СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ОКНА УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2012 года по МПК B61K9/06 G01J5/00 

Предлагаемое изобретение относится к области метрологического обеспечения бесконтактных устройств теплового контроля, регистрирующих объекты с температурой, близкой к температуре окружающей среды, и может быть применено в устройствах контроля температуры букс подвижного состава железных дорог.

Существенной проблемой, возникающей при создании вышеуказанной аппаратуры, особенно низкого температурного диапазона, является борьба с загрязнением защитного окна, снижающим точность измерения. Сложность заключается в том, что загрязнение при температуре объекта измерения, равной температуре окружающей среды, маскируется собственным излучением, и изменение прозрачности защитного окна при температуре окружающей среды становится для измерительного канала незаметным.

В устройствах теплового контроля букс подвижного состава железных дорог происходит запирание наружного входного окна обтюратором изнутри корпуса напольной камеры (НК) с периодическим его открыванием на время прохождения поезда (см. Лозинский С.Н., Алексеев А.Г., Карпенко П.Н. Аппаратура автоматического обнаружения перегретых букс в поездах. М.: «Транспорт», 1978). При этом происходит периодическая разгерметизация внутреннего объема камеры, что, с одной стороны, со временем, приводит к загрязнению оптической системы измерительного канала, а с другой - образует по трассе измерительный канал - букса конвекционные потоки, дополнительно вносящие погрешность в результаты измерения.

Известен способ контроля степени загрязнения защитного окна устройства теплового контроля, заключающийся в визуальном осмотре обслуживающим персоналом через наружное окно напольной камеры защитного окна и, в случае наличия на ней пыли и грязи, замене пленки на защитном окне (см. ОАО РЖД РФ. Департамент автоматики и телемеханики. Департамент вагонного хозяйства. Научно-производственный центр «Инфотекс». Комплекс технических средств Многофункциональный КТСМ-02. Технология обслуживания, 2007 г., стр.53). Периодичность осмотра оборудования согласно указанному документу - 1 раз в неделю. Недостатками способа являются большой объем регламентного обслуживания и неопределенность визуального критерия при смене защитной пленки.

Известен наиболее близкий по технической сущности способ частичного контроля загрязнения защитного окна устройства теплового контроля, заключающийся в том, что при работе напольной камеры для теплового контроля ходовых частей рельсового подвижного состава, изменение прозрачности пленочного защитного окна, герметизирующего внутренний объем НК, частично компенсируется последовательным предъявлением поворотной секторной заслонкой двух источников инфракрасного излучения (пассивного и активного излучателей со встроенными термодатчиками, контролирующими их температуру) и корректировкой коэффициента усиления измерительного тракта (см. патент РФ №2374112, МПК B61K 9/06, опубликовано 27.11.2009). Однако, со временем, загрязнения на защитном окне устройства теплового контроля накапливаются, что приводит к невозможности полной коррекции изменения техническими средствами устройства, недостоверности получаемых измерений и необходимости замены пленки защитного окна. То есть для измерения температуры объектов, в части контроля загрязнения защитного окна устройства теплового контроля, способ метрологически не обеспечен.

Задачей, решаемой предложенным способом, является метрологическое обеспечение измерений температуры объекта путем объективного контроля прозрачности защитного окна, устраняющего дополнительную погрешность из-за его загрязнения и позволяющего оперативно сообщать о необходимости его регламентного обслуживания.

Техническим результатом при использовании предложенного способа является повышение точности измерения температуры за счет уменьшения погрешности измерения, устраняемой путем введения объективного критерия степени загрязнения защитного окна устройства теплового контроля.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе контроля степени загрязнения защитного окна устройства теплового контроля, включающем поочередное предъявление через защитное окно внешних контрольных излучателей, пассивного с температурой Т₁, равной температуре окружающей среды, и активного, имеющего температуру Т₂, больше T₁, регистрации откликов на воздействия контрольных излучателей, отклики формируют в виде значений эквивалентных температур и , после чего оценивают отношение , и при n>γ+1, где - относительная погрешность измерения при температуре Т₁, а Δ - паспортное значение среднеквадратической погрешности измерения устройства теплового контроля, производят регламентное обслуживание защитного окна.

Регистрация откликов контрольных излучателей в виде эквивалентных температур и позволяет произвести объективную оценку загрязнения защитного окна с учетом паспортного значения среднеквадратической погрешности измерения.

