Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения

Описан разработанный в Институте физики НАН Украины прибор, созданный на основе двухспектрального радиометра для измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта. Технические параметры прибора позволяют проводить температурный мониторинг буксовых узлов поездов в процессе движения, что знач...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2007
Hauptverfasser:	Рыбак, В.В., Скляренко, С.К., Строкач, А.А.
Format:	Artikel
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2007
Schlagworte:	Спільні інноваційні проекти
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения / В.В. Рыбак, С.К. Скляренко, А.А. Строкач // Наука та інновації. — 2007. — Т. 3, № 2. — С. 34-47. — Библиогр.: 8 назв. — рус.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859484323968712704
author	Рыбак, В.В. Скляренко, С.К. Строкач, А.А.
author_facet	Рыбак, В.В. Скляренко, С.К. Строкач, А.А.
citation_txt	Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения / В.В. Рыбак, С.К. Скляренко, А.А. Строкач // Наука та інновації. — 2007. — Т. 3, № 2. — С. 34-47. — Библиогр.: 8 назв. — рус.
collection	DSpace DC
description	Описан разработанный в Институте физики НАН Украины прибор, созданный на основе двухспектрального радиометра для измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта. Технические параметры прибора позволяют проводить температурный мониторинг буксовых узлов поездов в процессе движения, что значительно повысит безопасность движения железнодорожного транспорта. Описано розроблений в Інституті фізики НАН України прилад, що створений на базі двохспектрального радіометра для вимірювання температури буксових вузлів рейкового транспорту. Технічні параметри приладу дозволяють проводити температурний моніторинг буксових вузлів потягів у процесі руху, що значно підвищить безпеку руху залізничного транспорту. The paper presents the device which was designed in Institute of Physics of NASU on the base of the two-spectral radiometer for temperature measurement of the axle-box units of rail transport. Technical parameters of the device allow to install temperature monitoring of train axle-box units during movement. This will considerably increase traffic safety of railway transport.
first_indexed	2025-11-24T15:15:09Z
format	Article
fulltext	Спільні інноваційні проекти 34 1. ВВЕДЕНИЕ Тема безопасности движения поездов стала особенно актуальной с ростом железнодорож� ных перевозок. Увеличение интенсивности и скорости движения, длины и веса поездов по� влекло ужесточение требований к техничес� кому состоянию вагонов и локомотивов. Зна� чение контроля технического состояния по� движного состава все более возрастает с вве� дением в эксплуатацию скоростных участков железных дорог Украины, а также с активным включением территории нашей страны в меж� государственные транспортные коридоры. 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ БЕСКОНТАКТНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА Согласно современным требованиям кон� троль за техническим состоянием подвижно� го состава охватывает все больше критичес� ких параметров. В настоящее время стандар� тами безопасности на железнодорожном транс� порте в Северной Америке, Европе, Китае, Юж� ной Африке предусматривается контроль следующих основных параметров: – температура буксовых узлов; – наличие юза колесной пары; – наличие заторможенных колесных пар с зажатыми тормозными колодками; – степень нагрева тяговых двигателей; – степень нагрева подшипников: моторно� осевых и редукторных; – наличие дефектов по кругу катания колеса; – наличие волочащихся деталей; – наличие перегруженных и неравномерно загруженных вагонов и степень отклоне� ния нагрузки от нормы; – верхний и боковой габариты. Вместе с тем резко возросли требования достоверности результатов контроля, что обусловлено как возможными высокими убытками при пропуске аварийной ситуа� ции, так и высокой стоимостью ложных оста� В. В. Рыбак, С. К. Скляренко, А. А. Строкач Институт физики НАН Украины, Киев ПРИБОР НА ОСНОВЕ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА ИК&ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ БУКСОВЫХ УЗЛОВ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА В ПРОЦЕССЕ ДВИЖЕНИЯ Аннотация: Описан разработанный в Институте физики НАН Украины прибор, созданный на осно� ве двухспектрального радиометра для измерения температуры буксовых узлов рельсового транспор� та. Технические параметры прибора позволяют проводить температурный мониторинг буксовых уз� лов поездов в процессе движения, что значительно повысит безопасность движения железнодорож� ного транспорта. Ключевые слова: пироэлектрический приемник, виброустойчивость, ИК�излучение, оптическая си� стема, микропроцессор. Наука та інновації.2007.Т 3.№ 2.С. 34–47. © В. В. Рыбак, С. К. Скляренко, А. А. Строкач. 