CC BY
25
УДК 656.25:621.318
Б. М. БОНДАРЕНКО, А. П. РАЗГОНОВ, В. I. ПРОФАТИЛОВ (ДПТ)
обгрунтування оптимальних характеристик
оптичного каналу вим1рювання механ1чних параметр1в електромагн1тних реле
У CTarri наведено наукове обгрунтування й вибiр оптимальних характеристик оптичного каналу для ви-мiрювання динамiчних характеристик змiни повiтряного зазору мiж якорем i сердечником реле, що дозволяе автоматизувати процес вимiрювання механiчних параметрiв реле залiзничноi автоматики.
В статье приведено научное обоснование и выбор оптимальных характеристик оптического канала для измерения динамических характеристик изменения воздушного зазора между якорем и сердечником реле, что позволяет автоматизировать процесс измерения механических параметров реле железнодорожной автоматики.
The scientific substantiation and choice of optimum characteristics of the optical channel for measurement of dynamic characteristics of an air backlash change between the relay armature and core that allows automating a process of measurement of mechanical parameters of the railway automatic relays are presented in the paper.
Вступ
Проблема автоматичного вимiрювання ве-личини зазору мiж якорем i полюсним наконечником реле в процес його роботи безпосе-редньо пов'язана з можливютю автоматично! дiагностики працездатност реле в цшому, в тому чи^ й iз можливютю вимiрювання меха-шчних параметрiв реле затзнично! автоматики.
Для виршення цього завдання в рiзний час були запропоноваш рiзнi способи i пристро! [1, 2], але до цих тр не створено автоматизова-ного стенду для вимiрювання механiчних пара-метрiв реле залiзнично! автоматики без зняття захисного кожуха. З усiх запропонованих спо-собiв тiльки спосiб на базi оптичних засобiв вимiрювання з використанням фотометричних датчикiв е прямим i тому найбiльш точним способом вимiрювання [2]. Проте реатзащя цього способу пов'язана iз серйозними техшчними труднощами, зокрема, з проблемою точного позищювання зазору мiж якорем i полюсним наконечником напроти фотометричних датчи-кiв. Крiм того, необхщно вирiшити проблему оптичного вимiрювання змшно! ширини зазору мiж плоскими поверхнями якоря i наконечника, що знаходяться усередиш прозорого кожуху з оргашчного скла рiзно! товщини i оптично! щiльностi, з урахуванням можливих спотворень свiтлового променя i рiвномiрностi поля яскра-востi його проекци. При цьому необхiдно вра-ховувати, що мшмальний вимiрюваний зазор може бути зютавленим iз довжиною оптично! хвилi випромiнювача, що за певних умов може привести до значних дифракцшних спотворень оптичного сигналу [3, 4].
У зв'язку з цим, розробка i вибiр параметрiв оптичного каналу вимiрювання зазору вимага-ють наукового обгрунтування.
Оптичний канал повинен вщповщати насту-пним вимогам:
- точне позищювання об'екта вимiрювання;
- максимальна швидкють вимiрювання;
- необхiдна точнiсть;
- економiчна доцiльнiсть.
Аналiз методiв i пристроТв оптичних вимiрювань
Вiдомi методи оптичних вимiрювань д> ляться на прямi та непрямi.
При прямому методi значення фiзично! ве-личини отримують безпосередньо з даних ви-мiрювального експерименту. 1снуе ряд рiзно-видiв прямих вимiрювань: метод безпосеред-ньо! оцiнки, диференцiальний метод, нульовий метод та метод збтв.
Метод безпосередньоТ оцiнки полягае у прямому вимiрюваннi шукано! величини, значення яко! визначаеться безпосередньо за до-помогою вiдлiкового пристрою, що входить до вимiрювального приладу.
До методiв порiвняння вiдносять диферен-цiальний та нульовий методи.
Диференщальний метод порiвняння за-снований на реестрацi! вимiрювального сигналу, що е рiзницею вимiрювальних сигналiв, що поступають вiд дослщжуваного об'екта i мiри, що збер^ае еталонне значення вимiрювано! величини. Отже, в диференщальному методi безпосередньо вимiрюеться не сама шукана ве-
© Бондаренко Б. М., Разгонов А. П., Профатилов В. I., 2009
личина ^, а И вщступ ±Ак вiд величини Нк,
вщомо1 з високою точнiстю.
