CC BY
36
электронное
научно-техническое и з л а н и е
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-0408
77-30569/261887 Интеллектуальные системы как основа аппаратуры нового поколения для контроля букс подвижного состава железных дорог
# 11, ноябрь 2011 Статья в PDF
авторы: Долганин А. Ю., Долганин Ю. Н., Креопалов Д. В., Савченко М. А.
УДК. 53.082.52
МГТУ им. Н.Э. Баумана ОАО «Московский завод «Сапфир» dkreopalov@mail.ru Ydolganin@yandex.ru savchenko@phys.msu.ru
Постановка вопроса.
Многолетний опыт эксплуатации систем бесконтактного теплового контроля (СБТК) букс подвижного состава железных дорог (далее букс) показывает, что при измерении температуры остаётся целый ряд технических проблем, решение которых до сих пор не может считаться удовлетворительным. И это существенно снижает потребительские качества указанных систем, особенно в части надёжности и достоверности измерений.
К таким проблемам, в первую очередь относится периодическая градуировка пирометрического канала СБТК, вынужденно проводимая в целях компенсации влияющих изменений температуры окружающей среды, чувствительности приёмника излучения и прозрачности входного (защитного) окна. Сложность заключается в том, что температурная зависимость сигнала на выходе приёмника излучения является нелинейной функцией даже в двойном логарифмическом масштабе, и вследствие этого градуировка канала для всего диапазона эксплуатации превращается в длительный процесс и требует специального и дорогостоящего оборудования: камеры тепла и холода, калибровочного излучателя и т.д. Как следствие эксплуатация таких систем должна сопровождаться созданием сети сервисного и метрологического обслуживания, обеспечивающего, в том числе, периодическую калибровку (поверку) оборудования в аккредитованных Госстандартом организациях. Заметим, что жесткие условия эксплуатации аппаратуры на отечественных железных дорогах вынуждают сегодня проводить регламентное обслуживание и калибровку аппаратуры один-два раза в полмесяца. Поэтому задача создания методов периодической поверки, позволяющих уменьшить затраты на эксплуатацию, упростить поверку и увеличить межповерочный интервал, становится чрезвычайно актуальной.
Существенные проблемы при измерении создают также собственное тепловое излучение конструктивных элементов оптических систем пирометров, возникающее за счёт нагрева электронных блоков СБТК, поглощение в промежуточной среде - атмосфере и влияние отраженного от объектов измерения солнечного излучения. В общем случае эти погрешности являются методическими, то есть неустранимыми, чем подчеркивается, что уровень погрешности не зависит от усилий разработчика.
Указанные проблемы не могут быть решены в полной мере традиционными методами, как-то: улучшением технологии производства и качества элементов, стабилизацией параметров измерительного канала за счёт поддержания, например, температуры его внутреннего объёма или тока питания чувствительного элемента и т.д. В этой связи весьма привлекательным выглядит применение адаптивных интеллектуальных систем, то есть систем или устройств с программным обеспечением, имеющих возможность с помощью встроенного процессора настраивать свои параметры в зависимости от состояния окружающей среды. Более того, именно в этом направлении видятся стратегические и тактические перспективы развития СБТК нового поколения.
Ядром такой концепции, безусловно, должно быть формирование автоматизированного комплекса метрологического сопровождения измерительного канала СТБК в рабочих условиях. Поэтому вначале остановимся на некоторых, важных для нашего рассмотрения, особенностях современной законодательной метрологии, а также рассмотрим существующие методы и средства периодической оперативной поверки.
1. Градуировка и калибровка (поверка) в нормо-технической документации.
Напомним, что измерительные системы (ИС), также как и средства измерений (СИ), характеризуются экспериментальной градуировочной характеристикой или функцией преобразования - зависимостью между значениями величин на входе и выходе средства измерений. Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы [1]. Однако, законодательная метрология охватывает своими рекомендациями только градуировочные характеристики, описываемые функцией одной переменной (фактора). Функции нескольких переменных (многофакторные) находятся за пределами правил нормо-технической документации (НТД). Да и теоретическая метрология не может похвастаться единодушием в своих практических рекомендациях [2]. В
то же время однофакторные зависимости в практике измерений являются, скорее, исключением, чем правилом. На практике, в подавляющем большинстве случаев, приходится иметь дело с многофакторными зависимостями. Например, при низкотемпературных измерениях в качестве влияющих физических величин выступают не только температура окружающей среды, но и изменение чувствительности измерительного канала, изменение прозрачности входного окна, наличие в оптическом канале рассеянного теплового и солнечного излучения и т.д. Законодательная метрология предлагает учесть все эти факторы с помощью дополнительной погрешности при первичной поверке (калибровке). Очевидно, что такое решение не может учесть динамику всех влияющих факторов, особенно, если ИС обладает индивидуальной градуировочной характеристикой.
