УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к рельсовой транспортной технике, в частности к измерительным устройствам для измерения скорости движения транспортного средства (локомотива, трамвая и т.д.).
Одним из важнейших параметров локомотива является скорость движения. Информация об этом параметре поступает от устройства, преобразующего частоту вращения колесной пары в электрический сигнал скорости движения, удобный для дальнейшего использования в автоматических и других системах. Эксплуатация устройств, измеряющих частоту вращения колесной пары, сопровождается высоким уровнем вибрации и различного воздействия окружающей среды, так как эти устройства располагаются на неподрессоренной части локомотива, а именно в буксе колесной пары. Высокий уровень вибраций и воздействий (климатических, электромагнитных и других) приводит к обрыву монтажных проводников печатных плат, к ухудшению контакта между элементами полупроводникового устройства. В результате возникают неисправности в работе устройств измерения: пропадание выходного сигнала, дробление отдельно взятых прямоугольных импульсов. Во всех этих случаях система управления локомотива регистрирует отсутствие скорости или недостоверную (ложную) скорость. Это вызывает сбои и отказы в работе автоматических систем безопасности и управления локомотивом, что снижает надежность работы устройства для измерения его скорости.
Известно устройство для измерения скорости транспортного средства, например трамвая [1]. Устройство содержит датчик (формирователь импульсов) и регистратор (блок электроники). Датчик содержит осевой модулятор, выполненный в виде зубчатого вращающегося диска, излучатель (источник
засветки) и фотоприемник. Регистратор содержит задающий генератор (генератор импульсов), делитель частоты, формирователь интервала счета, суммирующий счетчик (приемник импульсов), дешифратор с регистром памяти и схемой его управления (блок измерения скорости), согласующее устройство, индикатор и устройство коррекции интервала счета. Устройство коррекции содержит вычитающий счетчик с предустановкой и переключатели.
Элементы устройства для измерения скорости трамвая соединены между собой следующим образом. Датчик соединен с редуктором колесной пары трамвая. В регистраторе выход задающего генератора соединен со входом делителя частоты. Первый выход делителя частоты соединен с первым входом схемы управления, второй выход - со счетным входом вычитающего счетчика с предустановкой, а третий выход - с первым входом формирователя интервала счета и со входом разрешения предустановки вычитающего счетчика. Выход переноса вычитающего счетчика с предустановкой соединен со вторым входом формирователя интервала счета. Выход формирователя интервала счета соединен со вторым входом схемы управления и первым входом (вход разрешения счета) суммирующего счетчика. Второй вход (вход счета) суммирующего счетчика соединен с выходом согласующего устройства. Вход согласующего устройства соединен с выходом датчика. Третий вход (вход сброса) суммирующего счетчика связан с первым выходом схемы управления. Выход суммирующего счетчика соединен с первым входом (вход данных) дешифратора с регистром памяти. Второй вход (вход записи) дешифратора соединен со вторым выходом схемы управления. Выход дешифратора с регистром памяти соединен со входом индикатора.
Электронные элементы регистратора размещены в электронном блоке в кабине трамвая, а электронные элементы датчика (излучатель и фотоприемник) вместе с зубчатым вращающим диском (модулятором) установлены на редукторе колесной пары.
Устройство работает следующим образом. При вращении колесной пары трамвая осевой модулятор периодически перекрывает путь света от излучателя
c
c
к фотоприемнику и модулирует световой поток в области инфракрасного спектра в зависимости от скорости вращения колесной пары трамвая. На выходе фотоприемника появляются электрические импульсы с частотой, прямопропорциональной скорости вращения колесной пары. Эти импульсы поступают в регистратор, в котором через согласующее устройство подаются на счетный вход суммирующего счетчика. Импульсы суммируются этим счетчиком на протяжении длительности интервала счета Т, в течение которого импульсы подаются на вход разрешения счета суммирующего счетчика. По окончании интервала счета Т с помощью схемы управления происходит запись результата счета в дешифратор с регистром памяти, а затем сброс суммирующего счетчика до нуля с целью готовности суммировать импульсы следующего цикла измерения. Дешифратор декодирует (распознает) записанное число импульсов и подает его на индикатор для информации водителя о скорости движения трамвая.
Достоинством известного устройства является сохранение неизменной заданной погрешности (до 10%) измерения скорости трамвая в течение всего времени эксплуатации трамвая, в том числе и после ремонта колесных пар.
Это обусловлено тем, что в процессе эксплуатации трамвая происходит уменьшение диаметров колес (до 15%) вследствие их износа и обточки до меньшего диаметра при ремонте. Изменение диаметров колес приводит к увеличению погрешности измерения скорости. Благодаря задающему генератору, делителю частоты, формирователю интервала счета и устройству коррекции счета происходит регулирование длительности импульсов, поступающих на суммирующий счетчик с учетом изменения диаметров колес. В результате происходит компенсация погрешности измерения скорости.
