Поездной приемный блок для системы автоматической сигнализации

Полезная модель относится к автоматике и телемеханике рельсового транспорта, включая железнодорожный, а именно к приемной аппаратуре автоматической поездной сигнализации (АПС) подвижного состава, предназначенной преимущественно для определения сигналов впереди стоящих светофоров, состояния стрелок и иных путевых устройств или указания расстояния между поездами.
АПС информирует машиниста о состоянии пути впереди поезда, задействует скоростную авторегулировку и автоконтроль, приводит при необходимости в действие поездной автостоп для принудительного торможения состава.
При эксплуатации АПС локомотивный приемник вместе с кодовым сигналом подвергается воздействию разнообразных помех, что на практике приводит к многочисленным в масштабе страны сбоям в работе системы в виде ошибок интерпретации принимаемого сигнала, из-за которых возможен, в частности, пропуск посылок кодовых сигналов, создающий опасность возникновения аварийных ситуаций, или случайное включение автостопа, и как следствие нарушение графика движения поездов, перерасход дизельного топлива или электроэнергии, повышенный износ элементов конструкции пути и подвижного состава. Устойчивость связи с локомотивом в значительной степени способны снизить внешние помехи различной природы, уровень которых намного превышает амплитуду полезного сигнала АПС. В основном данные помехи обусловлены следующими факторами: локальной остаточной намагниченностью рельсов и стрелок, вызывающей импульсные электрические сигналы в приемных катушках АПС; изменениями протекающего через рельсы обратного тягового тока на участках с электротягой; воздействием линий продольного электроснабжения и близлежащих высоковольтных линий электропередач. Из-за низкой помехоустойчивости применяемых АПС к перечисленным помехам, так же как и к помехам иных видов на входе локомотивного устройства, не всегда обеспечивается верность приема кодовых сообщений, что не позволяет признать такие системы достаточно надежными.
Из патентного документа RU 2653658 С1 от 11.05.2018 известен поездной приемный блок для системы автоматической сигнализации, содержащий приемную головку, закрепленную на единице рельсового подвижного состава. Головка указанного блока включает в себя первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал, усилитель и корпус, при этом преобразователь состоит из безындукционного чувствительного элемента в виде датчика Холла, выход которого соединен со входом усилителя. Известное устройства не способно обеспечить безотказность работы АПС из-за низкого соотношения сигнал/шум в приемном тракте локомотивного устройства, т.к. при слабых токах АПС невозможно выделить сигнал на датчике Холла из внутренних шумов данного датчика. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена отстройка от помеховых составляющих магнитного поля, которые не совпадают с направлением магнитного поля АПС.
Решаемой технической проблемой является достижение высокой помехоустойчивости поездного устройства АПС на фоне аддитивных помех. Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в увеличении соотношения сигнал/помеха для аналогового тракта локомотивного устройства.
Технический результат достигается благодаря тому, что в поездном приемном блоке для системы автоматической сигнализации, который содержит приемную головку, закрепленную на единице рельсового подвижного состава, указанная головка включает в себя первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал, усилитель и корпус. При этом преобразователь состоит из однокоординатного безындукционного чувствительного элемента, выход которого соединен со входом усилителя. Причем преобразователь и усилитель помещены в общий корпус так, что преобразователь расположен в непосредственной близи от усилителя, а чувствительный элемент преобразователя ориентирован из условия преимущественной перпендикулярности оси своей координаты к продольной оси рельса.
В частном случае осуществления полезной модели устройство содержит концентратор магнитного поля, причем чувствительный элемент преобразователя выполнен в виде твердотельного полупроводникового сенсора магнитного поля, а концентратор расположен по оси координаты данного сенсора.
В другом частном случае сенсор выполнен с возможностью работы на основе эффекта Холла и размещен в непосредственной близи от данного концентратора.
В еще одном частном случае приемный блок включает в себя генератор импульса установки рабочего режима сенсора, который выполнен с возможностью работы на основе магниторезистивного эффекта и соединен с указанным генератором.
Сущность технического решения поясняется следующими иллюстрациями на примере предпочтительной конструкции поездного устройства для автоматической локомотивной сигнализации (АЛС).
Фиг. 1: электрическая структурная схема локомотивного устройства АЛС.
Фиг. 2: схема локомотивного устройства АЛС со штатным дешифратором.
Фиг. 3: функциональная схема приемной головки.
Фиг. 4-6: варианты конструкции входного каскада приемного тракта.
Фиг. 7: схема размещения сенсоров магнитного поля над рельсом (вид с торца и в плане).
