CN205209245U

CN205209245U - 一种基于高频加热的微型管式黑体炉

Info

Publication number: CN205209245U
Application number: CN201521107316.7U
Authority: CN
Inventors: 丁英丽; 才勇智
Original assignee: Liaoning Institute of Science and Technology
Current assignee: Liaoning Institute of Science and Technology
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2025-12-28

Abstract

一种基于高频加热的微型管式黑体炉属于测量；测试技术领域，尤其是涉及一种基于高频加热的微型管式黑体炉结构的改进。本实用新型提供一种功耗低、效率高的一种基于高频加热的微型管式黑体炉。一种基于高频加热的微型管式黑体炉，包括外壳，其特征在于：外壳内部设有衬套，衬套内设有金属导体棒，在金属导体棒外缠绕有螺线管线圈；在衬套内设有热电偶，热电偶连接PID温控器，PID温控器通过高频振荡器连接驱动器,驱动器输出端连接螺线管线圈。

Description

一种基于高频加热的微型管式黑体炉

技术领域

本实用新型是属于测量；测试技术领域，尤其是涉及一种基于高频加热的微型管式黑体炉结构的改进。

背景技术

黑体的主要功能是产生一定温度下的标准辐射。因此在温度计量中主要用于检定各种辐射温度计，如光学高温计、红外温度计、红外热像仪等。

随着科学技术的发展，黑体的用途已经不局限于在温度计量方面的应用。在光学方面，已经普遍采用黑体作为标准辐射源和标准背景光源。在测量领域里，黑体已经用于测量材料的光谱发射、吸收和反射特性。在高能物理的研究中，黑体已经用作为产生中子源。

不同的用途对黑体的要求是不一样的。在温度计量领域，主要是利用黑体辐射和温度的对应关系，因此要求黑体的发射率越高越好。要求黑体的辐射能量按照光谱分布（也就是黑体光谱辐射能量、也称为单色能量）都能符合普朗克定律，这样我们在检定或校准辐射温度计时，以黑体的温度（或标准辐射温度计）的示值，来修正辐射温度计的偏差。因此在选择黑体时通常是选择发射率较高的腔式黑体，同时也要注意黑体腔口直径，温度均匀性和辐射温度不确定度。

在光学应用中，通常要求辐射源的辐射面积较大，但是温度不高，只关注辐射面的温度均匀性而不一定关注辐射能量与温度对应的准确性，因此选择面源黑体较多。但随着科学技术的发展，现在光学应用中也已经用到大口径的高温黑体，但对发射率的要求可以低一点，达到0.98以上即可，像某些腔些黑体的直径可以达到65mm，发射率达到了0.995，也非常适合做红外的校验。

近30年来，红外技术已经广泛地应用于民用，如红外资源卫星、红外气象卫星、红外加热、红外干燥、医用红外、红外测温等，同时开始了民用黑体产品的研究。尤其是近20年来，红外温度计的广泛应用，作为红外温度计检定用的主要设备－黑体的市场需求量增加，这促进了黑体技术向产品化传化的进度。

对黑体技术的研究，尤其是对黑体发射率技术的研制，从20世纪50年代开始，一直是断断续续地进行着。国内一些大学，对黑体发射率进行研究，并根据辐射换热原理，对当时的黑体产品研究出一套发射率的计算方法。同时，形成了对圆柱形黑体腔，腔体长度和腔口之比（称为形腔比）为一个固定的模式。

目前用于教学的黑体炉普遍采用较粗的合金丝螺旋缠绕加热的经典方式，其热损耗较大，体积庞大，耗散功率一般在1500W以上，并具有温升缓慢的缺点。

实用新型内容

本实用新型就是针对上述问题，提供一种功耗低、效率高的一种基于高频加热的微型管式黑体炉。

为实现本实用新型的上述目的，本实用新型采用如下技术方案，一种基于高频加热的微型管式黑体炉，包括外壳，其特征在于：外壳内部设有衬套，衬套内设有金属导体棒，在金属导体棒外缠绕有螺线管线圈；在衬套内设有热电偶，热电偶连接PID温控器，PID温控器通过高频振荡器连接驱动器,驱动器输出端连接螺线管线圈；所述驱动器包括推动变压器Tr2，Tr2的原线圈端连接高频振荡器的输出端，变压器Tr2的第一个副线圈连接MOS管T1的栅极，MOS管T1的漏极连接电阻R1一端、电容C1一端和整流桥BR1正输出端，MOS管T1的源极连接电容C3一端，电容C3另一端连接变压器Tr1原线圈一端；电容C1另一端和电阻R1另一端连接电容C2一端、电阻R2一端和变压器Tr1原线圈另一端，电容C2和电阻R2另一端接地；变压器Tr2的第二个副线圈连接MOS管T2的栅极，MOS管T2的漏极连接电容C3一端；在整流桥的输入端连接220V电源。