2007 35НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 Спільні інноваційні проекти новок поездов, особенно движущихся по главным магистралям. Среди перечисленных проблем техниче� ского состояния особенное значение имеет состояние буксовых подшипников, поскольку при недостаточности смазки, заклинивании или других дефектах, ведущих к нагреванию подшипника, разрушение букс происходит довольно быстро. Так, в зависимости от на� грузки и скорости движения роликовый под� шипник разрушается на участке пути около 30 км, подшипник скольжения – на участке около 60 км. Разрушение подшипника зачас� тую приводит к перелому шейки оси и опро� кидыванию вагона. Поэтому североамериканский стандарт предусматривает установку аппаратуры кон� троля перегрева буксовых узлов через каж� дые 20 миль (32 км) пути, а "Укрзалізниця" (по официальным документам) размещает пункты контроля через каждые 35 км. В связи с большими затратами на ком� плексную реализацию задач контроля техни� ческого состояния движущихся составов со� ответствующая аппаратура должна ориенти� роваться на поэтапное наращивание перечня контролируемых параметров. В настоящее время на мировом рынке имеется большое разнообразие аппаратных комплексов, так называемых напольных ка� мер (НК), или систем обнаружения перегре� тых букс (HBD – Hot Box Detector), пред� ставленных от более чем десятка производи� телей, специализирующихся в данной облас� ти. Разнообразие технических характеристик НК обусловлено несколькими факторами, основными из которых являются: – исторически сложившееся многообразие конструкций колесных тележек вагонов, используемых в разных странах, что при� водит к необходимости поиска подходя� щих направлений визирования, захваты� вающих информативные зоны всех ти� пов тележек; – многообразие типов используемых при� емников ИК�излучения от нагретых эле� ментов ходовых узлов подвижного состава; – климатические условия местности, где размещены НК. Выбор типа детектора излучения являет� ся непростой задачей, поскольку на него вли� яют следующие основные факторы: – максимум излучения нагретой до крити� ческого уровня буксы находится в спект� ральном диапазоне 8–11 мкм; – скорость поезда может достигать 400 км/ч, что сокращает время измерения до 0,5 мс; – жесткие ограничения накладывают усло� вия использования НК: температура ок� ружающего воздуха в пределах от –50 до +50 °С; температура корпуса НК – от –50 до +90 °С; возможность дождя и обледе� нения; ударные нагрузки и вибрация с ускорением до 10 g; высокие уровни загря� знений, шумов и электромагнитных помех. В качестве приемников излучения обыч� но используются тепловые детекторы излу� чения (термопары, пироэлектрические прием� ники, термисторы, полупроводниковые боло� метры) или фотонные приборы (КРТ�прием� ники, InAs�, InSe�, PbS� и PbSe�фотоприем� ники). Основным недостатком тепловых де� текторов является большое время отклика, а фотонных – чувствительность в коротковол� новой части спектра, где возможна солнечная засветка, а также необходимость охлаждения фотоприемников, степень которого определя� ет чувствительность. Вследствие указанных особенностей тепловые приемники излуче� ния используются, в основном, в системах допускового контроля перегрева букс, в кото� рых собственно не осуществляется измере� ние температуры этих объектов. НК с использованием фотоприемников характеризуются более высоким энергопо� треблением и стоимостью, а также низким 36 Спільні інноваційні проекти НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 сроком службы, которые вызваны необходи� мостью охлаждения. Сравнительные характеристики НК ос� новных производителей приведены в табл. 1. Анализ приведенных данных указывает на различие установок НК: – отдельный фундамент вблизи железно� дорожного полотна; – прикрепление к подошве рельса непо� средственно или через специальную шпа� лу, на которой закрепляются все наполь� ные устройства: две (или четыре) НК и датчик прохода колес. Последний способ установки имеет сле� дующие преимущества: Таблица 1. Сравнительные характеристики напольных камер 37НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 Спільні інноваційні проекти – визируемый объект и НК постоянно на� ходятся в жестко связанной системе коор� динат, в отличие от изменения ориента� ции НК, установленной на независимом фундаменте; – вынужденная вертикальная ориентация линии визирования обеспечивает при� крытие входного объектива НК днищем вагона от солнечной засветки, вызываю� щей сбои в работе; – при таком креплении НК визируется нижняя часть корпуса буксы, а не крышка, что повышает точность контроля вслед� ствие ее более тесной тепловой связи с подшипником. В системах ПОНАБ, ДИСК, КТСМ и их модификаций, эксплуатируемых в странах бывшего СССР и установленных на многих участках железных дорог Украины, исполь� зуется принцип допускового контроля вели� чины сигнала с приемника излучения с есте� ственной модуляцией теплового потока от