CN111556959A - 一种用于非接触式温度控制的装置、一种生成电磁辐射波阵面的方法和该装置生成温度场曲线的用途 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制温度的装置，其特征在于，所述装置包括电磁波源(1)，如激光器或二极管或超声波发生器，所述电磁波源(1)通过线连接到具有微处理器的专用控制器(3)，所述具有微处理器的专用控制器(3)通过线连接到热辐射检测器(2)，如热电检测器或热电偶检测器，所述电磁波源和所述热辐射检测器被放置成彼此之间的夹角a介于0°至180°之间，和一种用于生成辐射波阵面曲线的方法以及所述装置使用所述波阵面曲线生成温度场曲线的用途。

Description

一种用于非接触式温度控制的装置、一种生成电磁辐射波阵 面的方法和该装置生成温度场曲线的用途
技术领域
本发明的目的是一种用于非接触式温度控制的装置、一种产生电磁辐射波阵面曲线(profile)的方法以及该装置的以下用途：使用材料表面上和材料对象中随时间变化的波阵面曲线、平面曲线和体积温度场曲线来生成、成形和控制温度场曲线。本发明适用于工业、生物、化学工艺，材料测试和需要温度随时间恒定或变化且以非接触方式施加温度的其他工业。
背景技术
在当代技术工艺中，就像许多研究领域一样，有关给定点处的温度或有关温度分布的信息构成非常重要的元素。温度测量方案通常分为接触式和非接触式两种。在接触式测量中，需要使测量介质与我们想要知道温度的给定物质或点直接接触。在非接触式方法中，测量的对象是发射的红外辐射的波长，然后被测量的介质不会与测量设备接触。基于普朗克定律和维恩定律进行测量。普朗克定律描述了理想黑体所辐射的能量的量。另一方面，维恩定律涉及相对于温度变化的波长变化。
不管测量方案如何，在现有技术中已经很好地记录和开发了温度测量方法。它们的主要区别在于所使用的物理现象。尽管如此，在测量系统的构造方面仍在寻求对其进行确定的新方法。其精度是与温度的确定有关的一个非常重要的问题。当前使用的非接触式方法的特征不是在给定点处进行高精度测量。移动研究对象使得能够测量温度也是必要的。此外，温度传感器必须放置得尽可能靠近被测量的对象，以便收集可能的最大量的所发射的红外辐射，以超过使得能够正确记录温度的物理现象的阈值。
实际应用中面临的另一个重要问题是对象的温度变化，即该对象的发热。在不直接靠近热源或对象不与热源真正接触的情况下，对象的温度变化通常是不可能的。这可能导致加热器与样本之间出现材料相容性的问题。与接触式加热有关的另一个问题涉及，例如对于生物样本(病毒、细菌)必须将对象与外部环境隔离的情况。在接触式加热方法以及温度测量中，将热传递到对象(将热传递到测温元件)所使用的方法起到了重要的作用。这可能会引起对象过热或加热不足。不仅如此，通过供应导管散失的热导致温度测量系统不准确，这需要额外隔离测量环境和测量设备。
在许多情况下，测量物理量(温度)和加热对象的动作无论如何都是不充分的。这涉及技术和研究过程两者。因此，除了测量之外，仍有必要将温度的恒定值保持在精确标记的范围内，并且可以离散地且在二维表面上对给定温度曲线中的差异进行局部调平。这就是为什么这种类型的系统——温度传感器-加热器系统——被设计在反馈回路中的原因。然而，它们不能以选择性方式产生和修改被加热对象的温度场曲线。
在现有技术中，已知能够实现以非接触方式测量温度并调节温度分布的方法。文献US77442714(B1)中公开的发明的目的是一种用于远程测量表面温度的设备和方法。该设备包括：辐射源、使基板相对于辐射束移动的工作台、控制单元和温度测量单元。借助于辐射束对放置基板(例如硅晶片)的工作台进行处理。借助于光学系统远程测量被处理的位置的温度。通过收集经由光学系统发射到处理位置附近的红外辐射来进行温度测量。随后，借助于光纤(或成束的光纤)通过偏振将该红外辐射传送到测量该红外辐射波长的分光光度计。基于此和普朗克定律来确定温度。模拟温度信号被转换成数字信号，随后被传送到控制器，该控制器对处理晶片的束的功率进行调节。
