РЕВЕРСИВНЫЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ

Реверсивный датчик скорости (РДС) относится к железнодорожному транспорту и предназначен для формирования первичных динамических сигналов, несущих информацию для определения скорости, ускорения, направления движения, ординаты и пройденного пути электропоезда, в том числе поезда метрополитена, скоростного трамвая и др.
РДС является первичным измерительным преобразователем входной физической величины (перемещения контролируемого ротора - зубчатой шестерни) в выходные электрические сигналы за счет модуляции плотности магнитного потока и его детектирования и осуществляет преобразование угловой скорости и направления вращения контролируемого ферромагнитного ротора - модулятора магнитного потока в выходные цифровые тахометрические сигналы, которые являются линейной функцией скорости движения, а также позволяют определить направление движения электропоезда.
Из патента №63937 известен датчик импульсов локомотивный, который предназначен для преобразования вращения колесной пары локомотива в последовательности электрических импульсов по двум каналам, на основании которых маневровая автоматическая сигнализация формирует информацию о скорости, направлении движения и пройденном пути локомотива. Датчик импульсов содержит установленный на валу модулятор, чувствительный элемент Холла, находящийся между перфорированными дисками модулятора и постоянные магниты, расположенные с внешней стороны модулятора, при этом магнитная ось постоянных магнитов, центры отверстий дисков и центр чувствительного элемента Холла находятся на одном расстоянии от оси центра вращения модулятора. Датчик содержит полумуфту привода, установленную на входном валу, мультипликатор, выполненный по планетарной схеме и расположенный в герметичном отсеке корпуса.
Недостатками датчика импульсов локомотивного являются сложная конструкция, большие габаритно-массовые параметры, ограниченный срок службы, что не позволяет использовать локомотивный датчик на электропоездах метрополитена.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемой полезной модели является датчик скорости по патенту № RU 2671284 C2 (ЛЕСИКАР АБ), 30.10.2018, принятый за прототип.
Датчик скорости предназначен для измерения скорости автомобиля, установлен в коробке передач автомобиля, содержит два магнитных датчика с магнитным детектированием и электронными схемами, преобразующими выходные аналоговые сигналы магниточувствительных датчиков в выходные цифровые тахометрические сигналы. Частота следования сигналов пропорциональна скорости вращения шестерни с ферромагнитными метками, находящейся на выходном валу коробки передач, при этом верхнее и нижнее пороговые значения выходных сигналов датчика являются саморегулирующимися относительно верхнего и нижнего пиковых значений выходных аналоговых сигналов магниточувствительных датчиков, принцип работы которых основан на эффекте Холла, и которые расположены на передней поверхности корпуса датчика, направленной к периферии зубчатого колеса. Датчик скорости имеет противоположную магнитную ориентацию двух полюсов постоянных магнитов.
Недостатком вышеуказанного датчика скорости является невозможность определения направления движения и невозможность применения датчика на электропоездах метрополитена.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание РДС, позволяющего определять параметры движения электропоезда (скорость, ускорение, направление движения, время в пути, ординату и пройденный путь).
Данная задача решается следующим образом. РДС, состоящий из двух магнитных датчиков, например, работающих на эффекте Холла, с магнитными детекторами и электронными схемами, преобразующими выходные аналоговые сигналы магниточувствительных элементов датчиков в нормализованные цифровые сигналы, размещен в корпусе силового редуктора колесной пары головного вагона электропоезда и выполнен с возможностью продольного перемещения и жесткой фиксации в корпусе редуктора. РДС установлен таким образом, что угловые апертуры зондирующих зон магниточувствительных элементов каждого магнитного датчика проходят вдоль его продольной оси и поочередно направлены на зубья ведомой шестерни редуктора, которая механически жестко связана с осью колесной пары вагона.
Магнитные детекторы и электронные схемы магнитных датчиков преобразуют выходные аналоговые сигналы магниточувствительных элементов датчиков в цифровые сигналы, верхний и нижний пороговые уровни которых являются самонастраивающимися до нормализованного уровня выходных сигналов магнитных датчиков, которые расположены в корпусе РДС аксиально с внутренней стороны, прилегающей к передней торцевой стенке, граничащей с фронтальной измерительной поверхностью датчика.
Предлагаемое техническое решение РДС поясняется фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 представлена условная схема конструкции РДС, где
1 - корпус РДС;
2 - фронтальная измерительная поверхность РДС;
3, 4 - магнитные датчики;
5 - электрический соединитель;
6 - ключ ориентации;
7 - развертка зубьев колеса ведомой шестерни.
