СПОСОБ РАБОТЫ ЛИНЗОВОГО СВЕТОФОРА С ДВУХНИТЕВОЙ ЛАМПОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR OPERATION OF LENS TRAFFIC LIGHT WITH DOUBLE-FILAMENT LAMP AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и может быть использовано в светофорах.
Известен способ световой сигнализации, включающий контроль целостности нитей двух ламп и подачу напряжения на лампу, нить которой способна проводить электрический ток [пат. 12459, МПК G08G 1/095, 1929].
Недостатками этого способа являются:
- выявление неисправной лампы только по месту ее расположения (например основной и запасной лампы) на сигнальном устройстве или при непосредственном осмотре ламп, что ухудшает условия обслуживания;
- невозможность размещения ламп в одном фокусе, что ограничивает область их применения.
Прототипом является способ работы линзового светофора с двухнитевой лампой, включающий контроль целостности нитей лампы и подачу напряжения на одну из нитей, способную проводить электрический ток [пат. РФ 2300809, МПК G08G 1/095, 2007].
Недостатками прототипа являются:
- недоиспользование рабочего ресурса лампы из-за того, что смена двухнитевых ламп с контролем переключения на резервную нить производится при перегорании основной нити или по плановому времени (раз в квартал), поэтому лампа вырабатывает по существу не более половины ресурса;
- сложность конструкции, реализующей способ и большое энергопотребление.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, снижение потребляемой энергии и эксплуатационных затрат, а также упрощение конструкции, реализующей способ.
Задача решается тем, что в способе работы линзового светофора с двухнитевой лампой, включающем контроль целостности нитей лампы и подачу напряжения на одну из нитей, способную проводить электрический ток, подачу напряжения осуществляют на нити поочередно при каждом включении лампы.
Контроль целостности нити осуществляют путем наличия поочередной подачи напряжения на одной лампе светофора. Контроль целостности нити осуществляют путем присутствия поочередной подачи напряжения и на всех лампах светофора. Индицирование неисправности нити производят на светофоре. Индицирование осуществляют с помощью рычага, имеющего неустойчивое и устойчивое положения равновесия. Рычаг вводят в режим автоколебаний путем периодического сообщения ему импульса энергии. Период автоколебаний регулируют. Импульсы энергии используют для фиксирования факта неисправности нити лампы и для подсчета времени с момента возникновения этой неисправности. Перед включением сигнального огня нить лампы подогревают. Рычаг выполняют с регулируемой массой и с регулируемым положением его центра масс.
Устройство для осуществления способа работы линзового светофора с двухнитевой лампой, содержащее индикатор, источник переменного напряжения, первое и второе реле, трансформатор, и сигнальную лампу, одни концы нитей которой объединены и через вторичную обмотку трансформатора подключены к земле, а другие концы нитей соединены соответственно с замкнутым и разомкнутым контактами первого реле, обмотка второго реле и первичная обмотка трансформатора соединены последовательно и подключены к источнику переменного напряжения, дополнительно снабжено тремя диодами, конденсатором, двумя элементами И, элементом ИЛИ, при этом первое реле выполнено поляризованным с двумя обмотками, одни концы которых соединены с землей, а другие - с выходами элементов И, одни входы которых соответственно подключены к катодам первого и второго диодов, аноды которых соответственно соединены с замкнутым и разомкнутым контактами первого реле, перекидной контакт которого связан с землей, а другие объединены и соединены с выходом элемента ИЛИ, входы которого соответственно через конденсатор и нормально замкнутые контакты второго реле соединены с катодом третьего диода, анод которого подключен к объединенным концам нитей лампы.
Индикатор имеет блок формирования импульса привода, по крайней мере, одну катушку и поворотный рычаг с магнитом, имеющим возможность взаимодействия с электромагнитным полем катушки, обмотка которой подключена к первому выходу блока, входы которого соответственно соединены с замкнутым и разомкнутым контактами первого реле. Вторая катушка имеет намотанные бифилярно обмотку освобождения и обмотку привода, подключенные соответственно ко второму и третьему выходам блока формирования импульса привода. Магнит имеет возможность взаимодействия с электромагнитными полями катушек соответственно в положениях неустойчивого и устойчивого равновесия поворотного рычага.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Выполнение подачи напряжения на нити поочередно при каждом включении лампы позволяет почти полностью выработать ресурс лампы, что снижает эксплуатационные затраты, связанные с закупкой новой лампы и выездом бригады на замену вышедшей из строя лампы.
