Устройство для измерения износа проводов контактной сети Советский патент 1992 года по МПК B60M1/12 

Изобретение относится к электрооборудованию железных дорог и предназначено для измерения износа проводов контактной сети независимо от их количества, способа подвески и скорости движения измерительного устройства (вагона-лаборатории).

Среди многих известных устройств, предназначенных для этих целей, своей перспективностью выделяются лазерные устройства, так как высокая когерентность и яркость источника подвески создают возможность эффективной фильтрации полезного сигнала, отраженного от проводов, и выделения этого сигнала на фоне шумов даже в условиях яркого солнечного освещения. Эта особенность наряду с другими достоинствами оптических методов измерения износа (бесконтактность, быстродействие, независимость от смещения проводов и т.д.) делают лазерные устройства привлекательными для разработчиков высокоразвитых стран.

8 качестве прототипа предложенного изобретения может быть рассмотрено устройство, созданное ЯНЖД (японскими национальными железными дорогами) и Токийским университетом и описанное в специальной литературе (см. например, обзор Железнодорожный транспорт в СССР и за рубежом, вып. 10, М., 1979, стр. 152- 153). Упрощенная оптическая схема этого устройства показана на фиг. 1, а, где обозначены: 1, 2 и 3 - провода контактной сети (в среднем и крайних положениях); 4 - лаX О О 4 hO

|V|

зер; 5 - приемник отраженного сигнала; 6 - вращающийся барабан с зеркальными гранями; 7 - полупрозрачное зеркало.

При работе устройства вращающийся барабан 6 вызывает сканирование лазерно- го луча, который, проходя через полупрозрачное зеркало 7, последовательно освещает нижние поверхности проводов (площадки износа). Отраженный от проводов сигнал еще раз отражается от зеркала 7 и попадает на фотоприемник 5, откуда по- CTynaef в систему обработки сигнала. По ширине отраженного импульсного сигнала судят о ширине площадки износа, причем данная система может уверенно работать в любое время суток.

Однако, как показали лабораторные исследования и анализ, прототип обладает существенными недостатками, а именно: невысокой точностью измерений, связан- ной с трудноучитываемыми,отражательными свойствами площадок износа и реальным расположением проводов контактной сети в пространстве. Дело в том, что отражающая поверхность площадок износа (и их краев) обладает весьма значительной зеркальной составляющей и почти на два порядка меньшей - диффузной. Это свойство площадок трения (износа) приводит к тому, что нормальный, пригодный дня обработки и несущий полезную информацию сигнал появляется только в том случае, когда луч лазера падает на площадку под углом, близким к нормальному (положение 2 на фиг.1, а). Когда провод находится в одном из крайних положений (1 или 3 на фиг.1, а), то зеркальная составляющая (З.С.) отраженного сигнала не попадает в приемник. В результате форма принятого сигнала значительно искажается. На фиг.1, б пока- зана для сравнения форма нормального .сигнала, соответствующая положению провода 2, а на фиг.1, в - форма сигнала при крайних положениях провода 1 и 3 (реальная величина угла «max составляет около 8°). Как видно из фиг.1, в, отраженный сигнал уже не дает возможности выделить информацию о положении второго (дальнего) края площадки износа - сформировать фронт импульса из такого сигнала не представляется возможным, так как пологий спад импульса тонет в шумах.

Кроме того, ситуация еще усугубляется и тем, что контактный провод не обязатель- но подвешен строго горизонтально - он может обладать продольным уклоном /Здо 1- 1,5° (любого знака). В этом случае даже в среднем положении провода 2 отраженный

сигнал, сохраняя свою симметричную форму, резко падает по амплитуде, как показано на фиг.1, г. Как показали проведенные измерения, уменьшение сигнала при углах Дпах 1,5° может составлять величину порядка 50-100 раз, в зависимости от состояния поверхности площадки износа.

