ПУТЕВОЙ ДАТЧИК Российский патент 1997 года по МПК B61L1/16 

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности к устройствам контроля проследования подвижного состава и счета его осей.

Известен путевой датчик, содержащий расположенную параллельно рельсу с внутренней его стороны приемную катушку и перпендикулярно ее передающую катушку, генератор, фазовращатель и амплитудный детекторы, исполнительный элемент. Контроль прохода колеса осуществляется за счет фиксации изменения фазы сигнала в приемной катушке на 180 градусов, а определение направления движения транспортного средства за счет контроля за изменением амплитуды сигнала. Контроль рабочего состояния датчика осуществляется по минимально допустимому значению амплитуды сигнала, снимаемого с приемной катушки. Недостатком данного устройства является отсутствие контроля исправности его элементов и связей, что приводит к ненадежной работе датчика и исключает возможность его применения в системах, обеспечивающих безопасность движения.

Наиболее близким по технической сущности является путевой датчик [1] содержащий источник питания, подключенный к передающей катушке, приемные катушки, включенные между собой встречно и установленные вдоль рельса, индуктор, подключенный в двух точках к рельсу и охваченный магнитопроводом передающей катушки, дешифрирующий блок, фазовращатель, амплитудно-фазовый регулятор, фазовый детектор, генератор тестовых последовательностей, два аналоговых ключа, триггер и узел контроля работоспособности.

Узел контроля работоспособности включает в себя двухобмоточное контрольное реле, одна обмотка подключена непосредственно к источнику постоянного тока, а один вывод другой обмотки к элементу ИЛИ, к каждому из двух входов которого подключены последовательно соединенные усилитель, накопительный конденсатор и анод вспомогательного диода, катод последнего и другой вывод обмотки контрольного реле подсоединены у шине нулевого потенциала источника питающего напряжения. Отказ любого элемента или обрыв какой-либо связи датчика приводит к тому, что триггер остается в каком-то одном состоянии, один из накопительных конденсаторов разрядится по своей цепи и контрольное реле выключится, сигнализируя о неисправном состоянии путевого датчика. Но впоследствии накопления отказов (двух и более), например при обрыве вспомогательного диода и пробое накопительного конденсатора той же ветви, сохраняется цепь питания контрольного реле, т.е. оно не выключается. Это приводит к тому, что отказы элементов не выявляются, что недопустимо для устройств, применяемых в системах, связанных с безопасностью движения.

Кроме того, существенным недостатком данного путевого датчика является необходимость надежного электрического контакта индуктора в точках его подключения к рельсу, являющемуся частью записываемого контура.

Целью изобретения является повышение надежности путевого датчика за счет устранения необходимости наличия электрического контакта с рельсом и обеспечения полного режима самоконтроля датчика (контроля работоспособности любых элементов и связей датчика (в том числе и совокупности) и контроля установки датчика на рельсе.

Поставленная цель достигается тем, что путевой датчик, содержащий приемные катушки, включенные между собой встречно и установленные вдоль рельса, передающую катушку, подключенную к источнику питания, индуктор, охваченный магнитопроводом передающий катушки и расположенный под приемными катушками, амплитудно-фазовый регулятор, входы которого подсоединены соответственно к приемным катушкам и через аналоговые ключи к выходам генератора тестовых последовательностей, входом подключенного к выходу формирователя, вход которого подключен к питающей сети, фазовый детектор, к входам которого подключены соответственно амплитудно-фазовый регулятор непосредственно, а через фазовращатель источник питания, дешифрирующий блок и триггер, входами соединенный с входами дешифрирующего блока и выходами фазового детектора, два накопительных конденсатора, два диода и контрольное реле, снабжен индуктором, выполненным в виде прямоугольной горизонтально ориентированной рамки с прямоугольным вертикально-ориентированным сечением сторон, причем в качестве контрольного реле использовано реле поляризованного типа, а выход триггера соединен с одной из обкладок первого накопительного конденсатора, другая обкладка которого подключена к аноду первого вспомогательного диода и катоду второго вспомогательного диода, анод последнего подсоединен к одной обкладке второго накопительного конденсатора и одному выводу обмотки контрольного реле, при этом катод первого вспомогательного диода, другая обкладка второго накопительного конденсатора и другой выход обмотки контрольного реле подключены к шине нулевого потенциала источника питания.