Осуществление контроля целостности нити путем наличия поочередной подачи напряжения на одной лампе светофора дает возможность выявить конкретную неисправную лампу, что снижает время на отыскание неисправности и уменьшает, в конечном счете, эксплуатационные расходы.
Осуществление контроля целостности нити путем присутствия поочередной подачи напряжения и на всех лампах светофора упрощает конструкцию.
Проведение индицирования неисправности нити на светофоре снижает эксплуатационные затраты, поскольку этот факт может быть зафиксирован локомотивной бригадой, проходящего светофор поезда, которая затем проинформирует об этом соответствующие службы.
Выполнение индицирования с помощью рычага, имеющего неустойчивое и устойчивое положения равновесия, уменьшает потребление электрической энергии, так как для вывода его из положения неустойчивого равновесия требуется незначительная энергия (импульс), а в положении устойчивого равновесия рычаг может находиться без потребления энергии сколь угодно долго. Все это упрощает конструкцию, повышает надежность работы устройства в целом, снижает потребление энергии и эксплуатационные расходы.
Введение рычага в режим автоколебаний путем периодического сообщения ему импульса энергии позволяет привлечь внимание и зафиксировать факт перегорания нити с большего расстояния, т.е. с одного пути определить неисправности ламп светофоров, находящихся на других путях, что, в конечном счете, снижает эксплуатационные расходы.
Регулирование периода автоколебаний позволяет получить в каждом светофоре свой период колебаний рычага (свою частотную кодовую посылку). Объединив эти светофоры одной информационной жилой, и измеряя период следования импульсов, можно выявить конкретный светофор, в лампе которого неисправна одна нить. Все это упрощает конструкцию и снижает эксплуатационные затраты.
Использование импульсов энергии для фиксирования факта неисправности нити лампы позволяет с малыми аппаратурными затратами (по существу, например с помощью светодиода, мигание которого свидетельствует о неисправности) получить необходимую информацию, что упрощает конструкцию, повышает надежность работы устройства в целом и снижает эксплуатационные расходы.
Подогревание перед включением сигнального огня нити лампы увеличивает сопротивление нити, что уменьшает бросок тока при включении лампы, который может привести к перегоранию нити. В результате увеличивается срок службы лампы, что снижает эксплуатационные расходы.
Использование импульсов энергии для подсчета времени с момента возникновения этой неисправности дает возможность спрогнозировать момент возможного перегорания второй нити и рационально спланировать действия, связанные с выездом бригады на замену лампы.
Выполнение рычага с регулируемой массой и с регулируемым положением его центра масс позволяет легко изменять период его автоколебаний, что упрощает конструкцию.
Снабжение устройства тремя диодами, конденсатором, двумя элементами И, элементом ИЛИ и выполнение первого реле поляризованным с двумя обмотками, одни концы которых соединены с землей, а другие - с выходами элементов И, одни входы которых соответственно подключены к катодам первого и второго диодов, аноды которых соответственно соединены с замкнутым и разомкнутым контактами первого реле, перекидной контакт которого связан с землей, а другие объединены и соединены с выходом элемента ИЛИ, входы которого соответственно через конденсатор и нормально замкнутые контакты второго реле соединены с катодом третьего диода, анод которого подключен к объединенным концам нитей лампы, упрощает конструкцию светофора, повышает надежность его работы и снижает эксплуатационные затраты.
Наличие в индикаторе блока формирования импульса привода, по крайней мере, одной катушки и поворотного рычага с магнитом, имеющим возможность взаимодействия с электромагнитным полем катушки, обмотка которой подключена к первому выходу блока, входы которого соответственно соединены с замкнутым и разомкнутым контактами первого реле, способствует упрощению выявления момента перегорания нити по сравнению с прототипом, в котором факт такой неисправности можно выявить путем логического анализа комбинации потенциалов на линейных проводах. В результате уменьшается время и упрощается процедура фиксирования неисправности, что позволяет зарегистрировать факт выхода из строя нити лампы, например машинисту, при проследовании локомотивом светофора. Все это снижает эксплуатационные затраты.
