專(zhuān)利名稱(chēng)：紅外線溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的溫度傳感器，更具體來(lái)說(shuō)涉及一種適于惡劣環(huán)境的紅外線 傳感器。
背景技術(shù)：
熱電堆紅外線傳感器通常具有由于與進(jìn)入熱輻射對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器元件的非常小的 熱質(zhì)量所致的約幾十毫秒的響應(yīng)時(shí)間。但是，由于具有任何光學(xué)傳感器，在存在窗口材料可 能因其中溫度可能達(dá)到1000°c并且含有如鹽酸和硫酸的苛性材料的惡劣環(huán)境中的污染物 (例如燃燒尾氣流)而被弄模糊或受到化學(xué)腐蝕的可能性的情況中，檢測(cè)器可能無(wú)法工作。 相對(duì)較少有良好的IR窗口材料適于1-14 μ m波長(zhǎng)帶，所以難以將有限的參考材料選擇與抗 污垢和化學(xué)腐蝕所需的耐用性進(jìn)行組合。雖然由于無(wú)需與被測(cè)物件物理接觸來(lái)使用而非常 適于以高速測(cè)量高溫中使用，但是對(duì)恒定的光路的依賴性阻止了 IR傳感器被用于許多惡 劣或具有侵蝕性的環(huán)境中。目前的解決方案通常使用熱電偶、RTD或熱敏電阻單元，它們會(huì)因電特性的改變而 產(chǎn)生所測(cè)電壓或電流中的改變。此類(lèi)單元的時(shí)間常量由熱敏電阻/熱電偶/RTD的質(zhì)量以 及保護(hù)性端梢設(shè)計(jì)的灌封和其他部分確定，這通常導(dǎo)致對(duì)外部溫度變化有約10秒的時(shí)間 響應(yīng)。在高溫下這些裝置的穩(wěn)定工作仍可能產(chǎn)生一些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)的紅外線溫度傳感器對(duì)惡劣和侵蝕性環(huán)境是具耐用性的，具有快 速響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于尾氣監(jiān)測(cè)等的容積應(yīng)用是具有成本效率的?？稍趷毫迎h(huán)境中工作還具有快速響應(yīng)時(shí)間的改進(jìn)的紅外線溫度傳感器可以利用 如下布置的隔膜來(lái)實(shí)現(xiàn)該隔膜靠近外殼，并與熱紅外線傳感器單元沿軸線間隔布置且在 熱紅外線傳感器單元的視場(chǎng)中布置，以便在其外表面上吸收來(lái)自介質(zhì)的熱并在從其內(nèi)表面 發(fā)射輻射到表示介質(zhì)溫度的熱傳感器單元。但是，在其他實(shí)施例中，本發(fā)明無(wú)需實(shí)現(xiàn)所有這些目的，以及其權(quán)利要求不應(yīng)限于 能夠?qū)崿F(xiàn)這些目的的結(jié)構(gòu)和方法。


從下文對(duì)優(yōu)選實(shí)施例和附圖的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將設(shè)想到其他目的、特征和 優(yōu)點(diǎn)，其中該附圖是根據(jù)本發(fā)明的熱紅外線傳感器的橫截面示意圖。
具體實(shí)施例方式除了下文公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例外，本發(fā)明能夠?qū)嵤┢渌麑?shí)施例，并且能 夠以多種方式實(shí)施或?qū)崿F(xiàn)。因此，應(yīng)該理解，本發(fā)明并不將其應(yīng)用限于下文描述或附圖中圖示的所提到的構(gòu)造細(xì)節(jié)和元件的布置。如果本文僅描述一個(gè)實(shí)施例，則其權(quán)利要求并應(yīng)限 于該實(shí)施例。而且，本發(fā)明的權(quán)利要求不應(yīng)以限制性方式來(lái)閱讀，除非存在明確且令人信服 的依據(jù)列明某種排他性、限制性或棄權(quán)。本發(fā)明是一種用于在其中污染物可能含有例如鹽酸、硫酸且溫度可能達(dá)到1000 攝氏度或更高的惡劣或侵蝕性環(huán)境中快速測(cè)量尤其為氣體或液體流的對(duì)象的溫度的裝置， 該惡劣或侵蝕性環(huán)境諸如燃燒尾氣。本發(fā)明使用具有在封閉探針外殼中工作且具有窄視場(chǎng) 的紅外線傳感器單元。該傳感器的視場(chǎng)以薄隔膜的背面填充，該薄隔膜可以是具有低熱質(zhì) 量和高熱傳導(dǎo)率的任何高溫材料、金屬或陶瓷，例如氧化鋁、不銹鋼、因科鎳合金。