CN113654666A - 一种内外分离且稳定的红外测温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内外分离且稳定的红外测温装置，涉及红外测温技术领域，包括测温装置和测温通道；所述测温通道从设备外壁延伸至设备内部；所述测温装置设置于所述测温通道位于设备外端的一侧。通过设置隔离装置，隔离装置将检测空间与被检测空间分离，并采用充气、抽气等方法，保证两个空间隔离。隔离管延伸至被测物体附近，隔离管阻隔了设备内粉尘及物料挥发物等进入测温通道，阻隔了被测对象被沉积物改变表面状态，阻隔了被测通道被堵塞，阻隔了视镜玻璃被污染，避免了被测对象不能固定或运动场合的测温，提高温度检测的准确性。

Description

一种内外分离且稳定的红外测温装置

技术领域

本发明涉及红外测温技术领域，特别是涉及一种内外分离且稳定的红外测温装置。

背景技术

红外测温技术是一种在线式高科技检测技术，它具有远距离、不接触、不取样、不解体，又具有快速、直观等特点。在航空航天、医疗、电子、农业、冶金等行业有着广泛的应用。但由于是非接触式测温，容易受到环境因素的干扰，影响其检测准确性，限制了使用。

红外测温能达到-50℃～3000℃应用范围。但这不能由一种型号的红外测温仪来完成。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。红外测温是根据波长划分测温范围的，高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处，也有双波结合的，但成本高且长波易受污染测温不准。即使是短波抗干扰性强，在高温多粉尘及物料挥发物，被测对象被沉积物改变表面状态，被测通道被堵塞，视镜玻璃被污染，被测对象不能固定场合的测温等条件下，也存在测温不准的问题。

随着科技的发展，高温设备、超高温设备的需求也越来越多，且对温度的控制要求也越来越严格。如碳化硅单晶生长需要在2200℃-2400℃设备中完成，即便是很小的温差也会生长出不同晶型的单晶，氮化铝成形需要在1900℃设备中完成。就拿氮化铝来说，目前氮化铝烧结炉温度控制多采用热电偶监测控温，而热电偶存在高温下寿命短的问题，在1900℃使用条件下，平均每7天就需要更换一次热电偶，且由于高温下热电偶测温的不稳定性，导致高温时测温不准，造成温度控制不准。如果采用红外测温，省去了热电偶损坏的更换费用。但是使用红外测温，由于测温条件的限制，测得的温度还是存在精度不高的问题。一般高温设备、超高温设备内部由石墨及碳纤维制品组成整个热场，粉尘较多。高温下设备内部件及处理物(简称物料)挥发非常严重，高浓度的粉尘及挥发物会导致被测物红外辐射能量被大量散射，降低了红外辐射能量传播的通畅度，造成红外测温仪测温偏差，满足不了生产工艺的需求，粉尘及挥发物会沉积到视镜玻璃上，导致视镜污染，造成测温通路堵塞，严重影响测温准确性。在高温、压力的共同作用下，物料由于饱和蒸气压的关系会挥发损耗，就算是钼坩埚或氮化硼坩埚，表面也会挥发，使得被测表面发生变化，表面状态变得极不稳定，导致红外测温不准。碳化硅长晶设备也存在相同的问题，高温、粉尘及挥发物、再加上坩埚旋转，被测物品被测点表面不断发生变化，视镜污染等因素，整个测温就会不准，对单晶生产带来负面影响。

总结：在工业用高温设备、超高温设备中，影响红外测温准确性的因素有以下几点：

1.粉尘的影响。由碳纤维、石墨制品本身产生的粉尘、细小纤维，这种粉尘、细小纤维会随着气流冲刷不断产生，每次生产烧结时都会产生，并且很难清理。粉尘在测温通道上，影响测温光路；粉尘粘附在视镜玻璃上，测温通路堵塞，影响测温精度。

