Исследование приемоусилительного тракта

Голубицкий А.О.                                                                                            МД-41

Лабораторная  работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЕМОУСИЛИТЕЛЬНОГО  ТРАКТА

 

Цель работы: изучить назначение, устройство, принцип действия и ис-следовать режимы работы элементов и узлов приемоусилительного тракта.

 

1 Краткие сведения из  теории

 

Устройства приемоусилительного тракта предназначены для улавливания инфракрасной энергии излучения корпусов, букс, преобразования ее в 23 электрические импульсные сигналы и усиления последних до требуемой величины. В состав аппаратуры ДИСК-Б и КТСМ включены два или четыре приемоусилительных тракта для правой и левой сторон поезда. Каждый приемоусилительный тракт включает в себя приемник инфракрасного излучения (иммерсионный терморезисторный болометр типа БП1-2 или БП-2), предварительный и оконечный усилители и источник питания болометра. Болометр, предварительный усилитель и источник питания болометра размещаются в приемной капсуле напольной камеры, а оконечный усилитель – в блоке усиления стойки аппаратуры ДИСК-Б или в модуле МОТС аппаратуры КТСМ.

Болометр  БП-2 совмещает приемник инфракрасного  излучения (термо-

резисторные элементы) и приемную оптику. Принцип  действия болометра основан на изменении  электрического сопротивления терморезисторного элемента за счет падающего лучистого потока. Конструктивно болометр (рисунок 1) состоит из корпуса 2, держателя линзы 3, линзы 5, основания 7, изоляторов 8, цоколя 9 и выводов 10. Внутри корпуса болометра размещены основной 4 и компенсационный 6 терморезисторные элементы.

Линза болометра БП-2 выполнена  из германия, пропускающего инфра- красное излучение с длиной волны от 1,7 до 15 мкм. Линза впаяна в держа- тель, который крепится к основанию при помощи тугой посадки. Таким же образом крепится основание в цоколе.

Держатель линзы, основание и цоколь установлены  в цилиндрическом

корпусе из ковара. Наружный диаметр корпуса – 17,6 мм, а длина – 28 мм. 24 Торцы держателя линзы и цоколя соединяются с корпусом с помощью свар- ки, чем обеспечивается герметичность внутренней полости болометра.

Активный  терморезисторный элемент 4 размещается в фокусе линзы,

где концентрируется  измеряемое излучение, и находится  с ней в оптическом контакте, т. е. осуществлена иммерсия чувствительного  материала. Компен- сационный терморезисторный элемент 6 размещается на сапфировой под- ложке и защищен от инфракрасной радиации алюминиевым экраном. Оба элемента подключены к выводам серебряной проволокой диаметром 0,05 мм. Выводы болометра укреплены в цоколе на изоляторах из специ- ального стекла. Для влагозащиты стеклянных изоляторов цоколь заливается специальным компаундом.

 

 

Рисунок 1 –  Болометр БП-2

 

Одним из важных требований к аппаратуре теплового  контроля букс яв-

ляется обеспечение небольшого диаметра поля обзора корпуса буксового узла с целью исключения приема энергии излучения от посторонних нагретых предметов во время движения поезда. В достаточной степени этому требованию удовлетворяют характеристики приемной оптики болометра БП-2. Диаграмма направленности оптики болометра зависит от размеров приемной площади чувствительности элемента, радиуса линзы и коэффици- ента преломления материала линзы. При выбранных конструктивных пара- метрах болометра ширина диаграммы направленности оптики на уровне 0,5 выходного сигнала Uс составляет 3° (рисунок 2).

 

Рисунок 2 –  Диаграмма направленности болометра  БП-2

При такой  ширине диаграммы направленности оптики болометра и вы-

бранных размерах установки напольных камер  относительно рельсов диа-25 метр поля обзора корпуса буксового узла в  расчетной точке встречи со- ставляет приблизительно 80 мм.

