CN109976415A - 一种红外光学系统的温度范围控制系统 - Google Patents

一种红外光学系统的温度范围控制系统 Download PDF

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    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/30—Automatic controllers with an auxiliary heating device affecting the sensing element, e.g. for anticipating change of temperature
    • G05D23/32—Automatic controllers with an auxiliary heating device affecting the sensing element, e.g. for anticipating change of temperature with provision for adjustment of the effect of the auxiliary heating device, e.g. a function of time

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Abstract

本发明实施例公开了一种红外光学系统的温度范围控制系统。该控制系统包括用于构成控制系统的恒温环境的杜瓦组件，用于进行加热升温的加热组件，用于进行制冷降温的制冷组件，用于检测所述内筒温度的控温组件，当温度低于预设温度时，控温组件控制加热组件执行加热指令；当温度高于预设温度时，控温组件控制制冷组件执行制冷指令。本发明实施例所提供的一种红外光学系统的温度范围控制系统，实现了全自动、快速且高精度的红外光学系统的温度控制，进而有效地提高红外光学系统的成像质量，确保红外光学系统在较大温度范围内可靠安全地工作。

Description

一种红外光学系统的温度范围控制系统
技术领域
本发明涉及红外光学系统的技术领域，具体涉及一种用于在不同的温度环境下控制红外光学系统的温度范围的系统。
背景技术
随着红外技术的发展，红外设备也逐步向小型化和宽温度范围等方向发展，相应地红外光学系统的质量要求也越来越高。现有的大型红外光学系统通常采用制冷式红外热像仪，从而确保红外光学系统能够在较大温度范围内可靠安全地工作。小型红外光学系统由于受到外形尺寸和重量的限制，只能采用非制冷式红外热像仪。采用非制冷式热像仪的小型红外光学系统，为了确保能够在大温度范围内可靠地工作，必须设计相应的红外光学系统的温度范围控制系统。
因此，针对现有的采用非制冷式热像仪的小型红外光学系统，急需一种红外光学系统的温度范围控制系统，进而确保红外光学系统能够在较大温度范围内可靠安全地工作。
发明内容
针对现有的采用非制冷式热像仪的小型红外光学系统，本发明实施例提出一种红外光学系统的温度范围控制系统。该温度范围控制系统采用恒温杜瓦结构，当外部环境温度增加时，通过制冷组件进行制冷降温；当外部环境温度减小时，通过加热组件进行加热升温；并且采用温控仪精确控制杜瓦组件的内部温度，从而实现了全自动、快速且高精度的红外光学系统的温度控制，进而有效地提高红外光学系统的成像质量，确保红外光学系统在较大温度范围内可靠安全地工作。
该红外光学系统的温度范围控制系统的具体方案如下：一种红外光学系统的温度范围控制系统，包括：杜瓦组件，所述杜瓦组件包括内筒、外筒、盖板和顶板，用于构成所述控制系统的恒温环境；加热组件，位于所述内筒内，用于进行加热升温；制冷组件，位于所述内筒内，用于进行制冷降温；控温组件，用于检测和控制所述内筒的内部温度，当温度低于预设温度时，控制所述加热组件执行加热指令；当温度高于预设温度时，控制所述制冷组件执行制冷指令。
优选地，所述控制系统还包括与所述制冷组件连接的换热器组件，用于加快所述内筒内部温度的降温效率。
优选地，所述制冷组件的两侧分别设置一与所述制冷组件连接的换热器组件，所述换热器组件的另一侧连接一风扇。
优选地，所述内筒和所述外筒之间为真空层。
优选地，所述盖板采用聚氨酯发泡绝热材料制成。
优选地，所述顶板上设有芯座和抽空接口。
优选地，所述顶板和所述内筒、外筒采用密封圈及螺栓连接。
优选地，所述顶板的厚度计算公式如下式所示：
其中，S为顶板厚度，D为外筒直径，K为结构特征系数，P为设计压力，σ为顶板所用材料的许用应力，C为内筒和外筒之间的间距。
优选地，所述控温组件包括温度传感器。
