Инфракрасное измерение температуры и его стабилизация

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры объекта. Представлены варианты системы инфракрасного (ИК) измерения температуры. Данное изобретение активно стабилизирует температуры объектов поблизости и на пути между инфракрасным (ИК) датчиком и целевым объектом. Для регулирования мощности, подаваемой на термопреобразователи сопротивления (RTD), используются измеритель и регулятор температуры, который регулирует силу тока, подаваемую на RTD. В результате температуры объектов, видимых в ИК-диапазоне, могут активно стабилизироваться при изменениях, например изменениях в температуре окружающей среды, что приводит к эффективным и точным показаниям температуры. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 16 ил.

 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка заявляет приоритет предварительной заявки на патент США №61/362623, озаглавленной «INFRARED TEMPERATURE MEASUREMENT AND STABILIZATION THEREOF» и поданной 8 июля 2010 г., а также заявляет приоритет находящейся на рассмотрении заявки на патент США №13/178077, озаглавленной «INFRARED TEMPERATURE MEASUREMENT AND STABILIZATION THEREOF» и поданной 7 июля 2011 г. Вышеупомянутые заявки данной ссылкой полностью включаются в данное описание.

ПРЕДПОСЫЛКИ

[0002] Инфракрасные (ИК) датчики температуры могут наблюдать инфракрасное излучение, которое затем преобразовывается в электрический сигнал и, в конечном счете, в показание температуры. Спектр инфракрасного излучения не может легко наблюдаться человеком без использования специально сконструированного оборудования, которое делает этот спектр видимым. Измерение инфракрасных волн калибруется в микронах и находится в диапазоне от 0,7 микрон до 1000 микрон. В настоящее время инфракрасные датчики температуры могут использоваться для измерения температуры практически любой подвижной детали или объекта, в том числе многих из тех, которые используются применительно к транспортным средствам.

[0003] Одна из наиболее существенных конструкций ИК-датчика температуры состоит из линзы, которая фокусирует ИК-энергию на детекторе. Детектор может преобразовывать измеренную энергию в электрический сигнал, который может быть показан в единицах температуры. Для преобразования измеренной энергии в температуру совместно с зарегистрированной энергией используется коэффициент излучения объекта. В настоящее время многие современные датчики способны пассивно компенсировать изменения температуры окружения с тем, чтобы выполнять точное измерение целевого объекта.

[0004] Одной из очень полезных особенностей ИК-датчиков является их способность измерять температуру, например, без физического контакта. Такая способность к наблюдению температуры особенно полезна в тех ситуациях, когда объекты находятся в движении, например, в автотранспортных применениях. К сожалению, действие окружающей среды на датчик требует установки защитных кожухов и т.п. для того, чтобы защитить датчики от элементов окружения. Защитные кожухи и т.п. включают материалы, которые отличаются по температуре и вносят вклад в последовательность преобразования ИК-энергии датчиком, что, таким образом делает затруднительным точное и эффективное измерение температуры.

[0005] В том, что касается традиционных ИК-датчиков температуры, когда ИК-датчик, например, термобатарея, подвергается воздействую тепловых условий, таких как широкий диапазон рабочих температур, скорость изменения температуры или статические температурные градиенты, в области или на пути измерения часто возникают значительные погрешности измерения. Любой видимый в ИК-диапазоне объект на пути между сенсорным компонентом и целью измерения будет как доставлять энергию в датчик, так и блокировать часть тепловой энергии, испускаемой целевым объектом, приводя к неточному и неэффективному измерению температуры.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Ниже с целью обеспечения базового понимания некоторых особенностей изобретения представлено упрощенное краткое описание изобретения. Это краткое описание не является исчерпывающим обзором изобретения. Оно не предназначено для идентификации ключевых/критических элементов изобретения или для установления пределов объема изобретения. Его единственной целью является представление некоторых концепций изобретения в упрощенной форме в качестве вступления к более подробному описанию, которое будет представлено позднее.

[0007] В одной из его особенностей, описанное и заявленное в данном документе изобретение включает системы инфракрасного (ИК) измерения температуры и стабилизации, а также относящиеся к ним способы. Изобретение активно стабилизирует температуры объектов на пути между ИК-датчиком и целевым объектом. Для регулирования мощности термопреобразователей сопротивления (RTD) используется измеритель и регулятор температуры, таким образом, регулирующий ток (и мощность), подаваемый на RTD. В результате температуры объектов, видимых в ИК-диапазоне, могут быть активно стабилизированы по отношению к изменениям, например, к изменениям в температурах окружающей среды.

[0008] В том, что касается традиционных инфракрасных (ИК) датчиков температуры, когда ИК-датчик, например, термобатарея, подвергается воздействую тепловых условий, таких как широкий диапазон рабочих температур, скорость изменения температуры или статические температурные градиенты в области измерения, часто возникают значительные погрешности измерения. Видимые в ИК-диапазоне объекты на пути между сенсорным компонентом и целью измерения будет как доставлять энергию в датчик, так и блокировать часть тепловой энергии, испускаемой наблюдаемой целью. Согласно изобретению, промежуточные среды, такие как оптическая линза и защитное окно, поддерживаются в термически стабилизированном состоянии, что, таким образом, позволяет сделать их вклады в энергию известными и точно скомпенсированными измерительной системой. Также при помощи RTD могут стабилизироваться и другие компоненты в области измерения, например, корпус датчика, опорная пластина и т.д.

