Способ повышения устойчивости работы датчика регистрации прохода колеса к воздействию температуры окружающей среды и бросков тягового тока и соответствующий датчик регистрации прохода колеса
METHOD FOR IMPROVEMENT OF OPERATION STABILITY OF REGISTRATION SENSOR OF WHEEL PASSAGE TO AMBIENT TEMPERATURE EFFECT AND TRACTION CURRENT RUSHES AND CORRESPONDING REGISTRATION SENSOR OF WHEEL PASSAGE

Изобретение относится к управлению движением поездов, а именно к путевым устройствам, посредством которых определяют факт прохода колеса рельсового транспортного средства.
В известном из уровня техники индуктивном датчике регистрации прохода колеса решение о проходе колеса принимается на основании сравнения напряжений на выходе чувствительного элемента датчика - катушки индуктивности (КИ) - при отсутствии и наличии над ним колеса. В корпусе датчика размещены колебательный контур (КК) с КИ, контроллер и амплитудный детектор, при этом КК включен в цепь положительной обратной связи автогенератора тока возбуждения (патент RU 2564553, опубликовано 10.10.2015).
Недостатком в известном датчике является то, что напряжение на выходе чувствительного элемента может изменяться не только в результате прохода колеса над датчиком, но и вследствие изменения температуры окружающей среды - из-за изменения величины омических потерь и значения индуктивности КИ, изменения тока от генератора возбуждения КК и коэффициента передачи выпрямителя (амплитудного детектора). Данные изменения должны быть сведены к минимуму, чтобы исключить некорректную работу датчика.
Кроме того, включение КИ в состав автогенератора делает последний чувствительным к наводкам на КИ от бросков тягового тока в рельсе, что может вызвать срыв колебаний в генераторе.
Все вышеизложенное может привести к принятию неправильного решения о свободности или занятости пути.
На практике невозможно создать автогенератор с колебательным контуром, в котором частота генерации и амплитуда напряжения на КК оставались бы неизменными при изменении температуры окружающей среды.
Из уровня техники известен индуктивно-проводной датчик, содержащий измерительный генератор, вход которого соединен с индуктивным шлейфом, а выход подключен к цепи определения наличия объекта, включающей в себя последовательно соединенные смеситель, полосовой фильтр и пороговое устройство, подключенное к первому входу контроллера, второй вход которого соединен с термодатчиком, при этом один из выходов контроллера соединен с первым входом опорного генератора, а генератор импульсов подключен ко второму входу опорного генератора и к третьему входу контроллера. Код частоты напряжения, подаваемого с опорного генератора на вход смесителя, вычисляют в контроллере при запуске датчика, а в дальнейшем корректируют контроллером при свободном участке пути в соответствии с поступающими с термодатчика показаниями температуры окружающей среды и заложенной в память контроллера таблицей соответствия температуры окружающей среды и индуктивности шлейфа при свободном участке пути (патент RU 2339530, опубликовано 27.11.2008). Данное устройство принято за прототип.
Недостатком прототипа является недостаточная надежность устройства вследствие того, что используется автономный датчик температуры, который измеряет температуру окружающей среды в месте его установки, а не непосредственно температуру катушки индуктивности, а также, что используемая таблица соответствия является единой для всех датчиков, в то время как в различных экземплярах датчиков индуктивность шлейфа, а также другие компоненты датчика имеют разброс номинальных значений электротехнических параметров, в том числе разброс значения температурных коэффициентов. Кроме того, в прототипе чувствительный элемент датчика - индуктивный шлейф - также является элементом схемы возбуждения измерительного генератора, что делает последний чувствительным к броскам тягового тока в рельсе, что может вызвать срыв колебаний в измерительном генераторе.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении устойчивости работы датчика регистрации прохода колеса при воздействии температуры окружающей среды во всем диапазоне рабочих температур и при воздействии бросков тягового тока. В предлагаемых способе и устройстве, кроме того, исключается влияние отклонений значений параметров электротехнических компонентов в каждом конкретном датчике от своих номинальных значений, в том числе индуктивности и температурных коэффициентов изменения параметров элементов колебательного контура.
Технический результат в части способа достигается тем, что способ повышения устойчивости работы датчика регистрации прохода колеса к воздействию температуры окружающей среды и бросков тягового тока заключается в том, что в составе датчика используют катушку индуктивности, являющуюся чувствительным элементом датчика, схему регистрации параметров катушки индуктивности, датчик температуры и таблицу, данные из которой изменяют параметры схемы регистрации в зависимости от данных температурного датчика так, чтобы изменение параметров катушки от воздействия температуры не влияло на результат регистрации прохода колеса, согласно изобретению в схеме регистрации используют автономный задающий генератор и колебательный контур, в состав которого входит катушка индуктивности, значения частоты и амплитуды тока возбуждения контура регулируют с использованием упомянутой таблицы, содержащей индивидуальные для каждого экземпляра датчика коды управления частотой и амплитудой тока, которые выбирают в соответствии со значением, поступающим от датчика температуры, при этом в качестве чувствительного элемента датчика температуры используют сопротивление катушки индуктивности постоянному току.