Кроме того, что индуктор выполнен в виде прямоугольной рамки с линейными внешними размерами: по ширине (0,4 0,6)а (где а ширина приемных катушек), по длине превышающей расстояние между внешними гранями приемных катушек на величину (2 2,2)а, по высоте (0,35 0,42)а и прямоугольным сечением сторон рамки с соотношением размеров ширины к высоте равным 1/(9 11), причем продольно-вертикальная плоскость симметрии индуктора параллельна продольно-вертикальной плоскости симметрии рельса и перпендикулярна горизонтальной плоскости расположения приемных катушек.

Другое отличие состоит в том, что каждая приемная катушка выполнена в виде прямоугольной рамки с линейными внешними размерами: высота (0,12 0,14)а при отношении размеров ширины к длине 1/(2,4 2,5) и прямоугольным сечением сторон рамки с соотношением размеров ширины к высоте равным 1/(2 3), причем продольно-вертикальная плоскость симметрии одной катушки совпадает с продольно-вертикальной плоскостью симметрии индуктора, а продольно-вертикальная плоскость симметрии другой катушки сдвинута относительно указанной плоскости симметрии первой катушки на величину (0,08 - 0,10)а в сторону рельса.

На фиг. 1 приведена функциональная схема путевого датчика, на фиг. 2 - пространственное расположение индуктора, передающей и приемных катушек относительно рельса (без элементов крепления), на фиг. 3 форма силовых линий поля, создаваемого индуктором (а при отсутствии колеса в зоне контроля датчика, б при прохождении колеса по зоне контроля датчика).

Путевой датчик (см. фиг. 1) содержит приемные катушки 1 и 2, включенные между собой встречно и установленные вдоль рельса, пересадочную катушку 3, подключенную к источнику питания 4, индуктор 5, охваченный магнитопроводом передающим катушки 3 и расположенный под приемными катушками 1 и 2, амплитудно-фазовый регулятор 6, входы которого подсоединены соответственно к приемным катушкам 1 и 2 и через аналоговые ключи 7 и 8 к выходам генератора тестовых последовательностей 9, входом подключенного к выходу формирователя 10, вход которого подключен к питающей среде, фазовый детектор 11, к входам которого подключены соответственно амплитудно-фазовый регулятор 6, а через фазовращатель 12 источник питания, дешифрирующий блок 13 и триггер 14, входами подключенный к входам дешифрирующего блока 13 и выходам фазового детектора 11, а выход триггера 14 соединен с одной из обкладок накопительного конденсатора 15, другая обкладка которого подключена к аноду диода 16 и катоду диода 17, анод последнего подсоединен к одной обкладке накопительного конденсатора 18 и одному выводу обмотки контрольного реле 19, при этом катод диода 16, другая обкладка накопительного конденсатора 18 и другой вывод обмотки контрольного реле 19 подключены к шине нулевого потенциала питающего напряжения. К источнику тока 22 через контакт контрольного реле 19 подключены элементы индикации 20 и 21 соответственно исправного и неисправного состояния путевого датчика.

При этом продольно-вертикальная плоскость симметрии индуктора 5 (см. фиг. 2) параллельна продольно-вертикальной плоскости симметрии рельса и перпендикулярна горизонтальной плоскости расположения приемных катушек 1 и 2, а продольно-вертикальная плоскость симметрии приемной катушки 1 совпадает в продольно-вертикальной плоскость симметрии индуктора 5, плоскость симметрии приемной катушки 2 сдвинута относительно указанной плоскости симметрии первой катушки в сторону рельса на величину (0,08 0,10) ширины приемных катушек.

