Характеристики:

• Амплитуда — максимальное отклонение колеблющейся величины от некоторого усреднённого её значения для системы, А (м)

• Период — промежуток времени, через который повторяются какие-либо показатели состояния системы (система совершает одно полное колебание),  T (сек)

• Частота- число колебаний в единицу времени, v (Гц, сек⁻¹).

        -Период колебаний T и частота  v — обратные величины;

T=1/v и v=1/T

          -В круговых или циклических процессах вместо характеристики «частота» используется понятие круговая (циклическая) частота  W  (рад/сек, Гц, сек⁻¹), показывающая число колебаний за 2П единиц времени:

w = 2П/T = 2ПV

            -Электромагнитные колебания в контуре имеют сходство со свободными механическими колебаниями (с колебаниями тела, закрепленного на пружине).             -Сходство относится к процессам периодического изменения различных величин.             -Характер изменения величин объясняется, имеющейся аналогией в условиях, при которых порождаются механические и электромагнитные колебания.               -Возвращение к положению равновесия тела на пружине вызывается силой упругости, пропорциональной смещению тела от положения равновесия. Коэффициент пропорциональности-это жесткость пружины k.                            -Разрядка конденсатора(появление тока) обусловлена напряжением u между пластинами конденсатора, которое пропорционально заряду q. Коэффициент пропорциональности - 1/С, обратный емкости (так как u = 1/C*q)                          -Подобно тому как вследствие инертности тело лишь постепенно увеличивает скорость под действием силы и эта скорость после прекращения действия силы не становится сразу равной нулю ,электрический ток в катушке за счет явления самоиндукции увеличивается под действием напряжения постепенно и не исчезает сразу, когда это напряжение становится равным нулю. Индуктивность контура L играет ту же роль, что и масса тела m в механике. Соответственно кинетической энергии тела mv(x)^2/2 отвечает энергия магнитного поля тока Li^2/2.              -Зарядке конденсатора от батареи соответствует сообщение телу, прикрепленному к пружине, потенциальной энергии при смещении тела (например, рукой) на расстоянии Xm от положения равновесия (рис.75,а). Сравнивая это выражение с энергией конденсатора, замечаем, что жесткость К пружины играет при механическом колебательном процессе такую же роль ,как величина 1/C, обратная емкости при электромагнитных колебаниях ,а начальная координата Xm соответствует заряду Qm.             -Возникновение в электрической цепи тока i за счет разности потенциалов соответствует появлению в механической колебательной системе скорости Vx под действием силы упругости пружины (рис.75,б)             -Моменту, когда конденсатор разрядится, а сила тока достигнет максимума ,соответствует прохождение тела через положение равновесия с максимальной скоростью (рис.75,в)             -Далее конденсатор начнет перезаряжаться ,а тело -смещаться влево от положения равновесия (рис.75,г). По прошествии половины периода Т конденсатор полностью перезарядится и сила тока станет равной нулю. Этому состоянию соответствует отклонение тела в крайнее левое положение, когда его скорость равна нулю(рис.75,д).

                                          Таблица соответствия между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи¹, солнечные батареи и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов. ¹. В термобатареях используется свойство двух контактов разнородных материалов создавать ЭДС за счет разности температур контактов.   Например, разрабатываются так называемые топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно прекращается в электрическую.

Область применения каждого из перечисленных типов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия невелика.

Основную роль в наше время выполняют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные электромеханические генераторы.

Генератор переменного тока.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу ее витков. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока (Ф_m = BS) через каждый виток. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, изготовленных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле,   размещены в назах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе с обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В изображенной на рисунке 5.1 модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором (по без железного сердечника). Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, являющийся ротором, а обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в назах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки (рис. 5.2). Неподвижные пластины — щетки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным па том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

РЕЗОНАНС В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ.

