СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАГРЕВА БУКСОВЫХ УЗЛОВ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И СЛЕДЯЩИЙ АМПЛИТУДНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ЭТОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 1997 года по МПК B61K9/06 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту. Оно может быть использовано в автоматизированных системах контроля нагрева буксовых узлов в подвижном составе, содержащем как вагоны с элементами пола, на фоне которых осматриваются буксовые узлы, так и вагоны с отсутствующими элементами пола в районе буксовых узлов (вагоны с неисправным днищем, укороченной базой и т.д. ), которые осматриваются на фоне неба.

Известен способ контроля нагрева буксовых узлов, осуществляемый базовой подсистемой ДИСК Б. За время прохода подвижного состава в ДИСКе Б осуществляются два алгоритма работы.

Так для первых четырех единиц измеряется превышение амплитуды сигнала от буксового узла над амплитудой сигнала, полученной непосредственно перед осмотром буксового узла (т.е. на момент стробирования). После прохода первых четырех подвижных единиц измеряется абсолютное значение амплитуды теплового сигнала от буксового узла, по которой и судят о его нагреве.

ДИСК Б содержит приемно-усилительный тракт, дачники прохода осей, блок передачи информации, линию связи, блок приема, накопления и обработки информации, печатающее и сигнализирующее устройство.

Недостатками данного способа и устройства являются значительные погрешности в определении критерия аварийности буксового узла, обусловленные:
1. переходными процессами в усилителе переменного тока;
2. низко-частотными шумами приемника ИК излучения и усилителя.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ контроля нагрева буксовых узлов, осуществляемый аппаратурой ПОНАБ 3. Он заключается в преобразовании ИК излучения в электрический сигнал с последующим усилением, установлении опорного напряжения непосредственно перед осмотром буксового узла, измерении превышения амплитуды сигнала от буксового узла, осмотренного на фоне элементов пола (днища вагона), над амплитудой сигнала от элементов пола. По уровню превышения и судят о нагреве буксового узла.

Наиболее близким техническим решением к заявленному устройству является аппаратура ПОНАБ 3. Устройство содержит приемную капсулу, включающую термоэлектрический преобразователь ИК излучения и усилитель переменного тока. Приемная капсула соединена с блоком усиления. В состав блока усиления входят формирователь опорного напряжения и оконечный усилитель постоянного тока с изменяемым коэффициентом усиления. Изменение коэффициента усиления необходимо для подстройки чувствительности аппаратуры. Формирователь опорного напряжения представляет из себя электронный ключ на полевом транзисторе (в данном случае рассматривается усилитель, модернизированный согласно рекомендаций Уральского отделения НИИЖТа, т.е. выполненный на операционном усилителе К 140 УД 8 и с формирователем опорного напряжения на полевом транзисторе КП 303). Формирователь опорного напряжения предназначен для установки опорного напряжения на входе оконечного усилителя постоянного тока непосредственно перед осмотром буксового узла. Его работой управляет формирователь управляющих и контрольных сигналов, который, в свою очередь, соединен с датчиками прохода осей, расположенными на ж.д. путях.

В известном устройстве за опорное напряжение принимается уровень ИК - излучения от элементов пола и измеряется не абсолютный уровень ИК излучения буксового узла, а превышение ИК излучения буксового узла, осмотренного на фоне элементов пола, над ИК излучением от элементов полы, т.е. формирователь опорного напряжения обеспечивает измерение превышения амплитуды сигнала от буксового узла, осмотренного на фоне элементов пола, над амплитудой сигнала от элементов пола за время стробирования, т.е. за время прохода колесной пары между первым и вторым датчиками прохода осей.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому следящему амплитудному ограничителю относится амплитудный ограничитель, содержащий блок ограничения уровня сигнала, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя.

