УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ И ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, к устройствам для идентификации объектов и искусственных сооружений железнодорожного пути и получения информации о геометрических параметрах идентифицируемых объектов: стрелочных переводов, рельсовых пересечений, переездов, съездов, мостов и тоннелей, и может быть использована в компьютеризированных вагонах-лабораториях (КВЛ-П).
Известно устройство для идентификации объектов и искусственных сооружений железнодорожного пути, содержащее автогенератор, вихретоковый преобразователь, блок обработки данных, два идентичных измерительных канала «X» и «У», каждый из которых содержит последовательно соединенные между собой блок согласования, смеситель, операционный усилитель, при этом один выход автогенератора связан с обмоткой возбуждения первичного вихретокового преобразователя, а другой выход автогенератора подключен к одному из входов смесителей измерительных каналов «X» и «У», выходы измерительных обмоток первичного вихретокового преобразователя связаны с входами соответствующих блоков согласования каждого измерительного канала, а выходы блоков согласования соединены с входами соответствующих смесителей, выходы которых соединены с соответствующими входами операционных усилителей каждого измерительного канала, выходы последних связаны с соответствующими входами блока обработки данных.
При этом первичный вихретоковый преобразователь выполнен в виде фольгированной текстолитовой платы прямоугольной формы с размещенными на обеих ее сторонах обмотками возбуждения и двух измерительных обмоток, выполненных фотолитографическим способом.
Причем, обмотка возбуждения выполнена в виде двух, последовательно включенных между собой витков прямоугольной формы, каждый из которых размещен по периметру прямой и обратной стороны фольгированной текстолитовой платы.
9
35
08
00
Измерительная обмотка первичного вихретокового преобразователя, расположенная на прямой стороне фольгированной текстолитовой платы, выполнена в виде пары витков прямоугольной формы, включенных между собой встречно и расположенных вдоль противоположных сторон обмотки возбуждения первичного вихретокового преобразователя, другая измерительная обмотка первичного вихретокового преобразователя размещена на обратной стороне фольгированной текстолитовой платы и выполнена в виде пары витков прямоугольной формы, включенных между собой встречно и расположенных вдоль противоположных сторон обмотки возбуждения, ортогональных по отношению к двум другим сторонам обмотки возбуждения, (патент на полезную модель № 44624, МКИ: В 61 К/, E 01 B/, опубликован 27.03.2005 г. Бюл. № 9).
Известное техническое решение принято за прототип.
Размещение в известном устройстве двух пар измерительных обмоток, ортогонально расположенных друг относительно друга, позволяет однозначно идентифицировать такие объекты железнодорожного пути, как стрелочные переводы одиночные и двойные перекрестные, пересечения (прямоугольные и косоугольные), переезды, съезды, мосты и тоннели.
Однако, для компьютеризированных путеизмерительных вагонов-лабораторий (КВЛ-П) интерес представляет не только факт наличия того или иного объекта железнодорожного пути, но и его протяженность, направления прохождения переводов (пошерстное, противошерстное), тип крестовин, углы пересечения для косоугольных пересечений и т.п. параметры. Определение указанных величин в известном устройстве встречает определенные трудности и сопряжено с погрешностями. В частности не
всегда возможно различить пошерстное направление от противошерстного для стрелочных переводов при движении по боковому пути.
Техническим результатом, на достижение которого направлено создание данной модели, является расширение функциональных возможностей за счет повышения достоверности получаемой информации о геометрических параметрах идентифицируемых объектов железнодорожного пути таких, как стрелочных переводов, пересечений и др..
