Радиотехнический датчик прохода колёс с определением направления движения подвижного состава

Настоящая полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к системам автоматики и телемеханики, использующим сигналы контроля прохождения колесных пар подвижных железнодорожных единиц (вагонов) через точку с известными координатами.
В структуру железнодорожных систем автоматики и телемеханики, контролирующих подвижной состав, входят устройства (датчики), фиксирующие момент прохождения колеса вагона через точку с известными координатами на рельсовой нити. В известной литературе, например [1], эти устройства называются «датчик электронной системы счета осей» и «датчики прохода колес». На железных дорогах России применяются несколько магнитных датчиков прохода колес (ДПК), отличающихся конструктивными особенностями, но одинакового принципа действия.
Конструктивно магнитные ДПК состоят из постоянного магнита (сердечника) и обмотки из медного провода. Датчики крепятся струбциной внутри колеи на подошве рельса.
Магнитный ДПК работает следующим образом: при подходе гребня колеса к датчику магнитный поток возрастает и в обмотке индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), создающая в нагрузке импульс напряжения колоколообразной формы положительной полярности. Когда гребень колеса оказывается над датчиком, ЭДС в обмотке меняет полярность и при дальнейшем движении колеса формируется отрицательный импульс. Амплитуда и длительность сигнала, сформированного ДПК, зависит от скорости изменения магнитного потока, т.е. от скорости поступательного движения колеса вагона.
Достоинства магнитного датчика прохода колес:
- простота конструкции;
- невысокая стоимость;
- высокая надежность работы.
Однако существующие недостатки магнитных ДПК ограничивают их применение [2].
К таким недостаткам магнитного датчика прохода колес, относятся:
1) необходимость специального кабеля для передачи выходного сигнала датчика с целью использования в системах железнодорожной автоматики и телемеханики;
2) неудовлетворительные, с точки зрения развития современных технологий, энергетические и массогабаритные показатели:
- большая (около 80 Вт) мощность электрической энергии, потребляемая датчиком;
- малая мощность (около 0,0013 Вт) генерируемого датчиком сигнала, что ограничивает его передачу на расстояние более 100 м;
- высокое (около 1 кг) содержание медного провода;
- относительно большая масса (около 5 кг);
3) невозможность работы датчика при скоростях движения менее 5 км/ч;
4) существенная чувствительность к помехам, возникающим за счет воздействия магнитного поля, создаваемого тяговым током;
5) размагничивание магнита с течением времени эксплуатации;
6) невозможность автоматической координатной привязки места установки ДПК.
Также известны электронные ДПК [3, 4], принцип работы которых заключается в регистрации момента срыва колебаний генератора при внесении приближающимся колесом затухания в колебательный контур генератора.
Недостатками этих датчиков являются:
1) сложность температурной компенсации изменений параметров катушек колебательных контуров, что необходимо для сохранения точности фиксации прохода колеса над заданной точкой рельсового пути;
2) необходимость специального кабеля для передачи выходного сигнала датчика с целью использования в системах железнодорожной автоматики и телемеханики;
3) малая мощность сигнала ДПК, ограничивающая его передачу на расстояние более 100 м;
4) несовместимость с микропроцессорной техникой обработки сигналов;
5) невозможность автоматической координатной привязки места установки датчика.
От указанных недостатков свободен заявленный ДПК. Работа заявленного ДПК основана на определении момента времени и направления прохода колеса вагона над датчиком по анализу последовательного изменения амплитуд колебаний измерительных генераторов путем их синхронного детектирования на двух синхронных детекторах (совместно с колебаниями одного опорного генератора) с последующим формированием (в микропроцессоре) информационного сигнала о факте и скорости прохода колеса над датчиком с известными координатами, кодированием информационного сигнала и передачей его по радиоканалу потребителям в системы:
а) централизованной автоблокировки;
6) интервального регулирования движения поездов;
в) автоматизированного контроля подвижного состава на ходу поезда.