элементов конструкции вагона при его дви� жении. На контролируемом участке для это� го предписывается специальный диапазон скоростей движения поездов, поскольку при отклонении от него резко возрастает погреш� ность контроля. Поэтому целесообразным является пере� ход от допускового контроля к точному изме� рению температуры контролируемого узла. Основным преимуществом последнего явля� ется возможность мониторинга теплового со� стояния буксы в процессе прохождения со� седних пунктов контроля, что позволяет за� благовременно обнаружить ее предаварийное состояние и устранить опасность аварии с минимальными затратами. Кроме того, измерение температуры буксы позволяет установить для нее объективные критерии аварийного и предаварийного со� стояний для каждого пункта контроля, более полно учитывающие особенности пути, за� грузки и предыстории движения. А это, в свою очередь, повышает достоверность кон� троля, снижает количество пропусков опас� ных состояний и ложных остановок по срав� нению с приборами допускового контроля. В Украине парк устаревших НК посте� пенно заменяется новыми системами АСДК�Б (ОАТ "Прожектор", г. Малин Житомирской обл.). Эта система построена на основе PbSe� фотоприемника с термоэлектрическим 2�сту� пенчатым охлаждением. В ней используется модуляция входного потока теплового излу� чения с частотой 3 кГц. Точность измерения – ± 2 °С. В комплект входят 4 НК: по две на каждую сторону дороги. Камеры устанавли� ваются на отдельный фундамент, при этом одна визирует крышку буксы, а вторая – под� ступичный узел колесной пары. Основными недостатками этой системы являются: – установка на отдельный фундамент; – чувствительность системы к солнечным засветкам, обусловленная наклонным по� ложением линии визирования и высокой чувствительностью фотоприемника в ко� ротковолновой части спектра; – короткий срок службы фотоприемника вследствие падения его чувствительнос� ти в процессе эксплуатации; – значительное энергопотребление из�за необходимости охлаждения фотоприем� ника. 3. СОЗДАНИЕ НАПОЛЬНОЙ КАМЕРЫ ПРИБОРА ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО КОНТРОЛЯ БУКСОВЫХ УЗЛОВ Из анализа характеристик аналогов можно сформулировать следующие основные тре� бования к современной напольной камере: – НК должна прикрепляться к рельсу; – должна визировать элемент конструкции, температура которого однозначно связа� 38 Спільні інноваційні проекти НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 на с температурой подшипника буксово� го узла всех используемых типов тележ� ки, и измерять ее с погрешностью, не пре� вышающей ± 2 °С, независимо от загряз� нения, состояния поверхности и условий освещения солнцем. – должна выполнять измерения в пределах практически допустимого в современных условиях Украины диапазона скоростей поезда – 5÷250 км/ч; – должна полностью реализовывать функ� цию первичного измерения (быть интел� лектуальным датчиком) и использовать один из стандартных интерфейсов связи для легкого комплексирования системы. Создание такой НК, предназначенной для использования в качестве базового прибора в составе автоматизированной системы диагно� стического контроля (АСДК) с наращивае� мой структурой, являлось задачей инноваци� онного проекта "Прибор для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения", выполненного в Отделе приемников излуче� ния Института физики НАН Украины. Идея построения прибора была основана на использовании специального неохлаждае� мого пироэлектрического приемника излуче� ния (ППИ). Создание подобного ППИ, не имеющего аналогов в странах СНГ, явилось одной из ос� новных задач, решаемых в процессе работ по этому инновационному проекту. 3.1. Создание виброустойчивого ППИ Пироэлектрические детекторы в силу ряда преимуществ перед другими детекторами по� лучили широкое распространение в качестве базовых элементов при создании оптических приемных устройств инфракрасного диапа� зона излучения. Пироэлектрические детекто� ры (ПД) являются неохлаждаемыми прием� ными устройствами. Их отличает ряд нео� споримых преимуществ перед другими типа� ми приемников излучения: – равномерная спектральная характеристи� ка поглощения в широком (0,3÷100 мкм) диапазоне длин волн; – равномерная (с точностью до 1,5 %), в от� личие от полупроводниковых болометров и фотоприемников, чувствительность в широком (–50 ÷ +50 °С) диапазоне тем� ператур; – равномерная зонная характеристика (1,5÷2 % на площадку до 1 000 мм2); – высокая стабильность во времени, что позволяет разрабатывать на их основе образцовые и эталонные приемные изме� рительные устройства (неизменность ха� рактеристик на протяжении более 20 лет наблюдения); – способность работать как в режиме изме� рения мощности, так и в режиме измере� ния энергии излучения; – универсально высокая чувствительность, что позволяет измерять: мощность в пре� делах до 10–8 Вт, энергию – до 10–9 Дж, температуру – до 0,1 °С; – широкий