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройство для идентификации объектов и искусственных сооружений железнодорожного пути, содержащее автогенератор, вихретоковый преобразователь, блок обработки данных, два идентичных измерительных канала «X» и «У», каждый из которых содержит последовательно соединенные между собой блок согласования, смеситель, операционный усилитель, при этом один выход автогенератора связан с обмоткой возбуждения первичного вихретокового преобразователя, а другой выход автогенератора подключен к одному из входов смесителей измерительных каналов «X» и «У», выходы измерительных обмоток первичного вихретокового преобразователя связаны с входами соответствующих блоков согласования каждого измерительного канала, а выходы блоков согласования соединены с входами соответствующих смесителей, выходы которых соединены с соответствующими входами операционных усилителей каждого измерительного канала, выходы последних связаны с соответствующими входами блока обработки данных, а первичный вихретоковый преобразователь выполнен в виде фольгированной текстолитовой платы прямоугольной формы с размещенными на обеих ее сторонах обмотки возбуждения и двух измерительных обмоток, выполненных фотолитографическим способом, - в него дополнительно веден третий измерительный канал «Z», содержащий последовательно соединенные между собой блок согласования, смеситель, операционный усилитель, при этом первичный вихретоковый преобразователь содержит дополнительно
третью измерительную обмотку, выход которой соединен с входом блока согласования измерительного канала «Z», а другой выход автогенератора подключен к одному из входов смесителя измерительного канала «Z», при этом три пары измерительных обмоток первичного вихретокового преобразователя размещены на прямой и обратной сторонах фольгированной текстолитовой платы и ориентированы вдоль трех осей х, у и z, сдвинутых на плоскостях сторон платы друг относительно друга на угол 120°.
Четыре витка измерительной обмотки измерительного канала «X» первичного вихретокового преобразователя зеркально симметрично расположены относительно оси х попарно на прямой и обратной сторонах фольгированной текстолитовой платы, при этом каждый виток одной пары, размещенный на прямой стороне платы, последовательно согласно соединен с витком этой пары, размещенным на обратной стороне фольгированной текстолитовой платы, причем одна пара витков измерительной обмотки встречно и последовательно соединена относительно другой ее пары.
А четыре витка измерительной обмотки измерительного канала «У» первичного вихретокового преобразователя кососимметрично расположены относительно оси у и попарно на прямой и обратной сторонах фольгированной текстолитовой платы, при этом каждый виток одной пары, размещенный на прямой стороне платы, последовательно согласно соединен с витком этой пары, размещенным на обратной стороне фольгированной текстолитовой платы, причем одна пара витков этой измерительной обмотки соединена встречно и последовательно относительно другой ее пары.
Четыре витка измерительной обмотки измерительного канала «Z» первичного вихретокового преобразователя кососимметрично расположены относительно оси z и попарно на прямой и обратной сторонах фольгированной текстолитовой платы, при этом каждый виток одной пары, размещенный на прямой стороне платы, последовательно согласно соединен с витком этой пары, размещенным на обратной стороне фольгированной
текстолитовой платы, причем одна пара витков этой измерительной обмотки соединена встречно и последовательно относительно другой ее пары.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства;
На фиг.2 - топология выполнения обмотки возбуждения и измерительных обмоток первичного вихретокового преобразователя на прямой стороне фольгированной текстолитовой платы (различные измерительные обмотки показаны штриховкой с разным наклоном);
На фиг.3 - топология обмотки возбуждения и измерительных обмоток первичного вихретокового преобразователя на обратной стороне фольгированной текстолитовой платы;
На фиг.4 представлено расположение первичного вихретокового преобразователя в подвагонной части относительно рельсового полотна в процессе прохождения вагоном-путеизмерителем обыкновенного одиночного стрелочного перевода железнодорожного пути;
На фиг.5 представлены расчетные выходные сигналы каналов «X», «У» и «Z» соответственно при прохождении вагоном-путеизмерителем объекта железнодорожного пути, расположенного в плоскости, ортогональной оси движения;
