CN211453348U - 一种防爆型制冷红外光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

一种防爆型制冷红外光谱成像装置，包括：防爆壳体；制冷型机芯，设置在防爆壳体内；用于检测气体的红外光谱信息；玻璃窗口，设置在所述防爆壳体的一端；金属防护网，设置在壳体上与玻璃窗口相对位置的外侧。通过制冷型机芯可以检测泄漏气体的红外光谱信息，即使气体与环境温度相同或者气体泄漏很小，也可根据红外光谱的变化检测到气体的泄漏。进而可以更加有效、精确地对气体泄漏进行检测。

Description

一种防爆型制冷红外光谱成像装置

技术领域

本实用新型涉及红外光谱成像领域，特别是指一种防爆型制冷红外光谱成像装置。

背景技术

随着国内化工园区生产规模的大型化，园区内的生产装置分布多且密集，生产加工的物料中易燃易爆的物品种类多，有毒、易燃、易爆气体泄漏事故频发，极易造成重大人员伤亡和财产损失。

目前化工园区气体泄漏监测主要采用的是防爆型热红外成像仪，当出现气体泄漏时，通过泄漏气体与外界环境的温度差异来进行判断。但是防爆型热红外成像仪工作时易受多种辐射源因素干扰，图像对比度低，对泄漏气体的检测精度较低，如果泄漏气体的温度与环境温度相同或相近或者泄漏点非常小时，很难检测到泄漏的发生。因此，亟需一种可用于化工园区的气体泄漏检测装置，可以更加有效、精确地对气体泄漏进行检测。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种防爆型制冷红外光谱成像装置，能够实现快速、高精度、大范围监测气体泄漏。

一种防爆型制冷红外光谱成像装置，包括：防爆壳体；制冷型机芯，设置在防爆壳体内，用于检测气体的红外光谱信息；玻璃窗口，设置在所述防爆壳体的一端；金属防护网，设置在防爆壳体上与玻璃窗口相对位置的外侧。

采用如上结构，通过制冷型机芯可以检测泄漏气体的红外光谱信息，即使气体与环境温度相同或者气体泄漏很小，也可根据红外光谱的变化检测到气体的泄漏。进而可以更加有效、精确地对气体泄漏进行检测。

本实用新型优选，所述制冷型机芯包括红外光谱相机，在所述玻璃窗口相对位置具有镜头；以及用于为红外光谱相机降温的制冷器。

本实用新型优选，所述红外光谱相机的工作波段与所述气体的光谱吸收波段相匹配。

采用如上结构，通过使用与所要检测气体相应波段的红外光谱相机，可以进一步降低其他波段红外信息的影响，更加有效、精确地对气体泄漏进行检测。

本实用新型优选，还包括与所述制冷器抵接，用于为制冷器降温的散热装置。

采用如上结构，可以通过与制冷器抵接的散热装置来辅助制冷器散热，从而保证了防爆型制冷红外光谱成像装置可以长时间稳定运行，消除了温度上升对图像质量的影响。

本实用新型优选，所述散热装置包括：水冷板，设置在防爆壳体内与制冷器抵接；冷却液箱，设置在防爆壳体内；热循环管，为两根连接水冷板与冷却液箱的管道；其中，水冷板与冷却液箱中具有冷却液，可通过热循环管流动。

采用如上结构，给出了散热装置的具体结构，采用水冷的方式辅助制冷器散热，从而保证了防爆型制冷红外光谱成像装置可以长时间稳定运行，消除了温度上升对图像质量的影响。

本实用新型优选，所述散热装置还包括热电制冷器，具有制冷面及制热面，其制冷面与冷却液箱充分接触。

采用如上结构，通过热电制冷器可以将冷却液箱进行制冷，从而提高了散热装置的效率。

本实用新型优选，所述散热装置还包括设置在防爆壳体外部的散热鳍片，散热鳍片与所述制热面充分接触。

采用如上结构，可以通过热电制冷器快速将冷却液箱的热量传递给散热鳍片，通过散热鳍片快速将热量传递到外部空间。

本实用新型优选，还包括设置在热循环管上与所述热电制冷器电连接的温控开关；温控开关可以在冷却液超过一定温度后打开所述热电制冷器。

采用如上结构，可以通过水泵促使冷却液在水冷板与冷却液箱之间的循环，从而提高了热交换的效率。通过温控开关可以使散热装置自动工作，从而保证了防爆型制冷红外光谱成像装置的正常工作。