Бшьш розвиненими е методи порiвняння, засноваш на використаннi мiри або вимiрюва-льного приладу порiвняння (компаратора).
Джерела погрiшностей вiд приймач1в випром1нювання
Основною характеристикою приймачiв ви-промiнювання е чутливють. Для електронно-оптичних перетворювачiв, фотоелектричних i телевiзiйних приймачiв чутливють характеризуют вiдношенням сили виникаючого фотоструму i падаючого свплового потоку, при цьому чутливiсть залежить вiд довжини хвилi випро-мшювання. Кожен приймач працюе в певнш зонi довжини хвиль. Порiг чутливосп - най-менша яскравiсть або осв^ленють об'екта, на яку реагуе приймач. Недостатня чутливють приймача створюе несприятливi умови, за яких оптичний сигнал рееструеться на нелшшнш (початковш) дiлянцi свгтловох характеристики в умовах зниження контрасту, що до того ж рiзко знижуе вiдношення сигналу до шуму. А це, в свою чергу, викликае шдвищення погршнос-тей вимiрювань.
Способи обробки результапв оптичних ви-мiрювань детально описаш в [5]. В якостi оцш-ки дiйсного значення вимiрюваноl величини звичайно приймають середне арифметичне X отриманих результатiв вимiрювань iз масиву отриманих вiдлiкiв х,:
1 п
= 11 х.
" ,=1
Воно вважаеться найбiльш вiрогiдним зна-ченням шукано! величини, якщо вiдсутнi або виправлеш систематичнi погрiшностi й вщки-нутi промахи.
Середне квадратичне вщхилення (СКВ) ряду вимiрювальних вщлшв (спостережень) при кiнцевому числi вщлтв знаходять за формулою:
С х =±1
i=1
п -1
де V, = X - х .
СКВ е характеристикою точност методу i засобу вимiрювання.
1снуе спосiб безконтактного визначення розмiрiв i положення предмету, що полягае у отриманш тшьово! проекци предмету на фото-перетворювачi [6].
Наприклад, оптичнi мiкрометри РФ65Х компани <^фтек» (Бiлорусiя), що використо-вують цей принцип, призначенi для безконтактного вимiрювання i контролю положення, розмiрiв технологiчних об'ектiв ^аметр, тов-щина, ширина, зазор), а також вимiрювання рiвня рiдин i сипких матерiалiв. У основу робо-ти мiкрометра покладений тiньовий принцип. При розмщенш об'екта в обласп колiмованого пучка когерентного джерела випромшювання зображення об' екта формуеться телецентрич-ною оптичною системою на лшшщ фотоприй-мачiв - приладiв iз зарядовим зв'язком (ПЗЗ). За положенням тшьово1 меж процесор розра-ховуе положення (розмiр) об'екта.
У описаного пристрою, що реатзовуе ть ньовий метод оптичного вимiрювання, iснуе ряд особливостей. Використання оптично! роз-гортки дозволяе застосовувати для безперерв-ного зчитування шформаци багатоелементний фотоприймач на лшшщ ПЗЗ i здiйснити зш-мання шформаци протягом одного кадру, три-валiсть якого регулюеться в широких межах -до 0,1 мкс. Ця обставина дае можливють вико-ристовувати лазернi тiньовi вимiрювачi для ви-мiрювання параметрiв об'екпв, що рухаються з досить великою швидкютю.
Недолiком цього способу е те, що точнють вимiрювання при використанш даного способу залежить, перш за все, вщ точностi визначення меж контуру дослщжуваного об'екта. Дифрак-цiйнi ефекти приводять до того, що перехщ вiд свiтла до тш на фотоприймачi характеризуеть-ся певною довжиною, яка для фотоприймачiв на лшшщ ПЗЗ складае, як правило, декшька пiкселiв. Розмитiсть меж мiж свiтлом i тiнню знижуе точнють визначення розмiрiв об'екта, причому вплив цього чинника буде тим бшьше, чим менше розмiр об'екта.
