的环氧树脂）中。马达轴115连接到转子100以用于其旋转。

在正常使用中，使用外部控制器16控制马达轴115的换向，外部控制器16根据磁体的磁极的位置按次序地接通三个马达绕组44中的每一者以使马达轴115、并且因此泵转子100旋转。

马达26还包括一体式红外传感器系统20，其包括红外传感器2。传感器显示为包含在线圈绕组44的灌封材料内，但是也可以位于马达定子外壳28中和/或上。如上所述，红外传感器2是非接触式表面温度测量传感器，其包括用于通过监测其红外辐射发射来测量物体设备101（在此示例中，转子100）的表面温度T_OB的热电堆4、和用于出于温度补偿的目的监测红外传感器2的壳体21的温度T_REF的热敏电阻18。

在正常使用中，红外传感器2监测从转子100上如图3中所示的目标区域105（或图4中的102）发射的红外辐射。由红外传感器测量的温度T_OB由内部热敏电阻温度T_REF补偿，并且获得转子表面105的温度的准确读数。在涡轮分子泵1的正常使用期间，如果所泵送的气体负载或出口5处的背压保持高于针对其设计泵的水平，则转子温度将上升。红外传感器2将信号传递到控制器16，该信号指示物体转子温度T_OB，并且如果高于预定的温度，则警报出现和/或泵减速以防止损坏或泵故障。

为了改善由红外传感器2获得的转子温度读数，转子上的目标扫描区域105、102可以被施加有高发射率涂层，诸如在US5350275中所述的那些，或者优选地碳纤维增强环氧树脂套筒110。目标扫描区域理想地在转子轴115上，但是也适于将红外传感器定位在马达中，使得红外传感器的物体目标表面102是定子叶片11或拖曳泵机构13（如图4所示）。

如在EP1348940中所公开的，红外传感器2的先前尝试的位置已经在泵壳体19内，或者嵌入泵的基部部分中。然而，这些传感器受到腐蚀和/或工艺沉积的影响，因此这些构型被证明无法提供一致可靠的温度测量结果。

图3和图4中示出的实施例通过提供具有一体式红外传感器2的马达26、提供可以在其中检查和测试传感器2的操作状态的设备来提供胜于上文所述红外系统20的进一步优点。在这些示例中，马达26充当加热器设备14，并且该方法包括以下步骤：向至少一个马达绕组施加直流电流以升高马达的温度、而不导致马达的显著旋转。因此，可加热热红外传感器2、而不显著加热物体表面105。然后可测量由指向该表面的红外传感器2生成的电压V_G并将其与预期的所生成电压V_E进行比较。

当泵1处于室温时，优选地测试/初始化在泵1内部的传感器2的操作状态。泵控制器16或操作人员首先使直流电流通过马达线圈绕组44中的至少一者（优选地以比线圈绕组44的通常工作电流更高的电流），直到传感器的内部热敏电阻18测量到预定的温度上升。使电流通过马达线圈绕组44中的至少一者或同时通过其中的任何数量的马达线圈绕组意味着泵绕组自身加热、但转子100在无换向信号的情况下并不旋转。最初可能发生一些小旋转，但是其将显著低于泵1的额定旋转频率。在无换向信号的情况下，泵1无法以全速旋转，并且因此由于气体压缩而几乎没有热生成在转子100中。

通过将马达26加热到预定温度，传感器2和控制器16应检测马达26和传感器2内部参考温度T_REF与物体转子101表面温度T_OB之间的差，该差在室温下通常不存在。如果传感器的操作效力尚未受到过程副产物的影响，则T_REF应该比T_OB大已知值；即，由传感器生成的电压V_G不应不同于预期的所生成电压V_E。然而，如果传感器被涂覆或已经以任何方式被腐蚀，或者转子表面105已经被涂覆成使得其发射率已经改变，则传感器2将不能准确地测量转子表面温度，因此所生成的电压V_G（即，所测量的温度差）将不同于预期的所生成电压V_E。

