ПУТЕВОЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОСИ КОЛЕСА И СЧЕТА ОСЕЙ Российский патент 2003 года по МПК B61L1/16 

Путевой датчик предназначен для использования в области железнодорожной автоматики, в частности для определения положения оси колеса относительно центра датчика и счета осей подвижного состава. Датчик может быть применен на железных дорогах.

Известна магнитоиндукционная бесконтактная педаль типа ПБМ-56, определяющая положение колеса и счета осей подвижного состава (В.П.Бухгольц, Г.А. Красовский, А.Э.Штанке. Путевые датчики контроля подвижного состава на рельсовом транспорте. М.:Транспорт, СССР, 1976 г.). Педаль состоит из основания, обеспечивающего крепление педали к рельсу, на основании размещен магнит размером 60х68х80 мм с посаженной на него катушкой (500 витков, провод ПЭЛШО 0,27 мм). Педаль устанавливается на подошве рельса внутри колеи так, что верхняя плоскость магнита отстоит на 10 мм от нижней грани головки рельса.

Педаль ПБМ-56 взята в качестве аналога заявляемому изобретению.

Приближение ферромагнитной массы колеса к центру магнита педали увеличивает проводимость путей потока магнита. В катушке индуктируется ЭДС, амплитуда которой пропорциональна скорости движения колеса и меняет свою полярность при его удалении от центра магнита.

К недостаткам педали, как датчика для определения положения оси колеса и счета осей, относятся зависимость сигнала от скорости движения поезда, неработоспособность при малых скоростях движения подвижного состава; незащищенность от внешних электромагнитных полей, создаваемых тяговыми токами; невозможность по форме сигнала определить направление движения поезда.

Известно также устройство для счета прохода осей французского производства с электронной педалью Д50 (Министерство путей сообщения СССР, Главное управление сигнализации, связи и вычислительной техники "Система автоматического контроля технического состояния подвижного состава на ходу поезда", ДИСК-БКВ-Ц, Технология обслуживания, стр. 25), взятое в качестве второго аналога.

Устройство включает:
- датчик, электронная педаль Д50 (считывающая головка);
- опора датчика (кронштейн, обеспечивающий крепление датчика к рельсу);
- соединительная коробка (электронная система обработки информации).

Считывающая головка устанавливается на рельсе внутри пути и состоит из пассивных элементов (разомкнутый магнитопровод с обмоткой), реагирующих на проход реборды колеса без использования механического контакта. Датчик во включенном состоянии излучает электромагнитное поле частотой 50 кГц, выходное напряжение датчика уменьшается при прохождении колеса за счет влияния токов Фуко.

Соединительная коробка включает в себя электронный узел, необходимый для отработки сигнала при детектировании прохода колеса. При подаче питания (8,5±0,5)В на вход соединительной коробки на выходе электронной схемы появляется переменное напряжение, близкое к синусоидальному с частотой 50 кГц±3%, накладываемое на напряжение питания. При отсутствии колеса в зоне чувствительности датчика эффективное значение синусоидального сигнала на нагрузке 100 Ом составляет (330±40) мВ. При прохождении колеса в зоне чувствительности датчика эффективное значение сигнала на выходе схемы менее 33 мВ.

К недостаткам датчика счета осей типа Д50 относятся:
- низкая точность определения положения оси колеса по отношению к датчику, что связано с низкой стабильностью моментов возникновения и срыва генерации датчика, которая зависит от внешних факторов, например температуры, влажности и покрытия льдом или снегом, грязью, ржавчиной и иными факторами внешней среды;
- невозможность определения направления перемещения поезда (подвижного состава).

Известный индуктивный датчик считывания и фиксации факта прохода колеса (патент РФ 2059493 от 08.12.1992 г.) принят в качестве третьего аналога. Устройство состоит из чувствительного элемента, прикрепленного к основанию, которое, в свою очередь, прикреплено к рельсу. Чувствительный элемент имеет вид пластины из термопластичного материала с заложенными в него катушками индуктивности, сделанными каждая из размещенного в виде однослойной спирали проводника. Катушки размещены одна за другой в одной плоскости на одном основании, включены согласно для сигнального тока и встречно для внешних электромагнитных полей и формируют рабочую зону чувствительности, которая ограничена их геометрическими размерами. Конструкция датчика позволяет легко заменять чувствительный элемент.

