一種適用于真空條件下面源黑體寬溫度范圍控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于真空條件下面源黑體寬溫度范圍控制系統。本系統包括溫度控制儀表、程控電源、溫度傳感器、制冷裝置、加熱片和面源黑體輻射源；其中，所述加熱片、所述溫度控制儀表分別設置于所述面源黑體輻射源上，所述溫度控制儀表的第一路控制信號輸出端經所述程控電源與所述加熱片連接，所述溫度控制儀表的第二路控制信號輸出端與所述制冷裝置的控制端連接，所述制冷裝置與所述面源黑體輻射源連接；所述溫度傳感器所述溫度控制儀表的信號輸入端連接。本系統可以有效的提高面源黑體的溫度控制范圍，特別是制冷方式，能夠使得面源黑體控制溫度下限達到190K，能逼真的模擬真空低溫紅外輻射標準源。
【專利說明】一種適用于真空條件下面源黑體寬溫度范圍控制系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于星載紅外成像器性能標定設備領域，涉及一種適用于真空條件下面源黑體寬溫度范圍控制系統，該系統可以有效的提高面源黑體的溫度控制范圍，特別是制冷方式，能夠使得面源黑體控制溫度下限達到190K，能逼真的模擬真空低溫紅外輻射標準源。
【背景技術】
[0002]空間飛行器上攜帶的紅外遙感探測器發回來的遙感數據，是經遙感器光電轉換之后形成的電信號，為了將電信號反演成物體的輻射量，就需要在衛星發射之前進行紅外通道的標定。標定精度的高低，直接影響到反演的精度，所以紅外探測器在研制過程中都必須進行紅外輻射定標試驗。用于紅外定標的紅外輻射定標設備由真空容器、熱沉、標準面源黑體、深冷黑體、數據采集系統等組成。其中紅外輻射定標的關鍵部件是定標黑體。標準面源黑體需放置在真空艙內。由于面源黑體處于真空環境下，缺少大氣熱交換與熱傳導，導致系統阻尼系數較小，系統波動較大、難于控制、控溫范圍較窄。
[0003]工作在真空低溫環境下的黑體是衛星遙感器紅外輻射定標的標準輻射源，黑體控溫系統是一種非線性、大滯后、數學模型很難建立的控制系統。為了提高控溫范圍，申請號:201010523060.3的專利申請提供了一種真空低溫黑體控溫系統，在升溫初期，對黑體腔和保護腔分別采用不同的模糊控制算法，在升溫后期，停止對黑體腔的加熱，只對保護腔采用智能PID控制算法，通過兩個腔體間的輻射換熱維持黑體腔的穩定。通過大氣和真空低溫環境的多次調試，完善了模糊控制規則。
[0004]申請號:201020156086.4的專利申請提供了一種低溫大面源黑體輻射源，包括輻射體，輻射體與輻射體框架之間的固定端通過絕熱裝置隔熱，在輻射體的背面設有輻射體后蓋；輻射體的輻射面表面經發黑和噴涂黑漆處理，銅辮通過壓板設于輻射體的兩側，在輻射體的背后開有槽溝，在輻射體內的中心位置設有鉬電阻，在輻射體內設有十三對熱電偶，鉬電阻與熱電偶連接用以加熱輻射體的加熱控溫測溫電路，輻射體包括鋁基體，在鋁基體的表面形成有相間的黑體輻射腔。
[0005]現有的溫度控制系統雖然提高了面源黑體的溫度范圍和精度，但是其系統結構復雜，而且均不能滿足當前寬溫度控制范圍的需求。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種適用于真空條件下面源黑體寬溫度范圍控制系統。該系統可以在快速的控制真空面源黑體輻射溫度的前提下，有效的拓展面源黑體的溫度控制范圍。該系統設計方法不但控制精度高，穩定性快而且結構設計簡單。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]一種適用于真空條件下面源黑體寬溫度范圍控制系統，其特征在于包括溫度控制儀表、程控電源、溫度傳感器、制冷裝置、加熱片和面源黑體輻射源；其中，所述加熱片、所述溫度控制儀表分別設置于所述面源黑體輻射源上，所述溫度控制儀表的第一路控制信號輸出端經所述程控電源與所述加熱片連接，所述溫度控制儀表的第二路控制信號輸出端與所述制冷裝置的控制端連接，所述制冷裝置與所述面源黑體輻射源連接；所述溫度傳感器所述溫度控制儀表的信號輸入端連接。