При изучении вынужденных механических колебаний мы ознакомились с явлением резонанса. Резонанс наблюдается в том случае, когда собственная частота колебаний системы совпадает с частотой изменения внешней силы. Если трение мало, то амплитуда установившихся вынужденных колебаний при резонансе резко увеличивается. Совпадение вида уравнений для описания механических и электромагнитных колебаний (позволяет сделать заключение о возможности резонанса также и в электрической цепи, если эта цепь представляет собой колебательный контур, обладающий определенной собственной частотой колебаний.

При механических колебаниях резонанс выражен отчетливо при малых значениях коэффициента трения  . В электрической цепи роль коэффициента трения выполняет ее активное сопротивление R. Ведь именно наличие этого сопротивления в цепи приводит к превращению энергии тока, но внутреннюю энергию проводника (проводник нагревается). Поэтому резонанс в электрическом колебательном кон-lype должен быть выражен отчетливо при малом активном сопротивлении R.

Мы с вами уже знаем, что если активное сопротивление мало, то собственная циклическая частота колебаний в контуре определяется формулой Сила тока при вынужденных колебаниях должна достигать максимальных значений, когда частота переменного напряжения, приложенного к контуру, равна собственной частоте колебательного контура: Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

Амплитуда силы тока при резонансе. Как и в случае механического резонанса, при резонансе в колебательном контуре создаются оптимальные условия для поступления энергии от внешнего источника в контур. Мощность в контуре максимальна в том случае, когда сила тока совпадает по фазе с напряжением. Здесь наблюдается полная аналогия с механическими колебаниями: при резонансе в механической колебательной системе внешняя сила (аналог напряжения в цепи) совпадает по фазе со скоростью (аналог силы тока).

Не сразу после включения внешнего переменного напряжения в цепи устанавливается резонансное значение силы тока. Амплитуда колебаний силы тока нарастает постепенно — до тех пор, пока энергия, выделяющаяся за период на резисторе, не сравняется с энергией, поступающей в контур за это же время:   Отсюда амплитуда установившихся колебаний силы тока при резонансе определяется уравнением. При R   0 резонансное значение силы тока неограниченно возрастает: (I_m)_рез    . Наоборот, с увеличением R максимальное значение силы тока уменьшается, и при больших R говорить о резонансе уже не имеет смысла. Зависимость амплитуды силы тока от частоты при различных сопротивлениях (R₁ < R₂ < R₃) показана на рисунке 4.19. Одновременно с увеличением силы тока при резонансе резко возрастают напряжения на конденсаторе и катушке индуктивности. Эти напряжения при малом активном сопротивлении во много раз превышают внешнее напряжение.

Использование резонанса в радиосвязи. Явление электрического резонанса широко используется при осуществлении радиосвязи. Радиоволны от различных передающих станций возбуждают в антенне радиоприемника переменные токи различных частот, так как каждая передающая радиостанция работает на своей частоте. С антенной индуктивно связан колебательный контур (рис. 4.20). Вследствие электромагнитной индукции в контурной катушке возникают переменные ЭДС соответствующих частот и вынужденные колебания силы тока тех же частот. Но только при резонансе колебания силы тока в контуре и напряжения в нем будут значительными, т. е. из колебаний различных частот, возбуждаемых в антенне, контур выделяет только те, частота которых равна его собственной частоте. Настройка контура на нужную частоту   обычно осуществляется путем изменения емкости конденсатора. В этом обычно состоит настройка радиоприемника на определенную радиостанцию. Необходимость учета возможности резонанса в электрической цепи. В некоторых случаях резонанс в электрической цепи может принести большой вред. Если цепь не рассчитана на работу в условиях резонанса, то его возникновение может привести к аварии.

Чрезмерно большие токи могут перегреть провода. Большие напряжения приводят к пробою изоляции.

Такого рода аварии нередко случались еще сравнительно недавно, когда плохо представляли себе законы электрических колебаний и не умели правильно рассчитывать электрические цепи.

При вынужденных электромагнитных колебаниях возможен резонанс — резкое возрастание амплитуды колебаний силы тока и напряжения при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебаний. На явлении резонанса основана вся радиосвязь.

Принципы радиосвязи

Радиосвязью называется процесс обмена информацией с помощью радиоволн.

