改進的防爆熱成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供了一種防爆熱成像系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括：防爆殼體，具有被配置為允許熱輻射通過的窗口。紅外相機位于所述防爆殼體內(nèi)并且被布置為接收通過所述窗口的熱輻射并對該熱輻射進行成像。發(fā)射目標被布置在所述紅外相機的視場內(nèi)，但是在所述窗口的與所述紅外相機相對的側(cè)。溫度傳感器可操作地連接到所述紅外相機并且被配置為提供對所述發(fā)射目標附近的溫度的指示。
【專利說明】改進的防爆熱成像系統(tǒng)
【背景技術】
[0001] 紅外相機一般通過與標準相機使用可見光來形成圖像相似的方式，使用紅外輻射 來形成圖像。然而，紅外相機一般利用更長的波長照明（諸如14,000納米)操作。紅外相機在 多種應用中發(fā)揮著重要作用，以提供對圖像范圍中存在熱對象的非接觸指示。此外，在一些 情境下，紅外相機可以被校準，使得可以從紅外相機提供的圖像直接獲得表面溫度的指示。
[0002] 紅外相機尤其有用的一個環(huán)境是過程控制和監(jiān)控。在這種環(huán)境下，諸如石化、漿 料、藥物化合物等的過程流體可以被處理并被傳送到過程處理設施中的各個位置。然而，過 程控制和監(jiān)控環(huán)境對于多種設備的挑戰(zhàn)在于:環(huán)境本身可能存在高度易燃或易爆氣體。因 此，在一些這樣的環(huán)境中，將在其中使用的電子設備容納在防爆外殼中是很重要的。當被如 此容納時，即使設備的電路產(chǎn)生了火花或者其電組件具有高到可以點燃環(huán)境的表面溫度， 產(chǎn)生的燃燒也將被完全收容在外殼中而不會逃逸到周圍環(huán)境中。這對于確保在其中的過程 控制安裝和工人的安全而言是很重要的。
[0003] 防爆等級的一個示例是用于潛在爆炸性氣體的Ex d標準EN60079-0和EN60079-1 的ATEX認證。一般來說，防爆殼體是較為龐大的，以具有足夠的機械魯棒性以在不破裂的情 況下將內(nèi)部爆炸收容在內(nèi)。一般而言，這種防爆殼體是被設計為能夠承受爆炸壓力的非常 魯棒的金屬外殼。然而，對于設備而言，諸如依賴于環(huán)境的光感測的紅外相機，外殼必須容 納某種形式的透明窗口，以允許紅外相機能夠看到環(huán)境。用于允許紅外能量通過的傳統(tǒng)窗 口材料是易碎的，并且不能夠在沒有一些損傷的情況下承受太多沖擊。然而，為了將爆炸壓 力收容在內(nèi)并且滿足沖擊要求，窗口必須較厚。此外，在一些應用中，必須在窗口前方設置 某種形式的防護裝置。這可能會限制紅外能量。因此，對于紅外相機的防爆要求可能會限制 紅外相機的效率。提供適合于危險過程安裝的紅外相機/防爆殼體組件將代表著在這種安 裝中使用紅外相機的重要進步。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 提供了一種防爆熱成像系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括:防爆殼體，具有被配置為允許熱輻射 通過的窗口。紅外相機位于所述防爆殼體內(nèi)，并且被布置為接收通過所述窗口的熱輻射并 對該熱輻射進行成像。在一些實施例中，在窗口的前方布置網(wǎng)防護裝置以在拋射物與設備 接觸的情況下保護窗口。發(fā)射目標被布置在所述紅外相機的視場內(nèi)，但是在所述窗口的與 所述紅外相機相對的側(cè)。溫度傳感器可操作地連接到所述紅外相機并且被配置為提供對所 述發(fā)射目標附近的溫度的指示。在一些實施例中，這使得可以關于圖像的剩余部分補償網(wǎng) 防護裝置。
【附圖說明】
[0005] 圖1是根據(jù)本實用新型實施例的在防爆殼體內(nèi)容納的工業(yè)紅外相機的示圖。
[0006] 圖2是根據(jù)本實用新型實施例的具有高發(fā)射目標的網(wǎng)防護裝置的示圖。
