Ориентирное устройство для напольной камеры



Технические средства контроля подвижного состава, в частности приборы теплового контроля буксовых узлов, уже несколько десятилетий широко используются на отечественных железных дорогах. Качественное изменение системы теплового контроля буксовых узлов стало возможным с внедрением аппаратуры КТСМ-01Д,

Внешние вид ориентирного устройства

КТСМ-02, систем централизованного контроля АСК-ПС, где широко применяются современные технологии, микропроцессорная техника. Комплекс КТСМ-01Д предназначался для модернизации аппаратуры ДИСК-Б. К сожалению, основные приборы для его настройки, калибровки и ориентации остались без изменений. Ориентация болометров при использовании заводского устройства достаточно сложна.

Предлагаю принципиально иное устройство для ориентации болометров напольных камер аппаратуры КТСМ-01Д. Полагаю, оно отвечает требованиям эксплуатации и техники безопасности при производстве работ.

В этом ориентирном устройстве применены новые технические решения: низкотемпературный излучатель теплового потока без прерывания ИК-излучения и индикатор показаний с оптической дешифрацией сигнала. Именно они позволили разработать относительно простое устройство с необходимыми эксплуатационными качествами.

С помощью такого устройства болометры основных и вспомогательных напольных камер аппаратуры КТСМ-01Д можно ориентировать с заданной точностью. При этом возможно выполнение контрольной ориентации.

Для бесконтактного измерения температуры буксовых узлов в современных средствах контроля используются дисперсные болометры БП-2, БП-2М, БПК. Они имеют распределенную чувствительность, т. е. уровень выходного сигнала соответствует усредненному значению инфракрасного потока всего пятна, контролируемого болометром. Величина и форма этого пятна зависит от угловых оптических параметров болометра, а также угла падения его оптической оси к плоскости исследуемого тела.

При изучении разных экземпляров и типов болометров было установлено, что их большая часть имеет правильную колоколообразную форму зависимости чувствительности от угла падения, но оптические характеристики отличаются по форме и крутизне скатов. Это не влияет на основные, связанные с безопасностью движения поездов, параметры средств контроля, но изменяет линейную величину погрешности при ориентации.

Кроме того, значительная часть болометров БП-2 и БП-2М имеет две зоны оптической характеристики с аномально пониженной чувствительностью, которые располагаются симметрично на оптической характеристике (рис. 1). Для наглядности необходимо расположить ось аномальной зоны под углом 45° к линии среза.

Излучателем в приборе является нагретый металлический круг диаметром 120 мм. Вращаемый модуляционный диск равен половине площади диска излучателя. Симметрично расположенные зоны неравномерности чувствительности компенсируются и при точной ориентации болометра сигнал на выходе теплового тракта будет равен нулю.

Периферийный диск модулятора является дешифратором оптического индикатора, который имеет четыре светодиода повышенной яркости красного свечения для основных направлений ориентации.

Чтобы оценивать отклонения ориентации болометров в линейной величине и при этом иметь программируемую погрешность, необходимо привязать линейную величину дезориентации к определенной амплитуде сигнала теплового тракта. Для этого надо поддерживать постоянную разность температур излучателя и окружающего воздуха, которая может находиться в пределах 10-30°С.

На разных режимах настройки аппаратуры коэффициент усиления тепловых трактов примерно одинаков, поэтому и амплитуда выходного сигнала примерно одинакова и пропорциональна величине дезориентации как для разных напольных камер, так и разных комплектов аппаратуры. Частота вращения модуляционного диска может быть в пределах 100300 об/мин, стабилизация его необязательна.

Недостатком ориентирного устройства является отсутствие сигнала теплового тракта как при точной ориентации, так и при полной дезориентации. Но на практике указанный недостаток не проявляется. Считывание показаний ориентирного устройства возможно только при помощи предлагаемого оптического дешифратора.

Разработанное ориентирное устройство представляет собой блок-головку, которая устанавливается на заводскую штангу. С помощью этого устройства можно ориентировать основные и вспомогательные напольные камеры без снятия солнцезащитных фильтров. Погрешность ориентации на предельной чувствительности прибора составляет ±0,5 мм , при этом постоянно контролируется положение оптической оси.

