курсовой по буксам. Курсовой. Курсовой проект по дисциплине Микропроцессорные системы контроля исправности подвижного состава на тему Анализ известных датчиков ик излучения и обоснование использования в системах контроля букс
 Скачать 420.46 Kb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный университет путей сообщения» Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на ж.-д. транспорте» КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по дисциплине: «Микропроцессорные системы контроля исправности подвижного состава» на тему: «Анализ известных датчиков ИК излучения и обоснование использования в системах контроля букс» Проверил: к.т.н. доцент Баранов В.А. Разработал: студент гр. СОа-418 Шупялков Д.А Екатеринбург 2022 2 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный университет путей сообщения» Кафедра: Автоматика, телемеханика и связь на ж.д. транспорте ЗАДАНИЕ на курсовой проект по дисциплине «Микропроцессорные системы контроля исправности подвижного состава» Выдано студенту Шупялкову Д.А группыСОа-418 Дата выдачи «9» Февраля 2022г Дата окончания «15» Апреля 2022г 1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 1.1 Вариант 18 1.2 Название темы Анализ известных датчиков ИК излучения и обоснование использования в системах контроля букс 1.3 Элементная база (по усмотрению преподавателя) 1.4 Дополнительные указания 3 Содержание Введение ...................................................................................................................... 4 1. Тепловой контроль буксовых узлов средствами КТСМ-02 ......................... 5 1.2 Известные датчики инфракрасного контроля .......................................... 9 1.3 Анализ известных тепловых ИК-датчиков .............................................. 13 2. Область применения и требования к болометрам, применяемым в КТСМ ......................................................................................................................... 14 2.1. Неохлаждаемый болометр типа БП-2М ................................................... 14 2.2. Охлаждаемый болометр .............................................................................. 16 Заключение ............................................................................................................... 18 Список используемой литературы ...................................................................... 19 4 Введение Безопасность движения поездов определяется в основном надёжной и безотказной работой ходовых частей вагона, в частности, буксовых узлов, особенно в условиях удлинённых плеч и гарантированных участков безостановочного следования грузовых поездов без их технического обслуживания на промежуточных пунктах технического обслуживания вагонов, а также в условиях сокращения численности работников вагонного хозяйства, занятых в системе технического обслуживания вагонов. На железнодорожном транспорте Российской Федерации на буксовый узел приходится до 60 % от общего количества браков по вагонному хозяйству и от 25 до 50 % отцепок вагонов в период гарантийного срока после деповского или капитального ремонта. По данным ОАО «ВНИИЖТ» в первый месяц эксплуатации выходит из строя до 35 % буксовых узлов, в первую очередь, по дефектам смазки и грубым нарушениям технологии монтажа. В последующие месяцы растут отцепки по дефектам смазки, торцевого крепления, повреждениям колец подшипника, роликов и сепаратора. Значительная часть неисправностей буксового узла связана с повышением его нагрева с различной интенсивностью. Контроль состояния буксовых узлов в эксплуатации производится визуально на пунктах технического обслуживания осмотрщиками вагонов, а на перегонах и подходах к пунктам технического обслуживания (ПТО) – напольными бесконтактными средствами теплового контроля (СТК) по инфракрасному (ИК) излучению от букс проходящих поездов. По существу, СТК являются основным аппаратным средством контроля буксовых узлов на российских железных дорогах и большинстве зарубежных дорог. Данные системы контроля технического состояния подвижного состава позволяют своевременно выявлять появляющиеся в процессе эксплуатации неисправности ходовых частей подвижного состава и, тем самым, предупредить возникновение необратимых отказов, способных привести к авариям и крушениям. 