CN114281123A - 一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，包括：液氮容器(1)、均温板A(2)、支撑结构(3)、柔性导热链(4)、均温板B(5)、加热棒(6)、三通结构件(7)、电磁阀A(8)、电磁阀B(9)、温度传感器(10)、液位温度传感器(11)、杜瓦管(12)和温度控制器(13)。利用液氮容器(1)提供均匀冷参考面，利用均温板A(2)、支撑结构(3)、柔性导热链(4)构成的阵列、均温板B(5)组成一个热阻可重构的传热网络，利用均温板B(5)、加热棒(6)、三通结构件(7)、电磁阀A(8)、电磁阀B(9)构成兼顾加热升温和快速降温的调温体，简化为仅需要调节加热参数，从而解决无法实现定标源自动控制。

Description

一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置

技术领域

本发明涉及一种自动控温装置，特别是一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置。

背景技术

微波辐射计是一种接收物体自然辐射的高灵敏度接收机。多年来的研究成果表明：不同物体虽然辐射特性(或辐射亮温)不相同但相互之间的差异并不大，同一物体在不同条件下的辐射亮温虽然有一定差异，但通常也很小，微波辐射计必须经过统一、精确、可靠的定标，即：用辐射计去接收一个微波辐射特性精确已知的定标源的辐射信号，来精确构造出辐射计电信号输出与接收到的辐射量值之间的定量关系，才能保证被动式遥感信息的准确性和应用价值。辐射计定标源通过精确控制辐射体的物理温度，可以使辐射体输出一个精确已知的信号。传统辐射计定标源的工作原理如附图1所示。温度控制器根据输入的温度信息来控制制冷和加热，制冷通过控制液氮阀门通断完成，加热通过电阻器件实现。

当仅需要加热功能时，现有成熟的温度控制仪表已经可以实现加热的自动控制，只需要输入设定温度值，后面的控温不再需要人为干预。微波辐射计定标源一般需要-190℃到60℃之间工作，必须使用制冷手段，液氮是目前几乎唯一可选的制冷媒质。

传统方案的问题出现在制冷的控制原理，即通过控制液氮的通断来进行制冷，原因如下：液氮容器压力不能长时间保持稳定，尤其是在液氮罐较满以及液氮量较少时，液氮罐内压力参数和冷量供给之间的函数关系很难确定，无法实现自动反馈控制；液氮阀门与定标源之间有几米到十几米的液氮管路，开始进入管路的液氮先被汽化，这会造成温度控制参数产生很大的滞后性从而导致大幅度温度波动；液氮和氮气混合物的注入容易受各种结构边界条件影响，也会造成注入的冷量不断波动。归纳起来就是传统控温方案难以实现自动控制的关键在于制冷通道很难提供一个稳定的制冷量供给。为满足温度控制要求，辐射计定标源变温过程需要不断的人为干预。辐射计定标过程耗时普遍较长，例如星载辐射计定标试验一般至少持续20天，如果无法实现自动控制将消耗很大的人力资源，由此导致的定标时间延长也会明显的增加经济成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，解决以往装置液氮罐内压力参数和冷量供给之间的函数关系很难确定，无法实现自动反馈控制，温度控制参数产生很大的滞后性从而导致大幅度温度波动，液氮和氮气混合物的注入容易受各种结构边界条件影响，也会造成注入的冷量不断波动的问题。

一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，包括：液氮容器、均温板A、支撑结构、柔性导热链、均温板B、加热棒、三通结构件、电磁阀A、电磁阀B、温度传感器、液位温度传感器、杜瓦管和温度控制器。

液氮浸泡到液氮容器中，液氮容器内部的上部固定有液位温度传感器，均温板A的一面全部紧密贴合在液氮容器的一面，液氮容器和均温板A之间涂抹导热脂。均温板A的底部与液氮容器的底部齐平，温度传感器固定位置高于均温板A的顶端，液氮的上液面高于液位温度传感器。均温板A与均温板B形状相同，均温板A另一面和均温板B一面之间的边缘通过一圈支撑结构进行连接。支撑结构为耐低温绝热结构，支撑结构的圈内均匀分布多个柔性导热链，柔性导热链一端与均温板A另一面固定，柔性导热链另一端与均温板B一面固定，均温板A和均温板B保持平行状态。均温板B内部有加热棒。三通结构件输入端与液氮容器输出口连接，三通结构件一个输出端与电磁阀A连接，电磁阀A与均温板B连接，三通结构件另一个输出端与电磁阀B连接。三通结构件分别与液氮容器、电磁阀A、电磁阀B通过杜瓦管连接，均温板B与电磁阀A通过杜瓦管连接。温度控制器分别与加热棒、电磁阀A、电磁阀B、温度传感器、液位温度传感器连接。