Здесь приняты следующие обозначения: 1 - ось; 2 -узел крепления модуляционного диска; 3 - модуляционный диск; 4 - излучатель; 5 - нагреватель; 6 - несущая платформа; 7 - светодиоды индикатора; 8 - электродвигатель; 9 - ведущая шестерня; 10 - ведомая шестерня; 11 - контуры корпуса; 12 - штатная втулка для установки; 13 - подшипники скольжения вала; 14 -шасси; 15 - терморезистор; 16 - вентилятор.

Основными размерами прибора являются: 30 мм от центра оси вращения модуляционного диска до плоскости крепления штатной втулки и 60 мм от плоскости диска излучателя до оси штатной втулки.

На рис. 4 показаны основные узлы прибора и его кинематическая схема, где: 1 - модуляционный диск; 2 - излучатель; 3 - нагреватель излучателя; 4 - терморезистор; 5 - несущая платформа; 6 - светодиоды индикатора; 7 - элемент крепления модуляционного диска; 8 - узел крепления подшипника вала; 9 - электромотор со встроенным стабилизатором частоты; 10 - ведомая шестерня редуктора. Коэффициент редукции ведущей и ведомой шестерен равен 1:8. Вал модуляционного диска вращается в подшипниках скольжения узла крепления.

Модуляционный диск представляет собой вращающийся сектор, равный половине полного круга. Он служит для преобразования инфракрасного потока излучателя и оптической дешифрации показаний положения оптической оси болометра светодиодным индикатором. Это осуществляется при помощи специалльного окна на периферийном кольце диска. На рис. 5 показана конструкция модуляционного диска. Его основой служит стеклотекстолитовый диск 1 толщиной 1-2 мм, окрашенный черной матовой краской. Прозрачная вставка 2 из плексигласа повышает прочность периферийного кольца. Полудиск 3 из тонкого листа пенопласта является теплоизолятором. Алюминиевая фольга 4 отражает ИК-излучение. Кольцо периферийной части модуляционного диска со стороны излучателя также окрашивается черной краской, чтобы уменьшить отражение закрытых светодиодов и фоновую подсветку. При температуре излучателя +50°С и окружающего воздуха +25°С такая конструкция обеспечивает температуру на внешней плоскости диска +30°С. Этого достаточно для получения необходимой амплитуды полезного сигнала.

Излучатель (рис. 6) формирует равномерный ИК поток по всей поверхности диска. Дюралюминиевый диск 1 толщиной 3-4 мм окрашен черной матовой краской. Спираль нагревателя 3 изготавливается из высокоомного провода, который укладывается на специальной матрице между двух слоев изоляционных прокладок 2 и 4 из стеклоткани и пропитывается клеем БФ-2. Вся конструкция собирается при помощи четырех винтов М3. Полное сопротивление нагревателя в холодном виде равно 25 Ом. Такая конструкция равномерно нагревает всю поверхность диска до необходимой температуры (примерно +100°С) при токе потребления около 1,5 А.

Принципиальная схема ориентирного устройства показана на рис. 7. Тип и номинальные значения используемых в схеме элементов показаны в таблице. Компаратор ЭА1.1 формирует управляющий сигнал индикаторных светодиодов \\D1-VD4, которые размещены на основании прибора. Светодиоды должны быть повышенной яркости. На прямой вход компаратора поступает сигнал теплового тракта, а на инверсный -опорное напряжение. При этом значение погрешности равно нулю. С помощью резистора Рі5 устанавливают требуемую погрешность при ориентации.

Сигнал теплового тракта с соответствующего выхода модуля регулировки усиления МРУ подается на схему согласования, которая размещена непосредственно в вилке подключения. Схема согласования, выполненная на полевом транзисторе \\Т3, исключает перегрузку теплового тракта, повышает уровень сигнала, уменьшает уровень наведенных помех и негативное влияние перепада напряжения на нулевом проводе при включении нагревателя излучателя. Нагрузкой \Т3 является резистор Р1, номинальное значение которого подбирается таким образом, чтобы напряжение на выходе транзистора равнялось половине напряжения питания.