На фиг.6 представлены расчетные выходные сигналы каналов «X», «У», «Z» соответственно, полученые при условии движения объекта, например рельса, ориентированного вдоль оси движения вагона-путеизмерителя, в направлении, ортогональном этой оси движения вагона;
На фиг.7 представлены записи выходных сигналов измерительного канала «X», полученные на стенде и соответствующие условиям прохождения вагона-путеизмерителя вдоль объекта, ориентированного вдоль оси движения под разными углами к оси движения: 1 - соответствует углу наклона 5°; 2 - 10°; 3 - 15°; 4 - 20°;
На фиг.8 представлены записи сигналов на выходе измерительных каналов «X», «У» и «Z», полученные на стенде при противошерстном
прохождении вагона-путеизмерителя через обыкновенный одиночный стрелочный перевод по прямолинейному участку пути (маршрут №1 фиг.4);
На фиг.9 представлены записи сигналов на выходах измерительных каналов «X», «У» и «Z», полученные на стенде и соответствующие условиям пошерстного прохождения вагона-путеизмерителя через обыкновенный одиночный стрелочный перевод по прямолинейному участку железнодорожного пути (см. маршрут №2, фиг.4);
На фиг.10 представлены записи выходных сигналов измерительных каналов «X», «У» и «Z», полученные на стенде и соответствующие условиям противошерстного прохождения вагона-путеизмерителя через обукновенный одиночный стрелочный перевод по боковому пути (см.фиг.4, маршрут № 3);
На фиг.11 представлены записи выходных сигналов измерительных каналов «X», «У» и «Z», полученные на стенде и соответствующие условиям пошерстного прохождения вагона-путеизмерителя через обыкновенный одиночный стрелочный перевод по боковому пути (см.фиг.4, маршрут № 4);
На фиг.12 представлены записи выходных сигналов измерительных каналов «X», «У» и «Z», полученные на стенде и соответствующие условиям прохождения вагона-путеизмерителя через косоугольное пересечение;
На фиг.13-17 представлены записи выходных сигналов измерительных каналов «X», «У» и «Z», полученные на вагоне-путеизмерителе при противошерстном прохождении вагона-путеизмерителя через обыкновенный одиночный стрелочный перевод по прямолинейному участку пути (фиг.13), при пошерстном прохождении такого же перевода по прямолинейному участку (фиг.14), при противошерстном прохождении такого же перевода по боковому пути (фиг.15), при пошерстном прохождении такого же перевода по боковому пути (фиг.16) и при прохождении вагона-путеизмерителя через косоугольное пересечение (фиг.17);
На фиг.18 представлены записи выходных сигналов измерительных каналов «X», «У» и «Z», полученные при прохождении вагоном-путеизмерителем
через двойной перекрестный перевод по прямолинейному участку.
На фиг.13-18 представлены и фотографии участков железнодорожного пути, при прохождении которых были получены соответствующие записи сигналов на выходах измерительных каналов «X», «У» и «Z».
Устройство для идентификации объектов и искусственных сооружений железнодорожного пути содержит автогенератор 1 (фиг.1), первичный вихретоковый преобразователь, состоящий из обмотки возбуждения 2 и измерительных обмоток 3, 4, 5, и трех измерительных каналов «X», «У», «Z», каждый из которых соответственно содержит последовательно соединенные между собой блоки согласования 6, 7, 8, смесители 9, 10 11, операционные усилители 12, 13, 14, подключенные к соответствующим входам блока обработки данных 15. При этом один из выходов автогенератора 1 подключен к одному из входов смесителей 9, 10, 11. Выходы измерительных обмоток 3, 4, 5 первичного вихретокового преобразователя связаны с входами блоков согласования 6, 7, 8, в качестве которых могут быть использованы , например, трансформаторы. Выходы блоков согласования 6, 7, 8 соответствующих измерительных каналов «X», «У», «Z», соединены со вторыми выходами соответствующих смесителей 9, 10, 11, выходы последних связаны с входами соответствующих операционных усилителей 12, 13, 14, выходы которых соответственно соединены с входами блока обработки данных 15.
Первичный вихретоковый преобразователь содержит обмотку возбуждения 2 и три измерительных обмотки 3, 4, 5, состоящие из витков, выполненных, например, фотолитографическим способом на обеих сторонах прямоугольной фольгированной текстолитовой платы 16 (фиг.2,3).
Обмотка возбуждения 2 первичного вихретокового преобразователя (фиг.2, 3) выполнена в виде двух витков, каждый из которых расположен по периметру прямой и обратной стороны прямоугольной фольгированной платы 16, и включенных между собой последовательно.
