Способ измерения износа провода контактной сети и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК B60M1/12 

Изобретение относится к электроснабжению железных дорог и предназначено для бесконтактного измерения износа проводов контактной сети в процессе движения независимо от времени суток, погодных условий, скорости движения и количества проводов в подвеске. Оно может быть использовано также и во всех других случаях, когда требуется контролировать или измерять геометрические параметры поверхности протяженных деталей при условии, что поверхность этих деталей является проводящей.

Известен ряд способов измерения износа проводов контактной сети или размеров деталей, основанных на измерении параметров электрического или магнитного полей, создаваемых контролируемыми проводами или деталями. Так. например, реализуется способ измерения переменного магнитного поля, создаваемого вихревыми токами, наводимыми специально созданным высокочастотным электромагнитным полем в нижней изношенной части провода. Недостатком этого способа является принципиальная невозможность определения износа при двух и более проводах над измерительным пантографом, при полной неопределенности их положения. Это вызвано тем, что высокочастотное поле, возбуждающее вихревые токи, и измеряемое поле, создаваемое этими токами, должны инициироваться и приниматься одной и той же протяженной катушкой (с отдельными обмотками для этих целей). Если в поле такой катушки попадают несколько проводов, то

-vi VJ О СЛ 00

невозможно ни разделить их вклад в суммарное поле, ни определить их количество, В качестве прототипа предлагаемого способа может быть рассмотрено изобретение по авт. св. № 152066, в котором измерение размеров проводящей детали основано на принципе электростатической индукции, т.е. измеряются параметры наводимого электрического поля (а не магнитного). В этом способе используется один контрольный электрод, вблизи которого движутся (за счет движения контролируемой детали) периодически повторяющиеся элементы этой детали (Фрезы, шестеренки и т.д.), размеры которых должны контролироваться; при этом между проводящей деталью и контрольным электродом приложена разность потенциалов. При прохождении каждого элемента детали вблизи электрода на последнем индуцируется электрический заряд, величина которого зависит от конфигурации элемента и его расстояния от электрода, т.е. от размеров элемента. Измеряя переменное напряжение на электроде, можно по величине каждого максимума и по форме напряжения судить о размерах каждого элемента контролируемой детали. Недостатком этого способа, не позволяющим применить его для измерения износа проводов контактной сети, является наличие одного электрода, и, соответственно, измерение интегрального индуцированого заряда. При измерении износа проводов этот признак - интегральный индуцированный заряд - не несет в себе полезной информации, т.к. величина заряда зависит от разности потенциалов и расстояния между проводом и контрольным электродом и практически не зависит от степени износа провода.

В качестве прототипа предложенного устройства может быть взято изобретение по авт. св. Ms 1147611, в котором также износ провода контролируется через парамат- ры его электрического поля, но при этом достигается независимость измерений от числа проводов и их расположения над измерительным пантографом (измерительной лыжей). В этом устройстве вдоль всей измерительной лыжи, поперек провода, расположены изолированные друг от друга контактные пластины, к каждой из которых подключено по дополнительному электроду. Между рядами электродов, подключенных к пластинам и независимых от пластин, соединенных параллельно и подключенных к одному потенциалу, расположена диаграммная бумага.. Если некоторые пластины касаются изношенной части провода, то на них появляется соответствующее напряжение, регистрируемое диаграммной бумагой. По ширине зафиксированной на бумаге полоски можно судить о ширине площадки износа. Недостатком этого устройства,

снижающим его точность и эффективность, является необходимость надежного контакта между измерительной лыжей и площадкой износа. В процессе движения такой контакт очень трудно обеспечить и, кроме

0 того, поверхность площадки износа, как показали исследования, не является плоской- в первом приближении она представляет собой поверхность цилиндра большого радиуса (с углом дуги, примерно, 2-3°). При

5 этих условиях точность измерения износа не может быть достаточно высокой, а сами измерения сопровождаются слишком высоким уровнем шумов и помех, чтобы обеспечить достоверность при однократном

0 измерении.

Цель изобретения - повышение точности измерений износа провода контактной сети при одновременном достижении независимости этих измерений от количества

5 проводов контактной сети, скорости движения при измерении и других эксплуатационных факторов.

Поставленная цель достигается тем, что вдоль проводящей поверхности, располо0 женной поперек провода и удаленной от него на фиксированное расстояние, измеряют распределение поверхностной плотности индуцированного заряда, по полученным значениям плотности находят

5 распределение нормальной составляющей электрического поля и сравнивают его с эталонным распределением, а по результатам сравнения определяют степень износа провода. Для достижения поставленной цели в

0 устройство, реализующее предложенный способ и содержащее измерительный пантограф с проводящей поверхностью, выполненной в виде расположенной поперек провода гребенки с изолированными друг

5 от друга лепестками, введены повторители, число которых соответствует количеству лепестков гребенки, и коммутатор с АЦП, причем гребенка удалена от провода на фиксированное расстояние, определяемое

0 требуемой точностью измерений, а лепестки через повторители подключены к соответствующим входам коммутатора, выход которого соединен через аналого-цифровой преобразователь с процессорным вычисли5 тел ем.

