УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР БУКСОВЫХ УЗЛОВ ДВИЖУЩЕГОСЯ ПОЕЗДА

Полезная модель относится к устройствам контроля подвижного состава и предназначено для бесконтактного обнаружения перегретых букс колесных пар железнодорожного транспорта методом регистрации теплового излучения в условиях движения поезда.
Известен приемник инфракрасного излучения (RU 57455 U1, 10.10.2006, G01J 5/02), содержащий установленную на охлаждаемое основание подложку с фоточувствительными элементами на основе твердого раствора с легколетучим компонентом, например, ртутью, с подключенными к ним токопроводящими дорожками и общей шиной снятия сигнала и выполненную из кремния коммутационную пластину, установленную на подложке посредством индиевых столбов, подключенных к фоточувствительным элементам, причем общая шина снятия сигнала размещена на коммутационной пластине и выполнена в виде многоуровневой разводки от каждого индиевого столба.
Известный приемник не обладает достаточной для эксплуатационных условий железнодорожного транспорта надежностью и требует глубокого (до 77 К) охлаждения от специальной микрокриогенной системы, имеющей низкий ресурс (от 1000 до 5000 часов).
Известно устройство (US 3998549A1, 21.12.1976 В61К 9/06, G01J 5/52) для обнаружения перегретых букс подвижного состава, содержащее корпус с закрывающимся заслонкой входным окном, поворотное вращающееся зеркало, входной объектив, модулятор с двигателем, промежуточный объектив, приемник излучения, соединенный с предусилителем, фильтром и усилителем сигнала.
Устройство обеспечивает определение температуры букс подвижного состава путем сравнения сигнала излучения буксы с сигналом от излучения калибратора. Однако с течением времени вращающееся позолоченное зеркало и другие оптические компоненты конструкции подвергаются воздействию окружающей среды под движущимся поездом, в том числе осаждению пыли и грязи, повреждению позолоченной поверхности, что приводит к искажению излучаемого объектом сигнала и неправильному определению его температуры.
В качестве наиболее близкого аналога принято устройство для обнаружения перегретых букс подвижного состава (RU 45698 U1, 2005.05.27, В61К 9/06), содержащее размещенные в кожухе заслонку с двигателем, объектив, модулятор с двигателем, промежуточный объектив, приемник излучения с термоэлектрическим охладителем, блок обработки сигнала, при этом одна из сторон заслонки, обращенная к приемнику излучения сторона выполнена в виде модели абсолютно черного тела с встроенным в него датчиком температуры, а фоточувствительные элементы приемника излучения выполнены на основе материала CdHgTe.
В известном устройстве во время прохождения поезда заслонка открыта, во входное окно камеры попадает пыль и грязь, что увеличивает погрешность измерений теплового потока буксовых узлов вагонов движущегося поезда.
Задачей полезной модели является создание надежного в эксплуатации устройства для качественного теплового контроля, позволяющего гарантировано эксплуатировать буксовые узлы подвижного состава.
Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации устройства и достоверности результатов измерения температуры буксовых узлов движущегося поезда.
Это достигается тем, что устройство для измерений температур буксовых узлов движущегося поезда содержит напольную камеру с входным окном для приема тепловых излучений буксовых узлов движущегося поезда, заслонку входного окна с приводом, последовательно установленные в камере напротив входного окна объектив, модулятор, оптическую систему переноса тепловых излучений и многоэлементный фотоприемник теплового излучения с термоэлектрическим охладителем, датчиком температуры и усилителем выходных сигналов, а также размещенные в камере блок обработки и интерфейс взаимодействия с сетевой системой теплового диагностического контроля ходовых частей поездов, при этом обращенная к входному окну сторона заслонки выполнена в виде модели абсолютно черного тела с встроенным в нее датчиком температуры, входное окно камеры герметично закрыто прозрачным для теплового излучения и устойчивым к абразивным повреждениям стеклом, модулятор выполнен в виде механически соединенного с двигателем сапфирового диска, у которого сторона, обращенная к фотоприемнику, выполнена с нанесенным фотолитографическим способом металлическим растром, блок обработки включает последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и процессор, информационные выходы/входы которого подключены к входам/выходам интерфейса взаимодействия с сетевой системой теплового диагностического контроля ходовых частей поездов, управляющие выходы соединены с входами соответственно привода заслонки и двигателя модулятора, соответствующие входы аналого-цифрового преобразователя подключены выходам фотоприемника и датчика температуры заслонки.
Фоточувствительные элементы фотоприемного устройства выполнено на основе CdHgTe, а в качестве абразивностойкого материала используют лейкосапфир.
В одном из вариантов устройства по периметру заслонки на стороне, обращенной к входному окну, установлен очиститель стекла входного окна.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства.
Позицией 1 на фиг.1 обозначен буксовый узел колесной пары вагона.
Устройство для измерений температур буксовых узлов движущегося поезда содержит напольную камеру 2 с входным окном для приема тепловых излучений буксовых узлов 1 движущегося поезда, заслонку 3 входного окна с приводом 4, последовательно установленные в камере 2 напротив входного окна объектив 5, модулятор 6, оптическую систему 7 переноса тепловых излучений и многоэлементный фотоприемник 8 теплового излучения с термоэлектрическим охладителем, датчиком температуры и усилителем выходных сигналов, а также размещенные в камере 2 блок 9 обработки и интерфейс 10 взаимодействия с сетевой системой теплового диагностического контроля ходовых частей поездов (на чертеже не показана).