Приемные катушки 1 и 2 выполнены в виде прямоугольной рамки каждая, без ферромагнитного сердечника и помещены в электростатический экран. Передающая катушка 3 выполнена в виде замкнутого магнитопровода, например тора, с размещенной на нем обмоткой. Магнитопровод передающей катушки 3 охватывает индуктор 5 и тем самым образует трансформатор, у которого вторичная величина обмотка содержит один виток индуктор. Индуктор 5 выполнен, например, из металлической ленты (полосы), замкнутой в форме прямоугольной рамки. Аналоговые ключи 7 и 8 выполнены на основе, например, оптоэлектронных ключей. Генератор тестовых последовательностей 9 может быть выполнен, например, на основе счетчика и дешифратора импульсов, он формирует две импульсные последовательности, сдвинутые по времени, каждая импульсная последовательность имеет длительность равную 10 15 периодам несущей частоты источника питания 4 (что заведомо меньше длительности каждого радиоимпульса на входе амплитудно-фазового регулятора 6 при проходе зоны датчика колесом подвижного средства на максимальной скорости). Формирователь 10 преобразует синусоидный сигнал питающей сети 50 Гц в прямоугольные импульсы (например, с периодом следования 0,02 с). В качестве контрольного реле 19 использовано поляризованное реле первого класса надежности. Источник 22 тока предназначен для питания элементов индикации 20 и 21 состояния путевого датчика и гальванически не связан с источником питания.

Совокупность конденсаторов 15, 18 и диодов 16, 17 представляет собой динамический преобразователь полярности. Для включения контрольного реле 19 на вход преобразователя полярности с триггера 14 поступают импульсные сигналы, например положительной полярности, которые с помощью преобразователя полярности сглаживаются и накапливаются на конденсаторе 18, причем полярность напряжения на нем изменяется на противоположную отрицательную. При поступлении на вход триггера 14 нескольких импульсов на конденсаторе накапливается энергия, необходимая для срабатывания реле 19, т.е. осуществляется статистическая обработка сигналов на включение реле 19. При прекращении поступления импульсных сигналов реле 19 с замедлением на время разряда конденсатора 18 отпускает свой якорь.

Расстояние между приемными катушками 1 и 2 должно быть минимальным, но достаточным для того, чтобы при заходе колеса подвижного средства в зону контроля датчика оно могло взаимодействовать поочередно с каждой катушкой. Предельное расстояние между внешними гранями приемных катушек должно быть меньше минимального расстояния между соседними колесными осями транспортного средства.

Приемные катушки 1 и 2 расположенные на минимально возможном расстоянии от поверхности катания головки рельса, но обеспечивающем соблюдение требований габарита приближения строений, при этом расстояние от шейки рельса до боковой грани приемной катушки 2 также должно быть минимальным.

Индуктор 5 максимально приближен к приемным катушкам 1 и 2.

Датчик работает следующим образом.

С целью упрощения понимания работы датчика описание его функционирования приводится в следующих режимах: в статическом состоянии (при отсутствии колеса подвижного средства в зонах контроля датчика и воздействий тестовых сигналов, поступающих от генератора тестовых последовательностей 9), в тестовом режиме (при воздействиях тестовых сигналов генератора тестовых последовательностей 9) и в поездном режиме (при воздействии колес транспортного средства).

В статическом состоянии ток источника питания протекая по обмотке передающей катушки 3, индуцирует э.д.с. в контуре индуктора 5. Протекание тока по индуктору 5 создает вокруг последнего электромагнитное поле (см. рис. 3а). В приемных катушках 1 и 2 наводятся практически равные по величине э.д.с. Дифферициальное включение, идентичное выполнение приемных катушек 1 и 2 и амплитудно-фазовый регулятор 6 позволяет установить в профазе напряжение каждой катушки и осуществить тем самым полную компенсацию напряжений. В результате этого на выходе амплитудно-фазового регулятора 6, а также на выходах фазового детектора 11 напряжение равно нулю: сигналы в дешифрирующий блок 13 и на входы триггера 14 не поступают, контрольное реле 19 выключено. Через его переведенный контакт 19.1 включен элемент индикации 21, сигнализирующий неисправное состояние путевого датчика.