作为一种优选方案，所述PID温控器包括运算放大器LM324-1、运算放大器LM324-2、比较器LM324-3和推动器LM324-4，热电偶输出端通过电阻R3连接LM324-1的同相输入端，LM324-1的反向输入端通过电阻R7接地，LM324-1的输出端通过电阻R8连接LM324-1的反向输入端；LM324-1的输出端连接LM324-2的同相输入端，LM324-2的反向输入端通过电阻R10接地，LM324-2的输出端通过电阻R11接LM324-2的反向输入端；LM324-2的输出端通过电阻R12连接LM324-3的同相输入端；+5V电源连接滑线变阻器R18一端、电阻R16一端和电阻R14一端；滑线变阻器R18的滑动端连接电阻R15一端、电阻R18另一端和电阻R17一端，电阻R15另一端和电阻R14另一端均连接电容C7一端和推动器LM324-4同相输入端；换线变阻器另一端、电阻R17另一端和电容另一端接地；推动器LM324-4的输出端连接比较器LM324-3的反向输入端；LM324-3的输出端连接光耦作为高频振荡器的开关。

进一步地，在热电偶输出端与放大器LM324-1同相输入端之间设置稳压电路；所述稳压电路由电容C5、电感L1和电容C6构成。

作为一种优选方案，所述高频振荡器以SG3525芯片为核心，PID温控器的输出端连接SG3525芯片的2引脚和16引脚；SG3525的11引脚及14引脚作为推挽输出端。

作为又一种优选方案，在220V电源与整流桥之间连接有熔断器F1。

作为另一种优选方案，在外壳前侧设有喇叭口，喇叭口尖端对应金属导体棒端部，在喇叭口内设有铝箔膜；设置铝箔膜可增强辐射效率。

作为一种优选方案，与喇叭口相对应地、在喇叭口前端设有热电堆探头，热电堆探头通过辐射放大器连接PC机；所述的辐射放大器包括LF357运算放大器，热电堆探头的输出端连接LF357放大器的反向输入端，LF357运算放大器的输出端连接AD538芯片的2引脚，AD538芯片的Vo引脚作为输出端与PC机相连，热电偶通过温度变送器连接AI-808温控器，AI-808温控器连接PC机。

本实用新型的有益效果。

本实用新型构建低功率微型加热装置，使得低功耗高效的实验装置成为可能，这对辐射类测温实验的低成本开通具有积极的意义，也极大提高学习专业知识的主动性和积极性。同时，能取代旧式的电阻炉，大幅度降低实验及研究的运行成本，积极响应的节能减排的绿色理念，亦具有积极的意义。另外，还具有以下优点：（1）结构简单可靠，不容易出现合金丝机构容易出现的烧芯现象；（2）在较高温度下，稳定性好；（3）发热芯没有引线困扰，芯体可以制成管状结构，加工灵活简单；（4）发热均匀，效率高。

附图说明

图1是本实用新型原理图。

图2是本实用新型PID温控器电路图。

图3是本实用新型高频振荡器电路图。

图4是本实用新型驱动器电路图。

图5是本实用新型辐射放大器电路图。

图中，1为热电堆探头、2为喇叭口、3为金属导体棒、4为螺线管线圈、5为衬套、6为热电偶。

具体实施方式

如图1所示，一种基于高频加热的微型管式黑体炉，包括外壳，其特征在于：外壳内部设有衬套，衬套内设有金属导体棒，在金属导体棒外缠绕有螺线管线圈；在衬套内设有热电偶，热电偶连接PID温控器，PID温控器通过高频振荡器连接驱动器，驱动器输出端连接螺线管线圈。