Измерительная обмотка 3 канала «X» (фиг.1) состоит из витков 17. 18, 19, 20 (фиг.2, 3), зеркально симметрично расположенных относительно оси х. При этом витки 17, 19 включены последовательно между собой так же, как и витки 18 и 20, а пара витков 17, 19 включена встречно и последовательно относительно пары витков 18, 20. Измерительная обмотка 4 канала «У» (фиг.1) состоит из витков 21, 22, 23, 24, кососимметрично расположенных относительно оси у. При этом витки 21, 23 включены последовательно и согласно между собой так же, как и витки 22, 24, а пара витков 21, 23 включена встречно и последовательно относительно пары витков 22, 24. Измерительная обмотка 5 канала «Z» (фиг. 1), состоит из витков 25, 26, 27, 28, кососимметрично расположенных относительно оси z. При этом витки 25, 27 включены последовательно и согласно между собой так же, как и витки 26, 28, а пара витков 25, 27 включена встречно и последовательно относительно пары витков 26, 28.
Работает устройство следующим образом. Автогенератор 1 (фиг.1) питает обмотку возбуждения 2 током высокой частоты, порядка 250 кГц. В окрестности обмотки возбуждения 2 образуется электромагнитное поле, которое воздействует на измерительные обмотки 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 (фиг.2, 3). При этом картина поля может изменяться при условии, что проводящие элементы конструкций объектов железнодорожного пути попадают в зону действия электромагнитного поля, создаваемого катушкой возбуждения 2, первичного вихретокового преобразователя. В условиях отсутствия таких элементов электромагнитное поле катушки возбуждения 2 можно считать равномерным. Поскольку пары витков 17, 19, и 18, 20 измерительной обмотки 3 (фиг.1, 2, 3), а также пары витков 21, 23 и 22, 24 измерительной обмотки 4 (фиг.1, 2, 3,) а также пары витков 25, 27 и 26, 28 (фиг.1, 2, 3) измерительной обмотки 5 (фиг. 1, 2, 3) соответственно включены встречно, то при движении вагона-путеизмерителя по участку пути, на котором отсутствуют объекты и искусственные сооружения железнодорожного пути такие, как рельсовые переводы,
пересечения, переезды, съезды, мосты и тоннели, сигналы на выходах измерительных обмоток 3, 4, 5 (фиг.1) первичного вихретокового преобразователя близки к нулевому значению. Соответственно на выходах блоков согласования 6, 7, 8 и на выходах смесителей 9, 10, 11, а также и на входах операционных усилителей 12, 13, 14, измерительных каналов «X», «У», «Z» сигналы также близки к нулевому значению.
При прохождении вагоном-путеизмерителем участка железнодорожного пути, имеющего в своем составе такие объекты, как стрелочные переводы, пересечения, переезды, съезды, мосты и тоннели, металлические элементы конструкций этих объектов, представляющие собой участки рельс, пересекающих колею, по которой движется вагон-путеизмеритель , нарушают равномерность электромагнитного поля возбуждения по мере попадания их в зону его действия. При этом нарушается равновесие между сигналами встречно включенных пар той или иной из измерительных обмоток 3, 4, 5 (фиг.1). В результате на входе тех или иных измерительных каналов «X», «У», «Z» появляются сигналы рассогласования, величина и фаза которых отражают характер изменения картины электромагнитного поля, создаваемого катушкой возбуждения 2 (фиг.1), вызванные вихретоковыми явлениями в металлических элементах конструкций указанных выше объектов железнодорожного пути. Сигналы рассогласования с выходов измерительных катушек через блоки согласования 6, 7, 8 (фиг.1) поступают на вход смесителей 9, 10, 11, где преобразуются в сигналы постоянного тока, полярность и величина которых соответствует изменениям картины электромагнитное поля, обусловленным воздействием тех или иных объектов железнодорожного пути при прохождении через них вагона-путеизмерителя. Операционные усилители 12, 13, 14 усиливают сигналы с выхода смесителей 9, 10, 11 соответственно. Выходные сигналы операционных усилителей 12, 13, 14 (фиг.1) поступают на соответствующие входы блока обработки данных 15.