Подключение намотанных бифилярно обмоток освобождения и привода второй катушки соответственно ко второму и третьему выходам блока формирования импульса привода позволяет повысить эффективность работы индикатора за счет введения режима автоколебаний рычага, а именно, сделать его более заметным с большего расстояния, что также снижает эксплуатационные затраты.
Взаимодействие магнита с электромагнитными полями катушек соответственно в положениях неустойчивого и устойчивого равновесия поворотного рычага позволяет экономить электрическую энергию при работе индикатора, что снижает эксплуатационные затраты.
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства светофора. На фиг.2 изображена первая часть схемы блока формирования импульса привода с рычагом, отображающим неисправность нити лампы. На фиг.3 изображена вторая часть схемы блока формирования импульса привода, обеспечивающая автоколебательный режим рычага, отображающего неисправность нити лампы. На фиг.4 изображен вариант схемы блока формирования импульса привода.
Устройство содержит лампу 1 с нитями 2, 3, одни концы которых соединены между собой, с анодом диода 4 и с землей через вторичную обмотку трансформатора 5, первичная обмотка которого через реле 6 соединена с источником переменного напряжения. Другие концы нитей соответственно подсоединены к анодам диодов 7, 8 и контактам 9, 10 поляризованного реле 11, перекидной контакт 12 которого соединен с землей. Одни концы обмоток I и II поляризованного реле соединены с землей, а другие - с выходами элементов И 13, 14, одни входы которых соответственно подключены к катодам диодов 7 и 8, а другие объединены и соединены с выходом элемента ИЛИ 15, входы которого соответственно через конденсатор 16 и нормально замкнутые контакты 17 реле 6 соединены а катодом диода 4.
o
п
Индикатор содержит поворотный на оси 18 рычаг 19, на плече которого закреплен установленный с возможностью перемещения вдоль рычага и фиксации на нем диск 20 и магнит 21, имеющий возможность взаимодействия с сердечником 22 катушки 23, герконом 24 в положении неустойчивого равновесия рычага, и катушкой 25, имеющей обмотки освобождения W и привода W, в положении устойчивого равновесия рычага. Элементы индикатора закрыты панелью 26, имеющей окно 27, выполненное в зоне конца рычага, при нахождении его в положении устойчивого равновесия. Один конец катушки соленоида через контакты геркона подключен к шине питания, а другой - через первый выход блока формирования импульса привода к коллектору транзистора 28 и первому выводу резистора 29, второй вывод которого соединен с базой этого транзистора, одним выводом конденсатора 30 и с коллектором транзистора 31. Эмиттеры транзисторов соединены с другим выводом конденсатора, с первым выводом резистора 32 и с землей. База транзистора 31 через резистор 33 соединена со вторым выводом резистора 32 и с катодами диодов 34, 35, аноды которых являются входами блока.
o
п
Для создания автоколебательного режима рычага одни концы обмоток W и W соединяют с шиной источника питания, а другие соответственно через второй выход блока формирования импульса привода - с первым выводом конденсатора 36 и через третий выход блока - с коллектором транзистора 37, эмиттер которого связан с землей и через резистор 38 подключен к базе этого транзистора и коллектору транзистора 39, база которого соединена с первым выводом резистора 40 и вторым выводом конденсатора 36, а эмиттер соединен со вторым выводом резистора 40 и с шиной источника питания.
Рычаг индикатора может отображать выход из строя одной нити (без указания конкретной лампы) светофора, что упрощает конструкцию последнего. Тогда вместо диодов 34, 35 он должен содержать трехвходовой элемент ИЛИ 41 (по числу ламп светофора) и элемент И 42, выход которого подключен к резистору 33, а вход соединен с выходом элемента ИЛИ, первые два входа которого соответственно подключены к контактам 9, 10 реле 11, а третий вход через вторую пару нормально замкнутых контактов реле 6 соединен с шиной источника питания.
