ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ФОКУСИРУЮЩУЮ КОНСТРУКЦИЮ, ДЛЯ ИНФРАКРАСНОГО ТЕРМОМЕТРА
OPTICAL SYSTEM HAVING FOCUSING STRUCTURE FOR INFRARED THERMOMETER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[1] Настоящее изобретение является неконтактным оптическим термометром, в частности инфракрасным термометром оптической системы, в котором операции по фокусировке окуляра и объектива регулируют на заднем конце оптического зонда.
Уровень техники
[2] Инфракрасный термометр собирает энергию инфракрасного теплового излучения, исходящую от цели, через свою оптическую систему; энергия прямо или косвенно (путем передачи через оптические волокна) фокусируется на датчике для измерения температуры и преобразуется в электрические сигналы, и электрические сигналы подвергаются последующей обработке контура для отображения измеряемой температуры и выхода соответствующих электрических сигналов. Оптическая система может иметь следующие формы:
[3] А. оптическая система снабжена только объективом, который не может фокусироваться, и обычно в ней есть лазерный луч для указания направления измерения. Такая конструкция является наиболее простой и в основном применяется для простых инфракрасных термометров для низкой, средней и высокой температуры;
[4] В. Оптическая система снабжена окуляром и объективом, который не может фокусироваться. Эта конструкция тоже проста. Например, применяют портативный инфракрасный термометр IR-HS производства компании CHINO, Япония;
[5] С. Фокусировка объектива может быть проведена на переднем конце зонда, а фокусировка окуляра не может быть проведена на заднем конце зонда. Эта конструкция часто используется в изделиях со средней и высокой температурой. Например, инфракрасные термометры серии Marathon производства компании Raytek, США, инфракрасные термометры серии SR и Modline 3 производства компании IRCON, США;
[6] D. Фокусировка объектива может быть проведена на переднем конце зонда, а фокусировка окуляра может быть проведена на заднем конце зонда. Эта конструкция обычно применяется в изделиях высокого класса, которые аналогичны технологии, связанной с настоящим изобретением. Например, TR-630 производства компании LAND, Англия и компании MINOLTA, Япония, портативный инфракрасный термометр IR-AH и части серии IR-CA инфракрасных термометров компании CHINO, Япония и серия XTIR-F инфракрасных термометров производства Шанхайским институтом физики XieTong.
[7] Е. Фокусировка объектива может быть проведена на заднем конце зонда, но фокусировка окуляра на заднем конце зонда не может быть проведена. Такая конструкция сравнительно сложная, а также нова и встречается в нескольких изделиях высокого класса и аналогична технологии, связанной с настоящим изобретением. Например, стационарные инфракрасные термометров SYSTEM 4 (кратко именуется S4) производства компании LAND, Англия, и серия Modline 5 интегрированных инфракрасных термометров производства компании IRCON, США.
[8] Дефекты и недостатки существующих технологий:
[9] а. объектив фиксирован, нельзя регулировать расстояния до изображения для измерения в соответствии с изменением расстояния до объекта для измерения, и разрешение оптической фокусировки - низкое;
[10] b. ввиду отсутствия окуляра нельзя сфокусироваться, наблюдать и оценить точную и эффективную измеряемую часть цели; при ярком свете окружающей среды или высокой температуре цели цель краснеет, поэтому фокусирующий эффект от указания лазерной красной точкой на измеряемой плоскости теряется;
[11] c. окуляр не может фокусироваться, поэтому разница в зрении оператора влияет на эффект наблюдения в круге фокуса (или креста фокуса) и целевое изображение на разделительной плоскости, и нельзя получить оптимального эффекта измерений путем фокусировки объектива;
[12] d. на операцию по фокусировке объектива на переднем конце зонда влияет сборка и использование воздухопродувки и рубашки с водяным охлаждением;
[13] е. при долгосрочном онлайн использовании открыты часть для операции по фокусировке и подвижная щель, которые могут быть легко загрязнены и пропитаны парами масла и пылью, в результате чего приборы легко выходят из строя и использование приборов подвергается влиянию; кроме того, часть для операции по фокусировке и подвижную щель также неудобно мыть в процессе обслуживания и очистки;
[14] f. объектив после фокусировки не может быть заблокирован или неудобно блокируется, легко забывается, поэтому результат измерения может быть изменен из-за влияния вибрации детали, температуру которой измеряют, когда объектив используют онлайн;
[15] g. существующая технология высшего класса, в которой операция по фокусировке объектива осуществляется в задней части зонда, имеет сложную конструкцию, а также дефекты, заключающиеся в том, что окуляр не может фокусироваться и т.п. Например: серия SYSTEM 4 (кратко именуется S4) стационарных инфракрасных термометров производства компании LAND, Англия, при этом передний конец зонда уплотнен и осуществляется перемещение и фокусировка объектива путем вращения фокусировочного кольца объектива на заднем конце; компоненты конструкции передачи для фокусировки содержат литую раму, фокусировочное кольцо, зубчатую пару, стержень соединения передачи, пружину, витки резьбы, кроме эффекта затухания пружины, если нет блокирующего устройства фокусировки, окуляр не может быть сфокусирован.
