СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
MEASURING METHOD OF EQUIVALENT TEMPERATURE

Предлагаемое изобретение относится к области метрологического обеспечения стационарных пирометрических устройств в рабочих условиях эксплуатации и может быть применено в системах контроля температуры букс подвижного состава железных дорог.
Трудности измерения температуры в рабочих условиях, особенно для систем, стационарно закрепленных на рабочих местах, связаны, в первую очередь, с периодической поверкой указанной аппаратуры. Регламент проведения поверки требует нормальных климатических условий, что сопрягается, как правило, с необходимостью разборки и доставки такой аппаратуры в лаборатории, оснащаемые соответствующими образцовыми мерами и эталонами. Однако это означает, что измерительная аппаратура, например, при тепловом контроле букс подвижного состава железных дорог, работающая основное время эксплуатации за пределами нормальных условий, нормируется только дополнительной, то есть расчетной погрешностью измерения температуры. В условиях слабопредсказуемых по уровню воздействия факторов: прозрачности атмосферы и защитного окна, погодных и климатических изменений, - измерительный канал попросту становится не измерительным, поскольку перестает обладать нормированной погрешностью.
Известен способ измерения эквивалентной температуры по излучению, включающий поочередное предъявление пирометру излучений от исследуемого объекта и источника сравнения, температурой которого можно управлять. Когда сигналы в каналах выравниваются, измеряется температура опорного источника, которая и принимается за температуру исследуемого объекта (см. патент РФ №1904 "Оптический пирометр", МПК G01J 5/06, опубликовано 16.03.1996). Им возможно проведение сравнительно точных измерений даже при использовании измерителя с нелинейной зависимостью выходного сигнала от температуры. Недостатками такого метода являются его неоперативность и зависимость погрешности измерения не только от неидентичности измерительного канала и канала сравнения, но и от нестабильности излучательных характеристик опорного источника. Последнее особенно важно при эксплуатации в рабочих условиях и может приводить к существенному укорачиванию межповерочного интервала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу измерения эквивалентных температур объектов, является способ, реализованный в устройстве, описанном в патенте РФ №2374112, опубликованном 20.11.2009. Способ включает оперативную калибровку пирометра последовательным предъявлением ему после каждого измерения опорных источников (пассивного и активного), температура которых измеряется контрольными термодатчиками, вычисление микропроцессорным модулем разности откликов от активного и пассивного источников и сравнение 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. Таким образом осуществляется коррекция градуировочной характеристики пирометра. Недостатком способа является невозможность получения удовлетворительной точности при измерении температуры объектов вне калибровочных точек от опорных источников. Кроме того, в зависимости от температуры наружного воздуха, а также от загрязнения входного окна, такой способ требует периодической градуировки по внешнему сертифицированному опорному источнику.
Общим недостатком рассмотренных способов является необходимость проведения поверки в условиях специальных лабораторий, поскольку излучатели (АЧТ), способные эксплуатироваться в рабочих условиях в качестве эталонных, образцовых и рабочих средств измерений, промышленностью не выпускаются. Такой метод поверки при эксплуатации пирометров является трудоемким и требует больших затратных средств.
Задачей, решаемой предложенным способом, является снижение затрат при измерении эквивалентной температуры на эксплуатацию и обслуживание пирометров путем проведения их периодической поверки в рабочих условиях.
Техническим результатом при использовании предложенного способа является повышение точности и стабильности измерения.
Указанный технический результат достигается тем, что способ измерения эквивалентной температуры включает автоматическую коррекцию градуировочной характеристики рабочего пирометра перед измерениями по встроенному опорному источнику, измерение эквивалентной температуры исследуемого объекта по его излучению, а также периодическую поверку пирометра, которую проводят в рабочих условиях путем измерений эквивалентной температуры встроенного опорного источника рабочим пирометром и внешним образцовым пирометром, обладающим нормированными для рабочих условий метрологическими характеристиками, после чего сопоставляют полученные значения эквивалентных температур и вносят поправки в результаты последующих измерений.
