09
дек
Международный семинар
Директор по науке ООО «МСД Холдинг», к.т.н. Сиротинин В. И. принял участие в международном семинаре «Новые технические и проектные решения для объектов тягового энергоснабжения. Диагностика оборудования и повышение энергоэффективности», прошедшем 5-6 сентября 2013 г. в г. Днепропетровске (Украина).
читать полностью
24
сен
Введен в эксплуатацию новый комплекс ВКУЗ

ООО «МСД Холдинг» успешно провел испытания и ввел в эксплуатацию на Куйбышевской ж.д. комплекс видеоконтроля состояния компенсирующих устройств и заземлений опор контактной сети – ВКУЗ.

           


читать полностью
04
июн
Повышение безопасности движения - основная задача, решаемая ООО "МСД Холдинг"

ООО «МСД Холдинг» запустило в серийное производство лазерную быстродействующую систему диагностики контактного провода «Износ».


читать полностью

Сафин В.Г. Метрологические характеристики устройства дистанционного измерения параметров контактного провода «Телекс-2»

Средства измерений, погрешности измерений, код Баркера, медианный фильтр

В настоящее время для оценки состояния подвески контактного провода (КП) на электрифицированных участках железных дорог России используется семейство средств измерений (СИ), разработанных сотрудниками кафедры радиоэлектронных средств «ЛЭТИ» в соавторстве с сотрудниками ООО «МСД Холдинг».

К ним, в первую очередь, относится система, базирующаяся на основе вагона измерительного контактной сети «ВИКС ЦЭ», который осуществляет регулярные объезды главных путей электрифицированных железнодорожных магистралей.

Для оценки состояния подвески КП на станциях и неосновных участках электрифицированных путей используется комплекс «Визир», устанавливаемый на автомотрисах типа АДМ Тихорецкого машиностроительного завода. Данный носитель позволяет одновременно с контролем состояния подвески производить и ее ремонт и наладку.

Третьим устройством в данном семействе является переносной измеритель параметров КП «Телекс-2», который, в свою очередь, позволяет оперативно производить измерения соответствующих параметров в ручном режиме, сохранять результаты измерений с привязкой к местности и выводить их при помощи дополнительного программного обеспечения на ЭВМ для дальнейшей обработки и накопления.

Все указанные выше системы и устройства производятся предприятием ООО «МСД Холдинг» и имеют Свидетельства об утверждении типа средств измерений и допущены к применению в Российской Федерации.

Основными параметрами подвески КП являются высота его подвески относительно уровней головок рельс (УГР) и смещения относительно оси токоприемника. Так рабочей зоне соответствует высота подвески КП в диапазоне от 5400 до 6900 мм относительно УГР и смещение КП относительно оси токоприемника от минус 600 до плюс 600 мм.

Описанные выше СИ хоть и имеют аналогичные структурные схемы трактов измерения геометрических параметров КП, однако обладают различными функциональными возможностями. Структурная схема устройства «Телекс-2», представленная на рис.1, состоит из следующих узлов:

—     трех телевизионных камер, построенных на координатно-чувствительных ПЗС ‑ линейках, установленных в фокальной плоскости объективов камер и оснащенных автоматической регулировкой усиления за счет изменения величины электронного затвора, что позволяет получать постоянное значение отношения сигнал/шум выходного сигнала;

—     контроллера управления, осуществляющего прием и обработку изображений, получаемых с выхода телевизионных камер, с использованием медианной фильтрации и с последующим расчетом геометрических параметров КП;

—     аккумуляторного блока питания устройства, оснащенного монитором уровня заряда батареи;

—     радиочастотного трансивера, предназначенного для осуществления обмена данными с пультом дистанционного управления устройства. Для повышения помехоустойчивости канала связи в трансивере используется кодирование последовательностью Баркера, обладающей минимальным уровнем боковых лепестков автокорреляционной функции и наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что обуславливает его широкое применение в цифровых системах передачи информации.


Данная структурная схема устройства при соответствующем выборе элементов его оптической схемы позволяет реализовать требуемые технические характеристики прибора, к которым, прежде всего, относят диапазон измеряемых значений высоты и смещения КП. Однако его метрологические характеристики, т.е. характеристики одного из свойств СИ, влияющие на результат измерений и на его погрешность, будут определяться не только схемотехническими решениями, лежащими в его основе, и конструкцией устройства, но и методом расчета соответствующих геометрических параметров КП. В связи с этим целью данной статьи явился метод определения геометрических параметров КП и характеристик чувствительности СИ к влияющим величинам, т.е. метрологических характеристик.

