УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА
DEVICE TO CONTROL RAILWAY CAR MECHANICAL AND ELECTRICAL HARDWARE PARAMETERS

Изобретение относится к приборостроению в области железнодорожного транспорта, а именно подвижного состава, и может быть использовано для осуществления бортового контроля параметров механического и электрического оборудования железнодорожного вагона, в частности пассажирского.
Известны различные модификации систем контроля параметров эксплуатационного электрооборудования пассажирского подвижного состава железнодорожного транспорта [авторские свидетельства SU на изобретения №527328, 929484, патент RU на изобретение №2356771, патент RU на полезную модель №74881], в частности, температурного контроля буксовых узлов подвижного состава. Все они включают в себя датчики температуры, установленные в каждом буксовом узле и с помощью линий связи подключенные к входу блока анализа и обработки информации.
Известно также устройство дистанционного контроля параметров эксплуатационного оборудования подвижного состава железнодорожного транспорта [патент RU на изобретение №2327591], в частности контроля температурного режима букс подвижного состава железнодорожного транспорта. Устройство содержит, по меньшей мере, один радиодатчик температуры буксы и систему сбора информации о температуре букс. Радиодатчик температуры буксы соединен с системой сбора информации по радиоканалу. Система сбора информации установлена на средстве транспорта и включает радиоприемное устройство и радиопередатчик, подключенные к микропроцессору. При этом система сбора информации выполнена с возможностью регистрации сигналов только с датчиков температуры, размещенных на указанном средстве рельсового транспорта, и передачи информации о состоянии букс удаленному регистратору.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является «Система беспроводного контроля нагрева букс пассажирского вагона» [патент RU на изобретение №2365518]. Система содержит два имеющих по внутренней антенне беспроводных датчика температуры букс на каждой колесной паре и не менее одного приемника на вагон, также содержащего внутреннюю антенну. Приемник по двухпроводной связи подключен к блоку контроля и индикации, а по радиоканалу - к мобильному регистратору, выполненному с возможностью регистрации параметров, выдаваемых беспроводными датчиками температуры букс.
Недостатком наиболее близкого аналога и предшествующих ему является недостаточно полный мониторинг оборудования подвижного состава железнодорожного транспорта.
Задачей заявляемого изобретения является повышение безопасности эксплуатации железнодорожного вагона за счет возможности более полного мониторинга как механического, так и электрического оборудования вагона.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в устройство контроля параметров механического и электрического оборудования железнодорожного вагона, включающее радиодатчики температуры букс, соединенные по радиоканалу через приемопередатчик с центральным контроллером, датчик с клеммами для измерения тока аккумуляторной батареи и датчик с клеммами для измерения тока подвагонного генератора, блок питания, первый входной зажим которого подключен к плюсовой клемме сети питания, второй входной зажим - к минусовой клемме сети питания, введены: блок сопряжения и блок контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи, радиодатчики температуры окружающей среды, температуры подшипников подвагонного генератора, температуры и уровня масла в редукторе привода подвагонного генератора, при этом входы блока сопряжения соединены следующим образом: первый вход с первым входом блока контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи и плюсовой клеммой сети питания; второй вход со вторым входом блока контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи и минусовой клеммой сети питания; третий вход блока сопряжения с плюсовой клеммой сети вагона; четвертый вход с минусовой клеммой сети вагона; пятый вход с клеммой первого вывода датчика для измерения тока подвагонного генератора; шестой вход с клеммой второго вывода датчика для измерения тока подвагонного генератора; седьмой вход с третьим входом блока контроля остаточной емкости и клеммой первого вывода датчика для измерения тока аккумуляторной батареи; восьмой вход с четвертым входом блока контроля остаточной емкости и клеммой второго вывода датчика для измерения тока аккумуляторной батареи; девятый вход с выходом блока контроля остаточной емкости; первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы блока сопряжения подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому измерительным входам центрального контроллера.