Ниже описана работа датчика в тестовом режиме.

При отсутствии колеса подвижного средства в зоне контроля датчика работает генератор тестовых последовательностей 9. Под действием входных импульсов, поступающих из формирователя 10, на выходах генератора 9 формируются две импульсные последовательности, сдвинутые по времени. Под действием каждого импульса последовательностей генератор тестовых последовательностей 9 поочередно включает аналоговые ключи 7 и 8, подключенные соответственно параллельно к каждой из приемных катушек 1 и 2. При включении, например, ключа 7 шунтируется приемная катушка 1 и на выходе амплитудно-фазового регулятора 6 появляется сигнал с фазой, составляющей, например, фазе напряжения приемной катушки 2 (опорного напряжения, в качестве которого используется напряжение источника питания 4). Совпадение по фазе обеспечивается за счет предварительной настройки фазовращателя 12. При включении ключа 8 на выходе амплитудно-фазового регулятора 6 появляется сигнал с фазой, отличающийся на 180 градусов от фазы опорного напряжения. Таким образом, под воздействием сигналов генератора тестовых последовательностей 9 на выходе амплитудно-фазового регулятора 6 появляются поочередно радиоимпульсы, отличающиеся по фазе несущей на 180 градусов, на выходах фазового детектора 11 поочередно появляются импульсные последовательности, триггер 14 непрерывно меняет свое состояние, контрольное реле 19 включено, но дешифрирующий блок 13 при этом не включается, так как на выходе фазового детектора 11 нет информационного признака сигнала наперед заданного числа импульсов, появляющегося при проходе колеса подвижного средства в зоне датчика. Элемент индикации 20, сигнализирующий исправное состояние датчика, получает питание через нормальный контакт реле 19.

Ниже описана работа датчика в поездном режиме.

При вступлении колеса транспортного средства в зону контроля путевого датчика происходит блокировка генератора тестовых последовательностей 9 по сигналу дешифрирующего блока 13, появляющемуся при вступлении колеса в любую зону контроля датчика, (либо по сигналу рельсовой цепи на схеме не показано). Информационным признаком в этом случае является превышение числа импульсов в серии на выходе фазового детектора 11 над заданным.

При движении колеса направо и входе его в зону действия приемной катушки 1 (на фиг. 1 положение колеса обозначено буквой "а", а стрелкой направление движения) электромагнитное поле индуктора 5 в районе приемной катушки 1 экранируется колесом изменяется геометрия силовых линий поля (см. фиг. 3б), в результате чего з.д.с. в указанной катушке уменьшается. В приемной катушке 2 величина э.д.с. прежняя, так как электромагнитное поле индуктора 5 в районе приемной катушки 2 не электризуется. На выходе амплитудно-фазового регулятора 6 появляется сигнал переменного тока, фаза которого совпадает с фазой напряжения приемной катушки 2 (опорным напряжением). Таким образом, на выходе, например первом, фазового детектора 11 появляется сигнал, соответствующий принятому направлению движения колеса.

При входе колеса в зону между приемными катушками 1 и 2 (на фиг. 1 положение колеса "б") э.д.с. в приемной катушке 1 начинает возрастать, а в приемной катушке 2 уменьшаться. Всегда существует такая точка, где эти э.д.с. равны по амплитуде, а их фазы при этом отличаются на 180 градусов. За счет встречного включения приемных катушек 1 и 2 на выходах амплитудно-фазового регулятора 6 и фазового детектора 11 напряжение вновь принимает стационарное (нулевое)значение.

При входе колеса в зону действия приемной катушки 2 (на фиг. 1 положение колеса "в") работа датчика повторяется с той лишь разницей, что напряжение на выходе амплитудно-фазового регулятора 6 совпадает по фазе от опорного на 180 градусов. Следовательно сигнал появится на втором выходе фазового детектора 11.

