基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，包括黑體空腔，在黑體空腔一端設(shè)有均溫塊，均溫塊內(nèi)中心位置設(shè)有溫度傳感器，在黑體空腔外均溫塊表面緊貼有半導(dǎo)體片，半導(dǎo)體片表面緊貼設(shè)有散熱系統(tǒng)，在黑體空腔內(nèi)均溫塊表面經(jīng)粗糙處理呈毛面，并進(jìn)行涂黑處理，在黑體空腔內(nèi)設(shè)有氮氣吹掃元件，在黑體空腔外周包裹有保溫層，所述的黑體計量爐還包括PCB控溫電路，PCB控溫電路用于根據(jù)溫度控制儀表的輸出調(diào)節(jié)控制半導(dǎo)體片加熱或制冷。該便攜式黑體計量爐為工業(yè)現(xiàn)場中低溫紅外測溫儀的準(zhǔn)確校準(zhǔn)提供了比較穩(wěn)定的校準(zhǔn)源，其方便的可攜帶性、快速的升、降溫速率，可大大提高輻射溫度計校準(zhǔn)工作效率。
【專利說明】
基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種黑體計量爐，尤其涉及一種基于半導(dǎo)體技術(shù)的便攜式黑體計量爐，該便攜式黑體計量爐適用于紅外測溫儀的校準(zhǔn)檢測工作。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外測溫儀在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中主要應(yīng)用于溫度實時監(jiān)測、高溫異常情況報警、監(jiān)視等，尤其在汽車零部件制造、電力消防設(shè)備故障報警和藥品、食品制造過程工藝溫度監(jiān)控等應(yīng)用最為廣泛。因此，各地方計量院所，工廠計量部門以及校準(zhǔn)檢測實驗室均需要精度高，效率好的黑體計量爐對紅外測溫儀進(jìn)行校準(zhǔn)檢測。
[0003]黑體計量爐是校準(zhǔn)檢測紅外測溫儀的主要設(shè)備。目前，紅外輻射測溫技術(shù)已經(jīng)開始從傳統(tǒng)的中高溫測溫領(lǐng)域向常溫甚至是低溫應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，與之相對應(yīng)的黑體技術(shù)也向低溫領(lǐng)域發(fā)展，然而國內(nèi)的公司、高等院校以及研究機構(gòu)研制的黑體爐要么采用恒溫介質(zhì)，要么在結(jié)構(gòu)上采用球式腔體，這就造成了黑體爐體積龐大、比較笨重，難以運輸?shù)浆F(xiàn)場，無法滿足在線式紅外測溫儀的校準(zhǔn)要求;另一方面，體積小、重量輕的進(jìn)口精密黑體爐易受工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境條件的干擾，而升降溫時間不夠快。因此，開發(fā)出一種升降溫速度快、測溫準(zhǔn)確度高、攜帶方便的黑體計量爐，對于解決工業(yè)現(xiàn)場的需求是十分有用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種升降溫速度快、測溫準(zhǔn)確度高的基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐。
[0005]本發(fā)明的基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，包括圓筒狀的黑體空腔，在黑體空腔一端設(shè)有均溫塊使得圓筒該端封閉，均溫塊內(nèi)中心位置設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器用于將檢測的溫度反饋至溫度控制儀表，在黑體空腔外均溫塊表面緊貼有半導(dǎo)體片，半導(dǎo)體片表面緊貼設(shè)有用于帶走半導(dǎo)體片熱量的散熱系統(tǒng)，在黑體空腔內(nèi)均溫塊表面經(jīng)粗糙處理呈毛面，并采用滲碳發(fā)黑法對毛面及腔體內(nèi)壁進(jìn)行涂黑處理，在黑體空腔內(nèi)設(shè)有用于向腔體內(nèi)吹掃氮氣以阻隔外部水汽進(jìn)入的氮氣吹掃元件，在黑體空腔外周包裹有保溫層，所述的黑體計量爐還包括PCB控溫電路，PCB控溫電路用于根據(jù)溫度控制儀表的輸出調(diào)節(jié)控制半導(dǎo)體片加熱或制冷。