Заявляется также устройство контроля параметров механического и электрического оборудования железнодорожного вагона с вышеописанными признаками, в котором блок контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи имеет первый, второй и третий дифференциальные усилители, резистивный делитель напряжения, первый, второй, третий и четвертый субблоки выборки и хранения данных, первый и второй одновибраторы, первый и второй двухполупериодные прецизионные выпрямители, процессор, тактовый генератор, субблок индикации; при этом высоковольтный вход резистивного делителя соединен с плюсовой клеммой сети питания, а его низковольтный вход соединен с минусовой клеммой сети питания; сигнальные входы первого и второго субблоков выборки и хранения данных соединены между собой и подключены к выходу первого дифференциального усилителя, сигнальные входы третьего и четвертого субблоков выборки и хранения данных соединены между собой и подключены к выходу резистивного делителя напряжения; к выходу первого одновибратора подключены входы стробирования первого и третьего субблоков выборки и хранения данных, к выходу второго одновибратора подключены входы стробирования второго и четвертого субблоков выборки и хранения данных; неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя соединен с выходом первого субблока выборки и хранения данных, неинвертирующий вход третьего дифференциального усилителя соединен с выходом третьего блока выборки и хранения данных; вход первого двухполупериодного прецизионного выпрямителя подключен к выходу второго дифференциального усилителя, вход второго двухполупериодного прецизионного выпрямителя подключен к выходу третьего дифференциального усилителя; выход процессора подключен к входу субблока индикации, а аналоговые входы процессора соединены - первый вход с выходом первого двухполупериодного прецизионного выпрямителя, второй вход с выходом второго субблока выборки и хранения данных и с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя, третий вход с выходом второго двухполупериодного прецизионного выпрямителя, четвертый вход с выходом четвертого субблока выборки и хранения данных и с инвертирующим входом третьего дифференциального усилителя; выход тактового генератора подключен к импульсному входу процессора и к входам первого и второго одновибраторов.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании возможности более полного мониторинга оборудования вагона путем контроля следующих параметров
- температуры каждой из букс колесной пары;
- температуры и уровня масла в редукторе привода подвагонного генератора;
- температуры подшипников подвагонного генератора;
- температуры окружающей среды;
- электрических параметров оборудования железнодорожного вагона, в том числе тока и напряжения аккумуляторной батареи, тока и напряжения подвагонного генератора, напряжения сети питания, остаточной емкости аккумуляторной батареи.
Возможность получения оперативной, в реальном масштабе времени, информации о состоянии узлов механического и электрического оборудования вагона в ходе его поездки позволяет предупредить возникновение аварийной ситуации, что наряду с повышением безопасности эксплуатации подвижного состава продлевает срок службы ходовой части и электрооборудования вагона.
Все названные технические преимущества заявляемой системы достигаются техническими особенностями - в первую очередь оснащением схемы дополнительно рядом радиодатчиков путем их введения в нее, а также их взаимодействием с элементами традиционной электросхемы железнодорожного вагона путем введения дополнительных линий связи, по которым передается дополнительная информация.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-4, на которых изображены: на Фиг.1 - условные изображения фронтального вида и вида сверху пассажирского вагона с расположением в нем составных частей устройства контроля, на Фиг.2 - блок сопряжения, на Фиг.3 - блок контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи, на Фиг.4 - временные диаграммы работы блока контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи транспортного средства, где позициями обозначены:
1 - центральный контроллер;
2 - приемопередатчик радиосигнала;
3 - блок питания;
4 - кузов вагона;
5 - электрошкаф;
6 - плюсовая клемма сети питания;
7 - минусовая клемма сети питания;
8 - буксовый узел;
9 - радиодатчики температуры букс;
10 - подвагонный генератор;
11 - подшипники подвагонного генератора;
12 - радиодатчики температуры подшипников подвагонного генератора;
13 - радиодатчики температуры окружающей среды;
14 - редуктор привода подвагонного генератора;
15 - радиодатчик температуры масла в редукторе привода подвагонного генератора;
16 - радиодатчик уровня масла в редукторе привода подвагонного генератора;
17 - аккумуляторная батарея;
18 - блок контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи;
19 - блок сопряжения;
20 - плюсовая клемма сети вагона;
21 - минусовая клемма сети вагона;
22 - клемма первого вывода датчика для измерения тока подвагонного генератора;
23 - клемма второго вывода датчика для измерения тока подвагонного генератора;
24 - клемма первого вывода датчика для измерения тока аккумуляторной батареи;
25 - клемма второго вывода датчика для измерения тока аккумуляторной батареи;
26 - субблоки для измерения высоковольтного напряжения блока сопряжения (два субблока);
27 - субблоки для измерения низковольтного напряжения блока сопряжения (два субблока);
28 - резистивный делитель напряжения субблока 26;
29 - дифференциальный усилитель субблока 26;
30 - процессор субблока 26;
31 - выходной каскад гальванической развязки субблока 26;
32 - преобразователь с гальваническим разделением цепей субблока 26;
33 - дифференциальный усилитель субблока 27;
34 - процессор субблока 27;
35 - выходной каскад гальванической развязки субблока 27;
36 - преобразователь с гальваническим разделением цепей субблока 27;
37 - первый дифференциальный усилитель блока 18;
38 - второй дифференциальный усилитель блока 18;
39 - третий дифференциальный усилитель блока 18;
40 - субблок индикации блока 18;
41 - резистивный делитель напряжения блока 18;
42 - первый субблок выборки и хранения данных блока 18;
43 - второй субблок выборки и хранения данных блока 18;
44 - третий субблок выборки и хранения данных блока 18;
45 - четвертый субблок выборки и хранения данных блока 18;
46 - первый одновибратор блока 18;
47 - второй одновибратор блока 18;
48 - первый двухполупериодный прецизионный выпрямитель блока 18;
49 - второй двухполупериодный прецизионный выпрямитель блока 18;
50 - процессор блока 18;
51 - тактовый генератор блока 18.