Недостатком известного способа контроля нагрева буксовых узлов и устройства для его осуществления является то, что если в составе поезда находятся вагоны с дефектами настила пола вблизи места расположения буксового узла или с укороченной базой, то в зону осмотра термоэлектрического преобразования ИК излучения в момент открытия электронного ключа попадает фон неба и в формирователь опорного напряжения происходит измерение приращения уровня ИК излучения от буксового фона неба. Под фоном неба понимается озоновый слой, облака и т. д. Уровень его ИК излучения значительно ниже уровня ИК излучения черного тела, т.е. элементов пола вагона, и зависит от метеорологических условий. Таким образом превышения уровня ИК излучения неперегретой буксы над уровнем ИК излучения фона неба может быть достаточным для срабатывания аварийного сигнала, что приводит к ложным остановкам поезда. Недостатком известного амплитудного ограничителя является то, что он не может изменять уровень ограничения в зависимости от амплитудно-временных характеристик сигнала. А это привело бы к большим погрешностям в точности распознавания уровня нагрева буксового узла.

Целью изобретения является повышение точности определения уровня нагрева буксовых узлов, осмотренных на фоне неба.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе ИК - излучения от буксовых узлов преобразуют в электрический сигнал, характеризующий нагрев, сравнивают его с опорным напряжением по величине превышения уровня полученного электрического сигнала над уровнем опорного напряжения судят о нагреве буксового узла. При этом опорное напряжение формируют ограничением амплитуды электрического сигнала, соответствующего ИК - излучению "фона неба", в зоне осмотра буксового узла.

Поставленная цель достигается также и тем, что заявляемое устройство для контроля нагрева буксовых узлов содержит приемную капсулу с термоэлектрическим преобразователем ИК излучения, формирователь опорного напряжения, амплитудный ограничитель, вход которого соединен с выходом приемной капсулы, а выход с сигнальным входом формирователя опорного напряжения, блок усиления.

Вход последнего подключен к одному из выходов формирователя управляющих и контрольных сигналов, к другим входам которого подключены датчики прохода осей подвижного состава, к одному из выходов управляющий вход формирователя опорного напряжения, а к другому выходу регистратор сигналов контроля.

Следящий амплитудный ограничитель содержит блок ограничения уровня сигнала, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя, последовательно соединенные однополупериодный выпрямитель, анализатор амплитудно-временных характеристик сигнала, согласующий элемент и инвертор, выход которого с управляющим входом блока ограничения уровня сигнала, а вход однополупериодного выпрямителя с выходом усилителя.

Сопоставительный анализ заявляемый объектов с их прототипами показывает, что они соответствуют критерию патентоспособности "новизна".

Отличительный признак заявляемого способа, формирование опорного напряжения ограничением амплитуды сигнала, соответствующего ИК излучению от "фона неба", в зоне осмотра буксового узла заявителем не выявлен. Это дает основание считать, что способ соответствует "изобретательному уровню".

Известно, что о нагреве буксового узла судят по уровню превышения амплитуды сигнала от буксы над амплитудой сигнала от черного тела с температурой наружного воздуха. Если в вагонах подвижного состава непосредственно перед осмотром буксового узла присутствуют элементы пола, то за опорное напряжение принимают значение амплитуды сигнала от элементов пола (элементы пола соответствуют черному телу). Однако, если в подвижном составе встретился вагон с отсутствующими элементами пола на момент стробирования, то в зону обзора термоэлектрического преобразователя попадает фон неба.