[0006]上述技術(shù)方案中，所述的散熱系統(tǒng)采用CPU水冷頭。
[0007]所述的氮氣吹掃元件呈筒狀，在筒身圓周均勻開有3條通氣槽，筒兩端外周設(shè)有凸緣與黑體空腔腔壁貼合，黑體空腔上開有吹氣孔，氮氣由吹氣孔進(jìn)入黑體空腔與氮氣吹掃元件間的空間由通氣槽吹出。
[0008]所述的均溫塊的毛面采用發(fā)射率為0.95的漫反射涂層材料進(jìn)行涂黑處理。
[0009]所述的黑體空腔的腔口直徑為50_60mm，長度不小于150_。
[0010]所述的溫度控制儀表采用18-DS-S-S-0-0-A-00-0-AL-EE型20V-20mA雙輸出溫度控制儀。
[0011]所述的PCB溫控電路包括電阻RI及R4-R8、光電耦合器UI和U2、CMOS門控電路DI和D2、肖特基二極管D3以及電容Cl和C2;PCB接頭J2、J5之間為+14VDC供電，接頭J7、J5之間為-14VDC供電，接頭J1-1連接U2的引腳2，U2的引腳I連接R5的一端，R5的另一端連接接頭J1-3,接頭J1-4連接UI的引腳2，UI的引腳I連接R4的一端，R4的另一端連接J1-5，UI的引腳4連接R6及R8的一端，Ul的引腳5與R7的一端、Dl的源極、接頭J2以及Cl的正極連接，R6的另一端與Rl的一端、D3的正極相連，D3的負(fù)極連接R7的另一端、DI的柵極以及U2的引腳5，Rl的另一端與D2的柵極相連，R8的另一端連接U2的引腳4、D2的源極、接頭J7以及C2的負(fù)極，DI的漏極、D2的漏極以及接頭J4相連，Cl的負(fù)極、C2的正極與接頭J5相連;接頭J4、J5連接半導(dǎo)體片，接頭Jl-1與J1-3連接溫度控制儀表的0UT1，接頭J1-4與J1-5連接溫度控制儀表的0UT2。
[0012]本發(fā)明的便攜式黑體計量爐，集中采用了圓柱形的短型高發(fā)射率腔體、半導(dǎo)體技術(shù)、抗干擾能力強的PCB控溫電路以及氮氣吹掃技術(shù)，能有效提高紅外測溫儀校準(zhǔn)工作的效率，加快腔體的升降溫速率，且可避免黑體爐受工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境條件的干擾，此外可防止低溫時腔體結(jié)霜。
[0013]本發(fā)明具有的有益效果:
[0014](I)采用可控硅和半導(dǎo)體技術(shù)研制獲得升降溫速度快、便攜的黑體計量爐。
[0015]目前黑體輻射源主要使用加熱絲、硅碳棒等進(jìn)行加熱，由于加熱方式的固有特性，導(dǎo)致黑體輻射源偏離理想黑體，溫度分布不均勻?qū)е驴販氐臒犭娮铚y得溫度不一致，影響輻射溫度計的測量結(jié)果。
[0016]—塊半導(dǎo)體片同時作為熱源和冷源，相較于水浴或油浴作為溫度源的黑體，在重量和體積上具有非常明顯的優(yōu)勢。
[0017](2)采用長徑比小的短型腔體，采用滲碳發(fā)黑法對腔體內(nèi)部和腔底的均溫塊進(jìn)行涂黑加工，獲得發(fā)射率高的腔體。