Другим важным для нас моментом являются условия и средства калибровки (поверки). Все средства измерения поверяются в нормальных условиях [3]. Поверка СИ в рабочих условиях не проводится. Для ИС сделано отступление, однако, в основе своей, пока декларативное. Так в МИ 2539-99 указано, что при невозможности обеспечения нормальных условий поверку проводят в фактических (рабочих) условиях эксплуатации [4], причём пределы допускаемых погрешностей измерительного канала и эталонов могут быть рассчитаны по РД 50-453-84 [5]. Но ссылка на последний документ не корректна, поскольку рекомендации [5] касается только СИ. Если же эталоны (вслед за РМГ 29-99 [6]) считать измерительными средствами, то возникает противоречие с ГОСТ Р8.566-96, в соответствии с которым эталоны могут поверяться (аттестоваться) только в нормальных условиях [7]. Поэтому ответ на вопрос о возможности использования эталонов при поверке ИС в рабочих условиях, например, во всём диапазоне изменения температуры окружающей среды, на уровне НТД, сегодня остаётся отрицательным. Многие авторы с этим не соглашаются. Так в работе [8] отмечается, что применительно к ИС нормальные условия (необходимые для передачи размера единиц величин от эталонов рабочим СИ) при поверке ИС теряют общепринятый смысл, поскольку для большинства ИС различные компоненты даже одного измерительного канала могут иметь различные диапазоны нормальных значений влияющих величин. В отраслевом РД (РАО «ЕЭС России») [9] допускается использование встроенных эталонов и источников сигналов, входящих в состав ИС, и оговариваются условия применения, отличные от требований ГОСТ Р8.566-96. Наконец некоторые НТД ранга МИ и РМГ не исключают возможности использования встроенных эталонных (образцовых) средств для поверки (калибровки) ИС и СИ в рабочих условиях для оценки их метрологической пригодности [9, 10], [11]. Поэтому, используя правило прецедентов, будем считать возможным построение методики поверки ИС в рабочих условиях.
2. Метод поверки (калибровки) измерительного канала напольной камеры в рабочих условиях эксплуатации.
В теоретической метрологии метод калибровки СИ в рабочих условиях эксплуатации рассматривается как метод исключения систематических погрешностей. Метод основан на «самоградуировке» измерительного канала по точной мере или набору мер между измерениями, путём автоматического переключения канала на измерение меры (мер) и его автоматической подстройки. Однако считается, что поскольку значения погрешности определяются «в рабочих условиях», и в ограниченном числе точек, соответствие такого метода поверке СИ не гарантировано [12]. Как видим, такая характеристика метода калибровки в рабочих условиях тоже упирается в ограничения, упомянутые выше. В настоящей работе предлагается метод, позволяющий обеспечить необходимые условия проведения поверки (калибровки) в рабочих условиях эксплуатации. Рассмотрим его подробнее.
2.1. Методы получения градуировочных характеристик.
Известен ряд способов, предназначенных для оперативной градуировки пирометров в их эксплуатации.
Например, в промышленных образцах напольных камер НОА-90S фирмы «SignaltechшkGmbN», измеряющих температуру букс подвижного состава железных дорог и устанавливаемых на скоростных трассах Франции и Германии с 1990 годов градуировка осуществляется компенсационным методом [13]. Суть метода заключается в том, что после прохода поезда, в измерительный канал направляется излучение от тест-объекта (канал сравнения), температурой которого можно управлять. Когда сигнал от тест-объекта выравнивается с оцениваемым, температура первого принимается за температуру исследуемого объекта [14, 15]. К достоинству метода относится возможность проведения сравнительно точных измерений даже при использовании измерителя с нелинейной зависимостью выходного сигнала от температуры. Однако этому методу присущи погрешности, возникающие как за счёт неидентичности оптических характеристик канала сравнения и измерительного канала, так и по причине «неидеальности» тест-объекта, коэффициент излучения которого может существенно отличаться от единицы и изменяться от устанавливаемой температуры. Указанный метод не способен также обнаружить загрязнение защитного окна пирометра, из-за чего в измерительном канале образуется «слепая зона» в области ниже температуры окружающей среды. Эти недостатки, вкупе с невозможностью измерений в реальном масштабе времени не способствовали широкому распространению указанного метода.
В некоторых практических реализациях используется кусочно-линейная аппроксимация нелинейной температурной зависимости выходного сигнала. С этой целью градуируемому пирометру после каждого измерения последовательно предъявляются излучения тест-объектов (пассивного и активного), температура которых измеряется контрольными термодатчиками. Затем микропроцессорным модулем вычисляется разность откликов от излучателей и сравнивается с хранящимися в его памяти заданными установками, отличными для разных температур окружающей среды. Если микропроцессорный модуль управления обнаруживает расхождение, то включается режим автоматической регулировки усиления, осуществляемой посредством цифрового потенциометра [16]. Такой способ позволяет осуществить кусочно-линейную аппроксимацию нелинейной температурной зависимости выходного сигнала табличным образом для заданных значений температуры перегрева контролируемого объекта. Однако он требует, в зависимости от температуры наружного воздуха, а также от загрязнения входного окна, периодической градуировки по внешнему тест-объекту. Очевидно также, что такой способ градуировки не позволяет обеспечить удовлетворительную точность измерения температуры объектов вне аппроксимационных точек, и не обеспечивает объективный контроль степени загрязнения защитного окна пирометра.