Предлагаемый метод определения геометрических параметров КП, основанный на использовании триангуляционного метода измерения расстояний, поясняется на рис. 2.

Отличие от классического метода в данном случае заключается в наличии дополнительной телевизионной камеры (камера 0) предназначенной для селекции виртуальных объектов, возникающих при наблюдении двух и более объектов в рабочей зоне.


Параметры КП (высота и смещение) в данном случае определяются исходя из следующих соотношений:

и являются функцией тангенсов углов визирования КП α и β при фиксации базового расстояния между камерами B.

Измерение углов визирования α и β в камерах 1 и 2 производится при помощи координатно-чувствительных ПЗС-линеек, установленных в фокальной плоскости объективов камер. Результатом обработки изображения поступающего с выхода ПЗС-линейки является номер пиксела, соответствующий середине наблюдаемого на фоне неба КП.

В простейшем случае для получения значения тангенсов углов визирования можно воспользоваться следующими соотношениями:

(1)

где  и  - номера пикселов, соответствующих середине наблюдаемого на фоне неба КП, для камеры 1 и камеры 2, соответственно, Δ – длина пиксела, используемой ПЗС-линейки, F – фокусное расстояние объектива.

Соотношения (1) справедливы в случае параллельности фокальной плоскости камеры плоскости УГР, как показано на рис.2, и идеальности характеристик используемой оптической системы (объектива).

На практике и первое, и второе условия, при которых справедливы соотношения (1), не выполняются.

Первое, исходя из необходимости обеспечения максимального использования ПЗС-линейки в пространстве визирования контактного провода, что требует развернуть камеры в сторону зоны возможных положений КП.

Второе условие не выполняется из-за возникновения аберраций оптической системы, которые в плоскости изображения приводят к искажениям измеряемых параметров. Кроме того, погрешность значения фокусного расстояния объектива, входящего в соотношения (1), в серийном производстве составляет 1% [1].

Исходя из чего, возникла необходимость в методе расчета тангенсов углов визирования КП, не зависящем от угла поворота камеры 1 и 2 относительно УГР, и в оценке степени влияния реальных характеристик оптической системы и условий эксплуатации прибора на точность определения геометрических параметров КП.

Для того чтобы установить аналитическую связь между тангенсами углов и номерами пикселов, соответствующими серединам наблюдаемых на фоне неба КП (координатно-угловая характеристика — КУХ) поступим следующим образом.

Расположим в нижней части рабочей зоны прибора на одинаковом расстоянии друг от друга K имитаторов КП, таким образом, чтобы в фокальной плоскости всех трех камер изображение имитаторов занимало максимально возможную часть ПЗС ‑ линейки. Зная реальные значения высоты Hk (k=1…K) и смещения Lk каждого из имитаторов КП и номера пикселов Nk1 и Nk2, соответствующих серединам наблюдаемых имитаторов КП, установим связь между значениями тангенсов углов визирования и номерами пикселов ПЗС – линейки, расположенной в фокальной плоскости оптической системы телевизионной камеры, а именно tgαk=F (Nk1) и tgαk=F (Nk2).

При KNmax появляется возможность табличного определения углов визирования и, соответственно, определения параметров подвески КП с предельно достижимой точностью. Однако, в этом случае, процедура настройки потребует больших затрат времени на установку имитаторов и измерение их высоты и смещения эталонными измерительными средствами. Ускорить процесс настройки позволит аппроксимация полученной характеристики любым из существующих методов на основе ограниченного числа имитаторов КП. Погрешность расчета тангенсов углов визирования и погрешность измерений прибора при этом будет зависеть от вида аппроксимирующего полинома и количества точек аппроксимации.

В первом приближении, указанную выше КУХ для каждой из камер удобно аппроксимировать, например, степенным полиномом. Требуется лишь определить максимальную степень аппроксимирующего полинома и количество имитаторов КП используемых при настройке, для чего необходимо рассмотреть вопрос о характере аберраций возникающих в объективах камер.