К недостаткам устройства относятся:
- неработоспособность при небольших (малых) скоростях подвижного состава, что связано с зависимостью амплитуды выходного сигнала от скорости движения поезда;
- снижение точности выявления положения оси колеса относительно датчика за счет помех от тяговых токов, так как принцип компенсации при подавлении помех от тяговых токов требует использования идентичных катушек, изготовление которых связано с большими трудностями, кроме того изменение внешних факторов также неодинаково влияет на катушки.

В качестве прототипа взят путевой датчик для счета осей (патент РФ 2096222 от 08.04.1999 г.), содержащий кварцевый генератор, канал счета осей, включающий первый колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, расположенной у рельса, первый детектор, подключенный к инверсным входам первого и второго компараторов, первый делитель напряжения и формирователь счетных импульсов. Второй канал контроля положения путевого датчика относительно шейки рельса содержит второй усилитель, второй колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, установленной у рельса, второй детектор, подключенный к третьему компаратору, и третий делитель напряжения.

Основная решаемая задача - повышение надежности и упрощение устройства.

В прототипе имеются два колебательных контура параллельного типа, входы которых подключены через усилители к выходу одного генератора. Однако для формирования импульса при проходе колеса используется канал только одного колебательного контура, а канал второго колебательного контура является вспомогательным и служит для контроля положения датчика относительно шейки рельса.

Колебательный контур канала счета осей в прототипе состоит из конденсатора и катушки индуктивности, расположенной у рельса. Сигнал с выхода колебательного контура детектируется и с выхода детектора поступает на инверсный вход компаратора, а на прямой вход - с делителя напряжения. На параллельно соединенные делитель напряжения и емкость сигнал поступает с выхода детектора через развязывающий диод, подключенный анодом к выходу детектора.

Канал счета осей в прототипе работает следующим образом. При отсутствии колеса в зоне контроля на выходе колебательного контура присутствует максимальное напряжение и на выходе компаратора имеется отрицательный потенциал. Конденсатор заряжен до напряжения резонанса в колебательном контуре. При проходе колеса над катушкой происходит расстройка колебательного контура, напряжение на инверсном входе компаратора уменьшается и на выходе его появляется положительный сигнал, из которого формируется импульс определенной длительности, сигнализирующий о проходе колеса над центром датчика. При этом происходит медленный разряд конденсатора и, соответственно, уменьшение порога напряжения с делителя напряжения на прямом входе компаратора. После прохода колеса над датчиком напряжение на инверсном входе вновь увеличивается и на выходе компаратора появляется отрицательный потенциал, таким образом, работа прототипа основана на формировании сигнала с выхода детектора при прохождении колеса над датчиком при сравнении сигнала с выхода детектора с сигналом, запомненным на емкости с делителя напряжения до появления колеса.

К недостаткам прототипа следует отнести:
- значительные погрешности при счете осей колес при снижении скорости движения подвижного состава. В этом случае уменьшение заряда емкости приводит к изменению порога компаратора и, как следствие, к снижению точности выявления положения оси колеса относительно датчика;
- значительные погрешности, связанные с остановкой колеса над датчиком. Емкость разряжается до напряжения с выхода детектора на прямом входе компаратора, что приводит при дальнейшем движении состава к пропуску колеса при счете осей;
- зависимость точности и работоспособности датчика от помех, вызванных тяговыми токами;
- невозможность определения направления движения подвижного состава.

При разработке заявляемого изобретения решалась задача создания путевого датчика определения положения оси колеса и счета осей подвижного состава, датчика позиционного типа, позволяющего проводить измерения с высокой точностью независимо от направления движения подвижного состава, его скорости, помех от тяговых токов, проходящих по рельсу, и изменения факторов внешней среды.