[0018]該便攜式黑體計量爐為工業(yè)現(xiàn)場中低溫紅外測溫儀的準(zhǔn)確校準(zhǔn)提供了比較穩(wěn)定的校準(zhǔn)源，其方便的可攜帶性、快速的升、降溫速率，可大大提高輻射溫度計校準(zhǔn)工作效率。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明黑體計量爐的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為均溫塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為氮氣吹掃元件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為PCB控溫電路的連接示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0024]如圖1所示，基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，包括圓筒狀的黑體空腔，在黑體空腔一端設(shè)有均溫塊使得圓筒該端封閉，使腔底的溫度均勻，有利于提高腔底發(fā)射率，均溫塊內(nèi)中心位置設(shè)有溫度傳感器(均溫塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示)，溫度傳感器用于將檢測的溫度反饋至溫度控制儀表，在黑體空腔外均溫塊表面緊貼有半導(dǎo)體片，半導(dǎo)體片表面緊貼設(shè)有用于帶走半導(dǎo)體片熱量的散熱系統(tǒng)，在黑體空腔內(nèi)均溫塊表面經(jīng)粗糙處理呈毛面，并進(jìn)行涂黑處理，在黑體空腔內(nèi)設(shè)有用于向腔體內(nèi)吹掃氮氣以阻隔外部水汽進(jìn)入的氮氣吹掃元件，在黑體空腔外周包裹有保溫層，所述的黑體計量爐還包括PCB控溫電路，PCB控溫電路用于根據(jù)溫度控制儀表的輸出調(diào)節(jié)控制半導(dǎo)體片加熱或制冷。
[0025]上述技術(shù)方案中，所述的散熱系統(tǒng)采用CPU水冷頭。選用半導(dǎo)體片作為加熱/制冷源，可達(dá)到腔體快速升降溫的目的。半導(dǎo)體片制冷時，需及時將背面的熱量散去才能保證腔體持續(xù)制冷，故選用CPU水冷頭貼于半導(dǎo)體背面，通過防凍液循環(huán)快速帶走多余的熱量，達(dá)到快速降溫的目的。
[0026]如圖3所示，所述的氮氣吹掃元件呈筒狀，在筒身圓周均勻開有3條通氣槽，通氣槽與筒端面呈30°角，筒兩端外周設(shè)有凸緣與黑體空腔腔壁貼合，黑體空腔上開有吹氣孔，氮氣由吹氣孔進(jìn)入黑體空腔與氮氣吹掃元件間的空間由通氣槽吹出，從而形成氮氣的氣簾，當(dāng)黑體的設(shè)定溫度低于室溫時，可以防止空氣中的水蒸氣在腔體內(nèi)結(jié)霜凝露。
[0027]所述的均溫塊的毛面采用發(fā)射率為0.95的漫反射涂層材料進(jìn)行涂黑處理。均溫塊材質(zhì)可選用導(dǎo)熱性能優(yōu)越的無氧銅的均溫塊。均溫塊內(nèi)部可插入兩支直徑為3_的小型A級鉑電阻，其中一支鉑電阻連接控溫儀表進(jìn)行溫度測量，另一支作為備用。
[0028]所述的黑體空腔的腔口直徑為50_60mm，長度不小于150mm。可以選用腔長為150mm的耐高溫塑料圓柱形腔體根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，輻射溫度計校準(zhǔn)實驗室中600°C以下的中低溫黑體輻射源的腔口尺寸一般在(30?60)mm。實際校準(zhǔn)中，當(dāng)測量目標(biāo)直徑小于30mm時，一般無法準(zhǔn)確得到校準(zhǔn)結(jié)果。根據(jù)有關(guān)規(guī)程的要求，腔底(或腔口)的面積要大于測量目標(biāo)的1.25倍，為了滿足大部分紅外輻射溫度計對靶面大小和視場角要求，黑體空腔的腔口尺寸設(shè)計為50-60mm。黑體空腔的發(fā)射率ε是評價其性能的核心指標(biāo)，經(jīng)理論計算及實驗驗證，采用本發(fā)明的圓筒狀黑體空腔發(fā)射率指標(biāo)符合要求(即發(fā)射率大于0.995)。
[0029]所述的溫度控制儀表采用18-DS-S-S-0-0-A-00-0-AL-EE型20V-20mA雙輸出溫度控制儀。