[0009]進一步的，所述制冷裝置為一具有低溫液氮電磁閥的加壓液氮系統；所述面源黑體輻射源上設有液氮輸入輸出端口 ；所述溫度控制儀表的第二路控制信號輸出端與所述低溫液氮電磁閥的開度控制端連接；所述加壓液氮系統的液氮輸入輸出端與所述面源黑體輻射源的液氮輸入輸出端口連接。
[0010]進一步的，所述溫度控制儀表的第一路控制信號為電壓控制信號；所述第二路控制信號為電流控制信號。
[0011]進一步的，所述溫度傳感器固定安裝在所述面源黑體輻射源的內部，通過一傳感器三線制導線與所述溫度控制儀表的信號輸入端連接。
[0012]進一步的，所述面源黑體輻射源設有多個輔助加熱區和一主加熱區；所述輔助加熱區位于所述面源黑體輻射源的邊緣，每一輔助加熱區設有一加熱片，所述主加熱區位于所述輔助加熱區所圍成的面源黑體輻射源中心區域，設有一加熱片。
[0013]進一步的，所述程控電源的電壓輸出端通過航空插頭與所述加熱片連接。
[0014]進一步的，所述加熱片為阻性加熱片。
[0015]進一步的，所述溫度傳感器為PT100溫度傳感器。
[0016]一種適用于真空條件下面源黑體寬溫度范圍控制系統，該系統主要包括:溫度控制儀表、溫度傳感器(比如PTioo傳感器)、程控電源、阻性加熱片、低溫液氮電磁閥、加壓液氮系統以及面源黑體輻射源等部分。
[0017]所述PT100溫度傳感器測溫溫度范圍為160K?500K，測量精度為0.05K。
[0018]所述PT100溫度傳感器將真空面源黑體的表面溫度實時變送到溫度控制儀表，通過溫度控制儀表修正補償后實時顯示，采集到的溫度值與溫度控制儀表設定值作比較，將得到的差值在不同的溫度點上作多段PID控制技術，得到兩路輸出。
[0019]所述溫度控制儀表具有兩路輸出，第一路控制輸出信號為OV?10V,第二路輸出信號為4mA?20mA。
[0020]所述溫度控制儀表的第一路輸出控制程控電源的的輸出電壓，其輸出電壓根據控制信號的大小線性變化。通過航空插頭將程控電源電壓引入到面源黑體輻射源的加熱片上，因此，加熱片的輸出功率就可隨溫度控制儀表的輸出而變化改變。
[0021]所述阻性加熱片的額定電流為5A，額定電阻為29 Ω，可根據最大輸入電壓為120V。
[0022]所述溫度控制儀表的第二路輸出控制低溫液氮電磁閥的開度，液氮的流量根據低溫電磁閥的開度線性輸出，液氮進入面源黑體以后，將面源黑體表面的熱量帶走。通過不斷地控制運算，溫度控制儀表的兩路輸出不斷地變化，當面源黑體的加熱總功率等于面源黑體的單位時間內能變化、系統的散熱以及熱輻射的總和時，系統達到熱平衡，最終系統穩定。
[0023]與現有技術相比，本發明的積極效果為:
[0024]本發明適用于真空條件下對面源黑體寬溫度進行控制，可使面源黑體在滿足均勻性的要求下，拓展面源黑體的溫度控制范圍。采用液氮制冷，可有效的延伸面源黑體溫度控制下限。縮短控制穩定時間。同時通過程控電源驅動阻性加熱片加熱，可以有效的提高面源黑體溫度控制上限。在研制黑體輻射源時，其主體材料都是采用適用于真空條件下的寬溫有機材料與不銹鋼材料。