При этом обращенная к входному окну сторона заслонки 3 выполнена в виде модели 12 абсолютно черного тела с встроенным в нее датчиком 11 температуры. Входное окно 13 камеры 2 герметично закрыто прозрачным для теплового излучения и устойчивым к абразивным повреждениям материалом.
Модулятор 6 выполнен в виде механически соединенного с двигателем 14 диска 15 из лейкосапфира, у которого сторона, обращенная к фотоприемнику 8, выполнена с нанесенным на нее фотолитографическим способом металлическим слоем в форме растра.
Блок 9 обработки включает последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 16 и процессор 17, информационные выходы/входы которого подключены к входам/выходам интерфейса 10 взаимодействия с сетевой системой теплового диагностического контроля ходовых частей поездов, управляющие выходы - соединены с входами соответственно привода 4 заслонки 3 и двигателя 14 модулятора 6, соответствующие входы аналого-цифрового преобразователя 16 подключены к выходам фотоприемника 8 и датчика 11 температуры заслонки.
По периметру заслонки 3 на стороне, обращенной к входному окну, установлен очиститель 18 входного окна 13.
Устройство для измерения температур буксовых узлов движущегося поезда работает следующим образом.
При подходе поезда к напольной камере 2 от сетевой системы теплового диагностического контроля ходовых частей подвижного состава через интерфейс 10 на вход процессора 17 поступает сигнал включения устройства. Процессор 17 формирует управляющий сигнал для включения привода 4 заслонки 3 и двигателя 14 модулятора 6. Привод 4 открывает заслонку 3. С помощью включенного двигателя 14 диск 15 модулятора 6 начинает вращаться с заданной частотой вращения. Выполнение диска 14 из лейкосапфира позволяет повысить точность измерения за счет фотолитографического исполнения лопастей модулятора (погрешность не более пяти микрометров) и абразивной стойкости, обеспечивающей долговременную стабильность оптических характеристик.
Входное окно 13 камеры 2 выполнено из абразивностойкого материала, прозрачного для тепловых лучей, например, из лейкосапфира. Герметизация входного окна 13 камеры 2 материалом, обладающим такими свойствами, исключает попадание пыли и грязи внутрь камеры, что повышает точность измерений.
Тепловое излучение от буксового узла 1 поступает через входное окно 13 на объектив 5, который фокусирует тепловой поток в плоскость модулятора 6. Диск 15 модулятора 6 выполнен таким образом, что обеспечивает прерывание излучения от буксового узла 1 с частотой 6 МГц-12 МГц. После модулятора 6 излучение от буксового узла 1 с помощью оптической системы 7 проецируется на чувствительные элементы многоэлементного фотоприемного устройства 8.
Оптическая система 7 включает установленные на одной оси линзы, изготовленные из кремния, что позволяет уменьшить габариты и одновременно обеспечить высокую светосилу оптической системы 7. Для вращения диска 15 используют бесколлекторный двигатель 14 постоянного тока. У диска 15 сторона, обращенная к фотоприемнику 8, за счет металлического слоя, выполненного в форме растра, имеет зеркальную поверхность с прорезями для обеспечения прерывания потока излучения от буксового узла 1 с заданной частотой.
Таким образом, на чувствительные элементы фотоприемника 8 в течение одного полупериода попадает излучение от буксового узла 1, а в течение следующего периода собственное излучение фотоприемного устройства 8, отраженное от зеркальной поверхности диска 15. Фотоприемное устройство 8 осуществляет преобразование теплового потока буксового узла в электрические сигналы и их усиление.
В качестве фотоприемника 8 используют фотоприемник, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, термоэлектрический охладитель, работающий в режиме термостабилизации, и датчик температуры.
Термоэлектрический охладитель стабилизирует температуру фотоприемника 8 во время эксплуатации устройства в соответствии с температурой окружающей среды.
Температура фотоприемного устройства 8 измеряется его датчиком температуры. В одном из вариантов выполнения фотоприемного устройства 8 датчик температуры включен в одно из плеч мостовой схемы, в другом плече которого потенциометром достигается баланс моста, соответствующий определенным значениям сопротивления датчика температуры и температуры фотоприемника 8. Сигнал разбаланса моста усиливается дифференциальным усилителем и через усилитель мощности управляет темоэлектрическим охладителем.
Матрица фоточувствительных элементов состоит, по меньшей мере, из 5 элементов, фоточувствительный слой которых изготавливают методом молекулярно-лучевой эпитаксии пленки на основе CdHgTe (KPT).
Такое выполнение фотоприемника 8 позволяет безинерционно воспринимать фотоны теплового излучения и практически без погрешности воспринимать тепловой поток буксового узла при эксплуатационной скорости движения поезда.
С выходов фотоприемного устройства 8 электрические сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь 16 блока 9 обработки, который осуществляет их цифровое преобразование. Процессор 17 осуществляет выделение полезного сигнала в рабочей полосе частот, уменьшая тем самым уровень помех. В качестве процессора используют цифровой сигнальный процессор.
После прохождения поезда процессор 17 формирует сигнал на закрытие заслонки 3. При этом очиститель, выполненный, например, в виде волосяной щетки, очищает стекло 13 входного окна от загрязнений. Сторона заслонки 3, обращенная к объективу 5, выполнена в виде черного тела с встроенным в него датчиком температуры, что позволяет откалибровать устройство в том состоянии и в тех же условиях окружающей среды, что и проводимые измерения. Это повышает оперативность и точность измерения температуры буксы.