本发明属于光学计量领域，主要涉及一种腔式黑体中恒温管双绕线形式，具体为一种双绕线恒温黑体。
背景技术：
黑体在工业中有着广泛的应用，黑体中恒温体的恒温方案设计是其中的关键技术。理论上，将恒温体浸泡在恒温液体池中可以实现恒温，但是这种方法耗费大量的恒温液和热量，同时由于液体的流动性，附带了液体池的恒温体在工业应用中极为不便，所以恒温体一般采用“恒温管+恒温液”的设计方案，即将恒温管缠绕在恒温体外围，用恒温泵控制恒温液在恒温管中流动，对恒温体进行加热或制冷。
传统恒温管绕线方式为单股绕线，即在恒温体的外壁缠绕成螺旋上升线，而在恒温体的底面缠绕成渐开线，这种方案的缺点在于恒温管内的液体靠近恒温泵的一端恒温液与既定温度相差最小，因为在流动中不断与外界进行热交换，导致靠近出口的一端恒温液液体与既定温度相差最大，由此带来的温度不均匀性影响了整个恒温体温度的均匀性，进而影响了黑体的工作性能。
技术实现要素：
针对现有黑体设计中的不足，本发明采用恒温管双绕线形式，提出了一种双绕线恒温黑体。
本发明的技术方案为：
所述一种双绕线恒温黑体，包括恒温体、恒温管、恒温液、屏蔽罩和温控泵；所述恒温体为筒状结构，一端开口、一端封闭；所述恒温管为中空且不间断的管子，缠绕在恒温体的底面和筒壁，恒温管两端均连接到温控泵；所述恒温液为处于流体状态的物质，在恒温管和温控泵内部循环流动，且使恒温液保持物理和化学性质不变的温度范围能够覆盖黑体在实际使用中所需温度的范围，所述屏蔽罩大小形状与所述恒温体相适应并紧密包裹在恒温体和恒温管的外围；所述温控泵具有控温功能和加压功能，控温功能能够使其内部的恒温液保持期望的温度值，加压功能能够在黑体工作时保证恒温液在恒温管和温控泵内循环流动；
其特征在于：
所述恒温管在恒温体开口一端，从恒温管入口A端及出口C端开始同步采用双股方式缠绕在恒温体的筒壁；沿筒壁外围均匀螺旋上升至恒温体筒壁和底面交界处的B端和D端，其中恒温管AB为螺纹线、恒温管CD为螺纹线，恒温管AB与恒温管CD在筒壁外围交错平行螺旋上升；在恒温体底面，恒温管的B端和D端继续延伸并以“蚊香线”的形状进行分布，在底面的中心O处交汇。
进一步的优选方案，所述一种双绕线恒温黑体，其特征在于：在恒温体筒壁位置，沿筒壁的高度方向上恒温管的外壁与相邻恒温管的空间距离相等；在恒温体底面位置，沿底面直径方向上相邻恒温管的空间距离相等。
进一步的优选方案，所述一种双绕线恒温黑体，其特征在于：相邻恒温管截面中心之间的距离等于恒温管直径的M倍，M取值为1.2～2.5；恒温管越细、M取值越小，恒温管越粗、M取值越大。
进一步的优选方案，所述一种双绕线恒温黑体，其特征在于：沿着恒温管缠绕的纹路，在恒温体的筒壁和底面刻有与恒温管横截面相适应的槽，并将恒温管嵌入所刻槽中。
进一步的优选方案，所述一种双绕线恒温黑体，其特征在于：所述槽横截面为圆弧形，圆弧的直径与恒温管截面直径在装配工艺的范畴内相同。
进一步的优选方案，所述一种双绕线恒温黑体，其特征在于：槽深度等于恒温管截面半径的N倍，N取值为0.7～1；恒温管越细、N取值越小，恒温管越粗、N取值越大。
进一步的优选方案，所述一种双绕线恒温黑体，其特征在于：恒温体为由金属合金制成的筒状物体；恒温管的材质为铜或其它易导热的材料；屏蔽罩用泡沫塑料或其它不易导热材料制成。
进一步的优选方案，所述一种双绕线恒温黑体，其特征在于：恒温液保持物理和化学性质不变指恒温液不发生浑浊、凝胶、结晶、气化、沸腾现象。
进一步的优选方案，所述一种双绕线恒温黑体，其特征在于：所述“蚊香线”指类似于“蚊香”结构的曲线，该曲线由一系列半径等差的等同心圆经过直径方向错位移动获得。
有益效果
本发明的技术效果突出体现在：
在恒温体的筒壁采用等间距螺纹线的绕线方案，而在恒温体底面采用“蚊香线”绕线方案，使得相邻的恒温管处于“冷热均匀交替”的排布方式，彼此之间的热交换抵消了液体在空间流动冷却过程导致的温度不均匀性，此外，本发明以实验和经验为依据，合理设计了恒温管绕线间距和恒温体上槽子的深度，进一步保证恒温管散热均匀，从而最终提高了恒温体的温度均匀性，提高了黑体的工作性能。