Устройство контроля параметров механического и электрического оборудования железнодорожного вагона содержит центральный контроллер 1, приемопередатчик радиосигнала 2, блок питания 3, датчики для измерения тока подвагонного генератора и аккумуляторной батареи (на Фиг. не представлены), соединенные между собой проводными линиями связи и расположенные в кузове вагона 4, вблизи электрошкафа 5. При этом первый входной зажим блока питания 3 подключен к плюсовой клемме сети питания 6, расположенной внутри электрошкафа 5. Второй входной зажим блока питания 3 подключен к минусовой клемме сети питания 7, расположенной внутри электрошкафа 5. На каждом буксовом узле 8 установлены радиодатчики температуры букс 9. На каждом подшипнике 11 подвагонного генератора 10 установлены радиодатчики температуры 12. На кузове вагона 4 с его наружной части установлен радиодатчик температуры окружающей среды 13. В корпусе редуктора привода 14 установлены радиодатчик температуры масла 15 и радиодатчик уровня масла 16 в редукторе привода. Устройство контроля содержит также блок контроля остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17 и блок сопряжения 19, первый вход которого соединен с первым входом блока контроля остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17 и клеммой 6 электрошкафа 5. Второй вход блока сопряжения 19 соединен с вторым входом блока контроля остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17 и клеммой 7. Третий вход блока сопряжения 19 соединен с плюсовой клеммой 20 сети вагона, расположенной внутри электрошкафа 5, четвертый вход блока сопряжения 19 соединен с минусовой клеммой 21 сети вагона, расположенной внутри электрошкафа 5. Пятый вход блока сопряжения 19 соединен с клеммой 22 первого вывода датчика для измерения тока подвагонного генератора, расположенной внутри электрошкафа 5. Шестой вход блока сопряжения 19 соединен с клеммой 23 второго вывода датчика для измерения тока подвагонного генератора, расположенной внутри электрошкафа 5. Седьмой вход блока сопряжения 19 соединен с третьим входом блока контроля остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17 и клеммой 24 первого вывода датчика для измерения тока аккумуляторной батареи. Восьмой вход блока сопряжения 19 соединен с четвертым входом блока контроля остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17 и клеммой 25 второго вывода датчика для измерения тока аккумуляторной батареи. Девятый вход блока сопряжения 19 соединен с выходом блока контроля остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17. При этом первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы блока сопряжения 19 подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому измерительным входам центрального контроллера 1. Входы блока контроля остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17 подключены: первый вход к клемме 6, второй вход к клемме 7, третий вход к клемме 24, четвертый вход к клемме 25.
Блок сопряжения 19 (Фиг.2) состоит из двух одинаковых субблоков 26 для измерения высоковольтного напряжения и двух одинаковых субблоков 27 для измерения низковольтного напряжения. Каждый субблок 26, в свою очередь, содержит резистивный делитель напряжения 28, дифференциальный усилитель 29, процессор 30, выходной каскад гальванической развязки 31, преобразователь с гальваническим разделением цепей 32. Вход резистивного делителя напряжения 28 является входом субблока 26. Вход дифференциального усилителя 29 подключен к выходу резистивного делителя напряжения 28. Вход процессора 30 подключен к выходу дифференциального усилителя 29. Выход выходного каскада гальванической развязки 31 является выходом субблока 26, а его вход соединен с выходом процессора 30. Вход преобразователя с гальваническим разделением цепей 32 является питающим входом субблока 26, а его выходы подключены к питающим входам дифференциального усилителя 29, резистивного делителя напряжения 28, процессора 30.