[0009] Соответственно, изобретение может обеспечивать конечное время отклика при указании температуры, которое значительно сокращается путем активной стабилизации ключевых измерительных компонентов. Компенсация температуры, в том числе как установившейся температуры датчика, так и зависимостей скорости изменения, может значительно сокращаться или исключаться путем активной стабилизации ключевых измерительных компонентов при помощи RTD совместно с компонентами и схемой регулирования температуры.

[0010] В других особенностях изобретение пассивно стабилизирует температуры объектов на пути между датчиком и целевым объектом. В этих особенностях пассивная тепловая стабилизация достигается через кондуктивную связь датчика с оптикой.

[0011] Для достижение вышеупомянутых и связанных с ними целей некоторые иллюстративные особенности изобретения описаны в настоящем документе в связи с нижеследующим описанием и прилагаемыми графическими материалами. Эти особенности, однако, служат признаками лишь немногих различных путей, которыми могут использоваться принципы данного изобретения, и рассматриваемое изобретение подразумевается как включающее все указанные особенности и их эквиваленты. Другие преимущества и элементы новизны изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания изобретения при его рассмотрении наряду с графическими материалами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0012] ФИГ. 1 иллюстрирует пример системы инфракрасного (ИК) датчика температуры, способной к стабилизации компонентов, согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0013] ФИГ. 2 иллюстрирует пример вида снизу саморазогревающейся системы датчика температуры согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0014] ФИГ. 3 иллюстрирует пример вида сверху вниз саморазогревающейся системы датчика температуры согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0015] ФИГ. 4 иллюстрирует пример принципиальной электрической схемы компонентов и схемы, которая способствует стабилизации температуры, согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0016] ФИГ. 5 иллюстрирует пример схемы последовательности процедур, которые способствуют активной стабилизации температуры согласно одной из особенностей изобретения.

[0017] ФИГ. 6 иллюстрирует пример блока саморазогревающегося ИК-датчика температуры согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0018] ФИГ. 7 иллюстрирует пример покомпонентного вида для примера сенсорного блока согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0019] ФИГ. 8 иллюстрирует пример общего вида снизу примера сенсорного блока согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0020] ФИГ. 9 иллюстрирует пример общего вида сбоку примера сенсорного блока согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0021] ФИГ. 10 иллюстрирует пример общего вида снизу вверх примера сенсорного блока согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0022] ФИГ. 11 иллюстрирует еще один пример общего вида сенсорного блока согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0023] ФИГ. 12 иллюстрирует пример размещения проводящей медной рамки согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0024] ФИГ. 13 иллюстрирует пример общего вида сбоку защитного кожуха и основания схемной платы согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0025] ФИГ. 14 иллюстрирует пример проводящей медной рамки согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0026] ФИГ. 15 иллюстрирует пример стеклозаполнителей, помещенных на провода согласно некоторым из особенностей изобретения.

[0027] ФИГ. 16 иллюстрирует пример общего вида снизу вверх блока согласно некоторым из особенностей изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0028] Изобретение будет описано ниже с отсылкой к графическим материалам, где повсюду в данном документе для отнесения к сходным элементам используются сходные ссылочные позиции. В целях разъяснения, в нижеследующем описании многочисленные специфические детали излагаются с целью обеспечения основательного понимания рассматриваемого изобретения. Однако может быть очевидно, что изобретение может применяться на практике без этих специфических деталей. В других случаях, для того, чтобы облегчить описание изобретения, хорошо известные конструкции и устройства показаны в форме блок-схем.

[0029] Как будет более подробно описываться ниже, изобретение раскрывает стабилизацию критических измерительных компонентов, а также других объектов, «видимых» в системе инфракрасного (ИК) измерения температуры. Изобретение способно эффективно стабилизировать интерференцию, вызванную защитной крышкой, или кожухом, а также другими объектами «видимыми» в ИК-диапазоне в тесной близости от ИК-датчика. Как будет понятно, тепловое ИК-измерение высоко восприимчиво к состоянию и потоку тепловой энергии как сенсорного элемента, так и «видимых» в ИК-диапазоне сред на (и поблизости от) пути к целевому объекту. Активная стабилизация тепловой энергии, или абсолютной температуры этих компонентов системы является одним из принципов, лежащих в основе данного раскрытия. Указанная стабилизация температуры повышает точность и может выполняться с эффективной скоростью по сравнению с традиционными системами ИК-датчиков.