Способ реализуют следующим образом.
В исходном состоянии, когда лампа 1 светофора выключена, напряжение на трансформаторе 5 отсутствует, реле 6 и 11 обесточены, при этом контакты реле 6 находятся в замкнутом состоянии, а - реле 11, имеющего механическую память, в одном из двух положений. Для определенности положим, что перекидной контакт 12 находится в верхнем положении, т.е. контакты 9 и 12 замкнуты. Также будем считать, что при подаче напряжения на обмотку I реле 11 происходит замыкание контактов 9 и 12, а при возбуждении обмотки II - замыкаются контакты 10 и 12.
Для включения сигнальной лампы 1 подают напряжение на первичную обмотку трансформатора 5, поскольку нить 2 лампы через контакты 9, 15 замкнута на землю, то по ней потечет ток, разогревая ее (фиг.1). При этом реле 6 срабатывает, и его контакты 17 размыкаются. Напряжение с вторичной обмотки трансформатора 5 поступает на диод 4, выполняющий функцию выпрямителя (может быть использован стандартный выпрямительный мост), и на обе исправные нити 2, 3.
Через нить 3 переменное напряжение поступает на диод 8 и выпрямляется им, в результате чего на одном элемента И 14 формируется логическая единица (лог.1). Даже при малой длительности действия лог.1 и относительно небольшом входном токе этого элемента нить 3 будет нагреваться, так как вольфрам (материал нити) имеет низкую удельную теплоемкость, благодаря чему создаются более благоприятные условия входа нити в рабочий режим при последующем включении сигнального огня. Одновременно происходит заряд конденсатора 16, и на выходе элемента ИЛИ 15 формируется лог.1, поступающая на второй вход элемента И 14. Наличие на обоих входах элемента 14 лог.1 приводит к появлению на его выходе высокого уровня напряжения, которое поступает на обмотку II реле 11, в результате чего произойдет размыкание контактов 9, 12 и замыкание контактов 10, 12, при этом нить 3 подключается на землю, и лампа загорается. Если длительности, равной одной полуволне напряжения, недостаточно для срабатывания реле 11, то нужно параллельно обмотке включить конденсатор, накапливающий напряжение.
Заметим, что длительность импульса на выходе элемента 15, сформированная конденсатором 16, должна быть достаточной для срабатывания реле 11 и может быть даже несколько большей, поскольку после размыкания контактов 9 и 12 лог.1 на входе элемента И 13 сразу сформироваться не сможет, несмотря на то, что на диод 7 сразу же поступит напряжение через нить 2. Это объясняется тем, что, как известно, сопротивление нагретой нити лампы на порядок больше, чем холодной. Нагретая в момент включения нить 2 лампы имеет большое сопротивление, поэтому получается своеобразный делитель напряжения с зависимым от температуры нити коэффициентом деления. Одно плечо делителя образовано сопротивлением нити, а другое - входным сопротивлением элемента И. При нагретой нити этот коэффициент таков, что на соответствующем входе элемента И логический ноль (лог.0), а при холодной - лог.1. Поэтому на выходе элемента 13 сразу после переключения контактов не появится высокий уровень напряжения, что привело бы к возбуждению обмотки I и возврату контактов в исходное положение.
Отметим также, что надобность в конденсаторе 16 и элементе ИЛИ 15 отпадает, если использовать реле с задержкой включения, т.е. размыкания контактов 17.
После замыкания контактов 10, 12 на выходе элемента 14 формируется лог.0, обмотка II реле 11 обесточивается, указанные контакты за счет механической памяти остаются в замкнутом состоянии и могут находиться в нем сколь угодно долго до тех пор, пока на обмотку I не поступит напряжение. В результате вторичную обмотку трансформатора 5 по существу нагружает только лампа 1. Поскольку реле 6 имеет одну пару контактов, переключающих слаботочную цепь, то оно может быть маломощным (например на герконе), что существенно (по сравнению с прототипом) снижает потребление электрической энергии.