Структурно, заявленный ДПК 1 состоит (фиг. 1) из прецизионного кварцевого автогенератора гармонических опорных колебаний 2, амплитудного ограничителя 3, двух измерительных генераторов с внешним возбуждением 4 и 5, двух синхронных детекторов (СД) 6 и 7, двух формирователей импульсов 8 и 9, счетчика импульсов 10, приемника глобальной спутниковой навигационной системы (ГЛОНАСС) 11, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 12, специализированного микропроцессора обработки сигналов датчика (СМОСД) 13, программируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) 14, передатчика 15, передающей антенны 16.
4
5
Конструктивно элементы схем электронных устройств 2÷15 (фиг. 1), за исключением катушек индуктивности L и L колебательных контуров измерительных генераторов 4 и 5, заключены, для защиты от электромагнитных помех, в ферромагнитный экран.
o
o
o
AO
1
2
1
2
1
2
o
0
Принцип функционирования заявленного ДПК заключается в следующем. Кварцевый генератор 2 вырабатывает опорные гармонические колебания u(t) на частоте ƒ, с высокой кратковременной стабильностью частоты δƒ. Вследствие возмущений и помех они имеют паразитную амплитудную модуляцию (фиг. 2). Для подавления паразитной амплитудной модуляции колебаний опорного генератора 2 предназначен амплитудный ограничитель 3, на выходе которого образуются колебания типа «меандр» u(t) с подавленной паразитной амплитудной модуляцией, которые подаются на входы измерительных генераторов с внешним возбуждением 4 и 5 в качестве возбуждающих колебаний (фиг. 3). Измерительные генераторы 4 и 5 вырабатывают гармонические колебания соответственно u(t) и u(t) на частотах ƒ и ƒ. Благодаря внешнему возбуждению частоты колебаний ƒ и ƒ измерительных генераторов 4 и 5 равны частоте колебаний ƒ автогенератора 2, а их стабильность равна стабильности δƒ генератора 2.
4
5
1
2
10
20
1
2
1
2
o
1
2
1
2
Нагрузки измерительных генераторов 4 и 5 колебательные контура, в которые включены неэкранированные катушки индуктивности L и L. Частоты колебаний выходных напряжений u(t) и u(t) измерительных генераторов 4 и 5 также совпадают с резонансными частотами ƒ и ƒ их колебательных контуров (фиг. 4). Начальные фазы ϕ и ϕ колебаний u(t) и u(t) соответственно измерительных генераторов 4 и 5 отличаются от фазы колебаний u(t) генератора 2 на величину динамического запаздывания фазы в процессе возбуждения колебаний u(t) и u(t). Эта величина мала, поэтому можно считать ϕ=ϕ≈0 [5].
1
2
o
o
o
Колебания напряжений u(t) и u(t) с выходов измерительных генераторов 4 и 5 соответственно поступают параллельно на первые входы синхронных детекторов 6 и 7, на вторые входы которых поступают опорные колебания u(t) типа «меандр» (фиг. 3), снимаемые с амплитудного ограничителя 3, на частоте ƒ, равной частоте колебаний напряжения u(t) опорного генератора 2.
сд1
сд2
1
2
Выходные напряжения U и U синхронных детекторов 6 и 7, при условии малости начальных фаз ϕ и ϕ, определяются соответственно по формулам [6]:
1
2
o
1
2
1
2
где k и k - коэффициенты передачи синхронных детекторов 6 и 7; U - амплитуда напряжения на выходе амплитудного ограничителя 3; U и U - амплитуды гармонических напряжений u(t) и u(t) соответственно на выходах измерительных генераторов 4 и 5.
4
4
01
1
4
1
1
1
1.мин
сд1
сд1.мин
4
сд1
При направлении движения поезда 1 (фиг. 5) стальное (ферромагнитное) колесо вагона 2 по рельсовой линии 3 подходит к точке A. В точке A начинает сказываться его влияние на величину индуктивности L 6 неэкранированной катушки (фиг. 5). Влияние сказывается в увеличении индуктивности L 6, которое возникает за счет внесения ферромагнитного вещества в магнитное поле катушки. Вследствие этого уменьшается резонансная частота ƒ и увеличивается затухание колебательного контура измерительного генератора 4. Это приводит к уменьшению амплитуды U выходного напряжения измерительного генератора 4. При уменьшении расстояния AE=r(t), где E - точка расположения неэкранированной катушки индуктивности L 6, происходит дальнейшее уменьшение амплитуды U. Это уменьшение продолжается до подхода колеса к точке B. В момент t, когда колесо находится в точке B, амплитуда колебаний u(t) генератора 4 уменьшается до величины U. Соответственно напряжение U (1) на выходе синхронного детектора 6 уменьшается до величины U (фиг. 6). После прохода точки B влияние колеса на величину индуктивности L 6 уменьшается, и при подходе колеса к точке C на рельсовой линии оно становится таким же, как и в точке A, а при подходе к точке D - практически исчезает (фиг. 5). В результате восстанавливается выходное напряжение синхронного детектора 6 (фиг. 1) до величины U.
