高温潮湿防爆等特殊环境电视的原理及其安装设计

第9章特殊环境电视第9章特殊环境电视9.1高温电视9.2防爆电视9.3水下电视第9章特殊环境电视9.1高温电视当环境温度较高时，摄像机靠自然对流冷却和热量辐射已不能使其在额定温度范围内正常工作，必须采用鼓风机强迫风冷，采用水泵强迫水冷，或采用温差电致冷等方法，以确保摄像机的工作性能和可靠性。第9章特殊环境电视9.1.1风冷系统风冷系统一般采用直接冷却，净化空气作为冷却剂直接送入防护罩中，将摄像机的热量带出，使摄像机温度下降。风冷防尘系统由风冷防尘罩、空气滤清箱、半固定云台、空气调压、分水滤气器、送风软管和线缆护管等组成，如图9―1所示。第9章特殊环境电视图9―1风冷防尘系统示意图空气调压、分水滤气器空气滤清箱送风软管风冷防尘罩半固定云台线缆护管交流电源第9章特殊环境电视由管道送来的压缩空气经截止阀调压，由分水滤气器过滤后送至空气滤清箱。空气调压分水滤气器采用双通道方式，当分水滤气器发生故障或需要维修时，打开另一通道，以保证系统继续工作。空气滤清箱由箱体、空气过滤器、消音层和油水排泄管等组成，用来对经调压、油水分离后的空气作进一步的减压、净化和消音处理。经它处理后的空气用送风软管送入风冷防护(尘)罩。第9章特殊环境电视风冷防尘罩由遮光罩和防护箱体组成。遮光罩中装有隔热玻璃，以免外界辐射热损坏摄像机镜头。防护箱体中设有摄像机导轨，摄像机通过安装板固定在导轨上，前后位置可以调整。送到防护箱体的冷却空气首先将摄像机冷却，继而均匀地吹向遮光罩中的隔热玻璃，将辐射热量带走。冷却气流冲出遮光罩，阻止粉尘进入风冷防尘罩内，从而达到风冷防尘的目的。半固定云台用于固定风冷防尘罩，其仰角可调，并用螺丝锁定。第9章特殊环境电视9.1.2水冷系统当环境温度更高，靠风冷无法控制摄像机温度时，可采用水冷系统。因为水的导热系数和比热均比空气大，水冷与风冷相比较，具有换热热阻小，冷却效率高等优点。用水作为冷却剂的液体冷却每平方厘米的换热量为40～80W，最大可达120W。液体冷却的缺点是：系统复杂，体积大、价格高和维修难。第9章特殊环境电视1.水冷防尘电视系统水冷防尘电视系统由水冷防尘罩、气调压系统、水调压系统、控制系统、半固定云台、摄像机和监视器等组成。图9―2为水冷防尘防护罩的示意图。经过调压的冷却水液从防护罩前端流入，在环形隔套中形成紊流（指流体流速超过临界值时分子紊乱无章的运动，且产生涡流，促进能量交换），分别从内水冷套外壁和外水冷套内壁获得热量，第9章特殊环境电视形成热流体，从防护罩后端流出，达到冷却的目的。同时水冷套前端有密封隔热玻璃，隔热玻璃前端有锥形喷气孔，压缩空气从进气管送入将隔热玻璃上的辐射热带出，同时在隔热玻璃前部中心形成气流屏障，阻挡烟尘，实现水冷防尘功能。水冷防尘电视系统用于冶金、化工等行业，在加热炉、玻璃熔炉附近高温多粉尘环境中对作业现场进行监视，一般应在环境温度低于80℃的场合使用。第9章特殊环境电视图9―2水冷防尘防护罩示意图进气管进水管出水管第9章特殊环境电视2.炉用高温型电视设备炉用高温型电视设备包括高温防护罩、带高温针孔镜头摄像机、空气调压分水滤气系统、送风软管，送水软管、线缆护管、控制器、云台、报警系统、快门和水泵等设备。高温防护罩可直接安装在炉窑壁上，通过窥视孔监视炉内温度高达1600℃的景物。第9章特殊环境电视高温防护罩包括水冷套、水冷中套、风冷套和摄像机座架等。摄像机安装在机架上，针孔镜头隔热玻璃位于风冷套内侧。冷却水先进入水冷套，然后流经水冷中套带出热量，冷却摄像机。为了减少外界辐射热的影响，水冷套外层装有隔热海绵胶板和辐射罩。为了减少炉窑壁高温对摄像机的影响，高温防护罩分为水冷套，水冷中套和风冷套三段，相互之间采用石棉橡胶板衬垫，炉窑壁的影响明显降低。第9章特殊环境电视压缩冷却空气经调压、分水滤气后分两路送至风冷套：一路流向针孔镜头前的隔热玻璃上，换热后经风冷套窥视孔向前喷出；另一路经风筒喇叭口风孔形成锥形气流，与窥视孔喷出的压缩空气一起阻挡炉窑内高温和烟尘对摄像机的影响。