[0030] С отсылкой, в первую очередь, к ФИГ. 1, иллюстрируется пример системы 100 ИК-датчика температуры, которая способна активно стабилизировать температуры компонентов. В общем, система 100 может включать защитный кожух 102 (например, крышку из литьевой пластмассы), содержащий выполненное с ней заодно окно, или линзу 104. Следует принять во внимание, что линза 104 (например, прозрачное окно) позволяет измерять ИК-энергию посредством ИК-датчика 106 температуры (например, термобатареи). Следует принять во внимание, что это окно может изготавливаться из того же материала, что и защитный кожух 102. Поэтому изменения в температуре окна 104 будут оказывать влияние на точность ИК-измерений до тех пор, пока его температура не будет стабилизирована. Следует принять во внимание, что окно 104 часто может представлять 30-50% энергии, обнаруживаемой термобатареей 106. По меньшей мере, по этой причине изобретение обладает способностью стабилизировать температуру окна 104 с тем, чтобы для увеличения точности сенсорного устройства 106 можно было рационально и эффективно выполнить компенсацию. Как показано, датчик температуры 106 оснащается оптикой 108, которая также меняет температуру и оказывает влияние на рабочие характеристики термобатареи 106.

[0031] Поскольку температура окна 104 часто колеблется в ходе работы, для стабилизации его температуры и, таким образом, улучшения рабочих характеристик функциональной возможности ИК-наблюдения температуры предусмотрен тепловой источник. Кроме того, поскольку окно 104 чаще всего изготавливается из пластмассы, колебания температуры являются медленными, так как пластмасса не является эффективным проводником тепла. Пример проводящей металлической рамки, оснащенной термопреобразователями сопротивления (RTD), будет более подробно описан ниже. Указанный проводящий металл осаждается на внутреннюю сторону защитного кожуха 102 и может фокусировать тепло на окне 104. Следует понимать и принимать во внимание, что другие особенности включают необязательные температурные направляющие средства (например, конусообразное приспособление), которые улавливает тепло из проводящего источника, оснащенного RTD, и направляют это тепло к окну 104 и компонентам датчика 106. Иными словами, в некоторых аспектах и окружающей среде, как описано в настоящем документе, тепловые действия и эффективность могут достигаться посредством низкой проводимости воздуха, заключенного внутри защитного кожуха. Предусматривая средства каналирования температуры, например, воронку (показана пунктирными линиями 110), тепло может заключаться в пределах внутреннего пространства конуса и, таким образом, усиливать влияние стабилизации.

[0032] Следует принять во внимание, что в современных, или традиционных, способах измерения существуют погрешности измерительной системы в несколько градусов. Для компенсации в различных интервалах изменения температуры требуются трудоемкие, длительные и дорогостоящие процессы калибровки. В других способах были сделаны попытки пассивного регулирования температуры промежуточных сред с использованием изолирующих и проводящих материалов. К сожалению, эти способы являются сложными и в результате приводят к запаздывающим показаниям температуры. Кроме того, пассивное регулирование температур промежуточных сред часто приводит к погрешности или неточным показаниям. Следует принять во внимание, что многие применения требуют высокой точности от ИК-измерений температуры. Системы активной стабилизации температуры согласно рассматриваемому изобретению способны обеспечивать такую точность.

[0033] Традиционно, при ИК-измерениях температуры допускаются исходные погрешности. Кроме того, оптическая линза, или незащищенный датчик, защищались от элементов окружения путем просмотра через узкие камеры или длинные трубки. Кроме того, согласно традиционным системам, барьеры, защищающие от окружающей среды, устранялись, поскольку они приводили к сложности, которая в результате приводила к неточным показаниям. Для обеспечения точного указания устройства длительное время выдерживались в окружающих средах со стабильной температурой.

[0034] Согласно традиционным системам, компенсация температуры в настоящее время регулируется путем сбора откликов датчика в широком интервале температур. После этого указание уточняется с использованием поправочных коэффициентов, уникальных для каждого датчика. Это и отнимает много времени, и приводит к компромиссной точности. Для замедления скоростей изменения и для разложения на составляющие тепловых градиентов добавляются большие количества тепла. К сожалению, этот подход приводит к увеличению размера устройства и более длительному времени тепловой реакции.

[0035] Измерительная система 100 по ФИГ. 1 способна активно регулировать тепловое окружение ключевых компонентов ИК-измерительной системы. Ниже следует краткий обзор возможностей стабилизации температуры. Один из способов сенсорной системы позволяет датчику 106 приходить в тепловое равновесие вскоре после того, как стабилизируется температура окружающей среды и тепловых источников. Для выполнения этого способа термобатарейный датчик 106 делается непосредственно доступным для окружающей среды с минимальной или полностью отсутствующей защитой от агрессивных или неблагоприятных внешних условий. Такая непосредственная доступность необходима для того, чтобы его температура следовала за температурой окружающей среды в течение приемлемого промежутка времени. К сожалению, непосредственная доступность приводит к повреждению и действию агрессивных элементов на датчик.

[0036] Другой альтернативный способ использует тепловое разделение тепловых источников, таких как рассеивающие мощность электронные компоненты, и, в то же время, увеличение пассивной теплопроводности между проводящим защитным кожухом и теплопередачей окружающей среды. Следует понять, что традиционные изделия имеют ограниченные рабочие характеристики в широком интервале температур.

