Радиотехнический датчик прохода колёс с определением направления движения подвижного состава - RU169465U1

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Настоящая полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к системам автоматики и телемеханики, использующим сигналы контроля прохождения колесных пар подвижных железнодорожных единиц (вагонов) через точку с известными координатами.

В структуру железнодорожных систем автоматики и телемеханики, контролирующих подвижной состав, входят устройства (датчики), фиксирующие момент прохождения колеса вагона через точку с известными координатами на рельсовой нити. В известной литературе, например [1], эти устройства называются «датчик электронной системы счета осей» и «датчики прохода колес». На железных дорогах России применяются несколько магнитных датчиков прохода колес (ДПК), отличающихся конструктивными особенностями, но одинакового принципа действия.

Конструктивно магнитные ДПК состоят из постоянного магнита (сердечника) и обмотки из медного провода. Датчики крепятся струбциной внутри колеи на подошве рельса.

Магнитный ДПК работает следующим образом: при подходе гребня колеса к датчику магнитный поток возрастает и в обмотке индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), создающая в нагрузке импульс напряжения колоколообразной формы положительной полярности. Когда гребень колеса оказывается над датчиком, ЭДС в обмотке меняет полярность и при дальнейшем движении колеса формируется отрицательный импульс. Амплитуда и длительность сигнала, сформированного ДПК, зависит от скорости изменения магнитного потока, т.е. от скорости поступательного движения колеса вагона.

Достоинства магнитного датчика прохода колес:

- простота конструкции;

- невысокая стоимость;

- высокая надежность работы.

Однако существующие недостатки магнитных ДПК ограничивают их применение [2].

К таким недостаткам магнитного датчика прохода колес, относятся:

1) необходимость специального кабеля для передачи выходного сигнала датчика с целью использования в системах железнодорожной автоматики и телемеханики;

2) неудовлетворительные, с точки зрения развития современных технологий, энергетические и массогабаритные показатели:

- большая (около 80 Вт) мощность электрической энергии, потребляемая датчиком;

- малая мощность (около 0,0013 Вт) генерируемого датчиком сигнала, что ограничивает его передачу на расстояние более 100 м;

- высокое (около 1 кг) содержание медного провода;

- относительно большая масса (около 5 кг);

3) невозможность работы датчика при скоростях движения менее 5 км/ч;

4) существенная чувствительность к помехам, возникающим за счет воздействия магнитного поля, создаваемого тяговым током;

5) размагничивание магнита с течением времени эксплуатации;

6) невозможность автоматической координатной привязки места установки ДПК.

Также известны электронные ДПК [3, 4], принцип работы которых заключается в регистрации момента срыва колебаний генератора при внесении приближающимся колесом затухания в колебательный контур генератора.

Недостатками этих датчиков являются:

1) сложность температурной компенсации изменений параметров катушек колебательных контуров, что необходимо для сохранения точности фиксации прохода колеса над заданной точкой рельсового пути;

2) необходимость специального кабеля для передачи выходного сигнала датчика с целью использования в системах железнодорожной автоматики и телемеханики;

3) малая мощность сигнала ДПК, ограничивающая его передачу на расстояние более 100 м;

4) несовместимость с микропроцессорной техникой обработки сигналов;

5) невозможность автоматической координатной привязки места установки датчика.

От указанных недостатков свободен заявленный ДПК. Работа заявленного ДПК основана на определении момента времени и направления прохода колеса вагона над датчиком по анализу последовательного изменения амплитуд колебаний измерительных генераторов путем их синхронного детектирования на двух синхронных детекторах (совместно с колебаниями одного опорного генератора) с последующим формированием (в микропроцессоре) информационного сигнала о факте и скорости прохода колеса над датчиком с известными координатами, кодированием информационного сигнала и передачей его по радиоканалу потребителям в системы:

а) централизованной автоблокировки;

6) интервального регулирования движения поездов;

в) автоматизированного контроля подвижного состава на ходу поезда.

Структурно, заявленный ДПК 1 состоит (фиг. 1) из прецизионного кварцевого автогенератора гармонических опорных колебаний 2, амплитудного ограничителя 3, двух измерительных генераторов с внешним возбуждением 4 и 5, двух синхронных детекторов (СД) 6 и 7, двух формирователей импульсов 8 и 9, счетчика импульсов 10, приемника глобальной спутниковой навигационной системы (ГЛОНАСС) 11, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 12, специализированного микропроцессора обработки сигналов датчика (СМОСД) 13, программируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) 14, передатчика 15, передающей антенны 16.

