技术领域
[0001] 本
发明涉及仪器科学与技术、控制系统、材料科学、热学、电
力领域，特别涉及大范围温度可调的温度源领域，具体是一种基于涡流加热的黑体面型温度源及使用方法。
背景技术
[0002] 温度的测量方法大致可分为两种：
接触法和非接触法。在接触测温法中，
热电偶和热
电阻温度计应用最为广泛，该方法的优点是设备和操作简单，测得的是物体的真实温度等，其缺点是动态特性差，由于要接触被测物体，故对被测物体的温度分布有影响，受耐高温材料限制不能测量很高的温度。目前非接触测温法仍以
辐射测温法为主，在过去相当长的时间里，辐射测温法的可靠性和抗干扰性都不太高，且测量范围往往仅限于较高温度(600～1000℃)。随着
电子技术和
半导体材料的飞快发展，尤其是InGaAs技术的快速发展，又由于辐射温度计具有无测量上限，响应速度快及不接触被测对象，具有不影响被测温场等特点，因而辐射测温技术得到长足的进步和发展。
[0003] 目前最常用的辐射式测温方法仍然是黑体辐射法，黑体辐射法就是通过黑体辐射源向需要温度标定的设备提供稳定的温度。黑体作为一种标准辐射源，能够产生一定温度下的标准辐射，是标定过程中的关键设备，因此对黑体辐射源的研究至关重要。黑体在现实中是不存在的，它是人们在叙述真实表面的辐射特性时，作为参照标准而引入的一种理想表面，黑体具有诸多优越的性质，比如说，能够吸收任意方向，任意
角度入射的所有投射辐射
能量，在确定的温度T和
波长λ下，不存在比黑体发射更多能量的表面等。黑体作为温度标定的关键设备，虽然不能制造出理想黑体，但根据基尔霍夫在1980年提出的理想黑体理论：从密闭等温腔体内的任意面元上发出的辐射是等温腔体温度下的黑体辐射，人们可以通过基尔霍夫这一理想黑体物理模型来研制人工黑体，即在密闭等温腔体上开一个小孔，从小孔中发出的辐射近似为黑体辐射，开孔腔体即为空腔式黑体辐射源。
[0004] 黑体辐射源的研究工作主要包括三个方面：黑体辐射源空腔有效发射率的计算及空腔结构设计；黑体辐射源整体热设计，包括材料选取，温度均匀性的实现及温度
稳定性控制；黑体辐射源发射率验证。而随着电子技术和半导体材料的飞快发展，以及市场的实际需求，人工黑体技术发展很快，人们已经可以制造出提供不同温度范围的黑体，比如可提供温度范围为80～150℃的低温黑体、可提供温度范围为150～1200℃的中温黑体以及可提供温度范围为1200～3000℃的高温黑体。但是目前市场上并没有一种黑体辐射源其提供的温度范围
覆盖低、中、高三个温度范围，而且黑体辐射源一般比较笨重，往往重量达到数百公斤，难以携带，而且升温、降温速度慢等缺点。对于许多应用，需要携带温度源到工作现场进行温度比对，如此庞大、笨重的设备，其搬运工作显然是不利于工作的开展的。若能开发一种重量轻、体积小、一个人即可搬运，温度范围大，可以覆盖高、中、低三个温度范围的温度源，则对温度的非接触测量，具有非常重要的意义。
发明内容
[0005] 为解决
现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种一种基于涡流加热的黑体面型温度源及使用方法，该温度源的形式为小型化的面源或近面源(浅腔体大开口)黑体温度源，温度范围覆盖低、中和三个温度层次，并且在保证黑体有效辐射面积较大、温度稳定性高以及温度均匀性好的情况下，能够提供稳定的温度输出，同时具备现场环境使用要求的防
水抗震和抗热辐射能力。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] 一种基于涡流加热的黑体面型温度源，包括
