CN110736551A - 一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源，所述面源黑体辐射源包括大面源黑体、支撑底板、气液两相回流装置以及支撑架构，所述大面源黑体、支撑底板和气液两相回流装置均通过支撑架构支撑，所述大面源黑体通过支撑底板支撑，所述气液两相回流装置位于支撑底板之下。本发明所述的基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源，具有高发射率，大面源等特点，通过气液两相回流控温使大面源黑体辐射源不受野外环境限制实现一定温度范围内的精准控温，保证了大面源黑体辐射源温度的稳定性和均匀性，能满足高光谱及红外载荷高精度外场辐射定标对于高发射率、高均匀性标准测试目标的要求。
Description
技术领域
本发明涉及红外遥感外场辐射定标应用的技术领域，特别涉及到一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源。
背景技术
黑体是一种理想物体，它的发射率和吸收率都为1，即能在任何温度下全部吸收所有波长的辐射，并能最大限度地发出辐射。在现实中并不存在理想的黑体。可将在一个密闭空腔上开的小孔的辐射看作黑体辐射，它的发射率非常接近于1，这样的空腔被称为黑体空腔。在实际应用中，把黑体空腔作为黑体辐射源用于红外测温、红外相机定标等，广泛应用于各种红外装置中。
影响红外装置精度和分辨率的主要方面就是辐射源，传统的辐射源使用的是简单黑体空腔，由于受到分析方法、设备和工艺的制约，通常为简单圆柱、圆锥、双圆锥、圆柱-圆锥、圆柱-内凸锥等轴对称腔形，这类黑体空腔往往开口比较小，适用于在中、高温度条件下工作，称为点源黑体。随着红外技术的迅速发展，将辐射源表面制作成复杂的表面(如V型棱椎和蜂窝状表面)，称为面辐射源。面辐射源在红外测温、红外成像、红外相机标定等技术中有较大应用，能够满足对红外系统需要大面源尺寸、高精度及高辐射率的要求。
近年来，为了适应红外探测器大孔径、大视场角的发展需要，大面源黑体的发展非常迅速。所以对面辐射源进行分析、研究变得越来越重要。美国国家宇航局(NASA)在地球测探卫星(Terra)上装备了一个面黑体辐射源，用来对立体多光谱成像仪进行高分辨率的校正。美国、加拿大、俄罗斯等许多国家都积极的对面辐射源黑体进行研究。国外的面辐射源生产商主要有美国的EO公司、MIKKION公司、法国的HGH公司、英国的EALING公司和以色列的CI公司等。它们生产的黑体辐射源结构基本相同，而一般低于环境温度的黑体都是在真空中通过液氧制冷，而在常压下的的控温方式大部分都是采用采用基于铂电阻测温的电阻加热方式。这种控温方式提高了面源黑体的温度范围和精度，但是其系统结构复杂，且仅能实现高于环境温度控温，很难满足野外大于1m2大面源黑体的一定温度范围内精准控温的需求，也不能保证大面源黑体源表面温度的温度性和均匀性。
因此，针对红外及高光谱载荷高精度辐射定标对于大面源黑体源高发射率、面源黑体源表面温度的高均匀性标准测试的要求，如何进一步研究辐射定标黑体结构设计发射率实现及黑体辐射面温度控制技术是很有必要的。
发明内容
本发明提出了一种基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源，具有高发射率，大面源等特点，通过气液两相回流控温使大面源黑体辐射源不受野外环境限制实现一定温度范围内的精准控温，能满足高光谱及红外载荷高精度外场辐射定标对于高发射率、高均匀性标准测试目标的要求。
为此，本发明采用以下技术方案：
实施例一：
一种基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源，如图1所示，所述面源黑体辐射源包括大面源黑体1、支撑底板2、气液两相回流装置3以及支撑架构4，所述支撑底板2和气液两相回流装置3均通过支撑架构4支撑，所述大面源黑体1通过支撑底板2支撑，所述气液两相回流装置3位于支撑底板2之下；所述大面源黑体1包括1个子黑体组件11；所述子黑体组件11如图2所示由上至下依次设有黑体面源板111、背板112和均温板113，所述均温板113上如图3所示设有均衡排列的散热流道1131，所述均温板113两侧设有与散热流道1131相通的进液散流道1132和出液集流道1133，所述进液散流道1132中间设有进液口1134，出液集流道1133中间设有出液口1135；所述气液两相回流装置3如图1、图4所示包括流体管路31以及通过流体管路31依次衔接的换热器32、制冷机组33、储液器34、过滤器35、循环泵36、回热器37和预热器38；所述大面源黑体1的子黑体组件11均温板113的进液口1134均通过进液流体软管1136衔接至流体管路31的一端，出液口1135均通过出液流体软管1137衔接至流体管路31的另一端；