4
5
к
к
сд2
сд2.мин
Аналогичные процессы, только с поправкой на запаздывание из-за разноса катушек индуктивности L 6, и L 7, вдоль рельсовой линии 3 на расстояние R<l, где l - минимально возможное расстояние между колесными парами вагона, протекают в измерительном генераторе 5 и синхронном детекторе 7 (фиг. 1). При движении колеса выходное напряжение U (2) синхронного детектора 7 (фиг. 1) сначала снижается до уровня U, а при дальнейшем движении вновь возрастает до исходной величины (фиг. 5, фиг. 6).
д
сд1
сд2
Временной промежуток T между минимумами выходных напряжений U и U синхронных детекторов 6 и 7 определяется по формуле:
1
2
кд
где t и t - моменты времени достижения минимумов напряжениями с выходов соответственно синхронных детекторов 6 и 7 (фиг. 7); V - скорость поступательного движения колеса над датчиком.
сд1.мин
сд2.мин
д
кд
Таким образом, падение напряжений (1) и (2) на выходах синхронных детекторов 6 и 7 до уровней соответственно U и U, с последующим восстановлением исходного уровня, служит признаком прохода колеса вагона над датчиком. Измерение модуля временного промежутка T позволяет согласно формуле (3) вычислить скорость V поступательного движения колеса над датчиком. Знак результата (3) - признак направления движения поезда, т.е. последовательности прохождения колесом вагона точек на рельсовой линии: A, B, C, D - прямое движение поезда; D, С, B, A - обратное движение.
фи
сд1
сд2
Перепады напряжений с выходов синхронных детекторов 6 и 7 запускают формирователи импульсов 8 и 9 (фиг. 7), которые формируют нормированные прямоугольные однополярные импульсы u(t) в моменты достижения минимумов сигналами u(t) и u(t) синхронных генераторов 6 и 7 (фиг. 6).
1
2
4
5
1
2
.
Появление одного из импульсов - признак того, что колесо прошло одну из точек B или C и находится на рельсовой линии 3 в интервале x∈[x, x], т.е. между катушками индуктивности L 6 и L 7, что соответствует интервалу времени t∈[t, t]
Импульсные сигналы с выходов формирователей 8 и 9 приходят в качестве стартстопных на счетчик импульсов 10, на второй вход которого подаются счетные импульсы, снимаемые с синхронизатора, входящего в состав встроенного в ДПК приемника глобальной спутниковой навигационной системы (ГЛОНАСС) 11 [7].
д
сд1
сд2
д
Снимаемые со счетчика 10 счетные импульсы, существующие только на промежутке времени T (между двумя минимумами напряжений u(t) и u(t)), поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12. Снимаемый с АЦП 12 сигнал в виде цифрового двоичного кода промежутка времени T поступает на специализированный микропроцессор обработки сигналов датчика (СМОСД) 13. Одновременно в микропроцессор 13 поступают сигналы временной синхронизации и координаты ДПК с приемника ГЛОНАСС 11. Специализированный микропроцессор обработки сигналов датчика 13 выполняет обработку данных с АЦП 12 и ГЛОНАСС 11 согласно алгоритму, записанном в виде программы в программируемом постоянном запоминающем устройстве (ППЗУ) 14.
Алгоритм цифровой обработки сигналов ДПК в СМОСД 13 включает:
а) ввод исходных данных;
1
2
б) привязку моментов времени t и t к времени по шкале Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC (SU) и формирование их цифрового представления  и ;
д
в) вычисление модуля и знака промежутка времени T;
к
г) вычисление скорости движения V колеса вагона над ДПК;
д) кодирование помехоустойчивым кодом:
- значений (по абсолютной шкале) моментов времени  и ;
д
- промежутка времени T,
к
- скорости движения колеса V;
е) формирование кодовых слов;
ж) вывод результатов обработки (кодовых слов) на выход СМОСД 13.
