CN100404343C - 用于时相恒定的红外能量差源的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明包括用于通过传递理想的辐射能量差到铁路红外线热轴探测器来校准该铁路红外线热轴探测器或热轮探测器的装置，。该装置包括：适合放置在正被校准的该热轴探测器的旁边的固态辐射能量源，用于沿着朝该热轴探测器的路径发射辐射能量；和处理器，用于以理想频率和强度在开状态和关状态之间循环该固态辐射能量源，以达到该理想的辐射能量差。

Description

用于时相恒定的红外能量差源的方法和装置

交叉引用的相关申请

本申请是2003年5月14日提交的、申请序列号为NO.10/249,878的美国专利的部分继续申请，要求2002年11月15日提交的美国临时专利申请NO.60/426,510的优先权。

技术领域

本发明涉及铁路热轴探测器，并且特别涉及铁路热轴探测器校准装置。

背景技术

现有技术的热轴探测器校准器采用黑体热源和其中有孔的旋转轮。当该热源、孔和热轴探测器成一直线时，红外线能量被直接从热轴探测器校准器发射到热轴探测器，并当热源、孔和热轴探测器不成一直线时，车轮阻挡住直接传输到探测器的红外线能量。通过这种方式，在车轮旋转时就产生了红外线能量差(Δ)，车轮或者允许能量通过孔或者阻挡住该能量源。校准热轴探测器时，在确定该能量差过程中精度是关键的。然而，现有技术中的热轴探测器校准器存在问题是，大多数热轴探测器校准器通过假定车轮传送的能量为常数来计算差，或只是感测环境温度并认为车轮温度和环境温度相同。因此，该红外线能量差的参考值是一个假定值而不是感测值。同样地，现有的热轴探测器校准器不能提供用于正确校准所需要的高精度或高精确性的差值。

发明内容

本发明包括用于通过提供一个理想的辐射能量差到热轴探测器来校准铁路红外线热轴或热轮探测器的装置。本发明的第一实施例包括用于校准铁路红外线热轴或热轮探测器的装置，该装置通过提供一个理想的辐射能量差到该热轴探测器。该装置包括辐射能量源，它被安置在被校准的热轴探测器旁边，用于沿着朝热轴探测器的路径发射辐射能量。关闭装置沿着该路径放置在辐射能量源和热轴探测器之间。该关闭装置可选择性地操作在第一操作模式和和第二操作模式之间，其中在第一模式中该关闭装置允许辐射能量从源头沿着该路径发射到热轴探测器，在第二模式中该关闭装置阻断辐射能量从源头到该探测器的发射。温度传感器感测该关闭装置的温度。响应于温度传感器所感测到的温度的处理器，根据关闭装置的温度和理想的辐射能量差，操作能量源使其处在理想的温度设定点。

在本发明的第二实施例中，该装置包括适于放置在被校准的热轴探测器旁边的用于沿着朝热轴探测器的路径发射辐射能量的固态辐射源，和处理器，以理想的频率和强度在开状态和关状态之间循环该固态能量源，以达到理想的辐射能量差。

附图说明

图1是本发明装置的第一实施例的结构框图；

图2是该装置用于对该装置和被校准的传感器进行调整操作时，产生的门电路脉冲时图；

图3是本发明第二实施例的结构框图；

在所有的这几幅附图中，相应的附图标记表示相应部分。

具体实施方式

下面借助于范例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限制。该描述清楚地使本领域普通技术人员能制造和使用本发明，清楚地描述了本发明的几个实施例、改动、变化、替换和使用，包括目前被认为最佳的实现本发明的方式。

校准热源(CHS)是传递时间定相的红外线能量脉冲的装置，用于校准热轴探测器(HBD)系统或热轮探测器(HWD)系统。为了本发明的这个目的，术语热轴探测器和热轮探测器可互换地使用。HBDs一般是连接到和临近铁路路轨用来探测铁路车辆的车轮或轴承中的过热情形。CHS一般包括辐射红外线能量的热黑体。在本发明的第一实施例中，带孔的车轮旋转时，黑体红外线能量交替地被车轮阻挡住或通过车轮离开该装置，从而该黑体辐射的红外线能量是被“斩波的”。该断路器车轮自身辐射与该装置的外部操作温度水平相接近的红外线能量。现有技术校准装置测量该装置的外部操作温度。利用现有装备校准HBD系统的操作者根据观测到的该装置的外部操作温度和所测量的黑体温度手动调节发热器改变该黑体温度以设定红外线能量差处于预定水平。当车轮温度与外部操作温度不同时，和假设恒温度差常数等于恒定红外线辐射能量差常数，而不管所产生的绝对温度时，就会产生校准误差。本发明中，黑体的温度和断路器车轮的温度直接通过CHS监视，并且该数据然后根据辐射的红外线能量水平的计算用于自动控制黑体的加热。通过这样处理，结果红外线能量差能在整个装置的环境操作范围保持恒定。

