改進的防爆熱成像系統的製作方法

2023-06-13 14:15:06 1

類似於標準照相機使用可見光形成圖像的方法，紅外照相機通常使用紅外輻射形成圖像。然而，紅外照相機通常地以諸如14,000納米等的更長波長的照明操作。紅外照相機在提供對存在於像場中的熱的非接觸指示的多個應用中是非常有用的。此外，在一些環境中，紅外照相機可以被校準，使得對表面溫度的指示可以直接地從由紅外照相機提供的圖像直接地得到。

紅外照相機在其中特別有用的一種環境是在過程控制和監控中。在該環境中，過程流體，諸如石油化學產品、漿料、藥類化合物等，可以被處理和傳送到處理設備中的多個位置。然而，過程控制和監控環境在以下方面對多種裝置提出挑戰，即環境自身可能具有在其中存在的非常易燃的或易爆的氣體。因此，在一些這樣的環境中，對於在其中使用的電子裝置，重要的是被容納在防爆箱中。當被如此容納時，即使裝置的電路生成火花或包括具有足夠高以點燃環境的表面溫度的電力部件，所導致的點火將被完全地容納在箱中，並且不能夠洩露進入周邊環境中。這是重要的，以確保在其中的過程控制設備和工作人員的安全。

防爆等級的一個示例是根據用於潛在爆炸性環境的Ex-d標準EN60079-0和EN60079-1的ATEX認證。通常地，防爆殼體是較為笨重的，以使得機械堅固足以容納內部爆炸沒有破裂。通常地，該防爆容器是非常堅固的金屬箱，所述金屬箱被設計成經受爆炸壓力。然而，對於諸如依靠對環境的光學感測的紅外照相機之類的裝置，所述箱必須容納一些種類的窗口以允許紅外照相機觀察環境。然而，為了抑制爆炸壓力和衝擊力的需要，窗口必須是較厚的。不幸地，增加窗口的厚度使得窗口機械堅固足以抑制爆炸壓力，將減少窗口的透射率，增加窗口的成本，並且不期望地影響輻射溫度測量值。

技術實現要素：

提供了一種熱成像系統。熱成像系統包括防爆殼體，具有被構造成抑制爆炸壓力的光學窗口。光學窗口允許電磁熱能通過。熱成像傳感器被設置在防爆殼體中。熱成像電子器件聯接到熱成像傳感器，並且被構造成基於來自熱成像傳感器的信號提供至少一個熱圖像。透鏡組件至少在防爆殼體外部被設置在光學窗口前方。還提供了一種用於熱成像的複合光學窗口。

在另一實施例中，提供了熱成像系統，所述熱成像系統具有防爆殼體，所述防爆殼體包括被構造成抑制爆炸壓力的光學窗口。光學窗口允許電磁熱能穿過。紅外(IR)照相機被設置在防爆殼體中。反射器被構造成將電磁熱能反射至IR照相機，但是防止物體撞擊光學窗口。

附圖說明

圖1是根據本發明的實施例的防爆熱成像系統的示意圖。

圖2是根據本發明的實施例的被設置在透鏡組件中的IR窗口的示意圖。

圖3是示出擊打聚焦透鏡並且通過聚焦透鏡的撞擊物體的示意圖。

圖4A是撞擊物體撞擊硒化鋅窗口的示意圖。

圖4B是根據本發明的實施例的複合IR窗口的示意圖。

圖5是根據本發明的實施例的在危險環境中操作紅外照相機的方法的流程圖。

具體實施方式

本發明的實施例總體上通過在熱成像光學器件前改變或提供防爆窗口和/或額外的修改以改進熱成像系統。總體而言，熱成像照相機的熱成像光學器件不被設計成經受需要滿足防爆認證的內部壓力。例如，用於適當的IR透射材料的破裂係數(MR)是較小的。