Таким образом, оптическая схема прототипа не обеспечивает требуемой точности измерения, так как ее использование приводит к существенной потере информации - как за счет изменения формы сигнала, так и за счет снижения его амплитуды при наличии реальных особенностей подвески проводов. Учет разной высоты подвески проводов, прямо влияющей на точность измерений, в самом прототипе в явном виде не производится - как следует из его описания, для этой цели используются другие до- полнительные системы, включающие датчик высоты подвески, и работающие непосредственно на компьютер, обрабатывающий результаты.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет повышения уровня отраженного сигнала и увеличения крутизны его фронтов, а также учета переменной высоты подвески проводов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем лазерный источник света, барабан с зеркальными гранями и фотоприемное устройство, приемный тракт выполнен из четырех независимых приемников, смещенных попарно в поперечном направлении на величину, вдвое превышающую максимальное смещение провода, а в продольном направлении - попарно разнесенных на расстояние 2I0 2RCp- tg 2/3max, где RCp - средняя высота провода; Дпах - максимальный угол продольного уклона провода, причем поля зрения и углы наклона оптических осей всех четырех приемников выбираются такими, чтобы они обеспечивали перекрытие зоны возможного расположения проводов, а выходы приемников подключены к сумматору, Кроме того, для учета переменной высоты провода в устройство дополнительно введен пантограф, на котором закреплен - на одном уровне с проводами вне зоны их расположения - диффузно отражающий эталон износа, а также блок деления.

Предложенное устройство поясняется фиг.2 и 3, причем на фиг.2 дано изображение в поперечной плоскости, а на фиг.З - в

продольной плоскости по отношению к оси пути. Устройство для измерения износа проводов контактной сети содержит лазер 4, приемники излучения 5-1 ...5-4, барабан б с зеркальными гранями, сумматор, эталон 8 износа (узел формирования эталонного импульса) и блок 9 деления.

Кроме того, на фиг.2 обозначены: 1, 2, 3 - контактный провод в среднем (2) и в двух крайних (1 и 3) положениях;

АВСД - зона возможного расположения проводов,

Устройство по фиг.2 и 3 работает следующим образом.

Луч света от лазера 4, падая на грань барабана б и отражаясь от нее, при вращении барабана пробегает (сканирует) всю область возможного нахождения проводов. Попадая на провода и отражаясь от них (зеркально и диффузно), свет на обратном пути попадает в один или несколько фотоприемников 5-1 ...5-4, с выхода которых сигналы поступают на сумматор 7. Выходной сигнал сумматора обрабатывается затем в блоке 9 деления одним из многих возможных способов, которые в данном случае не рассматриваются.

Как видно из фиг.2, в крайних положениях провода 1 и 3 (при любой высоте подвески, т.е. на границах АД и ВС зоны нахождения проводов) в поле зрения приемных трактов попадает всегда зеркальная компонента отраженного сигнала, что обеспечивается равенством Lo 2d. Следовательно, в отличие от прототипа для крайних положений провода в этом глучае получают такой сигнал, как показано на фиг.1, б, причем максимальной амплитуды. Для среднего положения провода 2 приемные тракты, напротив, работают по диффузионной компоненте (зеркальная отражается на барабан), но в этом случае сигналы, показанные на фиг,1, в, суммируются- на выходе сумматора 7 получают сумму двух кривых, показанных на фиг.1, в, т.е. сигнал с четко выраженными фронтами.

Аналогичным образом используется разнесение пар приемников и в продольной плоскости, показанное на фиг.З - при максимальных углах наклона /Зтах в приемные тракты попадает зеркальная компонента отраженного сигнала, что обеспечивается выполнением условия 10 Rcp tg 2 /Згпах. При горизонтальном положении провода в приемники попадает диффузная компонента, но сигналы суммируются - показанная на фиг.1, г, индикатриса расширяется, и требуемый диапазон ±/3max обеспечивается при

снижении уровня сигнала в 1,5-2 раза (а не в 50-100 раз, как в прототипе).