2.物料挥发的影响。高温真空下，物料挥发严重，真空度越高，挥发越严重，压力越大，挥发越少。但是就算在压力气氛下，1800℃以上物料也会产生微量颗粒物。挥发物沉积在被测物表面从而改变被测物表面状态，影响测温度精度；挥发物阻隔测温通路，挥发物沉积在视镜玻璃上，污染视镜玻璃，造成测温通路堵塞，影响测温精度。

3.表面稳定性的影响。有些高温设备中被测物体会旋转、振动或者上下运动，被测表面相对不稳定，会影响红外测温的准确性。就算静止固定的被测物，坩埚及密封箱或处理物也会定期更换或维护，表面位置会发生变化，破坏了表面稳定性，从而影响测温精度。

4.被测物体发射率变化的影响。发射率表面辐射和吸收的能力，它是材料的固有性质，测温时，选用不同发射率材料直接影响测温结果，然而，它随着表面条件如形状、波长和温度等因素的变化而变化。如坩埚或处理物更换，由于材料纯度等因素变动，其黑体值(发射率)会变动，影响测温精度。

5.是否精确瞄准被测物，如果被测物被测面很小，或表面形状不平整，包括红外测仪与被测点红外辐射光线方向的角度，相对距离等，红外测温仪上的测量准心就很难对准被测表面，影响测温精度。

6.被测物体表面粗糙度影响。红外测温最好不用于光亮或抛光的金属表面的测温，会影响测温精度，而坩埚如钼坩埚由于表面较光亮，或处理物本身为金属制品，表面光亮，就会影响测温精度。

7.通路沉积堵塞影响。尽管有坩埚或密封箱保护，在处理物处理过程中，还是会有处理物熔化后气化沉积在炉内部件表面，如SiC晶体，沉积物附着于坩埚或密封箱表面，甚至沉积在视镜玻璃上，污染视镜玻璃，影响测温精度。

8.控制器不仅吸收被测物体的辐射，而且把临近物体的辐射也计算在内，从而带来误差，如发热体在密封箱被测面附近，发热体辐射的光线会影响到背景光线的稳定，从而影响测温精度。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种内外分离且稳定的红外测温装置，用于对设备中的温度测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种内外分离且稳定的红外测温装置，包括测温装置和测温通道；所述测温通道从设备外壁延伸至设备内部；所述测温装置设置于所述测温通道位于设备外端的一侧。

可选的，所述测温通道包括隔离装置；所述隔离装置将设备内腔体隔离为检测空间和被检测空间；所述隔离装置从设备外壁延伸至设备的密封箱外壁处，或，所述隔离管从设备外壁延伸至被测物体处。

可选的，所述隔离装置包括隔离管、封头、隔热套和视镜；所述隔离管靠近测温对象一侧设有所述封头，所述封头的形状为平板或弧形板；所述封头面向测温对象的一面为传导面，所述封头面向所述测温装置的一面为检测面；所述隔离管与封头的材质相同或不同，所述隔离管与封头为分体或一体。