其中一個(gè) 示例是不銹鋼，其具有約千分之20-60英寸的厚度，這對(duì)于對(duì)抗環(huán)境的溫度和化學(xué)腐蝕具 有耐用性。但是，由于其低熱質(zhì)量，該隔膜響應(yīng)被測(cè)溫度的介質(zhì)的溫度變化而快速地改變溫 度。然后由封閉且被保護(hù)的紅外線傳感器單元測(cè)量隔膜溫度的這些改變。該隔膜在其外表 面上吸收來(lái)自被測(cè)溫度的介質(zhì)的熱并從其內(nèi)表面將輻射發(fā)射到表示介質(zhì)的溫度的熱傳感 器單元。支承薄膜的探針或外殼可以是例如柱體的細(xì)長(zhǎng)管，如由相對(duì)不導(dǎo)熱的材料(如鋼 或陶瓷)制成的正圓柱體，這使得位于管的一端的傳感器單元在遠(yuǎn)比暴露于完全環(huán)境溫度 的隔膜所在一端的溫度低的周?chē)鷾囟认鹿ぷ?。附圖中示出根據(jù)本發(fā)明的紅外線溫度傳感器10，其包括在外殼中設(shè)置有熱紅外線 傳感器單元14的探針或外殼12。熱紅外線傳感器單元14可以包括熱電堆，更具體來(lái)說(shuō)可 以包括MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))熱電堆。隔膜16沿著軸線18與熱紅外線傳感器單元14 間隔布置，并且在熱紅外線傳感器單元14的預(yù)定視場(chǎng)20內(nèi)設(shè)置。雖然隔膜16示出在外殼 12的一端以及紅外線單元14在另一端，但是這并非本發(fā)明的必須限制。即，它們都無(wú)需位 于外殼的端部。所示的外殼具有可以是圓柱形的細(xì)長(zhǎng)形狀，并且實(shí)際附圖中示出為正圓柱體。外 殼12可以由低導(dǎo)熱材料(如鋼或陶瓷)制成，以便減少?gòu)母裟ざ?2到傳感器單元端24的 熱傳遞。或者或?yàn)榱诉M(jìn)一步減少該熱傳遞，可以使用包括如鰭片或脈26的散熱結(jié)構(gòu)。外殼 12可以具有高拋光或亮光面以便更好地引導(dǎo)從隔膜16的內(nèi)表面28發(fā)射紅外線輻射。或 者，可以是高反射或光亮的涂層30可以由鋁或金制成。金是優(yōu)選，因?yàn)樗荛L(zhǎng)時(shí)間不會(huì)氧 化且保持光亮或反射性。熱紅外線傳感器單元14可以是常規(guī)裝置，其包括外殼32、IR透明 窗口 34禾口 MEMS熱電堆36。隔膜16沿著軸線18方向具有薄配置。通常，約為千分之20-60英寸。薄膜16優(yōu) 選地由低熱質(zhì)量高導(dǎo)熱性材料制成，例如不銹鋼、因科鎳合金或氧化鋁。隔膜16具有從介 質(zhì)40 (固體或流體)吸收熱39的外表面38和從其內(nèi)表面42發(fā)射紅外線輻射44。內(nèi)表面 42可以具有涂層46，涂層46具有非光亮黑體的特性以便增加輻射系數(shù)，通常為氧化材料， 如氧化鋁。在例如使用螺紋50的應(yīng)用中，可以采用安裝法蘭六角螺母48來(lái)安裝傳感器10。在工作中，來(lái)自介質(zhì)40的熱39被隔膜16的外表面38吸收，然后被內(nèi)表面42或 涂層46作為紅外線輻射在窄視場(chǎng)20內(nèi)發(fā)射，該窄視場(chǎng)20為例如傳感器單元14的士8度。 優(yōu)選地，隔膜16基本填充傳感器單元14的整個(gè)視場(chǎng)20。雖然本發(fā)明的特定特征在一些附圖中示出而在其他附圖中未示出，但是這僅是出 于方便的原因，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明，每個(gè)特征可以與任一個(gè)或所有其他特征組合。如本文使用的詞匯“包括”、“包含”、“具有”和“含有”應(yīng)廣義且全面地來(lái)解釋?zhuān)粦?yīng)限于任何物理的 互連。而且，本申請(qǐng)中公開(kāi)的任何實(shí)施例不應(yīng)視為唯一可能的實(shí)施例。此外，本專(zhuān)利的專(zhuān)利申請(qǐng)審查期間呈交的任何修改并非對(duì)于如提交的申請(qǐng)中所呈 交的任何權(quán)利要求單元的棄權(quán)不能合理地期望本領(lǐng)域技術(shù)人員撰寫(xiě)字面上涵蓋所有可能 等效物的權(quán)利要求，在修改時(shí)許多等效物將是不可預(yù)測(cè)的并且超出所呈現(xiàn)(如果有的話) 的公平解釋范圍，修改基于的原理可能僅承載與許多等效物的有形關(guān)系，和/或存在許多 其他原因而不能期望申請(qǐng)人描述修改的任何權(quán)利要求單元的某些非具體性替代。