[0037] В целом, ИК-система 100 согласно ФИГ. 1 способна предложить повышенную точность ввиду традиционных систем путем активной стабилизации температуры. Кроме того, при более быстрых временах отклика могут приводиться более точные температуры. Система 100 использует упрощение, которое в результате приводит к уменьшенному времени в отношении процесса калибровки. Ввиду эффективностей, предлагаемых характерными признаками, функциями и преимуществами изобретения может быть снижена полная конечная стоимость. Кроме того, датчик 106 и система 100 могут иметь более широкую базу для применения. Таким образом, изобретение предусматривает многоцелевую систему, адаптируемую к широкому диапазону применений или приложений.

[0038] С отсылкой к ФИГ. 2 показан пример саморазогревающегося датчика 200 температуры. Позиция 202 иллюстрирует опорную пластину термобатареи согласно ФИГ. 1. RTD 204, способный обнаруживать и генерировать тепло, может быть термически привязан к опорной пластине 202. Соответственно, в дополнение к измерению тепловой мощности, RTD 204 может также генерировать тепло и, таким образом, стабилизировать температуру опорной пластины 202 наряду с другими компонентами системы. Показаны отверстия 206 для проводов, которые обеспечивают средства, посредством которых провода термобатареи могут проходить через опорную пластину 202 к сопутствующей схеме.

[0039] ФИГ. 3 иллюстрирует вид сверху примера системы 300 стабилизации согласно некоторым из особенностей изобретения. В общем, система 300 включает защитный кожух 302, содержащий линзу 304 (или окно), выполненное на верхней поверхности защитного кожуха (302). В некоторых особенностях окно 304 выполняется заодно с кожухом, однако в альтернативных конструкциях оно может представлять собой отдельный компонент. Как описано выше, защитный кожух 302 заключает в себе компоненты системы ИК-датчика (например, системы 100 по ФИГ. 1).

[0040] Температура и температурное перемещение линзы 304 (или окна) вносит шум в обнаружение ИК-излучения системой, что в результате приводит к неточным показаниям. В соответствии с этим, изобретение предусматривает стабилизацию температуры линзы 304. По существу, линза 304 представляет собой пропускающее ИК-излучение окно 304, ограниченное металлизированной медной (Cu) рамкой 306. Рамка 306 расположена на внутренней поверхности защитного кожуха 302 и способна фокусировать тепло вблизи окна 304. Несмотря на то, что показана квадратная рамка, следует понимать, что без отступления от сущности и/или объема данного изобретения могут использоваться и другие формы и осажденные покрытия из проводящего материала (например, меди), которые фокусируют тепло на окне 304. Кроме того, в альтернативных особенностях могут использоваться другие проводящие металлы, например, платина, серебро и т.д. Для регулирования функциональной возможности саморазогрева согласно изобретению могут предусматриваться саморазогревающиеся резистивные датчики температуры 308 (например, RTD). Следует понимать, что RTD 308 способны измерять и при необходимости доставлять тепловую мощность для стабилизации температуры. Несмотря на то, что показано два RTD, другие особенности при необходимости могут задействовать большее или меньшее количество RTD без отступления от объема настоящего изобретения и прилагаемой к данному документу формулы изобретения.

[0041] ФИГ. 4 изображает пример принципиальной электрической схемы 400 согласно некоторым из особенностей данного изобретения. Как показано, саморазогревающийся датчик 402 температуры (например, RTD) может электрически связываться с компонентами измерения температуры и регулирования температуры, включенными в схему 404 терморегулирования. В соответствии с требуемым установленным значением температуры RTD 402 могут измерять и регулировать температуру, изменяя рассеяние мощности. Иными словами, сопротивление RTD 402 будет представлять некоторую температуру, а мощность, подаваемая на RTD 402, будет пропорциональна квадратному корню силы тока, проходящего через RTD 402. В действии, может выбираться определенное установленное значение температуры (например, 120°F), посредством чего RTD могут снабжаться необходимой величиной мощности так, чтобы достигалась требуемая температура. В схеме 404 терморегулирования температура может измеряться так, как показано. В соответствии с этой измеренной температурой, регулятор температуры может подавать на саморазогревающийся датчик 402 температуры (RTD) мощность, достаточную для достижения требуемой температуры.

[0042] Таким образом регулятор температуры может изменять мощность, основываясь на текущей и/или требуемой температуре. Поэтому тепловые потери при активном регулировании теплового окружения положения (положений) RTD могут автоматически, или активно, компенсироваться. Следует понимать, что указанный процесс регулирования температуры также может использоваться и в отношении всех RTD, предусмотренных в системах согласно изобретению, например, RTD, соединенных с проводящим металлом внутри защитного кожуха, как будет описано ниже.