优选地，所述控温组件包括具有PID精度控温功能的温度控制器。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例中所提供的红外光学系统的温度范围控制系统通过采用恒温杜瓦结构，当外部环境温度增加时，通过制冷组件进行制冷降温；当外部环境温度减小时，通过加热组件进行加热升温；并且采用温控仪精确控制杜瓦组件的内部温度，从而实现了全自动、快速且高精度的红外光学系统的温度控制，进而有效地提高红外光学系统的成像质量，确保红外光学系统在较大温度范围内可靠安全地工作。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种温度范围控制系统的结构示意图；
图2为图1所示实施例中的杜瓦组件的结构示意图；
图3本发明实施例中提供的一种温度范围控制系统的框图结构连接示意图。
附图标记说明：
100、控制系统 10、杜瓦组件 11、外筒
13、内筒 15、盖板 17、芯座
19、抽空接口 18、顶板 20、加热组件
30、制冷组件 40、换热器组件 41、第一换热器组件
43、第二换热器组件 51、第一风扇 53、第二风扇
61、温度控制器 63、第一温度传感器 65、第二温度传感器
D、外筒直径 L、外筒长度 d、外筒和内筒之间的间距
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种温度范围控制系统的结构示意图。在该实施例中，红外光学系统的温度范围控制系统100包括：用于构成控制系统100的恒温环境的杜瓦组件10，用于进行加热升温的加热组件20，用于进行制冷降温的制冷组件30，用于检测所述内筒内的温度的控温组件(图1中未示出)。当温度低于预设温度时，控温组件控制加热组件20执行加热指令；当温度高于预设温度时，控温组件控制制冷组件30执行制冷指令。
如图2所示，为图1所示实施例中的杜瓦组件的结构示意图。杜瓦组件10包括内筒13、外筒11、盖板15和顶板18，用于构成控制系统100的恒温环境。进一步地，内筒13和外筒11之间具有距离为d的间隔，且d为真空层。内筒13和外筒11之间设置真空层，有效地维持内筒13内部的温度，减少外部环境温度对内筒13内的温度的影响。盖板15采用聚氨酯发泡绝热材料制成，进一步隔绝外部环境温度的影响。顶板18上设有芯座17和抽空接口19。通过抽空接口19可以将内筒13和外筒11之间的空间抽成真空层。芯座17可有效地将盖板15、顶板18与内筒13和外筒11进行固定连接。具体地，顶板18和内筒13、外筒11之间采用密封圈及螺栓固定连接。如本领域技术人员所知，固定连接的方式也可以采用其他方式，如橡胶垫及过盈配合连接等。顶板18的厚度也会影响控制系统的温度控制效率。
在该具体实施例中，杜瓦组件10的外筒11的长度L为500mm，外筒11的直径D为273mm，外筒11和内筒13之间的间距d为2mm。在该实施例中，提供一种顶板18的厚度计算方法。具体地，顶板18的厚度计算公式如公式1所示：
其中，S为顶板厚度，D为外筒直径，K为结构特征系数，P为设计压力，σ为顶板所用材料的许用应力，C为内筒和外筒之间的间距。在该实施例中，D＝273mm，K＝0.25，P＝0.1MPa，C＝2mm。顶板18采用304不锈钢材料，从而σ＝137Mpa。经过公式1计算可得，顶板18的厚度S＝5.68mm。为了能够更有效地预防外界环境温度对控制系统100内部温度的影响，顶板18的厚度可采取多冗余量，如取S＝8mm。
在该实施例中，控制系统100的冷损的具体表达式，如公式2所示。
Q＝Q1+Q2+Q3 (公式2)
其中，Q为控制系统100的冷损，Q1为控制系统100的内电路板散热，Q2为控制系统100的换热器的风扇散热，Q3为控制系统100的漏热。在一具体实施例中，Q1＝2W，Q2＝14W，Q3＝λA(T1－T0)/S＝9W，其中聚氨酯热导率λ＝0.025W/m·K，换热面积A＝0.035m2，外部环境温度T1＝55℃，内部温度T0＝-30℃。因此，总漏热Q＝Q1+Q2+Q3＝26W。
继续参照图1，红外光学系统的温度范围控制系统100还包括与制冷组件30连接换热器组件40，换热器组件40用于加快内筒13内部温度的降温效率。优选地，制冷组件30的两侧分别设置一与所述制冷组件30连接的第一换热器组件41和第二换热器组件43，第一换热器组件41的另一侧连接第一风扇51，第二换热器组件43的另一侧连接第二风扇53。在一具体实施例中，制冷组件30采用一级半导体制冷片，制冷片的两侧分别设置热管换热器和风扇。相对杜瓦组件10于外侧的热管换热器，用来对制冷片热端进行降温从而增加制冷效率；相对杜瓦组件10于内侧的热管换热器，用来对加快内筒13内部环境和制冷片冷端换热，以快速降低内筒13的内部温度。具体的控温方式为温控组件控制制冷片电源的通断来进行控温。
加热组件20位于内筒13内，具体可采用加热圈。当内筒13的内部温度低于预设温度时，加热圈通电发热。进一步地，通过第二风扇53吹风以快速对内部环境进行加温。换热器组件采用热管换热器，并且换热器法兰采用铝法兰以增加传热效果。预设温度具体可以为10℃、20℃、30℃等，具体的预设温度值可根据需求自行设定。