На железнодорожном транспорте служебная радиосвязь начала внедряться с 1949 г. и используется для управления технологическими процессами эксплуатации железных дорог, а также организации и планирования грузовых и пассажирских перевозок. В зависимости от места, занимаемого в организационной структуре железнодорожного транспорта, все современные средства радиосвязи можно отнести к трем основным группам:

§ низовая технологическая радиосвязь, разновидностями которой явля­ются поездная (ПРС), станционная (СРС) и ремонтно-оперативная (РОРС);

§  дорожная и отделенческая радиосвязь, реализуемая на базе радио­релейных линий;

§  магистральная радиосвязь, осуществляемая по коротковолновым радиолиниям.

Техническую базу систем низовой радиосвязи составляет комплекс радиостанций, которые в зависимости от места установки делятся на три типа: стационарные, возимые и носимые. Несмотря на ряд отличий в электрических и кон­структивных параметрах, они имеют общие принципы и структуру постро­ения (рис. 3.26).

 

 

Рис. 3.26. Структурная схема радиостанции: УНЧ – усилитель низкой частоты; М – модулятор; УЧ – умножитель частоты; ОГ – опорный генератор; Ант – антенна; УРЧ – усилитель радио частоты; ПЧ – преобразователь частоты; УПЧ – усилитель промежуточных частот; ДМ – демодулятор

 

В состав передатчика входят: УНЧ - усилитель низкой частоты, М - модулятор, УЧ - умножитель частоты, ОГ - опорный генератор, Ант - антенна.

В состав приемника входят: Ант - антенна, УРЧ - усилитель радио частоты, ПЧ - преобразователь частоты (понижает частоту сигнала), УПЧ -усилитель промежуточных частот, ДМ - демодулятор, УНЧ - усилитель низкой частоты.

Железнодорожные радиостанции (ЖР) работают, как правило, в симплексном режиме, при котором прием и передача сообщений осуществляются поочередно, а, следовательно, для двустороннего обмена информацией достаточно одной рабочей частоты. К недостаткам этого режима относится необходимость переключения ЖР с приема на передачу, что снижает оперативность связи, особенно при дистанционном управлении радиостанциями. Поэтому в некоторых радиостанциях нового поколения предусматривают дуплексный режим работы.

В передатчиках ЖР используется частотная модуляция и применяется чаще всего групповой избирательный вызов. При этом приемники всех радиостанций данной сети работают в режиме дежурного приема. При поступлении вызывного сигнала радиостанция переключается из дежурного в режим приема, на время, необходимое для прослушивания в громкоговорителе вызывного тона и последующей информации голосом о номере или шифре вызываемого абонента. Последний должен снять микротелефон с рычага и вступить в переговоры, а приемники остальных радиостанций по истечении указанного времени автоматически переходят в режим дежурного приема.

Прослушивание вызывного тонального сигнала и информации голосом, адресованных одному абоненту, в громкоговорителях остальных абонентов сети нежелательно, поскольку отвлекает их от выполнения служебных обязанностей. Для исключения этого недостатка в новых сетях ПРС и РОРС предусматривается индивидуальный избирательный вызов. Всем абонентам сети присваиваются разные вызывные сигналы, представляющие собой кодовые последовательности импульсов тональной частоты, на которые настроены дешифраторы приемников их радиостанций. Вызывной сигнал любого абонента принимается приемниками всех радиостанций, однако в режим приема с соответствующей сигнализацией о вызове перейдет только та радиостанция, у которой коды вызова и дешифратора совпадают.

В некоторых сетях с высокими требованиями к оперативности обмена информацией применяется вызов голосом без посылки вызывных сигналов, и каждый абонент прослушивает все переговоры, ведущиеся в радиосети.

Вся железнодорожные радиостанции снабжены блоком питания, предназначенным для электропитания аппаратуры, которое у стационарных радиостанций осуществляется от сети переменного тока напряжением 220/127 В, у возимых радиостанций – от сети постоянного тока напряжением 12 В, у носимых радиостанций – от малогабаритных аккумуляторов, размещенных в общем корпусе с приемопередатчиком.