附图说明
图1是本发明恒温体筒壁绕线方案示意图。
图2是本发明恒温体底面绕线方案示意图。
图3是本发明恒温体底面绕线方案借鉴的蚊香线图案示意图。
图4：本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
本发明的一种优选实施例包括恒温体1、恒温管2、恒温液、屏蔽罩4和温控泵5。恒温体1是黑体对外辐射的辐射源，以腔式黑体为例，恒温体1的是由金属、合金制成的筒状物体，一端开口、一端封闭，开口的一端是黑体对外辐射的一端，定义为前端，封闭的一端定义为底面，除了前端和底面的表面定义为筒壁；恒温管2是一段中空且不间断的管子，缠绕在恒温体的底面和筒壁，恒温管两端均连接到温控泵5，恒温管2的材质为铜或其它易导热的材料；恒温液是处于流体状态的物质，在恒温管2和温控泵5之间循环流动，恒温液具有一定温度范围，该温度范围由所选恒温液的物理化学性质确定，为了实施本发明，需要由黑体在实际使用中所需温度的范围来确定恒温液的成分，使得恒温液的保持物理和化学性质不变的温度范围能够覆盖黑体在实际使用中所需温度的范围；屏蔽罩4用泡沫塑料或其它不易导热材料制成，其大小形状与所述恒温体1的形状相适应并紧密包裹在恒温体1和恒温管2的外围，除了起到固定作用以外，还能一定程度上阻止外部环境与恒温体1和恒温管2的热交换；温控泵5具有控温功能和加压功能，控温功能可以使流入其内部的恒温液保持期望的温度值，因此控温功能的温度控制范围应当与恒温液的工作温度范围相适应，加压功能在黑体工作时保证恒温液在恒温管2和温控泵5之间循环流动。
对于恒温液“保持物理和化学性质不变”和“工作温度范围”的描述，在本发明中特指恒温液保持良好的流体状态，全部和部分都不发生浑浊、凝胶、结晶、气化、沸腾。以市售导热油为例，在温度范围-75℃～400℃之间时，可以正常使用，如果使用温度低于-75℃，则会发生浑浊、凝胶、结晶等现象，流动迟滞甚至无法流动，如果使用温度高于400℃，则会发生气化甚至沸腾等变化，也无法使用。所述“实际使用中所需温度”，以下记为“温度T”，是指本发明实施中用户对温度的实际需求。因为现有技术中恒温泵的加热和制冷能力可以满足较宽温度范围的要求，所以本发明的方案能实现的温度范围取决于恒温液的工作温度范围；实施本发明时，温度T应在恒温液的工作温度范围之内。
实施本发明时，恒温液充满恒温管2和恒温泵5的内部，恒温管2缠绕在恒温体1的筒壁和底面，温控泵5将流入其内部的恒温液控温至温度T，并控制恒温液在恒温管2中流动，恒温液在流动中与恒温管2进行热交换，恒温管2又与恒温体1进行热交换；恒温液重新流回温控泵5后温度发生变化，温控泵5重新将其控温至温度T，并继续使其在恒温管2中流动；如此循环，直至恒温体1稳定至温度T。
如图1、图2所示，假设点A为恒温泵5的液体泵出口与恒温管2的接口，相应的，点C为恒温泵5的液体流入口与恒温管2的接口，本发明使用了改进的双股绕线方法，将恒温管2使用双股的方式缠绕在恒温体1的筒壁和底面，沿筒壁外围均匀螺旋上升，缠绕方式与普通螺纹类似，A-B和C-D分别为恒温管2的一段，依次记为恒温管AB和恒温管CD，B端和D端位于恒温体1的筒壁和底面交界处，恒温管2的B端和D端继续在恒温体1的底面延伸并以“蚊香线”的形状进行分布，在底面的中心O处交汇；如图3所示，所述“蚊香线”是指类似于传统的“蚊香”结构的曲线，该曲线从几何角度可以由一系列半径等差的等同心圆经过错位移动获得。