可选的，所述隔离管上设有隔热套。

可选的，所述隔离管和所述封头材质为碳或石墨、金属、陶瓷、以上材料的复合材料。

可选的，所述隔离管位于设备外端的一侧，设置有进出气口，所述进出气口用于充气或抽气；所述进出气口与所述隔离管相通。

可选的，所述隔离管位于设备外壁的一端设置有视镜法兰、视镜、视镜盖和密封件；所述视镜设于所述视镜法兰与所述视镜盖之间，所述视镜与所述视镜盖之间设有密封件密封。

可选的，所述隔离管内外表面或所述封头传导面和检测面经表面处理，所述表面处理包括镀膜或涂层或氧化或粗糙度处理。

可选的，所述镀膜或涂层处理材料为TaC或NbC或PG或PBN或SiC。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的内外分离且稳定的红外测温装置，通过设置隔离装置，把设备腔体内分为了检测空间(隔离装置内)和被检测空间(隔离装置外)，并通过充气或抽气的方式，使设备内部两空间分离，即测温通道内外分离。且隔离管的安装后的稳定性和通过隔离管的表面处理方法等稳定性，有效地将影响红外测温的问题解决掉。1.隔离装置使设备内产生的粉尘，物料挥发物及将沉积在视镜玻璃上的沉积物阻隔在了管外，同时进行充气或抽气的方式，充气是为了在相对密封或不能做到完全密封的情况下，管内压力大于管外压力，实现内外分离，保证了两个空间的隔离。抽气，是在完全密封的情况下，进行抽真空或抽气控制，使管内膨胀的气体能被带出，使管内不被撑破。2.隔离管安装后固定不动，隔离管靠近测温对象一侧设有封头，封头有二个面，面向测温对象的一面为传导面，面向红外测温装置的一面为检测面，测温对象和封头都在热场辐射范围内，相互间都通过辐射对流的方式，检测面与测温对象温度基本一致。检测面长期不动稳定，红外测温仪透过视镜玻璃接收检测面辐射的红外能量进行测温工作，解决了被测物表面因运动维护更换等不稳定问题造成的测温影响。3.检测面和视镜都在管内，由于内外分离，管外干扰条件影响不到管内。4.检测面材质极少更换，解决了被测物因改变材质等原因造成的发射率变化而造成测温影响的问题。5.隔离管的设置同时方便了红外测温仪对焦，检测面为靶，测准点容易对准靶心。6.隔离管的设置同时解决了被测物表面光亮等粗糙度对测温的影响，被测物材质或表面不可随意变动，检测面可以通过表面处理来提高测温精度。7.隔离管的设置，也解决了发热体等辐射光线影响到被测物表面的背景光线的影响问题，检测面在隔离管内，不受临近物辐射造成背景光线对测温的影响。

隔离管与封头选择可以多样性且更换方便，可以一体也可以分体，隔离管与封头材质可以相同也可以不同。隔离管与封头表面可以进行表面处理以达到更稳定的表面，提高测温精度。

由于隔离管的设置，加大了设备选择性，同时也解决了设备其它问题。如在SiC长晶设备上，原技术红外测温口对应于坩埚上方隔热门处开设了测温孔，由于开孔处没有隔热材保温，隔热门测温孔处热量散失较快，导致对应的坩埚表面热量散失严重，晶体径向温度变差，会影响晶体径向生长，良率不高。隔离装置的设置，将测温孔处的空白填充掉，且隔离管采用导热率低的材质，减少导热，并且外部增加保温，减少热量散失，使测温孔处的温度不丢失，保持坩埚整个表面受热温度均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为发明设备A空间与B空间分离测温效果图；

图2为本发明内外分离且稳定的红外测温装置应用于带密封箱炉型设备上的示意图；

图3为本发明内外分离且稳定的红外测温装置的结构示意图；

图4为本发明内外分离且稳定的红外测温装置应用于不带密封箱炉型设备上的示意图；

图5为本发明内外分离且稳定的红外测温装置应用于方形腔体的结构示意图；

图6为本发明内外分离且稳定的红外测温装置应用于SiC感应加热长晶设备上的示意图；

图7为原技术红外测温装置应用于SiC石墨加热长晶设备上的示意图；

图8为本发明内外分离且稳定的红外测温装置应用于SiC石墨加热长晶设备上的示意图；

附图标记说明：1、隔离管；2、检测面；3、密封箱；4、炉内壁；5、冷却水；6、隔热套；7、测温装置；8、隔热门；9、隔热筒；10、发热体；11、粉尘；12、封头；13、测温孔；14、进出气口；15、设备腔体；16、被测物体；18、上炉盖；19、感应线圈；20、石英管；21、升降旋转机构；22、石英坩埚；23、炉膛；24、石墨发热体；