Для решения поставленной задачи в известном путевом датчике определения положения оси колеса и счета осей, содержащем корпус с размещенными в нем генератором, каналом счета осей с колебательным контуром с катушкой индуктивности и первым детектором, а также размещенными в корпусе вторым колебательным контуром с катушкой индуктивности, вторым детектором и разветвителем сигнала, в канал для счета осей введены второй колебательный контур с катушкой индуктивности и второй детектор. Катушки индуктивности выполнены намоткой на ферритовые сердечники, соединенные по дифференциальной схеме включения и при установке корпуса на рельс располагаются последовательно по ходу движения подвижного состава. В канале для счета осей также дополнительно размещены первый и второй резисторы, первый и второй фильтры верхних частот, суммирующий усилитель с фильтром нижних частот, генератор датчика выполнен высокочастотным с суммирующим управляющим входом, разветвитель сигнала выполнен в виде детектора положительного сигнала с фильтром нижних частот, второй детектор выполнен в виде детектора отрицательного сигнала с фильтром нижних частот. Выход генератора соединен через разветвитель сигнала с началом катушки индуктивности первого колебательного контура и с концом катушки индуктивности второго колебательного контура, одновременно вторые концы катушек индуктивности первого и второго колебательных контуров соединены с нулевым проводом дифференциальной схемы включения, начало катушки индуктивности первого колебательного контура и конец катушки индуктивности второго колебательного контура соединены соответственно через первый и второй резисторы с суммирующим управляющим входом генератора положительной обратной связью и через фильтры верхних частот со входами первого и второго детекторов с фильтрами нижних частот, выходы первого и второго детекторов с фильтрами нижних частот соединены со входами суммирующего усилителя с фильтром нижних частот, выход которого является выходом путевого датчика.

Дополнительно, в путевом датчике регулируемый разветвитель сигнала выполнен в виде переменного резистора, средний контакт которого соединен с выходом генератора, а крайние контакты подключены к началу катушки индуктивности первого колебательного контура и к концу катушки индуктивности второго колебательного контура.

Корпус путевого датчика выполнен с возможностью поворота датчика вокруг вертикальной оси при установке на рельс.

Поставленная задача решена за счет того, что заявляемая конструкция путевого датчика определения положения оси колеса и счета осей подвижного состава, позволяет в отличие от прототипа:
- определять положение оси колеса по амплитуде и полярности выходного сигнала, то есть определять факт фиксации оси колеса относительно датчика независимо от скорости подвижного состава, что обеспечивается созданием датчика позиционного типа;
- обеспечить достижение высокой точности определения положения оси колеса относительно середины датчика независимо от изменения внешних факторов окружающей среды за счет использования дифференциальной схемы включения катушек индуктивности и, соответственно, получения высокой крутизны изменения выходного сигнала при переходе через ноль (совмещение оси колеса с серединой датчика±(1...2) мм;
- подавление помехи, связанной с прохождением тяговых токов, обеспечивается дифференциальной схемой включения катушек колебательных контуров, при которой помехи, наведенные в обеих катушках, при суммировании взаимно уничтожаются;
- дополнительное подавление помехи от тяговых токов по рельсу обеспечивается фильтрами верхних частот, поскольку высокая рабочая частота датчика (30. . . 40) кГц позволяет отфильтровывать низкочастотную помеху (100 Гц), связанную с прохождением тяговых токов;
- использование в датчике фильтров нижних частот позволяет выделить полезный сигнал и подавить высокочастотные электромагнитные помехи;
- датчик позволяет определять направление движения подвижного состава по полярности 1^й полуволны выходного сигнала.

На фиг.1 представлена блок-схема путевого датчика для определения положения оси колеса и счета осей.

На фиг.2 представлено изменение выходного сигнала датчика при прохождении колеса по направлению от катушки индуктивности первого колебательного контура к катушке индуктивности второго колебательного контура.