[0044] ФИГ. 5 иллюстрирует способ стабилизации компонентов в системе ИК-измерения температуры согласно некоторым из особенностей изобретения. Несмотря на то, что в целях простоты разъяснения один или несколько способов, показанных в данном документе, например, в форме схемы последовательности действий, показаны и описаны как последовательности действий, следует понимать и принимать во внимание, что рассматриваемое изобретение не ограничивается таким порядком действий, поскольку, согласно изобретению, некоторые действия могут происходить в другом порядке и/или одновременно с действиями, отличающимися от тех, которые показаны и описаны в данном документе. Например, специалистам в данной области будет понято и принято во внимание то, что, в альтернативном варианте, способ может быть представлен как последовательность взаимосвязанных состояний или событий, как, например, диаграмма состояний. Кроме того, для реализации способа согласно изобретению могут потребоваться не все иллюстрируемые действия.

[0045] На этапе 502 может устанавливаться заданное значение температуры. Например, в некоторых особенностях, для того, чтобы превысить практически любые рабочие условия внешней среды, может быть выбрано заданное значение 120°F. Как было описано выше, блок ИК-датчика может оснащаться несколькими RTD с тем, чтобы активно стабилизировать температуры компонентов. Например, проводящая рамка может оснащаться RTD так, чтобы она фокусировала тепло на проводящем окне в защитном кожухе. Аналогично, RTD может соединяться с опорной пластиной термобатареи и обеспечивать стабилизацию температуры.

[0046] На этапе 504 при помощи RTD может измеряться температура. Следует понять, что RTD, используемые в связи с изобретением, могут как измерять температуру, так и при необходимости доставлять тепло. На этапе 506 принимается решение о том, соответствует ли измеренная температура требуемому заданному значению температуры. Если соответствует, то способ возвращается на этап 504 для измерения температуры.

[0047] Если на этапе 506 температура не соответствует, то на этапе 508 может регулироваться мощность, подаваемая на RTD. Таким образом, на этапе 510 может регулироваться (например, повышаться) выработка температуры RTD. Следует принять во внимание, что повышение температуры может эффективно регулировать и/или стабилизировать видимые в ИК-диапазоне компоненты, которые находятся внутри защитного кожуха и на пути к целевому объекту ИК-измерения.

[0048] С отсылкой к ФИГ. 6 иллюстрируется пример блока 600 саморазогревающегося датчика температуры согласно изобретению. Как показано в примере по ФИГ. 6, защитный кожух 602 заключает в себе термобатарею, или датчик 604. Например, защитный кожух 602 укрывает, защищает или предохраняет датчик 604 от воздействий окружающей среды. Предусматривается схемная плата 606, на которой может монтироваться датчик 604. Следует понять и принять во внимание, что схема может располагаться на плате для того, чтобы управлять датчиком 604 с целью измерения температуры и регулирования тепловой стабилизации посредством RTD, как описывается в настоящем документе. Согласно иллюстрации, схемная плата 606 имеет форму, соответствующую защитному кожуху 602. Металлизированная рамка 608 может снабжаться и оснащаться RTD, которые способствуют функциональной возможности саморазогрева согласно изобретению.

[0049] ФИГ. 7 иллюстрирует покомпонентный вид (и вид в сборе) сенсорного блока 700 согласно изобретению. Согласно иллюстрации, блок 700 может включать защитный кожух 702, который заключает в себе компоненты датчика. В некоторых особенностях защитный кожух может изготавливаться практически из любой пластмассы или подходящего жесткого материала.

[0050] Защитный кожух 702 защищает корпус 704 датчика, например, от воздействий окружающей среды. Корпус 704 датчика может изготавливаться из нержавеющей стали или практически любого другого подходящего жесткого материала. Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, обсужденной выше, оптическая линза 706 датчика может устанавливаться над корпусом 704 датчика. Линза 706 является прозрачной и может изготавливаться из силикона или другого подходящего прозрачного или полупрозрачного материала.

[0051] Опорная пластина 708 располагается на конце корпуса 704 датчика, противоположном линзе 706. В некоторых случаях опорная пластина 708 изготавливается из нержавеющей стали. Однако следует понять и принять во внимание, что без отступления от сущности и/или объема изобретения и прилагаемой к данному документу формулы изобретения может быть использован практически любой подходящий материал. Термопреобразователь сопротивления (RTD) 710 может монтироваться или термически привязываться под опорной пластиной 708, и, таким образом, стабилизация температуры компонентов (например, 708, 706, 704) может выполняться посредством RTD 710. В некоторых особенностях RTD может представлять собой керамический RTD.

[0052] RTD согласно изобретению пригодны для использования в режиме, который способен одновременно измерять температуру и доставлять тепло. Таким образом, единственный такой компонент (например, RTD) способен функционально измерять температуру и, в то же время, выполнять работу по стабилизации температур других компонентов, «видимых» в ИК-диапазоне (например, корпуса, опорной пластины, оптической линзы, окна защитного кожуха и т.д.). RTD могут регулироваться схемой, которая способствует поддержанию определенной температуры, или заданного значения (например, 120°F).

[0053] Соответственно, с целью поддержания требуемой температуры схема может регулировать мощность, подаваемую на RTD. Несмотря на то, что в данном документе описаны конкретные температуры и источники мощности, функции и преимущества данного изобретения могут использоваться для поддержания практически любой требуемой температуры путем подачи мощности, или ваттности, при необходимости. Следует принять во внимание, что стабилизация температуры «критических компонентов» повышает точность и улучшает рабочие характеристики функциональной возможности ИК-измерения температуры.

