改进的防爆热成像系统的制作方法
【专利摘要】提供了一种防爆热成像系统。所述系统包括：防爆壳体，具有被配置为允许热辐射通过的窗口。红外相机位于所述防爆壳体内并且被布置为接收通过所述窗口的热辐射并对该热辐射进行成像。发射目标被布置在所述红外相机的视场内，但是在所述窗口的与所述红外相机相对的侧。温度传感器可操作地连接到所述红外相机并且被配置为提供对所述发射目标附近的温度的指示。
【专利说明】改进的防爆热成像系统
【背景技术】
[0001] 红外相机一般通过与标准相机使用可见光来形成图像相似的方式，使用红外辐射 来形成图像。然而，红外相机一般利用更长的波长照明（诸如14,000纳米)操作。红外相机在 多种应用中发挥着重要作用，以提供对图像范围中存在热对象的非接触指示。此外，在一些 情境下，红外相机可以被校准，使得可以从红外相机提供的图像直接获得表面温度的指示。
[0002] 红外相机尤其有用的一个环境是过程控制和监控。在这种环境下，诸如石化、浆 料、药物化合物等的过程流体可以被处理并被传送到过程处理设施中的各个位置。然而，过 程控制和监控环境对于多种设备的挑战在于:环境本身可能存在高度易燃或易爆气体。因 此，在一些这样的环境中，将在其中使用的电子设备容纳在防爆外壳中是很重要的。当被如 此容纳时，即使设备的电路产生了火花或者其电组件具有高到可以点燃环境的表面温度， 产生的燃烧也将被完全收容在外壳中而不会逃逸到周围环境中。这对于确保在其中的过程 控制安装和工人的安全而言是很重要的。
[0003] 防爆等级的一个示例是用于潜在爆炸性气体的Ex d标准EN60079-0和EN60079-1 的ATEX认证。一般来说，防爆壳体是较为庞大的，以具有足够的机械鲁棒性以在不破裂的情 况下将内部爆炸收容在内。一般而言，这种防爆壳体是被设计为能够承受爆炸压力的非常 鲁棒的金属外壳。然而，对于设备而言，诸如依赖于环境的光感测的红外相机，外壳必须容 纳某种形式的透明窗口，以允许红外相机能够看到环境。用于允许红外能量通过的传统窗 口材料是易碎的，并且不能够在没有一些损伤的情况下承受太多冲击。然而，为了将爆炸压 力收容在内并且满足冲击要求，窗口必须较厚。此外，在一些应用中，必须在窗口前方设置 某种形式的防护装置。这可能会限制红外能量。因此，对于红外相机的防爆要求可能会限制 红外相机的效率。提供适合于危险过程安装的红外相机/防爆壳体组件将代表着在这种安 装中使用红外相机的重要进步。 【实用新型内容】
[0004] 提供了一种防爆热成像系统。所述系统包括:防爆壳体，具有被配置为允许热辐射 通过的窗口。红外相机位于所述防爆壳体内，并且被布置为接收通过所述窗口的热辐射并 对该热辐射进行成像。在一些实施例中，在窗口的前方布置网防护装置以在抛射物与设备 接触的情况下保护窗口。发射目标被布置在所述红外相机的视场内，但是在所述窗口的与 所述红外相机相对的侧。温度传感器可操作地连接到所述红外相机并且被配置为提供对所 述发射目标附近的温度的指示。在一些实施例中，这使得可以关于图像的剩余部分补偿网 防护装置。
【附图说明】
[0005] 图1是根据本实用新型实施例的在防爆壳体内容纳的工业红外相机的示图。
[0006] 图2是根据本实用新型实施例的具有高发射目标的网防护装置的示图。
[0007] 图3是根据本实用新型实施例的在防爆壳体中布置的红外相机的示图。
[0008] 图4是根据本实用新型实施例的在危险环境中操作红外相机的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0009] 当在危险环境中使用红外相机时，如上所述，相机通常被设置在防爆壳体内。红外 技术需要由特殊材料制成的光学窗口，如果这种材料遭到物理冲击则有被损坏的风险。因 此，为了减小窗口遭受这种冲击的几率，使用网防护装置或其他物理结构来保护壳体的红 外窗口不受冲击。虽然这种网防护装置有益于减小或消除冲击，但是它也可能影响红外相 机的操作。例如，网防护装置可能会潜在地阻挡相机的部分视场和/或减弱红外图像。此外， 长时间后或者响应于特定事件或损坏，红外窗口本身会变脏。这可能导致测量的劣化。