继而，文献EP0836905B1中公开的发明涉及一种表面处理方法，该表面处理方法借助于由以一个接一个前后布置成排的形式彼此相邻地分布的二极管/激光器的系统生成的激光辐射通过温度进行控制。辐射集中在被处理物品的表面，借助于对红外辐射敏感的二极管监测该物品的温度，然后将激光辐射强度的分布调整到所需的温度曲线。通过控制和/或启用和停用反馈回路中的各排二极管或激光器——该反馈回路具有对从被处理表面发射的辐射的长度进行测量的二极管——可以将激光辐射强度的分布调整到所需的温度曲线。
另一个专利文献US006122440A公开了一种用于快速热处理硅晶片的设备。所公开的解决方案的本质是基于盘形的多区域热辐射源的加热系统。该源包括在两个圆(其中一个圆位于中心)的包封件(envelope)上同心布置的灯。每个灯单独供电。经处理的硅材料被源的整个表面照亮。借助于与灯的控制器耦合的传感器进行温度测量。控制器检查传递到晶片表面的热能的量，如该热能的量指示偏离给定温度，则控制器可以在给定区域内改变灯的功率(减小或增加)，从而修改晶片表面上的温度曲线。
发明内容
本发明面对的技术问题涉及提出这样一种温度控制方法，该方法使得能够在给定点以远程方式——即无需使对象直接接触电磁波源(加热器)和测温工具(检测器)——来传递适当量的热能，以便在该点处提供恒定值的电磁波通量。还应当可以以选择性方式调节从若干个源的系统传递的能量的量，以便能够对被照射表面上或给定体积中的温度进行成形。加热器和传感器应当放置在反馈回路中，以便能够改变局部入射到对象上的辐射的幅值。出人意料地，本发明解决了前述技术需求。
本发明的第一个目的是一种用于控制温度的装置，其特征在于，所述装置包括电磁波源，如激光器或二极管或超声波发生器，所述电磁波源通过线连接到具有微处理器的专用控制器，所述具有微处理器的专用控制器通过线连接到热辐射检测器，如热电检测器或热电偶检测器，所述电磁波源和所述热辐射检测器被放置成彼此之间的夹角α介于0°至180°之间。在反馈系统中，电磁波源、检测器和控制器借助于线彼此连接，该反馈系统可以调节和稳定源的功率，从而调节和稳定被照射对象的温度。
本发明的第二个目的是一种用于生成电磁辐射波阵面曲线的方法，其特征在于，通过将所述电磁辐射源彼此叠置，或者通过改变传递到所述电磁辐射源的功率而不超过所述源的最大功率，或者通过将透镜或透镜的系统放置在一个或更多个电磁波源之前，而根据电磁辐射源的系统来生成所述波阵面曲线的形状。在本发明的第一实施例中，具有发射相等电磁波的通量值的电磁波源彼此叠置。在电磁波源的这种位置产生了电磁辐射的平面波阵面。在本发明的另一实施例中，电磁波源被叠置，其中，至少一个电磁波源与其余电磁波源的区别在于它们发射的电磁波的通量值；产生了除平面以外的波阵面。产生的波阵面可以具有正形状或负形状。在本发明的另一实施例中，在单个电磁波源之前存在发射电磁波的透镜，该透镜扩大了电磁波的通量，并且产生了电磁辐射的波阵面曲线，其中，透镜壁的形状相对于电磁辐射波源是相反的。
本发明的第三个目的是本发明第一个目的中定义的装置的以下用途：用于使用根据本发明第二个目的中定义的方法生成的波阵面曲线来生成温度场曲线。检测器和电磁波源如本发明第一个目的中所定义的被放置并彼此连接。检测器与电磁波源之间的连接在它们之间产生了反馈回路。来自一个或更多个电磁波源的能量以根据本发明第二个目的定义的方法之一生成的波阵面的形式被传递到空间中的点(其坐标为Δx,Δy,Δz)或平面上的点(其坐标为Δx,Δy,Δz＝0)或平面(其大小为Δx,Δy)。以电磁波形式传递的能量被空间中的点(其坐标为Δx,Δy,Δz)或平面上的点(其坐标为Δx,Δy,Δz＝0)或平面(其大小为Δx,Δy)吸收。电磁波的吸收引起温度升高。温度的变化由检测器记录。检测器的软件将在空间中的点(其坐标为Δx,Δy,Δz)或平面上的点(其坐标为Δx,Δy,Δz＝0)或平面(其大小为Δx,Δy)处测量的温度值与给定的温度值做比较。如果温度值不同，则传递给一个或更多个电磁波源的功率的变化由专用控制器执行。这引起传递到空间中的点(其坐标为Δx,Δy,Δz)或平面上的点(其坐标为Δx,Δy,Δz＝0)或平面(其大小为Δx,Δy)的电磁波的通量的大小的变化。温度值的另一读取由检测器实施。重复温度读取-功率变化顺序，直到测量的温度值与检测器上给定的温度值相对应为止。