Система АПС подвижного состава включает в себя источник сообщений и поездное устройство. В качестве источника сообщений выступает, например, путевой передатчик или передающая аппаратура на другом поезде, посредством которых посылают информативные сигналы в закодированном виде, в частности, о состоянии светофоров, путевых стрелок и расстоянии между поездами. Поездное устройство установлено на единице подвижного состава, например на локомотиве или вагоне, и предназначено для приема кодовых сигналов через рельсовую цепь, образованную нитями рельсов и находящимся на данном пути составом. При размещении поездного устройства АПС на локомотиве данная система представляет собой АЛС, а поездное устройство является локомотивным.
Локомотивное устройство содержит приемную головку 1 и средства индикации и/или автоматики, например, локомотивный светофор 2 в кабине машиниста, поездной автостоп 3, дисплей бортовой информационной системы, автоматический регулятор скорости движения состава. При выполнении приемной головки 1 с функцией дешифрации кода информативного сигнала данную головку соединяют непосредственно со светофором 2 и автостопом 3 (фиг. 1), а при наличии в локомотиве штатного дешифратора 4 обеспечивается возможность для связи приемной головки 1 со светофором 2 и автостопом 3 через локомотивный дешифратор 4 (фиг. 2).
Приемная головка 1 представляет собой устройство в виде активного блока с аналоговой и цифровой обработкой сигнала от кодовых токов, содержит входной каскад приемного тракта 5, аналоговый фильтр 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, функциональный узел 8 для цифровой фильтрации, кольцевой буфер 9, анализатор сигналов 10, устройство управления 11, управляемый генератор аналоговых или цифровых сигналов 12 и выходной усилитель 13 (фиг. 3).
Входной каскад приемного тракта 5, аналоговый фильтр 6, АЦП 7, функциональный узел 8 для цифровой фильтрации, кольцевой буфер 9, анализатор сигналов 10 и устройство управления 11 электрически связаны между собой последовательно через свои сигнальные входы и соответствующие выходы. Первый выход устройства управления 11 связан с управляющим входом функционального узла 8 для цифровой фильтрации, второй выход устройства управления 11 связан с управляющим входом анализатора сигналов 10, а третий выход устройства управления 11 связан с управляющим входом генератора 12, сигнальный выход которого в свою очередь связан со входом усилителя 13.
Все перечисленные элементы приемной головки 1 закреплены в общем корпусе этого устройства, который подвешивают под локомотивом на месте установки штатной приемной катушки.
Входной каскад приемного тракта 5 приемной головки 1 включает в себя датчик магнитного поля 14 и предварительный усилитель 15 (фиг. 4).
Приемный датчик магнитного поля 14 содержит первичный преобразователь магнитного поля для диапазона от 1 мкТл до 100 мТл. В качестве чувствительного элемента датчика 14 используют твердотельный полупроводниковый сенсор напряженности или индукции магнитного поля, работающий, например, на основе эффекта Холла или на магниторезистивном эффекте квантовомеханической природы, в частности, на эффекте гигантского магнетосопротивления.
Вариант устройства с датчиком Холла дополнен концентратором магнитного поля 16. Альтернативный вариант с магниторезистивным датчиком снабжен вспомогательным генератором для установки рабочего режима датчика, при этом управляющий вход указанного генератора связан с выходом устройства управления 11.
Датчик 14 является аналоговым устройством, его сенсор магнитного поля напрямую соединен с входом усилителя 15, причем датчик 14 и усилитель 15 расположены в непосредственной близи друг от друга.
Также датчик 14 характеризуется не более чем одной координатой измерения и закреплен внутри корпуса приемной головки 1 с учетом положения данной головки на посадочном месте локомотива для ориентирования датчика 14 из условия преимущественной перпендикулярности оси указанной координаты измерения к продольной оси рельса, на котором находится локомотив.
Входной каскад приемного тракта 5 предпочтительно содержит пару идентичных в пределах допустимой погрешности по своим рабочим параметрам датчиков магнитного поля 14 и 17, а усилитель 15 является дифференциальным (фиг. 5). Датчики магнитного поля 14 и 17 соединены с усилителем 15 таким образом, что выходной сигнал усилителя 15 пропорционален сумме входных интегральных сигналов с датчиков 14 и 17, включающих в себя как детерминированные, так и помеховые составляющие. В наилучшем варианте своего выполнения входной каскад приемного тракта 5 состоит из двух и более групп, каждая из которых включает в себя спаренные через дифференциальный усилитель датчики (фиг. 6).