[16] В соответствии с серией Modline 5 интегрированных инфракрасных термометров производства компании IRCON, США, объектив уплотнен и зафиксирован на переднем конце зонда, осуществляется операция по фокусировке объектива путем вращения второй половины оболочки зонда и прямолинейного перемещения внутреннего сердечника, основание для подключения внешних кабелей зафиксировано на первой половине оболочки, и несколько соединительных проводов для кабелей внутри могут быть протянуты вперед и назад в процессе фокусировки; операция блокировки для фокусировки осуществляется завинчиванием главного болта, основание которого зафиксировано на первой половине оболочки зонда, для опоры для поворотной второй половины оболочки зонда; требование соответствия точности посадки поворотной оболочки является высоким; окуляр не может быть сфокусирован.
Описание изобретения
Технические задачи
[17] Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении общего технического решения, которое может решать одновременно следующие задачи:
[18] Инфракрасный термометр не подвергается влиянию при установке и использования воздухопродувки и рубашки с водяным охлаждением, может осуществить фокусировку окуляра и объектива, подвижная часть для фокусировки не подвергается загрязнению и проникновению масла и паров.
Технические решения
[19] Основные характеристики технического решения, используемого в изобретении, следующие:
[20] Задний конец оптического зонда спроектирован с окулярной трубкой, способной оттягиваться и фокусироваться, и с фокусировочным кольцом объектива, способным фокусироваться вращением, а также он дополнительно спроектирован с задней колпачковой гайкой зонда, которая может быть использована для уплотнения и защиты всей подвижной части для фокусировки и для одновременного блокирования расстояния до изображения для измерения объектива.
Выгодные эффекты
[21] По сравнению с уровнем техники изобретение обладает следующими выгодными эффектами:
[22] 1) хорошая работоспособность: операции по фокусировке как окуляра, так и объектива могут быть удобно и плавно осуществлены на заднем конце зонда, не подвергаясь никакому воздействию воздухопродувки и рубашки с водяным охлаждением;
[23] 2) высокая надежность: задняя уплотняющая колпачковая гайка играет роль в предотвращении загрязнения и фиксации расстояния до изображения для измерения, что повышает надежность при длительном применении онлайн;
[24] 3) высокая точность измерения и повторяемость: последовательная фокусировка окуляра и объектива позволяет операторам с различным зрением достичь одинаковой и наилучшей визуальной ясности фокуса, оптического разрешения фокуса и точности измерения;
[25] 4) превосходное сохранение чистоты: гладкая и чистая поверхность полностью уплотненного зонда трудно пачкается, в нее трудно проникнуть и на ней медленнее возникает осадок, в результате чего ее техническое обслуживание и очистка (внешний порт дополнительно защищен уплотнительным поворотным дефлектором, когда не используется) более удобна;
[26] 5) простота: по сравнению с существующей технологией высшего класса, в которой фокусировка объектива выполняется в задней части зонда, изобретение обладает своеобразным замыслом, простой конструкцией, простотой в изготовлении, всеобъемлющей функциональностью, широкой областью применения и высокой промышленной применимостью.
Описание прилагаемых графических материалов
[27] Фиг. 1 показывает структурную диаграмму оптического зонда инфракрасного термометра с оптическими волокнами согласно настоящему изобретению;
[28] Фиг. 2 показывает структурную диаграмму интегрированного инфракрасного термометра;
[29] Фиг. 3 показывает диаграмму оптического зонда для инфракрасного термометра с оптическими волокнами, который снабжен устройством для продувки воздухом;
[30] Фиг. 4 показывает диаграмму интегрированного инфракрасного термометра с устройством для продувки воздухом и рубашкой с водяным охлаждением.
