СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И СИГНАЛИЗАЦИИ О НАЛИЧИИ НЕМАГНИТНЫХ ГРУЗОВ В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ВАГОНАХ

Полезная модель относится к системам экспресс-измерения массы немагнитных грузов, автоматического контроля и экспресс-оповещения служб ОТК и входного контроля о прохождении железнодорожного вагона с грузом немагнитных материалов, превышающих 3% от брутто-массы металлического лома через платформу вагон-весов станции.
Качество вторичного металлического лома, поступающего на переработку в металлургические производства регулируется ГОСТ 2787-75 «Металлы черные вторичные, общие технические условия». Согласно ГОСТ 2787-75 максимально допустимая засоренность металлического лома по всем категориям не может превышать 5% от общей массы металлолома.
На практике многие поставщики металлолома, отгружающие его железнодорожным транспортом, пренебрегают этим требованием, пользуясь сложностями, возникающими у покупателя при разгрузке железнодорожных вагонов вследствие жестких норм ограничения простоя подвижного состава. Основным способом фальсификации является скрытая погрузка в железнодорожные вагоны массивных неметаллических грузов таких, как каменные и бетонные блоки, строительный мусор, земля, скраб, окалина, резина, пластмасса, бытовой мусор и т.д.
В связи с убытками, которые несут заказчики металлического лома, проблема экспресс-контроля массы засора в железнодорожных вагонах одновременно с определением брутто-массы груза на вагон-весах является актуальной экономической и технологической проблемой.
Ближайшими аналогами являются ретгенотелевизионные установки, предлагаемые некоторыми поставщиками, как средство экспресс-контроля автомобильных грузов (http://www.medimportag.ru/?action=3&sub=5&prod=15, http://www.bezopasnost.ru/upload/iblock/f2e/HCVC%20250250n-2isa.pdf http://www.bnti.ru/des.asp?itm=4399&tbl=04.06.01.)
Однако, применение источников ионизирующего излучения высокой мощности для экспресс-контроля движущихся вагонов, помимо высокой стоимости установок, значительных технических и эксплуатационных затрат, имеет также ряд ограничений, связанных с нормативами охраны труда. Помимо этого, рентгеновский принцип измерения представляется слабо защищенным от возможностей искажения видеосигнала путем использования специальных приемов укладки груза и различных способов экранирования рентгеновского излучения, в том числе и металлическими листами. Помимо этого, рентгеновский принцип измерений не позволяет оценить массу засора, а только фиксирует факт его наличия.
В связи с этим, представляется целесообразной разработка специализированного средства экспресс-контроля, основанного на магнитном принципе измерений. Применение данного принципа обосновывается тем, что лом черных металлов, в отличие от всех остальных типов железнодорожных и автомобильных грузов, имеет особый параметр X - магнитную восприимчивость, на 3-6 порядков превышающую магнитную восприимчивость иных грузов, не содержащих черный железный лом. Аналогичным свойством обладает и материал, из которого изготовлен железнодорожный вагон (Вонсовский С.В., Магнетизм, М.: Наука, 1971, с.41-49).
В основу полезной модели положена задача создания системы автоматического анализа и сигнализации о наличии немагнитных грузов в железнодорожных вагонах, в которой в качестве средства экспресс-контроля магнитной проницаемости может быть использован принцип измерения индуктивности соленоида, где железнодорожный вагон с грузом выполняет функцию сердечника.
Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что в системе автоматического анализа и сигнализации о наличии немагнитных грузов в железнодорожных вагонах, включающей измерительную рамку для создания магнитного поля, к измерительной рамке, установленной с возможностью проезда через нее вагона, все проводники которой, включая катушку индуктивности, выполнены из медного провода большого сечения, подсоединены линии питания и связи; блок обработки данных; блок автоматического анализа и сигнализации. В блок автоматического анализа и сигнализации включены каналы измерения скорости, температуры, внешних электромагнитных полей.
Разрабатываемая система не имеет прямых отечественных или зарубежных аналогов. Преимуществом системы перед системами рентгенотелевизионного контроля является значительно более высокая чувствительность, селективность, помехозащищенность. К преимуществам следует также отнести простоту принципа действия, дешевизну, экологичность и низкие эксплуатационные расходы.
