專利名稱：用于老化測試裝置的非接觸式溫度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及老化測試裝置，尤其涉及一種用于老化測試裝置的非接觸式溫度傳感器。
背景技術：
已知室內的加速老化測試裝置用來測試著色表面、紡織物、塑料片和其它材料的加速老化特性。這種測試在可控制的和有時高溫和/或者高濕度的條件下在測試艙內，通過將待測試的材料暴露于接近太陽光的人造光源的高密度輻射完成。
在自然的室外環境下，熱、光和水分結合相互協同地導致在暴露于這種室外老化條件下的產品中發生光學、機械和化學變化。通常地，本發明和現有技術的測試裝置可用來在一個加速的時間基礎上獲得這樣的老化數據，使得產品制造商獲得關于他們的產品在數月或者數年內如何抵抗老化條件的信息。
典型地，一種加速老化測試裝置可以用循環通過系統的空氣控制被測樣品的溫度，這樣不會由通常是一個高密度等離子燈如氙氣燈的加熱器或者輻射源使它們欠熱或者過熱。理想的是將被測樣品暴露于預先精確設定的條件中，以允許在多種測試運行之間更準確的比較，從而當需要對數年后的多個樣品比較時，由測試裝置提供的老化條件能夠準確的預先確定從而再現。
在已知的加速老化測試裝置中，一個用于承載待測試樣品的、可旋轉的支架圍繞一個光源，該光源通常是一個放射主要含有紫外成分的輻射的氙氣燈。所述支架通常每分鐘旋轉一周以避免系統中樣品定位的任何系統差異。同時，照射在樣品上的輻照度通常接近于一個太陽，這在汽車工業協會(The Society of Automotive Engineer)J-1885老化測試法中限定為在340納米紫外輻射下每平方米0.55瓦。
其它已知的加速老化測試裝置通過這樣地將材料暴露于高于一個太陽，例如兩個太陽(或者根據之前的定義大約每平方米1.1瓦)的輻照度水平來進一步加速材料老化過程。需要指出的是在這樣較高的光強度下，支架周圍樣品區的光輻射的無規律性變大，導致樣品溫度變化。因此，樣品在它們的測試程序中受這些可變因素的影響。
老化測試裝置通常不直接測量每個測試樣品的溫度，因為不是每個測試樣品都配備有溫度傳感器，因為這樣的系統會非常昂貴并且組裝和運行耗時很長。老化測試裝置通常包括一個設置在測試艙中的黑色面板溫度傳感器，所述溫度傳感器指示樣品可能經歷的最高溫度。老化測試裝置還可以包括測量測試艙內空氣溫度的傳感器。通過測量測試艙溫度和黑色面板的溫度，可以確定測試樣品可能經歷的近似溫度。但是，確定一個測試樣品實際表面溫度的唯一方法是通過在每個樣品上安裝一個接觸式溫度傳感器。如上所述，這樣的措施是成本昂貴的并且會顯著增加用于測試的準備工作和實際測試人力。
因此，在本領域中存在一種用于加速老化測試裝置的需要，該裝置提供每個測試樣品的實際表面溫度，從而控制測試艙的環境條件，以便進行精確和穩定的老化測試。
發明內容
依據本發明的一個原理，一種類型的加速老化測試裝置包括測試艙、用于支承具有朝向光源的暴露表面的測試樣品的測試樣品支架、用于調節光源電力等級(power level)的控制器和適合實時監控暴露表面的工作溫度的非接觸式溫度傳感器。
依據本發明的另一個原理，一種用于在加速老化測試裝置中控制測試樣品工作溫度的方法包括以下步驟(a)確定每個測試樣品的方向使暴露表面朝向光源；(b)在測試艙中定位適合監控測試樣品暴露表面的工作溫度的非接觸式溫度傳感器；(c)由可操作地聯接溫度傳感器和電源的控制器產生溫度設定點和控制信號；(d)通過電源產生響應于控制信號的電力等級并且將該電力等級輸出到光源；(e)從表示測試樣品工作溫度的溫度傳感器輸出測試信號；(f)比較工作溫度和溫度設定點；(g)響應比較步驟(f)調整控制信號；以及(h)以預先選定的時間間隔重復步驟(d)到(h)一段所需的時間。