Активный и компенсационный  терморезисторные элементы болометра БП-2 имеют сопротивление 2,5 ± 0,5 мОм при температуре окружающего воздуха 25 °С. Температурный коэффициент сопротивления полупроводни- кового материала равен 4 °С, при уменьшении температуры окружающего воздуха сопротивление болометра резко возрастает и при температуре ми- нус 20 °С достигает 50 мОм. Интегральная чувствительность болометра определяется по формуле

,

где

U_c – сигнал на выходе болометра, В;

W_эф – полная плотность теплового потока, Вт/см2;

F_б – площадь приемной поверхности чувствительного элемента, см2.

Для болометра БП-2 значение интегральной чувствительности задано на уровне 100 В/Вт при температуре окружающего воздуха 25 °С.

Наличие температурной зависимости  сопротивления болометра и его  интегральной чувствительности привело  к необходимости стабилизации температуры  внутри напольных камер. За счет применения системы термо- статирования напольных камер ДИСК-Б и КТСМ удалось в значительной степени уменьшить влияние температуры наружного воздуха на характери- стики болометра.

При работе аппаратуры обнаружения  перегретых букс в широком диа- пазоне скоростей движения контролируемых поездов важным параметром приемника инфракрасного излучения является его постоянная времени τ. Постоянная времени болометра БП-2 зависит от теплоемкости и коэффици- ента теплоотдачи чувствительного слоя, определяется его частотной харак- теристикой (рисунок 3) и рассчитывается по формуле

,

где f – частота, на которой чувствительность болометра составляет 0,7 его

чувствительности на частоте 10 Гц. Постоянная времени болометра

БП-2 находится в пределах 3–5 мс. Это обеспечивает контроль поез-

дов без искажения амплитуды выходного сигнала болометра до ско-

ростей движения около 100 км/ч. С целью расширения диапазона

скоростей движения контролируемых поездов до 250 км/ч в состав

оконечных усилителей включены специальные  корректирующие цепи.

Усилительный тракт предназначен для усиления до требуемой величины сигналов от букс, поступающих с  выхода болометра БП-2. Максимальный коэффициент усиления составляет 1 ∙ 104. Принцип построения усилительного тракта определяется характеристиками используемого болометра БП-2 и выбранным методом контроля температуры корпусов букс. Согласно этому методу амплитуда сигнала на выходе болометра пропорциональна разности температур корпуса буксы и окружающего воздуха (рамы вагона), а его длительность зависит от скорости поезда.

 

Рисунок 3 –  Частотная характеристика болометра  БП-2

 

Для диагностики  и оценки работы приемоизмерительного тракта в си-

стемах ДИСК-Б и КТСМ используются режимы имитации поезда с кон- трольными, тепловыми и без тепловых сигналов. Режимы имитации могут задаваться как с перегонной установки, так и со станционной стойки (ДИСК-Б) или с клавиатуры АРМа ЛПК (КТСМ). Далее рассмотрена диагностика приемоизмерительного тракта в системе КТСМ. На перегоне для этих целей с клавиатуры пульта вводятся команды 4 n, 2 n или 3 n.

Для имитации поезда с контрольными сигналами с клавиатуры пульта вводится команда:

4 n Enter,

где n – количество имитируемых вагонов (задается нажатием клавиш с

цифрами от 2 до 9). При этом заслонки напольных  камер откры-

ваются, тепловые сигналы имитируются цифроаналоговыми пре-

образователями  модулей МОТС, а информация, выводимая  на ин-

дикатор пульта, при имитации соответствует проходу реального

поезда  с нагретыми буксами. Для проверки этой операции следует 

просмотреть буферную память в ОЗУ периферийного  контроллера

ПК, в  которую записывается информация об осях, уровень тепловых

сигналов от которых превысил уровень у ставки «контроль»,

принятых  от АРМ ЛПК. Максимальное количество осей,

записываемых в буфер равно 20.

Для просмотра  содержимого буфера с клавиатуры пульта вводится команда:

16 Enter – для основных напольных камер;

116 Enter – для вспомогательных напольных камер.

При этом на индикатор пульта выводится одно из следующих сообщений:

1) НС ЦП – нет соединения с АРМом ЛПК (при обрыве кабельной ли- нии, соединяющей перегонные устройства КТСМ со станционными);

2) Б-Н – в буфере нет информации;

3) 005 01 02 17 3 4 – информация в буфере, где

005 – порядковый номер вагона (включая локомотивы);

01 – номер оси; 

02 – тепловой уровень, левая  сторона; 

17 – тепловой уровень, правая  сторона; 

3 – вершина теплового сигнала в стробе, левая сторона;

4 – вершина теплового сигнала  в стробе, правая сторона. 