Амплитуда сигнала, полученная в результате этого попадания, а именно ее значение является опорным напряжением в известном способе, осуществляемом аппаратурой "ПОНАБ", по абсолютной величине значительно превышает амплитуду теплового сигнала от нормально греющейся буксы и имеет противоположную полярность. В этом случае уровень превышения амплитуды сигнала от буксы над амплитудой сигнала от фона неба будет значительно выше уровня превышения сигнала от той же буксы при наличии элементов пола. Это приводит к большим погрешностям в определении уровня нагрева буксового узла и, как следствие, к ложному срабатыванию сигнала тревоги. Для исключения погрешностей необходимо сформировать опорное напряжение, ограничив амплитуду сигнала, полученную из-за попадания фона неба в зону обзора термоэлектрического преобразователя. Эту функцию выполняет амплитудный ограничитель, вход которого подключен к выходу приемной капсулы, а выход к сигнальному входу формирователя опорного напряжения. Значение ограниченной амплитуды сигнала от фона неба является опорным напряжением, установленным формирователем опорного напряжения. Затем измеряют уровень превышения амплитуды сигнала от буксового узла, осмотренного на фоне неба, над ограниченной амплитудой сигнала, полученного от фона неба. По этому превышению и судят о нагреве буксы. Т.о. при взаимодействии существенных признаков заявляемого устройства получается новый технический результат, а именно: точность контроля нагрева буксовых узлов, осмотренных на фоне неба, повышается за счет того, что об их нагреве судят по уровню превышения амплитуды сигнала от буксового узла, осмотренного на фоне неба, над ограниченной амплитудой сигнала, полученного от фона неба. Т.е. заявляемое устройство для контроля нагрева буксовых узлов соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для контроля нагрева буксовых узлов; на фиг. 2 функциональная схема следящего амплитудного ограничителя; на фиг. 3 сигнал на выходе термоэлектрического преобразователя ИК излучения при наличии элементов пола; на фиг. 4 сигнал на выходе приемной капсулы при наличии элементов пола; на фиг. 5 сигнал на выходе термоэлектрического преобразователя ИК излучения при отсутствии элементов пола в момент стробирования одной из букс; фиг. 6 сигнал на выходе приемной капсулы при отсутствии элементов пола в момент стробирования из букс; на фиг. 7 структурная схема усилителя переменного тока; на фиг. 8 - структурная схема выделения амплитуды перезарядки конденсаторов в усилителе переменного тока; на фиг. 9 принципиальная схема статического амплитудного ограничителя; на фиг. 10 прохождение уровня статического ограничителя относительно теплового сигнала от буксовых узлов, осмотренных на фоне элементов пола; на фиг. 11 прохождение статического уровня ограничения относительно теплового сигнала, полученного при отсутствии элементов пола.

Устройство для контроля нагрева буксовых узлов состоит из приемной капсулы 1. Приемная капсула 1 содержит термоэлектрический преобразователь ИК - излучения 2, состоящий из активного и компенсационного резисторов 3, 4. Перед активным резистором 3 установлена линза 5 для фиксирования ИК излучения от осматриваемой буксы. Термоэлектрический преобразователь ИК излучения 2 подсоединен к источнику питания. Приемная капсула 1 имеет усилитель переменного тока 6 и соединен с амплитудным ограничителем 7. Амплитудный ограничитель 7 соединен с сигнальным входом формирователя опорного напряжения 8 блока усиления 9, который содержит оконечный усилитель постоянного тока 10. К блоку усиления 9 подсоединен блок формирования управляющих и контрольных сигналов 11, выход которого, в свою очередь соединен с управляющим входом формирователя опорного напряжения 8. К входам блока 11 подключены датчики прихода осей подвижного состава 12, а к его выходу через линию связи 13, к регистратору сигналов контроля, состоящему из блока приема и дешифрации 14 и печатающего устройства 15. Датчики прохода осей 12 жестко закреплены на ж.д. рельсе. Блок формирования управляющих и контрольных сигналов 11 соединен с напольной камерой 16. Приемная капсула 1 установлена внутри напольной камеры 16, имеющей прорезь 17, расположенному напротив линзы 5, и автоматическую заслонку 18. Блок рельсовой цепи 19 подключен к блоку формирования управляющих и контрольных сигналов 11 и соединен с рельсами ж.д. пути 20. Следящий амплитудный ограничитель 7 содержит последовательно соединенные усилитель 21, однополупериодный выпрямитель 22, анализатор амплитудно-временных характеристик 23, согласующий элемент 24, инвертор 25, выход которого соединен с управляющим входом блока ограничения уровня сигнала 26, а выход усилителя 21 соединен с сигнальным входом блока ограничения уровня сигнала 26. Причем выход последнего является выходом устройства.