[0025]本系統通過PT100傳感器實時采集輻射面溫度，將其傳送給高精度溫度控制儀表，與設定溫度進行比較，溫度控制儀表采用PID控制技術，通過兩路輸出分別控制制冷和加熱功率，實現系統的精確閉環控制，本系統在真空環境條件下溫度控制范圍達到200K?480K ;通過使用液氮制冷方式，可以使得系統溫度下限達到190K，比帕爾貼電制冷方式溫度下限要低，而且，大大的縮短了制冷時間；同時采用特殊布局的阻性加熱片方式加熱，首先在整個黑體輻射源表面排布一層主加熱片，主加熱片通過高溫膠與輻射面緊密接觸，用于黑體的整體區域加熱。由于面源黑體輻射源四周邊角熱傳導以及熱輻射大于中心區域，為了克服這種邊角效應，在黑體輻射源的左上、右上、左側、右側、左下、右下六個區域增加相應的輔助加熱系統，用于彌補黑體邊角的熱損耗。這樣可以使得面源黑體在滿足整體均勻性的前提下，將溫度控制系統的溫度上限達到500K以上，較其他加熱方式，具有加熱功率大、易于控制、便于安裝等特點，適合于真空環境下溫度控制。
[0026]本系統有效的彌補面源黑體的邊緣能量損失，提高了面源黑體穩定性，大大滿足了測試要求，提升了整個系統的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通的技術人員來講，在不付出創造性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0028]圖1為本發明實施例所提供的適用于真空條件下面源黑體寬控溫范圍的系統設計圖；亦為本發明的最佳實施例，亦可作說明書摘要附圖。
[0029]圖2為本發明實施例所提供的低溫傳感器工裝圖；
[0030]圖3為本發明實施例所提供的程控電源控制輸入與輸出關系圖；
[0031]圖4為本發明實施例所提供的電磁閥控制輸入與輸出關系圖。
[0032]圖5為本發明實施例所提供的阻性加熱片布局方式。
[0033]其中，1.溫度控制儀表，2.低溫液氮電磁閥，3.程控電源，4.PT100傳感器，5阻性加熱片，6.加壓液氮系統，7.面源黑體輻射源，21.傳感器三線制導線，22.傳感器安裝標準螺紋，23.溫度傳感器測溫外殼，51?56.輔助加熱區，57.主加熱區。
【具體實施方式】
[0034]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例，基于發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性的勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0035]下面將結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細描述，如圖1所示為本發明實施例所提供的系統設計圖，圖1中包括:1.溫度控制儀表，2.低溫液氮電磁閥，3.程控電源，4.PTlOO傳感器，5阻性加熱片，6.加壓液氮系統，7.面源黑體輻射源。其中:
[0036]PT100傳感器4將測得面源黑體7的溫度變送到溫度控制儀表I中，經修正補償后，與溫度設定值進行運算，最終得到控制輸出信號。
[0037]溫度控制儀表I具有一路輸入，兩路輸出，第一路輸出控制信號為:0V-10V，另一路控制信號輸出為4mA-20mA，第一路輸出控制程控電源3的輸出電壓，第二路控制低溫液氮電磁閥2的開度。
[0038]溫度控制儀表I的第一路輸出控制程控電源3的輸出電壓,其輸出電壓根據控制信號的大小線性變化。通過航空插頭將程控電源電壓引入到面源黑體輻射源的阻性加熱片5上，因此阻性加熱片5的輸出功率就可隨溫度控制儀表I的輸出而變化改變。
[0039]溫度控制儀表I的第二路輸出控制低溫液氮電磁閥2的開度，液氮的流量根據低溫電磁閥2的開度線性輸出，液氮進入面源黑體7以后，將面源黑體表面的熱量帶走。通過不斷地控制運算，溫度控制儀表的兩路輸出不斷地變化，當面源黑體的加熱總功率等于面源黑體的單位時間內能變化、系統的散熱以及熱輻射的總和時，系統達到熱平衡，最總系統穩定。