Вследствие аберраций точка объекта изображается в виде фигур рассеяния, а прямые линии – нерезкими и искривленными. Аберрации делятся на два основных вида хроматические и монохроматические. Монохроматические аберрации можно разбить на аберрации широкого пучка и полевые аберрации (астигматизм, кривизна поля и дисторсия). Среди указанных видов аберраций наибольший интерес в данном случае представляет дисторсия, приводящая к нарушению подобия в геометрической форме между предметом и его изображением и, следовательно, к погрешностям измеряемых параметров.

При расчете оптических систем широко применяется теория аберрации третьего порядка [2, 3]. При аналитическом описании дисторсии в этом случае, используют следующее соотношение:

(2)

где ω – угол визирования объекта, n – показатель преломления среды,  ‑ поверхностный коэффициент дисторсии третьего порядка.

Учитывая, что значение функции тангенса для малых углов равно величине угла и прямо пропорционально длине противолежащего катета, а также на основании (2), можно сделать вывод о том, что для эффективной коррекции геометрических искажений вызванных дисторсией можно использовать полиномиальную аппроксимацию КУХ с максимальной степенью используемого полинома не более 3, а количество точек аппроксимации при этом должно быть равным 4.

В ходе математического моделирования прибора «Телекс-2» были получены зависимости, характеризующие метрологические характеристики прибора при аппроксимации КУХ камер полиномом Чебышева третьей степени без учета влияния искажений оптической системы прибора.

На рис.3 приведены зависимости максимума (кривые 1…3) и минимума (кривые 4…6) погрешности определения тангенсов углов визирования камеры 1 () для трех случаев расположения КП, в функции от его смещения. На рисунке приняты следующие обозначения. Кривые 1 и 4 построены для высоты расположения КП мм, 2 и 5 – для высоты мм и 3 и 6 – для высоты мм.

Погрешность определения тангенсов углов визирования камеры 2 () будут аналогичны, приведенным на рис.3, с той лишь разницей, что они будут развернуты справа налево.

Исходя из данных, приведенных на рис.3, были получены зависимости погрешности измерения высоты (рис.4, а) и смещения КП (рис.4, б) в функции от его смещения.

 

Здесь, как и ранее на рис. 3, кривые 1…3 соответствуют максимуму соответствующей величины, кривые 4…6 – минимуму. Кривые 1 и 4 построены для высоты расположения КП мм, 2 и 5 – для высоты мм и 3 и 6 – для высоты мм.

Далее был проведен анализ аберраций вносимых оптической системой прибора, представляющей собой объектив «Индустар-90У». В спецификациях на фотографические объективы обычно отсутствует параметр, позволяющий оценивать его дисторсию. Исходя из чего, была произведена оценка дисторсии применяемого в приборе объектива Индустар-90У. Объем анализируемой выборки составил 120 объективов. Установлено, что дисторсия в указанной партии объективов не превысила значения 1,3%. Кроме того, в указанной выборке контролировалась величина фокусного расстояния, погрешность которого составила ±1.5%.

Опираясь на полученные экспериментальные значения дисторсии, был проведен анализ погрешностей измерения параметров подвески КП, результаты которого приведены на рис.5. Здесь приняты аналогичные обозначения, но, в отличие от характеристик изображенных на рис.4, приведены только отклонения измеряемой высоты КП, в связи с малостью отклонения измеряемых значений смещения.

На следующем этапе анализа точности предложенного метода аппроксимации КУХ телевизионных камер проверялась чувствительность погрешности измерений прибора к внешним механическим воздействиям.

При проведении измерений прибор устанавливается горизонтально таким образом, что опоры расположенные по краям прибора опираются на головки рельс. Корпус прибора при этом будет прогибаться в направлении силы тяжести, что приведет к дополнительному повороту камер 1 и 2.

Задавшись характеристиками материалов, используемых при изготовлении корпуса прибора, и его полной массой приведенной в ТУ на изделие был произведен расчет величины прогиба корпуса [4] и определены дополнительные углы разворота камер 1 и 2. После чего путем математического моделирования были вычислены погрешности измерений прибора, вызванные данным прогибом корпуса прибора. Результаты расчетов приведены на рис.6, аналогично рис.4 и 5.

Анализ воздействия на прибор внешних климатических воздействий, к которым, в первую очередь, следует отнести температуру окружающей среды, проводился в два этапа. На первом производилась оценка влияния изменения геометрических размеров прибора, а на втором — оценка влияния изменений свойств оптической системы на точность измерений параметров КП прибора.