5 Широкое применение СТК в деле обеспечения безопасности движения ставит большое количество вопросов в процессе проектирования, эксплуатации и совершенствования СТК и подвижного состава, решение которых требует проведения теоретических и экспериментальных исследований. Однако исследования в данной области носят разрозненный характер, касающийся или объекта диагностирования – буксы, или вопросов совершенствования оборудования СТК. Необходим системный подход к организации и проведению исследований. В курсовом проекте будет выполнено сравнение двух известных инфракрасных датчиков излучения, которые используются не только на территории России и стран СНГ, но и в Европе. 1. Тепловой контроль буксовых узлов средствами КТСМ-02 Основным узлом КТСМ-02, выполняющим интеллектуальные функции, является блок периферийного контроллера ПК-05 (рис.1.1). Блок ПК-05 – это микропроцессорная система, функционально состоящая из согласующего устройства (СУ) и узла микроконтроллера (МК), элементы которых получают питание 5 и 12 В от вторичного источника питания ВИП. Он обеспечивает ввод и обработку сигналов от путевых датчиков, а также информационный обмен и координацию подсистем контроля, работающих в составе комплекса. Кроме того, ПК-05 отвечает за информационное взаимодействие КТСМ-02 с централизованными средствами сигнализации, регистрации, отображения и накопления результатов контроля через систему передачи данных (СПД). Согласующее устройство СУ содержит модули гальванической развязки (МГР- М), датчиков формирования сигналов счета осей (МФДО) и формирования сигналов рельсовой цепи наложения РЦН тональной частоты (МФРЦ). Посредством МФРЦ осуществляются питание рельсовой цепи наложения РЦН напряжением +12 В, ввод и преобразование сигнала с выхода РЦН в дискретный сигнал, а также гальваническая развязка между цепями РЦН и дискретными линиями ввода–вывода. Модуль МФДО вводит и преобразует сигналы от 6 датчиков счета осей типа ДМ-95 в дискретные сигналы напряжения, обеспечивает гальваническую развязку между электрическими цепями датчиков и цепями ввода–вывода. С помощью модуля МГР-М обеспечивается питание дискретных цепей первого и второго контуров гальванической развязки. В состав микроконтроллера МК входят модуль центрального микропроцессора МЦМК и технологический пульт ПТ. Модуль осуществляет сопряжение комплекса с системой передачи данных на базе концентраторов информации КИ- 6 посредством стыка С1-ТЧ с двух- или четырехпроводным окончанием V23 и скоростью передачи 1200 бит/с. Для сопряжения с СПД также может применяться стык RS-232 с возможностью работы на скоростях 1200, 9600 и 38400 бит/с. Для информационного взаимодействия базового блока ПК-05 с другими подсистемами применяется локальная сеть САN, работающая на скорости 500 кбит/с, и последовательный интерфейс со скоростью передачи 9600 бит/с, посредством которого подключаются вспомогательные устройства (ВУ- ПК). В настоящее время по нему работает калибратор тракта теплового комплекса КТП-01. Устройство контроля питания УКП-220М обеспечивает контроль наличия напряжения 220 В переменного тока основного и резервного фидеров питания. Выходные цепи его компараторов выполнены на оптронах, осуществляющих гальваническую развязку. Устройство подключено через дискретные линии к узлу микроконтроллера МК. При снижении величины напряжения на фидере ниже 160 В МК вырабатывает сигнал отсутствия напряжения. Цифровой датчик температуры наружного воздуха ДТНВ-2А, смонтированный в аспирационном контейнере, устанавливается вне помещения поста КТСМ и подключается к микроконтроллеру. При изменении температуры окружающей среды, которое фиксируется датчиком, автоматически корректируется работа тепловых трактов с учетом температур внутри напольных камер КНМ-05, активного и пассивного излучателей на заслонке. Технологический пульт предназначен для ввода и отображения информации, а 7 также подачи звуковых сигналов. С его помощью электромеханик контролирует работу комплекса КТСМ, тестирует состояние его