Внутри полого цилиндрического корпуса 1 РДС с внутренней стороны передней торцевой стенки из диамагнитного материала, граничащей с фронтальной измерительной поверхностью 2, расположены аксиально магнитные датчики 3 и 4, а на противоположной задней торцевой стенке находится электрический соединитель 5. Ключ ориентации 6 предназначен для обеспечения необходимой ориентации РДС в корпусе силового редуктора колесной пары головного вагона электропоезда к зубьям ведомой шестерни, показанным на ее развертке 7. Цепи питания и выходных сигналов магнитных датчиков 3 и 4 подключены к электрическому соединителю 5.
На фиг. 2 показана схема крепления РДС в корпусе силового редуктора, где:
8 - РДС;
9 - резьбовое соединение;
10 - основание-вставка;
11 - корпус силового редуктора;
12 - кольцо дополнительного крепления и фиксации основания-вставки;
13 - зуб фиксирующего стопора ориентации;
14 - круглая стопорная гайка с насечкой;
15 - зубья ведомой шестерни силового редуктора;
Z - рабочий зазор между вершиной зуба шестерни 15 и фронтальной измерительной поверхностью 2 РДС поз. 8.
РДС поз. 8 жестко закреплен в отверстии корпуса силового редуктора колесной пары с помощью резьбового соединения 9 на основание-вставку 10 корпуса силового редуктора 11 с помощью кольца 12.
РДС зафиксирован в положение необходимой ориентации зубом фиксирующего стопора 13 и застопорен гайкой 14 с предварительно установленным рабочим зазором Z между  вершиной зуба шестерни силового редуктора 15 и фронтальной измерительной поверхностью 2 РДС поз. 8.
В статическом состоянии зубья ведомой шестерни находятся в неподвижном состоянии, и на выходах РДС отсутствуют первичные электрические сигналы параметров движения, соответственно контролируемые параметры движения - линейная скорость, ускорение, направление движения, время в пути, ордината и пройденный путь имеют нулевые значения.
Работает РДС следующим образом. При движении электропоезда ведомая шестерня силового редуктора, находящаяся на оси колесной пары головного вагона, вращается в одном из двух возможных направлений с угловой скоростью, пропорциональной скорости движения электропоезда, при этом зубья ведомой шестерни модулируют входные магнитные потоки, идущие от постоянных магнитов магнитных датчиков РДС.
Работа магнитного датчика положения, работающего на эффекте Холла, основана на преобразовании изменений входного магнитного поля в электрические сигналы при движении контролируемой ведомой шестерни методом детектирования перепадов плотности распределения магнитного потока и их двоичного кодирования, причем верхний и нижний пороговые уровни выходного сигнала датчика являются самонастраивающимися до нормализованного выходного уровня.
При прохождении зуба ведомой шестерни перед чувствительным элементом магнитного датчика, магнитные силовые линии постоянного магнита датчика, создающего обратносмещающее магнитное поле, концентрируются в центре магниточувствительного элемента, вызывая увеличение выходного напряжения магнитного датчика.
В результате взаимодействия магнитного потока с "впадинами" и "выступами" шестерни в выходной фазосдвинутой квадратурной паре цифровых сигналов каждый сформированный единичный бит свидетельствует о прохождении через угловую апертуру зондирующей магниточувствительной зоны датчика одного "зуба-выступа" шестерни.
Таким образом, РДС при модуляции входного магнитного потока осуществляет периодическое двоичное кодирование "впадин" и "выступов" шестерни и формирование на выходах двух независимых каналов двоичных последовательностей прямоугольных электрических импульсов с частотой, прямо пропорциональной линейной скорости движения электропоезда, и различными фазами, причем по знаку сдвига фаз определяется направление движения.
Формирование сигнала направления из квадратурной пары может быть выполнено различными аппаратными методами, например, с помощью триггера фиксации направления (D-триггера), реверсивного счетчика, фазового дискриминатора, а также с помощью программного обеспечения при реализации обрабатывающего модуля на основе программируемого микроконтроллера.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение возможности точного определения скорости, ускорения, направления движения, ординаты и пройденного пути электропоезда без использования дополнительного напольного оборудования. Кроме того, конструкция заявляемого РДС обладает повышенными надежностью и сроком службы вследствие отсутствия механического износа. Применение РДС позволяет расширить арсенал технических средств на железнодорожном транспорте и метрополитене.
Простота конструкции, минимальное количество материалов и электрорадиоэлементов из доступной элементной базы позволяют осуществить промышленную реализацию РДС. В качестве бесконтактных магнитных датчиков в РДС возможно применение магнитоэлектронных сенсоров положения компании HONEYWELL.
Реверсивный датчик скорости реализован и испытан в составе комплекса управления и обеспечения безопасности движения электропоездов на линиях Петербургского метрополитена.
Реализация и проведенные испытания РДС в составе комплекса управления и обеспечения безопасности движения электропоездов на линиях Петербургского метрополитена подтверждают заявляемый технический результат полезной модели.