Просмотр буфера осуществляется нажатием клавиш «↓» и «↑» на пульте (при мигающем курсоре – после нажатия клавиши «Shift»). При нажатии клавиши «↑» на индикатор выводится информация о следующей оси, записанной в буфер, при нажатии клавиши «↓» на индикатор выводится информация о предыдущей оси, записанной в буфер.

Сравнить содержимое буфера нагретых осей с информацией, принятой АРМом  ЛПК.

Режим имитации поезда с тепловыми сигналами проводится путем ввода с клавиатуры пульта команды:

2 n Enter,

где n – количество вагонов в имитируемом поезде, задается нажатием кла-

виш с цифрами от 0 до 9. При этом заслонки напольных камер за-

крыты, а тепловые сигналы имитируются включением контрольных

ламп, установленных в напольных  камерах в поле зрения боломет-

ров.

Информация, выводимая на индикатор  пульта при имитации аналогична данным при проходе реального поезда. Режим просмотра буфера для этого  вида имитации аналогичен приведенному ранее. Следует убедиться в том, что в буфер записана информация об осях, тепловые уровни которых имеют значение не ниже 20.

Режим имитации поезда без тепловых сигналов вводится с клавиатуры пульта командой:

3 n Enter,

где n – количество имитируемых вагонов (не менее двух). При этом за-

слонки напольных камер открываются, тепловые сигналы не

имитируются, информация, выводимая  на индикатор пульта при

имитации аналогична данным при проходе реального поезда без

нагретых букс. Режим просмотра  буфера для этого вида имитации

аналогичен приведенному ранее. Следует  убедиться в том, что в

буфер не записана информация.

Запуск имитации прохода контрольного поезда с клавиатуры АРМа ЛПК на КТСМ заключается в посылке команды  «имитация» на перегон. Для формирования команды и выбора режимов имитации необходимо выбрать указателем «мышки» изображение требуемого КТСМа, нажать правую кнопку «мышки», в появившемся меню выбрать иконку «Имитация на КТСМ» и нажать левую кнопку «мышки». Появится окно для включения режима имитации, приведенное на рисунке 4.

Рисунок 4 – Окно посылки команды на включение  режима

имитации  для КТСМ-01Д

 

В появившемся окне «Имитатор» необходимо: в поле «Подв. ед.» выбрать требуемое число вагонов (1–9), поставить отметку в режимах имитации и нажать кнопку «Передать». При этом окно закроется, а команда отправится КТСМу.

При формировании команды доступны следующие режимы имитации:

«Без тепловых» – имитация при открытых заслонках, сигнал на болометры поступает «от неба»;

«С тепловыми» – имитация при закрытых заслонках, сигнал на болометры подается от контрольных ламп;

«Контрольные» – имитация при закрытых заслонках, лампы не включаются, сигнал формируется искусственно.

Для проверки включения устройств  сигнализации и оповещения необходимо перед посылкой команды поставить  отметку в поле «Сигнализация». Действие этой отметки распространяется только на один имитационный поезд. При имитации «с перегона» или с АРМа без установки отметки сигнализация включаться не будет.

 

2 Порядок выполнения  работы

 

В соответствии с описанием имитации прохода поезда с пульта на перегоне и с АРМ ЛПК провести диагностику лабораторной установки КТСМ. Результаты имитации проконтролировать по индикатору пульта и по таблицам АРМ ЛПК.  

 

Рисунок 5 – Результаты имитации проконтролированные по индикатору пульта

 

Рисунок 5 – Индикатор пульта ПТ-03

 

3. Ответы на контрольные вопросы

 

1. Перечислите узлы и приборы, входящие в приемоусилительный тракт, и укажите их значение.

Каждый приемоусилительный тракт включает в себя приемник инфракрасного излучения (иммерсионный терморезисторный болометр типа БП1-2 или БП-2), предварительный и оконечный усилители и источник питания болометра.

Болометр  БП-2 совмещает приемник инфракрасного  излучения (термо-