CHS的基本的需求是在宽范围的操作条件上发送时间定相的红外线能量差常数。当操作处在-40°F到120°F温度范围时，该能量差的时间相位优选地是在每180到260毫秒一次的红外线能量循环，该红外线能量差等于两黑体的能量差，一个温度在200°F，另一个温度在70°F。

参考附图1，所示为CHS10，扫描仪100和HBD或HWD102。CHS10包括微控制器12，黑体热源14和其中带有孔16a的转轮16。转轮16通过DC电动机20操作，当车轮16旋转时，当孔16a与黑体热源14的开口成一直线时红外线能量允许通过车轮16传递，当孔与黑体热源14的开口不成一直线时红外线能量的传递被到车轮16阻挡。电机速度由微控制器12的输出控制。CHS10还包括温度传感器22，用于传感黑体热源14温度和发送表示传感的温度的信号，作为微控制器12的输入。根据传感的温度，微控制器12使温度控制器24增加或减小到黑体热源14的功率。同样地，转轮16配备了温度传感器26，用于确定转轮16的温度和发送表示传感的温度信号，也作为微控制器12的输入。如下面讨论的，根据传感的温度，黑体热源14的温度被增加或减小。还在黑体热源14和车轮16之间设置有隔热屏27，以保持车轮16相对低温。

转轮16还装有用于确定孔16a的角位置的位置传感器28。根据从位置传感器28到微控制器12的输入，微控制器还输出门电路脉冲，用附图标记30表示，作为CHS10的输出。该门电路脉冲30指示特定类型的HBDS或HWDS102何时该红外线差从它的参考值增加到其峰值时，和何时它再次降回其参考值时。该门电路脉冲由A脉冲和B脉冲组成。该A和B脉冲根据HBD或HWD系统可以为正或负。

参见图2，该A脉冲在孔16a与黑体热源14的开口成一直线，和红外线能量通过孔传递之前，已经提前开始少许。该A脉冲延长足够的时间段以被探测，并且可延长至红外线能量允许通过车轮16。接着，在孔16a刚好从与黑体热源14成一直线位置过去后B脉冲开始，并且该脉冲持续时间也足以用于探测该脉冲。A脉冲的开始窗口通常在孔成直线前7-10毫秒开始，和在孔成直线前2-3毫秒结束，并且该脉冲延续20-35毫秒。B脉冲的该开始窗口通常在孔不再成直线后2-3毫秒开始，和在孔成直线后7-10秒结束，并且该脉冲延续20-35毫秒。

微控制器12的其它输入包括用于操作车轮16的通/断开关32、用于初始化门电路脉冲30的通/断开关34、用于整个CHS10电源的通/断开关36。微处理器12的其它输出包括“准备使用”指示器38，以指示CHS10的所有部分在公差范围内操作，和可获得适当的CHS红外线差。准备使用指示器信号40也可以传递到HBD或HWD102，表示何时校准可以开始。最后“健康状态”指示器42也可以提供用于指示CHS10是否处于正确操作，比如是热源正确工作的控制，或者是车轮16正确工作的控制。

进一步设想为CHS10提供串行通信断口，用于与外部计算机或与CHS10的操作和状态相关的其它装置通信，并且用于提供用于操作CHS10的更新的固件。

微控制器12采用算法来确定和维持黑体适当的温度以达到理想的红外线能量差。这使用公式P＝σ·ε(T_bb ⁴-T_w ⁴)完成，其中P等于理想的红外线能量水平，σ等于Stefan-Boltzman常数和ε等于黑体热源14的发射率，T_bb等于黑体的温度和T_w等于车轮的温度。微控制器12被使用预期的红外线功率水平、Stefan-Boltzman常数和黑体热源14的发射率进行编程。微控制器12接收车轮16的温度作为输入和解决黑体热源14的理想温度。当该黑体热源的理想温度确定时，微控制器12的作用是增加或减小黑体热源14的当前温度至理想的温度，常用的控制算法被使用，比如PID以限制该黑体的过冲或振荡。