如图2所示，所述PID温控器包括运算放大器LM324-1、运算放大器LM324-2、比较器LM324-3和推动器LM324-4，热电偶输出端通过电阻R3连接LM324-1的同相输入端，LM324-1的反向输入端通过电阻R7接地，LM324-1的输出端通过电阻R8连接LM324-1的反向输入端；LM324-1的输出端连接LM324-2的同相输入端，LM324-2的反向输入端通过电阻R10接地，LM324-2的输出端通过电阻R11接LM324-2的反向输入端；LM324-2的输出端通过电阻R12连接LM324-3的同相输入端；+5V电源连接滑线变阻器R18一端、电阻R16一端和电阻R14一端；滑线变阻器R18的滑动端连接电阻R15一端、电阻R18另一端和电阻R17一端，电阻R15另一端和电阻R14另一端均连接电容C7一端和推动器LM324-4同相输入端；换线变阻器另一端、电阻R17另一端和电容另一端接地；推动器LM324-4的输出端连接比较器LM324-3的反向输入端；LM324-3的输出端连接光耦作为高频振荡器的开关。

图中Sensor为K型热电偶产生mV级电压通过R3接在运算放大器LM324-1同相输入端，为了保证工作在负反馈状态，输出电压通过反馈电阻R8接到反相输入端，同时反相输入端通过R4、R7接地。为保证运算放大器相对于地面的电阻一致，对阻值的要求R3=R4，R2=R7。同相比例运算电路中反馈组态为电压串联负反馈，可以运用理想运放工作在线性区的两个特点来分析输出输入关系。根据“虚短”和“虚断”的特点可知，具体输入输出关系为：LM321-1的输出U01=（1+R8/R4）Ui=25Ui，所述Ui为LM324-1的输入电压。即运算放大器LM324-1实现输入电压的25倍放大。同理，LM324-2实现输入电压的10倍放大。LM324-4实现推动器功能，用于阻抗隔离，将电阻网络的分压值（即参比控温电压）给LM324-3作比较。LM324-3未接反馈电阻，作电压比较器，其输出接光耦给高频振荡器，用于振荡器的开关。

如图3所示，所述高频振荡器以SG3525芯片为核心，PID温控器的输出端连接SG3525芯片的2引脚和16引脚；SG3525的11引脚及14引脚作为推挽输出端。

高频振荡器采用图3的结构，该结构采用SG3525为核心，SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。设计频率为125KHz，SG3525的P11和P14为推挽输出。

如图4所示，所述驱动器包括推动变压器Tr2，Tr2的原线圈端连接高频振荡器的输出端，变压器Tr2的第一个副线圈连接MOS管T1的栅极，MOS管T1的漏极连接电阻R1一端、电容C1一端和整流桥BR1正输出端，MOS管T1的源极连接电容C3一端，电容C3另一端连接变压器Tr1原线圈一端；电容C1另一端和电阻R1另一端连接电容C2一端、电阻R2一端和变压器Tr1原线圈另一端，电容C2和电阻R2另一端接地；变压器Tr2的第二个副线圈连接MOS管T2的栅极，MOS管T2的漏极连接电容C3一端；在整流桥的输入端连接220V电源。

进一步地，在220V电源与整流桥之间连接有熔断器F1。

图中220V的交流市电经过熔断器、整流桥BR1变成直流，C1和C2为储能电容，对C1和C2进行充能。R1和R2为阻值120K的泄放电阻。Tr2为推动变压器，由于n1和n2为同名端的，而n3绕组接SG3525的推挽信号，所以在n1和n2绕组产生相位相反的信号，使得MOS管T1和T2轮番导通，充能电容C1和C2储存的电能，在由Tr1和C3组成张弛电路中释放，从而在Tr1次级侧产生感应功率信号。感应功率信号经由导线接入螺线管线圈，从而推动螺线管线圈进一步作高频加热。

如图1所示，在外壳前侧设有喇叭口，喇叭口尖端对应金属导体棒端部，在喇叭口内设有铝箔膜；设置铝箔膜可增强辐射效率。

与喇叭口相对应地、在喇叭口前端设有热电堆探头，热电堆探头通过辐射放大器连接PC机。

如图5所示，所述的辐射放大器包括LF357运算放大器，热电堆探头的输出端连接LF357放大器的反向输入端，LF357运算放大器的输出端连接AD538芯片的2引脚，AD538芯片的Vo引脚作为输出端与PC机相连。

金属导体发热后其前端会向喇叭口周围的曲面以外辐射热信号。用热电堆接收辐射信号并通过测温电路放大到1～5V。由于辐射信号不稳定，所以增加一个基于AD538芯片的线性化电路。