[0040]圖2為本發明所采用的PT100溫度傳感器結構封裝，主要包括:21.傳感器三線制導線，22.傳感器安裝標準螺紋，23.溫度傳感器測溫外殼。溫度傳感器通過標準安裝螺紋22固定在真空面源黑體內部。傳感器通過三線制導線21將PT100阻值信號變送傳遞給溫度控制儀表。溫度傳感器外殼23通過熱傳導PT100的阻值信號發生變化。
[0041]圖3為本發明所采用的程控電源輸出電壓隨控制電壓的變化關系，當溫度控制儀表的輸出電壓為OV時，程控電源無輸出電壓，當隨著溫度控制儀表的輸出增加，程控電源的電壓線性增加。當溫度控制儀表的第一路輸出電壓達到最大值IOV時，程控電源的輸出電壓也達到最大值120V。
[0042]圖4為本發明所采用的液氮電磁閥開度隨溫度控制儀表的輸出控制電流的變化關系，當溫度控制儀表的輸出電流為4mA時，液氮電磁閥關閉，當隨著溫度控制儀表的輸出增加，液氮電磁閥線性打開。當溫度控制儀表的第二路輸出電流達到最大值20mA時，液氮電磁閥完全打開。
[0043]圖5為本發明阻性加熱片的布局方式，51?56為輔助加熱區，每一輔助加熱區設有一阻性加熱片，與程控電源連接，彌補真空面源黑體的邊角熱損失效益，57為主加熱區，設有一阻性加熱片，與程控電源連接，主要為面源黑體本體整體加熱，加熱片布滿整個面源黑體輻射源表面。輔助加熱區實際上是在主加熱片的基礎上再增加了六個輔助加熱片，可以有效的提高面源黑體輻射源的邊角加熱功率，彌補了面源黑體的邊角熱損失。
【權利要求】
1.一種適用于真空條件下面源黑體寬溫度范圍控制系統，其特征在于包括溫度控制儀表、程控電源、溫度傳感器、制冷裝置、加熱片和面源黑體輻射源；其中，所述加熱片、所述溫度控制儀表分別設置于所述面源黑體輻射源上，所述溫度控制儀表的第一路控制信號輸出端經所述程控電源與所述加熱片連接，所述溫度控制儀表的第二路控制信號輸出端與所述制冷裝置的控制端連接，所述制冷裝置與所述面源黑體輻射源連接；所述溫度傳感器所述溫度控制儀表的信號輸入端連接。
2.如權利要求1所述的面源黑體寬溫度范圍控制系統，其特征在于所述制冷裝置為一具有低溫液氮電磁閥的加壓液氮系統；所述面源黑體輻射源上設有液氮輸入輸出端口 ；所述溫度控制儀表的第二路控制信號輸出端與所述低溫液氮電磁閥的開度控制端連接；所述加壓液氮系統的液氮輸入輸出端與所述面源黑體輻射源的液氮輸入輸出端口連接。
3.如權利要求1或2所述的面源黑體寬溫度范圍控制系統，其特征在于所述溫度控制儀表的第一路控制信號為電壓控制信號；所述第二路控制信號為電流控制信號。
4.如權利要求1或2所述的面源黑體寬溫度范圍控制系統，其特征在于所述溫度傳感器固定安裝在所述面源黑體輻射源的內部，通過一傳感器三線制導線與所述溫度控制儀表的信號輸入端連接。
5.如權利要求1所述的面源黑體寬溫度范圍控制系統，其特征在于所述面源黑體輻射源設有多個輔助加熱區和一主加熱區；所述輔助加熱區位于所述面源黑體輻射源的邊緣，每一輔助加熱區設有一加熱片，所述主加熱區位于所述輔助加熱區所圍成的面源黑體輻射源中心區域，設有一加熱片。
6.如權利要求1或5所述的面源黑體寬溫度范圍控制系統，其特征在于所述程控電源的電壓輸出端通過航空插頭與所述加熱片連接。
7.如權利要求6所述的面源黑體寬溫度范圍控制系統，其特征在于所述加熱片為阻性加熱片。
8.如權利要求1所述的面源黑體寬溫度范圍控制系統，其特征在于所述溫度傳感器為PTlOO溫度傳感器。
【文檔編號】G05D23/24GK103677011SQ201310626223
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2013年11月28日
【發明者】楊旺林, 劉亞平, 魏建強, 張玉國, 王加朋 申請人:北京振興計量測試研究所