本实用新型优选，所述玻璃窗口与镜头呈锐角设置。

采用如上结构，使玻璃窗口与镜头呈锐角设置，可以将来自镜头的反射光反射到红外相机的视场以外，从而减弱或消除靶面范围内形成的冷反射黑斑，以提高红外相机的成像质量。

本实用新型优选，所述金属防护网朝向玻璃窗口一侧为深色漫反射面。

采用如上结构，通过使金属防护网朝向玻璃窗口一侧形成深色漫反射面，从而减小其对光线的反射率，从而减少了金属防护网与镜头之间的杂散光的反射，进而减弱或消除靶面范围内形成的冷反射黑斑，以提高红外相机的成像质量。

本实用新型优选，所述玻璃窗口朝向金属防护网一侧镀有类金刚石薄膜；玻璃窗口朝向镜头一侧及镜头外侧镀有增透膜。

采用如上结构，通过在玻璃窗口朝向金属防护网一侧镀有类金刚石薄膜，可以提高玻璃窗口的强度，起到保护作用，具有高硬度、耐磨损和真空摩擦学特性，在保证良好光学性能前提下作为耐磨涂层使用。通过在玻璃窗口朝向镜头一侧及镜头表层镀有增透膜，可以提高玻璃窗口及镜头的透射率，减弱反射率，从而减弱或消除靶面范围内形成的冷反射黑斑，以提高红外相机的成像质量。

附图说明

图1为实施例中防爆型制冷红外光谱成像装置的结构示意图；

图2为图1中前端光学结构安装示意图；

图3为图1中散热装置的结构示意图；

图4为实施例中防爆型制冷红外光谱成像装置长时间工作时机芯的温度曲线图；

图5为比较例中防爆型制冷红外光谱成像装置的结构示意图；

图6为图5中前端光学结构安装示意图。

附图标记说明

防爆壳体1；制冷型机芯2；镜头21；散热孔22；玻璃窗口3；金属防护网4；散热装置5；水冷板51；散热鳍片52；热电制冷器53；冷却液箱54；热循环管55；冷水管551；热水管552；温控开关56；水泵57。

具体实施方式

实施例

下面，结合视图对本申请的防爆型制冷红外光谱成像装置的具体结构进行详细的描述。

图1为实施例中防爆型制冷红外光谱成像装置的结构示意图；图2为图1中前端光学结构安装示意图。如图1、图2所示，本申请的防爆型制冷红外光谱成像装置包括：呈圆柱形筒状的防爆壳体1；防爆壳体1内设置有制冷型机芯2，该制冷型机芯为制冷型红外光谱相机。制冷型机芯2在防爆壳体1内的一端设置有镜头21（指定该端为前端）。制冷型机芯2内的另一端设置有制冷器（未画出），可以对红外光谱相机进行降温，以保证红外光谱相机的正常工作。制冷型机芯2的外周面阵列设置有若干圆形的散热孔22，以便于制冷器进行散热。

由于防爆型制冷红外光谱成像装置通常需要在室内或者室外持续工作，尤其是在夏季室外高温环境下。为了保障防爆型制冷红外光谱成像装置的正常工作，上述制冷器优选斯特林制冷器。斯特林制冷器具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等优点，因此目前大多数制冷型机芯选择其用作为可靠的冷源。但是由于斯特林制冷器的制冷原理，其制冷效果显著的同时，制冷机本身也会产生大量的热量。如果制冷器本身散热不及时就会导致其对制冷型机芯制冷的效果减弱，从而导致制冷型机芯的成像质量下降，并且制冷机寿命变短。为此本实施例中还设置了用于为制冷器散热的散热装置5。