喷出的压缩空气的气压必须比炉内压力大两倍。为了防止停水、停气导致高温防护罩内摄像机温度超出上限值，系统设有故障报警装置。风冷套内还有快门装置，当停风或摄像机需维修时，可用快门将窥视孔关闭。第9章特殊环境电视9.1.3半导体致冷半导体致冷又叫温差电致冷。当任何两种不同的导体组成一对电偶，并通以直流电流时，在电偶的相应接头处就会发生吸热和放热现象，这种效应在金属中很弱，在半导体中则比较显著。1.半导体致冷原理半导体致冷的电偶是利用特制的N型和P型半导体用铜片连接而成的，半导体致冷原理如图9―3所示。当直流电从N型半导体流向P型半导体时，则在②、③端的铜联接片上产生吸热现象(称冷端)，而在①、④端的铜联接片上产生放热现象(称热端)。若电流方向相反，则冷、热端互换。第9章特殊环境电视图9―3半导体致冷原理示意图NPIEQHQC③②④①第9章特殊环境电视半导体致冷的原理可用载流子(电子或空穴)流过结点时热能的变化来解释。由于载流子在金属和半导体中的势能大小是不同的，因此载流子在流过结点时，必然会引起能量的传递。当载流子由较低的势能变到较高的势能时，必须吸收外界的能量；反之，必然放出能量。第9章特殊环境电视P型半导体是空穴导电，空穴在金属中具有的势能低于在P型半导体中具有的势能。当空穴在电场作用下由金属片通过结点②到达P型半导体时必须增加一部分势能，空穴从金属片中吸收热量，把热能变成空穴的势能，因此，结点②处的金属片被冷却下来；当空穴沿P型半导体通过结点①流向金属片时，必须减少一部分势能，这些势能转变为热能释放出来，所以结点①处金属片被加热。第9章特殊环境电视N型半导体是电子导电，电子在金属中的势能低于N型半导体中的势能。在电场作用下电子从金属片通过结点③到达N型半导体时必然要增加势能，这部分势能也只能从金属片中吸收热能来转换，结果结点③处的金属片冷却下来。当电子从N型半导体通过结点④到金属片时就要释放能量并转变为热能，所以结点④处金属片被加热。一个电偶对能产生的热电效应较少，可将几十个这样的电偶对串联以获得较大的致冷量，将冷端排在一侧，热端排在另一侧，构成一个电偶堆。第9章特殊环境电视2.半导体致冷器半导体致冷器是由电偶堆、冷却板和散热器组成的。为了加强热交换冷却板装在电偶堆的冷端。冷却板可有不同形式，如肋片式，平板式等。散热器装在电偶堆的热端，散热形式可有强迫风冷、强迫水冷和自然冷却等，图9―4为半导体致冷器结构示意图。无论采取哪种冷却结构形式，都必须使冷却板、致冷电偶堆和散热器三者之间的连接满足导热和电绝缘的要求。第9章特殊环境电视图9―4半导体致冷器结构示意图NPNPNP散热器直流电源＋冷却板绝缘导热层绝缘导热层－第9章特殊环境电视致冷器的连接可用粘合法、螺丝固定法或焊接法。粘合法用环氧树脂粘合，粘合时加一定的压力使粘合层很薄以减少热阻，固化后在60℃～70℃下烘烤。粘合法的缺点是粘合层不易做得很薄，同时由于环氧树脂与电偶堆膨胀系数不同，长期冷热交替工作会使粘合层松脱，无法散热，烧坏电偶堆。螺丝固定法用螺丝将电偶堆、散热器及冷却板连接在一起。在接触面上涂硅脂提高导热性能。为了避免热端通过螺丝向冷端传热，应采用导热性能差的尼龙螺丝，这种方法因维修方便而被普遍采用。第9章特殊环境电视焊接法采用一种金属化的陶瓷，这种陶瓷片大小与铜连接片相同，在两面烧结上金属(如银)层，一面与铜连接片焊接，再焊上半导体元件，另一面与散热器或冷却板相连接。此法电绝缘性能好，但增加了金属化陶瓷的工艺。通常一级致冷能得到50℃的温差，为得到较大温差可将致冷器用串联、并联和混联方式堆起来构成多级半导体致冷。第9章特殊环境电视多级致冷器是金字塔形状，见图9―5。下面的级要带走上面的级产生的热量，而致冷器热端发热效率比冷端致冷效率大，因此多级致冷器下面的级总要比上面的级的元件对数多许多。多级致冷器的级数愈多，达到的温差愈大，顶端的产冷量也愈小，总的致冷效率也就愈低。