[0030]所述的PCB溫控電路分加熱制冷輸出兩路，根據(jù)控溫儀表的輸出調(diào)節(jié)輸出給半導(dǎo)體片的電功率大小和電流方向，從而控制半導(dǎo)體片加熱或制冷，以及相應(yīng)的加熱/制冷功率。以達(dá)到溫度過沖小，快速穩(wěn)定在設(shè)定溫度點上的目的。
[0031]如圖4所示，PCB溫控電路具體包括:電阻Rl及R4-R8、光電耦合器UI和U2、CMOS門控電路Dl和D2、肖特基二極管D3以及電容Cl和C2;PCB接頭J2、J5之間為+14VDC供電，接頭J7、J5之間為-14VDC供電，接頭J1-1連接U2的引腳2，U2的引腳I連接R5的一端，R5的另一端連接接頭J1-3，接頭J1-4連接UI的引腳2，UI的引腳I連接R4的一端，R4的另一端連接J1-5，UI的引腳4連接R6及R8的一端，Ul的引腳5與R7的一端、Dl的源極、接頭J2以及Cl的正極連接，R6的另一端與Rl的一端、D3的正極相連，D3的負(fù)極連接R7的另一端、Dl的柵極以及U2的引腳5，RI的另一端與D2的柵極相連，R8的另一端連接U2的引腳4、D2的源極、接頭J7以及C2的負(fù)極，Dl的漏極、D2的漏極以及接頭J4相連，Cl的負(fù)極、C2的正極與接頭J5相連;接頭J4、J5連接半導(dǎo)體片，接頭Jl-1與J1-3連接溫度控制儀表的0UT1，接頭J1-4與J1-5連接溫度控制儀表的0UT2o
[0032]變壓器通過交流轉(zhuǎn)直流橋路后，分別提供到J2、J5之間+14VDC和J7、J5之間-14V供電，從而實現(xiàn)PCB板28V直流供電。PCB板的可控硅控制電路通過光電耦合器Ul、U2隔離變壓器交流信號對精密控制儀表輸出信號的干擾。當(dāng)熱電阻測量溫度低于設(shè)定值時，需要進(jìn)行半導(dǎo)體加熱，控制儀表的OUTl輸出端輸入到Jl的J1-4和J1-5之間相應(yīng)的PffM信號，0UT2無輸出，此時光電親合器Ul的發(fā)光二極管工作，光電親合器U2的發(fā)光二極管截止，可控娃控制系統(tǒng)的CMOS門控電路D2導(dǎo)通，CMOS門控電路DI截止，半導(dǎo)體輸入端J4和J2同向，故實現(xiàn)半導(dǎo)體正向加熱。隨著溫度的升高，熱電阻測量溫度超過黑體設(shè)定值，控制儀表的0UT2輸出端輸入到Jl的Jl-1和J1-3之間的相應(yīng)的PffM信號，OUTl無輸出，此時光電耦合器Ul的發(fā)光二極管截止，光電耦合器U2的發(fā)光二極管工作，可控硅控制系統(tǒng)的CMOS門控電路D2截止，CMOS門控電路Dl導(dǎo)通，半導(dǎo)體輸入端J4和J7同向，實現(xiàn)半導(dǎo)體的反向制冷。在可控硅控制電路中增加了肖特基二極管D3，避免高精度溫度控制器實現(xiàn)對CMOS電路的觸發(fā)中，由于外界干擾和控制儀表的兩個輸出端全部輸出為高電平，導(dǎo)致光電親合器U1、U2的發(fā)光二極管都工作，可控娃控制電路的CMOS門控電路D1、D2全部導(dǎo)通，造成CMOS大電流直接擊穿。經(jīng)過試驗增加肖特基二極管和電阻，實現(xiàn)在環(huán)境干擾脈沖或控制儀表的兩個輸出端全部輸出為高電平時，半導(dǎo)體工作在加熱狀態(tài)，可以完全避免CMOS擊穿問題，實現(xiàn)半導(dǎo)體加熱制冷可靠的工作。
[0033]本發(fā)明黑體計量爐的技術(shù)性能指標(biāo)為:
[0034](I)腔口尺寸:黑體計量爐的腔口直徑為50_60mm ；
[0035](2)溫度測量范圍:(_20?+150)°C，連續(xù)可調(diào)；
[0036](3)測溫與控溫精度:優(yōu)于±0.2°C ;
[0037](4)溫度穩(wěn)定性:0.2°C/8小時；
[0038](5)溫度均勻性:優(yōu)于±0.2Γ;
[0039](6)腔體發(fā)射率:優(yōu)于0.99;
[0040](7)升溫與降溫速率:升溫速率優(yōu)于13 °C /min，降溫速率優(yōu)于18 °C /min。