Таким образом, наличие в предложенном устройстве четырех приемных трактов

с описанным взаимным расположением каналов позволяет, в отличие от прототипа, всегда иметь на выходе сигнал нужной формы и максимальной амплитуды, т.е. существенно повысить точность измерений

износа.

Кроме того, чтобы учесть изменение высоты подвеса проводов и сделать измерения независящими от высоты, в предложенном устройстве предусмотрена

дополнительная мера - вне зоны нахождения проводов АВСД (фиг,2) на одном уровне с проводами (на вспомогательном легком пантографе) установлен диффузно отражающий эталон 8 износа - пластина известной

ширины. В начале каждого цикла измерений (500-1000 раз в 1 с) луч лазера освещает эту пластину, и на выходе сумматора, перед измерительными импульсами или после них, появляется калибровочный импульс, длительность которого соответствует точно известной ширине площадки износа. Вычисляя в блоке 9 отношение допелни- те ьности измерительных мпульсов к длительности катибровочного, мы каждый раз

получаем истинное значение ширины площадки износа независимо от высоты подвеса проводов.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения износа

проводов контактной сети, содержащее барабан с зеркальными гранями, установленный с возможностью восприятия излучения от лазера и передачи его на контактный провод, фотоприемный тракт, выполненный в виде фотоприег ника, установленного с возможностью восприятия излучения, отраженного от контактного провода, отличающееся тем, что, с целью повышения

точности измерения за счет повышения уровня отраженного сигнала и увеличения крутизны его фронтов, в него введены узел формирования эталонного импульса и блок деления, а фотоприемный тракт дополней тремя фотоприемниками, причем выходы фотоприемников подключены к входам сумматора, выходы сумматора и узла формирования эталонного импульса соединены с входом блока деления,

фотоприемники попарно разнесены в поперечном направлении от среднего положения на расстояние L0 2d а в продольном направлении на расстояние 210 2RCp-tg 2/3, где d - максимальное уда- ление провода от оси пути, Rcp - средняя

высота подвески провода, /3 - максималь- ния высоты подвеса проводов, узел форми- ный угол продольного уклона провода,рования эталонного импульса выполнен в

виде диффузно отражающего эталона с из2. Устройство поп. 1,отл и ч а ю щееся вестной степенью износа и закреплен на тем, что, с целью повышения точности измере- 5 пантографе вне зоны нахождения проводов ния степени износа за счет исключения влия- на одном уровне с ними.

Использование: электрооборудование железных дорог. Сущность изобретения: за счет улучшения формы и повышения уровня отраженного от площадки износа лазерного сигнала осуществлено более качественное использование зеркально отраженной компоненты сигнала. Для этого приемный тракт выполнен в виде четырех независимых фотоприемников, выходы которых подключены к сумматору, причем фотоприемники разнесены от центра попарно в поперечном направлении на расстояние L0 2d, где d - максимальное удаление провода от среднего положения, а в продельном направлении - на расстояние 0 Rep x х tg 2/3max, где RCp - средняя высота подвеса провода; /Зтах - максимальный угол продольного уклона. Поля зрения всех четырех фотоприемников перекрывают зону возможного расположения проводов контактной сети. Кроме гого, для повышения точности измерений за счет исключения влияния высоты подвеса провода устройство дополнительно снабжено пантографом, на котором на одном уровне с проводами вне зоны их нахождения закреплен диффуз- но отражающий эталсн износа 1 з.п. ф-лы, 3 ил. СО С

1

а

/ А

з.с.

//.,

г

Q

/

°с

3 С

s Л;;:. :;

1-1 - ,и

J

J /

(Р . /

lil

2

z-s

/-Ј-.

-U-J

//

LZLQ9LI

I

i /,

ог lJMl /

lt |

7/ /7

// /;

0

Hip

,.-, .J.,..™

л