Кодовое слово, формируемое СМОСД 13, представляет собой кодированные помехоустойчивым кодом данные, подлежащие передаче с ДПК в информационную систему контроля и управления движением поездов. Кодовое слово состоит из разделенных по времени синхрогруппы (СГ) и информационной группы (ИГ) кодированных данных.
сг
Синхрогруппа длительностью T содержит:
а) последовательность синхронизирующих импульсов, предназначенных для синхронизации устройства приема кодированных сигналов;
б) импульсные посылки, представляющие собой ключ кода, необходимый для подготовки приемного устройства к декодированию информационной группы.
иг
В информационную группу длительностью T входят:
1) подгруппа служебных данных, состоящая из кодированных значений:
а) номера ДПК в номенклатуре датчиков структурно и функционально законченного комплекса систем и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики;
б) координат ДПК, которые при установке датчика измеряются ГЛОНАСС 11 и вводятся в ППЗУ 14;
UTC
в) абсолютного времени t, соответствующего моменту начала синхрогруппы сигналов ДПК;
2) подгруппа содержательных данных, включающая кодированные данные:
а) значений моментов времени  и ;
к
б) скорости движения V колеса вагона над ДПК;
д
в) значения промежутка времени T.
С выхода СМСОД 13 кодовое слово, поступает на передатчик 15 ДПК. В передатчике 15 импульсы кодового слова преобразуются в сверхвысокочастотный (СВЧ) сигнал с относительной фазовой манипуляцией и излучаются антенной 16 на несущей частоте диапазона СВЧ.
Излученные сигналы поступают на антенный вход диспетчерской системы 17, принимаются приемной антенной 18 и обрабатываются в приемнике 19. Диспетчерская система 17 распределяет данные, полученные с ДПК, по системам железнодорожной автоматики и телемеханики 20 для реализации алгоритмов их функционирования.
Таким образом, применение заявленной полезной модели позволяет устранить недостатки, присущие магнитным датчикам. А именно:
а) выполнить основные электронные узлы датчика по интегральной технологии, благодаря чему становится возможным их сопряжение с цифровой микропроцессорной техникой обработки сигналов;
б) обеспечить формирование датчиком сигнала о проходе колес со скоростями подвижного состава менее 5 км/ч в плоть до нулевой;
в) формировать совокупность служебных данных, присущих только данному ДПК: его номера, координат установки, привязку формируемых сигналов к абсолютному времени;
г) достичь, благодаря применению интегральной технологии, улучшения массогабаритных и энергетических показателей;
д) реализовать, на основе кодирования и применения относительной фазовой манипуляции, беспроводную, по радиоканалу, устойчивую к электромагнитным помехам и с соблюдением электромагнитной совместимости, передачу данных на расстояния, большие, чем с использованием специальных кабелей.
Предлагаемое устройство может служить базисом для создания беспроводной аппаратуры в области железнодорожной автоматики и телемеханики.
Литература
1. В.И. Шелухин. Датчики измерения и контроля устройств железнодорожного транспорта. М. Транспорт, 1990. 119 с.
2. Министерство путей сообщения РФ «Датчик магнитный ДМ-95Н» Техническое описание и инструкция по эксплуатации ВР3.253.002 ТО МПС РФ, 1995 г., 19 с.
3. Патент ФРГ N 3307689, опубл. 6.09.84 г., кл. B6 L 1/16, 33.
4. Патент N 3410014, опубл. 25.07.85 г., кл. H03K 17/95.
5. Шахтильдян В.В. Радиопередающие устройства Учебник для вузов / Шахтильдян В.В. Козырев В.Б. и др. - М.: Радио и связь, 2003.
6. Марюхненко B.C. Радиоприемные устройства. Часть 1. Учеб. пособие. - Иркутск.: ИВАИИ, 2001. -531 с.
7. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. - М.: Изд-во ИПЖР, 1998. - 400 с.