Використання лшшок ПЗЗ також недощль-не для реестраци швидкоплинного процесу ро-боти реле через низьку швидкють зчитування шформаци в сучасних цифрових вiдеокамерах. Для доступно1 цифровое' вiдеокамери, яка сьо-годнi юнуе на ринку, цей показник складае 500 кадрiв на секунду з роздшьною здатнiстю 640 на 480 пiкселiв, а початок руху якоря реле типу НМШ за допомогою запатентованого авторами пристрою [7] був зафiксований через 1,5 мс гостя подачi живлення в обмотку реле. Звщси витiкае, що максимальна частота кадрiв для реестраци початку руху повинна бути не мен-шою за 750 кадрiв на секунду. При цьому, вар-тють цифрово1 вiдеокамери з вiдповiдними характеристиками, що випускаеться сьогоднi, наприклад Ба81^ео-400, складае бiльше 80 тис. грн. Використання джерела свгглового сигналу
X
без попередньо! тдготовки рiвномiрностi св> чення поля яскравосп не дае можливосн точ-них вимiрювань цього поля, при розмiрах зазору, що змшюеться в часi, мiж якорем i по-люсним наконечником реле, а також через зна-чне заломлення хвилi св^лового дiапазону в оптично неоднорiдному просторi з декiлькома межами переходу «повпря - скло - повггря».
Постановка завдання
Для створення оптичного каналу вимiрю-вання руху якоря реле (реестраци змiни повн-ряного зазору) необхщш фотометричнi датчики такого хвилевого дiапазону, випромiнювання якого найменш схильне до спотворень при про-ходженш зазору i декiлькох меж з оптичними середовищами рiзно! щiльностi з одночасним формуванням рiвномiрно! iнтенсивностi сигналу вимiрюваного поля яскравостi.
Це може бути досягнуто формуванням поля яскравосп розсiювачем за допомогою молочного скла, при використанш в якосн випромшю-вача прямокутно! свплодюдно! матрицi з некогерентних джерел випромшювання. З ура-хуванням того, що свпловий промiнь проходить декшька оптичних середовищ рiзно! щiльностi (повпря - скло - повiтря - скло -повпря) i лише одну оптичну щiлину, то дощ-льно використовувати хвилевий дiапазон, найменш схильний до заломлення в оргашчному скль
При роботi свплодюдно! матрицi спiльно з розсiювачем iз молочного скла первинним ви-промшювачем е центри свiчення свiтлодiодiв, а вторинним - зовшшня поверхня молочного скла. Методика i формули розрахунку освпле-ностi, яка створюеться зоною прямокутно! форми, е загально вщомими. Оптичш передава-льнi властивостi розсдавача визначаються його функцiею розсiяння точки i коефiцiентом про-пускання, при яких розсдавач стае вторинним ламбертовським випромшювачем. Розподiл яскравостi на його зовшшнш поверхнi, як i для метролопчного калiбрування прецизiйних фо-тометричних приладiв, описуеться вiдомими способами [8].
Фотометрична частина повинна забезпечу-вати швидюсть реестраци не менше 1 мс, бути дешевою i простою у настройщ та реалiзацil.
Шляхи ршення завдання
Для автоматизаци вимiрювання механiчних характеристик реле при вимiрюваннi повпря-ного зазору оптичним методом важливо врахо-вувати не просто дифракщю свiтла по контуру
об'екта, а дифракщю на щшини, так звану диф-ракцiю Фраунгофера.
Зпдно принципу Гюйгенса, кожна точка площини щiлини розмiром Ах , до яко! дiйшло свiтлове збурення, стае джерелом вторинних хвиль, що розповсюджуються на всi боки пiд рiзними кутами дифракци. Дифракцiйнi пучки когерентш i можуть iнтерферувати при накла-деннi. Результат штерференщ! на зазорi мiж якорем i полюсним наконечником реле у ви-глядi перюдичного розподiлу iнтенсивностi добре спостерiгаеться на екраш з молочного скла, розташованому на значнiй вiдстанi вiд реле (рис. 1). Аналпичний розрахунок розпод> лу iнтенсивностi свiтла при дифракци на щiлинi наданий у [3, 4].