динамический диапазон, позво� ляющий с высокой степенью линейности производить измерения мощности в пре� делах от 10–8 Вт до сотен кВт; – высокая технологичность в производстве, что позволяет создавать детекторы боль� ших (площадью до 1 000 мм2) размеров и различных форм, в том числе в виде чер� ного тела (сферы, клина); – широкий функциональный спектр, поз� воляющий создавать на основе ПД ли� нейки пироэлектрических приемных уст� ройств, а также координатные детекторы для измерения положения энергетичес� кого центра пучка излучения и его сме� щения с точностью до 1 мкм. Указанные выше преимущества ППИ оказали решающее влияние на выбор их в ка� 39НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 Спільні інноваційні проекти честве базовых сенсоров при использовании в приборах для бесконтактной диагностики буксовых узлов. При этом наряду с использо� ванием целого ряда позитивных характерис� тик ППИ пришлось преодолевать и такие его негативные особенности, как чувствитель� ность к вибрационным и акустическим воз� действиям, которые неизбежны при эксплуа� тации прибора на железнодорожном полотне. Как известно [1], все сегнетоэлектрики (а в качестве чувствительного элемента ППИ использовались монодоменные сегнетоэлек� трики танталата лития (LiTaO3)) являются пьезоэлектриками, в которых в условиях ви� брационных и акустических воздействий возникают электрические поля, создающие сигналы в измерительных трактах этих сен� соров. Поэтому в работе ППИ в условиях ви� бро� и акустовоздействий наряду с полезным первичным вкладом в сигнал от сенсора су� ществует и вторичный (паразитный) вклад от пьезоэлектрических осцилляций [2, 3]. Первичный вклад обусловлен динамиче� ским пироэлектрическим эффектом, который возникает при облучении кристалла пере� менным потоком излучения, поглощаемым либо чернящим покрытием сенсора, либо кри� сталлической решеткой пироэлемента. При этом величина сигнала пироотклика (пер� вичного вклада) пропорциональна величине плотности потока падающего излучения. Вторичный вклад от вибро� или акустовоз� действий в сигнал пироэлемента вносит по� грешность в процесс измерения сигнала сен� сора при поглощении ИК�излучения от ис� следуемого объекта. Пьезоосцилляции, воз� никающие от вибро� или акустовоздействий, накладывают существенные ограничения на условия применения ПД. Для компенсации пьезоосцилляций нами были разработаны специальные виброгасящие конструкции ППИ. На рис. 1 показана конст� рукция ППИ, в которой на одном пироэлект� рическом кристалле формируются два встреч� новключенных чувствительных элемента (ЧЭ). При этом один ЧЭ (облучаемый) является рабочим, а второй (необлучаемый) – компен� сационным. На рис. 2 показана конструкция на основе двух встречновключенных (с антипараллель� ными векторами поляризации) пироэлектри� ческих кристаллов. Такие конструкции пригодны при работе на низких (до 200 Гц) частотах модуляции измеряемых потоков излучения. В этом диа� пазоне частот длина звуковой волны, которая возникает в кристалле и распространяется в нем, а также в подложке, значительно превы� шает размеры чувствительного элемента. Рис. 1. Виброгасящая конструкция ППИ на основе двух встречновключенных чувствительных элемен& тов на одном пироэлектрическом кристалле Рис. 2. Виброгасящая конструкция ППИ на основе двух встречновключенных пироэлектрических крис& таллов с антипараллельными векторами поляризации на одной подложке 40 Спільні інноваційні проекти НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 На рис. 3 (кривые В, С) показана зависи� мость виброшума от частоты вибрации при ускорении 5 g, полученная при исследованиях описанных выше конструкций чувствитель� ного элемента ППИ на испытательном стенде. Для работы на высоких частотах модуля� ции потока излучения (1 кГц и выше) нами были разработаны ПД, в которых рабочий и компенсационный чувствительные элементы находятся в одинаковых условиях при воз� действии на них звуковой волны (рис. 4). Ви� брошум детектора такой конструкции приве� ден на рис. 3 (кривая Д). В этом приемном ус� тройстве ЧЭ вместе с платой предваритель� ного усилителя размещены в герметическом корпусе с окном, прозрачным в рабочей обла� сти 7–15 мкм. Важным этапом работ для создания при� бора ППИ для диагностики температурного состояния буксовых узлов была разработка измерительного тракта приемного устройства. Предварительный усилитель пироэлект� рического приемника в измерительном трак� те имеет два шумовых параметра: шумовое напряжение и шумовой ток, которые должны иметь минимальный уровень. Возможны два основных варианта пост� роения усилителя для пироэлектрического приемника: 1) комбинация полевого транзистора (ПТ), являющегося непосредственной нагруз� кой чувствительного элемента, и опера� ционного усилителя (ОУ); 2) микросхема операционного усилителя с высокоомным входом из специально со� бранных компонент для подключения к пироэлектрическим чувствительным элементам. На основании экспериментальных ре� зультатов были проанализированы шумовые параметры лучшей для применения с чувст� вительным элементом емкостью до 200 пФ на частоте 3 кГц микросхемы AD 743 и сдела� ны следующие выводы. 