优选的，柔性导热链包括：两个铜制法兰盘和一根粗铜丝或铜带。一个铜制法兰盘与均温板A连接，另一个铜制法兰盘与均温板B连接，粗铜丝或铜带焊接到两个法兰盘中间，柔性导热链的总长度大于支撑结构的高度。

优选的，通过改变两个法兰盘中间铜丝或铜带的粗细或长短，改变单个柔性导热链的热阻。

优选的，多个柔性导热链构成一个二维阵列，调节阵列中柔性导热链的位置对不同局部位置的热阻进行调节。

优选的，均温板A和均温板B的形状是圆形或方形。

优选的，均温板B内部安装多个温度传感器。

优选的，均温板A为铝合金。

优选的，均温板B为铝合金。

优选的，支撑结构材料为聚醚醚酮或聚砜。

优选的，加热棒为圆柱形棒体。

本发明的有益效果：

本发明所述自动控温装置将传统的加热和制冷两路控制参数调节简化为仅需要调节加热参数，可以解决传统控温方式参数受液氮供给链路影响大，需要频繁人工干预的问题，可以实现液氮到室温温区的自动控温。

附图说明

图1是传统定标源温度控制方式的示意图；

图2是一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置的示意图；

图3是均温板A的示意图；

图4是柔性导热链的示意图。

1.液氮容器 2.均温板A 3.支撑结构

4.柔性导热链 5.均温板B 6.加热棒

7.三通结构件 8.电磁阀A 9.电磁阀B

10.温度传感器 11.液位温度传感器 12.杜瓦管

13.温度控制器

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图2为一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置示意图，图3为均温板A2示意图，图4为柔性导热链4示意图。本发明利用液氮容器1提供均匀冷参考面；利用均温板A2、支撑结构3、柔性导热链4构成的阵列、均温板B5组成一个热阻可重构的传热网络；利用均温板B5、加热棒6、三通结构件7、电磁阀A8、电磁阀B9构成兼顾加热升温和快速降温的调温体；杜瓦管12、温度传感器10、液位温度传感器11、温度控制器13用于以上结构连接和测量控制。最终将传统的加热和制冷两路控制参数调节简化为仅需要调节加热参数，从而解决目前控温方式因液氮容器1压力不稳定、液氮和氮气混合物比例不稳定、液氮管路对通入液氮和氮气混合物影响不确定等因素导致的无法实现定标源自动控制，经常需要人工干预调整控制参数的问题。

1、液氮容器1

液氮容器1用于存储液氮，为均温板A2提供一个冷参考面，两者之间需涂抹导热脂。液氮容器1具有一个液氮/氮气输入口，使用时只需要液位不低于内部的液位温度传感器11即可。由于是液氮直接浸泡到容器内部，所以只要液位高于液位温度传感器11就可以保证液氮容器1与均温板A2接触表面的温度长时间保持稳定。而保证液位高于液位温度传感器11的控制完全可以自动实现。这种控制方式对液氮如何进入液氮容器1无特殊要求，液氮容器1压力不稳定、液氮和氮气混合物比例不稳定、液氮管路对通入液氮和氮气混合物影响都不会改变液氮容器1与均温板A2接触表面的温度。液氮容器1的氮气输出口与三通结构件7连接。与传统变温装置最大的区别在于本装置中的液氮用于提供一个恒定的低温面，也就是一个固定的冷量输出。而传统装置是使用液氮在每一个温度点提供不同的制冷量。从控制方式上将传统方式需要精确控制模拟量，即液氮的准确注入量，变为高于或低于液位传感器的控制，类似于一个数字量。