На фиг.1 (а и б) показана зависимость распределения поверхностной плотности заряда о от степени износа провода; на фиг. 2 (а-в) приведены связи между элементами устройства и показана возможная схема повторителя; на фиг.З приведена эквивалентная схема измерительного тракта и вычисленнаяпоэтойсхемеамплитудно-частотная характеристика всего тракта.

Приведенные на фиг.1 кривые распределения поверхностной плотности заряда а могут быть вычислены из уравнения Лапласа для электрического поля между двумя проводящими поверхностями - плоской поверхностью измерительного пантографа и контролируемой поверхностью провода контактной сети. При этом следует учитывать, что проводящие поверхности являются эквипотенциальными, т.е. вектор напряженности электрического поля Е всюду нормален к этим поверхностям, а нормальная составляющая электрической индукции, т.е. величины Ј Е численно равна поверхностной плотности заряда в каждой точке проводящей поверхности. Учитывая сложность и возможную неточность аналитического описания поверхности провода при наличии износа, фактически лучше использовать не результаты расчетов по уравнению Лапласа, а результаты прямых экспериментальных измерений соответствующих кривых о(у) в зависимости от степени износа на образцах реального провода. Такие кривые могут носить характер эталонов, и их можно заносить в память компьютера. Как видно из фиг.1, вид кривой распределения о(у) существенно зависит от формы сечения провода в его нижней части, т.е. от степени его износа.

На фиг. 2 показаны все элементы и связи устройства, которое может быть использовано как для получения эталонных кривых о(у) так и для непосредственного контроля проводов в процессе их эксплуатации. На фиг. 2а показаны лепестки гребенки, расположенной перпендикулярно проводу на некотором расстоянии от него. Здесь же штриховыми линиями условно подключены взаимные емкости (Ci) между каждым лепестком гребенки и проводом. Значения этих емкостей используются для расчетов требуемых коэффициентов передачи и постоянных времени в измерительном тракте.

На фиг, 26 показана возможная схема повторителя. Здесь обозначены:

VT - полевой транзистор с изолированным затвором, например, 2П305 Б;

RBX-,CBX. - сопротивление и емкость на входе повторителя;

Ri, R2 - разделенная нагрузка повторителя;

Виз - сопротивление изоляции между i-м лепестком и проводом;

Ci - взаимная емкость между I-м лепестком и проводом контактной сети.

С помощью фиг.26 иллюстрируется работа одного канала, например, 1-го, всего

устройства. Этот канал начинает работать, когда подвешенный зигзагом провод при движении пантографа достаточно приближается к 1-му лепестку. При этом значение взаимной емкости О увеличивается, и. соответственно, увеличивается заряд на обкладках конденсатора Ci по формуле:

qi Ci Unp.,

где Unp. напряжение контактного провода. На нижней обкладке конденсатора Ci.

роль которой выполняет лепесток гребенки, заряд имеет знак, противоположный знаку заряда (и напряжения) провода: если напряжение на проводе было положительным, то на лепестке гребенки индуцируется отрицательный заряд, как показано на фиг.2б. Однако цепь, соединяющая лепесток с затвором транзистора VT и с обкладкой конденсатора Свх., была и остается электрически нейтральной, т.е. на обкладке

конденсатора Свх., соединенной с затвором, возникает точно такой же заряд qi но противоположного знака. Вследствие этого на конденсаторе Свх. возникает напряжение:

-9L Jd

CDX. Свх.

U

пр ,

(D

которое передается на выход повторителя с коэффициентом, близким к 1. Выражение (1) является тем более точным, чем меньше Ci по сравнению с Свх., более точное выражение получается с помощью эквивалентной схемы.

На фиг. 2в показана структурная схема всего многоканального устройства, позволяющего измерять распределение поверхностной плотности заряда; на ней обозначены:

1-лепестки гребенки, несущие индуцированные заряды qi,

2- повторители, преобразующие заря- ды лепестков в выходные напряжения Ui;

3- многоканальный коммутатор с числом каналов, равным числу лепестков гребенки;

4- аналого-цифровой преобразователь.

Так как площади S всех лепестков гребенки равны, то, соответственно, все индуцированные заряды qi пропорциональны поверхностной плотности заряда crqi oi -S и при измерении распределения Ui вдоль гребенки в схеме на фиг.2в фактически измеряется распределение поверхностной плотности заряда, т.е. нормальной составляющей вектора индукции электрического поля, однозначно связанного с формой изношенной части провода.