控温组件用于检测和控制内筒13内的温度，当温度低于预设温度时，控温组件控制加热组件20执行加热指令；当温度高于预设温度时，控温组件控制制冷组件30执行制冷指令。
在一具体实施例中，制冷组件30采用一级半导体制冷片，制冷片冷端和热端最大温差为78℃。当输入电压为24伏时，制冷片获得的最大制冷量约为35W，制冷组件30的总耗功约为400W。制冷片的两侧均设置热管换热器和风扇。相对杜瓦组件10于外侧的热管换热器，用来对制冷片热端进行降温从而增加制冷效率；相对杜瓦组件10于内侧的热管换热器，用来对加快内筒13内部环境和制冷片冷端换热，以快速降低内筒13的内部温度。安装在杜瓦内筒的加热圈起到给杜瓦组件10内部环境加热作用。当环境温度低于20℃时，加热圈通电发热，通过换热器风扇吹风快速对杜瓦内部环境升温。采用热管换热器，换热器法兰采用铝法兰增加传热效果。当环境温度为55℃时、换热量为400W。具体地，风扇可采用24V直流风扇。在该实施例中，当环境温度范围为-20℃～+55℃、控制系统100的内部电路板自身发热功率不大于2W情况，杜瓦组件10的内筒13的内部温度可维持在+20℃，去诶控制系统100的控温精度为±2℃。
如图3所示，本发明实施例中提供的一种温度范围控制系统的框图结构连接示意图。控温组件包括温度传感器和具有PID精度控温功能的温度控制器61，具体地，具有PID精度控温功能的温度控制器61为SR23导电PID温度控制器。在该实施例中，温度传感器包括第一温度传感器63和第二温度传感器65。温度传感器具体可采用铠装Pt100温度传感器。如本领域技术人员所知，温度传感器的数量也可以只为1个或者2个以上。温度控制器61控制第一温度传感器63和第二温度传感器65检测内筒13的内部温度，当温度低于预设温度时，控制加热组件20执行加热指令；当温度高于预设温度时，控制制冷组件30执行制冷指令。在加热组件20和制冷组件30执行相应指令时，换热器组件40可以加速加热或制冷的效率。
本发明实施例中所提供的红外光学系统的温度范围控制系统通过采用恒温杜瓦结构，当外部环境温度增加时，通过制冷组件进行制冷降温；当外部环境温度减小时，通过加热组件进行加热升温；并且采用温控仪精确控制杜瓦组件的内部温度，从而实现了全自动、快速且高精度的红外光学系统的温度控制，进而有效地提高红外光学系统的成像质量，确保红外光学系统在较大温度范围内可靠安全地工作。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
杜瓦组件，所述杜瓦组件包括内筒、外筒、盖板和顶板，用于构成所述控制系统的恒温环境；
加热组件，位于所述内筒内，用于进行加热升温；
制冷组件，位于所述内筒内，用于进行制冷降温；
控温组件，用于检测和控制所述内筒的内部温度，当温度低于预设温度时，控制所述加热组件执行加热指令；当温度高于预设温度时，控制所述制冷组件执行制冷指令。
2.根据权利要求1所述的一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括与所述制冷组件连接的换热器组件，用于加快所述内筒内部温度的降温效率。
3.根据权利要求2所述的一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述制冷组件的两侧分别设置一与所述制冷组件连接的换热器组件，所述换热器组件的另一侧连接一风扇。
4.根据权利要求1所述的一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述内筒和所述外筒之间为真空层。
5.根据权利要求1所述的一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述盖板采用聚氨酯发泡绝热材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述顶板上设有芯座和抽空接口。
7.根据权利要求1所述的一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述顶板和所述内筒、外筒采用密封圈及螺栓连接。
8.根据权利要求1所述的一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述顶板的厚度计算公式如下式所示：
其中，S为顶板厚度，D为外筒直径，K为结构特征系数，P为设计压力，σ为顶板所用材料的许用应力，C为内筒和外筒之间的间距。
9.根据权利要求1所述的一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述控温组件包括温度传感器。
10.根据权利要求1所述的一种红外光学系统的温度范围控制系统，其特征在于，所述控温组件包括具有PID精度控温功能的控制器。
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