1. В схеме с ПТ конструктивно и техноло� гически повышено требование к испол� Рис. 3. Зависимость виброшума ППИ различных конструкций от частоты вибрации при ускорении 5 g Рис. 4. Разработанная виброгасящая конструкция ППИ на основе двух встречновключенных пироэлектричес& ких кристаллов с антипараллельными векторами поляризации 41НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 Спільні інноваційні проекти нению узла, который содержит чувстви� тельный элемент, резистор утечки и ПТ. Этот узел можно в определенной степени отделить конструктивно от остальной ча� сти приемного устройства, что повысит надежность приемника в целом. 2. В схеме со специализированным ОУ су� ществуют повышенные требования к це� пям обоих входов ОУ, которые, естествен� но, конструктивно отделить от остальной части усилителя не представляется воз� можным. 3. Приемник, в составе которого имеется ПТ, за счет глубокой отрицательной обратной связи, охватывающей весь усилитель, будет иметь высокую температурную и времен� ную стабильность вольтовой чувстви� тельности. Коэффициент усиления пред� варительного усилителя ППИ – 6 500. Напряжение шума усилителя с эквива� лентной емкостной нагрузкой, приведен� ное к входу, составляет около 4 (1 нВ = 10�9 В). Основные параметры созданного пиро� приемного устройства наведены в табл. 2. 3.2. Выбор оптической схемы Оптические схемы пирометров, как правило, выполняются в двух вариантах: 1) объектив, в фокальной плоскости кото� рого расположены полевая диафрагма с модулятором, и оборачивающая система, проектирующая полевую диафрагму на чувствительную площадку пироприем� ника; 2) объектив с полевой диафрагмой и моду� лятором в фокальной плоскости и обора� Таблица 2. Основные параметры созданного пироприемного устройства Рис. 5. Оптическая схема пирометра с проецировани& ем полевой диафрагмы на чувствительную площадку пироприемника: 1 – объектив, 2 – полевая диафрагма, 3 – оборачивающая система, 4 – чувствительная пло& щадка приемника 42 Спільні інноваційні проекти НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 чивающая система, проектирующая вход� ной зрачок на чувствительную площадку пироприемника. На рис. 5 и 6 показан ход лучей через оп� тические системы вариантов 1) и 2) соответ� ственно. Для центра поля зрения ход лучей показан сплошной линией, для края – пунк� тирной. На рис. 5 оборачивающая система (поз. 3) проецирует полевую диафрагму (поз. 2) в плоскость приемной площадки (поз. 4). При модуляции полевой диафрагмы изображение щелей модулятора последовательно пробегает по чувствительной площадке. На рис. 6 оборачивающая система (поз. 3) проецирует объектив (поз. 1) в плоскость при� емной площадки (поз. 4), а полевая диафраг� ма (поз. 2) для оборачивающей системы яв� ляется зрачком входа. Постепенное перекры� тие зрачка входа щелями модулятора влияет только на величину облученности плоскости чувствительной площадки, постоянно обес� печивая ее равномерную засветку. В первом варианте оптической схемы возможная неравномерность чувствительно� сти по площадке приемника сказывается на искажении фронтов импульса при модуля� ции поля зрения. Во втором варианте этот эффект отсутствует, т. к. на чувствительную площадку приемника изображается равно� мерно облученный входной зрачок объекти� ва, а величина сигнала приемника пропорци� ональна площади сечения полевой диафраг� мы окном модулятора. В обоих вариантах оптической схемы ве� личина сигнала приемника пропорциональна квадрату задней числовой апертуры оборачи� вающей системы. Требования к качеству абер� рационной коррекции оборачивающей систе� мы предъявляются высокие, т. к. от нее зави� сит крутизна переднего и заднего фронтов импульса. Расчетная величина аберрацион� ного кружка рассеяния для края поля зрения не должна превышать 1/20 ширины щели мо� дулятора. Сравнение двух вариантов оптической схемы при одинаковых задних числовых апертурах и качестве аберрационной коррек� ции показывает, что первый вариант имеет преимущество по меньшему количеству оп� тических элементов оборачивающей систе� мы. С учетом этого факта, а также равномер� ности чувствительности по площадке он был выбран для проектирования образцов. 