隔热陶瓷筒，隔热陶瓷筒的内腔设有钨
铜合金块，钨
铜合金块的上表面设置有黑体辐射源，钨铜合金块和黑体辐射源形成的整体结构与隔热陶瓷筒的内壁之间具有气隙，隔热陶瓷的外周套设有用于为钨铜合金块加热的感应线圈；
[0008] 还包括温度
传感器，温度传感器为热电偶温度传感器或红外温度传感器，若是热电偶温度传感器，则热电偶温度传感器穿过隔热陶瓷筒的
侧壁，热端埋设在黑体辐射源中；若是红外温度传感器，则红外温度传感器安装在钨铜合金块一侧或安装在黑体辐射源一侧。
[0009] 还包括陶瓷管，陶瓷管穿过隔热陶瓷筒的底部，上端与钨铜合金块与隔热陶瓷筒之间形成的气隙联通，陶瓷管用于向隔热陶瓷筒内输送降温气体；
[0010] 还包括温度源控制系统，温度源控制系统包括冷却送
风系统和加热控制系统，冷却送风系统和加热控制系统连接，陶瓷管的下端与冷却送风系统连接，加热控制系统与感应线圈连接，还与热电偶温度传感器或红外温度传感器连接。
[0011] 冷却送风系统包括第一气
泵、第二气泵和半导体制冷装置，第一气泵的出气口、第二气泵的出气口和陶瓷管的下端通过三通
阀门联通，第一气泵的进气口与第二气泵的进气口均与大气联通，半导体制冷装置设置在第二气泵的进气管路上，第一气泵、第二气泵和半导体制冷装置均与加热控制系统连接。
[0012] 加热控制系统包括变频电源、
微处理器以及微处理器的输入设备和显示设备，微处理器的输入设备和显示设备均与微处理器连接，变频电源与感应线圈和微处理器分别连接，微处理器还分别与热电偶温度传感器和冷却送风系统连接。
[0013] 热电偶温度传感器的冷端置于在零度温度环境中，或者在热电偶温度传感器的冷端设置温度补偿温度传感器，温度补偿温度传感器与加热控制系统连接。
[0014] 当感应线圈上需要加载1000W以上的功率时，基于涡流加热的黑体面型温度源还包括冷却
循环水系统，感应线圈为铜管绕制而成的线圈，铜管的两端口与冷却循环水系统连接。
[0015] 钨铜合金块和黑体辐射源形成的整体结构通过两个陶瓷紧固圈固定于隔热陶瓷筒的内腔，两个陶瓷紧固圈分别设置在钨铜合金块的下部和黑体辐射源的上部，两个陶瓷紧固圈沿厚度方向均匀开设有通气孔。
[0016] 隔热陶瓷筒与感应线圈整体的外表面包覆有
外壳体，外壳体侧壁内侧在感应线圈出开设有用于容纳感应线圈的容纳腔体。
[0017] 黑体辐射源的上端连接有高温玻璃罩，高温玻璃罩与黑体辐射源之间具有空腔且密封连接，空腔内填充有惰性气体，空腔内的惰性气体处于
负压或者在者高温玻璃罩上设置可伸缩管，可伸缩管一端与空腔联通，另一端密封。
[0018] 钨铜合金块和黑体辐射源为直径相同的圆柱体结构，隔热陶瓷筒为圆筒状结构，黑体辐射源采用重结晶
碳化
硅块或
石墨块。
[0019] 一种基于涡流加热的黑体面型温度源的使用方法，在设定黑体辐射源的预定温度值后，加热控制系统获得温度预定值与温度传感器测得的温度值的差值ΔT，通过差值ΔT判断对黑体辐射源是加热还是降温；
[0020] 如果需要加热，加热控制系统控制感应线圈产生交变
磁场，钨铜合金块中产生感应的涡流，产生的涡流将钨铜合金块加热，钨铜合金块再将黑体辐射源加热，直到热电偶温度传感器检测到的温度达到黑体辐射源设定的预定温度，则停止加热；