使用液氮容器1另一个明显优点是可以长时间保持输出冷量稳定。传统控温方式中一次注入控温体内的液氮在十毫升量级，控温体内贮存的液氮在百毫升量级。当液氮罐压力不足时，需要更换的时间一般在3-5分钟，重新调整控温参数的时间在10分钟以上。这是因为新换的液氮罐压力与被更换的液氮罐压力不一致，上一组控制参数失效，必须重新人工调节。而液氮容器1在液氮中断供给时，只要液面高于液位传感器就不会对控温造成任何影响，有效维持时间远远大于更换液氮罐时间。新换的液氮罐不论压力如何，只要液氮能快速注入液氮容器1就可以无间断的继续试验，为长时间不间断考核辐射计的性能指标提供了可能。

2、均温板A2

均温板A2为铝合金材料，主要用于连接液氮容器1，以及由支撑结构3、柔性导热链4、均温板B5组成的热阻可重构的传热网络。均温板与液氮容器通过螺钉固定，周围一圈为支撑结构3，与柔性导热链4阵列通过螺钉孔/或胶粘的方式固定。柔性导热链4均匀分布在均温板A2的另一个表面。均温板A2的形状可以是圆形、方形或其他形状，主要由辐射体的形状来确定。

3、支撑结构3

支撑结构3用于连接支撑均温板A2和均温板B5，使均温板A2和均温板B5保持平行状态。因为液氮容器1维持在液氮温度(常压下为零下196摄氏度)，均温板A2与液氮容器1紧密贴合，因此均温板A2的温度约等于液氮温度。而均温板B5与被控辐射体相连，温度可能为液氮到室温的任意温度。所以需要支撑结构3将均温板A2和均温板B5在热边界条件上进行隔离，并在结构上牢固连接，以便后续的变温控制。

4、柔性导热链4

柔性导热链4由两个铜制法兰盘和一根粗铜丝或铜带构成。一个铜制法兰盘与均温板A2连接，另一个铜制法兰盘与均温板B5连接。粗铜丝或铜带焊接到两个法兰盘中间，但导热链4的总长度大于支撑结构3的高度。

柔性导热链4的作用有两点，一是调节均温板A2和均温板B5之间的整体热阻；二是调谐均温板A2和均温板B5不同位置上的热阻。通过改变两个法兰盘中间铜丝或铜带的粗细或长短就可以改变单个柔性导热链4的热阻。多个柔性导热链4构成一个二维阵列，调节阵列中柔性导热链4的位置就可以对不同局部位置的热阻进行调节。第一个作用的意义如下：当温度控制装置整体的保温效果较好时，辐射体不需要很多冷量就可以被降低到很低的温度，因此计算时可以依据辐射体需要的最低制冷量来设计单个柔性导热链4的热阻和所需的柔性导热链4数目，即粗铜丝或铜带的几何参数。导热链的参数计算好后，最终传递到辐射体的温度实际上仅由均温板B5上的加热棒6来控制，容易实现自动化。第二个作用的意义如下：当结构和环境的综合影响使调温体2的某个区域需要更多冷量时，可以将该区域柔性导热链4中的铜丝或铜带加粗，而其他区域内柔性导热链4中的铜丝或铜带保持不变即可，这就是可重构热桥网络的意义。

必须采用柔性导热链4的原因如下：如中间是采用刚性金属棒的金属法兰来连接，在300mm～500mm口径范围内，受均温板A2和均温板B5平行度以及导热单元自身长度公差的影响，以及低温时均温板A2和均温板B5位置相对形变的影响，很难保证几百个刚性连接导热单元都能始终与均温板A2和均温板B5紧密连接。而采用柔性导热链4就可以很好地解决此问题。另外，增加或减小刚性连接导热单元的热阻的成本明显高于柔性导热链4。还有一些时候均温板A2和均温板B5并不是平行放置，此时柔性导热链4体现出比刚性连接导热单元更大的安装灵活性。

引入柔性导热链4产生的问题是辐射体降温过程会变慢，本装置通过引入三通结构件7、电磁阀A8、电磁阀B9来解决此问题。

5、均温板B5

均温板B5为铝合金材料，形状可以是圆形、方形或其他形状，主要由辐射体的形状来确定。均温板B5的另一个表面与支撑结构3和柔性导热链4连接，是可重构传热网络的一部分。在均温板B5内部还安装多个温度传感器10，用于监测温度均匀性。在均温板B5内部有一组加热棒6，可以在温度控制器13的控制下为被控制辐射体提供加热能量，而加热的自动控制相对制冷容易实现，且只要不断电就可以长时间保持稳定。