элементов и др. Напольные камеры воспринимают инфракрасное излучение от букс подвижного состава и преобразуют его в цифровые сигналы, которые передаются в БУНК (рис. 1.1). Он представляет собой микропроцессорную систему, включающую в себя три вышеперечисленных вида модулей. Блок БУНК обрабатывает цифровые данные и обеспечивает информационный обмен с другими составными частями комплекса. Для сопряжения БУНК с ПЭВМ (например, диагностическим стендом) применяется стык RS-232C. Имеется возможность тестирования и изменения программного обеспечения модуля МУС. Малогабаритная напольная камера КНМ-05 принимает, усиливает, нормирует и преобразует в цифровой код уровень теплового сигнала от элементов буксовых узлов поездов. Она применяется в составе систем контроля, обеспечивающих выявление неисправных элементов подвижного состава путем определения степени их нагрева. В ее состав входят средства контроля исправности и качества настройки тракта теплового сигнала. На рис. 1.2 показана развернутая структурная схема КНМ-05. В узле заслонки камеры расположены пассивный (ПИ) и активный (АИ) излучатели. Прием тепловых сигналов и управление камерой осуществляются модулем управления и контроля (МУК). С его помощью измеряется и поддерживается в допустимых пределах значение разницы температур между этими излучателями. Возвратно-поступательное перемещение заслонки камеры реализует кривошипно-шатунный механизм с приводом от шагового электродвигателя ШД. При позициoнировании заслонки в режиме автоконтроля тепловые сигналы от излучателей на заслонке попадают в поле зрения болометра, в которой МУК поддерживает амплитуду сигнала от активного излучателя (АИ), равную 38-квантам или разность температур в 30°С. При контроле поезда заслонка камеры занимает положение «открыто», и тепловое излучение от букс подвижного состава попадает на болометр, затем 8 усиливается в модуле управления и контроля и далее его значение в цифровом виде передается в модуль МУС блока БУНК с последующей обработкой в периферийном контроллере ПК-05 комплекса КТСМ-02. Рис. 1.1 – Структурная схема ПК-05 и БУНК 9 Рис. 1.2 – Структурная схема КНМ-05 1.2 Известные датчики инфракрасного контроля В тепловых фотоприёмниках поток инфракрасного излучения от нагретого буксового узла, поглощаясь в чувствительном элементе фотоприёмника, преобразуется в тепловую энергию. Изменение температуры нагрева буксового узла оказывает влияние па параметры фотоприёмника, которые регистрируются различными способами. Можно выделить следующие типы тепловых фотоприёмников: болометры, пироэлектрические, и термоэлементы. Особое внимание представляет собой болометр. Болометром называется фотоприемник, принцип действия которого основан на изменении 10 электропроводимости чувствительного элемента болометра при нагреве его при поглощении инфракрасного излучения. Болометр служит для измерения мощности интегрального (суммарного) инфракрасного излучения, а вместе со спектрометром – для измерения спектрального состава излучения. Этот датчик включается в электрическую мостовую схему, питаемую постоянным или переменным током. Под действием потока инфракрасного излучения температура чувствительного элемента изменяется на некоторую величину ∆Т, что приводит к соответствующему изменению сопротивления болометра на некоторую величину ∆R. Последнее вызывает изменение силы тока в электрической цепи болометра и на нагрузочном сопротивлении возникает падение напряжения, которое служит мерой мощности измеряемого потока инфракрасного излучения. Болометры бывают металлические, полупроводниковые и сверхпроводниковые. Последние требуют глубокого охлаждения. Металлические и полупроводниковые болометры обычно работают без охлаждения. При изготовлении металлических болометров может применяться тонкая фольга из различных металлов: платина, никель, висмут, сурьма, которые напыляются в виде тонких плёнок толщиною 0,1 – 1,0 мкм на слаботеплопроводную подложку. Болометры характеризуются коэффициентом преобразования энергии излучения в электрическое напряжение, чувствительностью, сопротивлением, порогом чувствительности и постоянной времени, служащей верой времени установления