[0007] 圖3是根據(jù)本實用新型實施例的在防爆殼體中布置的紅外相機的示圖。
[0008] 圖4是根據(jù)本實用新型實施例的在危險環(huán)境中操作紅外相機的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0009] 當在危險環(huán)境中使用紅外相機時，如上所述，相機通常被設置在防爆殼體內(nèi)。紅外 技術需要由特殊材料制成的光學窗口，如果這種材料遭到物理沖擊則有被損壞的風險。因 此，為了減小窗口遭受這種沖擊的幾率，使用網(wǎng)防護裝置或其他物理結構來保護殼體的紅 外窗口不受沖擊。雖然這種網(wǎng)防護裝置有益于減小或消除沖擊，但是它也可能影響紅外相 機的操作。例如，網(wǎng)防護裝置可能會潛在地阻擋相機的部分視場和/或減弱紅外圖像。此外， 長時間后或者響應于特定事件或損壞，紅外窗口本身會變臟。這可能導致測量的劣化。
[0010] 本實用新型的實施例總體上將參考溫度傳感器和發(fā)射目標布置在紅外相機的窗 口的外部，但是在相機的視場之內(nèi)。在一些實施例中，參考溫度傳感器是布置在網(wǎng)防護裝置 上的電阻溫度設備，以提供用于相機的參考溫度測量點。此外，來自RTD的溫度測量可以用 于補償防護裝置的減弱，以及用于在信號受到鏡片或窗口可能變臟以及由于窗口的透射效 果而造成的信號減小的影響時補償信號。
[0011] 圖1是根據(jù)本公開實施例的容納在防爆殼體中的工業(yè)紅外相機的示圖。相機100包 括紅外傳感器102,紅外傳感器102包括對于波長比可見光譜長的熱輻射敏感的多個元件或 像素。傳感器102被布置在殼體104內(nèi)，殼體104通常由金屬制成并被設計為能夠承受爆炸并 將爆炸收容在內(nèi)。因此，在一些實施例中，殼體104可以符合諸如如上所述的一個或多個防 爆等級。殼體104包括光學窗口 106,傳感器102可以通過該光學窗口 106接收紅外輻射。光學 窗口 106具有一定尺寸并且由如下材料形成，該材料在機械上足夠魯棒以將爆炸收容在外 殼104內(nèi)，但是基本上是透明的以允許紅外輻射通過。
[0012] 在一些實施例中，窗口 106由在遭受來自對象的沖擊的情況下可能受損的材料形 成。因此，相機100還包括布置在窗口 106之上的網(wǎng)防護裝置108。在圖1中示出的實施例中， 網(wǎng)防護裝置108由端接于圈110的多條交錯的線形成，圈110與殼體104螺栓連接或者以其它 方式緊固于殼體104。因此，沖擊對象106的對象將替代地沖擊網(wǎng)防護裝置108。
[0013] 根據(jù)本公開實施例，溫度傳感器212(如圖3中所示)熱連接或者布置在圈110或網(wǎng) 防護裝置108內(nèi)。通過這種方式，可以測量網(wǎng)防護裝置和/或圈110的溫度。備選地，溫度傳感 器212可以安裝在目標112上或者與目標112整合為一體。此外，如圖2中所示，網(wǎng)防護裝置 108的至少一個網(wǎng)格被高發(fā)射率反射目標112占據(jù)。在一個實施例中，目標112的發(fā)射率被選 為或者已知為較高，從而即使在窗口 106受損或者變臟的情況下也能夠高效地被成像。此 外，通過對發(fā)射目標112進行成像并且測量圈110或網(wǎng)防護裝置108的溫度，可以校準紅外相 機。這是因為利用傳感器102對目標112成像將提供對目標112的溫度的指示。之后，使用布 置在圈110或網(wǎng)防護裝置108內(nèi)的溫度傳感器來物理測量目標112附近的溫度將提供對通過 圖像獲得的溫度與測量的參考溫度之間偏差的程度的指示。在一個實施例中，目標112包括 或者連接到接觸溫度計。由傳感器或者溫度計測量的溫度與光學獲得的測量之間的偏差可 以指示窗口的損壞或者指示窗口 106變臟。因此，紅外相機可以調(diào)節(jié)或者以其它方式補償這 種負面的窗口影響，并繼續(xù)高效地工作。換言之，在網(wǎng)防護裝置108上使用參考溫度傳感器 (諸如溫度傳感器212)為相機創(chuàng)建參考點，并通過溫度傳感器提供附加溫度測量參考，以便 補償網(wǎng)防護裝置108的減弱以及可能的臟鏡片的信號。