3.3. Функциональная схема прибора В процессе работы над темой были реализо� ваны два варианта исполнения оптической схемы прибора: – макетный образец – линзовый объектив и линзовая оборачивающая система из гер� мания со сферическими поверхностями; – опытные образцы – линзовый объектив и линзовая оборачивающая система из гер� мания с асферическими поверхностями. В обоих вариантах оптическую схему удалось реализовать на 4�х одинаковых гер� маниевых линзах. Конструктивные отличия Рис. 6. Оптическая схема пирометра с проецировани& ем входного объектива на чувствительную площадку пироприемника: 1 – объектив, 2 – полевая диафрагма, 3 – оборачивающая система, 4 – чувствительная пло& щадка приемника, 5 – плоскость изображения поле& вой диафрагмы 43НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 Спільні інноваційні проекти макетного и опытных образцов, в основном, обусловлены требованиями реализации оп� тической схемы. На рис. 7 приведена функциональная схе� ма прибора. Основные функциональные узлы образ� ца и их назначение следующие: 1. Шторка камеры предназначена обеспе� чивать защиту внутреннего содержимого камеры в нерабочем состоянии, в первую очередь оптики, от воздействия внешних факторов: пыли, грязи, влаги, капель, не� санкционированного доступа. Открытие шторки должно происходить за время, не превышающее 0,3 с, т. е. за время прохода поездом на максимальной скорости рас� стояния от первого датчика до камеры (40 метров). В закрытом состоянии шторка фиксируется стопорным меха� низмом. В этом положении в поле зрения объектива попадает узел калибратора. В открытом состоянии шторка обеспечива� ет визирование объекта контроля без ви� ньетирования. Конструкция НК предус� матривает возможность установки смен� ных защитных фильтров для предохране� ния внутренностей камеры от загрязне� ний во время измерений. Положение шторки контролируется щелевой опто� парой и кодовым диском, закрепленным на оси шторки. 2. Узел калибратора включает элемент Пельтье и термометр на основе медного сопротивления. Назначение узла – фор� Рис. 7. Функциональная схема опытных образцов НК 44 Спільні інноваційні проекти НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 мировать в поле зрения объектива тепло� вой поток плоской пластины с известной регулируемой температурой. 3. Оптическая схема включает: входной объектив, поворотное зеркало, оборачи� вающую систему со спектроделителем в параллельном ходе лучей и два приемни� ка излучения. Ее назначение – передача теплового потока от контролируемой зо� ны буксового узла на приемники излуче� ния. Для обеспечения независимости из� мерений от свойств и загрязнений кон� тролируемой поверхности был применен двухспектральный метод. Для нечувстви� тельности к солнечным засветкам исполь� зуется участок спектра от 7 до 15 мкм, где влияние солнечного излучения мини� мально. Пунктирной линией на рисунке показан ход лучей. 4. Модулятор представляет собой вращаю� щийся диск с отверстиями в плоскости по� левой диафрагмы. Частота модуляции вход� ного светового потока составляет 3 кГц, время набора частоты – не более 0,3 с. Управление частотой обеспечивается ПИД�регулированием напряжения пита� ния двигателя. Источником сигнала об� ратной связи (ОС) служит оптопара мо� дулятора. 5. Термометры корпуса модулятора и каме� ры, изготовленные с использованием медного термосопротивления и полупро� водникового диода соответственно. 6. Электронный блок управления обеспе� чивает управление функциональными узлами. Интерфейс связи с системой уп� равления построен на основе высокоско� ростной защищенной от помех магистрали CAN и содержит шину питания + 24 В. Программируемый элемент электронно� го блока – 16�битный микроконтроллер MB90F497G фирмы FUJITSU SEMICON� DUCTOR. Микроконтроллер сконфигурирован в сле� дующий режим работы: – используется внутренняя Flash�память программ 64Kbyte×8/32Kword×16bit, 10 000 циклов стирания/записи; время хранения данных – 10 лет; – используется внутренняя память данных – 2 048 байт; – внешний кварцевый резонатор 4 000 000 Гц с внутренней схемой PLLx4 позволяет выполнять микроконтроллеру одну опе� рацию за 62,5 нс; – задействован встроенный 10�разрядный АЦП с мультиплексируемыми входами AN0..AN7 плюс дополнительный внешний мультиплексор на 4 входа на входе AN7, управляемый процессором, что в сумме поз� воляет выполнять измерения по 11 входам; – для обмена информацией с внешней про� граммой мониторинга задействован CAN V 2.0 интерфейс, позволяющий организо� вать скорость обработки информации от 10 кбит/с до 1 Мбит/с; – задействованы два встроенных програм� мируемых канала широтно�импульсной модуляции для управления скоростью мо� дулятора и температурой элемента Пельтье; – задействованы внутренний и внешний Watchdog, тактируемые микроконтрол� лером. В протокол обмена с управляющим ком� пьютером в режиме реального времени вхо� дит следующая информация по каждому из двух пироприемников: – амплитуда сигнала; – фаза сигнала в виде знака "+" или "–"; – температура приемника; – номер отверстия по отношению к опор� ному сигналу. Обмен другой информацией – исполни� тельными командами, информацией о теку� щем состоянии узлов (ток, напряжение, тем� 45НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 Спільні інноваційні проекти пература, скорость и др.) – происходит в ди� алоговом режиме. Скорость обмена по интерфейсу – 1 Мбод. На рис. 8 представлен пример цикло� граммы обмена информацией с управляю� щим компьютером. Отображены амплитуды первичного (т. е. без обработки) сигнала с каждого отверстия модулятора для двух пи� роприемников. Изменением цвета (желтый – красный и синий – зеленый) индицируется изменение фазы сигналов по отношению к опорному – температуре модулятора. Основные технические характеристики созданной НК наведены в табл. 3. 