 

3.5.2. Системы поездной радиосвязи

Поездная радиосвязь (ПРС) предназначена для обмена информацией поездного диспетчера (ДНЦ) и дежурных по станциям (ДСП) с машинистами поездных локомотивов, а также машинистов встречных и вслед идущих поездов между собой и с другими работниками, связанными с поездной работой (рис. 3.27). Поездная радиосвязь организуется по линейному принципу и использует узконаправленную антенну.

В системе поездной радиосвязи (ПРС) применяют радиостанции с ведомственным шифрами ЖР-УК-СП, ЖР-УК-ЛП имеющими следующий смысл:

§  первая и вторая буквы (ЖР) обозначают железнодорожную радиостанцию;

§  третья и четвертая буквы обозначают диапазон используемых волн: У - ультракоротковолновый (метровый), К - коротковолновый (гектометровый);

§  пятая буква - место установки радиостанций С - стационарная, Л - локомотивная; шестая буква П свидетельствую о принадлежности к системе ПРС.

Аналогичный смысл имеют шифры радиостанций ЖР-У-СС, ЖР-У-ЛС, за исключением последней буквы, которая свидетельствует об их принадлежности к системе станционной радиосвязи (СРС).

Рис. 3.27. Структурная схема радиостанции: УНЧ – усилитель низкой частоты; М – модулятор; УЧ – умножитель частоты; ОГ – опорный генератор; Ант – антенна; УРЧ – усилитель радио частоты; ПЧ – преобразователь частоты; УПЧ – усилитель промежуточных частот; ДМ – демодулятор

 

Современные радиостанции имеют другие шифры: стационарные - СР, возимые (локомотивные) - ВР, носимые - HP.

Связь ДСП®машинист осуществляется по радиоканалу, образованному с помощью стационарных радиостанций (СР), установленных на промежуточных станциях, и возимых (локомотивных) радиостанций (ВР), которыми оборудованы локомотивы.

Для организации связи ДНЦ®машинист, кроме радиоканала, используется линейный проводной канал, который вместе с аппаратурой распорядительной станции PC, установленной у ДНЦ, и коммутационным оборудованием промежуточного пункта позволяет диспетчеру подключиться к любой СР участка и провести переговоры с машинистом поезда, находящимся в зоне ее действия.

Связь машинист®машинист осуществляется по радиоканалу, образованному с помощью двух ВР, связь машинист®работники, участвующие в поездной работе, - по радиоканалу, образованному с помощью ВР машиниста, а также стационарных, возимых и носимых радиостанций, имеющихся в распоряжении указанных работников.

 

3.5.3. Система поездной радиосвязи на базе аппаратуры «Транспорт»

Система ПРС «Транспорт» является современным аналогом аппаратуры ЖР, разработана специально для организации железнодорожной радиосвязи и имеет ряд преимуществ. Система включает в себя три основные радиосети: дуплексную линейную диспетчерскую (ПРС-ДЛ), симплексную зонную (ПРС-СЗ) и симплексную линейную диспетчерскую (ПРС-СЛ).

Дуплексная линейная диспетчерская сеть (ПРС-ДЛ) предназначена для централизованного управления движением поездов на грузонапряженных и скоростных участках железных дорог. Во многом следуя традиционным принципам организации ПРС, сеть строится с использованием возимых радиостанций типа РВ-1, установленных в локомотивах, и стационарных радиостанций типа РС-1, установленных на промежуточных станциях диспетчерского участка и объединенных между собой и с распорядительной станцией типа СР-1 четырехпроходным линейным каналом. Сеть ПРС-ДЛ обеспечивает следующие функциональные возможности:

§  осуществление переговоров машинистов поездов с поездным (ДНЦ), локомотивным (ТНЦ) диспетчерами и энергодиспетчером (ЭЧЦ) с применением индивидуального, группового и циркулярного вызовов;

§  передачу от ДНЦ к машинисту с отображением на дисплее пульта РВ-1 (ПУ-ВР) девяти стандартных команд, принятых в поездной работе;