然而，在保護高發(fā)射目標112不受污 染的情況下，可以在不需要來自溫度傳感器的單獨測量的情況下執(zhí)行溫度估計。該光學獲 得的值可以用于補償面向網(wǎng)防護裝置的任意像素。此外，可以測量或者以其它方式確定跨 過網(wǎng)防護裝置的圖像的均勻度，并將其用于提供對窗口 106的骯臟程度的指示。理想地，在 正常條件下，網(wǎng)防護裝置的圖像將全部是相同的溫度或者將遵循梯度曲線。當窗口 106變臟 時，曲線將不再是均勻或者漸進的。網(wǎng)格的局部測量將看上去像噪聲一樣。
[0014]圖3是根據(jù)本實用新型實施例的布置在防爆殼體內(nèi)的紅外相機的示圖。系統(tǒng)200包 括具有防爆光學窗口 204的防爆殼體202，防爆光學窗口 204允許紅外相機206看到通過窗口 204的紅外輻射。網(wǎng)防護裝置208被布置在窗口 204之前，以保護窗口 204不受沖擊。此外，高 發(fā)射目標210和溫度傳感器212被設置在網(wǎng)防護裝置208或者圍繞網(wǎng)防護裝置208的圈附近。 在一個實施例中，溫度傳感器212可操作地連接到布置在相機206內(nèi)的測量電路214。雖然圖 3中示出的實施例指示了溫度傳感器212和測量電路214之間的直接物理連接，但是本實用 新型的實施例明確地包含利用無線方法來將指示溫度的信息傳達給測量電路214。具體地， 可以使用近場通信技術，其中，電磁能量通過窗口 204耦合到與溫度傳感器耦合的無源RFID 結構。無源RFID結構的響應可以向測量電路214指示溫度。這在不需要對殼體202太多的干 擾的情況下尤其有益。
[0015] 紅外相機206包括連接到紅外傳感器218的控制器216。在一個示例中，紅外傳感器 218是微測輻射熱計。該結構一般被配置為接收波長在7到14微米之間的紅外輻射，該紅外 輻射到達檢測器材料，將其加熱，并從而改變其電阻。電阻改變可以被測量并被處理為各種 溫度以創(chuàng)建圖像。然而，本實用新型的實施例可以包括用于檢測通過窗口 204的熱輻射的任 何合適的結構?？刂破?16被配置為與紅外傳感器218交互以根據(jù)已知技術產(chǎn)生熱圖像。此 外，控制器216連接到控制電路220以將熱圖像數(shù)據(jù)傳送到附加設備。例如，通信電路220可 以包括能夠根據(jù)已知無線通信技術和協(xié)議(諸如WIFI、藍牙等)進行通信的無線通信電路。 此外，通信電路220可以被配置為根據(jù)已知過程工業(yè)標準協(xié)議（諸如IEC62591 ( WirekssHART?))進行通信。此外，在一些實施例中，相機206可以包括被配置為產(chǎn)生可 以潛在地通過另一窗口（未示出）可視的本地顯示的顯示模塊222。
[0016] 根據(jù)本實用新型的實施例，控制器216通過硬件、軟件或它們的組合被配置為使測 量電路214經(jīng)由溫度傳感器212獲取網(wǎng)防護裝置溫度的指示。此外，控制器216還被配置為獲 取熱圖像，該熱圖像包含在其視場中的與高發(fā)射目標210相對應的部分?？刂破?16對目標 210進行成像，并基于圖像產(chǎn)生高發(fā)射目標210的第一熱指示。此外，控制器216還基于從溫 度傳感器212測量的溫度產(chǎn)生高發(fā)射目標210的熱指示。之后，通過將(從熱圖像獲得的）第 一熱指示與（從溫度傳感器獲得的）參考溫度進行比較，控制器216能夠確定兩個溫度相差 的程度。該差別可以指示窗口的損壞。此外，該差別還可以被控制器216用于獲取校準。因 此，通過應用該差別，控制器216可以產(chǎn)生補償?shù)臒釄D像。
[0017] 在窗口 204上沉積的污垢或灰塵可能會隨著時間改變窗口 204的透明度。如果紅外 溫度相對于參考溫度存在偏差，則用戶可以接收警報，該警報指示系統(tǒng)已經(jīng)丟失精確度并 且窗口 204變臟而需要清潔?？梢宰鳛樯鲜鲅a償?shù)母郊踊蛱娲峁┰撝甘?。在一個示例 中，如果偏差突然出現(xiàn)且在熱圖像中相對均勻，則可以指示檢測到的透明度改變是由于相 對濕度所造成的。此外，參考溫度傳感器212還可以用于提供關于周圍溫度的信息，以潛在 地觸發(fā)或者以其他方式啟動殼體202內(nèi)的內(nèi)部加熱。