[0054] Как показано, в отверстия опорной пластины 708 могут помещаться стеклозаполнители 712. Стеклозаполнители могут способствовать герметичному уплотнению изобретения в дополнение к уплотнению защитного кожуха 702, смонтированного на схемной плате 718. При изготовлении через стеклозаполнители в опорную пластину 708 могут вставляться провода 714, например, медные провода. В некоторых вариантах осуществления изобретения может предусматриваться трасса 716, например, медная трасса. Схемная плата 718 может помещаться на открытый конец защитного кожуха 702 с тем, чтобы заключать в него компоненты датчика. Следует принять во внимание, что схемная плата 718 может иметь форму, соответствующую открытому концу защитного кожуха 702. В других особенностях для того, чтобы обеспечить надлежащее герметичное уплотнение, может предусматриваться канавка, которая по форме соответствует открытому концу защитного кожуха 702.

[0055] Также в защитный кожух 702 заключена металлизированная рамка 720, например, медная рамка. Медная рамка 720 может оснащаться RTD 722. В одной из особенностей RTD представляют собой керамические преобразователи. В то время, как RTD 710 могут измерять температуру и обеспечивать теплом область опорной пластины 708, RTD 722, как показано, могут обеспечивать теплом окно защитного кожуха. Следует принять во внимание, что RTD 722 могут обеспечивать теплом металлизированную рамку, которая может проводить тепло вокруг окна. Фокусируя тепло на окне, можно равномерно стабилизировать температуру, способствуя функциональной возможности ИК-измерения температуры.

[0056] ФИГ. 8 представляет собой общий вид снизу примера сенсорного блока 800 согласно некоторым из особенностей данного изобретения. Как показано, сенсорный блок 800 может включать защитный кожух 802, схемную плату 804 и RTD 806. Кроме того, для содействия электрическому соединению при необходимости предусматриваются медные провода 808.

[0057] С отсылкой к ФИГ. 9 показан общий вид примера сенсорного блока 900. Согласно иллюстрации, защитный кожух 902 может оснащаться сверху полупрозрачным окном 904 так, чтобы энергия ИК-излучения могла захватываться датчиком, или термобатареей. Нижняя часть защитного кожуха 902 открыта с тем, чтобы можно было вставить компоненты датчика так, как это описано выше в отношении ФИГ. 7. Кроме того, открытый конец защитного кожуха 902 может быть сконфигурирован для стыковки со схемной платой 906, например, предусматривающей водонепроницаемое или герметичное уплотнение. Следует понять, что при необходимости для содействия или улучшения функциональной возможности уплотнения могут предусматриваться прокладки.

[0058] ФИГ. 10 иллюстрирует общий вид сверху вниз примера сенсорного блока 1000 согласно некоторым из особенностей. Из данной точки наблюдения видны стеклозаполнители 1002. Иными словами, каждый из проводов 1004 при вставке в схемную плату 1006 проходит через стеклозаполнитель 1002.

[0059] ФИГ. 11 представляет собой еще один общий вид блока 1100 согласно некоторым из особенностей. Как показано, сенсорный компонент 1102 может располагаться в центре схемной платы 1104. В других особенностях сенсорный компонент 1102 может монтироваться на глухой муфте, которая не включает схему. В таких альтернативных особенностях схема может размещаться удаленно от термобатареи. Следует принимать во внимание, что эта иллюстрация является иллюстративной и не предназначена для ограничения альтернативных особенностей изобретения.

[0060] ФИГ. 12 иллюстрирует пример размещения медной рамки 1202 внутри закрытой лицевой поверхности защитного кожуха 1204. Иными словами, металлическая, например, медная, рамка 1202 заключается внутри защитного корпуса 1204 совместно с другими компонентами датчика, как более подробно описано выше. Кроме того, металлическая рамка 1202 может, как показано, оснащаться RTD 1206. Эти RTD 1206 могут предоставлять информацию, необходимую для стабилизации температуры согласно характерным признакам, функциям и преимуществами данного изобретения. Кроме того, RTD 1206 при необходимости стабилизирующего воздействия могут обеспечивать тепло.

[0061] ФИГ. 13-16 показаны в соответствии с одной из частных особенностей изобретения. Несмотря на то, что раскрываются значения удельной теплоемкости и проводимости, следует понимать, что эти значения и параметры представляются для перспективы и никоим образом не ограничивают данное изобретение.

[0062] С отсылкой, в первую очередь, к блоку 1300 согласно ФИГ. 13, защитный корпус 1302, например, пластмассовый, может иметь удельную теплоемкость 2200 Дж/(кг × К) и проводимость 0,5 Вт/(м × К). Схемная плата 1304 может иметь удельную теплоемкость 1200 Дж/(кг × К) и проводимость 0,23 Вт/(м × К).