Способ контроля нагрева буксовых узлов реализуется в заявляемом устройстве следующим образом.

Поезд заходит на участок контроля. За счет шунтирования рельсовой цепи блок РЦ 19 подает сигнал на блок формирования управляющих и контрольных сигналов 11, который вырабатывает сигнал открытия заслонки 18. После открытия заслонки 18 термоэлектрический преобразователь 2 преобразовывает поступающее ИК излучение в электрический сигнал.

На фиг. 3 изображен тепловой сигнал от буксовых узлов при наличии элементов пола, а на фиг. 5 тепловой сигнал от буксовых узлов при отсутствии элементов пола непосредственно перед осмотром одной из букс. Как видно из фиг. 5 амплитуда сигнала, образования попаданием фона неба, а зону осмотра термоэлектрического преобразователя ИК-излучения 2, находится в полярности, противоположной полярности амплитуды сигналов от буксовых узлов и по абсолютной величине может значительно превышать амплитуду сигналов от нормально греющихся букс. Затем сигнал поступает на вход усилителя переменного тока 6 приемной капсулы 1, где усиливается и за счет перезарядки переходных конденсаторов приобретает биполярный характер (как показано на фиг. 4 и 6). Затем этот сигнал поступает в амплитудный ограничитель 7, в котором происходит ограничение амплитуды сигнала, полученной в результате попадания фона неба в термоэлектрический преобразователь ИК излучения 2. При этом положительная составляющая сигнала, образованная в результате перезарядки конденсаторов в усилителе переменного тока 6, остается без изменения. На фиг. 4, 6 пунктирной линией показан уровень ограничения вырабатываемый следящим амплитудным ограничителем, а на фиг. 10, 11 статическим амплитудным ограничителем. Затем электрический сигнал поступает в формирователь опорного напряжения 8, которым управляет строп-сигнал, полученный в блоке формирования управляющих и контрольных сигналов 11 с датчиков прохода осей 12 П1, П2. Т.о. вход усилителя постоянного тока 10 открывается только на время прохода осей подвижного состава между датчиками 12 П1 и П2. Именно в этот момент термоэлектрическим преобразователем 2 осматривается уровень ИК излучения буксового узла. Опорным напряжением является значение ограниченной амплитуды электрического сигнала, возникшего из-за попадания фона неба в термоэлектрический преобразователь 2 непосредственно перед осмотром буксового узла. В формирователе опорного напряжения 8 определяется превышение амплитуды сигнала от буксового узла, осмотренного на фоне неба, над ограниченной амплитудой сигнала от фона неба. Затем электрический сигнал усиливается в усилителе. Затем электрический сигнал усиливается в усилителе постоянного тока 10 и поступает в блок формирования управляющих и контрольных сигналов 11. В случае превышения амплитудой электрического сигнала заданного порога вырабатывается сигнал тревоги. С блока 11 информация о "больном" вагоне поступает через линию связи 13 на регистратор сигналов контроля 14, 15.

Следящим амплитудным ограничителем амплитуда сигнала от фона неба может ограничиваться до уровня амплитуды сигнала максимально близкой той, которая была бы получена при попадании элементов пола в зону осмотра термоэлектрического преобразователя ИК-излучения в момент стробирования.