Недостатком такого устройства являются отказы электронных элементов по причине воздействия на них значительных механических (удары, вибрации) и климатических (температура, влажность, пыль, грязь и др.) воздействий при эксплуатации трамвая, что снижает надежность работы устройства.
Кроме того устройство при неизменной погрешности имеет низкую точность измерения, которая обусловлена дроблением, временными или постоянными исчезновениями импульсов света за счет механических и климатических воздействий.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения скорости движения транспортного средства, например локомотива (электровоза) [2]. Устройство содержит источник засветки, формирователь импульсов, приемник импульсов, блок измерения скорости и источник питания. Источник засветки представляет собой источник света в виде двух светодиодов с видимым излучением. В состав приемник импульсов входит два фотодиода. Источник питания электрическим кабелем связи соединен с входом источника засветки и первым входом приемника импульсов. Выход источника засветки оптически соединен с входом формирователя импульсов. Выход формирователя импульсов оптически соединен с вторым входом приемника импульсов. Выход приемника импульсов электрически соединен с блоком измерителя скорости. Формирователь импульсов выполнен в виде диска с 42-мя прорезями по его окружности. Диск установлен на валу колесной пары в корпусе буксы. По обе стороны диска расположены напротив друг друга два светодиода и два фотодиода. Эти две оптопары образуют два канала, сдвинутые относительно друг друга на 45°, с помощью которых определяется направление вращения колеса.
Электронные элементы источника засветки (два светодиода) и приемника импульсов (два фотодиода) вместе с формирователем импульсов расположены в неподрессоренной механической части электровоза (в буксе колесной пары), а электронные элементы блока измерения скорости и источника питания расположены в подрессоренной части электровоза (в шкафу электроники кабины управления электровоза).
Устройство работает следующим образом. Световой поток светодиодов источника засветки направляется на диск формирователя, благодаря зубьям которого при вращении колесной пары он преобразуется в прямоугольные
импульсы света на входе приемника. В результате, в приемнике происходит преобразование импульсов света в электрические прямоугольные импульсы, которые затем усиливаются в приемнике. Далее эти импульсы передаются в блок измерения скорости, в котором изменяющаяся в результате вращения колеса частота импульсов преобразуется в информацию о скорости движения электровоза.
Достоинством данного устройства является достаточно высокая точность (до 5%) измерения скорости движения электровоза. Это обусловлено тем, что электрические импульсы, поступающие с приемника в блок измерения скорости, в данном устройстве имеют более широкий диапазон изменения значений частоты по сравнению с аналогом. В результате достигается более высокая точность измерения.
Однако, надежность работы устройства остается невысокой. По статистическим данным «Центра по обслуживанию микропроцессорных устройств безопасности» в локомотивном депо Хабаровск-2 каждое пятое устройство измерения скорости (20%) заменяется по неисправности раньше срока, установленного регламентом их периодического ремонта.
Низкая надежность устройства обусловлена, также как и в аналоге, наличием большого количества отказов в работе электронных элементов, связанное с воздействием на них значительных механических, климатических и электромагнитных воздействий.
Механические воздействия вызываются высоким уровнем вибраций и динамических ударов неподрессоренной части локомотива при его движении, возникающих от взаимодействия экипажа электровоза с рельсовой колеей. Климатические воздействия возникают в связи с открытостью экипажной части электровоза для окружающей среды. Электромагнитные воздействия обусловлены наличием внутри кузова электровоза ряда высоковольтного электрооборудования большой мощности (например, тяговый трансформатор 5 тыс. кВА, сглаживающий реактор, дроссели и другие различные индуктивные катушки), которые излучают мощные электромагнитные поля в пространство
кузова электровоза. Влияние всех этих воздействий приводит к неточности измерения скорости и значительному количеству отказов электронных элементов, находящихся непосредственно на неподрессоренной механической части электровоза (в буксе колеса) и в зоне действия мощных электромагнитных полей. В итоге надежность работы устройства для измерения скорости является низкой.
Задача, стоящая перед полезной моделью, заключается в разработке устройства для измерения скорости транспортного средства, которое обладает высокой надежностью за счет исключения влияния на него механических, климатических и электромагнитных воздействий при сохранении высокой точности измерения.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве для измерения скорости транспортного средства, содержащим источник засветки с источником света на светодиодах, формирователь импульсов, приемник импульсов на фотодиодах, блок измерения скорости и источник питания, при этом выход источника питания электрически соединен с входом источника засветки и первым входом приемника импульсов, выход источника засветки оптически соединен с входом формирователя импульсов, выход которого оптически соединен со вторым входом приемника импульсов, а выход приемника импульсов электрически подключен к входу блока измерения скорости, в нем источник засветки и приемник импульсов установлены на подрессоренной части транспортного средства, источник засветки дополнительно снабжен задающим генератором электрических импульсов, источник света в источнике засветки выполнен на светодиодах с инфракрасным излучением, при этом вход задающего генератора электрических импульсов является входом источника засветки, выход задающего генератора электрических импульсов электрически связан с входом источника света, выход источника света является выходом источника засветки, выход источника засветки соединен с входом формирователя импульсов первым волоконным кабелем, а
выход формирователя импульсов соединен со вторым входом приемника импульсов вторым волоконным кабелем.