[0063] Медная рамка 1400 по ФИГ. 14 может иметь удельную теплоемкость 385 Дж/(кг × К) и проводимость 398 Вт/(м × К). Стеклозаполнители 1502 по ФИГ. 15 могут иметь проводимость 0,836 Вт/(м × К).

[0064] Наконец, как показано на ФИГ. 16, корпус 1602 датчика, например, стальной корпус, может иметь удельную теплоемкость 477 Дж/(кг × К). В некоторых особенностях корпус 1602 датчика также может иметь проводимость 16,7 Вт/(м × К). Соответствующая корпусу 1602 датчика опорная пластина 1604, например, стальная, может иметь удельную теплоемкость 477 Дж/(кг × К) и проводимость 16,7 Вт/(м × К). Провода 1606, например, медные провода, могут иметь удельную теплоемкость 385 Дж/(кг × К) и проводимость 398 Вт/(м × К).

[0065] Следует понимать, что, согласно изобретению, теплопередача происходит посредством проводимости в компоненте и там, где два компонента входят в контакт. Наружная поверхность защитного кожуха может переносить тепло путем конвекции с температурой окружающей среды. Внутренняя поверхность защитного кожуха и наружные поверхности других компонентов внутри защитного кожуха (например, корпус датчика) будут переносить тепло путем конвекции связанного воздуха, т.е. воздуха, захваченного внутрь защитного кожуха. В некоторых вариантах осуществления изобретения используется коэффициент конвективной теплопередачи, равный 7,9 Вт/(м2 × К).

[0066] В соответствии с вышеупомянутыми теплоемкостями, мощность источника питания на каждом RTD была обусловлена как равная 0,196 Вт. Температура окружающей среды зафиксирована равной -20°C. При испытании для каждого RTD применялся источник питания мощностью 0,196 Вт. RTD на медной рамке достигали температуры, около, 120°F. Температура на RTD поблизости от опорной пластины для указанной мощности составляла 101°F. Следует понять, что такая величина стабилизации достаточна для того, чтобы позволить выполнять эффективные и точные ИК-измерения температуры. Иными словами, для того, чтобы использовать стабилизированную температуру компонентов в ИК-энергии для преобразований температуры, может предусматриваться регулирующая схема. В результате смягчаются воздействия «видимых» в ИК-диапазоне компонентов.

[0067] Несмотря на то, что в данном документе раскрыта и подробно описана активная стабилизация, следует понимать, что варианты осуществления пассивной (или комбинаций активной и пассивной) стабилизации должны предусматриваться и включаться в объем раскрытия и прилагаемой к данному документу формулы изобретения. Например, в пассивном варианте осуществления изобретения компоненты датчика (датчиков) могут термически связываться с оптикой с целью достижения пассивной стабилизации. Иными словами, крышка (например включающая оптику) может металлизироваться с использованием проводящего материала (например, меди). В данном случае, для стабилизации температуры (температур) может использоваться пассивная проводимость тепловых свойств посредством проводящего материала так, как это описано в настоящем документе.

[0068] То, что описано выше, включает примеры изобретения. Разумеется, в целях описания рассматриваемого изобретения невозможно описать каждую из возможных комбинаций компонентов или способов, но средние специалисты в данной области должны признать, что возможно множество дополнительных комбинаций и изменений согласно изобретению. Соответственно, изобретение предназначено для охвата всех подобных изменений, модификаций и вариантов, которые подпадают под сущность и объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, в случаях, когда или в подробном описании, или в формуле изобретения используется термин «включает», этот термин предполагается как включающий так же, как термин «содержит» предполагается как «содержащий» при использовании в качестве переходного слова в формуле изобретения.

1. Система инфракрасного (ИК) измерения температуры, содержащая:
ИК-датчик температуры, содержащий защитный кожух;
защитный кожух, имеющий открытый конец и закрытый конец, где защитный кожух заключает в себе ИК-датчик температуры;
металлическую рамку, расположенную на внутренней части закрытого конца защитного кожуха, где металлическая рамка окружает пропускающее окно в закрытом конце защитного кожуха;
ряд термопреобразователей сопротивления (RTD), термически привязанных к металлической рамке, где ряд RTD измеряет и генерирует тепло; и
регулирующую схему, которая активно стабилизирует температуру пропускающего окна путем регулирования температуры каждого RTD из ряда RTD в зависимости от тепла, измеряемого посредством одного или нескольких RTD.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что также содержит дополнительный RTD, термически привязанный к опорной пластине ИК-датчика температуры, где генерирование тепла посредством дополнительного RTD активно регулируется регулирующей схемой и где генерирование тепла активно стабилизирует температуру опорной пластины.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что также содержит ИК-датчик, расположенный на схемной плате, где схемная плата герметично уплотняет открытый конец защитного кожуха.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что регулирующая схема генерирует мощность, в значительной мере равную 0,196 Вт, и стабилизирует температуру при, в значительной мере, 120°F.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что регулирующая схема активно стабилизирует температуру металлической рамки, ряда RTD и ИК-датчика температуры.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что защитный кожух имеет цилиндрическую форму.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что защитный кожух является пластмассовым.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что металлическая рамка представляет собой медную рамку.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что ИК-датчик температуры также включает оптическую линзу, смонтированную на одном из концов корпуса, и опорную пластину, смонтированную на другом конце корпуса, где опорная пластина включает дополнительный RTD, который стабилизирует температуру каждого из компонентов ИК-датчика при помощи регулирующей схемы.