Для ограничения амплитуды сигнала от фона неба необходимо задать уровень ограничения, максимально близкий к уровню сигнала, полученного при наличии элементов пола. На выходе преобразователя термоэлектрического ИК-излучения сигнал от буксы имеет отрицательную полярность, а сигнал от фона неба - положительную. При проходе однополярных тепловых импульсов от буксовых узлов через усилитель переменного тока в приемной капсуле, в результате перезарядки конденсатора образуется положительная составляющая. На фиг. 7 изображена структурная схема усилителя переменного тока, где С1 переходный конденсатор, а R1 входное сопротивление следующего каскада. Очевидно, что при воздействии на такую цепь импульсом отрицательной полярности, конденсатор будет перезаряжаться и по заднему фронту будет иметь положительную составляющую. Если поменять R1 и C1 местами, как показано на фиг. 8, и воздействовать на такую RC цепь тем же сигналом, то относительно общего провода амплитуда зарядки конденсатора к заднему фронту импульса по абсолютному значению будет такой же, как и положительная составляющая заднего фронта импульса на фиг. 7, но противоположной полярности. Таким образом, можно определить значение перезарядки конденсатора по абсолютному значению в усилителе переменного тока при воздействии на него однополярным импульсом. Это необходимо для выбора уровня ограничения, максимально близкого к уровню сигнала, который соответствует уровню сигнала, получаемого при наличии элементов пола. Такая RC-цепь содержится в анализаторе амплитудно-временных характеристик заявляемого ограничителя. Благодаря этому определяется уровень ограничения сигнала по абсолютному значению. После инвертирования сигнал поступает в блок ограничения уровня сигнала в качестве управляющего сигнала, т.е. определяет уровень ограничения. Таким образом, в случае попадания фона неба в зону осмотра термоэлектрического преобразователя ИК излучения, импульс положительной полярности, образованный этим попаданием, ограничивается до уровня максимально близкому к уровню сигнала, полученного при наличии элементов пола.

Следящий амплитудный ограничитель работает следующим образом. С выхода приемной капсулы 1 через конденсатор С1 фиг. 20 сигнал поступает на усилитель 21, выполненный на операционном усилителе ОУ ДА-1. С выхода усилителя 21 сигнал одновременно поступает в блок ограничения уровня сигнала 26, выполненный на ОУ ДА-2, и в однополупериодный выпрямитель 22. В однополупериодном выпрямителе 22 выделяется сигнал от буксовых узлов. Затем этот сигнал поступает в анализатор амплитудно-временных характеристик 23. Цепь R4 C2 имитирует суммарное действие RC переходных цепей приемной капсулы 1 и R1 C1-цепи усилителя 21. На анализаторе 23 выделяется сигнал, амплитуда которого по абсолютному значению так же, как и положительная составляющая амплитуды заднего фронта электрического сигнала от буксового узла, но противоположной полярности. Для согласования высокого выходного сопротивления анализатора амплитудно-временных характеристик 23 с инвертором 25 между ними включен согласующий элемент 24, выполненный на ОУ ДА 4. Инвертор 25 выполнен на ОУ ДА 5.

С выхода ОУ ДА 5 инвертора 25 выходит сигнал динамического ограничения. Резисторами R7, R6 блок ограничения уровня сигнала 26 задается дополнительно к динамическому уровню ограничения небольшая постоянная. Она составляет 3 10% от абсолютного значения уровня аварийного сигнала от буксовых узлов и необходима для исключения необоснованных ограничений электрического сигнала. Следящий амплитудный ограничитель используется в тех случаях, когда необходима высокая точность в определении уровня нагрева буксовых узлов, осмотренных на фоне неба.

В качестве ограничителя может использоваться и статический амплитудный ограничитель (фиг. 9). Он содержит усилитель 21 и блок ограничения уровня сигнала 26. Выход усилителя 21 соединен с сигнальным выходом усилителя 21 является входом статического амплитудного ограничителя, а выход ограничителя 26 выходом статического амплитудного ограничителя. Резисторами R2 и R3 задается уровень ограничения амплитуды сигнала от фона неба. Резистором R5 можно изменять коэффициент усиления усилителя 21.

Статический амплитудный ограничитель работает следующим образом.

