УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В РЕЛЬСАХ Российский патент 2008 года по МПК G01R33/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения характеристик магнитных полей, и может быть использовано, в частности, на железнодорожном транспорте для регистрации магнитной индукции в рельсах.

Как известно, намагниченность рельсов, уложенных в путь, приводит к появлению ложных сигналов в приемных катушках локомотивного оборудования автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН) и, как следствие, - к сбоям аппаратуры АЛСН; кроме того, она является причиной замыкания изолирующих стыков за счет притягивания и налипания различных металлических предметов и, в конечном итоге - нарушения работы рельсовых цепей.

Намагниченность рельсов возникает:

- за счет механической нагрузки на рельсы во время движения поезда;

- за счет протекания по рельсам токов;

- при транспортировке рельсов на заводах при помощи электромагнитных захватов.

Поэтому регистрация магнитных полей в железнодорожных рельсах, свидетельствующих об их намагниченности, является важной технической проблемой.

Известно устройство для измерения магнитной индукции на поверхности железнодорожных рельсов, основанное на использовании датчиков Холла [1]. Основной недостаток устройства связан с тем, что измерение магнитной индукции рельсов проводится в статике, при непосредственном контакте датчика с поверхностью рельса, осуществляемом оператором. Как следствие, процесс измерений на протяженном участке рельсового пути занимает очень много времени, что резко снижает возможности устройства по оперативному определению намагниченности рельсов.

Известно устройство для регистрации магнитных полей в железнодорожных рельсах, содержащее подвижное средство, перемещающееся по рельсам, средства измерения магнитной индукции рельсов, выполненные в виде датчиков Холла и размещенные на подвижном средстве, устройство обработки информации и датчики высоты, измеряющие положение датчиков Холла относительно поверхности рельсов. Датчики Холла установлены на металлической балке [2].

Основной недостаток указанного устройства - отсутствие средств, позволяющих локализовать участок рельса, которому соответствует измеренное значение магнитной индукции. Это затрудняет анализ причин, вызвавших намагниченность рельсов, и, как следствие, их последующее устранение.

Известно устройство для регистрации магнитных полей в рельсах, принятое за прототип, содержащее тележку, перемещающуюся по рельсам, и размещенные на ней средства измерения магнитной индукции, выполненные в виде датчиков Холла, электронный блок обработки сигнала и датчик угла поворота, связанный с колесной парой тележки. Датчики Холла могут быть в процессе измерений ориентированы таким образом, чтобы измерять любую составляющую магнитной индукции рельсов - тангенциальную и/или нормальную к поверхности рельса. Выходные сигналы с датчиков Холла и датчика угла поворота (несущие информацию о пройденном тележкой пути) поступают на мультиплексор электронного блока. Датчики Холла установлены на балке из неферромагнитного теплопроводящего материала (алюминия), снабженной датчиком температуры и нагревателем, что позволяет поддерживать температуру балки и, соответственно, температуру датчиков Холла на уровне несколько выше температуры окружающей среды [3].

Указанное устройство-прототип имеет следующие недостатки:

- отсутствуют средства, позволяющие осуществлять оперативный контроль исправности датчиков Холла. Это снижает надежность работы устройства;

- использование нагревателя, контролирующего температуру алюминиевой балки, на которой установлены датчики Холла, усложняет устройство и повышает его энергопотребление.

Кроме того, в указанном устройстве отсутствуют средства, регистрирующие высоту датчиков Холла относительно поверхности рельса и ее изменение в процессе измерений, что снижает точность регистрации магнитной индукции рельсов.

Задача, решаемая изобретением - повышение надежности работы устройства, его упрощение и снижение энергопотребления.

Указанная задача решается тем, что устройство регистрации магнитных полей в рельсах, содержащее измерительные модули с датчиками магнитной индукции, связанные с подвижным средством и размещенные над головками рельсов, блок управления и обработки и датчик угла поворота, связанный с колесной парой подвижного средства и блоком управления и обработки, при этом датчики магнитной индукции расположены на установочном блоке, к которому подсоединен датчик температуры, снабжено датчиками высоты по числу измерительных модулей, выходы которых подсоединены к блоку управления и обработки, а каждый измерительный модуль снабжен устройством преобразования и передачи данных, входы которого соединены с выходами датчиков магнитной индукции и датчика температуры, а выход подключен к блоку управления и обработки, и устройством проверки исправности датчиков магнитной индукции.

Заявляемое устройство содержит два измерительных модуля, причем каждый модуль включает три датчика магнитной индукции, ориентированные ортогонально относительно друг друга.

Устройство преобразования и передачи данных включает мультиплексор, сигнальные входы которого являются входами устройства преобразования и передачи данных; аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого подключен к выходу мультиплексора; микроконтроллер, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, первый выход связан со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, а второй выход подключен к входу управления мультиплексора; интерфейсный узел, первый вход-выход которого подсоединен к входу-выходу микроконтроллера, а второй вход-выход является выходом устройства преобразования и передачи данных.