Каждый субблок 27, в свою очередь, содержит дифференциальный усилитель 33, процессор 34, выходной каскад гальванической развязки 35, преобразователь с гальваническим разделением цепей 36. Вход дифференциального усилителя 33 является входом субблока 27. Вход процессора 34 подключен к выходу с дифференциального усилителя 33. Выход выходного каскада гальванической развязки 35 является выходом субблока 27, а его вход соединен с выходом процессора 34. Вход преобразователя с гальваническим разделением цепей 36 является питающим входом субблока 27, а его выходы подключены к питающим входам дифференциального усилителя 33 и процессора 34.
Для измерения остаточной емкости аккумуляторной батареи заявляемое устройство должно содержать соответствующий блок контроля ее остаточной емкости. Он может быть выполнен разным образом. В данной заявке представлен оригинальный и оптимальный вариант его конструкторской проработки для заявляемого устройства контроля параметров механического и электрического оборудования железнодорожного вагона.
Блок контроля остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17 (фиг. 3) содержит первый 37, второй 38 и третий 39 дифференциальные усилители, субблок индикации 40, резистивный делитель напряжения 41, первый 42, второй 43, третий 44 и четвертый 45 субблоки выборки и хранения данных, первый 46 и второй 47 одновибраторы, первый 48 и второй 49 двухполупериодные прецизионные выпрямители, процессор 50, тактовый генератор 51.
Нагрузкой аккумуляторной батареи является вся совокупность потребителей электроэнергии, находящихся в вагоне, а током нагрузки является суммарный ток, потребляемый всеми включенными в данный момент времени электропотребителями вагона. Во время поездки количество включенных электропотребителей меняется, что вызывает изменение тока нагрузки и напряжения на нагрузке.
Аккумуляторная батарея подключена к нагрузке через датчик для измерения тока аккумуляторной батареи, клемма первого вывода которого 24 (Фиг.1) подключена к неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя 37 (Фиг.3), а клемма его второго вывода 25 (Фиг.1) подключена к инвертирующему входу первого дифференциального усилителя 37 (Фиг.3),
Первым условным выводом нагрузки аккумуляторной батареи является плюсовая клемма 6 (фиг.1) сети питания, расположенная внутри электрошкафа 5 (фиг.1). К данному выводу нагрузки подключен высоковольтный вход резистивного делителя напряжения 41 (фиг.3).
Вторым условным выводом нагрузки аккумуляторной батареи является минусовая клемма 7 (фиг.1) сети питания, расположенная внутри электрошкафа 5 (фиг.1). К данному выводу нагрузки подключен низковольтный вход резистивного делителя напряжения 41 (фиг.3).
Сигнальные входы первого 42 и второго 43 субблоков выборки и хранения данных соединены между собой и подключены к выходу первого дифференциального усилителя 37.
Сигнальные входы третьего 44 и четвертого 45 субблоков выборки и хранения данных соединены между собой и подключены к выходу резистивного делителя напряжения 41. К выходу первого одновибратора 46 подключены входы стробирования первого 42 и третьего 44 субблоков выборки и хранения данных. К выходу второго одновибратора 47 подключены входы стробирования второго 43 и четвертого 45 субблоков выборки и хранения данных. Неинвертирующий вход второго дифференциального усилителя 38 соединен с выходом первого субблока выборки и хранения данных 42. Неинвертирующий вход третьего дифференциального усилителя 39 соединен с выходом третьего субблока выборки и хранения данных 44. Вход первого двухполупериодного прецизионного выпрямителя 48 подключен к выходу второго дифференциального усилителя 38. Вход второго двухполупериодного прецизионного выпрямителя 49 подключен к выходу третьего дифференциального усилителя 39. Выход процессора 17 подключен к входу блока индикации 5. Первый аналоговый вход процессора 17 соединен с выходом первого двухполупериодного прецизионного выпрямителя 15. Второй аналоговый вход процессора 17 соединен с выходом второго блока выборки и хранения данных 8 и с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя 13. Третий аналоговый вход процессора 17 соединен с выходом второго двухполупериодного прецизионного выпрямителя 16. Четвертый аналоговый вход процессора 50 соединен с выходом четвертого субблока выборки и хранения данных 45 и с инвертирующим входом третьего дифференциального усилителя 39. Выход тактового генератора 51 подключен к импульсному входу процессора 50 и к входам первого 46 и второго 47 одновибраторов.