本發明的實施例總體提供一種適合於作用為壓力屏障的紅外窗 口。在一些實施例中，紅外窗口由硒化鋅(ZNSE)形成。儘管用於提供防爆熱成像系統的一個可能是僅在具有由諸如ZNSE的IR透射材料形成的較厚IR窗口的堅固殼體中放置常規紅外照相機，但是需要的窗口尺寸可以是下述直徑，所述直徑使得用於抑制爆炸壓力的窗口厚度不會影響光學性能。此外，該窗口將是成本過高的。根據本發明的一些實施例，IR窗口被放置在熱成像光學器件的至少一個光學元件中或至少放置在熱成像光學器件的至少一個光學元件後方。這樣，光學元件可以減少必須穿過IR窗口的射線束的尺寸。這樣，IR窗口的直徑可以被減少，這然後可以允許厚度被減少，同時仍然滿足壓力和衝擊力抑制要求。

圖1是根據本發明的實施例的防爆熱成像系統的示意圖。系統100包括熱成像傳感器102和聯接到傳感器102的相關聯電子器件104。電子器件104被電聯接到連接器106，連接器106穿過殼體108以允許系統100被聯接到適當的電源和/或通信源。透鏡組件110被設置成接近傳感器102，並且被布置成將熱輻射聚焦在熱成像傳感器102上。在圖示的實施例中，透鏡組件110包括四個不同的透鏡112、114、116和118。另外地，防爆窗口120設置在透鏡114和116之間。窗口120由諸如ZNSE之類的具有較高紅外透射率的材料形成。諸如彈性O型環122等的環境密封件將防爆窗口120密封到透鏡組件110的框架。相對於框架124，窗口120的尺寸形成為提供框架淬熄路徑(frame-quenching path)126。因為窗口120被設置在透鏡組件110中，因此與窗口120被放置在透鏡112前方時所需要的直徑相比，窗口120的直徑更小。通過減少窗口120的直徑，窗口120的厚度可以被減少，同時仍然能夠滿足壓力抑制要求。這允許材料成本減少，同時還潛在地提高了整個系統的光學性能。

圖2是根據本發明的實施例的被設置在透鏡組件110中的窗口120的示意圖。熱成像電磁輻射在穿過窗口120之前首先穿過第一部分(由附圖標記130表示)。第一部分130通常由外部聚焦透鏡112和第二聚焦透鏡114構成。一旦熱成像電磁輻射穿過第二聚焦透鏡114，則熱成像電磁輻射穿過窗口120，在一個實施例中窗口120由硒化鋅 形成。然後，熱成像電磁輻射穿過聚焦透鏡116，聚焦透鏡116被布置成用於會聚射線束。離開透鏡116的熱成像電磁輻射進入聚焦透鏡114中，聚焦透鏡114進一步地將射線束聚焦在用於獲取圖像的照相機傳感器102上。

為滿足相關的防爆認證，裝置必須經過某些測試。在一個測試中，一英寸直徑的球體以四焦耳的力被撞擊至光學器件上。這確保被許可的設計將能夠經受至少一些強度的撞擊，而不會不適當地影響裝置的壓力抑制能力。不幸地，(特別是那些由ZNSE形成的)IR窗口特別易於被該撞擊測試損壞。

本發明的提供被設置在照相機透鏡組件中的IR窗口的實施例從本質上保護IR窗口免於該測試的撞擊。在透鏡組件中設置IR窗口確保一英寸直徑球體的撞擊僅影響外部透鏡，並且不影響系統的壓力抑制能力。

圖3是示出擊打聚焦透鏡112並且通過聚焦透鏡112的撞擊物體150的示意圖。然而，金屬護罩152的尺寸形成為使得一英寸直徑球體不能到達IR窗口120或甚至透鏡114。因而，本發明的至少一些實施例提供改進的防爆熱成像系統，其具有設置在透鏡112外側的護罩152，所述透鏡112具有小於一英寸的直徑。因而在到達和潛在地撞擊IR窗口120之前，撞擊物體150停止。當撞擊物體150與透鏡組件接觸時，撞擊物體150將首先被外部透鏡112、114減速，並且最後在撞擊IR窗口120之前被透鏡框架(護罩152)停止。該裝置便於滿足防爆等級。一旦被撞擊，則外部透鏡112被毀壞，並且系統將不再能夠產生可用的測量值。然而，該測量失效將容易地被熱圖像自身識別，並且操作員將被警示發生故障。因此，聯接到傳感器102(如圖1所示)的電子器件104可以經由硬體、軟體或其組合被構造成，在一段時間內比較熱圖像的時間順序或與透鏡系統的透射率相關的參數以檢測改變，例如透鏡組件110中的一個或多個透鏡的破裂或損壞。這樣，如果透鏡破裂或被損壞，則電子器件104將向操作員提供警報。