4. ВЫВОДЫ В процессе выполнения работ по созданию прибора дистанционного температурного контроля буксовых узлов были достигнуты такие результаты: 1. Разработаны, изготовлены и исследова� ны несколько модификаций ППИ. В ре� зультате исследований был найден опти� мальный размер приемной площадки чувствительного элемента, позволяющий обеспечить требуемые параметры пиро� приемника (в первую очередь – показате� ли чувствительности, шумо� и виброус� Рис. 8. Графики напряжения сигнала в двух каналах радиометра (вид экрана дисплея) при выведении из поля зрения объекта с температурой, превышающей на 10 °С температуру окружающего воздуха. По горизонтальной оси – номера отсчетов с частотой 3 кГц, по вертикальной – амплитуда сигнала в условных единицах (4 мВ) Таблица 3. Основные технические характеристики со& зданной НК 46 Спільні інноваційні проекти НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 тойчивости) и отработаны пригодные для серийного изготовления электрическая схема, конструкция герметичного корпу� са с повышенной устойчивостью к шуму и вибрации, технология изготовления пироприемника. 2. Проведены экспериментальные исследо� вания по определению оптимальных пара� метров и режимов работы блоков и узлов опытных образцов НК (рис. 9). Выполнена всесторонняя отработка и настройка оп� тической схемы, спектральных элемен� тов, электрической схемы, программного обеспечения, конструктивных узлов НК. 3. Реализован комплекс мероприятий по уменьшению габаритов и снижению сто� имости напольной камеры: выполнен оп� тический расчет и найдены варианты оп� тической схемы с минимально возмож� ными размерами оптических элементов, снижающими расход дорогостоящих оп� тических материалов (германий, селенид цинка); разработан и создан оптималь� ный комплект электрических схем и ва� риант конструктивной компоновки. Достигнутые приемлемые значения ос� новных технических параметров НК создают предпосылки для подготовки к серийному производству – изготовлению опытной пар� тии НК. ЛИТЕРАТУРА 1. Иона Ф., Ширане Д. Сегнетоэлектрические кри� сталлы. – М.: Мир, 1965, стр. 387–388. 2. Кременчугский Л. С. Сегнетоэлектрические при� емники излучения. – К.: Наук. думка, 1971, стр. 86–90. 3. Кременчугский Л. С., Ройцина О. В. Пироэлек� трические приемники излучения. – К.: Наук. дум� ка, 1979, стр. 77–78. 4. Кременчугский Л. С., Ройцина О. В. Пироэлек� трические приемные устройства. – К.: Наук. дум� ка, 1982, стр. 14–17. 5. Справочник по приемникам оптического излуче� ния. / Под ред. Л. З. Криксунова и Л. С. Кремен� чугского. – К.: Техніка, 1985, стор. 44–47. 6. Кузьминов Ю. С. Сегнетоэлектрические кристал� лы для управления лазерным излучением. – М.: Наука, 1982, стр. 258–261. 7. Воронкова Е. М., Гречушников Б. Н., Дист& лер Г. И., Петров И. П. Оптические материалы для инфракрасной техники. – М.: Наука, 1965, стр. 21, 92. 8. Анпилов М. В., Долганин Ю. Н. Резервы повы� шения эффективности автоматизированных сис� тем контроля технического состояния подвижно� го состава. / Автоматика, связь, информация. – 2002, № 11, стр. 18–21. Рис. 9. Внешний вид созданной напольной камеры, присоединенной к подошве рельса 47НАУКА ТА ІННОВАЦІЇ. № 2, 2007 Спільні інноваційні проекти В. В. Рибак, С. К. Скляренко, О. О. Строкач. ПРИЛАД НА ОСНОВІ ПІРОЕЛЕКТРИЧНОГО ПРИЙМАЧА ІЧ&ВИПРОМІНЮВАННЯ ДЛЯ ДИСТАНЦІЙНОГО ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕ& РАТУРИ БУКСОВИХ ВУЗЛІВ РЕЙКОВОГО ТРАНСПОРТУ В ПРОЦЕСІ РУХУ. Анотація: Описано розроблений в Інституті фізики НАН України прилад, що створений на базі двох� спектрального радіометра для вимірювання температури буксових вузлів рейкового транспорту. Технічні параметри приладу дозволяють проводити температурний моніторинг буксових вузлів по� тягів у процесі руху, що значно підвищить безпеку руху залізничного транспорту. Ключові слова: піроелектричний приймач, вібростійкість, ІЧ�випромінювання, оптична система, мікропроцесор. V. V. Rybak, S. K. Sklyarenko, O. O. Strokach. THE DEVICE ON THE BASE OF THE INFRARED PYROELECTRIC DETECTOR FOR REMOTE TEMPERATURE MEASUREMENT FOR THE AXLE&BOX UNITS OF RAIL TRANSPORT DURING MOVEMENT. Abstract: The paper presents the device which was designed in Institute of Physics of NASU on the base of the two�spectral radiometer for temperature measurement of the axle�box units of rail transport. Technical parameters of the device allow to install temperature monitoring of train axle�box units during movement. This will considerably increase traffic safety of railway transport. Keywords: pyroelectric detector, stability to vibrations, infrared, optical scheme, microprocessor. Надійшла до редакції 15.06.06
