Устройство контроля свободности пути и состояния рельсовой линии (уксп)
Устройство контроля свободности пути и состояния рельсовой линии (УКСП) относится к железнодорожной автоматике и телемеханике, а именно, к устройствам контроля свободности (заполнения) пути и состояния (исправности) рельсовой линии, в частности, используемой для контроля свободного участка пути подгорочного парка. УКСП содержит генератор сигналов произвольной формы, один выход которого соединен с одной рельсовой нитью рельсовой линии, а второй выход через балластный резистор соединен со второй рельсовой нитью на том же конце рельсовой линии. Измерительное устройство подключено входами к двум полюсам балластного резистора. Управляющий микропроцессор формирует данные для генератора и принимает для обработки данные от измерительного устройства. К противоположному концу рельсовой линии подключен дроссель. Генератор сигналов произвольной формы снабжен цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) и усилителем мощности, дающими возможность формировать для зондирования рельсовой линии сигналы произвольной формы, в том числе и гармонические сигналы. Измерительное устройство снабжено двумя аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), позволяющими проводить анализ фазовых характеристик рельсовой линии. Достигается повышение точности и стабильности оценки свободности пути, возможность измерения мгновенной скорости отцепа, увеличение допустимой длины рельсовой линии, сокращение затрат на кабельную сеть. Расширяются функциональные возможности. 1 п.ф-лы, 3 ИЛ.
Полезная модель относится к железнодорожной автоматике и телемеханике, а именно, к устройствам контроля свободности (заполнения) пути и состояния (исправности) рельсовой линии, в частности используемой для контроля свободного участка пути подгорочного парка.
Известно «Устройство для контроля заполнения пути сортировочного парка», которое относится к устройствам железнодорожной автоматики и может использоваться, в частности, для автоматизированных систем управления технологическим процессом регулирования скорости скатывания отцепов. Устройство содержит рельсовую линию, замкнутую перемычкой в конце контролируемого пути, передатчик зондирующих импульсов, подключенный через переключатель передача - прием к началу рельсовой цепи. Блок вычисления координаты подключен к выходу приемника отраженных импульсов. Устройство снабжено переключателем длительности зондирующих импульсов, вход которого подключен к выходу блока вычисления координаты, а выход - к выходу передатчика зондирующих импульсов (авторское свидетельство СССР на изобретение 
1470598, B61L 23/16, приоритет 26.06.1987, опубликовано 07.04.1989, Бюл. 13).
Недостатком данного устройства является сложность технической реализации, т.к. необходимы быстродействующие электронные компоненты большой мощности для формирования зондирующего импульса длительностью от 100 нс до 1 мкс при мощности 100 Вт и необходим точный измеритель малых интервалов времени от 100 нс до 2 мкс. Кроме того, из-за очень маленькой погонной емкости между рельсовыми линиями и значительной погонной индуктивности велико волновое сопротивление и затухание, с учетом малого сопротивления балласта амплитуда отраженного импульса очень мала. Поскольку рельсовая линия не согласована, на фронте и спаде зондирующего импульса возникают паразитные колебания, длительность которых может значительно превышать длительность зондирующего импульса. Таким образом распознать отраженный импульс очень сложно, что кроме технической сложности метода определяет и его низкую точность.
Известно также «Устройство для контроля заполнения пути», которое относится к железнодорожной автоматике, в частности к контролю заполнения подгорочного пути. Устройство содержит один источник питания, связанный одним полюсом с одним рельсом на одном конце участка пути, а другим полюсом - с обоими рельсами на другом конце участка пути, и регистратор, второй источник питания, полосовые фильтры, аналого-цифровые преобразователи и блок памяти, выходами связанный с регистратором, одними входами - с выходами первого аналого-цифрового преобразователя, а другими входами - с выходами второго аналого-цифрового преобразователя, входы которого подключены через ограничитель тока к выходам второго источника питания, соединенного с входами первого полосового фильтра, выходы которого подключены к входам второго полосового фильтра, выходами соединенного с входами второго аналого-цифрового преобразователя и с рельсами на первом конце участка пути, входы третьего полосового фильтра подключены к первому источнику питания, один выход - к первому рельсу на одном конце участка пути, а другой выход - к обоим рельсам на другом конце участка пути. (RU, патент 2022855, B61L 17/02, приоритет 12.03.1991, опубликовано 15.11.1994).