§  передачу от машинистов к ДНЦ с отображением на дисплее пульта СР-1 пяти сообщений;

§  автоматическую передачу из заранее установленных зон и отображение номера поезда на пульте СР-1;

§  автоматический обмен данными между ЭВМ диспетчерского пункта и локомотива;

§  передачу на поезд команды экстренной остановки поезда с автоматическим включением тормозов;

§  аварийный вызов диспетчера со стороны машиниста при занятом канале;

§  документированную регистрацию всех переговоров с помощью магнитофона и дискретной информации с помощью телетайпа;

§  автоматический и ручной диагностический контроль работоспособности аппаратуры со световой индикацией результатов.

Диспетчеры соответствующие служб получают доступ к СР-1 а через нее к РС-1 посредством пультов управления ПУ-ДНЦ ПУ-ТНЦ, ПУ-ЭЧЦ с приоритетом поездного диспетчера. Пульты обеспечивают возможность тастатурного набора номера поезда при его индивидуальном избирательном вызове, формирования команд, а также отображение информации на дисплее.

Радиостанции сети работают в дуплексном режиме, что исключает необходимость дистанционного управления ими. Используются радиоволны дециметрового диапазона (средняя частота 330 МГц), интенсивность индустриальных помех в котором значительно ниже, а помехоустойчивость приема сообщений значительно выше, чем в диапазонах метровых и особенно гектометровых волн. 

 

3.5.4. Система станционной радиосвязи

Станционная радиосвязь (СРС) предназначена для обмена информацией руководителей маневровой и горочной работы (маневрового диспетчера- ДСЦ, станционного диспетчера - ДСЦС, дежурных по паркам приема - ДСПП, формирования - ДСПФ, отправления - ДСПО, составителей поездов, дежурного по горке - ДСПГ) с машинистами маневровых, горочных и хозяйственных локомотивов. Станционная радиосвязь организуется по радиальному принципу и использует широконаправленную антенну.

Особенности построения сетей СРС рассмотрим на примере крупной сортировочной станции с последовательным расположением парков приема (ПП), формирования (ПФ) и отправления (ПО) (рис. 3.28).

 

 

Рис. 3.28. Схема станционной радиосвязи

 

В первом маневровом районе, включающем ПП надвижную часть горки и подгорочную горловину (ПГ), происходят расформирование поездов и операции по частичному формированию составов. Руководит работой дежурный по сортировочной горке ДСПГ, в помещении которого устанавливается стационарная радиостанция (СР), с двумя пультами, управления. Один – у ДСПГ, дугой (выносной) у дежурного по парку приема ДСПП.

Горочные локомотивы оборудованы возимыми радиостанциями (ВР), которые вместе с радиостанцией ДСПГ образуют сеть горочной радиосвязи с рабочей частотой f1. Вызов абонентов осуществляется голосом без предварительной посылки вызывных сигналов.

Во втором маневровом районе, включающем ПФ и ПО, происходит окончательное формирование составов. Общее руководство маневровой работой осуществляет дежурный по парку формирования ДСПФ, в помещении которого установлена СР. Перемещением маневровых локомотивов, оборудованных ВР, непосредственно руководят составители поездов, имеющие носимую радиостанцию (НР). Дежурный по парку отправления ДСПО подключается с СР с помощью выносного пульта управления. Часто в распоряжении руководителя маневров, кроме СР, имеется система громкоговорящей связи.

Все радиостанции рассматриваемого маневрового района работают на одной частоте f2 и образуют сеть маневровой радиосвязи. В сети используется, как правило, групповой избирательный вызов. Сигнал с частотой  1000 Гц служит для вызова машиниста, сигналы с частотой 700 и 1400 Гц – для вызова руководителей маневровой работы, а 2100 Гц – для вхождения по радиоканалу в систему двусторонней парковой связи (СДПС).