При этом сенсорные полупроводниковые пластины всех групп, включая пластины 18, 19 соответственно датчиков 14 и 17, расположены так, что оси X, Y их координат измерения магнитного поля, определяемые по осям лепестков диаграмм направленности датчиков, перпендикулярны к продольной оси Z рельса 20, причем сенсорные пластины 18, 19 лежат в одной горизонтальной плоскости W (фиг. 7), что позволяет считать датчики размещенными в одинаковых условиях магнитного поля.
Датчики 14, 17 устойчивы по своим рабочим параметрам в диапазонах от 20 до 80 Гц принятого сигнала и от -60 до +60°С температуры окружающей среды.
Предварительный усилитель 15 выполнен малошумящим, характеризуется высоким входным и низким выходным сопротивлениями. В предпочтительном варианте осуществления устройства имеет дифференциальный вход.
Концентратор магнитного поля 16 для датчика 14 в виде датчика Холла представляет собой преобразователь магнитного потока в форме ферритового стержня или пластины с узкой стороной, ориентированной к датчику 14, и широкой стороной, ориентированной в сторону рельса 20. Концентратор 16 находится в непосредственной близи от датчика 14 и соосен с его координатной осью измерения для придания конструкции большей избирательной чувствительности к слабому магнитному полю сигнала АЛС, что положительно влияет на увеличение соотношения сигнал/помеха.
Аналоговый фильтр 6 выполнен в виде активного полосового фильтра, имеет линейную характеристику в области частот от 20 до 80 Гц включительно, что превышает рабочий частотный диапазон АЛС 25-75 Гц. Фильтр 6 имеет простую конструкцию, т.к. пропускает только одну полосу частот, которая охватывает все возможные частоты стандарта АЛС.
Входной тракт приемной головки 1 выполнен с возможностью пропускания аналогового сигнала в диапазоне от 50 мкВ до 2,5 В.
АЦП 7 имеет эффективную разрядность не менее 18 бит при частоте оцифровки 10-50 кГц.
Для цифровой обработки сигнала приемная головка 1 содержит элементы цифровой микроэлектроники, на основе которых построены функциональный узел 8 для цифровой фильтрации, кольцевой буфер 9, анализатор сигналов 10 и устройство управления 11.
Настоящее техническое решение работает в автоматическом режиме следующим образом.
-6
Источник сообщений, находящийся на удаленном расстоянии от поезда, создает в рельсовой цепи электрический кодовый ток стандарта АЛС, например, модулированный по амплитуде или частотно-кодированный, следствием чего является информативное электромагнитное поле вокруг рельсовых нитей, достигающее приемной головки 1 локомотивного устройства. Магнитная индукция от минимально возможного тока АЛС вблизи штатного места приемной головки 1 составляет всего примерно 1,3-10 Тл, что делает кодовый сигнал уязвимым к действию наблюдаемых на практике более мощных помех, амплитуда которых может многократно превышать амплитуду относительно слабого детерминированного сигнала, а наложение множества фаз сильно искажает форму исходного сигнала. К полезному сигналу АЛС с кодовой информацией добавляются импульсные, флуктуационные и синусоидальные помехи разнообразной природы, в том числе широкополосные помехи, охватывающие диапазон рабочих частот АЛС. Под действием помех принимаемый локомотивным устройством сигнал приобретает сложную форму, из-за чего выделение из него кода штатным дешифратором ранее было затруднено и ненадежно.
Приемный безындукционный датчик 14 преобразует энергию магнитного поля в электрический измерительный сигнал, а именно переводит величину индукции магнитного поля в соответствующее электрическое напряжение без использования явления электромагнитной индукции. Рабочая полоса частот датчика 14 лежит в диапазоне 0-10 кГц. При использовании датчика Холла входящий магнитный поток предварительно сужают концентратором 16, что повышает чувствительность датчика данного вида к слабым полям АЛС. Магниторезистивный датчик при необходимости предварительно устанавливают в рабочий режим импульсом генератора по команде с устройства управления 11.
Датчик 14 измеряет величину магнитного поля преимущественно в направлении магнитного поля от тока АЛС, что достигается выполнением данного датчика с одной координатой измерения и его ориентированием относительно рельса 20, благодаря чему датчик имеет слабую чувствительность к помеховым составляющим магнитного поля, которые не совпадают с направлением магнитного поля АЛС. Так как датчик 14 измеряет индукцию или напряженность магнитного поля, но не чувствителен к скорости изменения данных физических величин, то амплитуда помехи от локальных зон намагниченности верхнего строения пути будет одинаковой на любой скорости движения состава, не появятся всплески помехи из-за быстрого пересечения намагниченного участка рельса или при включении тягового тока, что упрощает дальнейшую очистку принятого сигнала, а следовательно повышает помехоустойчивости устройства.