Датчик содержит:
1 - сопротивление цепи положительной обратной связи;
2 - сопротивление цепи положительной обратной связи;
3 - высокочастотный генератор с суммирующим управляющим входом;
4 - регулируемый разветвитель сигнала;
5 - колебательный контур параллельного типа, содержащий катушку с ферритовым сердечникам и конденсатор;
6 - колебательный контур параллельного типа, содержащий катушку с ферритовым сердечником и конденсатор;
7 - фильтр верхних частот (ВЧ);
8 - фильтр верхних частот (ВЧ);
9 - амплитудный детектор положительного сигнала с фильтром нижних частот (НЧ);
10 - амплитудный детектор отрицательного сигнала с фильтром нижних частот (НЧ);
11 - суммирующий усилитель с фильтром нижних частот (НЧ). Стандартные элементы блок-схемы описаны в следующей литературе:
Справочник "Радиокомпоненты и материалы" О.Н.Партала; "Радиоаматор", Киев; "КУБК-а", М., 1998 г. и выполнены -
а) суммирующий усилитель - микросхема типа К544УД2А,
б) генератор-микросхема К140УД17А,
в) регулируемый разветвитель сигналов - переменный резистор типа СП5-3,
г) элементная база датчика, прецизионные резисторы и емкости с малым температурным коэффициентов (ТКС, ТКЕ),
д) амплитудные детекторы выполнены на диодах типа КД522Б,
е) фильтры верхних и нижних частот выполнены на резисторах и емкостях.

Заявляемый датчик определения положения оси колеса и счета осей подвижного состава конструктивно выполнен в одном корпусе. При креплении его к рельсу катушки колебательных контуров 5, 6 канала счета осей расположены вдоль рельса одна за другой.

Высокочастотный генератор 3 с суммирующим управляющим входом, на вход которого заведены резисторы 1, 2 положительной обратной связи с обоих колебательных контуров 5, 6 обеспечивает автоматическую настройку на совместный резонанс где f₁ - резонансная частота колебательного контура 5, f₂ - резонансная частота колебательного контура 6, что повышает стабильность и ослабляет влияние разброса параметров элементов колебательных контуров 5, 6.

Амплитудные детекторы положительного и отрицательного сигналов с фильтрами нижних частот обеспечивают выделение полезного сигнала датчика.

Настройка датчика при его установке на рельсе заключается в том, что на его выходе устанавливается нулевой сигнал, что обеспечивается в схеме датчика перед его установкой на рельс путем уравнивания напряжения на колебательных контурах 5, 6 с помощью регулируемого разветвителя 4. Дополнительно регулировку можно осуществлять путем поворота датчика вокруг вертикальной оси при его установке на рельс за счет удаления или приближения катушек к рельсу.

Путевой датчик определения положения оси колеса и счета осей подвижного состава работает следующим образом.

На фиг.2 представлена ситуация изменения амплитуды выходного сигнала датчика при движении подвижного состава по направлению от катушки индуктивности колебательного контура 5 к катушке индуктивности колебательного контура 6. При приближении колеса к катушке контура 5 в него вводятся дополнительные потери, которые приводят к уменьшению добротности контура 5 и уменьшению напряжения на выходе детектора 9 положительной полуволны сигнала и напряжение на входе суммирующего усилителя 11 становится отрицательным, а на выходе датчика, соответственно, положительным. Вторая фаза наступает, когда ось колеса занимает среднее положение над двумя катушками колебательных контуров 5, 6 и колесо вносит практически равные потери в контуры 5, 6, что уравнивает их напряжение, а следовательно, на входе суммирующего усилителя 11 сигнал становится равным нулю и, соответственно, равен нулю также на выходе датчика. При дальнейшем перемещении колеса в направлении катушки колебательного контура 6 большая часть потерь вносится в контур 6 по сравнению с контуром 5, что приводит к уменьшению выходного напряжения на выходе амплитудного детектора отрицательного сигнала 10 отрицательной полуволны сигнала и напряжение на входе суммирующего усилителя 11 становится положительным, а на выходе датчика - отрицательным. При удалении колеса от катушки индуктивности колебательного контура 6 нулевой уровень сигнала на выходе датчика восстанавливается.