Наиболее предпочтительный способ реализации изобретения
[31] Как показано на фиг. 1, в наиболее предпочтительном варианте осуществления раскрыт оптический зонд для волоконно-оптического инфракрасного термометра, в котором:
[32] 1. Окулярная фокусирующая трубка (100), способная к оттягиванию назад и фокусировке, содержит цилиндры в передней и задней секциях, которые соединены резьбовым соединением, и посредине - окуляр (101) фокуса; в передней секции цилиндра открыт прямолинейный позиционирующий желоб (102); и цилиндр в задней секции используется в качестве наглазника визуального фокуса, диаметр конца наглазника визуального фокуса чуть больше, и в кольцевой паз на горловине наглазника визуального фокуса вставлено О-образное резиновое кольцо (103);
[33] 2. Задний конец фокусировочного кольца объектива (300), выполненный с возможностью вращения влево и вправо, снабжен портативным рифленым колесом с чуть большим диаметром, в середине - позиционирующий кольцевой желоб (301), и цилиндра в передней секции снабжен шестиугольной наружной резьбой;
[34] 3. На переднем конце компонента (200) объективной трубки, способным осуществлять прямолинейное раздвижное смещение, установлен объектив (201); цилиндр в первой секции снабжен линейным позиционирующим желобом (202), средняя секция снабжена вертикальным сквозным желобом с двумя соединенными сторонами, цилиндр в задней секции снабжен шестиугольной внутренней резьбой;
[35] 4. Передняя и задняя секции светоделительного блока (400), установленные в компоненте (500) внешней оптической трубки, снабжены цилиндрами различного диаметра; на наклоне 45° торца - светоделительный элемент (402), посередине встроен крест визирных нитей (401) с центральным кругом фокуса; передняя и задняя секции светоделительного блока (400) соединены резьбовым соединением; цилиндрическая поверхность сохраняется на цилиндре в передней секции, и как левая, так и правая стороны цилиндра в передней секции делятся на плоские поверхности, наклон в 45° конца снабжен светоделительным элементом (402); цилиндр в задней секции снабжен установочными отверстиями под винт и винтами (403);
[36] 5. Передний конец компонента (500) оптической внешней трубки снабжен уплотняющим защитным окном (501) оптического пути; передняя секция снабжена установочными отверстиями под винт и винтами (502); снаружи средняя секция снабжена портом (503) для подключения компонента устройства приема инфракрасной точки фокусировки, а также установочными отверстиями под винт и винты (504); задняя секция снабжена установочными отверстиями под винт и винтами (505); задняя секция снабжена наружной резьбой, и задний конец снабжен внешней резьбой, и О-образное уплотняющее резиновое кольцо(506) зажато в пазе для отвода инструмента; и, кроме того, задний конец снабжен защитной колпачковой гайкой (507).
[37] Вариант осуществления включает следующие этапы генеральной сборки, на которых:
[38] 1) Подгоняют и собирают прямолинейный желоб (102) в передней секции окулярной трубки (100) с помощью установочных винтов (403) под винт в задней секции светоделительного блока (400);
[39] 2) Подгоняют и собирают внешнюю и внутреннюю шестиугольную резьбу в задней секции компонента (200) объективной трубки и фокусировочного кольца (300) объектива в передней секции; и встраивают переднюю секцию светоделительного блока (400) в средний желоб компонента (200) объективной трубки;
[40] 3) Соединяют переднюю и заднюю части светоделительного блока (400) в 1) и 2) резьбовым соединением и в середине устанавливают крест визирных нитей (401);
[41] 4) Вставляют полученное в 3) изделие в компонент (500) оптической внешней трубки; с помощью установочных винтов (502), а также прямолинейного позиционирующего желоба (202), ограничивают коаксиальное скольжение и расстояние линейного перемещения компонента (200) объективной трубки; и устанавливают порт (503) для подключения в средней секции компонента (500) оптической внешней трубки;
[42] 5) Обеспечивают, чтобы фокусирующие световые точки падающего света, который отражается от объектива (201) и светоделительного элемента (402), падали в центр порта (503) для подключения; обеспечивают, чтобы фокусирующие световые точки видимого света после прохождения через светоделительный элемент (402) падали в центральный круг фокуса в кресте визирных нитей (401); и закрепляют светоделительный блок (400) с помощью установочных винтов (504) компонента (500) оптической внешней трубки; подгоняют установочные винты (505) с кольцевым позиционирующим желобом (301) в средней части фокусировочного кольца (300) объектива, чтобы фокусировочное кольцо (300) объектива вращалось влево и вправо в заднем конце компонента (500) оптической внешней трубки, соединяют компонент (500) оптической внешней трубки и защитную колпачковую гайку (507) на заднем конце резьбовым соединением, таким образом выполняется полный комплект.