Для диапазона рабочих температур -20…+50 градусов Цельсия можно считать, что температура прибора может меняться в диапазоне  градусов относительно нормальной температуры, составляющей  +15 градусов Цельсия.

Изменение базы прибора при изменении температуры окружающей среды описывается следующим соотношением:

,

где  – коэффициент линейного расширения материала,  - изменение температуры, — база прибора.

В качестве материала при изготовлении корпуса прибора, согласно конструкторской документации, используется прямоугольная труба сечением 80*50*4 из сплава АД31, имеющего коэффициент линейного расширения  равный  град-1.

База прибора составляет 1500 мм. Таким образом, изменение базы во всем диапазоне рабочих температур составит не более

мм.

Очевидный расчет показывает, что точность определения высоты КП не превысит значения

мм.

Основной характеристикой оптической системы, оказывающей влияние на КУХ, можно считать согласно (1) значение фокусного расстояния F. И, соответственно, оценку влияния температуры окружающей среды на точность измерений прибора можно рассматривать через призму ее влияния на F.

Т.к. объектив является сложной оптической системой состоящей из нескольких линз достаточно сложно произвести расчет изменения его фокусного расстояния при изменении температуры окружающей среды, а подобные характеристики в спецификациях не приводятся. Однако характер этой зависимости должен совпадать с аналогичной характеристикой одиночной линзы.

Согласно [5] фокусное расстояние тонкой линзы определяется при помощи следующего соотношения:

,                                            (3)

где n – показатель преломления материала линзы,  и  ‑ радиусы кривизны поверхностей линзы,  ‑ толщина линзы.

Известно, что как показатель преломления материала линзы, входящий в (3), так и геометрические размеры линзы имеют зависимость от температуры окружающей среды. Интегральная термооптическая постоянная, учитывающая влияние температуры линзы на ее фокусное расстояние, определяется ГОСТ 13659-78, исходя из чего, расчет величины относительного изменения фокусного расстояния в диапазоне температур не представляет сложности [1] и определяется следующим соотношением:

,

где  – диапазон изменения температур,  ‑ термооптическая постоянная,  ‑ температурное приращение показателя преломления для длины света λ.

Таким образом, полученное в диапазоне рабочих температур прибора (±35 градусов) приращение фокусного расстояния равное мм соответствует типовому значению  равному град -1.

Проведенные расчеты показали, что погрешность определения высоты и зигзага КП, вызванные влиянием температуры окружающей среды на характеристики оптической системы прибора составила, соответственно, ±2 мм и ±0.5 мм.

Рассмотренный метод определения тангенсов углов визирования контактных проводов, позволяет с учетом всех рассмотренных факторов обеспечить теоретическую точность измерений высоты и зигзага КП не хуже ±12 мм и ±2 мм, соответственно. Полученные значения погрешностей измерения параметров контактного провода удовлетворяют требованиям ТУ на прибор — погрешность измерения высоты и смещения КП не более ±20 мм.

Следует отметить, что проведенные сертификационные испытания на подтверждение типа средств измерений, подтвердили приведенные выше результаты.

Данный метод анализа метрологических характеристик может быть использован и при анализе соответствующих характеристик комплексов «ВИКС ЦЭ» и «Визир», а также других аналогичных СИ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Латыев С. М. Компенсация погрешностей в оптических приборах. Л., Машиностроение, 1985 .
  2. Слюсарев Г. Г. Методы расчета оптических систем. Л., Машиностроение, 1969. 672 с.
  3. Турыгин И. А. Прикладная оптика. М., Машиностроение, Ч. 1, 1965. 362 с.; Ч. 2, 1966. 431 с.
  4. Саргсян А. Е. Сопротивление материалов, теория упругости и пластичности. Основы теории с примерами расчетов. – Учебник для вузов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высшая школа, 2000. – 286 с.: ил.
  5. Панов В. А., Андреев Л. Н. Оптика микроскопов (Расчет и проектирование). Л., Машиностроение, 1976. 432 с.

 

V. G. Safin

Metrological characteristics of the device «TELEX-2» of remote measurement of parameters of the overhead lines

The devices intended for measurement of parametres of a overhead lines of electrified railways are described. The method of definition of corners of vising of observable objects in device «Telex-2» is offered. The estimation of characteristics of sensitivity of the device to aberrations of optical system and external influencing factors is made.

Measuring Apparatuses, Errors of Measurements, Barker Code, Median Filter