Конструктивно элементы схем электронных устройств 2÷15 (фиг. 1), за исключением катушек индуктивности L₄ и L₅ колебательных контуров измерительных генераторов 4 и 5, заключены, для защиты от электромагнитных помех, в ферромагнитный экран.

Принцип функционирования заявленного ДПК заключается в следующем. Кварцевый генератор 2 вырабатывает опорные гармонические колебания u_o(t) на частоте ƒ_o, с высокой кратковременной стабильностью частоты δƒ_o. Вследствие возмущений и помех они имеют паразитную амплитудную модуляцию (фиг. 2). Для подавления паразитной амплитудной модуляции колебаний опорного генератора 2 предназначен амплитудный ограничитель 3, на выходе которого образуются колебания типа «меандр» u_AO(t) с подавленной паразитной амплитудной модуляцией, которые подаются на входы измерительных генераторов с внешним возбуждением 4 и 5 в качестве возбуждающих колебаний (фиг. 3). Измерительные генераторы 4 и 5 вырабатывают гармонические колебания соответственно u₁(t) и u₂(t) на частотах ƒ₁ и ƒ₂. Благодаря внешнему возбуждению частоты колебаний ƒ₁ и ƒ₂ измерительных генераторов 4 и 5 равны частоте колебаний ƒ_o автогенератора 2, а их стабильность равна стабильности δƒ₀ генератора 2.

Нагрузки измерительных генераторов 4 и 5 колебательные контура, в которые включены неэкранированные катушки индуктивности L₄ и L₅. Частоты колебаний выходных напряжений u₁(t) и u₂(t) измерительных генераторов 4 и 5 также совпадают с резонансными частотами ƒ₁₀ и ƒ₂₀ их колебательных контуров (фиг. 4). Начальные фазы ϕ₁ и ϕ₂ колебаний u₁(t) и u₂(t) соответственно измерительных генераторов 4 и 5 отличаются от фазы колебаний u_o(t) генератора 2 на величину динамического запаздывания фазы в процессе возбуждения колебаний u₁(t) и u₂(t). Эта величина мала, поэтому можно считать ϕ₁=ϕ₂≈0 [5].

Колебания напряжений u₁(t) и u₂(t) с выходов измерительных генераторов 4 и 5 соответственно поступают параллельно на первые входы синхронных детекторов 6 и 7, на вторые входы которых поступают опорные колебания u_o(t) типа «меандр» (фиг. 3), снимаемые с амплитудного ограничителя 3, на частоте ƒ_o, равной частоте колебаний напряжения u_o(t) опорного генератора 2.

Выходные напряжения U_сд1 и U_сд2 синхронных детекторов 6 и 7, при условии малости начальных фаз ϕ₁ и ϕ₂, определяются соответственно по формулам [6]:

где k₁ и k₂ - коэффициенты передачи синхронных детекторов 6 и 7; U_o - амплитуда напряжения на выходе амплитудного ограничителя 3; U₁ и U₂ - амплитуды гармонических напряжений u₁(t) и u₂(t) соответственно на выходах измерительных генераторов 4 и 5.

При направлении движения поезда 1 (фиг. 5) стальное (ферромагнитное) колесо вагона 2 по рельсовой линии 3 подходит к точке A. В точке A начинает сказываться его влияние на величину индуктивности L₄ 6 неэкранированной катушки (фиг. 5). Влияние сказывается в увеличении индуктивности L₄ 6, которое возникает за счет внесения ферромагнитного вещества в магнитное поле катушки. Вследствие этого уменьшается резонансная частота ƒ₀₁ и увеличивается затухание колебательного контура измерительного генератора 4. Это приводит к уменьшению амплитуды U₁ выходного напряжения измерительного генератора 4. При уменьшении расстояния AE=r(t), где E - точка расположения неэкранированной катушки индуктивности L₄ 6, происходит дальнейшее уменьшение амплитуды U₁. Это уменьшение продолжается до подхода колеса к точке B. В момент t₁, когда колесо находится в точке B, амплитуда колебаний u₁(t) генератора 4 уменьшается до величины U_1.мин. Соответственно напряжение U_сд1 (1) на выходе синхронного детектора 6 уменьшается до величины U_сд1.мин (фиг. 6). После прохода точки B влияние колеса на величину индуктивности L₄ 6 уменьшается, и при подходе колеса к точке C на рельсовой линии оно становится таким же, как и в точке A, а при подходе к точке D - практически исчезает (фиг. 5). В результате восстанавливается выходное напряжение синхронного детектора 6 (фиг. 1) до величины U_сд1.

