СПОСОБ ПОВЕРКИ ПИРОМЕТРОВ В РАБОЧИХ УСЛОВИЯХ
METHOD OF TESTING PYROMETERS IN WORKING CONDITIONS

Предлагаемое изобретение относится к области метрологического обеспечения пирометрических систем, в том числе регистрирующих объекты с температурой, близкой к температуре окружающей среды, и может быть применено в системах контроля температуры букс подвижного состава железных дорог, как в пунктах линейного контроля, так и в ручных пирометрах при контроле температуры путевым обходчиком.
Известен способ поверки пирометров в рабочих условиях, включающий поочередное предъявление пирометру излучений от исследуемого объекта (измерительный канал) и тест-объекта (канал сравнения), температурой которого можно управлять. Когда сигналы в каналах выравниваются, измеряется температура тест-объекта, которая и принимается за температуру исследуемого объекта. Этот метод, называемый в теории и практике измерений компенсационным методом [см. Большой энциклопедический словарь. Физика], использовался в промышленных образцах напольных камер HOA-90S фирмы «Signal-technik GmbN», измеряющих температуру букс подвижного состава железных дорог и устанавливаемых на скоростных трассах Франции и Германии с 1990 годов, а также в патенте РФ №1904, опубликованном 16.03.1996. Его достоинство заключается в возможности проведения сравнительно точных измерений даже при использовании измерителя с нелинейной зависимостью выходного сигнала от температуры. Недостатками такого метода являются методические ошибки, возникающие за счет неидентичности оптических характеристик канала сравнения и измерительного канала, а также неидеальности тест-объекта, коэффициент излучения которого может существенно отличаться от единицы. Кроме того, такой метод не оперативен, поскольку не позволяет проводить измерения температуры объектов в реальном времени.
Известен также способ поверки пирометров в рабочих условиях, заключающийся в последовательном предъявлении измерительному каналу после каждого измерения излучений тест-объектов (пассивного и активного), температура которых измеряется контрольными термодатчиками, вычислении микропроцессорным модулем разности откликов от активного и пассивного излучателей и сравнении полученной разности с заданными установками, хранящимися в программируемой памяти микропроцессорного модуля. Если микропроцессорный модуль управления обнаруживает расхождение, то включается режим автоматической регулировки усиления, осуществляемой посредством цифрового (интегрального) потенциометра (патент РФ №2374112, опубликован 20.11.2009). Такой способ позволяет осуществить кусочно-линейную аппроксимацию нелинейной температурной зависимости выходного сигнала табличным образом для пороговых значений температуры контролируемого объекта. Однако он требует, в зависимости от температуры наружного воздуха, а также от загрязнения входного окна, периодической градуировки по внешнему сертифицированному тест-объекту. Очевидно также, что такой способ градуировки не позволяет обеспечить удовлетворительную точность измерения температуры объектов вне аппроксимационных точек, причем при изменении не только температуры объекта, но и температуры окружающей среды.
Известен также способ поверки пирометров в рабочих условиях, использующий при измерении температуры букс в качестве опорного напряжения отклик измерительного канала на инфракрасное излучение от «фона неба» в зоне осмотра буксового узла (патент РФ №2099226, опубликован 20.12.1997). Недостатком такого метода градуировки опорного напряжения является зависимость «фона неба» от состояния погоды и времени суток, даже если спектральный диапазон чувствительности приемника излучения в измерительном канале ограничен атмосферным «окном прозрачности», например 8-12 мкм.
Известен также способ поверки пирометров в рабочих условиях, наиболее близкий по технической сущности к предложенному, где оперативная абсолютная калибровка пирометра производится по инфракрасному излучению полости открытого рта оператора (патент РФ №2194255, опубликован 10.12.2002). Недостатками такого способа способ поверки пирометров в рабочих условиях являются необходимость выполнения требований по сопряжению поля зрения пирометра и полости рта оператора, что возможно не для каждого пирометра и что требует специальных навыков оператора. Необходимо отметить, что выдыхаемая оператором атмосфера может существенно исказить спектральный состав излучения (за счет обогащения углекислым газом, парами воды и другими ингредиентами), что также требует специальных навыков оператора. Наконец, представительная статистика о коэффициенте излучения полости рта среднестатистического оператора отсутствует, поэтому такой способ оперативной градуировки не может претендовать на метрологически обоснованный метод.
Задачей, решаемой предложенным способом, является самоповерка пирометра перед измерениями по точной мере, когда в качестве опорного источника инфракрасного (ИК) излучения измерительному каналу предъявляют известный по температуре объект, с коэффициентом излучения, близким к единице (излучатель с коэффициентом излучения, равным единице считается абсолютно черным телом, АЧТ).
Техническим результатом при использовании предложенного способа является повышение точности и стабильности метрологических характеристик пирометра за счет оперативной проверки градуировочной характеристики пирометра с помощью высокоточного излучателя (с коэффициентом излучения более 0,95) и автоматическом внесении поправки в результаты последующих измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе поверки пирометров в рабочих условиях, включающим измерение и регистрацию эквивалентной температуры опорного источника по его излучению и его температуры по контактному датчику, сопоставление зарегистрированных значений температур и корректировку коэффициента усиления измерительного канала, измерение и регистрация эквивалентной температуры проводят по атмосферному излучению в спектральном диапазоне одной из линий сильного поглощения, измеряют температуру окружающей среды, а корректировку коэффициента усиления проводят по результатам сопоставления эквивалентной температуры излучения атмосферной линии поглощения и температуры окружающей среды. В частном случае выполнения регистрацию эквивалентной температуры проводят по атмосферному излучению в спектральном диапазоне линии сильного поглощения углекислого газа.