Кроме того, использование для датчика 14 полупроводникового рабочего элемента позволяет улучшить массагабаритные характеристики локомотивного устройства АЛС. Размер приемной головки 1 по настоящему техническому решению в 3-5 раз меньше соответствующей характеристики используемых в настоящее время на рельсовом транспорте штатных головок. Масса датчика 14 с электронной платой составляет 20 г при примерно 25 кг массы штатной головки.
Для улучшения соотношения сигнал/шум и повышения стабильности работы устройства в малых магнитных полях около 1 мкТл используют вход на двух и более датчиках 14 и 17, поставленных в противофазе к внешнему магнитному полю. При этом сигналы от внешнего магнитного поля суммируют усилителем 15, а соотношение сигнал/шум возрастает согласно выражению (1).
Где:
sn
R - соотношение сигнал/шум;
N - число датчиков.
В результате получают рост полезного сигнала на фоне шумовой дорожки от собственного белого шума датчиков 14, 17. Кроме того, второй датчик 17 выступает в качестве элемента резервирования, что повышает надежность локомотивного устройства АЛС.
Все датчики, в частности датчик 14, выдают аналоговый выходной сигнал, который поступает на вход усилителя 15 без какой-либо обработки, что позволяет избежать снижения чувствительности устройства к слабым магнитным полям. Малое расстояние от датчиков 14, 17 до входа усилителя 15 предотвращает дополнительное зашумление сигнала на этом участке. Высокое входное сопротивление усилителя 15 и низкий уровень собственных шумов позволяют получить высокий коэффициент передачи полезного сигнала в приемный электронный тракт головки 1. Таким образом, входной усилитель 15 согласует характеристики датчиков 14, 17 с параметрами приемного тракта устройства. Выбор коэффициента усиления приемного тракта зависит от конкретного типа полупроводникового магниточувствительного элемента и подобран из условия не превышения амплитудой от самой сильной допустимой магнитной помехи разрядной сетки АЦП 7.
Затем принятый широкополосный сигнал подвергают аналоговой фильтрации с целью подавления частот вне стандарта АЛС. Например, отсечка ниже частоты 20 Гц хорошо защищает от помех при движении над намагниченными участками рельса и рельсовыми стыками, а выше 80 Гц отсекаются мощные ударные помехи. Каскад аналоговой фильтрации позволяет улучшить соотношение сигнал/помеха в полном сигнале на уровне приемного тракта локомотивного устройства АЛС и разгружает АЦП 7.
После аналоговой фильтрации принятый сигнал оцифровывают посредством АЦП 7. Затем сигнал проходит этап цифровой фильтрации. Очищенные числовые данные заносят в кольцевой буфер 9 для согласования работы каскада фильтрации и последующего анализа. После этого измерительный сигнал анализируют с целью нахождения амплитудного пика на рабочей частоте АЛС. Частотно-кодированные сигналы АЛС распознают по характерным частотам и длительности, для чего определяют амплитуды и фазы одновременно на более чем одной заданной частоте. Конкретный режим работы анализатора сигналов 10 задает устройство управления 11 по команде машиниста или в автоматическом режиме. После выдачи сигнала разрешения устройством управления 11 генератор 12 формирует выходной кодовый сигнал с образцовыми характеристиками стандарта АЛС, благодаря чему обеспечивается помехоустойчивая работа дешифратора 4 и возможность однозначной дешифрации кода за счет работы с чистым кодовым сигналом, параметры которого, например частота, амплитуда и фаза, идентичны или крайне близки к параметрам исходного сигнала на выходе источника сообщения, что ведет к безотказности работы системы АПС в условиях зашумленности кодовых сигналов путевых устройств с заданной для данной системы достоверностью. Амплитуду вторичного кодового сигнала задают усилителем 13, она не зависит от амплитуды принятого сигнала АЛС и уровня помех.
Благодаря низкой чувствительности устройства к помеховым составляющим магнитного поля и нечувствительности к скорости изменения индукции или напряженности магнитного поля, а также за счет исключения зашумления сигнала при его передаче от преобразователя магнитного поля к усилителю, достигается увеличение соотношения сигнал/помеха для аналогового тракта локомотивного устройства, что ведет к высокой помехоустойчивости поездного устройства АПС на фоне аддитивных помех.