Рис. 1. Результат штерференцп променя, який пройшов кр1зь зазор мгж якорем 1 полюсним наконечником реле
Слщ враховувати, що оптичний промшь шддаватиметься не тiльки дифракци на щшиш, але i дисперси при проходженш прозорого кожуха реле зi стiнками з органiчного скла рiзно! товщини й оптично! щiльностi.
З погляду геометрично! оптики, дисперсiю можна пояснити як вiдмiннiсть показникiв заломлення промешв рiзного кольору, при цьому червоний колiр мае найменший показник заломлення, а фюлетовий максимальний (на вiдмiну вiд заломлення аналопчних променiв в результат дифракцi!). Хвилева оптика трактуе показник заломлення як вщношення швидкостей свiтла у вакуумi i данш речовинi:
с
п = — , и
тому швидюсть розповсюдження у скт хвиль, вiдповiдних червоному кольору, максимальна [3]:
с
^кр =
кр
Для спрощення автоматизаци процесу i точного вимiрювання оптичного сигналу, що пройшов через щiлину (зазор) i прозорий кожух, необхiдно добитися усунення максимумiв i мiнiмумiв сигналу, а також забезпечити кон-центращю променiв у межах фоточутливого елементу, тобто створити рiвномiрну штенсив-шсть сигналу вимiрюваного поля яскравостi.
За рахунок складно! картини спотворень лазерного променя, використання когерентного джерела випромшювання (лазера) не забезпе-чуе необхщно! точностi вимiрювань (не менше 0,05 мм).
З вищевикладених тдстав для вимiрювань динамiчно! характеристики змши повiтряного зазору реле залiзнично! автоматики типу НМШ або РЕЛ вибрано iнфрачервоний дiапазон, а в якостi оптичного випромiнювача була при-йнята св^лодюдна матриця на основi свгглод> одiв iнфрачервоного випромiнювання 5058ТЛ47 iз довжиною хвилi 950 нм i шириною спектрально! смуги випромшювання 40 нм.
На рис. 2 наведена схема реле типу НМШ, що пояснюе розташування елемен^в реле i фо-тометричних датчиюв вимiрювання пов^ряно-го зазору.
Рис. 2. Схема розташування елеменпв реле 1 фотометричних датчишв:
1 - прозорий кожух; 2 - фронтов! контакти;
3 - загальш контакти; 4 - тилов1 контакти;
5 - противага; 6 - полюсний наконечник;
7 - яюр; 8 - фотоприймач; 9 - обмотка реле;
10 - оптичний випромшювач
За наслiдками випробувань були отримаш показовi результати використання рiзних тишв випромiнювачiв.
На рис. 3 а, б представлеш порiвнянi результати використання когерентного випром> нювача (лазера) й шфрачервоно! прямокутно! матрицi. На рис. 3 б немае спотворень контуру зазору, яю на рис. 3 а викликаш явищем диф-ракцi!.
Для реестрацi! та вимiрювання змiнного сигналу яскравостi найбшьш швидкiсним i еко-номiчним е метод iз застосуванням одного фотоелемента з широкою фотоприймальною
площею для формування проекцi! поля яскра-востi зазору. В якостi колiматора (формувача паралельного пучка) доцiльно застосовувати простий колiматор у виглядi отвору, що калiб-руеться. а)
Рис. 3. Приклади використання в якосп джерела випром1нювання променя: а) когерентного джерела випром1нювання (лазера); б) шфрачервоно! прямокутно!' матрищ, який пройшов кр1зь прозорий кожух та зазор м1ж якорем 1 полюсним наконечником реле
З щею метою в якосп фотоприймача виб-раний фотодiод ФД24К iз дiапазоном спектрально! характеристики 470.. .1200 нм i дiаметром фоточутливого елементу 10 мм.
Для точного позищювання пов^ряного зазору реле були запатентовав спосiб i пристрш ВДК (вимiрювально-дiагностичний комплекс), принцип дп якого полягае в скануваннi плат-форми з реле мiж випромшювачем i фотоприй-мачем [9, 10].
На рис. 4 наведена динамiчна характеристика змши пов^ряного зазору реле НМШ в цикл «Ввiмкнення - Вимкнення», зареестрована оптичним каналом вимiрювання ВДК.