Аналогичные процессы, только с поправкой на запаздывание из-за разноса катушек индуктивности L₄ 6, и L₅ 7, вдоль рельсовой линии 3 на расстояние Rк, где l_к - минимально возможное расстояние между колесными парами вагона, протекают в измерительном генераторе 5 и синхронном детекторе 7 (фиг. 1). При движении колеса выходное напряжение U_сд2 (2) синхронного детектора 7 (фиг. 1) сначала снижается до уровня U_сд2.мин, а при дальнейшем движении вновь возрастает до исходной величины (фиг. 5, фиг. 6).

Временной промежуток T_д между минимумами выходных напряжений U_сд1 и U_сд2 синхронных детекторов 6 и 7 определяется по формуле:

где t₁ и t₂ - моменты времени достижения минимумов напряжениями с выходов соответственно синхронных детекторов 6 и 7 (фиг. 7); V_кд - скорость поступательного движения колеса над датчиком.

Таким образом, падение напряжений (1) и (2) на выходах синхронных детекторов 6 и 7 до уровней соответственно U_сд1.мин и U_сд2.мин, с последующим восстановлением исходного уровня, служит признаком прохода колеса вагона над датчиком. Измерение модуля временного промежутка T_д позволяет согласно формуле (3) вычислить скорость V_кд поступательного движения колеса над датчиком. Знак результата (3) - признак направления движения поезда, т.е. последовательности прохождения колесом вагона точек на рельсовой линии: A, B, C, D - прямое движение поезда; D, С, B, A - обратное движение.

Перепады напряжений с выходов синхронных детекторов 6 и 7 запускают формирователи импульсов 8 и 9 (фиг. 7), которые формируют нормированные прямоугольные однополярные импульсы u_фи(t) в моменты достижения минимумов сигналами u_сд1(t) и u_сд2(t) синхронных генераторов 6 и 7 (фиг. 6).

Появление одного из импульсов - признак того, что колесо прошло одну из точек B или C и находится на рельсовой линии 3 в интервале x∈[x₁, x₂], т.е. между катушками индуктивности L₄ 6 и L₅ 7, что соответствует интервалу времени t∈[t₁, t₂]_.

Импульсные сигналы с выходов формирователей 8 и 9 приходят в качестве стартстопных на счетчик импульсов 10, на второй вход которого подаются счетные импульсы, снимаемые с синхронизатора, входящего в состав встроенного в ДПК приемника глобальной спутниковой навигационной системы (ГЛОНАСС) 11 [7].

Снимаемые со счетчика 10 счетные импульсы, существующие только на промежутке времени T_д (между двумя минимумами напряжений u_сд1(t) и u_сд2(t)), поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12. Снимаемый с АЦП 12 сигнал в виде цифрового двоичного кода промежутка времени T_д поступает на специализированный микропроцессор обработки сигналов датчика (СМОСД) 13. Одновременно в микропроцессор 13 поступают сигналы временной синхронизации и координаты ДПК с приемника ГЛОНАСС 11. Специализированный микропроцессор обработки сигналов датчика 13 выполняет обработку данных с АЦП 12 и ГЛОНАСС 11 согласно алгоритму, записанном в виде программы в программируемом постоянном запоминающем устройстве (ППЗУ) 14.

Алгоритм цифровой обработки сигналов ДПК в СМОСД 13 включает:

а) ввод исходных данных;

б) привязку моментов времени t₁ и t₂ к времени по шкале Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC (SU) и формирование их цифрового представления

в) вычисление модуля и знака промежутка времени T_д;

г) вычисление скорости движения V_к колеса вагона над ДПК;

д) кодирование помехоустойчивым кодом:

- значений (по абсолютной шкале) моментов времени

- промежутка времени T_д,

- скорости движения колеса V_к;

е) формирование кодовых слов;

ж) вывод результатов обработки (кодовых слов) на выход СМОСД 13.

Кодовое слово, формируемое СМОСД 13, представляет собой кодированные помехоустойчивым кодом данные, подлежащие передаче с ДПК в информационную систему контроля и управления движением поездов. Кодовое слово состоит из разделенных по времени синхрогруппы (СГ) и информационной группы (ИГ) кодированных данных.