[43] Предпочтительный вариант осуществления: Фокусирующая операция и способ защиты:
[44] Растягивают окулярную трубку (100), чтобы изменить расстояние между окуляром (101) и крестом визирных нитей (401), и через окуляр (101) фокуса ясно виден круг фокуса в центре креста визирных нитей (и вращающегося фокусировочного кольца объектива (300); затем компонент (200) объективной трубки приводится в движение, расстояние между объективом (201) и крестом (401) визирных нитей изменяется, целевое изображение на разделительной плоскости ясно видно и зона измерения эффективной температуры цели оценивается согласно кругу фокуса; в то же время инфракрасные лучи, исходящие от цели, отражаются от светоделительного элемента (402), и фокусирующие световые точки падают в центр порта (503) для подключения; фокусирующие световые точки передаются для получения терминальному инфракрасному датчику для измерения температуры через вставленное оптическое волокно, и подвергаются фотоэлектрическому преобразованию и последующей обработке контура, чтобы отобразить измеренную температуру и выход соответствующих электрических сигналов. После завершения вышеуказанных операций колпачковая гайка (507) на заднем конце может нажимать на окулярную трубку (100), чтобы она была плотно прижата в осевом направлении к фокусировочному кольцу (300) объектива, фиксирует расстояние изображения объектива (201) и плотно защищает весь фокусирующий узел.
Способ реализации данного изобретения
[45] Как показано на фиг. 2, в варианте осуществления 2 добавляют внешние компоненты на основании оптической системы, чтобы получить полный интегрированный инфракрасный термометр, при этом:
[46] а) предоставляют до четырех плат РСВ (701), (702), (703) и (704) системы со встроенным микропроцессором со схемными устройствами для обработки сигналов;
[47] б) компонент (705) операционного интерфейса «человек-машина» содержит 4-битный светодиодный цифровой дисплей и 3 функциональных операционных клавиш и схемные устройства относительной обработки;
[48] с) для интегрированного машинного корпуса (600): передний конец снабжен уплотняющим защитным окном (601) оптического пути, задний конец снабжен О-образным уплотнительным резиновым кольцом (606) и соответствующей задней вращательной крышкой (607) с наблюдательным оконным стеклом (602), и розеткой (603) для внешних кабелей.
[49] Как показано на фиг. 2, в варианте осуществления 2 ясно показано конструктивное соответствие между местом установки дополнительных частей и оптической системы согласно изобретению. Нет необходимости снабжать передним уплотняющим защитным окном (501) оптического пути компонент (500) оптической внешней трубки, который уплотнен и защищен в интегрированном машинном корпусе (600), О-образным резиновым уплотнительным кольцом (506) и защитной колпачковой гайкой (507); порт (503) для подключения может быть использован непосредственно как обойма для монтажа инфракрасного датчика для измерения температуры; окулярная трубка (100) соответствует установке компонента (705) операционного интерфейса «человек-машина», с помощью которого можно выбрать применение окуляра с большим фокусным расстоянием (101) или применение сочетания окуляров (101) и (104) для увеличения фокусного расстояния. В дополнение к вышеуказанным модификациям конструктивный принцип, режим операции фокусировки и блокировочные и защитные характеристики такие же, как в варианте осуществления 1. Часть контура не связана с содержанием настоящего изобретения, поэтому не описана подробно.
[50] Ручка батареи дополнительно установлена на указанном интегрированном инфракрасном термометре для изменения режима подачи питания в режиме питания от батареи. Нужно снять заднюю вращательную крышку (607), чтобы можно было сделать инфракрасный термометр портативным.
[51] Часть схем обработки сигналов или операционного интерфейса «человек-машина» в интегрированном инфракрасном термометре отделена для объединения с контроллером для обработки/отображения другого отдельного удаленного электрического сигнала, и оставшаяся часть является оптическим зондом измерения температуры с инфракрасным датчиком для измерения температуры и с частью цепи обработки электронных сигналов. Более того, блок инфракрасного термометра сборной конструкции получают путем добавления промежуточного соединительного кабеля.
