Измеритель модуля скорости
VELOCITY MODULE METER

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и может быть использовано для определения модуля скорости подвижных единиц железнодорожного и городского рельсового транспорта.
Известно устройство для измерения скорости и обнаружения боксования и юза транспортного средства, содержащее включенные в систему реального времени датчики пути и скорости, выходы которых соединены со входами блоков формирователей сигналов, выходы которых соединены со входами блоков счетчиков импульсов, выходы которых соединены со входами блоков вычисления скорости, другие входы которого соединены с выходами блоков постоянных характеристик, навигационный приемник, входом соединенный с навигационной антенной, а выходом - со входом блока данных навигационного приемника, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения скоростей, который другими входами соединен с выходами блоков вычисления скорости, а выход соединен со входом блока связи с CAN-интерфейсом, выходы которого соединены со входами блоков постоянных характеристик (RU 2360805, B60L 3/10, 10.07.2009).
Недостатками устройства для измерения скорости являются его относительная сложность и недостаточная надежность.
В качестве прототипа принято устройство для измерения скорости движения локомотива, содержащее дешифратор, формирователи импульсов, элемент ИЛИ, счетчик, делитель частоты следования импульсов, регистр и генератор импульсов, выход которого подключен к входу делителя частоты следования импульсов, выход которого соединен со входом первого формирователя импульсов, выходом подключенного ко входу сброса счетчика, и со входом второго формирователя импульсов, выходом подключенного к входу разрешения записи регистра, выходы которого подключены к входам дешифратора, а информационные входы - к выходам счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, входы которого подключены к выходам третьего и четвертого формирователей импульсов, регистр, информационные входы которого соединены с выходами второго дешифратора, а вход разрешения записи - с выходом дополнительного формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу первого триггера, тактовый вход которого соединен с выходом третьего формирователя импульсов, а вход сброса - с выходом второго триггера, тактовый вход которого подключен к выходу четвертого формирователя импульсов, а вход установки в единичное состояние - к выходу второго формирователя импульсов, выходы первого дешифрэтора соединены с входом второго дешифратора и входом блока формирования кода коэффициента деления, выходы которого подключены к информационным входам делителя частоты следования импульсов с переменным коэффициентом деления, счетный вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а выход - к входу дополнительного счетчика, выходы которого соединены с другими входами второго дешифратора (RU1787824, B60L 15/20, 15.01.93).
Недостатками известного устройства являются его сложность, значительные массогабаритные характеристики и большой объем вычислительных затрат при обработке данных измерений скорости, а также недостаточная точность ее определения.
Технический результат изобретения заключается в уменьшение аппаратурных и вычислительных затрат при определении модуля текущей скорости подвижных единиц и повышении точности и надежности измерений при движении колейного транспорта в экстремальных условиях, обусловленных скольжением и проворачиванием колесной пары.
Технический результат достигается тем, что в измеритель модуля скорости, содержащий тактовый генератор, подключенный к входу  делителя частоты, и N-разрядный двоичный счетчик импульсов, согласно изобретению введены три катушки индуктивности, расположенные в ряд на одинаковом расстоянии друг от друга, однополупериодный выпрямитель, элемент задержки, вычислительный модуль и элементы И, при этом выход тактового генератора соединен с счетным входом N-разрядного двоичного счетчика импульсов, к входу запуска которого подключен выход делителя частоты, соединенного с выводами первой и третьей катушек индуктивности, расположенных по обе стороны второй катушки индуктивности, выводы которой соединены со входом однополупериодного выпрямителя, выход которого подключен ко входу остановаN-разрядного двоичного счетчика импульсов, а через элемент задержки – к его входу сброса и первым входам элементов И, вторые входы которых соединены с выходами N-разрядного двоичного счетчика импульсов, выходы элементов И и выход переполнения N-разрядного двоичного счетчика импульсов подключены к соответствующим  входам вычислительного модуля, выход которого является выходом устройства.
На чертеже представлена функциональная схема измерителя модуля скорости.
Измеритель модуля скорости содержит тактовый генератор 1, подключенный к входу  делителя 2 частоты, N-разрядный двоичный счетчик 3 импульсов, три катушки индуктивности 4, 5 и 6, расположенные в ряд на одинаковом расстоянии друг от друга, однополупериодный выпрямитель 7, элемент 8 задержки, вычислительный модуль 9 и элементы И 10, при этом выход тактового генератора 1 соединен с счетным входом N-разрядного двоичного счетчика 3 импульсов, к входу запуска которого подключен выход делителя 2 частоты, соединенного с выводами первой (4) и третьей (6) катушек индуктивности, расположенных по обе стороны второй катушки 5 индуктивности, выводы которой соединены со входом однополупериодного выпрямителя 7, выход которого подключен ко входу остановаN-разрядного двоичного счетчика 3 импульсов, а через элемент 8 задержки – к его входу сброса и первым входам элементов И 10, вторые входы которых соединены с выходами N-разрядного двоичного счетчика 3 импульсов, выходы элементов И 10 и выход переполнения N-разрядного двоичного счетчика 3 импульсов подключены к соответствующим  входам вычислительного модуля 9, выход которого является выходом устройства.