Три пары измерительных обмоток 3, 4, 5 фиг.1, ориентированных друг относительно друга со сдвигом их центральных осей на угол 120° так, как это показано на фиг.2, 3, необходимы для восприятия воздействий отдельных металлических элементов конструкций объектов и искусственных сооружений железнодорожного пути, определенным образом ориентированных внутри колеи относительно направления движения. В результате по совокупности признаков сигналов, получаемых на выходах измерительных каналов «X», «У», «Z», имеется возможность однозначно идентифицировать указанные выше объекты и искусственные сооружения. При этом можно воспользоваться не только знаковыми признаками выходных сигналов измерительных каналов, но также фазовыми: сигнал по одному из каналов «У» или «Z» начинается с некоторым запаздыванием по отношению к началу сигнала по другому каналу «Z» или «У». Важно отметить и следующие факты:
1) если первым приходит сигнал по какому-нибудь каналу, например по каналу «У», то и последним приходит сигнал по тому же каналу со знаком, противоположным начальному;
2) имеется характерная точка, в которой выходные сигналы по всем каналам «X», «У», «Z», одновременно равны нулевому значению. Эта точка соответствует пересечению отходящего рельса одиночного обыкновенного стрелочного перевода с осью прямого пути.
Указанные факты имеют важное значение при составлении алгоритма идентификации объектов и искусственных сооружений железнодорожного пути.
На фиг.5 представлены расчетные зависимости огибающей для амплитуды выходных сигналов измерительных каналов «X», «У», «Z», соответственно, полученные при прохождении объекта в виде отрезка рельса, расположенного в плоскости, проходящей через головки рельсовой колеи, и ориентированного ортогонально направлению движения вагона-путеизмерителя. На фиг.6 аналогичные зависимости амплитуд для выходных
сигналов измерительных каналов «X», «У», «Z», соответственно, но полученные при перемещении объекта в виде отрезка рельса, расположенного в плоскости, проходящей через головки рельсовой колеи и ориентированного вдоль оси движения вагона-путеизмерителя. При этом перемещение объекта осуществляется в направлении, ортогональном оси движения.
Анализ зависимостей (фиг.5, 6) позволяет заключить, что измерительные каналы «У» и «Z» с точностью до знака выходного сигнала идентичны и чувствительны к объектам, расположенным внутри колеи и ориентированным как вдоль направления движения, так и под любым углом к оси движения. Измерительный канал «X» чувствителен только к объектам, расположенным внутри колеи ориентированным под углом к оси движения вплоть до 90°.
На фиг.7 представлено семейство записей выходных сигналов измерительного канала «X», полученных на стенде, имитирующем прохождение рассматриваемого устройства над объектом в виде отрезка рельса, расположенного внутри колеи под углом к оси движения 5°, 10°, 15°, 20°. Принципиальную возможность идентификации объектов железнодорожного пути покажем на примере основных объектов, которыми являются обыкновенные стрелочные переводы фиг.4 и рельсовые пересечения.
На фиг.8 представлены экспериментально полученные записи выходных сигналов измерительных каналов «X», «У», «Z» при противошерстном прохождении вагона-путеизмерителя через обыкновенный стрелочный перевод, показанный на фиг.4 по маршруту 1. Короткие по протяженности знакопеременные сигналы по каналам «X», «У», «Z» обусловлены влиянием на первичный вихретоковый преобразователь основной и дополнительной тяг стрелочного перевода. Знакопеременные и протяженные выходные сигналы на каналах «У» и «Z» определяются влиянием пересекаемой нити бокового пути на обмотки 21, 22, 23, 24, а
также обмотки 25, 26, 27, 28. При этом сигнал на выходе измерительного канала «Z» по форме практически дублирует аналогичный сигнал по каналу «У». Заметим еще, что первая по ходу движения полуволна на выходах каналов «У» и «Z» существенно длиннее по протяженности, чем вторая полуволна. На фиг.13 представлены записи тех же сигналов, что и на фиг. 8, но полученные с серийного варианта устройства для идентификации объектов и искусственных сооружений железнодорожного пути, установленного на вагон-путеизмеритель типа СБМП6. Сравнительный анализ сигналов на фиг.8 и фиг.13 позволяет сделать вывод о принципиальной идентичности соответствующих сигналов.