[0021] 若需要降温，加热控制系统控制冷却送风系统通过陶瓷管向隔热陶瓷筒中输送冷却风，冷却风对钨铜合金块和黑体辐射源进行冷却降温，直到热电偶温度传感器检测到的温度达到黑体辐射源设定的预定温度，则停止冷却降温。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0023] 本发明的基于涡流加热的黑体面型温度源通过设置隔热陶瓷筒，隔热陶瓷筒的内腔设置钨铜合金块，钨铜合金块的上表面设置黑体辐射源，隔热陶瓷的外周套设感应线圈，通过感应线圈能够对钨铜合金块进行加热，并进一步加热黑体辐射源，通过隔热陶瓷筒能够将钨铜合金块和黑体辐射源形成的热源与外界隔开，并只通过隔热陶瓷筒的开口向外进行热辐射，使得本发明的热源为面源或近面源，由于采用感应线圈进行加热，因此加热速率快，而且通过控制加热功率能够控制加热温度，使得温度范围能够覆盖低、中和高三个温度层次，最高加热温度可达1600℃，因此本发明的温度源在保证黑体有效辐射面积较大、温度稳定性高以及温度均匀性好的情况下，还能够提供稳定的温度输出；
[0024] 钨铜合金块和黑体辐射源形成的整体结构与隔热陶瓷筒的内壁之间具有气隙，隔热陶瓷筒的底部设置陶瓷管，陶瓷管与钨铜合金块和隔热陶瓷筒之间形成的气隙联通，通过陶瓷管能够向隔热陶瓷筒内输送降温气体，因此使得本
申请的温度源具有降温均匀且降温快的特点，使得设备的使用周转速率加快，能够提高工作效率；
[0025] 本发明的温度源在使用时，在设定黑体辐射源的预定温度值后，加热控制系统获得温度预定值与温度传感器测得的温度值的差值ΔT，通过差值ΔT判断对黑体辐射源是加热还是降温；如果需要加热，加热控制系统控制感应线圈产生交变磁场，钨铜合金块中产生感应的涡流，产生的涡流将钨铜合金块加热，钨铜合金块再将黑体辐射源加热，直到热电偶温度传感器检测到的温度达到黑体辐射源设定的预定温度，则停止加热；若需要降温，加热控制系统控制冷却送风系统通过陶瓷管向隔热陶瓷筒中输送冷却风，冷却风对钨铜合金块和黑体辐射源进行冷却降温，直到热电偶温度传感器检测到的温度达到黑体辐射源设定的预定温度，则停止冷却降温；因此具有操作简便的特点。
[0026] 进一步的，冷却送风系统包括第一气泵、第二气泵和半导体制冷装置，在降温时，首先使用第一气泵将空气泵入陶瓷管，对着钨铜合金块吹风降温，使得钨铜合金降温至比
环境温度高5-10℃时，然后，再通过第二气泵通入经半导体制冷装置的冷端冷却后的空气，将钨铜合金块的温度降到设定的温度值，若温度源的低温点只需环境温度即可，则无需半导体制冷装置进行降温。
[0027] 进一步的，黑体辐射源的上端连接有高温玻璃罩，高温玻璃罩与黑体辐射源之间具有空腔且密封连接，空腔内填充有惰性气体，通过高温玻璃罩和惰性气体能够使黑体辐射源保持良好的稳定性与较长的寿命，考虑到高温玻璃罩的耐温范围和惰性气体受
热膨胀致使高温玻璃罩承受过大压力，可以采用两种方法解决这个问题，一种是将空腔内的惰性气体抽成负压，使得常温时，空腔内部气压小于
大气压，而加热时，内部气压大于大气压，使得高温玻璃罩得到压力补偿，耐压范围增大，另一种是在高温玻璃罩上加装一个可伸缩管，通过可伸缩管的可伸缩性，能够容纳膨胀后的惰性气体，实现对内腔的减压，当气体降温后，伸缩管将其内的气体补充给内腔，从而起到对高温玻璃罩进行降压和稳压的作用。
附图说明
[0028] 图1为本发明的基于涡流加热的黑体面型温度源的结构
框图；
[0029] 图2为本发明的温度源的加热炉体的结构示意图；
[0030] 图3为本发明的温度源的升温控制框图。
[0031] 其中，1-钨铜合金块，2-黑体辐射源，3-感应线圈，4-外壳体，5-陶瓷管，6-热电偶孔洞，7-热电偶温度传感器，9-第一气泵，9-1-第二气泵，10-三通阀门，11-半导体制冷装置，12-半导体制冷片，12-1-半导体制冷片冷端，12-2-半导体制冷片热端，13-隔热陶瓷筒，14-陶瓷紧固圈。
具体实施方式
[0032] 以下结合附图和