Недостатком данного устройства является необходимость прокладки провода, длина которого равна длине контролируемого участка. Сечение провода должно быть достаточно велико, так, чтобы сопротивление провода не превышало сопротивления, рельса контролируемого участка на частоте первого источника питания (50 Гц). Например при длине участка 500 м сопротивление провода не должно превышать 0,4 Ом и соответственно сечение медного провода должно быть не менее 21 мм2. Кроме того данное устройство требует периодической корректировки прошивки блока памяти по крайне мере при сезонных колебаниях температуры (зима - лето), т.к. сопротивление балласта колеблется от единиц Ом×км летом до десятков и сотен зимой и сопротивление провода также значительно меняется при переходе от отрицательных к положительным температурам, что делает данное устройство неудобным в эксплуатации.
Известно также изобретение «Способ контроля состояния рельсовой линии и рельсовая цепь повышенной длины», относящаяся к железнодорожной автоматике, в частности, к контролю за движением поездов, свободностью и исправностью рельсовой линии. Рельсовая цепь повышенной длины содержит генератор сигнала, один полюс которого соединен с первой рельсовой нитью на одном конце рельсовой линии, измерительное устройство, выполненное в виде аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу устройства обработки информации и управления, нагрузочный элемент, подключенный к другому концу рельсовой линии, при этом генератор сигнала выполнен в виде генератора импульсов с входом управления, другой полюс его связан с второй рельсовой нитью на первом упомянутом конце рельсовой линии через измерительное устройство, включающее в себя резистор, включенный параллельно аналого-цифровому преобразователю, и подключенное выходом к входу управления генератора сигнала (патент РФ 2117596, B61L 23/16, приоритет 12.09.1995 г., опубликовано 20.08.1998 г. Бюл. 23).
Недостатком рельсовой цепи повышенной длины является недостаточная защищенность от помех частотой 50 Гц (сеть электропитания) и 25 Гц (смежные рельсовые цепи). Это связано с расчетом параметров рельсовой цепи по одному зондирующему импульсу (нет усреднения по нескольким импульсам, нет импульсов с противоположной полярностью и периодом следования кратным периоду помехи для ее исключения). Кроме того, конденсатор, входящий в состав генератора импульсов, должен иметь большую емкость (доли фарады), такую емкость можно получить только с использованием электролитических конденсаторов, обладающих малой температурной и временной стабильностью, что приводит к увеличению погрешности расчета параметров рельсовой цепи, за счет изменения исходного значения емкости. Другим недостатком является необходимость передачи массива данных кривой тока от микро-ЭВМ в ЭВМ, что требует канала связи с большой пропускной способностью при длине до 1-2 км. При большом количестве подгорочных путей это влечет значительные затраты на реализацию канала связи.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой полезной модели является «Устройство для контроля состояния рельсовой линии и заполнения пути» (патент РФ на полезную модель 92643, приоритет 18.11.2009, опубликовано 27.03.2010), содержащее генератор импульсов с входом управления, один полюс которого соединен с первой рельсовой нитью на одном конце рельсовой линии, другой полюс которого соединен со второй рельсовой нитью на этом же конце рельсовой линии через измерительное устройство, включающее в себя резистор, включенный параллельно аналого-цифровому преобразователю, и подключенное выходом к входу устройства обработки информации и управления, выход которого соединен с входом управления генератора импульсов, при этом к другому концу рельсовой линии подключен дроссель, генератор импульсов дополнительно снабжен, связанными между собой коммутатором и стабилизатором напряжения, вход которого соединен с емкостью, выход - с входом коммутатора напряжения, вход управления которого связан с выходом устройства обработки информации и управления, а выход - с рельсовой линией.