На рис. 5 наведет результати перевiрки ка-лiбрування оптичних датчикiв ВДК по лшшно-стi вимiрювання повiтряного зазору реле при
кроц1 ручного регулювання зазору, р1вному 0,1 мм. На рисунку видно нелшшшсть першого кроку результапв вим1рювання: при його значены 0,1 мм, прилад зафшсував значення бли-зько 0,05 мм, що може бути враховане в програмнш обробщ вим1рювання.
\ 1 V
\
Й 1 с
Н «1 Ь> о* о» 1 "и 1* 1«
Рис. 4. Динашчна характеристика змши повиряного зазору реле НМШ
При мшмальному допуску висоти антима-гштного штифта (для деяких титв реле -0,15 мм), погршшсть вим1рювання, яка отри-мана в результат кал1брування I наведена на рис. 3, може вважатися допустимою.
Рис. 5. Результати кал1брування пристрою 1 перев1р-ки лшшносп вим1рювання повиряного зазору реле
Висновок
Використання когерентного джерела ви-промшювання (лазера) не забезпечуе необхщ-но! точност вим1рювань.
Використання лшшок ПЗЗ недоцшьне для реестрацп швидкоплинного процесу роботи
реле через низьку швидюсть зчитування шфо-рмаци або через високу вартють цифрово! ка-мери.
Для вим1рювання динам1чно! характеристики змши повиряного зазору реле затзнично! автоматики доцшьно використовувати шфраче-рвоний д1апазон, в якосп оптичного випром1-нювача - некогерентну свплодюдну матрицю, а в якосп фотоприймача - фотодюд 1з широкою фотоприймальною площею 1 простим кол1ма-тором 1з розсдавачем 1з молочного скла у ви-гляд1 отвору з можливютю катбрування.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Совершенствование методов обслуживания и эксплуатации устройств СЦБ [Текст] : отчет по НИР / ЦНИИ МПС. - 553-У-76-78. - Свердловск, 1978. - 162 с.
2. Стенд для проверки реле СЦБ. Разработка предложений по созданию стенда на базе КТС-ЛИУС-2 [Текст] : отчет по НИР / ДИИТ. -353/3803. - Д., 1983. - 54 с.
3. Ландсберг, Г. С. Оптика [Текст]. - 5-е изд. / Г. С. Ландсберг. - М.: Наука, 1976. - 928 с.
4. Ваганов, Р. Б. Основы теории дифракции [Текст] / Р. Б. Ваганов, Б. З. Каценеленбаум. -М.: Наука, 1982. - 272 с.
5. Еськова, Л. М. Основы метрологии и оптические измерения [Текст] : методические указания. - СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 1999. - 56 с.
6. Пат. 2262660 Российская Федерация. Способ и устройство бесконтактного оптического измерения размеров объектови [Текст] / Венедиктов А. З., Демкин В. Н., Доков Д. С.; заявл. 20.10.05, Бюл. № 29.
7. Пат. на винахщ 70568 Укра!на. Пристрш для вим1рювання перемщення якоря електро-магнгтного реле [Текст] / Разгонов А. П., Анд-реевських О. В., Бондаренко Б. М., Безрука-вий Д. А.; заявл. 25.04.07, Бюл. № 5 (2007).
8. Иванов, Л. П. Оптика рассеивающих сред [Текст] / Л. П. Иванов. - Мн: Наука и техника, 1969. - 448 с.
9. Декл. пат. на корисну модель 7850 Укра!на. Пристрш для вим1рювання мехашчних параме-тр1в електромагнггного реле [Текст] / Разгонов А. П., Андреевських О. В., Бондаренко Б. М., Безрукавий Д. А.; заявл. 15.07.05, Бюл. № 7 (2005).
10. Пат. на корисну модель 35716 Укра!на. Спос1б автоматизацп контролю мехашчних параметр1в електромагштного реле [Текст] / Разгонов А. П., Андреевських О. В., Бондаренко Б. М., Безрукавий Д. А.; заявл. 10.10.08, Бюл. № 19.
Надшшла до редколегп 15.09.2009. Прийнята до друку 18.09.2009.
