УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНОГО ПРОВОДА
CONTACT WIRE PARAMETERS MEASURING DEVICE

Изобретение относится к транспортным средствам с электротягой и предназначено для диагностики состояния контактной сети.
При движении вагона контактный провод контактной сети электрической железной дороги находится в контакте с токоприемником (пантографом). Из-за этого при работе вагона электрической железной дороги контактный провод постепенно изнашивается - уменьшаются его линейные размеры, площадь поперечного сечения и масса провода при трении о токосъемный полоз пантографа. Если своевременно не произведена замена контактного провода, то это, в конечном итоге, приводит к разрыву или потере контакта и возникновению аварии.
Кроме того, в процессе эксплуатации контактной сети возможно провисание контактного провода, в частности, при изменении температурных условий окружающей среды. Провисание контактного провода может явиться причиной сбоев движения на железной дороге, а при определенных обстоятельствах может привести к несчастным случаям.
Поэтому диагностика состояния контактного провода - в частности, измерение его износа и провисания - является важной задачей эксплуатационных служб железных дорог.
Одной из проблем при измерении параметров контактного провода является то обстоятельство, что высота подвески контактного провода относительно крыши вагона изменяется в широких пределах - от 0,6 м до 2,2 м.
Кроме того, с целью уменьшения износа токосъемника электровоза при трении контактным проводом подвеска контактного провода между опорами осуществляется под углом к плоскости, проходящей через продольную ось таким образом, что проекция подвески на железнодорожное полотно представляет собой зигзаг. В результате контактный провод имеет значительную протяженность в горизонтальном направлении - до 1 400 мм.
Как следствие, возникает задача измерения параметров контактного провода - его положения по горизонтали и вертикали (и провисания вследствие изменения положения по вертикали) и износа контактного провода - в процессе изменения его расстояния до крыши вагона по всей протяженности контактного провода поперек рельсового пути.
Отметим, что под термином «контактный провод», используемым на железной дороге, подразумевается как одинарный контактный провод, так и контактный провод, содержащий физически более одного провода, например, двойной, составленный из двух проводов (правого и левого), входящих в одну контактную подвеску. Также возможно выполнение контактного провода, содержащего четыре провода.
Известно устройство для автоматического измерения параметров контактного провода, описанное в патенте РФ №2486466, МПК G01B 11/06, 2013 г. Упомянутое устройство содержит осветительное и приемное оборудование, расположенное на отдельном измерительном полозе токоприемника, при этом осветительное оборудование выполнено в виде двух лазерных излучателей, генерирующих плоские веерные лучи, а приемное оборудование выполнено в виде телевизионной камеры. Телевизионная камера фиксирует линии пересечения поверхности контактного провода и плоскости лазерных лучей, и по форме линий пересечения определяется степень износа контактного провода.
Размещение основных функциональных узлов устройства на токоприемнике позволяет обеспечить слежение за переменной высотой подвески контактного провода, но, в то же время, является существенным недостатком устройства, поскольку размещение дополнительного оборудования на токоприемнике, вблизи контактного провода (на расстоянии 8-10 см от него), находящегося под высоким напряжением, ухудшает электробезопасность устройства и повышает механическую нагрузку на токоприемник. Кроме того, увеличивается влияние посторонних шумов на работу устройства.
Как следствие, снижаются эксплуатационные характеристики устройства для автоматического измерения параметров контактного провода и повышается вероятность возникновения нештатных ситуаций, которые могут нарушить работу устройства и даже привести к выходу его из строя.
В качестве ближайшего аналога заявляемого устройства принято устройство для измерения параметров контактного провода на железных дорогах (патент США №6778284, МПК G01B 11/00, 2004 г.), основанное на использовании принципа лазерной триангуляции.
Указанное устройство, располагаемое на крыше вагона, содержит средства освещения контактного провода, выполненные в виде линейки лазеров, и размещенных напротив лазеров линейки первых зеркал по числу лазеров. Обе линейки расположены под контактным проводом и ориентированы перпендикулярно его оси.
Указанное устройство также содержит средства регистрации отраженного от контактного провода лазерного излучения, выполненные в виде линейки вторых зеркал, расположенной под контактным проводом, и размещенной напротив упомянутой линейки зеркал линейки видеокамер, число которых равно числу зеркал. Обе линейки ориентированы перпендикулярно оси контактного провода, при этом линейка вторых зеркал расположена между линейками лазеров и видеокамер.
Кроме того, устройство содержит средства питания лазеров и блок регистрации и обработки, связанный со средствами механического перемещения зеркал.
Все упомянутые линейки расположены пространственно вдоль направления протяженности контактного провода в горизонтальном направлении для обеспечения возможности измерения износа провода по всей его ширине.