为了保证恒温体1各部分温度均匀，在恒温体1的筒壁上，恒温管2应当均匀缠绕，等间距分布，即在筒壁位置，沿筒壁的高度方向上恒温管的外壁与相邻恒温管的空间距离应相等，在恒温体1的底面上，沿底面直径方向上相邻恒温管的空间距离应相等；为了保证恒温管2与恒温体1之间的热交换更加充分，恒温管2在缠绕中应当尽可能的密集，相邻恒温管截面中心之间的距离等于恒温管直径的M倍，结合实际实验数据和工程经验，M的值应当在1.2～2.5之间，M值选取的原则是相对恒温体的直径，恒温管越细、M取值越小，恒温管越粗、M取值越大；同时，沿着恒温管2缠绕的纹路，在恒温体1的筒壁和底面刻上与恒温管2横截面相适应的槽子，并将恒温管嵌入所刻的槽子中，以增加接触面积，为保证所刻槽子与恒温管2相适应，槽子横截面为圆弧形，圆弧的直径与恒温管截面直径在装配工艺的范畴内相同，以保证槽子与恒温管紧密接触，槽子的深度等于恒温管2截面半径的N倍，结合实际实验数据和工程经验，N应当在0.7～1倍之间，N值选取的原则是相对恒温体的直径，恒温管越细、N取值越小，恒温管越粗、N取值越大。
在恒温管2的传统绕线方式中，恒温液在恒温管2中流动时，与恒温管2进行热交换，而恒温管2与恒温体1、恒温管2外部的空气进行热交换，使得恒温液不同部分的温度与温度T出现了偏差，此偏差记为温差ΔT；恒温液各部分的温差ΔT不同导致恒温管2各部分的温度不均匀，进而使得恒温体1各部分的温度不均匀，影响黑体性能。
本发明提供的恒温管绕线方案使得相邻的恒温管处于“冷热均匀交替”的排布方式，任意一段恒温管与相邻的恒温管进行热交换，从而实现温度补偿，很大程度上克服了传统绕线方案导致的恒温体各部分的温度不均匀的缺陷。所述本发明提供的恒温管绕线方案使得相邻的恒温管处于“冷热均匀交替”的排布方式，论述如下：
以恒温液流出恒温泵5的位置为起点，流回恒温泵5的位置为终点，显然恒温液在恒温泵5内部时温差ΔT为0，恒温液距离起点越近的部分温差ΔT越小，距离起点越远的部分温差ΔT越大；恒温液在流动过程中不断与外界进行热交换，温差ΔT与恒温液在恒温管2中流过的距离S(以下简称距离S)成正比关系，即
ΔT＝KTS 公式1
其中，KT称为热交换系数，对于本发明的方案，对应确定的某个温度T，KT为常数，可以在黑体实际工作条件下时进行测算，测算方法如下，设恒温管2的总长度为Z，在温度T确定的情况下，测量终点位置的恒温液温度T′，则可知
对于恒温管2的任意小段X0，与X0相邻的恒温管的小段分别记为X-1和X1，所述“小段”是指恒温管2足够短的一段，在计算上具有数学上的微分意义，所述相邻的恒温管的小段，是指恒温管2缠绕方向上与X0相邻的上一匝和下一匝上的小段。定义恒温管2沿A-B-O路径的部分为流出管，沿O-D-C路径的部分为流回管，根据本发明的绕线方案可知，如果X0为流出管，则X-1和X1均为流回管，如果X0为流回管，则X-1和X1均为流出管，由此可知本发明提供的恒温管绕线方案使得相邻的恒温管处于“冷热交替”的排布方式。下面继续论述“冷热均匀”的涵义：
设恒温管2的总长度为Z，恒温体1横截面半径为R，相邻恒温管截面中心之间的距离为L，X0、X-1、X1内部恒温液距离起点的距离为依次为S0、S-1、S1，根据本发明的绕线方案，可以得出以下估算公式：
当X0为流出管时，
当X0为流回管时，
其中，ΔZ是距离S的偏差量，其大小估算如下：
当X0处于筒壁位置时，
当X0处于底面位置时，ΔZ＝2πR+3πL-2nπL
其中，n为底面绕线中，沿底面半径方向，由外及内绕线的匝数的序号，当X0所处位置靠近恒温体1的底面中心O时，n接近最大值，此时nL约等于R，因为对于实际使用的黑体而言，R远大于L，所以可以作进一步的近似：
当X0处于筒壁位置时，ΔZ＝2πR
当X0处于底面位置时，ΔZ＝2πR-2nπL
可以看出ΔZ的量值范围仅为2πR，也就是绕筒壁一匝，而恒温管2需要在筒壁和底面都缠绕多匝，所以恒温管总长度Z远大于ΔZ。忽略ΔZ的因素，我们可以得出结论：恒温管的任意小段X0距离恒温泵出口的距离与相邻恒温管距离恒温泵出口的距离之和近似等于恒温管总长度Z；再结合公式1，可以说恒温管的任意小段X0的温差ΔT与相邻恒温管的温差ΔT之和总是相等，均为KTZ，相邻恒温管之间进行热交换，从而实现温度补偿，更大程度上保证恒温体各部分的温度均匀，提高了黑体的性能。