Таким образом, поочередное проследование колеса по зонам датчика вызывает появление на выходе амплитудно-фазового регулятора 6 сначала радиоимпульса одной фазы несущей, затем другой отличной на 180 градусов, что приводит к поочередному появлению на выходах фазового детектора 11 импульсных последовательностей, воздействующих на дешифрирующий блок 13 и на триггер 14. Последний под действием указанных последовательностей непрерывно меняет свое состояние. Контрольное реле 19 включено. Через его контакт 19.1 включен элемент индикации 20 исправного состояния путевого датчика. Каждый импульс в серии на выходах фазового детектора 11 формируется от каждой полуволны одной полярности радиоимпульса на выходе амплитудно-фазового регулятора 6. Поскольку число импульсов в каждой серии на выходе детектора 11 превышает наперед заданное число (появляется информационный признак), то включается при этом дешифрирующий блок 13.

Таким образом, в предложенном путевом датчике как при прохождении колес подвижного средства по его зонам контроля, так и при их отсутствии за счет воздействия от генератора 9, триггер 14 непрерывно меняет свое состояние, что контролируется включенным состоянием реле 19 и элемента индикации 20 по цепи 22.1 19.1 20 22,2 (один полюс источника 22 нормальный (нормально-замкнутый) контакт реле 19 элемент индикации исправного состояния датчика 20 другой полюс источника 22). Отказ любого элемента или обрыв какой-либо связи датчика, в том числе и совокупности отказов, приведет к тому, что триггер 14 остается в каком-либо одном состоянии, накопительный конденсатор 15 или 18 разряжается по известной цепи и контрольное реле 19 обесточивается, выключая элемент индикации 20 и включая элемент индикации 21, сигнализирующий неисправное состояние путевого датчика.

Контроль установки путевого датчика на рельсе обеспечивается благодаря смещению приемных катушек 1 и 2 относительно друг друга в плоскости их расположения. Изменение положения датчика относительно рельса (излом деталей крепления, ослабление крепежа) вызывает нарушение пространственной ориентации приемных катушек 1 и 2 относительно рельса, вследствии чего возникает разбаланс их выходных сигналов, и как следствие электромагнитной системы датчика, приводящий к выключению контрольного реле 19 и элемента индикации 20.

Наибольшей чувствительностью к проходу колеса транспортного средства, как установлено исследованиями, обладают прямоугольные катушки индуктивности без ферромагнитного сердечника с определенными геометрическими характеристиками (параметрами) и расположенные определенным образом относительно рельса и гребня колеса. Высокая стабильность зоны чувствительности при поперечных и угловых смещениях колесных пар обеспечивается за счет размещения катушек в горизонтальной плоскости, так как при набеге на рельс гребень колеса находится в зоне максимальной эффективности электромагнитного поля катушки, а при максимальном отклонении гребня колеса от боковой грани головки рельса увеличивается площадь взаимодействия электромагнитного поля катушки с колесом.

Размеры индуктора 5, как установлено исследованиями, находится в прямой зависимости от размеров приемных катушек 1 и 2, а так как катушки все же расположены на достаточно большом расстоянии от реборды колеса, то для повышения эффективности взаимодействия с ребордой колеса подвижного средства индуктор должен быть выполнен в виде прямоугольной горизонтально ориентированной рамки с прямоугольным вертикально-ориентированным сечением сторон рамки с соотношением ширины к высоте 1/(9 11). В этом случае электромагнитное поле индуктора 5 будет иметь эллипсовидную форму (в поперечной вертикальной плоскости сечения рельса). Рельс же, являясь экраном в электромагнитной системе предлагаемого датчика, дополнительно концентрирует силовые линии электромагнитного поля индуктора 5 в виде узких пучков, по форме близких к конусообразным (см. фиг. 3).

Конструктивные и схемные особенности предложенного путевого датчика, реализуя единый изобретательский замысел, позволяют повысить надежность путевого датчика благодаря устранению необходимости наличия электрического контакта индуктора датчика с рельсом и обеспечению его полного режима самоконтроля (контроля работоспособности любых элементов и связей (в т.ч. и их совокупности) датчика и контроля установки датчика на рельсе), т.е. обеспечивают возможность использования датчика в системах, связанных с безопасностью движения.