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-137
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
last_indexed	2025-11-24T15:15:09Z
publishDate	2007
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format	dspace
spelling	Рыбак, В.В. Скляренко, С.К. Строкач, А.А. 2008-01-23T20:49:25Z 2008-01-23T20:49:25Z 2007 Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения / В.В. Рыбак, С.К. Скляренко, А.А. Строкач // Наука та інновації. — 2007. — Т. 3, № 2. — С. 34-47. — Библиогр.: 8 назв. — рус. DOI: doi.org/10.15407/scin3.02.034 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137 Описан разработанный в Институте физики НАН Украины прибор, созданный на основе двухспектрального радиометра для измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта. Технические параметры прибора позволяют проводить температурный мониторинг буксовых узлов поездов в процессе движения, что значительно повысит безопасность движения железнодорожного транспорта. Описано розроблений в Інституті фізики НАН України прилад, що створений на базі двохспектрального радіометра для вимірювання температури буксових вузлів рейкового транспорту. Технічні параметри приладу дозволяють проводити температурний моніторинг буксових вузлів потягів у процесі руху, що значно підвищить безпеку руху залізничного транспорту. The paper presents the device which was designed in Institute of Physics of NASU on the base of the two-spectral radiometer for temperature measurement of the axle-box units of rail transport. Technical parameters of the device allow to install temperature monitoring of train axle-box units during movement. This will considerably increase traffic safety of railway transport. Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Спільні інноваційні проекти Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения Прилад на основі піроелектричного приймача ІЧ-випромінювання для дистанційного вимірювання температури буксових вузлів рейкового транспорту в процесі руху The Device on the Base of the Infrared Pyroelectric Detector for Remote Temperature Measurement for the Axle-Box Units of Rail Transport During Movement Article
spellingShingle	Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения Рыбак, В.В. Скляренко, С.К. Строкач, А.А. Спільні інноваційні проекти
title	Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения
title_alt	Прилад на основі піроелектричного приймача ІЧ-випромінювання для дистанційного вимірювання температури буксових вузлів рейкового транспорту в процесі руху The Device on the Base of the Infrared Pyroelectric Detector for Remote Temperature Measurement for the Axle-Box Units of Rail Transport During Movement
title_full	Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения
title_fullStr	Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения
title_full_unstemmed	Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения
title_short	Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения
title_sort	прибор на основе пироэлектрического приемника ик излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения
topic	Спільні інноваційні проекти
topic_facet	Спільні інноваційні проекти
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137
work_keys_str_mv	AT rybakvv pribornaosnovepiroélektričeskogopriemnikaikizlučeniâdlâdistancionnogoizmereniâtemperaturybuksovyhuzlovrelʹsovogotransportavprocessedviženiâ AT sklârenkosk pribornaosnovepiroélektričeskogopriemnikaikizlučeniâdlâdistancionnogoizmereniâtemperaturybuksovyhuzlovrelʹsovogotransportavprocessedviženiâ AT strokačaa pribornaosnovepiroélektričeskogopriemnikaikizlučeniâdlâdistancionnogoizmereniâtemperaturybuksovyhuzlovrelʹsovogotransportavprocessedviženiâ AT rybakvv priladnaosnovípíroelektričnogopriimačaíčvipromínûvannâdlâdistancíinogovimírûvannâtemperaturibuksovihvuzlívreikovogotransportuvprocesíruhu AT sklârenkosk priladnaosnovípíroelektričnogopriimačaíčvipromínûvannâdlâdistancíinogovimírûvannâtemperaturibuksovihvuzlívreikovogotransportuvprocesíruhu AT strokačaa priladnaosnovípíroelektričnogopriimačaíčvipromínûvannâdlâdistancíinogovimírûvannâtemperaturibuksovihvuzlívreikovogotransportuvprocesíruhu AT rybakvv thedeviceonthebaseoftheinfraredpyroelectricdetectorforremotetemperaturemeasurementfortheaxleboxunitsofrailtransportduringmovement AT sklârenkosk thedeviceonthebaseoftheinfraredpyroelectricdetectorforremotetemperaturemeasurementfortheaxleboxunitsofrailtransportduringmovement AT strokačaa thedeviceonthebaseoftheinfraredpyroelectricdetectorforremotetemperaturemeasurementfortheaxleboxunitsofrailtransportduringmovement

Прибор на основе пироэлектрического приемника ИК излучения для дистанционного измерения температуры буксовых узлов рельсового транспорта в процессе движения

Institution

Ähnliche Einträge