如上所述，硒化鋅窗口的撞擊測試已經表示，該IR窗口不是特 別耐撞擊的。然而，對於獲得和保持防爆標準，撞擊抵抗力是非常重要的。儘管迄今描述的實施例通常通過將防爆窗口放置在熱成像系統的透鏡組件中以保護防爆窗口，但是至少一些實施例針對撞擊而具體地調整IR窗口。

圖4A是撞擊物體150在位置162處撞擊硒化鋅窗口160的示意圖。一旦衝擊，則多個裂縫164從點162沿x和z方向擴展。一旦裂縫行進跨越窗口160的整個厚度(T)，則窗口160的機械整體性被損壞並且爆炸壓力將不再被抑制。

圖4B是根據本發明的實施例的複合IR窗口170的示意圖。窗口170由一對較薄的硒化鋅層172、174形成，所述一對較薄的硒化鋅層將IR透明的聚醯胺層176夾在中間。聚醯胺層176是非常耐衝擊的並且不像硒化鋅一樣破裂。因此，當撞擊物體150在位置178處撞擊層172時，裂縫如附圖標記180所示蔓延。裂縫將最終蔓延通過層172，但是將不蔓延通過聚醯胺層176。因此，層174的機械整體不變，並且仍然能夠抑制用於獲得和保持必要的防爆認證的爆炸壓力。撞擊能量的大部分被第一層172吸收，從而將施加到第二層174的撞擊降低到將抵抗裂縫的水平。此外，聚醯胺層176可以促進中斷該裂縫的蔓延。層174容納有壓力承載密封件，並且要求對於防爆認證保持不受損害。利用圖4B圖示的複合IR窗口，本發明的實施例可以能夠為已知的熱成像系統提供簡單的箱。然而，可以明確設想到：通過將混合窗口設計結合至IR窗口120中，圖4B中提供的複合IR窗口可以用於上述實施例中。

圖5是根據本發明的實施例的改進的防爆熱成像系統的示意圖。熱成像系統200包括設置在防爆殼體204中的IR照相機202。防爆殼體204在一個端部處包括IR窗口206。IR窗口206不具有以其他方式阻礙紅外輻射的任何網格或固態結構。在一些實施例中，IR窗口206可以包括圖4B示出的混合IR窗口設計。然而，實施例還包括僅為單個整體一件的IR透明材料——例如硒化鋅——的IR窗口206。為保護IR窗口206免於撞擊，反射器208大致地放置在IR窗口206前方。因此，諸如撞擊物體150等的物體被防止打擊IR窗口206。 這樣，反射器208為IR窗口206提供機械防護，同時光學地參與熱圖像的獲得。在圖5示出的示例中，反射器208是拋物面反射鏡，因而有助於將像場聚焦在IR照相機202上。另外地，系統200還包括發射率參照物體210，發射率參照物體210被設置成接近IR窗口206並且被布置成包括具有已知發射率的至少一個表面212。當IR照相機202對表面212成像時，與表面212的圖像組合的已知發射率可以提供關於反射鏡208和IR窗口206的一個或兩個的狀態的有價值的信息。例如，如果反射鏡208或IR窗口206變髒或被損壞，則該狀態可以被IR照相機202通過觀察發射率參照表面212而確定。另外地，在至少一些實施例中，圖5示出的整個結構可以圍繞軸線214轉動，使得可以使用IR照相機202對360°的視場進行熱成像。這將允許甚至較低解析度的成像器能夠在IR照相機用於行掃描模式時提高解析度。另外地，在至少一些實施例中，反射鏡208可以僅圍繞IR照相機202的光學軸線轉動以提供360°視場成像。這可以簡化設計，使得IR照相機202的轉動和相關聯的轉動連接器將不是必須的。

雖然已經參照優選的實施例描述了本發明，但是本領域的技術人員將認識到可以在沒有脫離本發明的精神和範圍的情況下對形式和細節進行改變。