在附圖中示出一些實施例。然而，可以理解的是本發明不限于附圖中示出的裝置和方法，附圖中圖1示出一個具有按本發明的教導構造的非接觸式溫度傳感器組件的老化測試裝置的剖視圖。
圖2示出圖1的、具有帶有非接觸式溫度傳感器的非接觸式溫度傳感器組件的老化測試裝置的局部透視圖。
圖3示出按本發明的教導構造的非接觸式溫度傳感器的透視分解圖。
圖4示出用于圖1的教導的老化測試裝置的控制系統的方框圖。
圖5示出圖4所示控制系統的控制器的方框圖。
具體實施例方式
為了說明和理解本文公開的原理，下面將參考在附圖中示的優選實施例，并且使用專門的語言描述所述實施例。然而，不言而喻的是，不會由此限制保護范圍。這種在示出的裝置上的變化和進一步的修改以及進一步的應用是在此圖示公開的原理，其與本發明相關領域的技術人員預期一樣。
參考圖1和2，示出一種老化測試裝置10，該老化測試裝置包括一個限定測試艙14的殼體12，在測試艙中容納一支架16。該支架16包括不銹鋼支柱制成的近似球形的布置，測試樣品18(在圖2中示出)可以以離中心光源22基本上等距的方式連接到支架16上。光源22可以是氙氣燈、熒光燈、金屬鹵化物燈、汞燈或者鎢絲燈。這種裝置類似于在美國專利Nos.5,505,032和5,854,433中公開的裝置，在此完全地參引這兩個專利的每一個。
在測試艙14底部上設置一個圓形的縫隙裝置(未示出)，加上圓錐形擋板24，協助引導空氣沿著承載在支架16上的測試樣品18穿過縫隙。一個常規的電阻型加熱元件30可以定位在所述縫隙和承載加熱元件的隔板下面，用于幫助控制樣品18周圍空氣的溫度。光源22的安裝可以根據美國專利No.5,226,318，在此完全參引該專利，包括電和水流導管，用于為光源22提供電流和水流。
支架16由桿34承載，所述桿延伸穿過測試艙14的頂壁36。因此，承載在支架16上的各種電子設備的連接可以經由桿34穿過頂壁36達控制器38(在圖4和5中示出)。控制器38以安全地與流水和用于光源22的高電流和高電壓隔開的方式定位在老化測試裝置10的附近。
旋轉桿34和支架16的電動機39定位在頂壁36的上面。支架16可承載一個黑色面板溫度傳感器40(在圖1中示出)，所述傳感器是一個尤其適用于感應由光源輻射直接產生的溫度的傳感器。一個或者多個其它測試艙的溫度傳感器41(在圖4中示出)可定位在測試艙14中，通常用來測量測試艙14的溫度。溫度傳感器41可以是監控測試艙14內空氣溫度的干球傳感器。還可以設置一個或者多個相對濕度傳感器43(在圖4中示出)。溫度傳感器41和濕度傳感器43都向控制器38提供數據信號。
頂壁36還設定壁孔(未示出)，其作為由風機58驅動循環空氣的循環壓力通風系統的入口(未示出)，所述循環空氣由于風機58推動從測試艙14的頂部到底部并且穿過測試艙底部的孔。風機受控制器38的控制并從控制器38接收信號。
在壓力通風系統中是一個具有活動節氣閥60的可變化地打開的冷卻空氣供風口(未示出)。節氣閥60從控制器38接收控制信號，必要時控制信號能改變節氣閥60的位置。在測試艙14中還設置支架噴水器或霧化器單元62，連同一個樣品噴水器霧化器單元63，在需要時設置用于樣品的附加的特殊的噴霧。兩個噴霧器霧化器單元62和63都從控制器38接收控制信號。關于老化測試裝置10其它細節如先前引用的美國專利Nos.5,503,032和5,854,433中所公開的。
參考圖1和2，本發明的老化測試裝置10還包括至少一個設置在測試艙14內的非接觸式溫度傳感器100(在圖3和4中示出)。非接觸式溫度傳感器100可以置于溫度傳感器組件102內，所述溫度傳感器組件102由安裝在測試艙14底板的桿104支承。溫度傳感器組件102根據需要可以只具有一個溫度傳感器100或者多個溫度傳感器100。在圖1示出的公開的實施例中，傳感器組件102包括三個溫度傳感器100，每個傳感器指向測試艙14內的一排測試樣品18。在附圖2示出的公開的實施例中，傳感器組件102包括一個指向一個單排的測試樣品18的溫度傳感器100。