Устройство проверки исправности датчиков магнитной индукции выполнено в виде катушки индуктивности, подсоединенной к усилителю, связанному своим входом с третьим выходом микроконтроллера.

Установочный блок выполнен из неферромагнитного теплопроводящего материала, а датчики высоты выполнены в виде лазерных триангуляционных измерителей.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показана структурная электрическая блок-схема заявляемого устройства, на фиг.2 приведена структурная схема измерительного модуля.

Устройство регистрации магнитных полей в рельсах располагается на подвижной единице (автомотрисе, вагоне-лаборатории и т.п.) и включает измерительные модули 1 и 2, датчики высоты 3 и 4, датчик угла поворота 5, счетчик пути 6, синхронизатор 7, пульт управления 8, блок управления и обработки 9, дисплей 10 и запоминающее устройство 11, состоящее из энергонезависимой памяти 12 и блока сжатия и распаковывания 13. Каждый измерительный модуль, являющийся трехкоординатным датчиком магнитной индукции, содержит три датчика магнитной индукции 14, 15 и 16, размещенные ортогонально друг относительно друга на установочном блоке 17, выполненном из неферромагнитного теплопроводящего материала (например, алюминия), и измеряющие соответственно продольную, поперечную и вертикальную составляющие магнитной индукции рельсов; датчик температуры 18, измеряющий температуру установочного блока 17 и устройство преобразования и передачи данных 19, включающее мультиплексор 20, к сигнальным входам которого, являющимся входами устройства 19, подключены выходы датчиков 14, 15, 16 и 18; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21, подсоединенный своим первым входом к выходу мультиплексора 20, а выходом - к входу микроконтроллера 22, первый выход которого подключен ко второму входу АЦП 21, второй выход связан с входом управления мультиплексора 20, а вход-выход подключен к первому входу-выходу интерфейсного узла 23, и устройствами проверки исправности датчиков магнитной индукции, включающими усилитель 24, вход которого связан с третьим выходом микроконтроллера 22, и катушку индуктивности 25, подсоединенную к выходу усилителя 24. Выход интерфейсного узла 23 является выходом устройства 19 и связан с блоком управления и обработки 9. Датчики 14, 15 и 16 могут быть выполнены, например, в виде датчиков Холла.

Измерительные модули 1 и 2 установлены в плоскости колес колесной пары подвижного средства над каждым рельсом в подвагонном межосевом пространстве. Измерение высоты измерительных модулей 1 и 2 относительно головок рельсов производится соответственно при помощи размещенных в непосредственной близости от них датчиков высоты 3 и 4, при этом датчик высоты 3 жестко связан с установочным блоком измерительного модуля 1, а датчик высоты 4 - с установочным блоком измерительного модуля 2. Датчики высоты 3 и 4 могут быть выполнены, например, в виде лазерных триангуляционных измерителей. Выход датчика угла поворота 5 связан с осью колесной пары подвижного средства, а выход подсоединен к первым входам счетчика пути 6 и синхронизатора 7, вторые входы которых связаны соответственно с первым и вторым выходами пульта управления 8, третий выход которого подключен к блоку управления и обработки 9, к которому также подсоединены выходы счетчика пути 6 и синхронизатора 7.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Управление работой устройства осуществляется с пульта управления 8. На входы синхронизатора 7 и счетчика пути 6 поступают от датчика угла поворота 5 импульсы пропорционально пройденному подвижным средством пути. На выходе синхронизатора 7 через заданные с пульта управления 8 интервалы пути формируются импульсы синхронизации блока 9, а в счетчике пути 6 ведется подсчет поступивших с датчика 5 импульсов и формируется текущее значение пройденного подвижным средством пути. Начальное значение пути, соответствующее ординате отправной точки (в метрах или километрах) подвижного средства, устанавливается в счетчике пути 6 с пульта управления 8.

Однокоординатные датчики 14, 15, 16 измеряют магнитную индукцию в данной точке рельса. Использование трех, ортогонально ориентированных датчиков позволяет измерять результирующий вектор магнитной индукции, создаваемой намагниченным рельсом. Сигналы с датчиков 14, 15 и 16 поступают на мультиплексор 20. Переключение каналов мультиплексора 20 происходит под управлением микроконтроллера 22. По команде, получаемой с блока 9 через интерфейсный узел 23, микроконтроллер 22 через мультиплексор 20 последовательно подключает к АЦП 21 датчики 14, 15 и 16, включает АЦП 21 на преобразование, считывает полученные данные и передает их в блок 9. В блоке 9 данные измерений обрабатываются и соотносятся с текущим значением пройденного подвижным средством пути, считываемым счетчиком пути 6 отдельно для каждого рельса. Текущие результаты измерений отражаются на дисплее 10.

Использование блока сжатия и распаковывания 13 позволяет увеличить продолжительность записи сигналов с датчиков 14, 15 и 16, что, в свою очередь, позволяет увеличить длительность работы заявляемого устройства за счет более эффективного использования энергонезависимой памяти 12.