6、加热棒6

加热棒6为圆柱形棒体，安装在均温板B5的内部。在温度传感器10和温度控制器13的作用下提供加热功率。

7、三通结构件7

引入柔性导热链4产生的问题是辐射体降温过程会变慢，需要引入三通结构件7、电磁阀A8、电磁阀B9解决此问题。辐射计定标试验时通常先将辐射体降至最低工作温度点。因此注入的液氮越接近均温板B5降温速率就越快。液氮容器1内液氮的挥发会产生低温氮气，当内部的液氮很满时会发生溢出。通过一个三通结构件7，输入端与液氮容器1输出口连接；两个输出端一个通过电磁阀A8与均温板B5连接，另一个通过电磁阀B9和杜瓦管12与外界空间连通。当需要给均温板B5快速降温时，只需要关闭电磁阀B9，打开电磁阀A8，并通过温度控制器13不断向液氮容器1注入液氮就可以实现。当不需要给均温板B5快速降温时，只需要关闭电磁阀A8，打开电磁阀B9，就可以将多余氮气排到开放空间。当需要给均温板B5快速降温时，只需要关闭电磁阀B9，打开电磁阀A8，温度控制器13通过电磁阀A8将液氮容器1中的液氮向均温板B5注入就可以实现。

8、电磁阀A8

用于控制进入均温板B5液氮/氮气的通断，用来实现均温板B5的快速降温。

9、电磁阀B9

用于配合电磁阀A8控制进入均温板B5液氮/氮气的通断；常开时使氮气排出到自由空间。

10、温度传感器10

温度传感器10用于为均温板A2、支撑结构3、柔性导热链4构成的阵列、均温板B5组成的热阻可重构传热网络反馈结构调整的信息。根据不同位置温度传感器10数据，可以对可重构传热网络中柔性导热链4进行相应调整。

11、液位温度传感器11

液位温度传感器11用于判断液氮容器1内液面高度，一旦液面低于液位温度传感器11时其温度会马上升高。温度控制器13根据液位温度传感器11温度变化判断是否向其注入液氮。

12、杜瓦管12

用于液氮容器1、三通结构件7、电磁阀A8、电磁阀B9之间的互联以及将多余氮气排到开放空间。液氮容器1有杜瓦管12输入口，均温板B5和电磁阀B9分别有杜瓦管12输出口。

13、温度控制器13

根据液位温度传感器11信息判断是否需要加注液氮；在均温板B5快速降温阶段，根据温度传感器10控制注入的液氮量，此时关闭电磁阀B9，打开电磁阀A8；根据温度传感器10数值控制提供给加热棒6功率的大小。

解决的技术问题：

本发明公开了一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，所述微波辐射计定标源的自动控温装置包括：液氮容器1、均温板A2、支撑结构3、柔性导热链4、均温板B5、加热棒6、三通结构件7、电磁阀A8、电磁阀B9、温度传感器10、液位温度传感器11、杜瓦管12、温度控制器13。

本发明利用液氮容器1提供均匀冷参考面；利用均温板A2、支撑结构3、柔性导热链4构成的阵列、均温板B5组成一个热阻可重构的传热网络；利用均温板B5、加热棒6、三通结构件7、电磁阀A8、电磁阀B9构成兼顾加热升温和快速降温的调温体；杜瓦管12、温度传感器、液位温度传感器11、温度控制器13用于以上结构连接和测量控制。最终将传统的加热和制冷两路控制参数调节简化为仅需要调节加热参数，从而解决目前控温方式因液氮容器1压力不稳定、液氮和氮气混合物比例不稳定、液氮管路对通入液氮和氮气混合物影响不确定等因素导致的无法实现定标源自动控制，经常需要人工干预调整控制参数的问题。

本发明的技术方案：

一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，所述微波辐射计定标源的自动控温装置包括：液氮容器1、均温板A2、支撑结构3、柔性导热链4、均温板B5、加热棒6、三通结构件7、电磁阀A8、电磁阀B9、温度传感器10、液位温度传感器11、杜瓦管12、温度控制器13。