Кроме того, предложенный принцип построения путевого датчика позволяет иметь фиксированные границы его зон контроля, наличие точки смены фазы обеспечивает возможность с большей точностью определять центр колеса подвижного средства; наличие двух зон контроля и фиксация изменения фазы сигнала позволяют определить направление движения подвижных средств.

Изобретение относится к путевым датчикам и может быть использовано, в частности, для контроля прохождения колесной осью транспортного средства точки пути и счета его осей. Сущность изобретения заключается в том, что путевой датчик содержит установленные вдоль рельса и включенные между собой встречно приемные катушки, которые через амплитудно-фазовый регулятор подсоединены к одному из входов фазового детектора, индуктор, выполненный в виде прямоугольной горизонтально ориентированной рамки, установленный под приемными катушками и охваченный магнитопроводом передающей катушки, подключенной к источнику питающего напряжения, который через фазовращатель подключен к другому входу фазового детектора, выходы последнего соединены с входами дешифрирующего блока и триггера, подключенного через динамический преобразователь полярности к контрольному реле поляризованного типа. Отказ любого элемента, в том числе и их совокупности, или обрыв какой-либо связи датчика приводит к выключению контрольного реле и элемента индикации исправного состояния датчика и к включению элемента индикации неисправного состояния датчика. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Путевой датчик, содержащий установленную вдоль рельса первую приемную катушку, передающую катушку, источник питания, подключенный через фазовращетель к первому входу фазового детектора, отличающийся тем, что в датчик дополнительно введены вторая приемная катушка, индуктор, амплитудно-фазовый регулятор, аналоговые ключи, генератор тестовых последовательностей, формирователь, дешифрирующий блок, триггер, конденсаторы, диоды, контрольное реле в виде поляризованного реле, при этом источник питания подключен к передающей катушке, выход формирователя через генератор тестовых последовательностей подключен к входам аналоговых ключей, выходами подключенных к приемным катушкам и входам амплитудно-фазового регулятора, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, выходы которого подключены к дешифрирующему блоку и триггеру, выход которого соединен через первый накопительный конденсатор к аноду первого и катоду второго диодов, причем анод второго диода соединен с вторым накопительным конденсатором и контрольным реле, которое с второй обкладкой второго накопительного конденсатора и катодом первого диода подсоединены к шине нулевого потенциала источника питающего напряжения, при этом вторая приемная катушка включена с первой встречно и установлена вдоль рельса, индуктор охвачен магнитопроводом передающей катушки и расположен под приемными катушками, причем продольно-вертикальная плоскость симметрии индуктора параллельна продольно-вертикальной плоскости симметрии рельса и перпендикулярна горизонтальной плоскости расположения приемных катушек, при этом продольно-вертикальная поскость симметрии первой катушки совпадает с продольно-вертикальной плоскостью симметрии индуктора, а продольно-вертикальная плоскость симметрии второй катушки сдвинута относительно указанной плоскости симметрии первой катушки в сторону рельса, причем индуктор выполнен в виде прямоугольной горизонтально ориентированной рамки с прямоугольным вертикально ориентированным сечением сторон. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что линейные внешние размеры рамки индуктора по ширине составляют (0,4 0,6)а, по длине больше расстояния между внешними гранями приемных катушек на величину (2,0 2,2)а, по высоте (0,35 0,42)а, где а ширина приемных катушек, и прямоугольного сечения сторон рамки с соотношением размеров ширины к высоте, равным 1 (9 11). 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что каждая приемная катушка выполнена в виде прямоугольной рамки с линейными внешними размерами: высота (0,12 - 0,14)а при отношении размеров ширины к длине 1 (2,4 2,5) и прямоугольным сечением сторон рамки с соотношением размеров ширины к высоте, равным 1 (2 - 3). 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что продольно-вертикальная плоскость симметрии второй приемной катушки сдвинута относительно той же плоскости первой приемной катушки на величину (0,08 0,10)а.