Принципиальной особенностью данного изобретения является частотная зависимость коэффициента передачи всего тракта измерения из-за наличия RC-элементов. Расчет такой частотной зависимости может быть проведен с помощью эквивалентной схемы, представленной на фиг. За. Здесь обозначены:

Риз.к Ci - соответственно сопротивление изоляции и взаимная емкость между -м лепестком и проводом;

Свх. суммарная входная емкость повторителя;

RSKB. полное входное сопротивление повторителя.

Передаточная функция такой цепи имеет вид:

W(p),

Rue 1 + Р О RHJ I

n ff If R«3 I

l+PtO +

где р - оператор Лапласа,

Соответствующая амплитудно-частотная характеристика / W (j (о) / показана на рис.36.

Эта характеристика имеет две особые точки (точка перегиба), определяемые постоянными времени:

TI о -RMS.I

и

т„ - г .i. г . зкв. из.1 12 (С + СВХ ) Rao. + RHS..

1

При низких частотах а) -г- коэффициент передачи не. зависит от частоты и равен RSKB.

Ki

RSKB. Н Rtfa.i

1

При высоких частотах (О -р коэффициент передачи также не зависит от частоты и равен:

Ci G

К2

(приС|«Свх). -вх

М + Свх

Информация об износе провода, таким образом, содержится в областях частот а) у- так как значения сопротивления

изоляции и соответственно коэффициента KI не связаны с износом, а полностью зависят от других факторов (конструктивных, погодных и т.д.). Реальные значения Та в соответствие со схемой, приведенной на фиг.26, могут быть оценены из значений Свх.гЛОО пф, Рэкв.500 ГОм, достижимых практически при хорошем исполнении входных цепей транзистора 2П305 Б. При этих значениях Свх. и РЭкв. значение Та получается равным

2лг-Т2 314с

Та &150 с, а период соответствующей частоты

2 я 1 ш

Это означает, что предложенный способ измерения износа будет работать (и не будет зависеть от скорости движения) в том случае, если один зигзаг подвески будет проходиться за время, не большее 314 с. 0 Учитывая, что период зигзага обычно составляет 50-70 м и во всяком случае не превышает 100 м, это соответствует скорости движения не менее, во всяком случае, 0,3 м/с, или около 1 км/час. Это ограничение 5 является допустимым в абсолютном большинстве случаев.

Со стороны больших скоростей предложенный способ принципиальных ограничений не имеет. 0

Формула изобретения

1.Способ измерения износа провода контактной сети, основанный на измерении параметров его электрического поля, от л и5 чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, вдоль проводящей поверхности, расположенной поперек провода и удаленной от него на фиксированное расстояние, измеряют поверхностную плот0 ность заряда, по полученным значениям плотности находят распределение нормальной составляющей напряженности электрического поля, сравнивают его с эталонным распределением и по результатам сравне5 ния оценивают степень износа провода.

2.Устройство для измерения износа провода контактной сети, содержащее измерительный пантограф с поверхностью, выполненной в виде расположенной попе0 рек провода гребенки с изолированными друг от друга чувствительными лепестками, и узел регистрации, отличающееся тем, что в него введены повторители, число которых соответствует количеству чувстви5 тельных лепестков и коммутатор, причем чувствительные лепестки удалены от провода на фиксированное расстояние, определяемое требуемой точностью измерения, и через повторители подключены к соответст0 вующим входам коммутатора, выход которого соединен с входом узла регистрации.

3.Устройство по п.2, отличзющее- с я тем, что узел регистрации выполнен в виде последовательно включенных аналого5 цифрового преобразователя и процессорного вычислителя отклонения текущего распределения нормальной составляющей напряженности электрического поля от эталонного распределения.

6 ГТК

Использование: электроснабжение железных дорог, системы контроля износа проводов контактной сети в процессе движения. Сущность изобретения: предусматриваются измерение распределения нормальной составляющей напряженности электрического поля, создаваемого проводами контактной сети, вдоль проводящей поверхности измерительного пантографа, удаленной от проводов на фиксированное расстояние, и оценка степени износа по этому распределению. При этом о величине напряженности поля судят по значению поверхностной плотности заряда вдоль поверхности пантографа. Для осуществления способа в устройстве верхняя проводящая поверхность пантографа выполнена в виде гребенки с изолированными друг от друга лепестками. Каждый лепесток через истоко- вый повторитель и коммутатор подключен к входу АЦП, выход которого соединен с компьютером. Шаг гребенки и ее расстояние от проводов выбираются с учетом требуемой точности измерения износа. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. сл С

ч

А/с. /

;

f-f-f-f-t-t-t-rr

/го&т о/эи/тгелям

9

«

,0

v.

4

/Ч.

У/ т ei

т г

Ц

ип

#

гт: Ч

ff num.

г/.

К

-. 9л

т 2 %

%,-,

к ЭВМ

Рис.2

фс/8.3