[52] Таким образом, оптическая система, содержащая фокусирующую конструкцию, согласно изобретению может быть использована для создания различных форм инфракрасных термометров.
Промышленная применяемость
[53] До сих пор проектируются и изготавливают различные виды онлайновых инфракрасных термометров с целью применения в промышленности. Термометры имеют различную направленность и ограничения в отношении эксплуатационных свойств и случаев использования, при этом:
[54] различные оптические зонды инфракрасных термометров с оптическими волокнами спроектированы просто и внутри не снабжены датчиками и другими электрическими устройствами. Обычно не применяют визуальный фокус и оптическую фокусировку для таких оптических зондов. Достоинство: зонды обладают преимуществом, заключающимся в полной уплотненности и способности работать в условиях высокой температуры без водного охлаждения; тем не менее, зонды обладают недостатком: заключающемся в низком оптическом разрешении.
[55] зонды интегрированных и отдельных инфракрасных термометров внутри снабжены датчиками и другими электрическими устройствами, и интегрированные и отдельные инфракрасные термометры могут нормально работать в условиях высокой температуры только с вспомогательным устройством охлаждения водой или охлаждения воздухом, и, таким образом, что могут возникнуть дополнительные издержки при использовании. В большинстве зондов передовых приборов с более высоким оптическим разрешением применяют конструкцию с визуальным фокусом для фокусировки объектива на переднем конце, и операция по фокусировке зондов может подвергаться влиянию или быть очень неудобной, когда зонды используют на промышленной площадке, на которой требуется водное охлаждение или продувка воздухом.
[56] В настоящее время различные известные бренды передовых приборов, такие как серия SYSTEM4 инфракрасных термометров производства компании LAND, Англия, серии Modline5 инфракрасных термометров производства компании IRCON, США, в которых применяют конструкцию фокусировки объектива на заднем конце, обладают сложной конструкцией и высокой ценой. Кроме того, передовые приборы обладают дефектами, заключающимися в том, что окуляр не может фокусироваться (при осуществлении операции пользователями с различным зрением нельзя гарантировать наилучшее визуальное разрешение), а также нельзя получить полного уплотнения зондов. Дополнительные издержки при применении для устройства охлаждения водой могут возникнуть при применении передовых приборов в промышленных условиях с высокой температурой. Рыночная цена противовзрывного инфракрасного термометра, такого как инфракрасный термометр серии Modline5 производства компании IRCON, США, намного выше цены взрывобезопасного инфракрасного термометра на площадках по производству поликристаллического кремния с более высокими противовзрывными требованиям и более высокими требованиями к точности измерения.
[57] В соответствии с инфракрасным термометром, в частности с зондом оптоволоконного типа, который описан в данном изобретении, как окуляры окуляр, так и объектив могут фокусироваться в задней части зонда; и можно получить одинаковое наилучшее визуальное разрешение и оптимальную точность оптического измерения системы без какого-либо влияния устройства продувки воздуха на переднем конце при осуществлении операции по фокусировке пользователями с различным зрением. Положение за сфокусированным объективом можно удобно зафиксировать и уплотнить колпачком на заднем конце зонда, и оно может быть стойким к вибрации и коррозии маслом и паром на площадке. Зонд может быть использован в условиях высокой температуры без устройства водного охлаждения и имеет хорошую повторяемость и долгосрочную стабильность для измерения цели в условиях высокой температуры. Зонд можно надежно использовать для высокоточной проверки противовзрывной температуры для производства поликристаллического кремния, пока волокно для передачи проходит сквозь противовзрывную зону.
[58] Подводя итог, данное изобретение эффективно внедряет и превосходит преимущества оптических зондов различных существующих инфракрасных термометров простым способом конструктивного исполнения, В частности, зонд с оптическим волокном обладает более высоким оптическим разрешением, свойством полного уплотнения, отсутствием влияния применения устройства продувки воздухом на фокусировку объектива, стойкостью к высокой температуре, стойкостью к вибрации и свойством противовзрывной работы; при использовании зонда с оптическим волокном в различных случаях (сегодня его можно применять в диапазоне температур от 100°C до 3000°C) значительно улучшаются применимость и универсальность зонда с оптическим волокном в промышленном отношении; и зонд не имеет каких-либо дополнительных затрат при применении за исключением стоимости воздушной продувки.