В третьем маневровом районе, включающем всю территорию станции, выполняются работы с местными вагонопотоками, например операции по доставке вагонов под погрузку и выгрузку. Руководит работами дежурный по станции, в распоряжении которого имеется СР для передачи информации машинистам хозяйственных локомотивов. При этом образуется вторая сеть маневровой радиосвязи с рабочей частотой f3.

Кроме сетей маневровой и горочной радиосвязи, система СРС включает в себя несколько сетей радиосвязи персонала, занятого обработкой составов на станциях.

Система станционной радиосвязи строится по радиальному принципу, и стационарные станции оборудуются широко направленной антенной.

Применение системы СРС позволяет ускорить обработку составов на сортировочных горках, сократить непроизводительный простой вагонов и локомотивов, а, следовательно, увеличить пропускную способность станции.

 

3.5.5 Железнодорожные телевизионные системы

Промышленное телевидение прошло несколько ступеней развития и в настоящее время широко применяется в развитых странах в качестве систем видеонаблюдения, регистрации и контроля, а также в охранной сигнализации. Применение телевизионных средств позволяет повысить производительность труда, оперативность и эффективность управления.

Достоинством современных видеокамер является возможность подключения их практически к любому компьютеру, а высокое быстродействие и большой объем памяти телевизионных систем позволяет обрабатывать сигналы от неподвижных, малоподвижных и быстродвижущихся объектов как в реальном, так и в измененном масштабе времени. Новейшие системы дают так же возможность просматривать запись прошедших событий и процессов с необходимым звуковым сопровождением.

Внедрение телевизионных систем открывает новые перспективы в процессе управления и эксплуатации железных дорог:

§  обзор сортировочных парков, который позволяет повысить безопасность и оперативность горочного производства, эффективность использования путей парка, сократить время обработки составов, контролировать выполнение команд дежурного по горке и размещение длинносоставных поездов на путях парка;

§  коммерческий осмотр вагонов, который при использовании видеозаписи на магнитофон позволяет кроме контроля создавать документальную запись для последующего использования в конфликтных ситуациях;

§  дистанционное списывание номеров вагонов приходящих составов, что в соединении с АСУСС позволяет существенно повысить оперативность и технологичность обработки поездов;

§  телевизионный контроль необслуживаемых переездов, позволяющий выявлять и фиксировать ("телевизионное фотографирование") нарушителей правил переездов и, при соответствующих возможностях связи на этих переездах, передавать телевизионную "картинку" в диспетчерский центр и на движущий локомотив;

§  в качестве перспективного направления возможна разработка портативного ''черного ящика" на локомотиве с телевизионной записью текущей обстановки перед локомотивом и показаниями основных приборов для разбора возможных аварийных ситуаций.

Современные быстродействующие системы телевидения представляют собой комплекс устройств, позволяющий в любой момент времени "приблизить" лиц, управляющих движением, и операторов к объектам контроля. Очевидно, что в результате визуального просмотра такими лицами объектов и осуществления ими контроля за состоянием объектов у них формируется наиболее точное и своевременное управленческое решение.

При этом наряду с чисто визуальными системами, с помощью которых получают информацию и принимают те или иные решения лица, управляющие движением поездов, применяются и телевизионные вычислительные системы, выполняющие функции так называемых "телевизионных автоматов". Эти системы в автоматическом режиме осуществляют поэтапное сравнение реального видеоизображения с нормативным и в случаях сбоев устанавливают по заранее разработанному алгоритму вид и причины сбоя. Измерение геометрических размеров, углов перемещений, координат и других параметров точечных и протяженных объектов осуществляется при этом с точностью не меньшей, чем у традиционных приборов, а порой и с более высокой. Затем формируется и передается в "тревожном" виде сигнальная информация лицам, управляющим движением, или системам управления для принятия соответствующих мер. Функции управленцев при наличии автоматизированных систем сводятся только к регистрации конечного результата и к наблюдению за последовательностью выполнения операций, а также к контролю общей обстановки.