Как видим рассмотренные способы не в полной мере решают задачи оперативной градуировки пирометра и объективного контроля степени загрязнения защитного окна пирометра. Связано это в первую очередь с нелинейностью температурной зависимости отклика измерительного канала, которая усугубляется ещё и влияющим изменением температуры окружающей среды.
В некоторых разработках влияние температуры окружающей среды пытаются компенсировать поддержанием температуры приёмника излучения (ПИ), используя для этих целей термоэлектрический охладитель (ТЭО) [17, 18]. На наш взгляд идеология «адаптированного термостатирования» по своей сути не является наилучшей в метрологии. Поясним это.
Термостатирование ПИ можно проводить несколькими путями: обеспечением постоянства напряжения питания на ТЭО или тока через него, а также поддерживая температуру ПИ, с контролем её по термодатчику.
Стабилизация тока и напряжения питания ТЭО работает только при постоянной температуре окружающей среды (ОС), и при её изменении оказывается бессильной, с точки зрения стабилизации чувствительности ПИ.
Стабилизация температуры ПИ по термодатчику эффективна только в определённых диапазонах изменения температуры (ОС). В частности, для двухкаскадного ТЭО этот диапазон не может быть шире 70оС. Однако реальные условия эксплуатации на территории России по температуре выходят даже за диапазон 120оС, а применять большое число каскадов охлаждения, по причине увеличения цены и снижения надёжности и виброустойчивости - нецелесообразно. Кроме того алгоритм стабилизации по показаниям термодатчика устанавливает чрезвычайно жесткие условия работы стабилизатора. Так для обеспечения стабильности сигналов на уровне 98% у полупроводниковых ПИ (в диапазоне 3-5мкм), по нашим экспериментальным данным, требуется поддерживать показания термодатчика на фоточувствительном слое с нестабильностью не большей 1/1000. Обеспечить такой уровень стабилизации на постоянном токе технически очень сложная задача.
Перспективным способом построения измерительного канала является линеаризация многофакторной температурной зависимости сигнала ПИ лекальным методом, предложенная авторами в работе [19]. В этом случае на этапе градуировки пирометрический канал градуируется по модели абсолютно чёрного тела (АЧТ) с использованием камеры тепла и холода в заданных диапазонах температур АЧТ и окружающей среды. Из полученного массива данных (сигнал в функции температуры АЧТ и температуры окружающей среды) формируется градуировочная поверхность (рисунок 1), которая преобразованием трёхмерных координат трансформируется в плоскость
(рисунок 2).
Градуировочная поверхность (зависимость сигнала от температуры окружающей среды и температуры АЧТ)
Косая плоскость,
полученная преобразованием
координат градуировочной поверхности рисунка 1.
Рисунок 1. _ „
Рисунок 2.
Как установлено в работе [19] найденная плоскость обладает тем полезным качеством, что на изменение (в сравнительно широких пределах) прозрачности входного окна, чувствительности ПИ и температуры окружающей среды откликается параллельным сдвигом в преобразованных координатах. И тогда компенсация этого сдвига достигается изменением всего лишь одного коэффициента в формуле градуировочной поверхности. Последняя операция легко алгоритмизируется в микропроцессорном модуле управления.
2.2. Построение эталонного излучателя для градуировки в рабочих условиях.
Рассмотрим задачу построения опорного (эталонного) источника излучения. Здесь возможны два решения. Первое, с помощью излучателя заслонки камеры - имитатора чёрного тела, температура которого контролируется по встроенному датчику температуры. В качестве имитатора чёрного тела можно использовать керамический нагреватель с графитовым выравнивателем температуры по поверхности излучения. При заводской градуировке измерительного канала напольной камеры проводится одновременно и градуировка излучателя заслонки. Опытная эксплуатация конструкции такого излучателя показала, что в диапазоне 3-5 мкм он обладает постоянным коэффициентом излучения при температурах от 0оС до 150оС.
На рисунке 3 представлены экспериментальная зависимость эквивалентной температуры излучателя от показаний термодатчика и соответствующая ей линия регрессии. Линейность указанной характеристики свидетельствует о неизменности коэффициента излучения разработанного излучателя для спектрального диапазона 2-5мкм в широком температурном диапазоне от 150оС до 5-10оС.
370 у
420 430 440 450 450 470 4 ВО 4<>0 500 510 520 530 540 550 560 570 580 Терм ал.атчн к ;Я':-.т:'Не;е, 71В
™1-™Сра1неа 1начанна по трём прнамннЕзш а гра-есшз
Рисунок 3.