可以通过以下方式实现预定的温度上升：如上所述，使直流电流通过马达绕组中的至少一者达所设定时间段，或者直到传感器的热敏电阻18检测到已经实现预定的温度上升。

例如，在测试中，使15安培的电流通过两个马达绕组线圈在3分钟内提供从25℃到35℃的温度上升。如果所测量的温度上升不像预期那样（例如，至少10℃的上述温度上升），则操作员或控制器16将确定红外传感器2或表面105的发射率提供不理想的读数，并且生成警报信号以维修泵。

在生产期间，当已知传感器正在正确操作时，物体温度T_OB的不期望上升可能归因于低于来自目标表面105, 102的期望发射率。在此情况下，意外上升允许计算转子表面的真实发射率，从而一旦泵1被完全组装便实现IR传感器系统10的校准。

根据本发明的另一方面，当然可以提供一种包括传感器系统20的涡轮分子泵1，传感器系统20包括红外传感器2和也可以如上所述操作的邻近的加热设备14。

Claims (10)

1.一种测试红外传感器系统的操作状态的方法，所述系统包括红外传感器和邻近所述红外传感器定位以便加热所述红外传感器的加热器，其中，所述红外传感器系统位于真空泵中，并且用于测量从真空泵转子表面发射的热辐射，所述方法包括以下步骤：

i.使所述红外传感器指向在所述红外传感器外部的真空泵转子表面，所述真空泵转子表面具有发射率E；

ii.升高所述加热器的温度以加热所述红外传感器、而不显著加热真空泵转子表面；

iii.测量由指向真空泵转子表面的所述红外传感器生成的电压V_G；以及

iv.将由所述红外传感器生成的所述电压V_G与预期电压V_E进行比较；

v.如果V_G并不大致等于V_E，则确定所述红外传感器系统不处于理想操作状态；

其中，所述红外传感器系统还包括由加热器加热的红外传感器吸收器窗，并且所述红外传感器系统的操作状态用于指示所述红外传感器吸收器窗是否干净且没有残留物，或者需要维修。

2.根据权利要求1所述的测试红外传感器系统的操作状态的方法，其中，所述方法包括以下额外步骤：

vi.如果V_G大致等于V_E，则确定所述红外传感器系统处于理想操作状态。

3.根据权利要求1或2所述的测试红外传感器系统的操作状态的方法，其中，所述真空泵是涡轮分子泵。

4.根据权利要求1或2所述的测试红外传感器系统的操作状态的方法，其中，所述方法在所述真空泵处于室温时初始化。

5.根据权利要求1或2所述的测试红外传感器系统的操作状态的方法，其中，所述方法在所述真空泵处于稳定操作状态时初始化。

6.一种测试红外传感器系统的操作状态的方法，所述系统包括邻近马达定位或与马达成一体的红外传感器；其中，所述红外传感器系统和马达位于真空泵中，并且用于测量从真空泵转子表面发射的热辐射；所述方法包括以下步骤：

i.使所述红外传感器指向在所述红外传感器外部的真空泵转子表面，所述真空泵转子表面具有发射率E；

ii.向至少一个马达绕组施加DC电流以升高所述马达的温度、而不引起所述马达的显著旋转，从而加热所述红外传感器、而不显著加热真空泵转子表面；

iii.测量由指向真空泵转子表面的所述红外传感器生成的电压V_G；以及

iv.将由所述红外传感器生成的所述电压V_G与预期电压V_E进行比较；

v.如果V_G并不大致等于V_E，则确定所述红外传感器系统不处于理想操作状态。

7.根据权利要求6所述的测试红外传感器系统的操作状态的方法，其中，所述方法包括以下额外步骤：

v.如果V_G大致等于V_E，则确定所述红外传感器系统处于理想操作状态。

8.根据权利要求6或7所述的测试红外传感器系统的操作状态的方法，其中，所述真空泵是涡轮分子泵。

9.根据权利要求6或7所述的测试红外传感器系统的操作状态的方法，其中，所述方法在所述真空泵处于室温时初始化。

10.根据权利要求6或7所述的测试红外传感器系统的操作状态的方法，其中，所述红外传感器系统还包括由DC电流加热的红外传感器吸收器窗，并且所述红外传感器系统的操作状态用于指示所述红外传感器吸收器窗是否干净且没有残留物，或者需要维修。