[0010] 本实用新型的实施例总体上将参考温度传感器和发射目标布置在红外相机的窗 口的外部，但是在相机的视场之内。在一些实施例中，参考温度传感器是布置在网防护装置 上的电阻温度设备，以提供用于相机的参考温度测量点。此外，来自RTD的温度测量可以用 于补偿防护装置的减弱，以及用于在信号受到镜片或窗口可能变脏以及由于窗口的透射效 果而造成的信号减小的影响时补偿信号。
[0011] 图1是根据本公开实施例的容纳在防爆壳体中的工业红外相机的示图。相机100包 括红外传感器102,红外传感器102包括对于波长比可见光谱长的热辐射敏感的多个元件或 像素。传感器102被布置在壳体104内，壳体104通常由金属制成并被设计为能够承受爆炸并 将爆炸收容在内。因此，在一些实施例中，壳体104可以符合诸如如上所述的一个或多个防 爆等级。壳体104包括光学窗口 106,传感器102可以通过该光学窗口 106接收红外辐射。光学 窗口 106具有一定尺寸并且由如下材料形成，该材料在机械上足够鲁棒以将爆炸收容在外 壳104内，但是基本上是透明的以允许红外辐射通过。
[0012] 在一些实施例中，窗口 106由在遭受来自对象的冲击的情况下可能受损的材料形 成。因此，相机100还包括布置在窗口 106之上的网防护装置108。在图1中示出的实施例中， 网防护装置108由端接于圈110的多条交错的线形成，圈110与壳体104螺栓连接或者以其它 方式紧固于壳体104。因此，冲击对象106的对象将替代地冲击网防护装置108。
[0013] 根据本公开实施例，温度传感器212(如图3中所示)热连接或者布置在圈110或网 防护装置108内。通过这种方式，可以测量网防护装置和/或圈110的温度。备选地，温度传感 器212可以安装在目标112上或者与目标112整合为一体。此外，如图2中所示，网防护装置 108的至少一个网格被高发射率反射目标112占据。在一个实施例中，目标112的发射率被选 为或者已知为较高，从而即使在窗口 106受损或者变脏的情况下也能够高效地被成像。此 外，通过对发射目标112进行成像并且测量圈110或网防护装置108的温度，可以校准红外相 机。这是因为利用传感器102对目标112成像将提供对目标112的温度的指示。之后，使用布 置在圈110或网防护装置108内的温度传感器来物理测量目标112附近的温度将提供对通过 图像获得的温度与测量的参考温度之间偏差的程度的指示。在一个实施例中，目标112包括 或者连接到接触温度计。由传感器或者温度计测量的温度与光学获得的测量之间的偏差可 以指示窗口的损坏或者指示窗口 106变脏。因此，红外相机可以调节或者以其它方式补偿这 种负面的窗口影响，并继续高效地工作。换言之，在网防护装置108上使用参考温度传感器 (诸如温度传感器212)为相机创建参考点，并通过温度传感器提供附加温度测量参考，以便 补偿网防护装置108的减弱以及可能的脏镜片的信号。然而，在保护高发射目标112不受污 染的情况下，可以在不需要来自温度传感器的单独测量的情况下执行温度估计。该光学获 得的值可以用于补偿面向网防护装置的任意像素。此外，可以测量或者以其它方式确定跨 过网防护装置的图像的均匀度，并将其用于提供对窗口 106的肮脏程度的指示。理想地，在 正常条件下，网防护装置的图像将全部是相同的温度或者将遵循梯度曲线。当窗口 106变脏 时，曲线将不再是均匀或者渐进的。网格的局部测量将看上去像噪声一样。
[0014]图3是根据本实用新型实施例的布置在防爆壳体内的红外相机的示图。系统200包 括具有防爆光学窗口 204的防爆壳体202，防爆光学窗口 204允许红外相机206看到通过窗口 204的红外辐射。网防护装置208被布置在窗口 204之前，以保护窗口 204不受冲击。此外，高 发射目标210和温度传感器212被设置在网防护装置208或者围绕网防护装置208的圈附近。 在一个实施例中，温度传感器212可操作地连接到布置在相机206内的测量电路214。虽然图 3中示出的实施例指示了温度传感器212和测量电路214之间的直接物理连接，但是本实用 新型的实施例明确地包含利用无线方法来将指示温度的信息传达给测量电路214。具体地， 可以使用近场通信技术，其中，电磁能量通过窗口 204耦合到与温度传感器耦合的无源RFID 结构。无源RFID结构的响应可以向测量电路214指示温度。这在不需要对壳体202太多的干 扰的情况下尤其有益。