Устройство по патенту США №6778284 работает следующим образом.
С помощью зеркал на поверхность контактного провода проектируются плоские веерные лазерные лучи, плоскость которых составляет некоторый угол с осью контактного провода (около 45°). Линии пересечения поверхности контактного провода и плоскости веерных лазерных лучей фиксируются видеокамерами при помощи вторых зеркал, направляющих отраженное от контактного провода лазерное излучение на видеокамеры. Сигналы с выходов видеокамер поступают в блок регистрации и обработки, в котором осуществляется измерение износа контактного провода.
При изменении расстояния между контактным проводом и крышей вагона линия пересечения поверхности контактного провода и плоскости веерных лазерных лучей уходит из поля зрения видеокамеры. Этот факт фиксируется блоком регистрации и обработки, который вырабатывает соответствующую команду на перемещение вторых зеркал до тех пор, пока указанная линия снова не появится в поле зрения камер. В результате обеспечивается слежение за переменной высотой подвески контактного провода и измеряются его износ и провисание во всем диапазоне перемещения контактного провода поперек вагона (поперек рельсового пути) при изменении расстояния между контактным проводом и крышей вагона.
Устройство, принятое в качестве ближайшего аналога, имеет следующие недостатки.
Необходимость использования средств механического перемещения зеркал для юстировки их положения при изменении высоты подвески контактного провода усложняет устройство и снижает его надежность. Кроме того, указанное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, что обусловлено следующим.
Принцип слежения за контактным проводом с помощью системы зеркал в устройстве по патенту США №6778284 сильно усложняет, а в ряде случаев делает невозможным контроль параметров контактного провода, содержащего несколько проводов. В частности, это относится к тем случаям, когда несколько проводов контактной подвески находятся на разном расстоянии от крыши вагона. Как следствие, функциональные возможности устройства, принятого в качестве ближайшего аналога, ограничиваются возможностью измерения параметров одного провода.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения -упрощение устройства, повышение его надежности и расширение функциональных возможностей при обеспечении высокой точности измерений.
1
2
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве измерения параметров контактного провода, включающем лазерные средства освещения контактного провода, которые содержат линейку N лазеров, расположенную под контактным проводом поперек протяженности контактного провода; средства регистрации отраженного от контактного провода лазерного излучения, содержащие видеокамеры, которые образуют линейную структуру, расположенную под контактным проводом и ориентированную поперек его протяженности; блок управления, регистрации и обработки сигнала, связанный с лазерами и видеокамерами, и средства питания лазеров, линейная структура видеокамер организована в виде, по меньшей мере, двух линеек, при этом видеокамеры выполнены с неперекрывающимися друг относительно друга углами обзора и с возможностью одновременной регистрации видеокамерами первой линейки отраженного от контактного провода лазерного излучения в первом диапазоне L изменения высоты подвески контактного провода относительно крыши вагона, а видеокамерами второй линейки - регистрации отраженного от контактного провода лазерного излучения во втором диапазоне L изменения высоты подвески контактного провода относительно крыши вагона, где (L+L) равна всему диапазону L изменения высоты подвески контактного провода относительно крыши вагона.
Указанный технический результат достигается также тем, что видеокамеры в первой линейке выполнены с возможностью регистрации отраженного от контактного провода лазерного излучения в диапазоне до 0,5L, а видеокамеры во второй линейке выполнены с возможностью регистрации отраженного от контактного провода лазерного излучения в диапазоне (0,5-1,0)L.
1
2
Указанный технический результат достигается также тем, что видеокамеры первой линейки выполнены с углом обзора β а видеокамеры второй линейки выполнены с углом обзора β.
Указанный технический результат достигается также тем, что линейки содержат равное количество видеокамер.
Указанный технический результат достигается также тем, что число видеокамер в каждой линейке числу лазеров.
Указанный технический результат достигается также тем, что линейки видеокамер расположены параллельно друг другу и линейке лазеров.
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве лазеров применены лазеры инфракрасного диапазона со стабилизированной длиной волны.
1
2
1
2
Сущность изобретения заключается в использовании двухуровневой системы слежения за контактным проводом, включающей две группы видеокамер, каждая из которых регистрирует отраженное от контактного провода лазерное излучение в определенном диапазоне изменения высоты подвески контактного провода относительно крыши вагона (в диапазоне L - для первой группы видеокамер и в диапазоне L - для второй группы видеокамер), причем процесс регистрации осуществляется обеими группами видеокамер одновременно, а сумма указанных диапазонов (L+L) равна всему диапазону L изменения высоты подвески контактного провода относительно крыши вагона.