Однако данное устройство обладает недостаточной точностью и стабильностью оценки свободности пути, отсутствует возможность измерения мгновенной скорости отцепа, а также оно обладает значительными затратами на кабельную сеть передачи данных.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение безопасности движения путем повышения точности, надежности, стабильности работы и расширения функциональных возможностей устройства.
Технический результат, который может быть получен при работе устройства, заключается в увеличении допустимой длины рельсовой линии, повышении точности и стабильности оценки свободности пути, возможности измерения мгновенной скорости отцепа, а также в сокращении затрат на кабельную сеть.
Технический результат достигается тем, что в устройстве контроля свободности пути и состояния рельсовой линии (УКСП), содержащем генератор, один полюс которого соединен с первой рельсовой нитью на одном конце рельсовой линии, другой полюс которого соединен со второй рельсовой нитью на этом же конце рельсовой линии через балластный резистор, также содержащем управляющий микропроцессор для обработки данных и управления, при этом к другому концу рельсовой линии подключен дроссель, - генератор выполнен в виде генератора сигналов произвольной формы, содержащем, связанные между собой, усилитель мощности и цифро-аналоговый преобразователь, вход которого связан с выходом управляющего процессора, при этом два выхода усилителя мощности являются полюсами генератора. Измерительное устройство снабжено двумя аналого-цифровыми преобразователями, входы которых подключены к двум полюсам балластного резистора, а выходы - к двум входам управляющего процессора, связанного также - с узлом гальванической изоляции.
Таким образом, решение поставленной задачи достигается за счет введения новых элементов, блоков, их взаимосвязи и взаимного расположения.
Недостатки рассмотренных изобретений устраняются в предлагаемом устройстве контроля свободности пути и состояния рельсовой линии. Устройство соединяется с рельсовой линией проводами минимальной длины. Для зондирования рельсовой линии применяется сигнал, являющийся суммой нескольких гармонических колебаний (гармоник) с длительностью, - кратной периоду минимальной гармоники, что и обеспечивает преимущество над прототипом, в котором используются импульсные широкополосные сигналы. Использование предлагаемых гармонических сигналов в сравнении с импульсными сигналами дает повышение точности оценки свободности (заполнения) пути, что позволяет оценить мгновенную скорость движения отцепа и увеличить максимальную длину контролируемого пути. Кроме того, использование таких сигналов позволяет снизить мощность, передаваемую в рельсовую линию и увеличить помехозащищенность. Параметры рельсовой линии рассчитываются по разности фаз гармоник на рельсовой линии и балластном резисторе с использованием спектральных преобразований и анализа сигнала в частотной области. Использование указанных методов позволяет, в сравнении с прототипом, исключить влияние нестабильности генератора и питающего напряжения от времени и условий эксплуатации на точность оценки характеристик рельсовой линии. Обработка сигналов ведется на встроенном микропроцессоре, который передает результаты на управляющую ЭВМ по низкоскоростным цифровым линиям связи, что позволяет объединять несколько устройств в локальную сеть для уменьшения требуемого количества линий связи и снижения затрат на кабельную сеть передачи данных.
На фиг.1 показана структура устройства контроля свободности пути и состояния рельсовой линии; на фиг.2 - принцип формирования зондирующего сигнала и сдвига фаз в рельсовой линии; на фиг.3 - графики зависимостей сдвига фаз от длины свободного участка для двух гармоник.
Устройство контроля свободности пути и состояния рельсовой линии в соответствии (УКСП) с фиг.1 содержит
генератор сигналов - 1;
цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - 2;
усилитель мощности - 3;
измерительное устройство - 4;
аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - 5, 6;
балластный резистор R - 7;
управляющий микропроцессор - 8;
узел гальванической изоляции - 9;
рельсовая линия - 10;
дроссель - 11.