Измеритель скорости устанавливают на транспортное средство таким образом, чтобы  катушки индуктивности 4, 5 и 6 были размещены над рельсовой линией и обеспечивалось с ней электромагнитное взаимодействие. Катушки индуктивности располагаются в ряд и друг от друга на одинаковом расстоянии, величина которого зависит  от габаритов транспортного средства, расстояния до рельсовой линии 11 и взаимного влияния катушек.
Измеритель модуля скорости работает следующим образом.
Измеритель модуля скорости работает при движении транспортного средства как в прямом, так  и в обратном направлении.
N
Тактовые импульсы с выхода тактового генератора 1 поступают на счетный вход N-разрядного двоичного счетчика 3 и на вход делителя 2 частоты с коэффициентом деления 2. С выхода делителя 2 частоты импульсы поступают на вход запуска двоичного счетчика 3 и на выводы первой и третьей катушек индуктивности 4 и 6, формирующих импульсные магнитные потоки с амплитудой Ф, осуществляющие намагничивание рельса рельсовой линии 11 в области их воздействия. В зависимости от направления движения транспортного средства со скоростью V на вторую катушку 5 индуктивности будет воздействовать намагниченные области рельса либо катушкой 4 индуктивности, либо катушкой 6 индуктивности. Если при движении транспортного средства первой по ходу движения будет катушки индуктивности 4, то через время Т=  вторая катушка индуктивности 5, расположенная на заданном расстоянии S от первой катушки индуктивности 4, окажется над намагниченной этой катушкой областью рельса. В результате на вторую катушку индуктивности 5 воздействует магнитный поток остаточной намагниченности, порождающий на ее выходе электродвижущую силу (э.д.с.) с амплитудой пропорциональной  .
В силу равномерной намагниченности области рельса, два электрических импульса – положительный и отрицательный, определяемые передним фронтом и спадом индуцированной импульсной э.д.с., поступают на вход однополупериодного выпрямителя 7. На выход однополупериодного выпрямителя 7 проходит только положительный импульс, поступающий далее на вход останова двоичного счетчика 3. В течение времени Т (от момента запуска двоичного счетчика 3 до момента его останова) в двоичном счетчике 3 происходит счет импульсов, поступающих с выхода тактового генератора 1 на счетный вход двоичного счетчика 3, и на выходе двоичного счетчика 3 формируется двоичный код, пропорциональный времени Т и, следовательно, обратно пропорциональный скорости транспортного средства  V. Также импульс с выхода однополупериодного выпрямителя 7 поступает через элемент 8 задержки  на вход сбросадвоичного счетчика 3, приводя его в исходное состояние (время задержки в элементе задержки 8 определяется временем переходного процесса после останова двоичного счетчика 3), и одновременно на первые входы элементов И 10, на вторые входы которых поступают сигналы с соответствующих выходов двоичного счетчика 3. Считываемый двоичный код, обратно пропорциональный скорости транспортного средства  V, с выходов двоичного счетчика 3 через элементы И 10 поступает на вход вычислительного модуля 9, где вычисляется текущее значение скорости V, получаемое на выходе этого модуля 9, являющегося выходом устройства.
При движении транспортного средства  в обратном направлении работа измерителя модуля скорости происходит аналогично описанному выше, за исключением того, что на вторую катушку 5 индуктивности воздействует магнитный поток остаточной намагниченности, образованной импульсным магнитным потоком с выхода не первой, а третьей катушки 6 индуктивности.
2
Выбор величины разрядности N двоичного счетчика 3 осуществляется из условия Tmax≤ 2N∆t,  т.е. N ≤ log,    где Vmin – минимальная скорость транспортного средства, определяемая устройством, Tmax– время достижения второй катушкой 5 индуктивности намагниченной области рельса при минимальной скорости транспортного средства, ∆t - период следования тактовых импульсов. При V<Vmin на выходе переполнения  двоичного счетчика 3 возникает сигнал переполнения, поступающий в вычислительный модуль 9,  после которого двоичный код с выхода двоичного счетчика 3 импульсов аннулируется и воспринимается только код, следующий за ним.
Предложенное устройство имеет простую конструкцию и обеспечивает автономное измерение модуля относительной скорости объекта малыми вычислительными затратами с высокой точностью, обусловленной отсутствием накопления ошибок измерения и возможностью проведения измерений с большой частотой и на малых временных интервалах, и может быть использовано при решении навигационной задачи подвижных единиц железнодорожного и городского рельсового транспорта.