本发明利用液氮容器1提供均匀冷参考面，只需关注液氮容器1是否满足一定液位高度要求，而不需要想传统方案定量化控制每次液氮注入量；

利用均温板A2、支撑结构3、柔性导热链4构成的阵列、均温板B5组成一个热阻可重构的传热网络，通过调整柔性导热链4的分布，可以精细化调整温度分布实现均匀的温度场；

利用均温板B5、加热棒6、三通结构件7、电磁阀A8、电磁阀B9构成可重构形式的调温体，在实现加热升温的同时，可以选择将液氮容器1中的液氮或低温氮气注入均温板B5，从而实现均温板B5的快速降温。

最终将传统的加热和制冷两路控制参数调节简化为仅需要调节加热参数，从而解决目前控温方式因液氮容器1压力不稳定、液氮和氮气混合物比例不稳定、液氮管路对通入液氮和氮气混合物影响不确定等因素导致的无法实现定标源自动控制，经常需要人工干预调整控制参数的问题。

本发明的有益效果：

本发明所述自动控温装置将传统的加热和制冷两路控制参数调节简化为仅需要调节加热参数，可以解决传统控温方式参数受液氮供给链路影响大，需要频繁人工干预的问题，可以实现液氮到室温温区的自动控温。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，包括：液氮容器(1)、均温板A(2)、支撑结构(3)、柔性导热链(4)、均温板B(5)、加热棒(6)、三通结构件(7)、电磁阀A(8)、电磁阀B(9)、温度传感器(10)、液位温度传感器(11)、杜瓦管(12)和温度控制器(13)；

液氮浸泡到液氮容器(1)中，液氮容器(1)内部的上部固定有液位温度传感器(11)，均温板A(2)的一面全部紧密贴合在液氮容器(1)的一面，液氮容器(1)和均温板A(2)之间涂抹导热脂；均温板A(2)的底部与液氮容器(1)的底部齐平，温度传感器(10)固定位置高于均温板A(2)的顶端，液氮的上液面高于液位温度传感器(11)；均温板A(2)与均温板B(5)形状相同，均温板A(2)另一面和均温板B(5)一面之间的边缘通过一圈支撑结构(3)进行连接；支撑结构(3)为耐低温绝热结构，支撑结构(3)的圈内均匀分布多个柔性导热链(4)，柔性导热链(4)一端与均温板A(2)另一面固定，柔性导热链(4)另一端与均温板B(5)一面固定，均温板A(2)和均温板B(5)保持平行状态；均温板B(5)内部有加热棒(6)；三通结构件(7)输入端与液氮容器(1)输出口连接，三通结构件(7)一个输出端与电磁阀A(8)连接，电磁阀A(8)与均温板B(5)连接，三通结构件(7)另一个输出端与电磁阀B(9)连接；三通结构件(7)分别与液氮容器(1)、电磁阀A(8)、电磁阀B(9)通过杜瓦管(12)连接，均温板B(5)与电磁阀A(8)通过杜瓦管(12)连接；温度控制器(13)分别与加热棒(6)、电磁阀A(8)、电磁阀B(9)、温度传感器(10)、液位温度传感器(11)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，柔性导热链(4)包括：两个铜制法兰盘和一根粗铜丝或铜带；一个铜制法兰盘与均温板A(2)连接，另一个铜制法兰盘与均温板B(5)连接，粗铜丝或铜带焊接到两个法兰盘中间，柔性导热链(4)的总长度大于支撑结构(3)的高度。

3.根据权利要求2所述的一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，通过改变两个法兰盘中间铜丝或铜带的粗细或长短，改变单个柔性导热链(4)的热阻。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，多个柔性导热链(4)构成一个二维阵列，调节阵列中柔性导热链(4)的位置对不同局部位置的热阻进行调节。

5.根据权利要求1所述的一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，均温板A(2)和均温板B(5)的形状是圆形或方形。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，均温板B(5)内部安装多个温度传感器(10)。

7.根据权利要求1、2或5所述的一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，均温板A(2)为铝合金。

8.根据权利要求1、2或5所述的一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，均温板B(5)为铝合金。

9.根据权利要求1或2所述的一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，支撑结构(3)材料为聚醚醚酮或聚砜。

10.根据权利要求1所述的一种用于微波辐射计定标源的自动控温装置，其特征在于，加热棒(6)为圆柱形棒体。

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