Однако есть и более перспективный путь, позволяющий не только получить высокоточный и стабильный во времени излучатель, но и упростить, а значит, и удешевить операцию периодической поверки напольных камер.
Сформировать калибровочную точку можно излучением одной из атмосферных спектральных линий сильного поглощения, имеющей температуру окружающей среды [20]. Здесь имеются два кандидата: углекислый газ и пары воды, - остальные естественные примеси не обладают достаточно сильным поглощением (рисунок 4).
С точки зрения влияния состояния среды, вне конкуренции оказывается атмосферный углекислый газ, который имеет несколько спектральных линий сильного поглощения: 2,7 мкм, 4,27 мкм и 15 мкм. Поглощение в этих линиях настолько велико, что изменение высоты визирования даже до 4 километров практически не изменяет формы линий, в то время как для паров воды изменения очевидны (рисунок 5).
Отметим также, что линия 4,27 мкм располагается в одном из атмосферных окон прозрачности, традиционно используемых для тепловизионной и пирометрической аппаратуры. Именно к окнам прозрачности «привязываются» спектральные характеристики чувствительности всех разрабатываемых ПИ, в том числе и для военных целей, что предоставляет нам возможность применить изделия с высоким уровнем отработки технологии. В частности для указанного спектрального диапазона разработан и испытан в рамках опытной эксплуатации приёмник на основе полупроводникового материала Cd.Hgj.Te (сплав кадмия, ртути и теллура) с мольным составом х = 0,3, снабженный охладителем и апертурной диафрагмой, ограничивающей поле зрения приемника излучения до угла, равного апертурному углу оптической системы пирометра. Приёмники обладают высокой пороговой чувствительностью - (6,9)'1010Вт 'смГц1'2, малыми размерами (корпус ТО-8) и хорошими надёжностными параметрами.
Рисунок 4.
■6 й 100 гр V Г]Ц '1 100 1
5 и 2,0 2.4 1ПЛ 0 100 15 20 25 30 35 40
1 ы н
0 Л & Б 10 12 0 400 НО
Длина волны мкы
Спектр пропускания атмосферы в ближней и средней области (1,2-40 мкм) на уровне моря (нижняя кривая на графиках) и на высоте 4000м (верхняя кривая); в субмиллиметровом диапазоне (300-500 мкм) излучение до поверхности Земли не доходит.
Рисунок 5.
Таким образом, ограничивая спектральный диапазон чувствительности ПИ областью от 4,2 до 4,45 мкм, можно, с одной стороны, на расстояниях неполного поглощения уверенно регистрировать излучение объектов (так например, на расстояниях до 1 метра поглощение углекислого газа в указанном спектральном диапазоне, по нашим экспериментальным данным, не превышает 1,5%), а с другой стороны, проводить градуировку пирометра, путем регистрации излучения того же углекислого газа, направив пирометр на любую протяженную свободную трассу. Причём на длине трассы 150 м обеспечивается поглощение более 90% [21], что соответствует коэффициенту излучения более 0,90, а на трассе 500 м более 99%. Процентное соотношение основных газов атмосферы мало меняется до высоты около 100 км. Температура в нижней части атмосферы (тропосфере) убывает с высотой в среднем на 6оС на 1000 м [13].
Можно показать, что при наклонной трассе (55о относительно горизонта) объём газа, имеющий неравномерность нагрева не более 1оС, будет иметь коэффициент излучения не менее 0,95. Трёхградусной неравномерности будет соответствовать коэффициент излучения 0,99. Температура столба газа измеряется платиновым датчиком сопротивления с погрешностью не более 0,5 градусов. Рассеянной составляющей на трассах до 2000 м в спектральном диапазоне более 3 мкм обычно пренебрегают. Так при метеорологической дальности видимости Д= 20 км (для ! = 0,6мкм) на трассе 1852 м коэффициент рассеяния на длине волны 4 мкм не превышает 3% [21]. И даже на каплях среднего дождя силой (1,25 см/час) на трассе 300м коэффициент рассеяния не будет превышать 4,8% (пропускание более 95%). При этом необходимо учесть, что в спектральном диапазоне полного поглощения солнечного излучения рассеиваться будет только собственное излучение атмосферы, то есть излучение с измеряемой температурой [21].
По такому алгоритму формируется калибровочная точка, определяющая наклон градуировочной плоскости измерительного канала.
3. Метод объективной оценки прозрачности защитного окна.
Очевидно, что предложенный способ градуировки пирометра по тепловому излучению атмосферного углекислого газа возможен в случае, если защитное окно пирометра обладает достаточной прозрачностью в спектральном диапазоне от 4,2 до 4,45 мкм. При эксплуатации пирометра в составе системы теплового контроля состояния букс подвижного состава железных дорог защита и контроль степени загрязнения входного окна особенно актуальны. Здесь также существуют различные подходы к решению данной проблемы. Рассмотрим их особенности.