Таким образом, после подачи напряжения на трансформатор происходит переключение контактов реле 11 и работа той нити лампы, которая не была задействована в предыдущем включении сигнального огня, в результате чего достигается более полное использование ресурса работы обеих нитей лампы.
Предположим, что после очередного переключения и замыкания контактов 9, 12 реле 11 произошло перегорание нити 2. В результате этого на входе элемента 13 образуется логический ноль, а на соответствующем входе элемента 14 присутствует лог.1. Одновременно перегорание нити 2 переводит работу трансформатора 5 в режим холостого хода, в результате чего ток в его первичной обмотке значительно уменьшается, что приводит к выключению реле 6. Контакты 17 замыкаются, и на выходе элемента 15 формируется лог.1, которая поступает на второй вход элементов 13, 14. Наличие лог.1 на обоих входах элемента 14 приводит к его срабатыванию и возбуждению обмотки II реле 11, в результате чего происходит замыкание контактов 10 и 12. Несмотря на то, что на выходе элемента 15 присутствует лог.1, элемент 13 остается в прежнем в нулевом состоянии, так как из-за перегоревшей нити 2 на одном его входе лог.0. Замыкание контактов 10 и 12 приводит к включению в нагрузку вторичной обмотки трансформатора 5 нити 3, возобновлению свечения сигнального огня, возрастанию тока в первичной обмотке трансформатора и включению реле 6, контакты 17 при этом размыкаются, обмотка II реле 11 обесточивается.
При очередном включении сигнального огня перекидной контакт 12 не сможет переключиться в верхнее положение, контакты 10 и 12 по-прежнему останутся замкнутыми, так как на входах элементов 13, 14, соединенных с катодами диодов 7, 8 лог.0. Лампа 1 теперь будет работать на оставшейся рабочей нити 3, при этом переключений реле 11 происходить не будет. Отсутствие переключений свидетельствует о перегорании одной из нитей лампы, что служит поводом для замены лампы, которая почти полностью выработала свой ресурс.
В качестве реле 11 может быть использовано поляризованное, двухпозиционное реле РПС20, логические элементы И и ИЛИ могут быть выполнены на диодах.
Информирование соответствующих служб о перегорании нити лампы можно производить с помощью индикатора, рычаг которого размещают на светофоре в удобном для обозрения месте (фиг.2). После очередной замены ламп в светофоре устанавливают рычаг 19 в неустойчивое (верхнее) положение равновесия. Магнит 21 притягивается к сердечнику 22 катушки 23, в результате чего рычаг может находиться в этом положении сколь угодно долго. Одновременно посредством магнита 21 замыкаются контакты геркона 24, и первая часть схемы блока формирования импульса привода оказывается подключенной к источнику напряжения U. При этом входы (аноды диодов 34, 35) блока подключают к контактам 9 и 10 реле 11. Заметим, что напряжение U должно подаваться и сниматься одновременно с напряжением на трансформаторе 5. В противном случае после выключения лампы на анодах диодов 34, 35 сформируются лог.0, что приведет к ложному срабатыванию индикатора. Если необходимо удерживать напряжение U на блоке постоянно, что может иметь место в случае использования одного индикатора на все лампы светофора, то в блок нужно ввести еще один диод, а реле 6 снабдить второй парой нормально замкнутых контактов, через которые напряжение U следует подать на анод диода, катод которого следует соединить с катодами диодов 34, 35 (на фиг.2 показано пунктиром). Тогда после снятия напряжения с трансформатора (выключения лампы) через вторую пару нормально замкнутых контактов напряжение лог.1 будет поступать на базу транзистора 31 и удерживать его в открытом состоянии.
После перегорания одной из нитей лампы на анодах диодов 34, 35 сформируются лог.0, в результате чего транзистор 31 закроется, и конденсатор 30 начнет заряжаться. Напряжение на базе транзистора 28 будет увеличиваться, что приведет к его открыванию и формированию импульса в обмотке катушки 23. Магнитное поле катушки 23, воздействуя на магнит 21, вытолкнет его с рычагом 19 из верхнего положения вниз, при этом контакты геркона 24 разомкнутся и обесточат первую часть схемы блока формирования импульса привода. Заметим, что геркон и катушка 23 должны быть размещены так, чтобы ее магнитное поле не удерживало бы контакты геркона в замкнутом состоянии.