Реализация указанных условий осуществляется следующим образом. В ход пучка лучей между защитным окном устройства теплового контроля и объектом измерения измерительному каналу поочередно предъявляются пассивный и активный излучатели, температура которых контролируется термодатчиками. Пассивный излучатель имеет температуру окружающей среды Т₁, активный - температуру Т₂>Т₁. На выходе измерительного канала оба излучателя образуют соответствующие отклики, сформированные блоком обработки сигнала в виде эквивалентных температур и . Если прозрачность защитного окна остается неизменной, то отношение дроби к дроби не должно отличаться от единицы более чем на γ. Однако если на поверхности защитного окна образуются грязевые следы от атмосферно-грязевых осадков или происходит равномерное запыление (загрязнение) поверхности, то упомянутое отношение становится существенно больше единицы. Физическая причина этого явления заключается в следующем. Если устройства теплового контроля наблюдает пассивный излучатель, то кроме лучистого потока от излучателя на вход измерительного канала поступает еще и собственное, и рассеянное от окружающей среды излучение грязевой поверхности. А так как пассивный излучатель имеет одинаковую температуру с окружающей средой, а следовательно, и с загрязнением, то отклик измерительного канала по сравнению с чистым защитным окном, практически не изменяется. Напротив, когда измерительный канал наблюдает активный излучатель, суммарный лучистый поток, попадающий на вход измерительного канала, определяется, в основном, мощностью излучателя, в то время как собственное и рассеянное излучение от грязевой поверхности составляет малую его долю. Расчеты показывают, что если, например, температура окружающей среды равна 0°С, а нагреватель нагрет до 45°C, то даже в случае загрязнения всей поверхности защитного окна до полупрозрачного состояния, на приемнике, чувствительном в спектральном диапазоне 3-5 мкм, эта доля не превысит 20-25%. То есть реакция измерительного канала на активный излучатель по потоку уменьшится примерно на 40%, а по температуре - на 12°C. Однако восстановление чувствительности измерительного канала к активному излучателю по коэффициенту усиления в этом случае приведет к увеличению показаний и при измерении объектов с температурой 0°C до 7°C, что при паспортном значении среднеквадратической погрешности, например, ±3°C совершенно недопустимо и требует мер по очистке защитного окна.

Иначе говоря, при заданной среднеквадратической погрешности измерения ±3°C, что для температуры окружающей среды 0°C соответствует относительной погрешности 0,011, отношения , , a . Откуда следует, что отличается от единицы на 0,039. Сравнение 0,039 и 0,011 говорит о необходимости очистки защитного окна.

Таким образом, оценивая изменение отношений (отношение отклика к воздействию) при переходе от пассивного излучателя с температурой окружающей среды Т₁ к активному излучателю (температура Т₂), получают объективную оценку степени загрязнения входного окна по критерию .

Если отклонение значения от единицы превышает максимально допустимую относительную погрешность измерения температуры, которая, при заданном паспортном значении среднеквадратической погрешности Δ, определяется выражением , микропроцессор измерительного канала передает на линейный пункт контроля сообщение о недопустимом загрязнении защитного окна.

Предложенный способ может быть реализован в напольных камерах устройств для теплового контроля ходовых частей рельсового подвижного состава (см. патент РФ №2374112), устройствах для измерения температур буксовых узлов движущегося поезда (см. патент РФ №93060) и других аналогичных устройствах. Причем, в устройствах, защитное окно которых закрыто пленкой, регламентным обслуживанием является ее замена, а в конструкциях, где защитное окно закрыто лейкосапфировой пластиной - ее очистка(протирка).

Своевременно проведенная замена или очистка защитного окна устройства теплового контроля позволяет повысить точность измерения температуры за счет устранения погрешности измерения, обусловленной недопустимым загрязнением окна, определенным по объективному критерию степени загрязнения.

Способ контроля степени загрязнения защитного окна устройства теплового контроля относится к области метрологического обеспечения бесконтактных устройств теплового контроля, регистрирующих объекты с температурой, близкой к температуре окружающей среды, и может быть применен в устройствах контроля температуры букс подвижного состава железных дорог. Способ включает поочередное предъявление через защитное окно внешних контрольных излучателей, пассивного с температурой T₁, равной температуре окружающей среды, и активного, имеющего температуру Т₂ больше T₁, регистрацию откликов на воздействия контрольных излучателей, которые формируют в виде значений эквивалентных температур и , оценку отношения , и при n>γ+1, где γ=Δ/Т₁ - относительная погрешность измерения при температуре T₁, a Δ - паспортное значение среднеквадратической погрешности измерения устройства теплового контроля, проведение регламентного обслуживания защитного окна. Своевременно проведенная замена или очистка защитного окна устройства теплового контроля позволяет повысить точность измерения температуры за счет устранения обусловленной недопустимым загрязнением окна погрешности измерения.

Способ контроля степени загрязнения защитного окна устройства теплового контроля, включающий поочередное предъявление через защитное окно устройства теплового контроля внешних контрольных излучателей, пассивного с температурой T₁, равной температуре окружающей среды, и активного, имеющего температуру Т₂ больше T₁, регистрацию откликов на воздействия контрольных излучателей, отличающийся тем, что соответствующие отклики на воздействие контрольных излучателей формируют в виде значений эквивалентных температур и после чего оценивают отношение , и при n>γ+1, где - относительная погрешность измерения при температуре T₁, a Δ - паспортное значение среднеквадратической погрешности измерения устройства теплового контроля, производят регламентное обслуживание защитного окна.