图3为图1中散热装置的结构示意图；如图3所示，防爆壳体1内的后端还设置有散热装置5。包括：设置在前端的水冷板51，水冷板51与上述斯特林制冷器的外部抵接，水冷板51的形状与斯特林制冷器相适配，以使水冷板51与斯特林制冷器的接触面积最大。设置在后端的散热鳍片52，散热鳍片52由防爆壳体1的后端露出，以便于散热。散热鳍片52的前端设置有热电制冷器53，热电制冷器53具有制冷面与制热面，其制热面与散热鳍片52充分接触，其制冷面一侧设置有与其接触的冷却液箱54。热电制冷器53可以将冷却液箱54的热量传递到散热鳍片52，从而降低冷却液箱54及其内部冷却液的温度。

冷却液箱54与水冷板51之间通过热循环管55连接，热循环管55采用聚氨酯(PU)管，由冷水管551与热水管552构成。其中，热水管552上设置有温控开关56以及水泵57，水冷板51、冷却液箱54与热循环管55内具有防冻冷却液。其中，温控开关56与热电制冷器53电连接，温控开关56可以检测冷却液的温度，并根据温度控制热电制冷器53的开闭。本实施例采用乙二醇与水按照一定比例配比混合的液体作为防冻冷却液，以保证冷却液有较大的比热容并且可以防止液体在低温时凝固。

工作时，斯特林制冷器产生的热量通过与水冷板51的接触，将热量传递到冷却液中，通过开启水泵57从而将水冷板51中的冷却液传递至冷却液箱54中。此时温控开关56会检测冷却液的温度，当冷却液温度升高到35℃或者以上时，开启热电制冷器53，否则关闭热电制冷器53。当热电制冷器53开启时，会对冷却液箱54进行制冷，同时热电制冷器53产生的热量通过散热鳍片52与空气交换热量，保证装置温度恒定。图4为实施例中防爆型制冷红外光谱成像装置长时间工作时制冷型机芯的温度曲线图。如图4所示，本散热装置5的散热效果明显，可以长时间将防爆型制冷红外光谱成像装置的温度维持在45℃左右，该散热装置5可以保证防爆型制冷红外光谱成像装置长期稳定的工作。

防爆壳体1前端与镜头21相应位置设置有圆形具有一定厚度的玻璃窗口3，玻璃窗口3可以将镜头21与外界隔离开，以避免外界的气体、灰尘等与镜头21接触而使镜头21受到腐蚀或者污染，同时也可以避免制冷型机芯2出现故障时威胁到化工园区的安全。玻璃窗口3可以由锗或者硅玻璃制成，本实施例中在锗玻璃表面镀制增透膜，使之在中波段2.9μm-3.7μm高透。玻璃窗口3的外侧（前端方向）镀有类金刚石薄膜以增加锗玻璃强度，保护玻璃窗口3。玻璃窗口3的内侧（朝向镜头21一侧）镀有增透膜，以增加透光量。玻璃窗口3的轴心与镜头21的轴心并非是重合的，而呈锐角设置。防爆壳体1的前端在玻璃窗口3外侧位置设置有圆形的金属防护网4，金属防护网4的材质为不锈钢，以保护玻璃窗口3同时满足防爆的冲击要求。金属防护网4朝向玻璃窗口3一侧经过氧化或喷漆等表面处理工艺，以加工成黑色或者灰色漫反射面以减弱金属防护网4对光线的反射率，对减弱红外光谱相机画面的冷反射黑斑现象具有显著的效果。