Например, известен способ «глухого» запирания входного окна обтюратором изнутри корпуса напольной камеры (НК) с периодическим его открыванием на время прохождения поезда. При этом электронагреватели в зимнее время года поддерживают во внутреннем объеме НК положительную температуру воздуха (15-20°С) независимо от температуры наружного воздуха, а узел входного окна камеры обогревается в зимнее время года дополнительными съемными наружными электронагревателями для предупреждения заноса входного окна снегом и образования ледяной корки, препятствующих проникновению через входное окно ИК-излучения от объектов теплового контроля движущегося подвижного состава [22].
Недостатком такого способа является периодическая разгерметизация внутреннего объёма камеры, что, с одной стороны, со временем, приводит к загрязнению оптической системы измерительного канала, а с другой - за счёт разности температур наружной среды и внутреннего объёма - образует по трассе измерительный канал-букса конвекционные потоки воздуха, дополнительно вносящие погрешность в результаты измерения.
Известен способ, в котором изменение прозрачности плёночного защитного окна, герметизирующего внутренний объём НК, частично компенсируется последовательным предъявлением поворотной секторной заслонкой двух источников ИК-излучения (пассивного и активного излучателей со встроенными термодатчиками, контролирующими их температуру) и корректировкой (по необходимости) коэффициента усиления измерительного тракта. Плёночное защитное окно выполнено съёмным и по мере загрязнения заменяется [23]. Степень загрязнения входного окна контролируется визуально при регламентном обслуживании, которое проводится еженедельно.
Такому способу присущи следующие недостатки. Он позволяет компенсировать частичное загрязнение окна, но только для режима измерения перегрева объектов относительно окружающей среды, и только в температурной точке, соответствующей температуре активного излучателя. Результаты же измерения перегрева в других температурных точках, и тем более температуры близкой или меньшей температуры окружающей среды, содержат методическую погрешность мультипликативного характера, зависящую не только от уровня перегрева, но и от степени загрязнения защитного окна. А поскольку степень загрязнения объективно не контролируется, то указанная погрешность является неопределённой по уровню. Кроме того недостатками такого способа являются большой объём
регламентного обслуживания и неопределённость визуального критерия при смене защитной плёнки. То есть, для измерения температуры объектов способ метрологически не обеспечен.
Авторами разработан способ, который позволяет, вкупе с автоматической чисткой защитного окна при каждом открытии и закрытии заслонки [24, 25], осуществлять объективный контроль его прозрачности с возможностью оперативного сообщения о необходимости регламентного обслуживания.
4. Собственное тепловое излучение конструктивных элементов оптических систем пирометров.
Существуют различные подходы к уменьшению помех данного вида. Известны образцы ИК-аппаратуры, в которых уменьшение помех, связанных с тепловым излучением элементов конструкции, достигается охлаждением всей оптической системы до низких температур или её части в охлаждаемой светозащитной трубке [26]. Однако охлаждение всей оптической системы и даже её части до низкой температуры и термостатирование при этой температуре требует применения громоздкой и энергоемкой криогеники. Кроме этого, при глубоком охлаждении возникают проблемы с сохранением оптического качества из-за неизбежных температурных деформаций.
Рисунок 6
Значительное уменьшение габаритов и мощности охладителя можно достигнуть, применив оптическую схему с промежуточным изображением, где установлен модулятор с отражающими в сторону приёмника (зеркальными) секторами (рисунок 6). В момент времени, когда ход пучка лучей пересекает зеркальный сектор модулятора приёмник излучения «видит» сам себя, а поскольку он охлаждается, то влияние теплового излучения окружающей среды минимизируется [27]. Габариты охладителя в этом случае значительно снижены, поскольку охлаждается только приёмник излучения. Однако это устройство не решает задачу подавления неохлаждаемого рассеянного фона, получаемого от микронеоднородностей зеркальных лопастей модулятора, величина которого вносит существенные погрешности при измерении объектов, сравнимых по температуре с окружающей средой и, особенно, ниже.
Существенно подавить влияние теплового фона, обусловленного излучением элементов оптической системы (в том числе и отражающих секторов модулятора) удается только путём выполнения отражающих секторов модулятора в виде многослойного интерференционного покрытия. Такое покрытие не только обеспечивает высокое (до 100%) отражение излучения в апертурном угле а оптической схемы, но и, что очень важно, имеет низкое (до единиц процентов) отражение за пределами апертурного угла [21]. Отметим, что приёмник в такой оптической схеме должен быть снабжён охлаждаемой диафрагмой, ограничивающей его поле зрения до угла 2р.
Угловая селективность коэффициента отражения такого зеркала (иногда его называют диэлектрическим) является хорошо известным свойством многослойных интерференционных покрытий. При падении лучей под углом центральная длина волны смещается к коротким длинам волн. Величина сдвига центральной длины волны для комбинации многослойных покрытий Ge-SiO достигает такого значения, что спектральная плотность излучения, зеркально отражённого от модулятора на приёмник, уменьшается более чем на порядок для температуры окружающей среды Тос=300К и почти в 33 раза для Тос=243К.