Полезная модель поясняется с помощью фиг.1-6, на которых (фиг.1) представлена схема измерения, а на фиг.2-6 представлены формы кривой R(A), позволяющие идентифицировать наличие немагнитных включений в сердечнике соленоида, функцию которого в момент прохождения будет выполнять вагон с грузом металлического лома, поскольку оба параметра будут находиться в функциональной зависимости от количества и местоположения в вагоне немагнитных включений,
Величина удельной магнитной восприимчивости системы «вагон+черный металлический лом» (т.е отношение X к массе загруженного вагона) равняется удельной магнитной восприимчивости лома черных металлов. Любые немагнитные или слабомагнитные включения и грузы, находящиеся в вагоне, будут аддитивно понижать удельную магнитную восприимчивость вагона, содержащего металлический лом с немагнитными включениями. Магнитная проницаемость железа связана с его магнитной восприимчивостью соотношением:
µ=1+Х
(в единицах СИ). В качестве средства экспресс-контроля магнитной проницаемости может быть использован принцип измерения индуктивности соленоида, в котором железнодорожный вагон с грузом выполняет функцию сердечника.
Коэффициент самоиндукции соленоида (потокосцепление) равен
т.е. индуктивность соленоида зависит от длины l соленоида, числа его витков N,, его площади S и магнитной проницаемости µ вещества, из которого изготовлен сердечник соленоида. Средством измерения индуктивности соленоида могут служить электрические параметры контура, в которые он будет включен в соответствии со схемой измерения. В упрощенном виде схема представлена на фиг.1.
C
A
C
A
Полное электрическое сопротивление R на переменном токе цепи, представленной на фиг.1, складывается из активной R и индуктивной составляющей L R=R+L, причем активная составляющая является постоянной величиной и вносит значительно меньший вклад в полное сопротивление цепи по сравнению с индуктивной составляющей вследствие того, что все проводники, включая катушку индуктивности выполнены из медного провода большого сечения.
Мгновенное значение полного электрического сопротивления такой цепи при прохождении сквозь катушку соленоида железнодорожного вагона будет определяться соотношением
C
dR/dA=dL
где dA - бесконечно малый отрезок оси, проходящей вдоль направления движения вагона.
Тогда функция, описывающая изменение полного электрического сопротивления контура при прохождении через него вагона, груженого металличесим ломом, будет описываться уравнением
1
a
A
R(A)=R+∫LdA,
2
a
1
2
где a и a - координаты начала и конца вагона. Функция R(A) может быть вычислена путем графического интегрирования, которое будет осуществлять специализированное программное обеспечение через систему АЦП с помощью графического интерфейса. Абсолютное значение интеграла, а также форма кривой R(A) позволят идентифицировать наличие немагнитных включений в сердечнике соленоида, функцию которого в момент прохождения будет выполнять вагон с грузом металлического лома, поскольку оба параметра будут находиться в функциональной зависимости от количества и местоположения в вагоне немагнитных включений (приведены на фиг.2-6).
Для проведения измерений магнитным методом не требуется использование электромагнитных полей высокой частоты и напряженности, подпадающих под действие санитарных и иных норм безопасности, при правильно разработанной конструкции системы практически исключена возможность фальсификации результатов измерений, за исключением применения автономных источников электромагнитных полей, что является проблематичным в условиях грузового вагона.
Такая система экспресс-контроля представляется значительно более функциональной, селективной, чувствительной и помехозащищенной по сравнению с рентгенотелевизионной.
Предложенный метод измерений является избыточно чувствительным, поэтому основной задачей научно-технической разработки является устранить влияние ряда технологических и случайных факторов на результат измерений. В частности таких, как различная скорость и неравномерность движения вагона, температура и влажность, внешние электромагнитные поля, неравномерность распределения груза по вагону (влияние скорости и неравномерности устраняется путем снятия интегральной кривой индуктивности при прохождении вагона). Эти задачи решаются за счет включения в систему блока обработки данных и блока автоматического анализа и сигнализации путем использования дополнительных каналов измерений скорости, температуры, внешних электромагнитных полей и специального программного обеспечения, учитывающего внешние шумы и погрешности математическими методами.