Синхрогруппа длительностью T_сг содержит:

а) последовательность синхронизирующих импульсов, предназначенных для синхронизации устройства приема кодированных сигналов;

б) импульсные посылки, представляющие собой ключ кода, необходимый для подготовки приемного устройства к декодированию информационной группы.

В информационную группу длительностью T_иг входят:

1) подгруппа служебных данных, состоящая из кодированных значений:

а) номера ДПК в номенклатуре датчиков структурно и функционально законченного комплекса систем и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики;

б) координат ДПК, которые при установке датчика измеряются ГЛОНАСС 11 и вводятся в ППЗУ 14;

в) абсолютного времени t_UTC, соответствующего моменту начала синхрогруппы сигналов ДПК;

2) подгруппа содержательных данных, включающая кодированные данные:

а) значений моментов времени

б) скорости движения V_к колеса вагона над ДПК;

в) значения промежутка времени T_д.

С выхода СМСОД 13 кодовое слово, поступает на передатчик 15 ДПК. В передатчике 15 импульсы кодового слова преобразуются в сверхвысокочастотный (СВЧ) сигнал с относительной фазовой манипуляцией и излучаются антенной 16 на несущей частоте диапазона СВЧ.

Излученные сигналы поступают на антенный вход диспетчерской системы 17, принимаются приемной антенной 18 и обрабатываются в приемнике 19. Диспетчерская система 17 распределяет данные, полученные с ДПК, по системам железнодорожной автоматики и телемеханики 20 для реализации алгоритмов их функционирования.

Таким образом, применение заявленной полезной модели позволяет устранить недостатки, присущие магнитным датчикам. А именно:

а) выполнить основные электронные узлы датчика по интегральной технологии, благодаря чему становится возможным их сопряжение с цифровой микропроцессорной техникой обработки сигналов;

б) обеспечить формирование датчиком сигнала о проходе колес со скоростями подвижного состава менее 5 км/ч в плоть до нулевой;

в) формировать совокупность служебных данных, присущих только данному ДПК: его номера, координат установки, привязку формируемых сигналов к абсолютному времени;

г) достичь, благодаря применению интегральной технологии, улучшения массогабаритных и энергетических показателей;

д) реализовать, на основе кодирования и применения относительной фазовой манипуляции, беспроводную, по радиоканалу, устойчивую к электромагнитным помехам и с соблюдением электромагнитной совместимости, передачу данных на расстояния, большие, чем с использованием специальных кабелей.

Предлагаемое устройство может служить базисом для создания беспроводной аппаратуры в области железнодорожной автоматики и телемеханики.

Литература

1. В.И. Шелухин. Датчики измерения и контроля устройств железнодорожного транспорта. М. Транспорт, 1990. 119 с.

2. Министерство путей сообщения РФ «Датчик магнитный ДМ-95Н» Техническое описание и инструкция по эксплуатации ВР3.253.002 ТО МПС РФ, 1995 г., 19 с.

3. Патент ФРГ N 3307689, опубл. 6.09.84 г., кл. B6 L 1/16, 33.

4. Патент N 3410014, опубл. 25.07.85 г., кл. H03K 17/95.

5. Шахтильдян В.В. Радиопередающие устройства Учебник для вузов / Шахтильдян В.В. Козырев В.Б. и др. - М.: Радио и связь, 2003.

6. Марюхненко B.C. Радиоприемные устройства. Часть 1. Учеб. пособие. - Иркутск.: ИВАИИ, 2001. -531 с.

7. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. - М.: Изд-во ИПЖР, 1998. - 400 с.

Реферат

Радиотехнический датчик прохода колес с определением направления движения предназначен для устранения недостатков, присущих известным магнитным датчикам прохода колес, а именно: выполнить основные электронные узлы датчика по интегральной технологии, благодаря чему становится возможным их сопряжение с цифровой микропроцессорной техникой обработки сигналов, обеспечить формирование датчиком сигнала о проходе колес со скоростями подвижного состава менее 5 км/ч вплоть до нулевой, формировать совокупность служебных данных, присущих только данному ДПК: его номера, координаты установки, привязку формируемых сигналов к абсолютному времени, достичь, благодаря применению интегральной технологии, улучшения массогабаритных и энергетических показателей, реализовать, на основе кодирования и применения относительной фазовой манипуляции, беспроводную, по радиоканалу, устойчивую к электромагнитным помехам и с соблюдением электромагнитной совместимости, передачу данных на расстояния, чем с использованием специальных кабелей.Предлагаемое устройство может служить базисом к применению беспроводной аппаратуры в области железнодорожной автоматики и телемеханики.

Формула