81、视镜法兰；82、视镜盖；83、视镜；84、密封件。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，隔离管1的设置，将设备内分为两个空间，A空间和B空间，A空间为处理物放置处理空间，称为被检测空间(隔离管外)，B空间为测温通道空间，称为检测空间(隔离管内)。只要将A和B空间分离出来，使B空间的测温效果不受A空间的条件干扰，再加上B空间自身的稳定性就能解决测温精度问题。A空间和B空间隔离的方法有以下方法：1.隔离管无法完全密封时，对隔离管进行充气，做到隔离管内压力大于隔离管外压力，使隔离管内外分离，管内测温不受管外条件干扰。2.隔离管完全密封时，B空间不受A空间影响，B空间内部如膨胀等问题可通过抽气实现。B空间和A空间也可分别进行压力控制实现。具体实施例如下：

实施例一：

如图2和3所示，本实施例提供一种内外分离且稳定的红外测温装置，包括测温装置7和测温通道；所述测温通道从设备外壁延伸至设备内部；所述测温装置7设置于所述测温通道位于设备外端的一侧。

所述的设备包括高温设备或超高温设备，同样也适用于低温设备，如温度低于1600℃的设备。

测温装置7可以采用红外测温仪。

于本具体实施例中，如图2和图3所示，测温通道包括隔离管1，隔离管1设置在测温口，隔离管1传导面与密封箱3壁接近，密封箱3和隔离管1在热场辐射范围内，由发热体10发热，通过辐射和对流传热，密封箱3与隔离管1检测面2温度基本一致，在隔热筒9内的部件温度基本偏差很小，到了隔热筒9外部，由于无保温材，热量会散失，为了保持隔离管1热量不被散失掉而影响测温，在隔热筒9外部设有隔热套6，防止隔离管1热量散失。隔离管1另一端与视镜法兰81连接，由于温度较高，视镜法兰81上设有冷却水，使密封件84不受隔离管1温度传导到法兰上而损坏密封性能。隔离管1的设置将设备内测温通道隔离出来，实现测温通道内外分离，通道内不受通道外条件影响，通道内保持通道干净，检测面稳定，提高了测温精度。

于更具体的实施例中，隔离管1和封头12采用石墨，石墨具有优异的导热性，超耐热性，热稳定性，且石墨的黑体值(放射率)接近1，隔离管1一端设有螺纹拧在视镜法兰81上，视镜法兰81上设有进出气口14，进出气口14与隔离管1内部通径相通，封头12上设有螺纹与隔离管1连接，保护气体通过进出气口14充入隔离管1内，隔离管1内气压大于隔离管1外压力，实现隔离管1内外气氛分离。一方面保证了管内外压力平衡，另一方面保证了隔离管1内光路通道干净。而石墨表面粗糙，对红外辐射无反射影响，提高了红外测温精度。另外从方案选择上，封头12的材质可随时更换，也便于表面热处理，可以在隔离管1表面设置SiC或TaC或致密热解六方BN涂层，以解决隔离管1表面在高温下的损耗及挥发问题，如涂TaC等耐高温材料涂层，能减少例SiC的侵蚀或沉积在传导面。封头12采用热导率高的材料，能减少检测面与被测物体的温差，提高测温精度。进出气口14位于视镜玻璃附近，保护气体充入时起到对视镜玻璃吹扫作用，保证视镜玻璃干净无污染，提高了测温准确性。

实施例二：

如图4所示，本实施例中，被测物体直接放入设备内，没有密封箱或坩埚保护，被测物体更容易挥发跑到设备内各处，且容易烧融气化后沉积到视镜玻璃上，造成通道沉积堵塞。隔离管1从设备外壁延伸至被测物体处。隔离管1封头检测面不受隔离管1外部条件影响。隔离管1设计成圆形，隔离管1也起到靶向的作用，测温装置7对焦镜头只要对准隔离管1内检测面2中心就可，便于瞄准，解决了无密封箱3及无坩埚设备中瞄准难的问题。