[0018]圖4是根據(jù)本實用新型實施例的在危險環(huán)境中操作紅外相機的方法的流程圖。方 法300開始于框302，在框302，測量在形成紅外相機的防爆殼體的一部分的光學窗口之外的 溫度。如上所述，可以通過安裝在網(wǎng)防護裝置或圍繞和固定網(wǎng)防護裝置的圈上的溫度傳感 器來產(chǎn)生熱指示。溫度傳感器可以是能夠提供與溫度相對應的電指示的任何合適的設備。 這種設備的示例包括熱電偶式溫度計、RTD、熱敏電阻等。優(yōu)選通過紅外相機本身(諸如圖3 所示的相機206)來執(zhí)行溫度測量。然而，溫度測量可以通過外部設備來執(zhí)行，并被簡單地傳 送或者以其他方式傳輸?shù)郊t外相機。接著，在框304,紅外相機對布置在其防爆殼體之外的 高發(fā)射目標進行成像。對高發(fā)射目標進行成像產(chǎn)生對這種高發(fā)射目標的溫度的指示。接著， 在框306,在一個示例中，紅外相機將使用測量的溫度和高發(fā)射目標的通過圖像獲得的溫度 之間的差來產(chǎn)生校準或診斷指示。在框308,啟用紅外相機以對視場進行成像。該成像的視 場可能會受到殼體的光學窗口損壞以及光學窗口上存在的污垢或灰塵、或者它們的組合的 影響。通過使用在框306獲取的校準，方法300允許紅外相機提供補償?shù)膱D像，如框310所示。 然而，基于應用的校準的程度，紅外相機還可以提供潛在地指示光學窗口的損壞和/或其上 的污垢或灰塵的診斷指示。最后，如框312所示輸出校準后的場圖像。可以經(jīng)由相機的顯示 器本地地、或者經(jīng)由通信(諸如無線通信)遠程地、或者以它們的組合來提供該輸出。此外， 一旦紅外相機被校準，可以使用在一段時間之后替換的IR箱以保持窗口 204無污垢和/或無 灰塵(如圖3中所示）。
[0019]雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述了本實用新型，但是本領域技術人員將認識到，在 不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下可以進行形式和細節(jié)上的改變。
【主權項】
1. 一種防爆熱成像系統(tǒng)，包括： 防爆殼體，具有被配置為允許熱輻射通過的窗口； 紅外相機，位于所述防爆殼體內(nèi)，并且被布置為接收通過所述窗口的熱輻射并對該熱 輻射進行成像； 發(fā)射目標，被布置在所述紅外相機的視場內(nèi)，但是在所述窗口的與所述紅外相機相對 的偵以及 溫度傳感器，可操作地連接到所述紅外相機并且被配置為提供對所述發(fā)射目標附近的 溫度的指示。2. 根據(jù)權利要求1所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述紅外相機包括可操作地連接到所 述溫度傳感器的控制器，其中，所述控制器被配置為基于所述發(fā)射目標的圖像確定所述發(fā) 射目標的基于圖像的溫度，并且將溫度的所述指示與所述基于圖像的溫度進行比較。3. 根據(jù)權利要求2所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述控制器被配置為基于所述比較產(chǎn) 生診斷指示。4. 根據(jù)權利要求2所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述控制器被配置為基于所述比較產(chǎn) 生校準信息。5. 根據(jù)權利要求4所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述校準信息用于后續(xù)的熱成像。6. 根據(jù)權利要求1所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述窗口由易受到?jīng)_擊而損壞的材料 形成。