При первоначальном запуске в эксплуатацию заявляемого устройства контроля составляется таблица соответствия заводских номеров датчиков, установленных на данном железнодорожном вагоне, их местоположению на железнодорожном вагоне, которая загружается в память центрального контроллера 1. Исходя из условий эксплуатации, корректируются установленные при заводских испытаниях предварительные и аварийные пороги контролируемых параметров. В соответствующих зонах основного меню экрана центрального контроллера 1 заполняется серийный номер железнодорожного вагона, время и дата поездки. Центральный контроллер 1 имеет CD-держатель, в котором установлен переносной носитель информации в виде CD-карты (на Фиг. не обозначены). После названных действий устройство готово к работе.
Работа устройства
В ходе поездки с радиодатчиков (9, 12, 13, 15, 16) по радиоканалу передают с заданной периодичностью, которая может задаваться в диапазоне от 10 сек. до 10 минут, текущее значение измеренного параметра (температуры букс, температуры подшипников подвагонного генератора, температуры окружающей среды, температуры масла в редукторе, уровня масла в редукторе) на приемопередатчик 2, который по проводному каналу связи RS485 передает полученную информацию в центральный контроллер 1. Последний, используя данные о температуре окружающей среды, поступающие от радиодатчика 13, вычисляет перегрев контролируемых узлов относительно температуры окружающего воздуха. Полученные значения перегрева сравниваются с пороговыми значениями, записанными в его память при подготовке к эксплуатации. При достижении перегрева любого из контролируемых узлов порогового значения вырабатывается звуковой и визуальный сигнал аварии, с отображением на дисплее условного обозначения контролируемого узла, на котором возникла аварийная ситуация. Наряду с вышеизложенным, с тем же временным интервалом, также измеряются и передаются в центральный контроллер 1 такие значения параметров электрооборудования железнодорожного вагона, как напряжение подвагонного генератора (обозначенное в тексте как напряжение сети питания), напряжение сети вагона, тока подвагонного генератора, тока аккумуляторной батареи. При достижении текущего значения любого из контролируемых параметров, установленного при настройке порогового значения, также формируется звуковое и визуальное аварийное сообщение.
нагр.
нагр.
В ходе поездки осуществляется определение остаточной емкости аккумуляторной батареи 17, основанное на измерении в процессе движения транспортного средства перепада тока в нагрузке ΔI и соответствующего ему перепада напряжения на нагрузке ΔU, при скачкообразном изменении сопротивления нагрузки с последующим вычислением внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи 17, ее ЭДС и определения по разрядной характеристике данной аккумуляторной батареи 17 ее остаточной емкости. Перепады напряжения и тока возникают при включении/отключении электропотребителей аккумуляторной батареи 17.
нагр.
Формирование сигнала, соответствующего ΔI, и выраженного косвенно в виде напряжения определенной величины, осуществляется следующими узлами, входящими в состав устройства: первым дифференциальным усилителем 37, первым субблоком выборки и хранения данных 42, вторым субблоком выборки и хранения данных 43, первым одновибратором 46, вторым одновибратором 47, тактовым генератором 51, вторым дифференциальным усилителем 38, первым двухполупериодным прецизионным выпрямителем 48.
нагр.
Формирование сигнала, соответствующего ΔU, выраженного в виде напряжения определенной величины, осуществляется следующими узлами, входящими в состав устройства: резистивным делителем напряжения 41, третьим субблоком выборки и хранения данных 44, четвертым субблоком выборки и хранения данных 45, первым одновибратором 46, вторым одновибратором 47, тактовым генератором 51, третьим дифференциальным усилителем 39, вторым двухполупериодным прецизионным выпрямителем 49.
нагр.