实施例三：

如图5所示，本实施例中，隔离管1完全密封，一般采用钨、钼等金属材料，金属管内较干净，隔离管1内测温不受隔离管1外条件影响，隔离管1内由于高温产生气体膨胀问题，可以通过对进出气口14进行抽气解决，使隔离管内保持真空或抽气控制，也可以隔离管内和管外的压力分别控制，如隔离管外压力控制在100KPa，隔离管内压力保持在大气压状态。金属管发射率值低的问题，可以通过内表面氧化处理来提高发射率值接近1。隔离管1检测面光亮等影响测温反射可以通过改变表面粗糙度解决。隔离管如果存在挥发严重，表面可以采用SiC，TaC、致密热解六方BN等涂层，或者采用气相沉积PVD法或化学气相沉积CVD法的方法镀膜，如SiC，TaC镀膜，使减少表面挥发。

实施例四：

如图6所示，本实施例中，将内外分离且稳定的红外测温装置应用于SiC感应加热长晶设备上。在感应炉中，隔离管和封头可以采用不导磁的材料，如氮化硼BN，避免磁场在隔离管和封头上产生涡流，涡流产生温度，影响测温的精度。

实施例五：

如图8所示，本实施例中，将内外分离且稳定的红外测温装置应用于SiC石墨加热长晶设备上。SiC石墨加热长晶设备原技术(如图7所示)为了测温，在隔热门8上对应于测温口的位置开设测温孔13，测温孔13处没有隔热材的保护，测温孔13处的坩埚表面热量损失严重，晶体径向温度变差，会影响晶体径向生长。为了解决此问题，并提高测温的精度，将隔离管1伸入测温孔，隔离管1可以采用导热低的材料，如陶瓷、CFC复合材料等，隔离管1如图8所示，隔离管与封头采用分离式，封头12剖面呈U形，封头12整个埋入隔热门8中，将测温孔处的空白填充掉，封头12采用导热率低的材料，以减少导热，并且外部增加保温隔热套6，减少热量散失，使测温孔处的温度不丢失，保持坩埚整个表面受温度均匀，隔热套6的设置，同时也减少隔离管1的热散失，提高测温精度。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种内外分离且稳定的红外测温装置，其特征在于，包括测温装置和测温通道；所述测温通道从设备外壁延伸至设备内部；所述测温装置设置于所述测温通道位于设备外端的一侧。

2.根据权利要求1所述的内外分离且稳定的红外测温装置，其特征在于，所述测温通道包括隔离装置；所述隔离装置将设备内腔体隔离为检测空间和被检测空间；所述隔离装置从设备外壁延伸至设备的密封箱外壁处，或，所述隔离管从设备外壁延伸至被测物体处。

3.根据权利要求2所述的内外分离且稳定的红外测温装置，其特征在于，所述隔离装置包括隔离管、封头、隔热套和视镜；所述隔离管靠近测温对象一侧设有所述封头，所述封头的形状为平板或弧形板；所述封头面向测温对象的一面为传导面，所述封头面向所述测温装置的一面为检测面；所述隔离管与封头的材质相同或不同，所述隔离管与封头为分体或一体。

4.根据权利要求3所述的内外分离且稳定的红外测温装置，其特征在于，所述隔离管上设有隔热套。

5.根据权利要求3所述的内外分离且稳定的红外测温装置，其特征在于，所述隔离管和所述封头材质为碳或石墨、金属、陶瓷，以上材料的复合材料。

6.根据权利要求3所述的内外分离且稳定的红外测温装置，其特征在于，所述隔离管位于设备外端的一侧，设置有进出气口，所述进出气口用于充气或抽气；所述进出气口与所述隔离管相通。

7.根据权利要求3所述的内外分离且稳定的红外测温装置，其特征在于，所述隔离管位于设备外壁的一端设置有视镜法兰、视镜、视镜盖和密封件；所述视镜设于所述视镜法兰与所述视镜盖之间，所述视镜与所述视镜盖之间设有密封件密封。

8.根据权利要求3所述的内外分离且稳定的红外测温装置，其特征在于，所述隔离管内外表面或所述封头传导面和检测面经表面处理，所述表面处理包括镀膜或涂层或氧化或粗糙度处理。

9.根据权利要求8所述的内外分离且稳定的红外测温装置，其特征在于，所述镀膜或涂层处理材料为TaC或NbC或PG或PBN或SiC。

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