傳感器組件102固定地安裝在測試艙14的底板上，并且可設置在感光棒106和光源22之間。感光棒106測量光源22的輻照度并將測量值作為輸入信號傳送給控制器38。傳感器組件102包括一個傳感器管108，該傳感器管用于每個該傳感器組件包括的非接觸式溫度傳感器100。通常傳感器管108指向相應的一排測試樣品18。如上所述，支架16在測試艙14內旋轉。因此，由于支架16旋轉，每一排的每個測試樣品18在支架16旋轉過程中在某些點上將面對傳感器組件102的相應的傳感器管108。因此，溫度傳感器100能夠探測到測試樣品18的表面溫度。
圖3示出裝在支承傳感器100的傳感器管108中的各元件的分解圖，所述傳感器也裝在傳感器管108中。當傳感器在測試艙14內運行時，為了冷卻傳感器100，每個溫度傳感器100包括一個向溫度傳感器100提供空氣的氣體分配器120。空氣由風機58供給分配器120。分配器120通過多個環、墊圈或類似物與空氣軟管122相連，所述連接物在此整體地用附圖標記124表示。絕熱管126包裹空氣軟管122以將流經空氣軟管122的空氣與測試艙14可能的超高溫隔離。空氣軟管122用多個另外的環、墊圈、或類似物124與傳感器殼體128相連。傳感器100裝在傳感器殼體128內并且通常被定位以便探測可能在傳感器管108前面的樣品18的溫度。傳感頭130覆蓋傳感器殼體128并且空氣凈化頭132覆蓋傳感頭130，以便允許冷卻傳感器殼體128和傳感頭130的空氣離開傳感器管108。傳感頭130用一個螺母134安裝到空氣凈化管132上。因此，空氣被供給分配器120，該分配器順序地將所述空氣供給空氣軟管122和傳感器殼體128，以便當其在測試艙14中運行時，冷卻傳感器殼體128。
傳感器100可以是任何類型的、能夠在不接觸物體的情況下探測溫度或者溫度相對變化的非接觸式傳感器100。例如，溫度傳感器100可以是紅外傳感器，該紅外傳感器能夠探測表明測試樣品18表面溫度的測試樣品18的紅外發射。傳感器100也可以是光學高溫計。光學高溫計工作原理是利用人眼將高溫物體的亮度與在裝置中校準過的燈絲亮度相比較。通常，光學高溫計可以用于測量溫度高到足夠發亮或者發光的物體。因此光學高溫計能夠測量的最低溫度大約是700度。傳感器100也可以是光纖溫度傳感器，其中傳感器元件被安置在光纖自由端的頂端。光纖的另一端連接于收集所需輻射的測量系統上，輻射可能主要是紅外輻射。然后輻射被處理以便得到溫度值。
參考附圖4，從每個非接觸式溫度傳感器100的輸出被傳送到控制器38以將每個測試樣品18的表面溫度維持在設定點的溫度。該控制器38能夠提供控制信號用于直接控制光源22、節氣閥60、風機58、加熱器30以及噴水器噴嘴62、63的功能，所有這些組件控制測試艙14內溫度和或測試樣品18的溫度。來自控制器38的控制信號可以首先發送到一個電源149，所述電源順序地為測試艙14的已提到的環境控制組件提供或大或小的功率來控制它們的功能。然而，光源22的輻照度通常保持在一個恒定水平，并且控制節氣閥60以便維持測試樣品18的溫度在設定點或接近設定點。
除了從非接觸式溫度傳感器100接收輸出信號，控制器38也可以從濕度傳感器43、感光棒106和其它溫度傳感器41接收信號，如果它們在測試艙14中是可用的。
如果測試樣品18的表面溫度降到低于設定點的溫度，那么控制器38通過控制上面提到的老化測試裝置10的組件能夠提高測試艙14或者測試樣品18的溫度。例如，如果測試樣品18的表面溫度降到低于設定點的溫度，那么控制器38能夠通過電源149關閉節氣閥60來升高測試艙14的溫度。在另一個示例中，如果測試樣品18的表面溫度超過特定的設定點的溫度，控制器38能夠致動噴水器噴嘴62、63噴水到測試樣品18上，以便冷卻測試樣品18。