检测器与电磁波源的连接使得能够选择性地调节由源发射的辐射的幅值。因此，随着时间的变化，以电磁辐射的通量形式传递给对象的能量的量保持恒定，这意味着温度恒定。检测器(1)与保持叠置的许多独立的电磁波源耦合，可以实现独立调节它们各自的强度，从而引起波阵面曲线成形，并因此引起产生的温度场曲线成形。
根据本发明的温度控制方法可以用于在下述应用中控制和调节温度：其中，由于在具有良好隔热性能的材料的表面和体积上生成大的温度梯度的体积很小或表面很小，所以难以在受控对象中制造(安装)热源和温度传感器。根据本发明的方法的一个优点是可以在封闭的环境(例如带有微生物的瓶子或密封的塑料培养管)中加热和测量温度。而且，根据本发明的方法可以应用于许多科学领域。例如，在生物学中，用于PCR反应和其他需要温度恒定或温度随时间变化而变化并以非接触方式控制温度的过程。通过利用可编程曲线来精确地控制人体指定部位的温度，这可以是用于破坏肿瘤细胞的有用工具。根据本发明的方法的另一种可能的应用涉及控制和引发化学反应、研究化学反应的平衡状态等。在物理学中，用于材料研究、相变或作为无接触炉。本发明的另一个优点是消除了线缆入口、插座、湿度和温度对加热器和温度传感器的材料的影响所带来的问题。
根据本发明的温度控制方法可以用于在空间中的任何区域中(例如，在放置在真空中沉入石英管中的坩埚中)或在隔离环境中放置的工作台的表面上测量几摄氏度和几千摄氏度之间范围内的温度值。
附图说明
附图中呈现了本发明的实施例，其中，图1呈现了用于控制空间任意点或体积处的物质的温度的方法，图2呈现了用于实现温度曲线的各种辐射能量源的叠置使用，图3呈现了借助于能量源的幅值使温度场曲线成形，图4呈现了透镜用于使温度场成形的使用，图5呈现了平面的横截面中的温度的相关性，图6呈现了温度对于电流的各种值随电流变化，图7呈现了温度值与供应热源的电流的相关性，图8A和图8B呈现了在三维投影及其二维图中100mA电流的温度曲线，图9A和图9B呈现了在三维投影及其二维图中200mA电流的温度曲线，图10A和图10B呈现了在三维投影及其二维图中300mA电流的温度曲线，图11A和图11B呈现了在三维投影及其二维图中400mA电流的温度曲线，图12A和图12B呈现了在三维投影及其二维图中500mA电流的温度曲线，图13A和图13B呈现了在三维投影及其二维图中600mA电流的温度曲线，图14A和图14B呈现了对于具有透镜的系统而言在三维投影及其二维图中50mA电流的温度曲线，图15A和图15B呈现了对于具有透镜的系统而言在三维投影及其二维图中100mA电流的温度曲线，图16A和图16B呈现了对于具有透镜的系统而言在三维投影及其二维图中150mA电流的温度曲线，图17A和图17B呈现了对于具有透镜的系统而言在三维投影及其二维图中200mA电流的温度曲线，图18A和图18B呈现了对于具有透镜的系统而言在三维投影及其二维图中250mA电流的温度曲线，图19A和图19B呈现了对于具有透镜的系统而言在三维投影及其二维图中300mA电流的温度曲线，图20A和图20B呈现了对于具有透镜的系统而言在三维投影及其二维图中350mA电流的温度曲线，图21呈现了对于具有透镜的系统而言温度值与供应热源的电流的相关性，图22呈现了对于具有透镜的系统而言温度对于电流的各种值随电流变化，图23呈现了对于具有透镜的系统而言平面的横截面中的温度的相关性，图呈现了具有透镜(■)的系统和不具有透镜(▲)的系统的温度曲线的比较，图25呈现了不具有透镜的测量系统，其中：15-MLX90614检测器，16和17LZ1-00DB05二极管(最大工作电流为1200mA)，18-利用电磁辐射照射的平面(由铜制成并覆盖有氧化铜的板)，图26图25是不具有透镜的测量系统，其中：19-MLX90614检测器，20UV二极管，21透镜，22利用电磁辐射照射的平面(聚合物板)。