发明人给出的
实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0033] 如图1和图2所示，本发明的基于涡流加热的黑体面型温度源，包括隔热陶瓷筒13，隔热陶瓷筒13的内腔设有钨铜合金块1，钨铜合金块1的上表面设置有黑体辐射源2，钨铜合金块1和黑体辐射源2为直径相同的圆柱体结构，隔热陶瓷筒13为圆筒状结构，黑体辐射源2采用重结晶碳化硅块或石墨块，钨铜合金块1和黑体辐射源2形成的整体结构通过两个陶瓷紧固圈14固定于隔热陶瓷筒13的内腔，两个陶瓷紧固圈14分别设置在钨铜合金块1的下部和黑体辐射源2的上部，钨铜合金块1和黑体辐射源2形成的整体结构与隔热陶瓷筒13的内壁之间具有气隙，两个陶瓷紧固圈14沿厚度方向均匀开设有通气孔，隔热陶瓷13的外周套设有用于为钨铜合金块1加热的感应线圈3；隔热陶瓷筒13与感应线圈3整体的外表面包覆有外壳体4，外壳体4侧壁内侧在感应线圈3出开设有用于容纳感应线圈3的容纳腔体；黑体辐射源2的上端连接有高温玻璃罩，高温玻璃罩与黑体辐射源2之间具有空腔且密封连接，空腔内填充有惰性气体，空腔内的惰性气体处于负压或者在者高温玻璃罩上设置可伸缩管，可伸缩管一端与空腔联通，另一端密封；
[0034] 还包括温度传感器，温度传感器为热电偶温度传感器7或红外温度传感器，若是热电偶温度传感器7，则热电偶温度传感器7穿过隔热陶瓷筒13的侧壁，热端埋设在黑体辐射源2中，热电偶温度传感器7的冷端置于在零度温度环境中，或者在热电偶温度传感器7的冷端设置温度补偿温度传感器，温度补偿温度传感器与微处理器连接；
[0035] 若是红外温度传感器，则红外温度传感器安装在钨铜合金块1一侧或安装在黑体辐射源2一侧，当红外温度传感器安装在钨铜合金块1一侧时，红外温度传感器所测温度通过调整补偿系数来使所测温度为黑体辐射源2的真实辐射温度；
[0036] 还包括陶瓷管5，陶瓷管5穿过隔热陶瓷筒13的底部，上端与钨铜合金块1与隔热陶瓷筒13之间形成的气隙联通，陶瓷管5用于向隔热陶瓷筒13内输送降温气体；
[0037] 还包括温度源控制系统，温度源控制系统包括冷却送风系统和加热控制系统，冷却送风系统包括第一气泵9、第二气泵9-1和半导体制冷装置11，第一气泵9的出气口、第二气泵9-1的出气口和陶瓷管5的下端通过三通阀门10联通，第一气泵9的进气口与第二气泵9-1的进气口均与大气联通，半导体制冷装置11设置在第二气泵9-1的进气管路上；
[0038] 加热控制系统包括变频电源、微处理器以及微处理器的输入设备和显示设备，微处理器的输入设备和显示设备均与微处理器连接，变频电源与感应线圈3和微处理器分别连接，微处理器还分别与温度传感器、第一气泵9、第二气泵9-1和半导体制冷装置11连接；
[0039] 当感应线圈3上需要加载1000W以上的功率时，基于涡流加热的黑体面型温度源还包括冷却循环水系统，感应线圈3为铜管绕制而成的线圈，铜管的两端口与冷却循环水系统连接，通
过冷却循环水系统能够为感应线圈3进行降温，以避免感应线圈3
过热。
[0040] 结合图3，本发明的基于涡流加热的黑体面型温度源的使用方法如下：
[0041] 在设定黑体辐射源2的预定温度值后，微处理器获得温度预定值与热电偶温度传感器7测得的温度值的差值ΔT，并通过差值ΔT判断对黑体辐射源2是加热还是降温；
[0042] 如果需要加热，微处理器控制变频电源给感应线圈3供电，感应线圈3产生交变磁场，交变磁场使钨铜合金块1中产生感应的涡流，产生的涡流将钨铜合金块1加热，钨铜合金块1再将黑体辐射源2加热，直到热电偶温度传感器7检测到的温度达到黑体辐射源2设定的预定温度，则微处理器控制变频电源停止为感应线圈3供电，加热停止；