Ниже рассмотрена работа узлов, формирующих сигнал ΔU
Работа устройства синхронизирована импульсами, вырабатываемыми тактовым генератором 51 (см. Фиг.2). Импульсы с выхода первого одновибратора 46 (эпюра 2) формируются по фронту импульса тактового генератора 51, а импульсы с выхода второго одновибратора 47 (эпюра 3) формируются по спаду импульса тактового генератора 51. Выходные импульсы первого одновибратора 46 инициируют в момент времени Т1 выборку текущего значения сигнала, пропорционального напряжению на выходе аккумуляторной батареи 17 и запоминание этого значения в памяти третьего субблока выборки и хранения данных 44, а также выборку текущего значения сигнала, пропорционального току разряда аккумуляторной батареи 17, в виде напряжения на датчике для измерения тока аккумуляторной батареи 17, и запоминание этого значения в памяти первого субблока выборки и хранения данных 42. Выходные импульсы второго одновибратора 47 инициируют в момент времени Т2 выборку текущего значения сигнала, пропорционального напряжению на выходе аккумуляторной батареи 17 и запоминание этого значения в памяти четвертого субблока выборки и хранения данных 45, а также выборку текущего значения сигнала, пропорционального току разряда аккумуляторной батареи 17, в виде напряжения на датчике для измерения тока аккумуляторной батареи 17, и запоминание этого значения в памяти второго субблока выборки и хранения данных 43.
В результате этого после окончания выходного импульса второго одновибратора 47 на неинвертирующем входе третьего дифференциального усилителя 39 присутствует значение напряжения на выходе аккумуляторной батареи 17, соответствующее моменту времени Т1, а на инвертирующем входе третьего дифференциального усилителя 39 присутствует значение напряжения на выходе аккумуляторной батареи 17, соответствующее моменту времени Т2.
Аналогично на входах второго дифференциального усилителя 38 присутствуют значения напряжений, соответствующие токам нагрузки для моментов времени Т1 и Т2.
На Фиг.4 показана ситуация, когда напряжение в момент времени Т1 не равно напряжению в момент времени Т2.
В результате этого в момент времени Т2 на входе третьего дифференциального усилителя 39 формируется перепад напряжения. Аналогично происходит на его выходе (эпюра 7) и на выходе второго двухполупериодного прецизионного выпрямителя 49. Аналогичные процессы происходят на входах и выходе второго дифференциального усилителя 38, выходе первого двухполупериодного прецизионного выпрямителя 48.
С приходом следующего выходного импульса первого одновибратора 46 (момент времени Т3) в память третьего субблока выборки и хранения данных 44 записывается низкий уровень сигнала (эпюры 4 и 5).
Это приводит к равенству сигналов на входах третьего дифференциального усилителя 39 и, как следствие этого, к формированию нулевого сигнала на его выходе (эпюра 7).
Далее показана ситуация, когда с приходом выходного импульса второго одновибратора 47 (момент времени Т4) уровни сигналов не меняются, т.к. в интервале времени Т3-Т4 не изменились уровни сигналов на выходе резистивного делителя напряжения 41 (эпюра 6).
В момент времени Т5 показано увеличение напряжения на выходе резистивного делителя напряжения 41. В результате этого на входе третьего дифференциального усилителя 39 формируется перепад напряжения. То же происходит на его выходе (эпюра 7). Однако в отличие от момента времени Т2 на выходе третьего дифференциального усилителя 39 формируется сигнал отрицательной полярности. Поскольку процессор 50 может работать только с сигналами положительной полярности, необходим второй двухполупериодный прецизионный выпрямитель 49, на выходе которого формируется сигнал положительной полярности.
В момент времени Т6 уровни сигналов на входах третьего дифференциального усилителя 39 выравниваются и на его выходе формируется нулевой уровень (эпюра 7).
Перепад напряжения ΔU и соответствующий ему перепад тока ΔI контролируются процессором 50 в интервал времени между выходным импульсом второго одновибратора 47 и выходным импульсом первого одновибратора 46, например между Т2 и Т3, а также между Т4 и Т5. Дальнейшие преобразования осуществляются аппаратными и программными средствами процессора 50, который преобразует входные аналоговые сигналы в цифровую форму и выполняет с ними математические операции в соответствии с приведенными ниже выражениями:
нагр.
нагр.
внутр.
- деление ΔU/ΔI (в результате чего вычисляется внутреннее сопротивление R аккумуляторной батареи 17);
внутр
2
внутр
2
- вычисление падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи 17 по формуле: U=I×R, где I - ток на втором аналоговом входе процессора 50;
внутр
2
2
- вычисление ЭДС аккумуляторной батареи 17 по формуле ЭДС=U+U, где U - напряжение на четвертом аналоговом входе процессора 50.
По разрядной кривой для аккумуляторной батареи 17 данной модели, которая хранится в памяти процессора 50, определяют остаточную емкость аккумуляторной батареи 17.
После окончания вычисления процессор передает цифровой эквивалент вычисленного значения по интерфейсу UART на субблок индикации 40.