10. Система по п. 8, отличающаяся тем, что оптическая линза представляет собой термически стабильную линзу.

11. Система по п. 8, отличающаяся тем, что также содержит стеклозаполнители, которые герметично уплотняют каждый из проводов, которые проходят через опорную пластину ИК-датчика температуры.

12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что также содержит средства каналирования температуры, которые направляют тепло от металлической рамки к опорной пластине ИК-датчика температуры.

13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что каждый RTD из ряда RTD представляет собой керамический RTD.

14. Система инфракрасного (ИК) измерения температуры, содержащая:
защитный кожух, имеющий открытый конец и закрытый конец, ИК-датчик температуры, содержащий кожух датчика, в который заключен ИК-элемент, где в защитный кожух заключен ИК-датчик температуры и кожух датчика, где защитный кожух представляет собой пластиковую крышку, ограждающую кожух датчика от одного или нескольких фактора(ов) окружающей среды;
металлическую рамку, расположенную на внутренней части закрытого конца защитного кожуха, где металлическая рамка окружает пропускающее окно в закрытом конце защитного кожуха и где металлическая рамка обеспечивает устойчивую температуру вокруг пропускающего окна;
ряд термопреобразователей сопротивления (RTD), термически привязанных к металлической рамке, где ряд RTD одновременно как измеряет и генерирует тепло, так и активно стабилизирует температуру пропускающего окна; и
регулирующую схему, которая активно стабилизирует температуру пропускающего окна путем регулирования температуры каждого RTD из ряда RTD для поддержания заданной температуры посредством одного или нескольких RTD, регулируя ток и рассеивание мощности на ряде RTD во время оценки измерения температуры.

15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что также содержит дополнительный RTD, термически привязанный к опорной пластине ИК-элемента, где генерирование тепла посредством дополнительного RTD активно регулируется регулирующей схемой и где генерирование тепла активно стабилизирует температуру опорной пластины.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к корпусу, в частности, из пластмассы для приема по меньшей мере одного технического функционального блока. Технический результат - создание возможности выравнивания колебаний давления в отношении внутреннего пространства корпуса относительно окружающей среды без существенных конструктивных изменений и без дополнительных конструктивных элементов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Изобретение относится к термокомпенсирующим устройствам многоразового использования, позволяющим гасить вибрационные воздействия на работающем изделии и имеющим определенную жесткость на неработающем изделии.

Изобретение относится к средствам защиты внутренних объемов, включающих оптические поверхности, и может быть использовано для защиты оптических поверхностей от образования инея.

Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано в устройствах термокомпенсации цилиндрических оболочек. .

Изобретение относится к радиоэлектронной аппаратуре и является ее составной системой. .

Изобретение относится к электронной технике и может использоваться для преобразования тока в частоту в устройствах с высокими требованиями к надежности и точности преобразования.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для обеспечения вакуумной теплоизоляции в параметрическом термостате, используемом для стабилизации частоты опорного кварцевого генератора электрических импульсов.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам и способам поддержания температуры тела пациента. .

Изобретение относится к маломощным регуляторам температуры и может быть использовано в малогабаритных паяльниках. .

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться для нормализации температуры процессоров современных компьютеров. .

Изобретение относится к области космической техники и предназначено для обеспечения температурно-влажностного режима газовых сред герметичных отсеков. .

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве при регулировании подачи теплоносителя в системах центрального отопления, температуры воздуха в помещениях и т.д.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для обеспечения требуемого температурно-влажностного режима в герметичных отсеках космических аппаратов и станций.

Изобретение относится к конструкциям автоматических регуляторов температуры с применением динисторов с напряжением переключения, зависящим от температуры, и динисторов с напряжением включения, практически не зависящим от температуры, и используемых в качестве активных опорных элементов.

Изобретение относится к устройствам для автоматического регулирования и может быть использоваться в морозильной технике, например в производстве мороженого . .

Изобретение относится к механическим средствам регулирования расхода газа , управление которыми обеспечивается термоприводом, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства .

Изобретение относится к области фотометрии и касается способа учета влияния нестабильности лазера при воспроизведении и передаче единицы мощности. При проведении измерений используют два измерительных преобразователя, постоянные времени которых отличаются не менее чем на два порядка.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры объекта. Представлены варианты системы инфракрасного измерения температуры. Данное изобретение активно стабилизирует температуры объектов поблизости и на пути между инфракрасным датчиком и целевым объектом. Для регулирования мощности, подаваемой на термопреобразователи сопротивления, используются измеритель и регулятор температуры, который регулирует силу тока, подаваемую на RTD. В результате температуры объектов, видимых в ИК-диапазоне, могут активно стабилизироваться при изменениях, например изменениях в температуре окружающей среды, что приводит к эффективным и точным показаниям температуры. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 16 ил.

Наверх