RU2495389C1 - Measuring method of equivalent temperature - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: measuring method of equivalent temperature involves automatic correction of calibration characteristic of an operating pyrometer prior to measurements as per a built-in reference source, measurement of equivalent temperature of the investigated object as per its emission and periodic calibration of the pyrometer, which is performed under working conditions by means of equivalent temperature measurements of the built-in reference source with the operating pyrometer and an external reference pyrometer having normalised metrological characteristics for working conditions, comparison of the obtained values of equivalent temperatures and introduction of corrections to results of further measurements.

EFFECT: providing possible improvement of accuracy and stability of measurement.

1 dwg

Description

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.The present invention relates to the field of metrological support for stationary pyrometric devices under operating conditions of operation and can be used in temperature control systems for axleboxes of rolling stock of railways.

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.The difficulties of measuring temperature under operating conditions, especially for systems permanently fixed at workplaces, are associated, first of all, with the periodic verification of this equipment. The procedure for verification requires normal climatic conditions, which is usually associated with the need to disassemble and deliver such equipment to laboratories equipped with appropriate model measures and standards. However, this means that the measuring equipment, for example, during thermal control of axleboxes of the rolling stock of the railways, working the main time of operation outside normal conditions, is normalized only by additional, that is, the calculated error of temperature measurement. Under conditions of factors that are poorly predicted by the level of influence: transparency of the atmosphere and the protective window, weather and climate changes, the measuring channel simply becomes non-measuring, since it ceases to have a normalized error.

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.A known method of measuring equivalent temperature by radiation, comprising alternately presenting to the pyrometer radiation from the object under study and a comparison source, the temperature of which can be controlled. When the signals in the channels are aligned, the temperature of the reference source is measured, which is taken as the temperature of the studied object (see RF patent No. 1904 "Optical pyrometer", IPC G01J 5/06, published March 16, 1996). They can carry out relatively accurate measurements even when using a meter with a non-linear temperature dependence of the output signal. The disadvantages of this method are its inoperability and the dependence of the measurement error not only on the non-identity of the measuring channel and the comparison channel, but also on the instability of the radiative characteristics of the reference source. The latter is especially important when operating under operating conditions and can lead to a significant shortening of the calibration interval.

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.The closest in technical essence to the claimed method for measuring equivalent temperatures of objects, is the method implemented in the device described in the patent of the Russian Federation No. 2374112, published on 11/20/2009. The method includes the on-line calibration of the pyrometer by sequential presentation of reference sources (passive and active) after each measurement, the temperature of which is measured by control thermal sensors, calculation by the microprocessor module of the difference between the responses from the active and passive sources and comparison of the received difference with the specified settings stored in the programmed memory of the microprocessor module. If the microprocessor control module detects a discrepancy, then the automatic gain control mode is activated by means of a digital (integrated) potentiometer. Thus, the calibration characteristic of the pyrometer is corrected. The disadvantage of this method is the impossibility of obtaining satisfactory accuracy when measuring the temperature of objects outside calibration points from reference sources. In addition, depending on the temperature of the outside air, as well as on the contamination of the inlet window, this method requires periodic calibration with an external certified reference source.

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.A common drawback of the methods considered is the need for verification in special laboratories, since emitters (blackbody) that can be operated under operating conditions as standard, reference and working measuring instruments are not produced by industry. This method of verification during the operation of pyrometers is time-consuming and expensive.

Задачей, решаемой предложенным способом, является снижение затрат при измерении эквивалентной температуры на эксплуатацию и обслуживание пирометров путем проведения их периодической поверки в рабочих условиях.The problem solved by the proposed method is to reduce costs when measuring the equivalent temperature for the operation and maintenance of pyrometers by periodically checking them under operating conditions.

Техническим результатом при использовании предложенного способа является повышение точности и стабильности измерения.The technical result when using the proposed method is to increase the accuracy and stability of measurement.

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.The specified technical result is achieved by the fact that the method of measuring the equivalent temperature includes automatic correction of the calibration characteristics of the working pyrometer before measurements using the built-in reference source, measuring the equivalent temperature of the studied object by its radiation, as well as periodic verification of the pyrometer, which is carried out under operating conditions by measuring the equivalent temperature of the built-in reference source with a working pyrometer and an external standard pyrometer having normalized metrological characteristics for operating conditions, after which they compare the obtained values of equivalent temperatures and make corrections to the results of subsequent measurements.