Все измеряемые параметры заносятся в энергонезависимую память центрального контроллера 1 и могут быть перенесены на стационарный компьютер после окончания поездки.
Пример реализации устройства
Центральный контроллер 1 может быть выполнен на базе PIC-процессора модели PIC32MX795F512L (в приложении 1 приведено схематичное изображение корпуса с функциональными характеристиками выводов). В составе данного процессора присутствуют порты обмена с внешними устройствами по интерфейсу RS485, по интерфейсу UART, а также порт обмена с дисплеем, в качестве которого может быть использован дисплей с сенсорной клавиатурой MTF-TQ57SP41-AV (см. приложение 2).
По интерфейсу RS485 центральный контроллер 1 соединен с приемопередатчиком 2, для чего используется микросхема интерфейса ADM3485 (например, см. приложение 3) протокол обмена Modbus.
По интерфейсу UART центральный контроллер 1 соединен с блоком контроля остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17 по одному каналу и с блоком сопряжения 19 по четырем проводным каналам.
Указанный процессор имеет двенадцать встроенных десятиразрядных аналого-цифровых преобразователей и может измерять аналоговые сигналы в диапазоне их изменения от 0 до 2,5 В. Однако диапазон изменения контролируемых параметров электрооборудования железнодорожного вагона существенно отличается от указанного.
Диапазон изменения напряжения сети питания, снимаемого с клемм 6 и 8, составляет от 0 до 170 В. Диапазон изменения напряжения вагонной сети, снимаемого с клемм 20 и 21, составляет от 0 до 115 В. Диапазон изменения напряжения на датчике для измерения тока подвагонного генератора, снимаемого с клемм 22 и 23, составляет от 0 до 75 мВ. Диапазон изменения напряжения на датчике для измерения тока аккумуляторной батареи 17, снимаемого с клемм 24 и 25, составляет от 0 до 75 мВ. Кроме этого цепи питания центрального контроллера 1 должны быть изолированы от цепей питания электрооборудования железнодорожного вагона. В связи с вышеизложенным для измерения контролируемых параметров электрооборудования вагона, преобразования их в цифровой код и передачи по интерфейсу UART с гальваническим разделением цепей на центральный контроллер 1 используется блок сопряжения 19.
Блок сопряжения 19 (Фиг.2) состоит из двух одинаковых субблоков 26 для измерения высоковольтного напряжения подвагонного генератора и вагонной сети (от 0 до 200 В) и двух одинаковых субблоков 27 для измерения низковольтного напряжения с датчиков для измерения тока подвагонного генератора и аккумуляторной батареи (от 0 до 75 мВ). Субблок 26 измерения высоковольтного напряжения имеет резистивный делитель напряжения 28 с коэффициентом 1/100, дифференциальный усилитель 29 на микросхеме ОР177, процессор 30 на PIC-процессоре PIC12F683-I/SN (например, см. приложение 4) и выходной каскад гальванической развязки 31 на оптронах ILD213T. Питание каждого канала обеспечивается преобразователем 32 с гальваническим разделением цепей на микросхеме ТМА 1512D.
Субблок 26 измерения низковольтного напряжения отличается тем, что входной сигнал не ослабляется, а усиливается с уровня 75 мВ до 2.0 В.
Субблок 27 измерения низковольтного напряжения имеет дифференциальный усилитель 33 на микросхеме ОР177, процессор 34 на PIC-процессоре PIC12F683-I/SN и выходной каскад гальванической развязки 35 на оптронах ILD213T. Питание каждого субблока 27 обеспечивается преобразователем 36 с гальваническим разделением цепей на микросхеме ТМА 1512D.
Во всех каналах осуществляется измерение контролируемого параметра, преобразование его в цифровой код и передача по интерфейсу UART с гальваническим разделением цепей на центральный контроллер 1.
Приемопередатчик 2 содержит микросхему интерфейса ADM3485, процессор на базе PIC-процессора PIC24FJ64GA004-I/PT (например, см. приложение 5) и специализированную микросхему приемопередатчика MRF49XA (например, см. приложение 6).
В качестве излучателя использована J-образная антенна, изготовленная для частоты 868,97 МГц (Ротхаммель. Антенны. М.: Энергия. 1979 г.).
Информация, полученная по радиоканалу от радиодатчиков (9, 11, 13, 14, 15) микросхемой приемопередатчика, преобразуется PIC-процессором в цифровую форму и передается микросхемой интерфейса на центральный контроллер 1.