его стационарного режима при облучении. Пироэлектрический фотоприёмник является приёмником электромагнитного излучения, действие которого основано на пироэлектрическом эффекте, то есть на температурной зависимости спонтанной поляризации пироэлектриков при их нагревании или охлаждении. Пироэлектрический фотоприёмник можно рассматривать как генератор напряжения, внутреннее сопротивление которого имеет емкостной характер. Следовательно, он пригоден для регистрации только потоков инфракрасного 11 излучения переменной интенсивности. Чувствительный элемент пироэлектрического фотоприёмника представляет собой тонкую пластину пироэлектрика, например, монокристаллического триглицинсульфата,титаната бария, титаната свинца, монокристаллического танталата, ниобита лития, поликристаллической керамики на основе титаната-цирконата свинца, поливинилфторида с тонкими (0,1 – 1,0 мкм) электродами, нанесёнными на поверхности, перпендикулярные полярной оси пироэлектрика. Электрод с покрытием материалом с большим коэффициентом поглощения инфракрасного излучения, обращённый к источнику излучения, покрыт слоем поглотителя. Оптические свойства поглощающего покрытия определяют область спектральной чувствительности пироэлектрического фотоприемника, которая лежит в диапазоне длин волн от десятых долей микрона до нескольких миллиметров. Предельная чувствительность пироэлектрического фотоприёмника постоянна в достаточно широком диапазоне частот, что позволяет применять его при частотах модуляции излучения до десятков мегагерц, которые для других типов тепловых фотоприёмников составляют десятки герц. Пироэлектрические фотоприёмники обычно применяются при изучении быстро меняющихся тепловых процессов, в аппаратах для спектральных исследований, в дистанционных датчиках температуры, в приборах тепловидения [1]. Под действием поглощённого инфракрасного излучения фоточувствительный элемент нагревается, при этом изменяется поляризация диэлектрика. Обнаружительная способность лучших пироэлектрических фотоприёмников может достигать 109 смГц 1/2 Вт -1 на частоте 10Гц и спадает примерно на порядок на максимальной частоте примерно 1000 Гц. Чувствительность пироэлектрического фотоприёмника зависит от типа усилителя и может достигать 105 В/Вт [2]. 12 Терморезистор является одним из простых полупроводниковых приборов и представляет собою резистор, обладающий свойством существенно изменять своё электрическое сопротивление при изменении температуры. Основными параметрами терморезистора являются диапазон рабочих температур и температурный коэффициент сопротивления, определяемый как относительное приращение сопротивления в процентах при изменении температуры на 1 К. Различают терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, у которых электрическое сопротивление с ростом температуры уменьшается, и с положительным температурным коэффициентом сопротивления, у которых сопротивление возрастает. Из терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления наиболее важны терморезисторы, материалом для которых служат твёрдые растворы на основе титаната бария, легированные лантаном, церием, висмутом и так далее. Такие терморезисторы часто называются позисторами. В качестве тепловых фотоприёмников могут применяться также термоэлементы и пневматические фотоприёмники. Термоэлемент представляет собою электрическую цепь или часть цепи, составленную из разнородных проводников или полупроводников и позволяющую использовать в практических целях, например, для измерения температуры нагреваемых объектов одно из термоэлектрических явлений. Другими словами, термоэлементы – это приёмники излучения, в которых ЭДС возникает за счёт термоэлектрического эффекта. Пневматические фотоприёмники инфракрасного излучения формируют сигнал в результате изменения давления газа в замкнутом 13 объёме, разделённом диафрагмой. Изменение давления может регистрироваться по изменению ёмкости мембраны или интерференционной картине. Эти фотоприёмники характеризуются большой постоянной времени (2 - 50 мкс) и достаточно большой обнаружительной способностью (4⋅10 9 смГц 1/2 Вт -1 ). К 13 недостатку пневматического фото приёмника следует отнести его малую механическую прочность [1]. 