На фиг.9 представлены экспериментально полученные записи выходных сигналов измерительных каналов «X», «У», «Z» при пошерстном прохождении вагона-путеизмерителя через обыкновенный стрелочный перевод, показанный на фиг.4, по маршруту 2. Отличие от сигналов на фиг.8 состоит в том, что короткие по протяженности знакопеременные сигналы от тяг на каналах «X», «У», «Z» следует после формирования протяженных знакопеременных сигналов по каналу «У» и «Z» . При этом первые полуволны выходных сигналов каналов «У» и «Z» являются заметно менее протяженными, чем вторые полуволны. Формы выходных сигналов на каналах «X», «У», «Z» (фиг.9) подтверждаются в формах тех же сигналов, представленных на фиг.14.
На фиг.10 представлены записи выходных сигналов с измерительных каналов «X», «У», «Z», полученных при противошерстном прохождении вагона-путеизмерителя через обыкновенный стрелочный перевод (фиг.4) маршрутом 3. Отличительной особенностью этих сигналов является то, что полярности первых и вторых полуволн в протяженных сигналах по каналам «У» и «Z» являются противоположными сигналам, представленным на фиг.8. Следует отметить, что и здесь заметна разница в протяженности первой и второй полуволны сигналов получаемых по каналам «У» и «Z». Сигналы по
каналам «X», «У», «Z», показанные на фиг.15, соответствуют аналогичным сигналам фиг.10.
На фиг.11 представлены записи выходных сигналов с измерительных каналов «X», «У», «Z», полученных при пошерстном прохождении вагона-путеизмерителя через обыкновенный стрелочный перевод (фиг. 4) маршрутом 4. Отличительным признаком сигналов фиг.11 от аналогичных сигналов фиг.9 является то, что полярности в протяженных сигналах по каналам «У» и «Z» являются противоположными. Сигналы каналов «X», «У», «Z» фиг.16 тождественны аналогичным сигналам фиг.11.
На фиг.12 представлены записи выходных сигналов с измерительных каналов «X», «У», «Z», полученных при прохождении вагоном-путеизмерителем косоугольного пересечения. Поскольку при этом пересекаются две рельсовых нити, на каналах «У» и «Z» имеются по два, следующих друг за другом знакопеременных сигнала, а на выходе канала «X» имеются также два знакопеременных сигнала, характеризующих величину угла пересечения. Сигналы каналов «X», «У», «Z» фиг.17 соответствуют аналогичным сигналам фиг.12.
На фиг.18 представлены записи сигналов на каналах «X», «У», «Z», полученные при прохождении вагоном-путеизмерителем двойного перекрестного стрелочного перевода по маршруту, соответствующему прохождению косоугольного пересечения, входящего в состав стрелочного перевода данного типа. При этом форма сигналов по каналам «У» и «Z» такая же, как и при прохождении обычного косоугольного пересечения (см.фиг.17). Отличительным признаком здесь может быть то, что протяженность знакопеременных сигналов по каналам «У» и «Z» на фиг.18 в два раза больше протяженности аналогичных сигналов на фиг.17.
Таким образом, предложенная конфигурация измерительных обмоток первичного вихретокового преобразователя в предлагаемом устройстве для идентификации объектов и искусственных сооружений железнодорожного пути, обеспечивая однозначную идентификацию этих объектов, дает
дополнительные преимущества в надежности идентификации и дополнительные отличительные признаки сигналов, которые могут быть использованы при составлении алгоритмов идентификации.
Действительно, введение третьего измерительного канала «Z» обеспечивает дублирование сигналов по двум каналам, что увеличивает надежность идентификации.
Ориентирование измерительных обмоток первичного ихретокового преобразователя для измерительных каналов по осям х, у, z, сдвинутых на плоскости друг относительно друга на угол 120° , обеспечивает более заметную разность протяженности полуволн выходных сигналов, формируемых на измерительных каналах «У» и «Z», обеспечивает надежное определение направления движения вагона-путеизмерителя (проитвошерстное или пошерстное). Кроме того, при этом оказывается возможным оценить по сигналам канала «X» некоторые угловые параметры, характеризующие тип крестовины (1/9, 1/11, 1/18, 1/22) или угол пересечения для косоугольных пересечений (см.фиг.8, 13, фиг.9, 14, фиг.10, 15, фиг.11, 16, фиг.12, 17, фиг.18), а значит и более точно вычислить протяженность объектов железнодорожного пути.