[0015] 红外相机206包括连接到红外传感器218的控制器216。在一个示例中，红外传感器 218是微测辐射热计。该结构一般被配置为接收波长在7到14微米之间的红外辐射，该红外 辐射到达检测器材料，将其加热，并从而改变其电阻。电阻改变可以被测量并被处理为各种 温度以创建图像。然而，本实用新型的实施例可以包括用于检测通过窗口 204的热辐射的任 何合适的结构。控制器216被配置为与红外传感器218交互以根据已知技术产生热图像。此 外，控制器216连接到控制电路220以将热图像数据传送到附加设备。例如，通信电路220可 以包括能够根据已知无线通信技术和协议(诸如WIFI、蓝牙等)进行通信的无线通信电路。 此外，通信电路220可以被配置为根据已知过程工业标准协议（诸如IEC62591 ( WirekssHART?))进行通信。此外，在一些实施例中，相机206可以包括被配置为产生可 以潜在地通过另一窗口（未示出）可视的本地显示的显示模块222。
[0016] 根据本实用新型的实施例，控制器216通过硬件、软件或它们的组合被配置为使测 量电路214经由温度传感器212获取网防护装置温度的指示。此外，控制器216还被配置为获 取热图像，该热图像包含在其视场中的与高发射目标210相对应的部分。控制器216对目标 210进行成像，并基于图像产生高发射目标210的第一热指示。此外，控制器216还基于从温 度传感器212测量的温度产生高发射目标210的热指示。之后，通过将(从热图像获得的）第 一热指示与（从温度传感器获得的）参考温度进行比较，控制器216能够确定两个温度相差 的程度。该差别可以指示窗口的损坏。此外，该差别还可以被控制器216用于获取校准。因 此，通过应用该差别，控制器216可以产生补偿的热图像。
[0017] 在窗口 204上沉积的污垢或灰尘可能会随着时间改变窗口 204的透明度。如果红外 温度相对于参考温度存在偏差，则用户可以接收警报，该警报指示系统已经丢失精确度并 且窗口 204变脏而需要清洁。可以作为上述补偿的附加或替代而提供该指示。在一个示例 中，如果偏差突然出现且在热图像中相对均匀，则可以指示检测到的透明度改变是由于相 对湿度所造成的。此外，参考温度传感器212还可以用于提供关于周围温度的信息，以潜在 地触发或者以其他方式启动壳体202内的内部加热。
[0018]图4是根据本实用新型实施例的在危险环境中操作红外相机的方法的流程图。方 法300开始于框302，在框302，测量在形成红外相机的防爆壳体的一部分的光学窗口之外的 温度。如上所述，可以通过安装在网防护装置或围绕和固定网防护装置的圈上的温度传感 器来产生热指示。温度传感器可以是能够提供与温度相对应的电指示的任何合适的设备。 这种设备的示例包括热电偶式温度计、RTD、热敏电阻等。优选通过红外相机本身(诸如图3 所示的相机206)来执行温度测量。然而，温度测量可以通过外部设备来执行，并被简单地传 送或者以其他方式传输到红外相机。接着，在框304,红外相机对布置在其防爆壳体之外的 高发射目标进行成像。对高发射目标进行成像产生对这种高发射目标的温度的指示。接着， 在框306,在一个示例中，红外相机将使用测量的温度和高发射目标的通过图像获得的温度 之间的差来产生校准或诊断指示。在框308,启用红外相机以对视场进行成像。该成像的视 场可能会受到壳体的光学窗口损坏以及光学窗口上存在的污垢或灰尘、或者它们的组合的 影响。通过使用在框306获取的校准，方法300允许红外相机提供补偿的图像，如框310所示。 然而，基于应用的校准的程度，红外相机还可以提供潜在地指示光学窗口的损坏和/或其上 的污垢或灰尘的诊断指示。最后，如框312所示输出校准后的场图像。可以经由相机的显示 器本地地、或者经由通信(诸如无线通信)远程地、或者以它们的组合来提供该输出。此外， 一旦红外相机被校准，可以使用在一段时间之后替换的IR箱以保持窗口 204无污垢和/或无 灰尘(如图3中所示）。