Новым в предложенном способе измерения эквивалентной температуры является периодическая поверка пирометра в рабочих условиях путем измерения эквивалентной температуры встроенного опорного источника рабочим пирометром и внешним образцовым пирометром, обладающим нормированными для рабочих условий метрологическими характеристиками, сопоставления полученных показаний и внесения поправок в результаты последующих измерений температуры.
В оптической пирометрии поверка измерительных каналов осуществляется с помощью излучателей, нормированных по погрешности и включенных в реестр «Средств измерений». Но в практике использования моделей АЧТ (как отечественных, так и зарубежных) применяются модели, предназначенные только для работы в нормальных условиях.
В предложенном способе периодическую поверку встроенного опорного источника проводят в рабочих условиях и осуществляют внешним образцовым пирометром, обладающим нормированными для рабочих условий метрологическими характеристиками, таким, как например, «Кельвин-компакт 200 КМ40» (ЗАО «Евромикс»), обладающий диапазоном измеряемых температур от минус 50°C до плюс 200°C и рабочим диапазоном температур от минус 40°C до плюс 50°C при погрешности измерения в области отрицательных температур ±2°C. Поверка осуществляется путем измерений эквивалентной температуры опорного источника собственным измерительным каналом рабочего пирометра и внешним образцовым пирометром с нормированными характеристиками, после чего проводится сопоставление полученных значений и при их расхождении микропроцессором пирометра осуществляется корректировка показаний последующих измерений температуры исследуемого объекта.
Реализация предложенного способа осуществляется в пирометрах, например, в напольных камерах устройств для теплового контроля ходовых частей рельсового подвижного состава. В качестве опорного источника, используют встроенный в заслонку защитного окна измерительного канала излучатель, температура которого контролируется по встроенному датчику температуры. Излучатель строят на основе керамического нагревателя с графитовым выравнивателем температуры по поверхности излучения. При заводской градуировке измерительного канала проводят одновременно и градуировку излучателя заслонки. Опытная эксплуатация конструкции такого излучателя показала, что в диапазоне 3-5 мкм он обладает постоянным коэффициентом излучения при температурах от -25°C до 150°C.
Для пояснения предложенного способа приведена схема, где 1 - рабочий пирометр, 2 - исследуемый объект, 3 - заслонка рабочего пирометра, 4 - опорный источник (излучатель), 5 - измерительный канал, 6 - внешний образцовый пирометр.
Способ осуществляется с помощью конструкции заслонки, выполненной с возможностью фиксации трех положений. Первое положение (на чертеже - положение а) - автоматическая коррекция градуировочной характеристики измерительного канала пирометра по опорному источнику и его автоматическая подстройка по показаниям датчика температуры опорного источника, второе положение (б) - смещение заслонки из оптического хода лучей и переключение измерительного канала на измерение температуры внешних объектов. Третье положение (в) - поворот заслонки (без вывода из оптического хода лучей) на 180° и градуировка температуры опорного источника внешним образцовым пирометром, обладающим нормированными для рабочих условий метрологическими характеристиками. В первом положении проводится корректировка градуировочной характеристики измерительного канала в случае расхождения показаний пирометра и показаний встроенного датчика температуры опорного источника введением соответствующего коэффициента в расчетную формулу вычислителя. Последняя операция легко алгоритмизируется в микропроцессорном модуле управления. Во втором положении заслонки проводятся измерения температур исследуемых объектов, в третьем - периодическая поверка в рабочих условиях внешним образцовым пирометром с нормированными для рабочих условий характеристиками, например, «Кельвин-компакт 200 КМ40». По результатам проведенной поверки - сопоставления значений температур, полученных при измерении рабочим и внешним опорным пирометрами, микропроцессором производится корректировка показаний в последующих измерениях. Периодичность поверки с помощью внешнего образцового пирометра проводится не чаще 1 раза в квартал.
Проведенные испытания, в том числе и натурные, показали, что предложенный способ позволяет обеспечивать даже в зимнее время стабильность градуировочной характеристики и погрешность измерения, не выходящую за пределы интервала ±3°C.