Внизу (в положении устойчивого равновесия рычага) диск 20 окажется напротив окна 27 панели 26, что будет свидетельствовать о перегорании одной из нитей лампы. Диск может быть покрыт светоотражающей краской для его лучшего восприятия, например машинистом проходящего светофор поезда.
o
п
Для повышения эффективности работы индикатора его вводят в автоколебательный режим. Подключают обмотку освобождения W и обмотку привода W, катушки 25 соответственно ко второму (конденсатору 36) и третьему (коллектору транзистора 37) выходам блока формирования импульса привода (фиг.3). Заметим, что напряжение питания U на вторую часть схемы блока можно подавать постоянно или после выхода рычага 19 из верхнего положения, подключив шину питания U второй части схемы блока к нормально замкнутому контакту геркона 24. Тогда при падении рычага вниз первая часть схемы блока будет выключаться, а вторая часть этой схемы - автоматически включаться, чем будет достигаться максимальная экономия электроэнергии.
o
o
o
п
В нижнем положении рычага 19, в момент подхода магнита 21 к катушке 25, в обмотке W начнет индуцироваться напряжение, знак которого зависит от направления витков обмотки и вектора направления движения магнита, а величина - от магнитной индукции в зазоре между магнитом и катушкой. Кроме того, текущее значение этого напряжения будет определяться функцией изменения площади сечения перекрытия катушки 25 полем магнита 21. Предположим, что при прохождении первой половины катушки в обмотке W сначала формируется положительная полуволна напряжения, а затем отрицательная. Тогда индуцируемое в обмотке W напряжение откроет транзистор 39, который, в свою очередь, переведет транзистор 37 в режим глубокого насыщения. В результате этого в обмотке привода W сформируется импульс тока, который создаст в катушке магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянного магнита 21 и отталкивающее (будем считать) магнит от катушки. В результате этого рычаг 19, выполняющий в нижнем положении еще и функцию маятника, получит энергию, которая обеспечит ему автоколебательный режим. При возврате рычага к положению равновесия описанный процесс повторится. При необходимости перемещением диска 20 (или изменением его массы) получают определенное значение частоты автоколебаний маятника.
Если получаемые в автоколебательном режиме на коллекторе транзистора 37 импульсы направить по информационной жиле на приемник информации соответствующих служб, то появление импульсов будет свидетельствовать о неисправности нити лампы светофора. Зная частоту колебаний маятника (рычага 19), можно, подсчитывая число импульсов, определить время, прошедшее с момента возникновения неисправности нити лампы.
Если путем перемещения по рычагу 19 диска 20 и изменения массы последнего добиться разного периода колебаний этого рычага на нескольких светофорах, то по одной информационной жиле, подведенной к ним, можно по величине периода (индивидуальной частотной кодовой посылке) принимаемых импульсов сразу определить конкретный светофор, в котором имеется неисправная нить лампы.
Для осуществления контроля всех лам светофора одним индикатором подключают контакты 9, 10 реле 11 каждой лампы к первому и второму входам элемента ИЛИ 41, третий вход которого через вторую пару нормально замкнутых контактов реле 6 соединяют с шиной питания U, а выход элемента - с входом конъюнктора 42 (фиг.4). При выключенной лампе высокий потенциал на выходе элемента 41 поддерживается лог.1 на третьем его входе. При включенной лампе состояние выхода определяется потенциалами на первом и втором входах. В случае перегорания лампы на этих входах формируются лог.0, что вызывает появления низкого потенциала на выходе элемента 41 этой лампы и на выходе элемента 42. В результате рычаг 19 из верхнего переходит в нижнее положение, сигнализируя о перегорании нити какой-то лампы светофора.
Внедрение изобретения позволит практически полностью использовать рабочий ресурс лампы, контролировать выход из строя нити накаливания и информировать об этом соответствующие службы. При этом конструкция устройства становится простой, надежной и потребляющей очень мало электрической энергии.