[0019]虽然已经参照优选实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员将认识到，在 不脱离本实用新型的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。
【主权项】
1. 一种防爆热成像系统，包括： 防爆壳体，具有被配置为允许热辐射通过的窗口； 红外相机，位于所述防爆壳体内，并且被布置为接收通过所述窗口的热辐射并对该热 辐射进行成像； 发射目标，被布置在所述红外相机的视场内，但是在所述窗口的与所述红外相机相对 的侦以及 温度传感器，可操作地连接到所述红外相机并且被配置为提供对所述发射目标附近的 温度的指示。2. 根据权利要求1所述的防爆热成像系统，其中，所述红外相机包括可操作地连接到所 述温度传感器的控制器，其中，所述控制器被配置为基于所述发射目标的图像确定所述发 射目标的基于图像的温度，并且将温度的所述指示与所述基于图像的温度进行比较。3. 根据权利要求2所述的防爆热成像系统，其中，所述控制器被配置为基于所述比较产 生诊断指示。4. 根据权利要求2所述的防爆热成像系统，其中，所述控制器被配置为基于所述比较产 生校准信息。5. 根据权利要求4所述的防爆热成像系统，其中，所述校准信息用于后续的热成像。6. 根据权利要求1所述的防爆热成像系统，其中，所述窗口由易受到冲击而损坏的材料 形成。7. 根据权利要求6所述的防爆热成像系统，还包括:布置在所述窗口前方的防护装置。8. 根据权利要求7所述的防爆热成像系统，其中，所述发射目标布置在所述防护装置 内。9. 根据权利要求7所述的防爆热成像系统，其中，所述温度传感器安装到所述防护装 置。10. 根据权利要求7所述的防爆热成像系统，其中，所述温度传感器安装到将所述防护 装置固定于所述防爆壳体的圈。11. 根据权利要求7所述的防爆热成像系统，其中，所述防护装置是由交错的线形成的 网防护装置。12. 根据权利要求1所述的防爆热成像系统，其中，所述温度传感器可操作地连接到所 述红外相机的测量电路。13. 根据权利要求12所述的防爆热成像系统，其中，所述温度传感器以无线方式连接到 所述红外相机。14. 根据权利要求1所述的防爆热成像系统，其中，所述红外相机被配置为将图像数据 以无线方式传输到远程设备。15. 根据权利要求14所述的防爆热成像系统，其中，所述无线传输遵从无线过程工业标 准协议。16. 根据权利要求1所述的防爆热成像系统，其中，所述红外相机包括微测辐射热计。17. 根据权利要求2所述的防爆热成像系统，其中，所述控制器被配置为基于对所述发 射目标附近的温度的所述指示启用所述壳体的加热器。18. 根据权利要求1所述的防爆热成像系统，其中，所述壳体符合防爆等级。19. 根据权利要求1所述的防爆热成像系统，其中，所述发射目标和所述温度传感器构 成整体单元。20. 根据权利要求1所述的防爆热成像系统，其中，所述温度传感器安装到所述发射目 标。21. -种防爆热成像系统，包括： 防爆壳体，具有被配置为允许热辐射通过的窗口； 红外相机，位于所述防爆壳体内，并且被布置为接收通过所述窗口的热辐射并对该热 辐射进行成像； 网防护装置，被布置在所述窗口的与所述红外相机相对的侧； 发射目标，布置在所述红外相机的视场内，并被保护不受污染；以及 其中，所述红外相机被配置为对所述发射目标进行成像并补偿对所述网防护装置进行 成像的像素。22. 根据权利要求21所述的防爆热成像系统，其中，所述系统被配置为基于所述网防护 装置上的均匀度提供与所述窗口相关的指示。
【文档编号】H04N5/225GK205622723SQ201620262497
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】杰森·H·路德, 安德鲁·J·凯茨曼, 萨沙·尤里希·凯恩茨
【申请人】罗斯蒙特公司