[0043] 若需要降温，微处理器先控制第一气泵9通过陶瓷管5向隔热陶瓷筒13中输送空气，空气直吹钨铜合金块1和黑体辐射源2，使得钨铜合金块1和黑体辐射源2冷却降温，当钨铜合金降温至比环境温度高5-10℃时，然后，微处理器再控制第二气泵9-1通过陶瓷管5向隔热陶瓷筒13中输送冷却空气，第二气泵9-1在工作时，半导体制冷装置11通过半导体制冷片12的半导体制冷片冷端12-1为第二气泵9-1的进气管进行降温，直到钨铜合金块1的温度降到设定的温度值，微处理器控制第一气泵9和/或第二气泵9-1停止工作，停止冷却降温；
[0044] 若温度源的低温点只需环境温度即可，则无需通过半导体制冷装置11进行降温，热电偶温度传感器7的冷端补偿采用温度补偿温度传感器测得的温度进行补偿。
[0045] 黑体辐射源2即为本发明的面型黑体温度源的辐射体，在使用时，使黑体辐射源2正对非接触测温设备(如多
光谱热像仪)即可。
[0046] 本发明的温度源控制系统为一个闭环控制系统，在整个控制系统中，用户通过输入设备(按键和显示屏)来设定温度和产热速率预定值。在设定预定温度值后，微处理器根据预定值与测得的温度值，决定加热还是降温，如果需要加热，则控制变频电源的加热时间占空比，通过感应线圈产生交变磁场，使得钨铜合金中产生强涡流，从而使得钨铜合金和重结晶碳化硅加热。
[0047] 实施例
[0048] 本实施例中，基于涡流加热的黑体面型温度源主要由中频电源、半导体制冷装置11、感应线圈3、环境测温传感器、高温热电偶、钨铜合金块、隔热陶瓷筒3、作为黑体辐射源2的重结晶碳化硅块、微处理器、以及气泵组成，如图1和图2所示。
[0049] 微处理器采用
单片机，如STM32F系列，微处理器用于实现
温度控制功能，在设定预定温度值后，微处理器根据温度预定值与高温热电偶测得的温度值的差值ΔT来判断重结晶碳化硅块2是加热还是降温，如果需要加热，则控制中频电源的加热时间占空比，通过感应线圈3产生交变磁场，使得钨铜合金块1中产生强涡流，从而使得钨铜合金块和重结晶碳化硅块2加热，直到重结晶碳化硅块2加热到预定温度；若需要降温，则通过微处理器控制第二气泵9-1将半导体制冷装置11的冷端空气泵至钨铜合金块1处，使得钨铜合金块1和重结晶碳化硅块2处的温度降低至设定温度。在这期间，显示设备会显示钨铜合金块1的实时温度。高温热电偶主要是为了测量用于产热的钨铜合金块的实时温度，测量出的温度
信号在经过调理
电路调理后，反馈给微处理器，微处理器再进行
数据处理，只要满足温度源测量范围和
精度要求，热电偶温度传感器的型号不限。环境测温传感器是为了测量环境温度，对高温热电偶冷端进行温度补偿，根其型号根据用户需求选择。在本实施例中，微处理器采用STM32F103RBT6进行控制，热电偶传感器采用R型热电偶(铂铑13—铂)，满足测温要求，环境测温传感器选用铜热电阻Cu100，测温范围为-50～150℃，满足要求，显示设备选用一块380x240的2.4寸
液晶显示屏；
[0050] 温度的降温控制分两步来实现，首先使用第一气泵9将空气泵入陶瓷管5，对着钨铜合金块1吹风，使得钨铜合金块1降温至比环境温度高5-10℃，然后，通过半导体制冷装置11的冷端空气，将钨铜合金块温度降到设定的温度值。若温度源的低温点只需环境温度即可，则无需开启半导体制冷装置11，高温热电偶的冷端补偿，采用环境温度传感器测得的温度进行补偿。本实施例中，由于采用重结晶碳化硅作为黑体辐射源，低压氩气隔离室和高温玻璃不再需要，加热炉体结构如附图2所示；