如图4所示，工质沿流体管路31经换热器32、制冷机组33、储液器34、过滤器35、循环泵36、回热器37、预热器38，平均分散过进液流体软管1136至子黑体组件11的均温板113进液口1134，经进液散流道1132分散至散热流道1131，再经出液集流道1133至均温板出液口1135，过出液流体软管1137集中再沿流体管路31回流过回热器37后，再循环至换热器32、制冷机组33，形成循环回路，实现对大面源黑体辐射源的控温。
其中，所述工质在循环泵36压力驱动下以液体形式沿流体管路31经换热器32、制冷机组33进行一级控温，使目标温度波动稳定在±1℃以内；再经储液器34进行二级控温，目标温度波动稳定在±0.5℃以内；再经回热器37温度衰减，目标温度波动稳定性稳定在±0.3℃以内；最后再经预热器38进行三级控温，目标温度波动稳定性稳定在±0.1℃以内，此时工质流体从液相转变为气液两相，再分散过进液流体软管1136至子黑体组件11的均温板113进液口1134，经进液散流道1132分散至散热流道1131再经出液集流道1133至均温板113出液口1135，过出液流体软管1137集中再沿流体管31回流过回热器37后；再循环至换热器31、制冷机组32，工质流体从气液两相转变为液相，形成循环回路。
其中，所述工质按照面源黑体辐射源所需要控温范围进行选择并预设合适的流量和工作温度，所述工质工作温度预设范围为：-60℃～+90℃；经过气液两相回流实现大面源黑体辐射源的可控温范围为：工质工作温度～工作温度±30℃。
其中，如图2所示，所述黑体面源板111表面采用刻槽处理，形成微棱锥体排列，锥角为30°-60°，优选为45°。
其中，如图2、3所示，所述子黑体组件11外侧和中心位置设有多个温度传感器114，所述温度传感器114通过安装孔嵌入背板112和均温板113，贴近黑体面源板111；所述安装孔内填充导热硅橡胶；所述温度传感器114优选为5个，4个均匀分布在子黑体组件1外侧，1个位于中心位置；所述温度传感器114优选为铂电阻。
其中，如图4所示，所述气液两相回流装置3流体管路31回路中还设有多个压力传感器310，用于监控气液两相回流装置各处的压力。
其中，所述储液器34内设有液位传感器341，用于监测储液器中的液位。
其中，所述背板12采用高导热材料，优选为铝合金材料。
实施例二
一种基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源，如图5所示，所述面源黑体辐射源包括大面源黑体1、支撑底板2、气液两相回流装置3以及支撑架构4，所述支撑底板2和气液两相回流装置3均通过支撑架构4支撑，所述大面源黑体1通过支撑底板2支撑，所述气液两相回流装置3位于支撑底板2之下；所述大面源黑体1包括3个子黑体组件11；所述子黑体组件11如图2所示由上至下依次设有黑体面源板111、背板112和均温板113，所述均温板113上如图3所示设有均衡排列的散热流道1131，所述均温板113两侧设有与散热流道1131相通的进液散流道1132和出液集流道1133，所述进液散流道1132中间设有进液口1134，出液集流道1133中间设有出液口1135；所述气液两相回流装置3如图5、图6所示，包括流体管路31以及通过流体管路31依次衔接的换热器32、制冷机组33、储液器34、过滤器35、循环泵36、回热器37和预热器38；所述大面源黑体1的每个子黑体组件11均温板113的进液口1134均通过进液流体软管1136衔接至流体管路31的一端，出液口1135均通过出液流体软管1137衔接至流体管路31的另一端；
如图6所示，工质沿流体管路31经换热器32、制冷机组33、储液器34、过滤器35、循环泵36、回热器37、预热器38，平均分散过进液流体软管1136至各个子黑体组件11的均温板113进液口1134，经进液散流道1132分散至散热流道1131，再经出液集流道1133至均温板出液口1135，过出液流体软管1137集中再沿流体管路31回流过回热器37后，再循环至换热器32、制冷机组33，形成循环回路，实现对大面源黑体辐射源的控温。
其中，所述工质在循环泵36压力驱动下以液体形式沿流体管路31经换热器32、制冷机组33进行一级控温，使目标温度波动稳定在±1℃以内；再经储液器34进行二级控温，目标温度波动稳定在±0.5℃以内；再经回热器37温度衰减，目标温度波动稳定性稳定在±0.3℃以内；最后再经预热器38进行三级控温，目标温度波动稳定性稳定在±0.1℃以内，此时工质流体从液相转变为气液两相，再分散过进液流体软管1136至各个子黑体组件11的均温板113进液口1134，经进液散流道1132分散至散热流道1131再经出液集流道1133至均温板113出液口1135，过出液流体软管1137集中再沿流体管31回流过回热器37后；再循环至换热器31、制冷机组32，工质流体从气液两相转变为液相，形成循环回路。
其中，所述工质按照面源黑体辐射源所需要控温范围进行选择并预设合适的流量和工作温度，所述工质工作温度预设范围为：-60℃～+90℃；经过气液两相回流实现大面源黑体辐射源的可控温范围为：工质工作温度～工作温度±30℃。