參考附圖5，控制器38可以包括一個處理器150以及一個相互通訊的存儲器152來運行控制器38。存儲器152可以是任何一個或者是一種永久記憶和非永久記憶的存儲器的組合。存儲器152可以包括一個或者多個為老化測試裝置10的不同元件，包括上面所述元件的功能提供基準的算法。例如，算法可以包括在從非接觸式溫度傳感器100輸入的溫度基礎上運行節氣閥60、風機58、加熱器30、噴水器噴嘴62、63以及光源22中任一個的控制邏輯。控制器38還可以包括一個從上述不同傳感器接收測試信號和向處理器150傳輸該信號的輸入/輸出端口154。然后處理器150可以從控制器38的存儲器找到合適的算法并基于輸入的測試信號計算必需的輸出。然后處理器150將計算好的輸出發送到輸入/輸出端口154，于是所述端口將所述控制輸出信號傳送到測試艙環境控制設備，如上述設備。
本領域的技術人員將意識到控制器38可以是一個簡單的控制邏輯電路或者與一個能夠存儲有關老化測試系統10功能的各種數據的、運行的計算機系統同樣復雜。例如，控制器38可以是安裝在接近老化測試裝置的地方或者安裝在老化測試裝置10內的計算系統的一部分，其能夠運行老化測試裝置10各種功能并且在每個測試過程收集數據。例如，控制器38能從各種傳感器包括上述那些傳感器接收測試信號，并且將這些信號記錄到一個永久數據存儲器如硬盤驅動器以便以后分析。存儲器152可以包括一個硬盤組件并且作用是保存大量測試數據。當需要在整個測試期間內測試樣品18對任何一個影響測試樣品特性的因素做出各種響應時，這些數據尤其有用。例如，通過存儲來自不同傳感器的信號，操作者可以畫出測試樣品18在老化測試過程中的特性變化來確定應該如何設定或者重新設定測試參數，以便測試樣品18的老化測試接近地模擬實際的測試樣品18所暴露的環境條件。
此外，當示出和描述特別優選的實施例時，對本領域的技術人員來說，在不脫離本發明的教導可以進行改變和修改是顯而易見的。在上述說明書和附圖中描述的主題僅以示例的方式給出，而不作為限制。當以下的權利要求在相關領域的基礎上被視為正確的觀點時，本發明的實際的保護范圍要通過以下的權利要求限定。
權利要求
1.一種加速老化測試裝置，包括測試艙；在測試艙內的用于支承多個測試樣品的測試樣品支架；設置在測試艙內的用于在測試艙內產生輻照的光源；具有朝向光源定向的暴露表面的各測試樣品；基于至少一個輸入產生控制信號的控制器；響應于控制信號以向光源輸出電力等級的電源，以及設置在測試艙內并且定向用來監控測試樣品暴露表面工作溫度的非接觸式溫度傳感器。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述溫度傳感器探測由測試樣品發射的紅外輻射。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述溫度傳感器輸出表示測試樣品工作溫度的測試信號，并且該測試信號是多個輸入信號中的一個。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制器記錄由表示測試樣品工作溫度的溫度傳感器輸出的實時測試信號。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述溫度傳感器位于測試樣品支架限定的區域內。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述溫度傳感器設置在光源和測試樣品之間。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述溫度傳感器具有與測試樣品的暴露表面斜交定向的縱軸線。