Применение "телевизионных автоматов", в частности, на железнодорожных переездах позволит обеспечить надежный контроль состояния их опасной зоны при приближении поездов. В результате передачи "тревожной" информации локомотивным бригадам и соответствующего выбора ими скорости приближения поездов к переездам можно значительно уменьшить число дорожно-транспортных происшествий. Предварительные наблюдения с помощью видеокамер за передвижением автотранспортных средств и пешеходов в опасной зоне переездов, а также анализ зарубежного опыта аналогичного контроля показывают, что предпочтительным является использование двух видеокамер (рис.3.29).

 

 

Рис. 3.29. Размещение видеокамер для контроля состояния опасной зоны переезда

 

В большинстве существующих телевизионных систем применяется проводная система передачи информации и управления телекамерами. Для дальности передачи информации 800–1000 м можно использовать обычные телефонные сети, правда, с корректирующими элементами и усилителями видеосигналов. Для дальности в 2–3 км возможно использование коаксиальных кабельных систем. Для управления телевизионными камерами можно использовать телефонный канал. Для больших расстояний при передачи информации допустимо использование волоконно-оптических линий связи.

Однако прокладывание кабельных линий передачи информации в пределах существующих станций представляет сложную техническую задачу и требует значительных материальных ресурсов. Значительно проще, экономичнее и, главное, быстрее является применение радиоканала для передачи телевизионной информации.

В настоящее время ведется активная разработка систем радиоуправления телекамерами, адаптированными к существующим станционным радиосетям железнодорожного транспорта. Тогда телеустановка с телекамерами становится полностью автономной в конструкторском плане. С применением аккумуляторного питания такая установка становится полностью мобильной, что позволяет оперативно устанавливать блок дистанционного наблюдения и оперативно переносить его в любую необходимую точку станционного хозяйства.

Перспективным направлением дальнейшего совершенствования промышленного телевидения следует признать переход от черно-белого изображения к цветному. В результате такого перехода значительно упростится видеоконтроль объектов, повысятся информативность системы и естественность восприятия изображения объектов, что уменьшит утомление глаз наблюдателей.

Развивающиеся телевизионные технологии, особенно с учетом цифровой обработки видеосигналов, открывают все новые возможности оценки обстановки на железной дороге, контроля и управления технологическими процессами железнодорожного транспорта. А применение радиоканалов передачи телевизионного видеосигнала и радиоуправления телекамерами повышает мобильность таких систем и ускоряет введение их в эксплуатацию.

ВИДЫ ИЗЛУЧЕНИЙ. ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Свет — это поток электромагнитных волн с длиной волны 4 • 10^-7—8 • 10^-7 м. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов, из которых состоит вещество. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизме излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать только после удара молоточка, атомы могут «рождать» свет только после их возбуждения.

Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение. Наиболее простой и распространенный вид излучения — это тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомом (или молекул) излучающего тела. Тепловое излучение это излучение нагретых тел. Чем выше температура тема, тем быстрее движутся в нем атомы. При столкновсмти быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии идет на возбуждение атомов, которые затем излучают свет и переходят в невозбужденное состояние.

Тепловыми источниками излучения являются, например, Солнце и обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник света. Лишь около 12% всей энергии, выделяемой в нити лампы электрическим  током, преобразуется в энергию света. Наконец, тепловым источником света является также пламя. Крупинки сажи (не успевшие сгореть частицы топлива) раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.

Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света, может поступать и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают неупругие соударения с атомами. Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. В результате этого разряд в газе сопровождается свечением. Это электролюминесценция.

Северное сияние — тоже проявление электролюминесценции. Потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем, захватываются магнитным полем Земли. Они возбуждают у магнитных полюсов Земли атомы верхних слоев атмосферы, из-за чего эти слои светятся. Явление электролюминесценции используется в трубках для рекламных надписей.

Катодолюминесценция. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминесценцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизора.

Хемилюминесценция. При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света. Источник света остается холодным (он имеет температуру окружающей среды). Это явление называется хемилюминесценцией. Почти каждый из вас, вероятно, знаком с ним. Летом в лесу можно ночью увидеть насекомое — светлячка. На теле у него «горит» маленький зеленый «фонарик». Вы не обожжете пальцев, поймав светлячка. Светящееся пятнышко на его спинке имеет почти ту же температуру, что и окружающий воздух. Свойством светиться обладают и другие живые организмы: бактерии, насекомые, многие рыбы, обитающие на большой глубине. Нередко светятся в темноте кусочки гниющего дерева.

Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается и частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно под действием падающего на них излучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает атомы вещества (увеличивает их внутреннюю энергию), и после этого они высвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, излучают свет после их облучения.   Вавилов Сергей Иванович (1891 —1951) — советский физик, государственный и общественный деятель, президент АН СССР в 1945—1951 гг. Основные научные труды посвящены физической оптике, и в первую очередь фотолюминесценции. Под его руководством была разработана технология изготовления ламп дневного света и развит метод люминесцентного анализа химического состава веществ. Под его руководством П. А. Черенков открыл в 1934 г. излучение света электронами, движущимися в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можно наблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеином (органический краситель) световой пучок, пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светиться зелено-желтым светом, т. е. светом с большей длиной волны, чем у фиолетового света.

Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного света. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной трубки веществами, способными ярко светиться под действием коротковолнового излучения газового разряда.

Лампы дневного света примерно в 3—4 раза экономичнее обычных ламп накаливания.

Из перечисленных основных видов излучений самое распространенное — тепловое излучения.

Спектры. Спектральный анализ. Виды спектров

Виды спектров.

Спектральный состав излучения различных веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Непрерывные спектры.

Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены все длины волн. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.

Распределение энергии по частотам, т.е. спектральная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности от частоты имеет максимум при определенной частоте v _max . Энергия излучения, приходящаяся на очень малые (v → 0) и очень большие (v → ∞) частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

Непрерывные (или сплошные) спектры , как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.

Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры.

Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На спектроскопе также можно увидеть частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми . Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном ( но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн.

Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Полосатые спектры.

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.  Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Спектры поглощения.

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету ( l » 8 · 1 0 ^-5 см), и поглощает все остальные.  Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Спектральный анализ.

Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность "заглянуть" внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов . Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

На этом основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10 ^-10 . Это очень чувствительный метод .

Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.  В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает “небесно-голубой”. Это цвет основных линий спектра цезия.

Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе “солнечный”.  Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.  Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.  Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца - фотосфера - дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.  Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит обращение линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивают линии излучения.  В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д., но и нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.

Спектральные аппараты

Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.  Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом - собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму.  Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран - матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.  Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом. Призмы и другие детали спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др. 

Инфракрасная и ультрафиолетовая части спектра

В начале XIX в. было обнаружено, что выше (по длине волны) красной части спектра видимого света находится невидимый глазом инфракрасный участок спектра, а ниже фиолетовой части спектра видимого света находится невидимый ультрафиолетовый участок спектра.

Длины волны инфракрасного излучения заключены в пределах от

3 · 10 ^-4 до 7,6 · 10 ^-7 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его тепловое действие. Источником инфракрасного является любое тело. Интенсивность этого излучения тем выше, чем больше температура тела. Инфракрасное излучение исследуют с помощью термопар и болометров. На использование инфракрасного излучения основан принцип действия приборов ночного видения.

Длины волн ультрафиолетового излучения заключены в пределах от

4 · 10 ^-7 до 6 · 10 ^-9 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его химическое и биологическое действие. Ультрафиолетовое излучение вызывает явление фотоэффекта, свечение ряда веществ (флуоресценцию и фосфоресценцию). Оно убивает болезнетворных микробов, вызывает появление загара и т.д.

В науке инфракрасное и ультрафиолетовое излучения используются для исследования молекул и атомов вещества.

Спектр видимого света

На экране за преломляющей призмой монохроматические цвета в спектре располагаются в следующем порядке: красный (имеющий наибольшую среди волн видимого света длину волны l _к =7,6 · 10 ^-7 м и наименьший показатель преломления), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (имеющий наименьшую в видимом спектре длину волны l _ф =4 · 10 ^-7 м и наибольший показатель преломления).