其中，如图2所示，所述黑体面源板111表面采用刻槽处理，形成微棱锥体排列，锥角为30°-60°，优选为45°。
其中，如图2、3所示，所述子黑体组件11外侧和中心位置设有多个温度传感器114，所述温度传感器114通过安装孔嵌入背板112和均温板113，贴近黑体面源板111；所述安装孔内填充导热硅橡胶；所述温度传感器114优选为5个，4个均匀分布在子黑体组件1外侧，1个位于中心位置；所述温度传感器114优选为铂电阻。
其中，如图6所示，所述气液两相回流装置3流体管路31回路中还设有多个压力传感器310，用于监控气液两相回流装置各处的压力。
其中，所述储液器34内设有液位传感器341，用于监测储液器中的液位。
其中，所述背板12采用高导热材料，优选为铝合金材料。
其中，所述子黑体组件11通过拼接组件12拼接形成大面源黑体，所述拼接缝处空隙不大于2mm。
本发明采用以上技术方案，采用气液两相回流控温方式提高了面源黑体的温度范围和精度，且系统结构简单，并可通过多个子黑体组件拼接形成大面源黑体辐射源，设置合适的工质流体的流量和温度，再通过流体软管与各个子黑体组件的均温板进液口连接进行分流，保证工质流体均匀稳定的分散至均温板，同时，利用回热器将均温板的进液和出液进行有效换热，很好的使工质的温度波动衰减，使大面源黑体辐射源不受野外环境限制实现一定温度范围内的精准控温，保证了大面源黑体辐射源温度的稳定性和均匀性，具有高发射率，高精度控温，大面源等特点。
附图说明
图1为本发明实施例一基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源的外部结构示意图。
图2为本发明基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源子黑体组件结构示意图
图3为本发明基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源子黑体组件均温板结构示意图
图4为本发明实施例一基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源的气液两相回流装置及其与子黑体组件均温板连接示意图
图5为本发明实施例二基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源的的外部结构示意图
图6为本发明实施例二基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源的气液两相回流装置及其与子黑体组件均温板连接示意图
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，对本发明的一种具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其它方式来实施，因此，本发明不受以下公开的具体实施例的限制。
下面以设计面积为3m×3m的大面源黑体辐射源为例，按本发明中的结构特点和功能给出具体实施方法：
3m×3m的大面源黑体以1m×1m正方形子黑体组件按照3×3方式通过拼接组件拼接形成，按照本发明所述的每个子黑体组件的均温板进液口均通过进液流体软管衔接至流体管路的一端，出液口均通过出液流体软管衔接至流体管路的另一端；工质沿流体管路经换热器、制冷机组、储液器、过滤器、循环泵、回热、预热器，平均分散过进液流体软管至各个子黑体组件的均温板进液口，经进液散流道分散至散热流道，再经出液集流道至均温板出液口，过出液流体软管集中再沿流体管路回流过回热器后，再循环至换热器、制冷机组，形成循环回路，实现对大面源黑体辐射源的控温。
其中，采用氟利昂R134a作为工质，其dp/dt为19kPa，将均温板出入口压差控制在7.6kPa以内，则温度均匀性优于±0.2℃.，可以满足技术要求，同时R134a冰点温度为-103.3℃，临界温度为101.06℃，满足-30℃-+90℃温度区间的使用需求。
其中，整个系统的流阻由管路流阻关串联的设备流阻组成，，除导管及相关接头的流阻外，设备流阻包括回热器、预热器、均温板、制冷机组和过滤器的流阻。导管流阻可根据设计合适的管径进行合理分配，设备流阻可根据选用的型号规格获得其流阻，最终流阻由这几部分相加获得。其中，流体管路采用不锈钢管φ54×2管路能满足要求。
其中，储液器的总容积应使回路在设计工作温度范围内运行时，低温工况保证仍有一定的工质，在高温工况时，其内的液体量不充满整个系统，由此既能确保泵驱流体回路试验测试的顺利进行，又能确保整个系统的安全；循环泵驱回路工作时储液器内的工质在任何工况下均为气液共存的状态，从而实现对流体回路的控温功能。
其中，铂电阻采用PT1000，PT1000传感器对温度敏感，0℃时阻值为1000欧姆，温度变化0.1℃，阻值变化约为0.4欧姆，且线性度良好。