串联型多级致冷电偶堆如图9―5(a)所示,虽然每一级工作电流相同，级与级之间必须绝缘良好。并联型多级致冷电偶堆如图9―5(b)所示,特点是工作总电流较大，但级间不必电绝缘。混联型电偶堆则如图9―5(c)所示。第9章特殊环境电视图9―5(a)串联电偶堆；(b)并联电偶堆；(c)混联电偶堆NPNPNPNPNP(a)NPNPNP(b)NPNPNPNPNP(c)NP第9章特殊环境电视3.半导体致冷的特点(1)无噪音，无振动，寿命长，结构简单，安装容易，维修方便，可靠性高，致冷时间短。(2)致冷量和冷却速度可通过改变电流的大小随意调节，加上温度检测手段，可实现高精度的温度控制。容易实现遥控、程控和计算机控制，组成自动控制系统。(3)对核辐射很不敏感。如把致冷器放在离放射性钴几十厘米的地方，数周之后致冷器的特性没有任何改变，所以半导体致冷法适用于高温核辐射环境的应用电视。第9章特殊环境电视(4)功率范围宽，单个致冷元件的功率虽小，但组合简单，容易实现各种功率的致冷系统。(5)需要消耗功率很大的直流电，由于反向电压有致热作用，要求直流电源波纹系数小；否则，致冷器达不到最大温差。第9章特殊环境电视4.半导体致冷器的应用半导体致冷器的应用比较灵活。所需致冷功率较小时可以单独使用。在需要较大致冷功率时，可与风冷装置、水冷装置配合使用，组成半导体致冷高温防尘电视系统，致冷效果较好；适用于高温、高粉尘等恶劣环境，在钢铁、冶金、水泥、玻璃、化工、电力等部门中实现对生产过程的监视调度。第9章特殊环境电视9.1.4高温电视自动退出系统高温电视自动退出系统，将摄像机探头直接伸入炉内，监测炉内燃烧情况和火焰形状，可用于冶金、电力、建材、轻工和化工机械等行业的加热炉上。由于环境温度高、辐射热量大和粉尘聚集等原因，只能在限定的范围内进行短时间的观察。全自动高温电视退出系统由控制中心远距离遥控监测，既能提高冶炼质量，又可降低劳动强度，还便于实现集中调度和生产过程的自动化。第9章特殊环境电视炉用高温电视自动退出设备由探头摄像机、分配盒、退出装置、控制器、空气压缩装置、水冷却装置、电源和监视器等组成，其方框图如图9―6所示。第9章特殊环境电视图9―6炉用高温电视自动退出系统方框图控制器水冷装置探头摄像机分配盒退出装置水冷装置空气压缩装置温度压力终端压力开关电磁阀净化空气进入工作气退出工作气冷却空气压缩空气鼓风机探头冷却水基板冷却水第9章特殊环境电视探头摄像机可在燃烧温度高达2000℃的情况下使用。当压力和温度传感器探测到摄像机冷却功能发生故障时，电动气动控制的退出装置会自动地把探头摄像机从燃烧室退出，以防止摄像机和镜头烧坏。探头摄像机也可以由控制室遥控装置遥控退出。探头摄像机进入或退出时间大约是10～15秒钟，探头运动速度约为0.1m／s。第9章特殊环境电视当系统出现下列七种情况之一时，退出装置即退出。①探头顶部的冷却水温度超过预定值时；②压缩空气故障或压力降到预定值时；③探头处净化空气通道故障或压力降到预定值时；④当水流量小于预定值时；⑤当空气或水监测线路中断时；⑥当主电源电压出现故障时；⑦当控制器或控制中心发出退出指令时。第9章特殊环境电视只有当以上七种情况全部不存在时，探头的进入过程才能进行。摄像机安装在探头罩内，采用高温针孔镜头，视角为82°，探头伸进炉内，摄像机通过罩前2mm小孔摄取图像，输出电视信号经过分配盒转接，由视频电缆传至监视器显示炉膛内图像。摄像机电源+12V由控制器提供。第9章特殊环境电视净化的压缩空气输入空气压缩装置内，经滤减压处理后供给自动退出装置中的无杆气缸，由电磁阀控制无杆气缸两端压缩空气的压差来带动探头，实现进入和退出的功能。一路再过滤减压形成的净化空气通过分配盒送到探头罩内，由罩前小孔喷出，形成一定的正压，起到保护镜头的目的。第9章特殊环境电视输入的冷却水经水冷却装置过滤减压后分两路，一路供给探头罩隔套起冷却作用，另一路供给炉壁基板，也起降温冷却作用。气泵形成的冷却空气经过压力表和压力控制器，提供给基板上圆形喷嘴