Таким образом, боковое фоновое излучение в поле зрения приёмника излучения будет попадать только в долях, соответствующих диффузному рассеянию на наружных поверхностях многослойного фильтра и определяемых известным «френелевским» соотношением за счёт разницы коэффициентов преломления пограничных сред. Этим самым достигается подавление излучения фона, достаточное для обеспечения уверенного контраста сигнал/опора даже для объектов, имеющих собственную температуру излучения на 20-30 градусов ниже окружающей среды. Напомним, что под опорой здесь понимается сигнал, воспринимаемый охлаждаемым приёмником излучения (при вращающемся модуляторе) в момент, когда он «видит» сам себя.
На рисунке 7 приведены экспериментальные зависимости выходных сигналов от температуры АЧТ для золотого и интерференционного покрытия зеркальных лопастей модулятора при температуре окружающей среды Тос=253К (-20оС). Видно, что диэлектрическое зеркало обеспечивает не только более крутую температурную зависимость выходного сигнала, но и существенно уменьшает влияние рассеянного света в начальном участке зависимостей, где как раз и сказывается рассеянное излучение конструктивных элементов пирометра.
125
105 85 65 45
4
¿г
250
260 2 65 . 270
Теллератур-а АЧТ", К
275
260
Золотое повфытне ■
Днэ^ек трнч е ское леркпо
Экспериментальные зависимости выходных сигналов от температуры АЧТ для золотого и интерференционного покрытия зеркальных лопастей модулятора при температуре окружающей среды "Гсг=253К (-20^С).
Рисунок 7.
5. Маскирующее влияние солнечного излучения
Предложенная в п.4 схема оптического пирометра, успешно решая задачу подавления собственного теплового излучения конструктивных элементов оптических систем, оказывается бессильной в отношении рассеянного атмосферой солнечного фона, величина которого вносит существенные погрешности при измерении объектов, сравнимых по температуре с окружающей средой и ниже.
Необходимо заметить, что спектральную область чувствительности пирометров обычно локализуют в одном из атмосферных «окон» прозрачности (2-5 или 8-12 мкм), из-за очевидного стремления обеспечить измерения температуры удалённых объектов. При этом решение задачи ликвидации маскирующего влияния отраженного от объектов измерения солнечного излучения, учитывая многократное превосходство мощности солнечного излучения над собственным излучением объектов с температурой близкой к температуре окружающей среды, методом спектральной фильтрации в общем случае невозможно. Так спектральная плотность
излучения Солнца на длине волны 4 мкм равна Кл. (СОЛНЦ&) =40 ^ Втсм"2 мкм_1, в то время как объект с температурой Т=300К
имеет ^ (объвКЖ(Х)=2 2~]■104Втсм"2'мкм"1[28]. То есть даже, если объект имеет коэффициент отражения не более ^^ -1%, что свойственно образцовым излучателям типа «черное тело», то получить положительную контрастную разность
ДгА = [г; (объекта) - р. -г. (Солнца)]
не удастся и для «черного тела» (рисунок 8).
Рисунок 8.
Но обратим внимание на тот факт, что в спектре пропускания атмосферы имеются спектральные полосы сильного поглощения. Так например, для углекислого газа СО2 в спектральных диапазонах 2,69-2,77 мкм и 4,19-4,45 мкм практически полное поглощение наблюдается уже на горизонтальных трассах более 10км [28]. Это означает, что в указанных спектральных диапазонах солнечное излучение не достигает поверхности Земли не при каких условиях измерения, в то время как, например, полоса поглощения водяных паров существенным образом зависит от влажности атмосферы (рисунок 5). Тогда, ограничивая чувствительность пирометра, например, спектральным диапазоном 4,19-4,45 мкм, можно, при полном подавлении рассеянного и даже прямого солнечного излучения (рисунок 8), обеспечить измерение температуры объекта по его собственному излучению на таких расстояниях, где наблюдается неполное поглощение углекислым газом. Например, авторами экспериментально установлено, что на трассах менее пяти метров поглощением излучения углекислым газом пренебречь с погрешностью не более 3%. Для больших расстояний следует проводить корректировку чувствительности пирометра в соответствии с увеличением поглощения на трассе углекислым газом.
Таким образом, задача устранения влияния солнечного излучения при измерении температуры объекта, полностью решается пирометром, работающим в спектральном диапазоне 4,19-4,45 мкм на дистанциях неполного поглощения углекислым газом. Обратим внимание, что только в этом спектральном диапазоне (область за 14 мкм для создания приёмлемой чувствительности у соответствующих приёмников излучения требует глубокого охлаждения, ниже температуры жидкого азота - 77К) реализуется
Д^ = [г; (объекта)- Р; ^(Солнщ)\
положительная контрастная разность ^ ь л \ ' г а рл \ г / л даже для прямого солнечного
света (рисунок 8).