7. 根據(jù)權利要求6所述的防爆熱成像系統(tǒng)，還包括:布置在所述窗口前方的防護裝置。8. 根據(jù)權利要求7所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射目標布置在所述防護裝置 內(nèi)。9. 根據(jù)權利要求7所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述溫度傳感器安裝到所述防護裝 置。10. 根據(jù)權利要求7所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述溫度傳感器安裝到將所述防護 裝置固定于所述防爆殼體的圈。11. 根據(jù)權利要求7所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述防護裝置是由交錯的線形成的 網(wǎng)防護裝置。12. 根據(jù)權利要求1所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述溫度傳感器可操作地連接到所 述紅外相機的測量電路。13. 根據(jù)權利要求12所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述溫度傳感器以無線方式連接到 所述紅外相機。14. 根據(jù)權利要求1所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述紅外相機被配置為將圖像數(shù)據(jù) 以無線方式傳輸?shù)竭h程設備。15. 根據(jù)權利要求14所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述無線傳輸遵從無線過程工業(yè)標 準協(xié)議。16. 根據(jù)權利要求1所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述紅外相機包括微測輻射熱計。17. 根據(jù)權利要求2所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述控制器被配置為基于對所述發(fā) 射目標附近的溫度的所述指示啟用所述殼體的加熱器。18. 根據(jù)權利要求1所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述殼體符合防爆等級。19. 根據(jù)權利要求1所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射目標和所述溫度傳感器構 成整體單元。20. 根據(jù)權利要求1所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述溫度傳感器安裝到所述發(fā)射目 標。21. -種防爆熱成像系統(tǒng)，包括： 防爆殼體，具有被配置為允許熱輻射通過的窗口； 紅外相機，位于所述防爆殼體內(nèi)，并且被布置為接收通過所述窗口的熱輻射并對該熱 輻射進行成像； 網(wǎng)防護裝置，被布置在所述窗口的與所述紅外相機相對的側(cè)； 發(fā)射目標，布置在所述紅外相機的視場內(nèi)，并被保護不受污染；以及 其中，所述紅外相機被配置為對所述發(fā)射目標進行成像并補償對所述網(wǎng)防護裝置進行 成像的像素。22. 根據(jù)權利要求21所述的防爆熱成像系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置為基于所述網(wǎng)防護 裝置上的均勻度提供與所述窗口相關的指示。
【文檔編號】H04N5/225GK205622723SQ201620262497
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】杰森·H·路德, 安德魯·J·凱茨曼, 薩沙·尤里希·凱恩茨
【申請人】羅斯蒙特公司