采用本发明所述的技术方案，获取3m×3m的大面源黑体辐射源，性能如下：工作温度：-30℃～+60℃；可控温范围：工作温度-工作温度±30℃；发射率：≥0.98；温度分辨率：≤0.1K；控温稳定性：±0.2K/30Min；温度均匀性：±0.3K；综上所述，本发明所述的气液两相回流控温的面源黑体辐射源不受野外环境限制，通过气液两相回流控温实现一定温度范围内的精准控温，保证了大面源黑体辐射源温度的稳定性和均匀性，具有高发射率，高精度控温，大面源等特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于气液两相回流控温的面源黑体辐射源，其特征在于：所述面源黑体辐射源包括大面源黑体、支撑底板、气液两相回流装置以及支撑架构，所述支撑底板和气液两相回流装置均通过支撑架构支撑，所述大面源黑体通过支撑底板支撑，所述气液两相回流装置位于支撑底板之下；所述大面源黑体包括若干个子黑体组件；所述子黑体组件由上至下依次设有黑体面源板、背板和均温板，所述均温板上设有均衡排列的散热流道，所述均温板两侧设有与散热流道相通的进液散流道和出液集流道，所述进液散流道中间设有进液口，出液集流道中间设有出液口；所述气液两相回流装置包括流体管路以及通过流体管路依次衔接的换热器、制冷机组、储液器、过滤器、循环泵、回热器和预热器；所述大面源黑体的每个子黑体组件均温板的进液口均通过进液流体软管衔接至流体管路的一端，出液口均通过出液流体软管衔接至流体管路的另一端；
工质沿流体管路经换热器、制冷机组、储液器、过滤器、循环泵、回热器、预热器，平均分散过进液流体软管至各个子黑体组件的均温板进液口，经进液散流道分散至散热流道，再经出液集流道至均温板出液口，过出液流体软管集中再沿流体管路回流过回热器后，再循环至换热器、制冷机组，形成循环回路，实现对大面源黑体辐射源的控温。
2.根据权利要求1所述的一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源，其特征在于：所述工质在循环泵压力驱动下以液体形式沿流体管路经换热器、制冷机组进行一级控温，使目标温度波动稳定在±1℃以内；再经储液器进行二级控温，目标温度波动稳定在±0.5℃以内；再经回热器温度衰减，目标温度波动稳定性稳定在±0.3℃以内；最后再经预热器进行三级控温，目标温度波动稳定性稳定在±0.1℃以内，此时工质流体从液相转变为气液两相，再分散过流体软管至子黑体组件的均温板进液口，经进液散流道分散至散热流道再经出液集流道至均温板出液口，过流体软管集中再沿流体管回流过回热器后；再循环至换热器、制冷机组，工质流体从气液两相转变为液相，形成循环回路。
3.根据权利要求1所述的一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源，其特征在于：所述工质按照面源黑体辐射源所需要控温范围进行选择并预设合适的流量和工作温度，所述工质工作温度预设范围为：-60℃～+90℃；经过气液两相回流实现大面源黑体辐射源的可控温范围为：工质工作温度～工作温度±30℃。
4.根据权利要求1所述的一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源，其特征在于：所述黑体面源板表面采用刻槽处理，形成微棱锥体排列，锥角为30°-60°，优选为45°。
5.根据权利要求1所述的一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源，其特征在于：所述子黑体组件外侧和中心位置设有多个温度传感器，所述温度传感器通过安装孔嵌入背板和均温板，贴近黑体面源板；所述安装孔内填充导热硅橡胶。
6.根据权利要求5所述的一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源，其特征在于：所述温度传感器优选为5个，4个均匀分布在子黑体组件外侧，1个位于中心位置；所述温度传感器优选为铂电阻。
7.根据权利要求1所述的一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源，其特征在于：所述气液两相回流装置流体管路回路中还设有多个压力传感器，用于监控气液两相回流装置各处的压力。
8.根据权利要求1所述的一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源，其特征在于：所述储液器内设有液位传感器，用于监测储液器中的液位。
9.根据权利要求1所述的一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源，其特征在于：所述背板采用高导热材料，优选为铝合金材料。
10.根据权利要求1所述的一种基于气液两相回流控温的大面源黑体辐射源，其特征在于：所述子黑体组件通过拼接组件拼接大面源黑体，所述拼接缝处空隙不大于2mm。
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