Параллельно с измерениями магнитной индукции, проводимыми датчиками 14, 15 и 16, датчики высоты 3 и 4 измеряют высоту положения датчиков 14, 15 и 16 относительно головки рельса. Полученные данные поступают в блок 9, в котором производится компенсация ошибок измерения, связанных с изменением высоты положения датчиков 14, 15 и 16 относительно головки рельса в процессе измерения (например, в связи с колебаниями подвижного средства).

Расположение датчиков 14, 15 и 16 на установочном блоке, выполненном из неферромагнитного теплопроводящего материала и имеющем, например, форму куба или параллелепипеда, позволяет при помощи датчика 18 контролировать температурный режим работы датчиков 14, 15 и 16 и компенсировать - при обработке сигналов с датчиков в блоке 9 - ошибки измерений, связанные с температурными изменениями метрологических характеристик датчиков 14, 15 и 16.

Проверка исправности датчиков 14, 15, 16 производится следующим образом. Усилитель 24 создает в катушке 25 ток, приводящий к появлению «контрольного» магнитного поля, измеряемого датчиками 14, 15 и 16. Форма катушки индуктивности 25 и ее расположение в установочном блоке 17 выбираются с возможностью регистрации магнитного поля, создаваемого протекающим по катушке 25 током, каждым из датчиков 14, 15, 16. Если блок 9 фиксирует наличие «контрольного» магнитного поля в катушке 25, то это говорит об исправности датчиков 14, 15, 16, если наличие «контрольного» магнитного поля блоком 9 не фиксируется, то это говорит о неисправности датчиков 14, 15, 16.

Введение в заявляемое устройство средств проверки исправности датчиков магнитной индукции повышает по сравнению с устройством-прототипом надежность работы заявляемого устройства, а организация связи датчика температуры с блоком управления и обработки позволяет контролировать тепловой режим работы указанных датчиков без использования нагревателя (как в устройстве-прототипе), что делает заявляемое устройство более простым и снижает его энергопотребление. Кроме того, организация связи датчика температуры с блоком управления и обработки, позволяющая исключить нагреватель установочного блока, также повышает надежность работы заявляемого устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. М.Л.Кулиш. Измерение магнитной индукции в рельсовом стыке // Автоматика, связь, информатика. 2005 г., №11, с.15-17.

2. Патент США №6549005, кл. G01N 27/83, 2003 г.

3. Патент США №4814705, кл. G01N 27/83, 1989 г. (прототип).

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения характеристик магнитных полей, и может быть использовано, в частности, на железнодорожном транспорте для регистрации магнитной индукции в рельсах. Устройство регистрации магнитных полей в рельсах располагается на подвижной единице (автомотрисе, вагоне-лаборатории и т.п.) и включает измерительные модули, датчики высоты, датчик угла поворота, счетчик пути, синхронизатор, пульт управления, блок управления и обработки, дисплей и запоминающее устройство, состоящее из энергонезависимой памяти и блока сжатия и распаковывания. Каждый измерительный модуль содержит три датчика магнитной индукции, ориентированные ортогонально относительно друг друга, устройство преобразования и передачи и устройство проверки исправности датчиков. Датчики располагаются на установочном блоке из неферромагнитного теплопроводящего материала, температура которого контролируется датчиком температуры, связанным своим выходом с блоком управления и обработки. Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства, его упрощении и снижении энергопотребления. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство регистрации магнитных полей в рельсах, содержащее измерительные модули с датчиками магнитной индукции, связанные с подвижным средством и размещенные над головками рельсов, блок управления и обработки и датчик угла поворота, связанный с колесной парой подвижного средства и блоком управления и обработки, при этом датчики магнитной индукции расположены на установочном блоке, к которому подсоединен датчик температуры, отличающееся тем, что оно снабжено датчиками высоты по числу измерительных модулей, выходы которых подсоединены к блоку управления и обработки, а каждый измерительный модуль снабжен устройством преобразования и передачи данных, входы которого соединены с выходами датчиков магнитной индукции и датчика температуры, а выход подключен к блоку управления и обработки, и устройством проверки исправности датчиков магнитной индукции.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит два измерительных модуля, каждый из которых включает три датчика магнитной индукции.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что датчики магнитной индукции ориентированы ортогонально относительно друг друга.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство преобразования и передачи данных включает мультиплексор, сигнальные входы которого являются входами устройства преобразования и передачи данных, аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого подключен к выходу мультиплексора, микроконтроллер, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, первый выход связан со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, а второй выход подключен к входу управления мультиплексора, интерфейсный узел, первый вход-выход которого подсоединен к входу-выходу микроконтроллера, а второй вход-выход является выходом схемы.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройство проверки исправности датчиков магнитной индукции выполнено в виде катушки индуктивности, подсоединенной к усилителю, связанному своим входом с третьим выходом микроконтроллера.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что установочный блок выполнен из неферромагнитного теплопроводящего материала.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчики высоты выполнены в виде лазерных триангуляционных измерителей.