[0041 ] (8)外形尺寸為:L*W*H(300*274*165)mm，輕便可攜帶。
【主權(quán)項】
1.基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，其特征在于，包括圓筒狀的黑體空腔，在黑體空腔一端設(shè)有均溫塊使得圓筒該端封閉，均溫塊內(nèi)中心位置設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器用于將檢測的溫度反饋至溫度控制儀表，在黑體空腔外均溫塊表面緊貼有半導(dǎo)體片，半導(dǎo)體片表面緊貼設(shè)有用于帶走半導(dǎo)體片熱量的散熱系統(tǒng)，在黑體空腔內(nèi)均溫塊表面經(jīng)粗糙處理呈毛面，并采用滲碳發(fā)黑法對毛面及腔體內(nèi)壁進(jìn)行涂黑處理，在黑體空腔內(nèi)設(shè)有用于向腔體內(nèi)吹掃氮氣以阻隔外部水汽進(jìn)入的氮氣吹掃元件，在黑體空腔外周包裹有保溫層，所述的黑體計量爐還包括PCB控溫電路，PCB控溫電路用于根據(jù)溫度控制儀表的輸出調(diào)節(jié)控制半導(dǎo)體片加熱或制冷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，其特征在于，所述的散熱系統(tǒng)采用CPU水冷頭。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，其特征在于，所述的氮氣吹掃元件呈筒狀，在筒身圓周均勻開有3條通氣槽，筒兩端外周設(shè)有凸緣與黑體空腔腔壁貼合，黑體空腔上開有吹氣孔，氮氣由吹氣孔進(jìn)入黑體空腔與氮氣吹掃元件間的空間由通氣槽吹出。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，其特征在于，所述的均溫塊的毛面采用發(fā)射率為0.95的漫反射涂層材料進(jìn)行涂黑處理。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，其特征在于，所述的黑體空腔的腔口直徑為50-60_，長度不小于150_。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，其特征在于，所述的溫度控制儀表采用18-DS-S-S-0-0-A-00-0-AL-EE型20V-20mA雙輸出溫度控制儀。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于半導(dǎo)體和微型水冷散熱技術(shù)的便攜式黑體計量爐，其特征在于，所述的PCB溫控電路包括電阻Rl及R4-R8、光電耦合器UI和U2、CMOS門控電路DI和D2、肖特基二極管D3以及電容Cl和C2;PCB接頭J2、J5之間為+14VDC供電，接頭J7、J5之間為-14VDC供電，接頭J1-1連接U2的引腳2，U2的引腳I連接R5的一端，R5的另一端連接接頭J1-3,接頭J1-4連接UI的引腳2，UI的引腳I連接R4的一端，R4的另一端連接J1-5，UI的引腳4連接R6及R8的一端，Ul的引腳5與R7的一端、Dl的源極、接頭J2以及Cl的正極連接，R6的另一端與Rl的一端、D3的正極相連，D3的負(fù)極連接R7的另一端、DI的柵極以及U2的引腳5，Rl的另一端與D2的柵極相連，R8的另一端連接U2的引腳4、D2的源極、接頭J7以及C2的負(fù)極，DI的漏極、D2的漏極以及接頭J4相連，Cl的負(fù)極、C2的正極與接頭J5相連;接頭J4、J5連接半導(dǎo)體片，接頭Jl-1與J1-3連接溫度控制儀表的0UT1，接頭J1-4與J1-5連接溫度控制儀表的0UT2。
【文檔編號】G01J5/52GK105865632SQ201610187521
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】熊玉亭
【申請人】浙江省計量科學(xué)研究院