1.3 Анализ известных тепловых ИК-датчиков Для определения температуры элементов подвижного состава используется свойство физических тел, температура которых выше абсолютного нуля, излучать энергию в инфракрасном диапазоне (ИК-излучение). При этом энергия излучения пропорциональна температуре объекта. Процесс измерения температуры буксового узла включает следующие стадии: прием ИК-излучения и преобразование его в электрический сигнал; усиление электрического сигнала и нормирование по длительности; фильтрацию полезного сигнала (исключение сигналов от других нагретых частей подвижного состава); коррекцию коэффициента передачи измерительного тракта в зависимости от температуры наружного воздуха. Структурная схема измерительного тракта показана на рис. 1.2.1. Рис. 1.2.1 – Структурная схема измерительного тракта Лучшие болометры из фольги – никелевые, имеющие сопротивление 5-10 Ом, чувствительность 7-10 В/Вт, постоянную времени 0,02 с. 14 Полупроводниковые болометры имеют сопротивление 1-10 мОм, чувствительность 50-1000 В/Вт, постоянную времени 1-5 с [1]. Наиболее чувствительными являются охлаждаемые до очень низкой температуры полупроводниковые болометры, изготовленные из германия, легированного галлием. При температуре 2-4 К, приёмной площадке 10 мм 2 и сопротивлении 12 кОм чувствительность болометра равна 4,5 кВ/Вт, а постоянная времени - 0,4мс [1]. 2. Область применения и требования к болометрам, применяемым в КТСМ К болометрам должны предъявляться следующие требования: диаметр зоны объекта (буксовый узел) должен быть не менее 5-10 мм, расстояние до объекта должно быть примерно 1,5 м, коэффициент инфракрасного излучения должен быть порядка 0,8, а размер объекта - не менее 15 см. Для успешного решения проблемы бесконтактного непрерывного автоматического дистанционного измерения температуры нагрева буксовых узлов, которая является косвенным показателем технического состояния буксового узла в эксплуатации, при движении грузовых поездов необходимо разрабатывать для системы автоматической дистанционной регистрации температуры нагрева буксовых узлов грузовых вагонов в первую очередь надёжные и высокоточные фотоприёмники, позволяющих измерять температуру нагрева буксового узла в диапазоне от -10°С до + 160°С. При скоростях движения вагонов не менее 10 км/ч фотоприёмники должны обеспечивать точность измерения ±1,0°С при температуре окружающей среды от - 40°С до + 50°С [1]. 2.1. Неохлаждаемый болометр типа БП-2М Болометры – не самая известная область электронных приборов. Но из этой узкой прослойки, БП-2М самый массовый. Это связано с тем, что болометрические датчики на его основе используются в устройствах 15 автоматического контроля для выявления перегретых букс подвижного состава на железнодорожном транспорте. Сейчас БП-2М выпускаются уже в виде различных модернизированных вариаций. Технически это иммерсионный полупроводниковый (оксидный кобальто- марганцевый) болометр для регистрации ИК излучения среднего и дальнего диапазонов, от 2 до 15 мкм. Имеет чувствительный элемент размером 0,12х0,12мм. Надо отметить, что этот прибор - не болометр в чистом виде, а теплоприёмное устройство, которое помимо датчика содержит предварительный усилитель на базе ОУ серии К544. И всё это размещено в едином металлостеклянном корпусе. Основные данные • Угол обзора – 3 град • Интегральная вольтовая чувствительность – 2500 В/Вт • Постоянная времени – 2,3 мс • Обнаружительная способность – 4⋅10 8 Вт -1 ⋅Гц -1/2 (20 Гц) • Диапазон рабочих температур – -10...+55°С • Не нуждается в криогенном охлаждении Основные компоненты болометра БП-2М: терморезисторный элемент, германиевая иммерсионная линза и предварительный усилитель. Германиевая иммерсионная линза изготавливается из оптически однородного поликристаллического германия. Для обеспечения точной фокусировки ИК-излучения на чувствительном элементе производится расчет геометрических форм, а также размеров поверхностей линзы. На поверхность линзы нанесен оптический экран-диафрагма (золотая пленка с отверстием в точке фокусировки). 