Спектрозональный фильтр при этом важно изготавливать на основе непоглощающих интерференционных плёнок. Такой фильтр, в отличие от поглощающего, не содержит в рабочем спектральном диапазоне собственного излучения.
1
ЦУ "
0.7 ~
т-6 и
а
0,3 "
од -
0,1 ~ /
0 ч 2 5 3 ДсИК1 ВТ 5 ГНЫ. ?.[ЕМ у 4 5 5
Коэффициент пропускания фильтра
Рисунок 9.
На рисунке 9 приведен спектральный коэффициент пропускания интерференционного фильтра, построенного на сапфировой подложке нанесением с двух сторон плёнок из комбинации чиолита (фтористого соединения натрия и алюминия, имеющего коэффициент преломления 1,35) и теллурида свинца с коэффициентом преломления 5,1. Причём на одной стороне подложки формируется левая (коротковолновая) граница спектрозонального фильтра, а на другой - правая (длинноволновая). Оптический фильтр имеет полосу
пропускания 4,19-И,45 мкм. За пределами это диапазона (для ^^1=1,7,4,1 и ^^=4,58,5,2) пропускание фильтра находится на уровне (2^6)10"5. Конечно, реальные конструкции обладают худшим параметрами, в частности «фоновое» подавление получается на уровне 10-3, тем не менее, такой фильтр позволяет успешно бороться и с рассеянным, и с отраженным излучением Солнца даже при регистрации объекта с температурой -35оС. Расчёты показывают, что мешающее влияние солнечной подсветки объекта становится пренебрежимым (погрешность не более 1 %) уже при регистрации температуры -25оС. К сожалению полного подавления прямого солнечного света на «простых» конструкциях достичь не удаётся из-за погрешностей изготовления фильтров (уровень пропускания «фона» не опускается ниже 0,001), а применение «сложных» конструкций становится экономически нецелесообразным из-за их высокой цены. Но в практических конструкциях эксперименты подтверждают эффективность подавления отражённого от объектов солнечного света, а отклик на прямое солнечное излучение в температурном эквиваленте превышает излучение окружающей среды не более чем в 1,5 раза.
6. Автоматизированный метод поверки (калибровки) в рабочих условиях
Вернёмся к градуировочным характеристикам измерительного канала опытной напольной камеры, построенной по схеме [25]. Первичная градуировочная характеристика (рисунок 1) в реальных условиях эксплуатации искажается. Основные влияющие факторы -это запыление оптических элементов, главным образом входного окна, и изменение характеристик чувствительности приёмника излучения. Поэтому поверка измерительного канала в рабочих условиях должна включать следующие операции:
1. Оценка изменения прозрачности входного окна.
1.1. Если изменение прозрачности окна меньше заданного предела, то процессор измерительного канала в автоматическом режиме проводит компенсацию изменения градуировочной характеристики измерительной системы.
1.2. Если изменение прозрачности окна больше заданного предела, то процессор измерительного канала направляет по линии связи сообщение о необходимости проведения профилактики (протирка входного окна). При этом компенсация изменения градуировочной характеристики не проводится, ИС работает в режиме измерения перегрева буксы (без измерения температуры объектов).
2. Оценка изменения чувствительности приёмника излучения.
Компенсация изменения чувствительности приёмника излучения в интервале (1,0,05] проводится процессором измерительного канала в автоматическом режиме.
7. Апробирование предложенных технических решений.
В настоящее время проходят испытания опытные образцы напольных камер, построенные по принципу интеллектуальных пирометрических систем, в которых подстройка измерительного канала осуществляется встроенным микропроцессором по показаниям контактных датчиков температуры приёмника излучения и активного излучателя. Показания датчика температуры приёмника излучения используются для отслеживания температуры окружающей среды, а с помощью датчика температуры активного излучателя корректируется изменение прозрачности защитного окна. Преобразование сигнала от объекта осуществляется микропроцессором по формуле (1). Опытная эксплуатация подтвердила правильность выбранных решений, в частности:
Подтверждены возможности проведения оперативной периодической калибровки опытных образцов по одной температурной точке в рабочих условиях с помощью «активного» излучателя заслонки камеры, температура которого контролируется по встроенному датчику температуры.
Достигнута долговременная (почти годовая) сохраняемость метрологических свойств измерительных каналов напольных камер, работающих в условиях межсезонья, то есть времени с нестабильными погодными условиями. В то время как существующая аппаратура (по регламенту) требует еженедельной визуальной проверки состояния входных окон с их заменой (по необходимости) и калибровки (1-2 раза в полмесяца) по внешнему калибратору.
8. Выводы.
1. Показаны принципы построения интеллектуальных пирометрических систем, в которых по показаниям внешних датчиков изменения температуры окружающей среды, прозрачности входного окна, чувствительности приёмника излучения может осуществляться соответствующая корректировка градуировочной характеристики измерительного канала.