Радиодатчики температур: букс 9, подшипников подвагонного генератора 12, окружающей среды 13 выполнены идентично. На латунной подложке внутри герметичного корпуса из радиопрозрачного изоляционного материала расположены автономный элемент питания типа ER14250-1/2АА-3,6 и печатная плата с размещенными на ней специализированной микросхемой измерения температуры ТС1047 (например, см. приложение 7), PIC-процессором типа PIC16F1827-I/SO (например, см. приложение 8), специализированной микросхемой приемопередатчика MRF49XA, антенной типа ANT-868-JJB-RA (например, см. приложение 9). По программе в памяти PIC-процессора осуществляется периодический опрос датчика температуры ТС1047 и передача считанного значения приемопередатчику MRF49XA, который передает полученное значение температуры по радиоканалу на приемопередатчик 2. Интервал опроса установлен 10 сек. В пакете передаваемых данных содержится также индивидуальная метка данного датчика.
Радиодатчики температуры 15 и уровня 16 масла редуктора привода объединены в один конструктивный узел.
Электронный узел, включающий радиодатчики уровня 16 и температуры 15 масла редуктора привода, процессор, приемопередатчик и антенну, размещен внутри корпуса радиодатчика.
В качестве радиодатчика уровня масла редуктора привода 16 использован емкостной измеритель уровня, основанный на изменении частоты подвагонного генератора, выполненный на микросхеме TS555 (например, см. приложение 10). В качестве радиодатчика температуры масла 15 редуктора привода 14 использована специализированная микросхема ТС1047. В качестве процессора использован PIC-процессор PIC24F16KA102-I/SO (например, см. приложение 11), в качестве приемопередатчика использована микросхема MRF49XA, в качестве антенны использована антенна типа ANT-868-JJB-RA, которая закрыта радиопрозрачным корпусом из изоляционного ударопрочного материала, например капролона.
Порядок передачи информации на центральный контроллер 1 идентичен вышеописанному.
В качестве блока питания 3 может быть использован источник питания любой модели и производителя с выходным стабилизированным напряжением 15 В/1 А, работоспособный при изменении входного напряжения в диапазоне от 90 до 170 В постоянного тока.
Контроллер остаточной емкости 18 аккумуляторной батареи 17 может быть выполнен по схеме, приведенной на Фиг.3.
Резистивный делитель напряжения 41 предназначен для уменьшения максимального уровня измеряемого напряжения, которое может достигать значения 140-130 В, до значений 2-3 В, которые являются приемлемыми для входящих в контроллер электронных компонентов. Мощность резисторов должна быть не менее 2 Вт, номинал верхнего плеча 1 Мом +/-0.5%, нижнего плеча 10 кОм +/-0,5%.
Первый дифференциальный усилитель 37 должен усилить сигнал с датчика для измерения тока аккумуляторной батареи (0-75 мВ) до значений 2-3 В. Для этих целей может быть применена микросхема ОР177.
Второй дифференциальный усилитель 38 и третий дифференциальный усилитель 39 также могут быть построены на микросхемах ОР177 (например, см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Додэка-ХХI. 2007 г. С.116).
В качестве субблоков выборки и хранения данных 42-45 могут быть применены микросхемы LF398 (российский аналог 1100СК2) или SHC5320 в режиме неинвертирующего повторителя (см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Додэка-XXI. 2007 г. С.374).
Точный выпрямитель может быть построен на операционных усилителях ОР177 и диодах Шоттки 1N5819. При этом должна быть использована схема неинвертирующего двухполупериодного выпрямителя (см. там же Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Додэка-XXI. 2007 г. С.129).
Тактовый генератор 51 может быть построен на микросхеме МЕ555 (российский аналог 1006ВИ1) по схеме автоколебательного режима с независимой установкой длительности и частоты импульсов (см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Додэка-XXI. 2007 г. С.214).
Период следования импульсов следует выбрать в десять раз меньше интервала опроса параметров центральным контроллером 1 (при интервале опроса 10 сек., период частоты генератора 51 выбирается равным 1 сек.).
Первый одновибратор 46 и второй одновибратор 47 могут быть построены также на микросхеме NE555 по схеме ждущего режима (см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Додэка-XXI. 2007 г. С.212).
Процессор 50 может быть построен на PIC-процессоре PIC24FJ64GA004-I/PT (см. приложение 5), обмен которого с центральным контроллером 1 осуществляется по интерфейсу UART.