На фиг. представлена блок-схема устройства для измерения скорости транспортного средства.
Устройство для измерения скорости транспортного средства содержит источник засветки 1, формирователь импульсов 2, приемник импульсов 3, блок измерения скорости 4 и источник питания 5.
Источник засветки 1 содержит задающий генератор электрических импульсов 6 и электрически связанный с ним источник света 7. Вход задающего генератора электрических импульсов 6 является входом источника засветки 1. Выход источника света 7 является выходом источника засветки 1. Источник света 7 выполнен на светодиодах 8 с инфракрасным излучением (ИК).
Формирователь импульсов 2 выполнен, в виде диска с прорезями по его окружности. Формирователь импульсов 2 может быть выполнен не только в виде диска с прорезями по его окружности, но и в виде кодового диска с двумя дорожками круглых отверстий, сдвинутых относительно друг друга. С одной стороны диска формирователя импульсов 2 напротив прорезей расположен выход первого волоконного кабеля 11. С другой стороны диска формирователя импульсов расположен вход второго волоконного кабеля 12.
Приемник импульсов 3 содержит фотодиоды 9 и усилитель импульсов 10.
Элементы устройства для измерения скорости транспортного средства соединены следующим образом. Выход источника питания 5 электрически соединен с входом источника засветки 1 и первым входом приемника импульсов 3. Вход источника засветки 1 электрически соединен с задающим генератором электрических импульсов 6. Выход задающего генератора электрических импульсов 6 электрически подключен к светодиодам 8 с ИК-излучением источника света 7. Выход источника света 7 первым волоконным кабелем 11 оптически связан с входом формирователя импульсов 2, выход которого вторым волоконным кабелем 12 оптически соединен со вторым
входом приемника импульсов 3. Второй вход приемника импульсов 3 оптически подключен к фотодиодам 9, которые электрически соединены с усилителем импульсов 10 приемника импульсов 3. Выход усилителя импульсов 10 электрически подключен к выходу приемника импульсов 3, который соединен с входом блока измерения скорости 4.
Задающий генератор электрических импульсов 6 и светодиоды 8 с ПК-излучением источника света 7 расположены в подрессоренной части транспортного средства. Приемник импульсов 3, состоящий из фотодиодов 9 и усилителя импульсов 10, расположен также как и источник засветки 1 на подрессоренной части транспортного средства. Между источником засветки 1 и формирователем импульсов 2 протянут волоконный кабель 11, а между формирователем импульсов 2 и приемником импульсов 3 протянут волоконный кабель 12. Блок измерения скорости 4 и источник питания 5 расположены в подрессоренной части транспортного средства (в кабине управления).
Устройство работает следующим образом. Световой поток светодиодов 8 с ИК-излучением преобразуется с помощью задающего генератора электрических импульсов 6 источника засветки 1 в импульсы света фиксированной частоты. Эти импульсы света направляются по первому волоконному кабелю 11 к диску формирователя импульсов 2, благодаря которому импульсы света фиксированной частоты преобразуются в импульсы света меняющейся частоты, пропорциональной скорости движения транспортного средства. Эти импульсы света по второму волоконному кабелю 12 подаются на вход фотодиодов 9 приемника импульсов 3, в котором преобразуются в электрические прямоугольные импульсы. Далее эти импульсы усиливаются в усилителе 10 приемника импульсов 3 и передаются в блок измерения скорости 4, в котором изменяющаяся в результате вращения колеса частота импульсов преобразуется в информацию о скорости движения транспортного средства.
Оптический волоконный кабель не подвергается влиянию климатических и электромагнитных воздействий, что исключает помехи от них на работу электронных элементов источника засветки 1 и приемника импульсов 3.
Расположение электронных элементов источника засветки 1 и приемника импульсов 3 на подрессоренной части транспортного средства исключает механические помехи на работу этих элементов от действия вибраций и динамических ударов. Исключение механических, климатических и электромагнитных воздействий на электронные элементы источника засветки 1 и приемника импульсов 3 повышает надежность и обеспечивает высокую точность измерения скорости транспортного средства.
Заявляемое решение реализовано на физической модели транспортного средства. Непрерывная работа устройства на протяжении 10 часов показала надежность и высокую точность измерения скорости транспортного средства в диапазоне от 5 до 120 км/ч.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент РФ №2128842 Устройство для измерения трамвая / А.К.Анохин, В.М.Чередниченко, В.Н.Рябев. - 97102404/28; Заявл. 18.02.1997; Опубл. 10.04.1999.
2. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Б.А.Тушканов, Н.Г.Пушкарев, Л.А.Позднякова и др. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с.