[0051] 变频电源和电力电子
开关的型号、铭牌不限，根据用户实际需求选用，感应线圈形式不限，根据用户实际需求选用，变频电源和感应线圈均可在市场上购买。在本实施例中，根据黑体有效辐射面积≥Φ40mm，以及黑体辐射源2(石墨块或重结晶碳化硅块)在一定时间内的温度上升需求，变频电源选择
频率为5kHz和功率为2000W的变频电源，感应线圈采用铜管绕制，开关采用常规的电力电子开关IGBT；
[0052] 作为绝
热层的隔热陶瓷筒3是被用作黑体温度源
支撑用的，其所用材料为
绝热材料，可从市场购买。在本实施例中，考虑到实际需求，绝热层作为加热体的炉衬，其材料采用中性的刚玉
尖晶石质(AL2O3,MgO)，以干式捣打料填充。具体为以板状刚玉(粒径：0-2mm)，
烧结尖晶石颗粒为
骨料，电熔尖晶石细粉(≤0.044mm)、白刚玉细粉(≤0.044mm)、α-Al2O3微粉(≤5μm)，纯
铝酸
钙水泥为基质，按骨料与基质的
质量比70:30配料；
[0053] 本实例温度源的使用过程，在用户未输入预定值时，微处理器的默认预定值设为0，而此时STM32F103RBT6处理器根据
算法不进行温度控制，只是把热电偶温度传感器测到的环境温度实时显示到显示设备液晶屏上，当用户想要某个温度的温度源时，用户可以通过数字按键输入预定值，并在输入设备的液晶显示屏上实时显示，微处理器将会把热电偶温度传感器测量的温度值和用户预定值进行比较，此时会得到一个温度偏差ΔT0，然后微处理器就会根据温度偏差ΔT0来决定加热还是降温，如果需要加热，则控制中频电源的加热时间占空比，通过感应线圈3产生交变磁场，使得钨铜合金块1中产生强涡流，从而使得钨铜合金块1和重结晶碳化硅块加热，同时热电偶温度传感器实时监测钨铜合金块1内部的温度，热电偶温度传感器将得到温度信号经调理电路调理后，通过通信协议传输给微处理器，然后，微处理器会再次将之与预定值进行比较，得到一个偏差值ΔT1，接下来，STM32F103RBT6处理器会根据相应的算法再次对温度偏差值ΔT1进行判定，根据判定结果，微处理器控制中频电源的加热时间占空比，通过感应线圈产生交变磁场，使得钨铜合金块1中产生强涡流，从而使得钨铜合金块和重结晶碳化硅块加热，这个过程一直循环，微处理器会对每次的温度差ΔT2，ΔT3，ΔT4，……，进行判定，控制钨铜合金块1和重结晶碳化硅块产热，直到重结晶碳化硅块被加热到预定温度，在对钨铜合金块的温度修正的过程中，钨铜合金块的实时温度实时显示在显示设备(液晶显示屏)上；当用户需要温度源从高温降到环境温度时，STM32F103RBT6微处理器将会把热电偶测量的温度值和用户预定值进行比较，此时会得到一个温度偏差ΔT0`，然后微处理器就会根据相应的算法对温度偏差ΔT0`进行判定，来断中频电源和感应线圈之间的开关，并通过气泵将空气泵至钨铜合金块，使得辐射源温度降低至设定温度，此时，热电偶温度传感器的冷端补偿采用环境温度传感器测得的温度进行补偿；若用户预定温度低于环境温度，STM32F103RBT6微处理器就会根据相应的算法对温度偏差ΔT0`进行判定，微处理器根据判定结果来断开中频电源和感应线圈之间的开关，同时，使用第一气泵9将空气泵入陶瓷管5，对着钨铜合金块1吹风，使得钨铜合金块1降温至比环境温度高5-10℃，然后，通过第二气泵9-1将半导体制冷装置的冷端空气泵入陶瓷管5，将钨铜合金块的温度降到设定的温度值。温度源温度通过显示设备实时显示。
[0054] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的
权利要求书确定
专利保护范围。