16 Терморезисторный элемент представляет собой два полупроводниковых терморезистора в миниатюрном исполнении. Первый терморезистор – это приёмник ИК-излучения, второй – термокомпенсирующий. Элементы крепятся к линзе так, чтобы обеспечить попадание приемника в зону отверстия в экране. Для повышения чувствительности приемника, терморезистор приемника чернится. Небольшая масса терморезистора способствует повышению чувствительности приемника и обеспечивает сравнительно малую тепловую инерцию. Для улучшения быстродействия приёмника ИК-излучения необходимо снизить теплоемкость термочувствительного элемента, что достигается уменьшением его размеров. Однако это приводит к снижению чувствительности. Её повышают за счет предварительного усилителя и активного RC-фильтра, встроенного в корпус приёмника. 2.2. Охлаждаемый болометр Более широкое распространение по сравнению со сверхпроводящими получили полупроводниковые охлаждаемые и неохлаждаемые болометры. Для их изготовления используются материалы, температурный коэффициент сопротивления которых отрицателен и на порядок выше, чем у металлов. Основные параметры: • Размеры чувствительного элемента, мм (площадь, мм 2 ) – 7 ⋅0,7 • Сопротивление, Ом – 10 5 • Интегральная чувствительность, В⋅Вт –1 – 1,1 ⋅10 4 • Удельная обнаружительная способность, Вт –1 ⋅см⋅Гц –1/2 – 2 ⋅10 10 • Постоянная времени, мс – 0,01 17 • Нуждается в охлаждении до температур, приближенных к абсолютному нулю Охлаждение полупроводниковых болометров повышает их обнаружительную способность. Тепловой контакт чувствительного элемента с хладагентом обычно осуществляется при монтаже последнего на какой-нибудь детали конструкции, имеющей хороший тепловой контакт с гелиевой ванной. Теплопроводность при этом определяет, как постоянную времени приемника, так и компоненту шума, связанную с температурными флуктуациями. Наиболее существенные источники шумов охлаждаемых болометров связаны с фоновым излучением, попадающим в апертуру приемника, и шумами предусилителя. На рисунке 2.2.1 представлено устройство охлаждаемого полупроводникового болометра. Рис. 2.2.1 – Устройство охлаждаемого полупроводникового болометра В последнее время разработаны болометры с очень малыми собственными шумами. Экспериментальные образцы болометра, охлаждаемого He III от 0,5 К, имели пороговую чувствительность 10-14 Вт/Гц 1/2 . При дальнейшем охлаждении до 0,1 К возможно улучшение пороговой чувствительности до 10-16 Вт/Гц 1/2 Однако такие параметры можно получить только при этих сверхнизких температурах, причем, необходим специальный глубоко охлаждаемый предусилитель [4]. 18 Заключение Сравнивая охлаждаемые и неохлаждаемые болометры, можно сделать вывод, что самым совершенным является болометр охлаждаемого типа, так как он превосходит неохлаждаемый по всем параметрам. Охлаждаемый болометр имеет малое значение постоянной времени, значительно высокую обнаружительную способность, более чем в 4 раза интегральную чувствительность. Но значительными недостатками у данного типа болометра является дороговизна изготовления и необходимость в охлаждении. Внедрение в ОАО РЖД охлаждаемого болометра является нецелесообразым решением, так как необходим персонал по обслуживанию, замене охлаждающего вещества, что приводит к экономическим потерям. Эти недостатки усложняют процесс внедрения данных болометров. Из-за этих недостатков на железной дороге России применяется болометр БП-2 неохлаждаемого типа. Его преимуществами являются сравнительное быстродействие, широкий диапазон рабочих температур окружающей среды, точность измерения ( ± 1°С) и выявления перегретых букс колёсной пары. 19 Список используемой литературы 1. Анисимов П.С. Фотоприемники для пирометрической системы автоматической станционной регистрации температуры нагрева букс грузовых вагонов: Учебное пособие. - М.: МГУПС (МИИТ), 2014. - 55 с. 2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. Перевод с французского под ред. чл.-корр. АН СССР Курбатова Н.Л. М.: Мир. 1988. 3. http://www.155la3.ru/bp2.htm 4. http://elib.bsu.by/bitstream/123456789/7675/3/%D1%82%D0%B5%D0%BF %D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5%20%D0%BF%D1%80%20%D0 %B8%D0%B7%D0%BB.pdf 5. http://www.infotecs-at.ru/articles/62 |