8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，控制器產生溫度設定點，與溫度傳感器相連并且響應于由溫度傳感器輸出的、表示測試樣品工作溫度的測試信號，以選擇性地控制光源的電力等級以便控制測試樣品的工作溫度，在測試樣品工作溫度高于溫度設定點時，電力等級通常降低，在測試樣品溫度低于溫度設定點時，電力等級通常升高，并且在測試樣品溫度基本上等于溫度設定點時，電力等級通常保持不變。
9.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制器包括處理單元和存儲程序指令的存儲器，當所述程序指令被處理單元調用時，程序指令使得控制器運行以便監控產生的溫度設定點、與溫度設定點成比例地將電力等級施加于光源、從測試信號確定測試樣品的工作溫度、比較工作溫度和設定溫度點、調整光源的電力等級并且以預定的時間間隔重復以上步驟一段所需的時間。
10.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制器記錄由溫度傳感器輸出的實時測試信號，所述測試信號表示每個測試樣品的工作溫度。
11.一種用于在加速老化測試裝置內控制測試樣品工作溫度的方法，該加速老化測試裝置包括測試艙、在測試艙內的用于支承測試樣品的測試樣品支架、設置在測試艙內的用于在測試艙內產生輻照的光源和用于向光源輸出電力等級的電源，所述方法包括以下步驟(a)每個測試樣品以暴露表面朝向光源定向；(b)在測試艙內定位非接觸式溫度傳感器以監控測試樣品暴露表面的工作溫度；(c)由與溫度傳感器和電源可操作地聯接的控制器產生溫度設定點和控制信號；(d)由電源產生響應于控制信號的電力等級并且將該電力等級輸出至光源；(e)從溫度傳感器輸出表示測試樣品工作溫度的測試信號；(f)比較工作溫度和溫度設定點；(g)響應于比較步驟(f)調整控制信號；以及(h)以預定的時間間隔重復步驟(d)至(h)一段所需的時間。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制器記錄由溫度傳感器輸出的、表示每個測試樣品工作溫度的實時測試信號。
13.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述調整步驟(g)還包括通常在測試樣品工作溫度高于溫度設定點時降低電力等級，通常在測試樣品溫度低于溫度設定點時升高電力等級，并且通常在測試樣品溫度基本上等于溫度設定點時保持電力等級不變。
14.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述溫度傳感器探測由測試樣品發出的紅外輻射。
15.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述溫度傳感器位于測試樣品支架限定的區域內。
16.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述溫度傳感器定位在光源和測試樣品之間。
17.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述溫度傳感器具有與測試樣品的暴露表面斜交定向的縱軸線。
全文摘要
一種加速老化測試裝置，其包括測試艙、用于支承具有朝向光源的暴露表面的測試樣品的測試樣品支架、用于調節光源的電力等級的控制器和定向用于實時監控暴露表面工作溫度的非接觸式溫度傳感器。
文檔編號G01J5/00GK1865919SQ20061006834
公開日2006年11月22日 申請日期2006年3月29日 優先權日2005年5月16日
發明者庫爾特·斯科特, 克里斯托弗·瓦斯, 張志軍, 比爾·彭羅斯, 比爾·巴特納 申請人:阿特拉斯材料測試技術有限責任公司