В схеме регистрации параметров катушки индуктивности используют синхронный амплитудный детектор и фазовый детектор.
Таблицу соответствия формируют в процессе термопрогона каждого экземпляра датчика в заданном диапазоне температур, во время которого в датчике работают воздействующие на автономный задающий генератор системы автоподстройки амплитуды и частоты, которые при изменении температуры подбирают такое значение тока возбуждения, при котором напряжение на выходе синхронного амплитудного детектора имеет заданное номинальное значение, и такое значение частоты генерации, при котором напряжение на выходе фазового детектора имеет нулевое значение, при этом значение частоты генерации совпадает со значением резонансной частоты колебательного контура, при этом в ячейки таблицы, адрес которых задается кодом от датчика температуры, записывают текущие значения кодов управления током возбуждения и частотой.
Технический результат в части устройства достигается тем, что датчик регистрации прохода колеса содержит катушку индуктивности, являющуюся чувствительным элементом датчика, схему регистрации параметров катушки индуктивности, датчик температуры и таблицу, данные из которой изменяют параметры схемы регистрации в зависимости от данных температурного датчика так, чтобы изменение параметров катушки от воздействия температуры не влияло на результат регистрации прохода колеса, согласно изобретению схема регистрации содержит автономный задающий генератор и колебательный контур, в состав которого входит катушка индуктивности, при этом значения частоты и амплитуды тока возбуждения контура регулируются с использованием упомянутой таблицы, содержащей индивидуальные для каждого экземпляра датчика коды управления частотой и амплитудой тока, выбираемые в соответствии со значением, поступающим от датчика температуры, содержащего подключенные к выводам катушки индуктивности источник постоянного тока и фильтр нижних частот, соединенный с усилителем постоянного тока, связанным с АЦП, причем в качестве чувствительного элемента датчика температуры использовано сопротивление катушки индуктивности постоянному току.
К выводам катушки индуктивности подключены сигнальные входы синхронного амплитудного детектора и фазового детектора, входы опорных сигналов которых подключены к автономному задающему генератору, а выходы к АЦП.
Синхронный амплитудный детектор выполнен на аналоговых ключах.
На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемое изобретение.
Заявляемое устройство представляет собой датчик регистрации прохода колеса, содержащий КК 1 с КИ 2, являющейся чувствительным элементом датчика и размещаемой в зоне прохода колеса, автономный задающий генератор 3 - генератор переменного тока (ГПТ) для возбуждения КК, синхронный амплитудный детектор (АД) 4, фазовый детектор (ФД) 5, усилитель-ограничитель 6, контроллер - микропроцессор (МП) 7 и датчик температуры, чувствительным элементом которого является сопротивление обмотки КИ 2 колебательного контура 1 постоянному току. Датчик температуры также содержит соединенные с выводами КИ источник постоянного тока 8 и фильтр нижних частот (ФНЧ) 9, выход которого подключен к входу усилителя постоянного тока (УПТ) 10, выход которого, в свою очередь, соединен с портом Р1 МП 7, являющимся входом АЦП 11 микропроцессора.
В состав ГПТ (автономного задающего генератора) 3 входят генератор DDS 12 (генератор прямого цифрового синтеза) и формирователь переменного тока возбуждения 13 КК 1. Частота генератора DDS 12 задается путем подачи на вход ВхГн1 ГПТ 3 кода управления частотой, при этом выходное переменное напряжение генератора DDS 12 подается как на выход, подключенный к входу формирователя переменного тока 13, так и на выход ВыхГн2 ГПТ 3, подключенный к входу опорного сигнала ВхФд2 ФД 5, являющемуся портом Р4 МП 7. Величина тока возбуждения КК 1 задается путем подачи кода управления амплитудой на ВхГн2 ГПТ 3, т.е. сразу на вход формирователя переменного тока 13.
Коды управления частотой и амплитудой тока генератора 3 возбуждения КК 1 содержатся в таблице 14, заложенной в память МП 7 и создаваемой для каждого экземпляра датчика отдельно. Адрес ячейки таблицы 14, содержащей требуемые коды управления частотой и амплитудой тока задающего автономного генератора 3, задаются кодом температуры, поступающим от датчика температуры. Выбранные из таблицы 15 коды управления частотой и величиной тока подаются на ВхГн1 и ВхГн2 ГПТ 3 через порты Р5 и Р6 МП 7 соответственно.