Как показано на фиг.2, изменение выходного сигнала на выходе суммирующего усилителя с фильтром нижних частот 11, выходе датчика, при прохождении колеса по направлению от катушки колебательного контура 5 к катушке колебательного контура 6 связано с направлением движения подвижного состава. При изменении направления движения подвижного состава в этом случае первой будет отрицательная полуволна, а второй - положительная. Низкочастотную помеху от тяговых токов устраняют дифференциальной схемой включения катушек колебательных контуров 5, 6. Дополнительное подавление помехи от тяговых токов обеспечивается за счет применения фильтров верхних частот 7, 8.

Применение суммирующего усилителя с фильтром нижних частот 11 обеспечивает подавление высокочастотных электромагнитных помех.

Возможность поворота корпуса датчика вокруг вертикальной оси при его установке на рельс также положительно влияет на результаты измерения.

Одним из основных технических свойств заявляемого датчика является возможность определения направления движения поезда по полярности 1^й полуволны выходного сигнала датчика.

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и предназначено для определения положения осей подвижного состава. Датчик содержит корпус с размещенными в нем генератором, каналом счета осей с колебательными контурами, детекторами положительного и отрицательного сигналов, разветвителем сигнала, резисторы, фильтры верхних частот, суммирующий усилитель с фильтром нижних частот и генератор датчика. Катушки индуктивности обоих колебательных контуров соединены по дифференциальной схеме включения и размещены последовательно с возможностью расположения их в рабочем состоянии вдоль рельса по ходу движения подвижного состава. Разветвитель сигнала выполнен регулируемым. Выход генератора соединен через разветвитель сигнала с началом катушки индуктивности первого колебательного контура и с концом катушки индуктивности второго колебательного контура. Вторые концы катушек индуктивности первого и второго колебательных контуров соединены с нулевым проводом дифференциальной схемы включения, начало катушки индуктивности первого колебательного контура и конец катушки индуктивности второго колебательного контура соединены соответственно через первый и второй резисторы с суммирующим входом генератора положительной обратной связью. Технический результат - возможность проводить измерения с высокой точностью независимо от направления движения подвижного состава, скорости помех от тягового тока и изменения факторов внешней среды. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Путевой датчик для определения положения оси колеса и счета осей, содержащий корпус с размещенными в нем генератором, каналом счета осей с колебательным контуром с катушкой индуктивности и первым детектором, а также размещенные в корпусе второй колебательный контур с катушкой индуктивности, второй детектор и разветвитель сигнала, отличающийся тем, что катушки индуктивности обоих колебательных контуров выполнены намоткой на ферритовые сердечники, соединены по дифференциальной схеме включения и размещены в корпусе датчика последовательно с возможностью расположения их в рабочем состоянии вдоль рельса по ходу движения подвижного состава, в канале для счета осей также дополнительно размещены первый и второй резисторы, первый и второй фильтры верхних частот, суммирующий усилитель с фильтром нижних частот, генератор датчика выполнен высокочастотным с суммирующим управляющим входом, разветвитель сигнала выполнен регулируемым, первый детектор выполнен в виде детектора положительного сигнала с фильтром нижних частот, второй детектор выполнен в виде детектора отрицательного сигнала с фильтром нижних частот, выход генератора соединен через разветвитель сигнала с началом катушки индуктивности первого колебательного контура и с концом катушки индуктивности второго колебательного контура, одновременно вторые концы катушек индуктивности первого и второго колебательных контуров соединены с нулевым проводом дифференциальной схемы включения, начало катушки индуктивности первого колебательного контура и конец катушки индуктивности второго колебательного контура соединены соответственно через первый и второй резисторы с суммирующим управляющим входом генератора положительной обратной связью и через фильтры верхних частот со входами первого и второго детекторов с фильтрами нижних частот, выходы первого и второго детекторов с фильтрами нижних частот соединены со входами суммирующего усилителя с фильтром нижних частот, выход которого является выходом путевого датчика. 2. Путевой датчик по п.1, отличающийся тем, что регулируемый разветвитель сигнала выполнен в виде переменного резистора, средний контакт которого соединен с выходом генератора, а крайние контакты подключены к началу катушки индуктивности первого колебательного контура и к концу катушки индуктивности второго колебательного контура. 3. Путевой датчик по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен с возможностью поворота датчика вокруг вертикальной оси при установке его на рельсе.