2. Разработан метод градуировки пирометрических узлов, входящих в состав систем теплового контроля состояния букс подвижного состава железных дорог, где в качестве модели абсолютно черного тела используется излучение атмосферного углекислого газа с температурой окружающей среды и в спектральной полосе его полного поглощения. Показано, что в этой модели при угле визировании 55о обеспечивается коэффициенте излучения 0,95 и неравномерность температуры менее 1оС.
3. Предложен новый метод расчета градуировочной поверхности пирометрических систем (температура в функции сигнала и температуры окружающей среды) на основе линеаризации экспериментальных зависимостей. Показано, что предложенный метод обеспечивает среднеквадратическую погрешность калибровки, не выходящую за пределы ±1,5% в диапазоне измеряемых температур от -40оС до 150оС при температуре окружающей среды от -60оС до 60оС.
4. Разработан метод подавления собственного теплового излучения конструктивных элементов оптических систем пирометров применением оптической схемы с промежуточным изображением и модулятора с отражающими секторами из многослойных интерференционных покрытий.
5. Разработан метод подавление солнечной подсветки до пренебрежимо малого уровня при сохранении высокого температурного разрешения относительно окружающей среды, в том числе и при низких температурах измеряемого объекта.
6. Разработан метод автоматического расчёта характеристических параметров градуировочной поверхности, позволяющий значительно уменьшить объём инженерных расчётов.
7. Предложен метод объективной оценки в полевых условиях степени загрязнения входного (защитного) окна пирометра.
Список литературы
1. МИ 2175-91. Градуировочные характеристики средств измерений. Методы построения. Оценивание погрешностей. РМГ 54-2002. Характеристики градуировочные средств измерений состава и свойств веществ и материалов.
2. Русакова Л. Т. Критический анализ практики использования регрессионного анализа в эколого-гигиенических исследованиях. Украина, г. Киев, Институт гигиены и медицинской экологии АМН Украины. http://usch.kiev.ua/publ/conf.nsf/d2fib20b75bd2a6cc2 256d8f0029469d/77f2801bbd9f8268c2256dc60047e023?OpenDocument.
3. ГОСТ 8.395-80. Нормальные условия измерений при поверке.
4. МИ 2539-99. Измерительные каналы контроллеров, измерительно-вычислитель-ных, управляющих, программно-технических комплексов. Методика поверки.
5. РД 50-453-84. Погрешности в реальных условиях эксплуатации.
6. РМГ 29-99 Метрология. Основные термины и определения.
7. ГОСТ Р8.566-96. Излучатели эталонные (образцовые) в виде моделей абсолютно черного тела для диапазона температур от минус 50 до плюс 2500оС.
8. Данилов А. А. Метрологическое обеспечение измерительных систем: учеб. пособие / А. А. Данилов. - Пенза: Профессионал, 2008. -63 с.
9. РД 153-34.0-11.205-98. Методические указания. Измерительные каналы информационно-измерительных систем. Организация и порядок проведения калибровки
10. Рмг 64-2003 Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Методы и способы повышения точности измерений.
11. МИ 2233-2000 Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Основные положения.
12. http://www.faqo.ru/metrologiya/predmetnaya-oblast-metrologii/sredstva-izmerenii.-metrologicheskie-xarakteristiki-sredstv-izmerenii.html
13. Большой энциклопедический словарь. Физика. Под ред. Прохорова А.М. - М.: Научное издательство. Большая Российская энциклопедия, 1999.
14. Патент РФ №1904, опубликован 16.03.1996г.
15. УБЕ-НОА-400 DS. Техническое описание. Фирма «SignaltechnikGmbN».
16. Патент РФ №2374112, опубликован 20.11.2009г.
17. В. Д. Бочков и др. Матричное фотоприемное устройство на основе селенида свинца. Ж. Прикладная физика. № 2 , 1999г.
18. Пирометры ДИЭЛТЕСТ-ТВ4, ДИЭЛТЕСТ-ТВ5. Техническое описание. ФГУП «ВНИИОФИ» г. Москва.
19. Долганин А.Ю., Долганин Ю.Н., Савченко М.А. Новый метод 3d-регрессии экспериментальных данных приёмников излучения. Измерительная техника, 2010, №8, с. стр.44-47.
20. Патент РФ №101179, опубликован 27.03.2011г.
21. Справочник по инфракрасной технике. / Ред. Волф У., Цисис Г. В 4-х томах./ Т.1. Физика инфракрасного излучения: Пер. с англ. -М.: Мир, 1995.
22. Лозинский С.Н., Алексеев А.Г., Карпенко П.Н. Аппаратура автоматического обнаружения перегретых букс в поездах. М.: «Транспорт», 1978.
23. Патент РФ №2374112, опубликован 27.11.2009г.
24. Патент РФ №93060, опубликован 20.04.2010г.
25. Патент РФ №45698, опубликован 27.05.2005г.
26. Патент №2220430, опубликован 27.12.2003г.
27. Патент РФ №96958, опубликован 20.08.2010г.
28. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Пер. с франц.-М.: Мир. 1988.