如图1所示，热电偶通过温度变送器连接AI-808温控器，AI-808温控器连接PC机。

本实用新型使用过程为：辐射热源的产生源于高频加热。当螺线管线圈通入一定频率的交变电流时，线圈周围随即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使螺线管线圈与衬套间产生封闭的感应电流--涡流。在高频涡流的作用下，电能快速转换为内能，对金属导体棒进行加热。随着螺线管线圈内部金属导体温度的升高产生辐射热源。衬套采用铝箔制成，在空隙并不大的金属导体棒与螺线管线圈之间填充了隔热纤维棉，既达到了保护螺线管线圈的作用更延长其使用寿命。除了利用水泥固定螺线管线圈以外在衬套与PVC管之间完完全全填充了纤维棉，做到密不透光来模拟黑体环境。隔热部分绝热层使用了高效隔热纤维棉，从而保证黑体环境的近似模拟。为了更好地提高辐射效率，喇叭口表面做了反射表面增强处理贴上了一层铝箔。力求辐射效率达到最高。

Claims

1.一种基于高频加热的微型管式黑体炉，包括外壳，其特征在于：外壳内部设有衬套，衬套内设有金属导体棒，在金属导体棒外缠绕有螺线管线圈；在衬套内设有热电偶，热电偶连接PID温控器，PID温控器通过高频振荡器连接驱动器,驱动器输出端连接螺线管线圈；所述驱动器包括推动变压器Tr2，Tr2的原线圈端连接高频振荡器的输出端，变压器Tr2的第一个副线圈连接MOS管T1的栅极，MOS管T1的漏极连接电阻R1一端、电容C1一端和整流桥BR1正输出端，MOS管T1的源极连接电容C3一端，电容C3另一端连接变压器Tr1原线圈一端；电容C1另一端和电阻R1另一端连接电容C2一端、电阻R2一端和变压器Tr1原线圈另一端，电容C2和电阻R2另一端接地；变压器Tr2的第二个副线圈连接MOS管T2的栅极，MOS管T2的漏极连接电容C3一端；在整流桥的输入端连接220V电源。

2.根据权利要求1所述的一种基于高频加热的微型管式黑体炉，其特征在于：所述PID温控器包括运算放大器LM324-1、运算放大器LM324-2、比较器LM324-3和推动器LM324-4，热电偶输出端通过电阻R3连接LM324-1的同相输入端，LM324-1的反向输入端通过电阻R7接地，LM324-1的输出端通过电阻R8连接LM324-1的反向输入端；LM324-1的输出端连接LM324-2的同相输入端，LM324-2的反向输入端通过电阻R10接地，LM324-2的输出端通过电阻R11接LM324-2的反向输入端；LM324-2的输出端通过电阻R12连接LM324-3的同相输入端；+5V电源连接滑线变阻器R18一端、电阻R16一端和电阻R14一端；滑线变阻器R18的滑动端连接电阻R15一端、电阻R18另一端和电阻R17一端，电阻R15另一端和电阻R14另一端均连接电容C7一端和推动器LM324-4同相输入端；换线变阻器另一端、电阻R17另一端和电容另一端接地；推动器LM324-4的输出端连接比较器LM324-3的反向输入端；LM324-3的输出端连接光耦作为高频振荡器的开关。

3.根据权利要求2所述的一种基于高频加热的微型管式黑体炉，其特征在于：在热电偶输出端与放大器LM324-1同相输入端之间设置稳压电路；所述稳压电路由电容C5、电感L1和电容C6构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于高频加热的微型管式黑体炉，其特征在于：所述高频振荡器以SG3525芯片为核心，PID温控器的输出端连接SG3525芯片的2引脚和16引脚；SG3525的11引脚及14引脚作为推挽输出端。

5.根据权利要求1所述的一种基于高频加热的微型管式黑体炉，其特征在于：在220V电源与整流桥之间连接有熔断器F1。

6.根据权利要求1所述的一种基于高频加热的微型管式黑体炉，其特征在于：在外壳前侧设有喇叭口，喇叭口尖端对应金属导体棒端部，在喇叭口内设有铝箔膜。

7.根据权利要求6所述的一种基于高频加热的微型管式黑体炉，其特征在于：与喇叭口相对应地、在喇叭口前端设有热电堆探头，热电堆探头通过辐射放大器连接PC机；所述的辐射放大器包括LF357运算放大器，热电堆探头的输出端连接LF357放大器的反向输入端，LF357运算放大器的输出端连接AD538芯片的2引脚，AD538芯片的Vo引脚作为输出端与PC机相连。