Таким образом, устройство контроля свободности пути и состояния рельсовой линии (УКСП), содержит генератор сигналов произвольной формы 1, один выход которого соединен с одной рельсовой нитью рельсовой линии 10, а второй выход - через балластный резистор 7 соединен со второй рельсовой нитью на том же конце рельсовой линии 10, измерительное устройство 4, подключено входами к двум полюсам балластного резистора 7. Управляющий микропроцессор 8 формирует данные для генератора 1 и принимает для обработки данные от измерительного устройства 4. При этом к противоположному концу рельсовой линии 10 подключен дроссель 11. Генератор сигналов произвольной формы 1 снабжен цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) 2 и усилителем мощности 3, дающими возможность формировать для зондирования рельсовой линии сигналы произвольной формы, в том числе и гармонические сигналы. Измерительное устройство 4 снабжено двумя аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) 5,6, позволяющими проводить анализ фазовых характеристик рельсовой линии 10.
Причем генератор сигналов 1, балластный резистор 7, измерительное устройство 4, управляющий микропроцессор 8 установлены на одном конце рельсовой линии 10, а дроссель 6 - на другом ее конце.
Выходы генератора 1 соединены с рельсовыми нитями 10 в непосредственной близости от места установки устройства. Индуктивность дросселя 11 выбирают такую, чтобы обеспечивалось стабильное обнаружение свободности пути.
Работа устройства в соответствии с фиг.1 осуществляется следующим образом.
Микропроцессор 8 формирует цифровые отсчеты зондирующего сигнала, которые поступают на ЦАП 2 генератора 1. С ЦАП 2 аналоговые сигналы поступают на усилитель мощности 3, выходы которого подключены к одной рельсовой нити непосредственно, а к другой - через балластный резистор 7. С балластного резистора 7 сигнал поступает на вход АЦП 5, а с рельсовой цепи - на вход АЦП 6 измерительного устройства 4. Отсчеты цифровых сигналов с АЦП 5, 6 поступают на управляющий микропроцессор 8. Управляющий микропроцессор 8 накапливает сигналы с АЦП 5, 6, проводит их спектральное преобразование и оценку сдвигов фаз гармонических составляющих. По сдвигам фаз проводится оценка расстояния от места установки устройства до ближайшего отцепа на рельсовой линии 10, либо определяется свободность пути.
На фиг.2 проиллюстрирован принцип формирования зондирующего сигнала и сдвига фаз на рельсовой линии 10. Показано использование сигнала с двумя гармониками, но в реальном устройстве их может быть произвольное количество. На микропроцессоре 8 полученные отсчеты сигнала во времени путем спектрального преобразования переводятся в амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики. На основании ФЧХ двух сигналов вычисляются разницы фаз всех используемых гармоник.
На фиг.3 показаны типовые экспериментальные графики разностифаз двух гармоник. По полученным оценкам сдвигов фаз и на основании заранее определенных зависимостей определяется оценка расстояния от места подключения устройства до отцепа (замыкания рельсовой линии 10), либо принимается решение о свободности пути.
Экономическая эффективность устройства достигается благодаря применению высокотехнологичных методов контроля, использованию математических методов и элементной базы. Количественные показатели экономической эффективности определяются в процессе испытаний головного образца. Расчет лимитной цены будет определен на этапе разработки конструкторской документации.
Устройство контроля свободности пути и состояния рельсовой линии (УКСП), содержащее генератор, один полюс которого соединен с первой рельсовой нитью на одном конце рельсовой линии, другой полюс соединен со второй рельсовой нитью на этом же конце рельсовой линии через балластный резистор, а также управляющий микропроцессор для обработки данных и управления, при этом к другому концу рельсовой линии подключен дроссель, отличающееся тем, что генератор выполнен в виде генератора сигналов произвольной формы, содержащего связанные между собой усилитель мощности и цифроаналоговый преобразователь, вход которого связан с выходом управляющего микропроцессора, а два выхода усилителя мощности являются полюсами генератора, измерительное устройство снабжено двумя аналого-цифровыми преобразователями, входы которых подключены к двум полюсам балластного резистора, а выходы - к двум входам управляющего микропроцессора, связанного также с узлом гальванической изоляции.