进一步地，制冷型机芯2工作波段选择与被测气体的光谱吸收波段相匹配的，例如针对烃类VOCs气体优选3μm-3.5μm波段，从而提高检测的灵敏度及精度。

工作时，场景的入射光经过金属防护网4和玻璃窗口3以后，由于镜头21透过率不是100%，入射光会在镜头21上发生反射，反射光一部分透过玻璃窗口3在金属防护网4上形成反射。由于金属防护网4位于玻璃窗口3一侧为黑色或者灰色等深色漫反射面，从而减少了重新进入镜头21的光线。同时，玻璃窗口3的轴心与镜头21的轴心呈锐角设置，从而可以将来自镜头21的反射光全部反射到制冷型机芯2的视场以外，从而消除了红外光谱相机画面因为杂散光入射导致的画面黑斑问题。本实用新型中的玻璃窗口3倾斜角度与所配合使用的制冷型机芯2的镜头21视场角等参数有关，可以根据实际使用的镜头21来调整倾斜角度。如图1、图2所示，本实施例中玻璃窗口3与镜头21的夹角为10°（按照像高6.15mm全视场计算），此时反射进入镜头21的光线超出探测器靶面，冷反射黑斑成像于制冷型机芯2输出图像以外，不会对成像造成影响。

比较例

另外，为了更直观地表现本实用新型的防爆型制冷红外光谱成像装置的技术效果，本申请还提供了比较例。

图5为比较例中防爆型制冷红外光谱成像装置的前端光学结构示意图；图6为图5中前端光学结构安装示意图。如图5、图6所示，比较例中的防爆型制冷红外光谱成像装置与实施例中相比，其不同在于比较例中的玻璃窗口3与镜头21轴心重合，其夹角为0°。比较例中的金属防护网4的材质为不锈钢，未经表面处理。

工作时，场景的入射光经过金属防护网4和玻璃窗口3以后，由于镜头21透过率不是100%，入射光会在镜头21上发生反射，反射光一部分在玻璃窗口3发生反射，部分反射光进入镜头21；另一部分透过玻璃窗口3在金属防护网4上形成反射，部分反射光会透过玻璃窗口3重新进入镜头21。上述进入镜头21的反射光在镜头21中的探测器靶面上成像，形成冷反射黑斑。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，包括：

防爆壳体（1）；

制冷型机芯（2），设置在防爆壳体（1）内，用于检测气体的红外光谱信息；

玻璃窗口（3），设置在所述防爆壳体（1）的一端；

金属防护网（4），设置在防爆壳体（1）上与玻璃窗口（3）相对位置的外侧。

2.根据权利要求1所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，所述制冷型机芯（2）包括红外光谱相机，在所述玻璃窗口（3）相对位置具有镜头（21）；以及用于为红外光谱相机降温的制冷器。

3.根据权利要求2所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，所述红外光谱相机的工作波段与所述气体的光谱吸收波段相匹配。

4.根据权利要求2所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，还包括与所述制冷器抵接，用于为制冷器降温的散热装置（5）。

5.根据权利要求4所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，所述散热装置（5）包括：

水冷板（51），设置在防爆壳体（1）内与制冷器抵接；

冷却液箱（54），设置在防爆壳体（1）内；

热循环管（55），为两根连接水冷板（51）与冷却液箱（54）的管道；

其中，水冷板（51）与冷却液箱（54）中具有冷却液，可通过热循环管（55）循环流动。

6.根据权利要求5所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，所述散热装置（5）还包括热电制冷器（53），具有制冷面及制热面，其制冷面与冷却液箱（54）充分接触。

7.根据权利要求6所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，所述散热装置（5）还包括设置在防爆壳体（1）外部的散热鳍片（52），散热鳍片（52）与所述制热面充分接触。

8.根据权利要求6所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，还包括设置在热循环管（55）上与所述热电制冷器（53）电连接的温控开关（56）；温控开关（56）可以在冷却液超过一定温度后打开所述热电制冷器（53）。

9.根据权利要求5所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，还包括设置在热循环管（55）上的水泵（57）；水泵（57）可驱动冷却液在水冷板（51）与冷却液箱（54）之间循环。

10.根据权利要求2-9任一所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，所述玻璃窗口（3）与镜头（21）呈锐角设置。

11.根据权利要求10所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，所述金属防护网（4）朝向玻璃窗口（3）一侧为深色漫反射面。

12.根据权利要求10所述的防爆型制冷红外光谱成像装置，其特征在于，所述玻璃窗口（3）朝向金属防护网（4）一侧镀有类金刚石薄膜；玻璃窗口（3）朝向镜头（21）一侧镀有增透膜。

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