Подача ГПТ 3 тока возбуждения КК 1 осуществляется на выход ВыхГн1, соединенный с КК, а напряжения опорного сигнала - на выход ВыхГн2, соединенный с входами опорного сигнала ВхСд2 и ВхФд2 АД 4 и ФД 5 соответственно.
Сигнальный вход ВхСд1 АД 5 соединен с КК 1, а его выход соединен с портом Р2 МП 7, являющимся входом АЦП 11.
Вход усилителя-ограничителя 6 соединен с КК 1, а выход - с портом Р3 МП 7, являющимся сигнальным входом ВхФд1 ФД 5. Усилитель-ограничитель 6 формирует из синусоидального напряжения с КК 1 меандр, поступающий на вход ВхФд1. Выход ФД 5 соединен с АЦП 11 МП 7.
Заявляемые способ и устройство работают следующим образом.
ГПТ 3 создает ток возбуждения КК 1 на выходе ВыхГн1, соединенном с КК, а также напряжение опорного сигнала на выходе ВыхГн2, соединенном с входами опорного сигнала ВхСд2 и ВхФд2 АД 4 и ФД 5 соответственно.
Управление частотой генерации тока возбуждения КК 1 обеспечивается применением управляемой кодом микросхемы DDS генератора 11. Необходимую величину тока возбуждения КК 1 обеспечивает управляемый кодом усилитель переменного напряжения от DDS - формирователь переменного тока 13.
Конкретные значения управляющих кодов выбираются из таблицы 14, содержащейся в программной памяти МП 7. Адрес ячейки таблицы, содержащей требуемые коды управления частотой и амплитудой тока, задается текущим значением кода температуры, поступающим от датчика температуры. Таблица 14 содержит такие значения кодов, чтобы при текущей температуре частота генерации равнялась резонансной частоте КК 1 и величина напряжения на АД 4 равнялась номинальному значению, т.е. значению при отсутствии металла над датчиком.
Для определения температуры обмотки КИ 2 через нее от источника постоянного тока 8 протекает постоянный ток, который создает падение напряжения на омическом сопротивлении катушки. Падение напряжения подается на ФНЧ 9, который отфильтровывает переменное напряжение на КИ 2. Далее этот сигнал через УПТ 10 поступает на АЦП 11, код от которого и определяет адрес ячейки таблицы 14, содержащей соответствующие коды управления частотой и амплитудой тока.
Переменное напряжение контура 1 поступает на сигнальные входы ВхСд1 и ВхФд1 АД 4 и ФД 5 соответственно, выходные напряжения от детекторов 4 и 5 оцифровываются в АЦП 11, при этом величина кода от АД 4 пропорциональна количеству металла над КИ 2, в то время как знак кода от ФД 5 определяет материал металла - диамагнетик или ферромагнетик (парамагнетик), что требуется для корректной работы модуля счета осей 15 датчика (исключение счета, например, щетки снегоочистителя).
Для повышения стабильности работы схемы регистрации во времени в АД 4 в качестве выпрямителей вместо полупроводниковых диодов используют управляемые аналоговые ключи, т.е. АД выполнен синхронным. Коды от АД 4, ФД 5 и код температуры поступают в модуль счета осей 15, который, анализируя изменение текущих значений этих кодов, выполняет счет осей и контролирует исправность измерительных модулей левого 16 и правого 17 каналов датчика.
Таблицу 14 с кодами заносят в программную память МП 7 на этапе производства каждого экземпляра датчика, а именно на этапе его термопрогона во всем диапазоне рабочих температур. На этапе термопрогона в МП 7 функционирует программа, которая выполняет следующую процедуру для каждого значения текущей температуры. Если величина кода на выходе АЦП 11 не равна значению, при котором частота генерации равна резонансной частоте КК 1, то величина кода управления частотой в текущем адресе таблицы 14 изменяется программой до достижения этого значения.
Аналогично, если величина кода на выходе АЦП 11 не равна значению, при котором значение тока возбуждения равно номинальному значению, то величина кода, задающего величину тока возбуждения КК 1, в текущем адресе таблицы 14 изменяется программой до достижения этого значения.
Создание индивидуальных таблиц соответствия температуры и частоты и амплитуды тока автономного задающего генератора для каждого экземпляра датчика позволяет учитывать разбросы номиналов всех компонентов его схемы.
Использование обмотки катушки индуктивности в качестве чувствительного элемента датчика температуры позволяет получать информацию о значении текущей температуры конкретно в обмотке катушки индуктивности колебательного контура.
В предлагаемой конструкции датчика принята схема возбуждения колебательного контура от автономного генератора переменного тока, что обеспечивает независимость работы генератора от наводок ЭДС в катушке индуктивности колебательного контура при бросках тягового тока в рельсах.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает поддержание неизменными номинальных значений частоты и амплитуды напряжения на колебательном контуре при отсутствии металла над датчиком при изменениях температуры окружающей среды во всем диапазоне рабочих температур датчика.