本領(lǐng)域技術(shù)人員將設(shè)想到其他實(shí)施例，并這些實(shí)施例屬于所附權(quán)利要求的范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于感測(cè)介質(zhì)溫度的紅外線溫度傳感器，包括外殼；具有預(yù)定視場(chǎng)且設(shè)置在所述外殼中的熱紅外線傳感器單元；以及隔膜，所述隔膜封閉所述外殼且沿著軸線與所述熱傳感器單元間隔布置且處于所述熱傳感器單元的視場(chǎng)中，以用于在所述隔膜的外表面上吸收來(lái)自所述介質(zhì)的熱并從所述隔膜的內(nèi)表面發(fā)射輻射到表示所述介質(zhì)溫度的所述熱傳感器單元。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述熱傳感器單元位于所述外殼的一 端，而所述隔膜在另一端。
3.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述外殼是細(xì)長(zhǎng)圓柱體的形狀。
4.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述外殼是正圓柱體的形狀。
5.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述外殼由低導(dǎo)熱材料制成。
6.如權(quán)利要求5所述的紅外線溫度傳感器，其中所述外殼由鋼制成。
7.如權(quán)利要求5所述的紅外線溫度傳感器，其中所述外殼由陶瓷制成。
8.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述涂層是光亮材料。
9.如權(quán)利要求8所述的紅外線溫度傳感器，其中所述涂層包含金、鉬或鋁。
10.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述熱傳感器單元包括熱電堆。
11.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述熱電堆包含MEMS熱電堆。
12.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述隔膜沿著所述軸線方向具有薄 配置。
13.如權(quán)利要求12所述的紅外線溫度傳感器，其中所述隔膜沿著所述軸線約為千分之 20-60 厚。
14.如權(quán)利要求12所述的紅外線溫度傳感器，其中所述隔膜由低熱質(zhì)量、高導(dǎo)熱性材 料制成。
15.如權(quán)利要求14所述的紅外線溫度傳感器，其中所述低熱質(zhì)量高導(dǎo)熱性材料包括不 銹鋼、因科鎳合金或氧化鋁。
16.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述隔膜在其內(nèi)表面上具有高熱輻 射系數(shù)。
17.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述隔膜在其內(nèi)表面上被涂覆以高 熱輻射系數(shù)材料。
18.如權(quán)利要求17所述的紅外線溫度傳感器，其中所述高熱輻射系數(shù)材料包括氧化材料。
19.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述外殼包括安裝螺紋和安裝構(gòu)件。
20.如權(quán)利要求19所述的紅外線溫度傳感器，其中所述安裝構(gòu)件包括六角配置。
21.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述外殼包括外部散熱鰭片。
22.如權(quán)利要求1所述的紅外線溫度傳感器，其中所述介質(zhì)是流體。
全文摘要
一種用于感測(cè)介質(zhì)溫度的紅外線溫度傳感器，其包括外殼；具有預(yù)定視場(chǎng)且設(shè)置在外殼中的熱紅外線傳感器單元；以及隔膜，該隔膜封閉外殼且沿著軸線與熱紅外線傳感器單元間隔布置且在熱紅外線傳感器單元的視場(chǎng)中，以用于在隔膜的外表面上吸收來(lái)自介質(zhì)的熱并從隔膜的內(nèi)表面發(fā)射輻射到表示介質(zhì)溫度的熱傳感器單元。
文檔編號(hào)G01J5/04GK101946166SQ200980105738
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月14日
發(fā)明者P·J·斯特勞布, R·C·崔尼, T·J·克雷爾納 申請(qǐng)人:通用電氣公司