再参考图1，CHS10安装在多个安装固定设备104中的一个上面，以将CHS10定位在被校准的类型的扫描仪100的一个要求的位置。该固定设备和位置根据被校准的每一不同类型的扫描仪100而不同。而且门电路脉冲30、能量输入44、和准备使用的输出40与现有技术一样连接到HBD或HWD102以与HBD或HWD102通信。

参考图3，所示为本发明的可替换实施例。前面阐述的附图标记不再描述。图3的实施例使用了能以理想的频率循环的固态红外线发射器，以模拟前面实施例的黑体热源和断路器车轮。为此，提供了安装在安装盘302上的红外线发射器300，传输透镜304和发射器驱动板306。

红外线发射器300是固态装置，当操作在脉冲操作模式和发射基本上在2-20μm间的光时，它能够进行大温度调节。术语“固态”表示“是不使用移动部分、加热灯丝或真空间隙能被控制的电子装置”。该红外线发射器300优选地是可采用来自Waltham，MA离子光学有限公司的Pulsir NL8LNC宽带红外线源。

红外线发射器300安装在优选地由铝制成的安装盘302上，并被发射器驱动板306驱动。该安装盘302用作散热片，因此该发射器能准确在高和低红外线能量辐射状态循环，该发射器驱动板306被连接到微处理器12并被其控制，并从电源44接收电力。提供温度传感器308用于监视安装盘302的温度。温度传感器308被连接到微处理器12并向其发送信号。

传输透镜304是涂有锗的传输透镜，更好地位于距热源76mm以准确聚焦红外线光到将校准的HBD和HWD上。

在操作中，图3的实施例由微控制器12操作，发信号给该发射器驱动板306以理想的频率循环红外线发射器300。如前所述，以适当的功率水平驱动该发射器300以提供理想的红外线差。该功率水平随安装盘302的温度增加而变化。该温度传感器308传送安装盘302的温度到微控制器12，因此就计算得到发射器300适当的驱动功率水平。

通过替换黑体热源14、电动机20和转轮16，可靠性将由于组成部分的减少和移动、机械部分的消除而增加，将实现校准的更高分辨率和精度和减少维修费用。并且相信用图3的固态发射器组建的CHS的单元成本将比图1中产生至少30％的节省。

可替换地，该发射器300能使用连续的非脉冲模式与该转轮16和电动机20连接。

考虑到前述部分，可见本发明的几个目的都实现了，并且获得了其它的有利效果。由于不脱离本发明范围，在上述结构中可做多种变化，包含在上述描述中或表示在附图中的所有内容只是作为例证而没有限制意义。

Claims (4)

1.一种用于通过传递理想的辐射能量差到铁路红外线热轴探测器来校准该铁路红外线热轴探测器的装置，包括：

辐射能量源，用于沿着朝该热轴探测器的路径发射辐射能量，适合放置在正被校准的该热轴探测器的旁边；

关闭装置，沿着该路径放置在辐射能量源和热轴探测器之间，该关闭装置可选择性地操作在第一操作模式和和第二操作模式之间，在第一操作模式中该关闭装置允许辐射能量被从辐射能量源沿着该路径传送到热轴探测器，和在第二操作模式中该关闭装置阻断辐射能量从辐射能量源传送到该探测器；

处理器，用于操作能量源在理想的温度设定点；

温度传感器，用于传感该关闭装置的温度和传送该传感温度至该处理器，该处理器使用该传感温度以计算该理想的温度设定点；以及

第二温度传感器，用于传感该能量源的温度。

2.根据权利要求1的装置，其中该关闭装置是其上带孔的车轮，和包括用于转动该车轮的电机。

3.一种用于通过传递理想的辐射能量差到铁路红外线热轴探测器来校准该铁路红外线热轴探测器的装置，包括：

辐射能量源，适合放置在正被校准的该热轴探测器的旁边，用于沿着朝该热轴探测器的路径发射辐射能量，该辐射能量源安装在散热片上，还包括用于发送该散热片的温度信号到该处理器的温度传感器；

放置在该热轴探测器和该辐射能量源之间的透镜，用于散射来自该辐射能量源的辐射能量；

处理器，被配置为在开状态和关状态之间以理想频率和强度来循环该辐射能量源以实现该理想的辐射能量差；

用于发送该辐射源的温度信号到该处理器的温度传感器；以及

与该处理器通信以提供适当的能量水平到该辐射能量源的辐射能量源驱动板。

4.根据权利要求3中的装置，其中该处理器输出电脉冲以指示该热轴探测器何时该能量差正在从其参考值增加到其峰值时和正在再降回到其参考值。

Images