具体实施方式
示例1
图1呈现了借助于具有微处理器的专用控制器(3)用于在体积点(其坐标为Δx,Δy,Δz)处控制温度的方法，其中，辐射源(2)可以是激光器、LED二极管或压电陶瓷换能器。根据本发明的检测器(1)可以是热电或热电偶传感器，其吸收最大热辐射所在的红外范围内的辐射。
示例2
图2呈现了源的系统用于通过使用各种辐射能量源(4、5、6)的叠置来使空间中和材料表面上随时间变化的体积温度场和平面温度场成形并对其进行控制。
示例3
呈现在图3A和图3B中的本发明的另一实施例呈现了借助于控制各个辐射能量源(7、8、9)的强度并通过调整源的数量来生成温度场的方法。图3A呈现了电磁波源之一以较高的幅值辐射时的情况，而图3B呈现了电磁波源之一的辐射幅值减小时的情况(10、11、12)。
示例4
本发明的又一实施例使得能够使用透镜(14)，以便倍增有效的辐射能量源(13)。通过使用各种透镜并调整辐射能量源的数量，实际上可以随时间变化在体积或表面上形成任何温度曲线并对该温度曲线进行控制(图4)。
示例5
图5呈现了在被照射平面的横截面中的许多点处测量的随施加到电磁波源的电流变化的温度值。另一方面，图6呈现了取决于施加到电磁波源的电流，在一点处测量的温度随时间的变化。图7描绘了测量的温度随流过电磁波源的电流的线性增加。
示例6
图8A至图13B呈现了对于因使用根据本发明的方法而产生的为电磁波源供电的各种电流值而言在平坦表面上的温度曲线的形状。
示例7
图14A至图20B呈现了对于因在具有透镜的系统中使用根据本发明的方法而产生的为电磁波源供电的各种电流值而言在平坦表面上的温度曲线的形状。
示例8
图21描绘了在具有透镜的系统中，测量的温度随流过电磁波源的电流的线性增加。另一方面，图22呈现了在具有透镜的系统中取决于施加到电磁波源的电流，在一点处测量的温度随时间变化。图23呈现了在将使波阵面曲线成形的透镜放置在源与被照射表面之间时，随施加到电磁波源的电流变化在被照射平面的横截面中的许多点处测量的温度值。图24呈现了借助于透镜(■)修改的波阵面与不具有透镜(▲)的波阵面的比较。
示例9
图25呈现了一种测量系统，该测量系统包括MLX90614检测器(15)、电磁辐射源——LZl-00DB05二极管、1200mA的最大工作电流(16、17)和利用电磁辐射照射的平面(18，由铜制成并覆盖有氧化铜的板)以使平面波阵面成形。
示例10
图26呈现了一种测量系统，该测量系统包括MLX90614检测器(19)、电磁辐射源——UV二极管(20)、透镜(21)和利用电磁辐射照射的平面(由聚合物制成的平面板22)以借助于透镜使波阵面成形。

Claims (3)

1.一种用于控制温度的装置，其特征在于，所述装置包括电磁波源(1)，如激光器或二极管或超声波发生器，所述电磁波源通过线连接到具有微处理器的专用控制器(3)，所述具有微处理器的专用控制器通过线连接到热辐射检测器(2)，如热电检测器或热电偶检测器，所述电磁波源和所述热辐射检测器被放置成彼此之间的夹角α介于0°至180°之间。
2.一种用于生成电磁辐射波阵面曲线的方法，其特征在于，通过将所述电磁辐射源彼此叠置，或者通过改变传递到所述电磁辐射源的功率而不超过所述源的最大功率，或者通过将透镜或透镜的系统放置在一个或更多个电磁波源之前，而根据电磁辐射源的系统来生成所述波阵面曲线的形状。
3.根据权利要求1定义的装置用于使用根据权利要求2生成的波阵面曲线来生成温度场曲线的用途。
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