С выхода приемной капсулы 1 электрический сигнал поступает на вход усилителя 21. При помощи резистора R5 в блоке 21 производится калибровка (настройка чувствительности устройства для контроля нагрева буксовых узлов). Это необходимо для работы блока ограничения уровня сигнала 26 с калиброванным сигналом. С выхода усилителя 21 сигнал поступает в блок ограничения уровня сигнала 26. Резисторами R2 и R3 блока 26 задается такой уровень ограничения, при котором амплитуды тепловых импульсов, включая положительную составляющую электрического сигнала, образованную переходным процессом в усилителе переменного тока 6, не ограничиваются, а ограничиваются только амплитуды сигнала от фона неба. Как правило, значение амплитуды положительной составляющей электрического сигнала, образованной в результате переходных процессов в усилителе переменного тока 6, а также шумами приемно-усилительного тракта не превышает 10 12% от абсолютного значения амплитуды электрического сигнала, соответствующей критерию аварийности. Поэтому уровень ограничения амплитуды электрического сигнала от фона неба составляет 20 30% от абсолютного значения критерии аварийности. Как показано на фиг. 10 при наличии элементов пола электрический сигнал не ограничивается, т. к. уровень ограничения (обозначен пунктирной линией) проходит выше. На фиг. 11 пунктирной линией показано как ограничивается амплитуда электрического сигнала, полученного от фона неба.

Как было показано выше заявляемые технические решения могут быть использованы для определения уровня нагрева буксовых узлов, осмотренных на фоне неба. Однако при осмотре буксовых узлов на фоне элементов в амплитудном ограничителе 7 электрический сигнал не ограничивается. В этом случае алгоритм работы устройства контроля нагрева буксовых узлов будет таким же как и в ПОНАБ 3.

Использование: для контроля нагрева буксовых узлов. Сущность изобретения: в способе инфракрасное излучение от буксового узла преобразуют в электрический сигнал, характеризующий нагрев, и по превышению его уровнем уровня опорного напряжения, сформированного ограничением электрического сигнала, соответствующего инфракрасному излучению от "фона неба" в зоне осмотра буксового узла судят о степени его нагрева; устройство содержит приемную капсулу с термоэлектрическим преобразователем инфракрасного излучения, формирователь опорного напряжения, блок усиления, формирователь управляющих и контрольных сигналов, связанный с датчиком прохода осей подвижного состава, регистратор сигналов контроля и следящий амплитудный ограничитель, содержащий блок ограничения уровня сигнала, последовательно соединенные однополупериодные выпрямители, анализатор амплитудно-временных характеристик сигнала, согласующий элемент и инвертор. 3 с.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ контроля нагрева буксовых узлов, заключающийся в том, что инфракрасное излучение от буксовых узлов преобразуют в электрический сигнал, характеризующий нагрев, сравнивают его с опорным напряжением, и по величине превышения уровня полученного электрического сигнала над уровнем опорного напряжения судят о нагреве буксового узла, отличающийся тем, что опорное напряжение формируют ограничением амплитуды электрического сигнала, соответствующего инфракрасному излучению от "фона неба" в зоне осмотра буксового узла. 2. Устройство для контроля нагрева буксовых узлов, содержащее приемную капсулу с термоэлектрическим преобразователем инфракрасного излучения, формирователь опорного напряжения, блок усиления, выход которого подключен к одному из входов формирователя управляющих и контрольных сигналов, к другим входам которого подключены датчики прохода осей подвижного состава, к одному из выходов управляющий вход формирователя опорного напряжения, а к другому выходу регистратор сигналов контроля, отличающееся тем, что оно снабжено амплитудным ограничителем, вход которого соединен с выходом приемной капсулы, а выход с сигнальным входом формирователя опорного напряжения. 3. Следящий амплитудный ограничитель, содержащий блок ограничения уровня сигнала, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя, отличающийся тем, что он снабжен последовательно соединенными однополупериодным выпрямителем, анализатором амплитудно-временных характеристик сигнала, согласующим элементом и инвертором, выход которого соединен с управляющим входом блока ограничения уровня сигнала, а вход однополупериодного выпрямителя с выходом усилителя.