Изобретение иллюстрируется рисунками. На фиг. 1 показаны линейки лазеров и видеокамер и их взаимное расположение относительно друг друга, на фиг. 2 схематически представлена блок-схема заявляемого устройства.
Устройство измерения параметров контактного провода содержит средства освещения контактного провода, выполненные в виде линейки 1 N лазеров 2, размещенной под контактным проводом поперек его протяженности (поперек рельсового пути), и средства регистрации отраженного от контактного провода лазерного излучения, также размещенные под контактным проводом и выполненные в виде видеокамер 3, скомпонованных пространственно в виде первой 4 и второй 5 линеек видеокамер, расположенных параллельно друг другу и параллельно линейке 1 лазеров 2 поперек протяженности контактного провода, при этом первая линейка 4 расположена между линейкой 1 лазеров 2 и второй линейкой 5 видеокамер 3.
В предпочтительном варианте изобретения каждая линейка 4 и 5 содержит N видеокамер 3.
1
2
Видеокамеры 3 первой линейки 4 выполнены с углом обзора β, а видеокамеры 3 второй линейки 5 выполнены с углом обзора β при этом видеокамеры 3 расположены таким образом, что угол обзора k-ой видеокамеры не перекрывается с углами обзора остальных видеокамер.
Объективы видеокамер 3 направлены вертикально вверх, к поверхности контактного провода, что позволяет в большинстве случаев исключить попадание в объектив видеокамеры солнечных лучей.
1
2
Угла обзора видеокамер 3 выбираются достаточно небольшими: угол обзора β видеокамер 3 первой линейки 4 принимается равным ±4,5°, а угол обзора β видеокамер 3 второй линейки 5 принимается равным ±6,5°. Как следствие, появляется возможность использования узкополосных интерференционных светофильтров.
В качестве лазеров 2 выбраны лазеры, работающие на стабилизированной длине волны в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн, в частности, на длине волны 808 нм. Применение лазеров, работающих в ИК диапазоне, позволяет использовать более мощные лазеры; кроме того, в ИК диапазоне существенно меньше засветка солнечным излучением (спектр Солнца в ИК области имеет «провал»).
Заявляемое устройство также содержит блок питания лазеров 6, связанный с лазерами 2, и блок управления, регистрации и обработки 7, связанный с блоком бис видеокамерами 3.
Конструктивно совокупность лазеров 2 и видеокамер 3 может быть реализована в виде модульной конструкции, содержащей N модулей 8, каждый из которых включает один лазер 2, одну видеокамеру 3 первой линейки 4 и одну видеокамеру 3 второй линейки 5. На фиг. 1 показаны только крайние модули 8 - первый и N-ый.
Следует отметить, что количество линеек с видеокамерами может быть большим двух, например, оно может быть равно трем или четырем.
В процессе эксплуатации устройство контроля параметров контактного провода устанавливается на крыше вагона, что позволяет уменьшить уровень помех от высоковольтной сети. Работа устройства осуществляется под управлением блока 7, обеспечивающего синхронизацию работы лазеров и видеокамер.
Лазеры 2 облучают плоскими веерными лучами поверхность контактного провода 9 (который может содержать как один провод, так и несколько проводов), и видеокамеры 3, регистрируя изображение участков контактного провода 9, освещаемых лазерным излучением, осуществляют одновременный и постоянный мониторинг поверхности контактного провода 9.
1
2
Видеокамеры 3 линейки 4 регистрируют отраженное от контактного провода 9 (содержащего физически один или несколько проводов) лазерное излучение в первом диапазоне L изменения высоты подвески контактного провода 9 относительно крыши вагона, начиная от нижней крайней точки диапазона L, ближайшей к крыше вагона, и до 0,5L, а видеокамеры линейки 5 при этом одновременно регистрируют отраженное от контактного провода 9 лазерное излучение во втором диапазоне L, равном (0,5-1,0)L.
Сигналы с выходов видеокамер 3 поступают в блок 7, который рассчитывает параметры провода (или проводов) контактного провода 9 - износ и степень провисания (изменение положения провода по вертикали).
Организация лазеров и видеокамер согласно изобретению и использование, в частности, лазерной линейки, содержащей 7 лазеров, и двух линеек видеокамер по 7 видеокамер в каждой линейке позволяет получить общий диапазон измерений, равный 1400×1600 мм, необходимый для построения системы контроля параметров контактного провода.
По сравнению с устройством, принятым в качестве ближайшего аналога, заявляемое устройство характеризуется отсутствием зеркал и средств их механического перемещения, что упрощает конструкцию устройства и повышает его надежность, а также расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения возможности одновременной регистрации параметров нескольких проводов, входящих в состав контактного провода, при обеспечении высокой точности измерений.