При наличии сигнала теплового тракта и превышении порогового напряжения срабатывает компаратор, и через составной транзистор УЇ1 поступает «0» в цепь последовательно включенных светодиодов, вызывая их одновременное свечение.



На компараторе ЭА1.2 собрана схема терморегулятора излучателя. Опорное напряжение, которое задает начальную разность температур, формирует резистор Я12. Терморезистор имеет тепловой контакт с нагревателем излучателя, Я10 измеряет температуру окружающего воздуха. Напряжение средней точки активного моста Я9, Й10 и опорное напряжение при помощи компаратора ЭА1.2 и ключа на составном транзисторе УЇ2 поддерживают постоянную разность между температурами нагревателя и окружающего воздуха.

В связи с тем что терморезисторы имеют нелинейную характеристику и разброс параметров, необходимо включить дополнительный резистор 1310*. С помощью этого резистора добиваются точной зависимости температуры излучателя от температуры окружающего воздуха.

Устройство питается напряжением +40 В от розетки ВД силовой стойки КТСМ-01Д. Транзистор VD6 защищает от неправильного включения полярности. Схема ориентирного устройства и электродвигатели М1 и М2 питаются напряжением +12 В через стабилизатор DA2. В качестве М1 применен электродвигатель привода магнитофона со встроенным стабилизатором частоты вращения, в качестве М2 - электродвигатель вентилятора охлаждения процессора Celeron 1000.

Микросхема DA2 и транзистор VT2 установлены на радиаторы, рядом с которыми в корпусе сделаны отверстия для выхода воздуха.

В схеме ориентирного устройства используют четырехжильный кабель длиной 15 м. Для уменьшения помех все жилы экранированы. Для подключения головки ориентирного устройства используют разъем РП15-9ШК.

Уровень сигнала на болометре и, следовательно, тепловом тракте соответствует разности температур излучателя и модуляционного диска. Температура модуляционного диска должна быть опорной для определения температуры излучателя, но это конструктивно трудно реализовать. Температура поверхности модуляционного диска зависит от температуры излучателя, окружающего воздуха и собственных теплоизоляционных свойств. За опорную температуру излучателя принимают температуру окружающего воздуха. Датчик температуры окружающего воздуха устанавливают за вентилятором охлаждения - это точка, дающая наименьшую погрешность при определении температуры. Температура излучателя не влияет на точность ориентации.

Прибор настраивают следующим образом: ручку резистора R5 устанавливают на 1/4 часть от начала шкалы - это будет соответствовать нулевой устанавливаемой погрешности. С помощью резистора R4 выставляют опорное напряжение на пороге компаратора. Если номинальное значение резистора R5 равно 470 Ом, то вся шкала примерно соответствует ±15 мм погрешности. Работоспособность прибора проверяется контрольной ориентацией всех напольных камер комплекта штатным ориентирным устройством без снятия штанги с железнодорожного пути. При этом ошибка в ориентации, если на приборе установлена минимальная погрешность, должна быть значительно меньше 10 % в сравнении со штатным ориентирным устройством.

Прибор устанавливают так же, как и головку штатного устройства, т. е. угол падения оптической оси болометра корректировать не надо. Через 3 мин после включения прибора выставляют максимальную чувствительность, при этом светодиоды индикатора должны быть погасшими. Командой с пульта ПТ-03 задают режим калибровки или ориентации для любой напольной камеры. Далее устройство согласования подключают к соответствующему каналу МРУ ПК-02ПД. Загоревшийся светодиод сигнализирует о том, в какую сторону смещена оптическая ось. Камеру надо сместить в противоположную сторону так, чтобы погасли все светодиоды.

Нахождение и проведение любых работ в зоне железнодорожных путей связано с реальным риском для жизни эксплуатационного штата. Согласно технологии обслуживания аппаратуры КТСМ болометры напольных камер должны ориентировать два электромеханика. Предлагаемое ориентирное устройство позволяет одному электромеханику быстро и качественно выполнить работы, при этом второй электромеханик обеспечивает технику безопасности.