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.New in the proposed method for measuring equivalent temperature is the periodic calibration of the pyrometer under operating conditions by measuring the equivalent temperature of the built-in reference source with a working pyrometer and an external standard pyrometer with metrological characteristics normalized for working conditions, comparing the readings and amending the results of subsequent temperature measurements.

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.In optical pyrometry, the calibration of measuring channels is carried out using emitters normalized by error and included in the register of "Measuring Instruments". But in the practice of using models of the blackbody (both domestic and foreign), models are used that are designed only to work under normal conditions.

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.In the proposed method, periodic verification of the built-in reference source is carried out under operating conditions and is carried out by an external standard pyrometer having metrological characteristics normalized for working conditions, such as, for example, Kelvin-compact 200 KM40 (ZAO Euromix), which has a range of measured temperatures from minus 50 ° C to plus 200 ° C and a working temperature range from minus 40 ° C to plus 50 ° C with a measurement error of negative temperatures of ± 2 ° C. Verification is carried out by measuring the equivalent temperature of the reference source with its own measuring channel of the working pyrometer and an external standard pyrometer with normalized characteristics, after which the obtained values are compared and, when they diverge, the pyrometer microprocessor corrects the readings of subsequent temperature measurements of the studied object.

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.Implementation of the proposed method is carried out in pyrometers, for example, in floor chambers of devices for thermal monitoring of the running gears of rail rolling stock. As a reference source, they use an emitter built into the shutter of the protective window of the measuring channel, the temperature of which is monitored by an integrated temperature sensor. The emitter is built on the basis of a ceramic heater with a graphite temperature equalizer over the radiation surface. During factory calibration of the measuring channel, the damper emitter is simultaneously calibrated. Pilot operation of the design of such an emitter showed that in the range of 3-5 μm it has a constant emissivity at temperatures from -25 ° C to 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.To explain the proposed method, a diagram is given where 1 is a working pyrometer, 2 is an object under investigation, 3 is a shutter for a working pyrometer, 4 is a reference source (emitter), 5 is a measuring channel, 6 is an external reference pyrometer.

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.The method is carried out using the design of the shutter, made with the possibility of fixing three positions. The first position (in the drawing - position a) is the automatic correction of the calibration characteristic of the measuring channel of the pyrometer according to the reference source and its automatic adjustment according to the readings of the temperature sensor of the reference source, the second position (b) is the displacement of the shutter from the optical path of the rays and the measuring channel switches to temperature measurement external objects. The third position (c) is the rotation of the shutter (without withdrawing from the optical path of the rays) by 180 ° and the calibration of the temperature of the reference source by an external standard pyrometer that has metrological characteristics normalized to operating conditions. In the first position, the calibration characteristics of the measuring channel are adjusted in case of a discrepancy between the pyrometer readings and the readings of the built-in temperature sensor of the reference source by introducing the corresponding coefficient into the calculation formula of the calculator. The last operation is easily algorithmized in the microprocessor control module. In the second position of the damper, the temperatures of the studied objects are measured, in the third - periodic calibration under operating conditions with an external standard pyrometer with characteristics normalized for working conditions, for example, Kelvin-compact 200 KM40. According to the results of the verification - a comparison of the temperatures obtained during measurement by the working and external reference pyrometers, the microprocessor corrects the readings in subsequent measurements. The frequency of verification using an external reference pyrometer is carried out no more than 1 time per quarter.

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.The tests, including full-scale ones, showed that the proposed method allows to ensure even in winter time the stability of the calibration characteristics and the measurement error, not exceeding the range of ± 3 ° C.

Claims (1)

Способ измерения эквивалентной температуры, включающий автоматическую коррекцию градуировочной характеристики рабочего пирометра перед измерениями по встроенному опорному источнику, измерение эквивалентной температуры исследуемого объекта по его излучению и периодическую поверку рабочего пирометра в рабочих условиях путем измерений эквивалентной температуры встроенного опорного источника рабочим пирометром и внешним образцовым пирометром, обладающим нормированными для рабочих условий метрологическими характеристиками, сопоставления полученных значений эквивалентных температур и внесения поправок в результаты последующих измерений. A method for measuring the equivalent temperature, including automatic correction of the calibration characteristics of the working pyrometer before measurements using the built-in reference source, measuring the equivalent temperature of the studied object by its radiation and periodic verification of the working pyrometer under operating conditions by measuring the equivalent temperature of the built-in reference source with a working pyrometer and an external standard pyrometer having metrological characteristics standardized for working conditions tavleniya obtained equivalent temperature values and amending the results of subsequent measurements.