Новым в предложенном способе является измерение и регистрация эквивалентной температуры по атмосферному излучению в спектральном диапазоне одной из линий сильного поглощения, осуществляющей роль опорного источника ИК излучения, при этом измерительному каналу предъявляется известный по температуре объект с коэффициентом излучения, близким к единице (АЧТ), допускающий его применение в рабочих условиях эксплуатации.
Линиями сильного поглощения обладают углекислый газ, пары воды и некоторые другие компоненты атмосферы (см. Справочник по инфракрасной технике. / Ред. Волф У., Цисис Г. В 4-х томах. / T.1. Физика инфракрасного излучения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995, с.349, таблица 5, с.409). Наиболее выгодным является использование излучения атмосферного углекислого газа, который имеет несколько спектральных линий сильного поглощения: 2,7 мкм, 4,27 мкм и 15 мкм. Выгода обусловлена тем что, во-первых, поглощение в этих линиях настолько велико, что изменение высоты визирования даже до 4 километров над уровнем Земли практически не изменяет формы линий, в то время как для паров воды изменения существенны (http://www.astronet.ru/db/msg/1188291/text). Во-вторых, линия 4,27 мкм располагается в атмосферном окне, что позволяет использовать серийные промышленные разработки приемников излучения, то есть приемников с высоким уровнем отработки технологии.
Использование излучения именно углекислого газа в качестве опорного источника позволяет также максимально приблизить температуру опорного источника к температуре окружающей среды в приземном слое, то есть практически нивелировать влияние такого известного погодного эффекта, как инверсия температуры, наблюдаемой, иногда, в приземном слое атмосферы. Высокая достоверность совпадения температуры окружающей среды, измеренной в приземном слое, с температурой 150-метрового приземного слоя углекислого газа (что соответствует уровню 95%-го поглощения) обусловлена следующими теоретическими и практическими предпосылками. Известно, что существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый обмен [БСЭ, статья «Теплопередача»]. Известно также, что теплопроводность диоксида углерода почти в два раза меньше, чем воздуха, а удельный вес почти во столько е раз выше [Физическая энциклопедия, статья «Газ»]. Это значит, что скорость изменения температуры углекислого газа за счет теплопроводности и конвекции значимо отстает от скорости изменения температуры остальной массы воздуха. Очень важно, что спектральные полосы поглощения, а значит, и излучения углекислого газа совсем не совпадают с таковыми у азота, кислорода и паров воды - других основных газообразных ингредиентов атмосферы. А это приводит к тому, что лучистый обмен в нижних слоях атмосферы у диоксида углерода происходит только между ним и земной поверхностью, не затрагивая в этом процессе другие газы. Как следствие температура углекислого газа гораздо ближе к температуре поверхности Земли, чем к температуре атмосферы.
Использование излучения столба газа в сильной линии поглощения при поверке пирометра в рабочих условиях не требует сопряжения полей зрения пирометра и опорного источника, и, главное, обеспечивает высокую стабильность и независимость от оператора и прибора метрологических характеристик опорного источника.
x
1-x
Реализация предложенного способа осуществляется следующим образом. В качестве опорного источника используют излучение одной из спектральных линий сильного поглощения, например, атмосферного углекислого газа в спектральном диапазоне от 4,2 мкм до 4,45 мкм (линия 4,27 мкм), с одновременной регистрацией температуры окружающей среды внешним термодатчиком, например, спиртовым термометром. Требуемый спектральный диапазон формируют интерференционным фильтром из тонких непоглощающих пленок соответствующего числа и толщин. Приемник излучения в этом случае выполняют, например, на основе полупроводникового материала CdHgTe (сплав кадмия, ртути и теллура) с мольным составом х=0,3, обеспечивающим, при охлаждении до минус 30°С, спектральный диапазон чувствительности до 5 мкм. Оптический канал пирометра формируют с промежуточным изображением и механическим модулятором с зеркальными лопастями, что минимизирует влияние рассеянного света и собственного излучения конструкции до температур объектов ниже окружающей среды. Градуировочная характеристика пирометра, построенного с применением указанной оптической схемы и охлаждаемого приемника, имеет такие полезные свойства, что на изменение (в сравнительно широких пределах) прозрачности входного окна, чувствительности приемника излучения и температуры окружающей среды откликается параллельным сдвигом в преобразованных координатах. И тогда компенсацию этого сдвига проводят изменением коэффициента усиления, поверяя пирометр от опорного источника всего лишь в одной температурной точке. Последняя операция легко алгоритмизируется в микропроцессорном модуле управления.
Проведенные испытания, в том числе и натурные, показали, что предложенный способ поверки позволяет обеспечивать даже в зимнее время стабильность градуировочной характеристики не выходящую за пределы интервала ±2,5°С, что соответствует требованиям, предъявляемым к рабочим средствам измерения Государственной поверочной схемой средств измерения температуры (ГОСТ 8.558-93- Часть 3. Радиационные пирометры)