Путевой датчик (варианты)

 

Использование: в установках для счета осей железнодорожных подвижных составов. Сущность изобретения: путевой датчик содержит генератор электромагнитных колебаний, приемопередающие антенны, разветвители сигналов, направленные ответвители и фазовые детекторы, выходами, подключенные к резистивной схеме сложения сигналов. В другом варианте исполнения путевой датчик содержит амплитудные детекторы, выходами которых образованы выходы управляющих сигналов. 2 с.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к путевым датчикам, которые используются в устройствах для счета осей железнодорожных (ЖД) подвижных составов для раздельного счета осей ЖД составов, движущихся по одной колее в разных направлениях.

Известен путевой датчик, входящий в устройство для счета осей ЖД вагонов (патент ЕПВ N 0130226, кл. B 61 L 1/16, 1988 г.). Это устройство содержит два путевых датчика, СВЧ-генераторы, два детектора, два направленных ответвителя и блок обработки сигналов датчика.

Датчики выполнены в виде приемопередающих антенн. Датчики установлены на одном рельсе, так что электрические оси антенн направлены к ободу колеса вагона.

Такой датчик неустойчив к путевым помехам, срабатывает от башмаков электромагнитных тормозов и посторонних предметов, находящихся в зоне его действия.

Наиболее близким аналогом изобретения является датчик фирмы "Сименс" (Германия) (Бухгольц В.П. и др. Путевые датчики контроля подвижного состава на рельсовом транспорте. М. Транспорт, 1976, с. 45-47). Этот датчик содержит генератор электромагнитных колебаний звуковой частоты, два приемных и два передающих устройства, установленных у двух рельсов ЖД пути, разветвитель сигналов на два канала, два светвителя сигналов из двух каналов в один, фазовращатель, формирующее звено, усилитель, формирователь, схему запроса, триггер и фильтр.

Этот датчик не срабатывает от посторонних предметов, движущихся по одному рельсу, но он плохо защищен от естественных и путевых электромагнитных помех и дает ложные срабатывания от башмаков электромагнитных тормозов.

Техническим результатом изобретения является защищенность датчика от естественных и путевых электромагнитных помех и башмаков электромагнитных тормозов. Датчик срабатывает только от появления в зоне его действия ЖД колесной пары, так как он измеряет расстояние между внутренними вертикальными гранями ободов колес. В России это расстояние равно 14403 мм. Расстояние между внутренними, боковыми поверхностями головок рельсов ЖД пути равно 152010 мм. В номинале разница этих расстояний равна 80 мм.

Этот результат достигается в двух вариантах исполнения изобретения, связанных одним изобретательским замыслом.

I вариант исполнения изобретения Путевой датчик содержит СВЧ-генератор электромагнитных колебаний, разветвитель сигналов на три канала, два направленных ответвителя, две приемопередающие антенны, два фазовых детектора, разветвитель сигналов на два канала и два резистора. Выход генератора соединен с входом разветвителя на три канала, два выхода которого соединены с входами направленных ответвителей, а третий с входом разветвителя на два канала, выходы этого разветвителя соединены с входами опорных сигналов фазовых детекторов, выходы основных плеч направленных ответвителей соединены с входами антенн, выходы боковых плеч направленных ответвителей соединены с сигнальными входами фазовых детекторов, выходы фазовых детекторов соединены по схеме сложения сигналов через последовательно соединенные резисторы, причем выход сложения является сигнальным выходом путевого датчика. Приемопередающие антенны установлены с внутренней стороны рельсов электрическими осями в направлении перпендикуляров к боковым поверхностям головок рельсов со сдвигом этих осей вдоль ЖД пути на расстояние от нуля до половины размера раскрыва антенн в горизонтальной плоскости.

Отличительными признаками изобретения по этому варианту является: разветвитель сигналов на три канала, два фазовых детектора, два направленных ответвителя, два резистора, а также формы выполнения генератора, приемных и передающих устройств и их установка относительно ЖД рельсов. Кроме того, электрические связи элементов схемы.

II вариант исполнения изобретения Путевой датчик содержит СВЧ-генератор электромагнитных колебаний, разветвитель сигналов на три канала, три разветвителя сигналов на два канала, два направленных ответвителя, две приемопередающие антенны, два фазовых и два амплитудных детектора, два резистора.

Выход генератора соединен с входом разветвителя на три канала, два выхода которого соединены с входами направленных ответвителей, а третий соединен с входом одного разветвителя на два канала, выходы этого разветвителя соединены с входами опорных сигналов фазовых детекторов, выходы основных плеч направленных ответвителей соединены с входами антенн, выходы боковых плеч направленных ответвителей соединены с входами второго и третьего разветвителей на два канала, один из выходов каждого такого разветвителя соединен с сигнальным входом своего фазового детектора, а вторые выходы соединены с входом своего амплитудного детектора, выходы детекторов соединены по схеме арифметического сложения сигналов (т.е. сложения их амплитуд) через последовательно соединенные резисторы, причем выход схемы сложения является сигнальным выходов путевого датчика, а выходы амплитудных детекторов являются выходами управляющих сигналов датчиков.

Отличительными признаками изобретения является: разветвитель сигналов на три канала, два разветвителя сигналов на два канала, два фазовых и два амплитудных детектора, два направленных ответвителя, два резистора, а также формы выполнения генератора, приемных и передающих устройств и их установка относительно ЖД рельсов. Кроме того, электрические связи элементов схемы.

На фиг. 1 представлена структурная схема путевого датчика расположение антенн на ЖД полотне по I варианту его исполнения; на фиг. 2 структурная схема путевого датчика и расположение антенн на ЖД полотне по II варианту исполнения; на фиг. 3 структурная схема возможного варианта счета осей по первому варианту исполнения изобретения; на фиг.4 структурная схема возможного варианта исполнения счета осей по II варианту исполнения изобретения; на фиг.5 поперечный разрез ЖД полотна с расположением на нем антенн; на фиг. 6 эпюра выходного напряжения датчика при прохождении в зоне его действия колесной пары; на фиг.7 эпюра напряжений на выходах амплитудных детекторов (сплошной кривой и пунктирной) и управляющего импульса (заштрихованная область).

На фигурах введены обозначения: 1 СВЧ-генератор (Г); 2 разветвитель сигналов на три канала; 3 разветвитель сигналов на два канала; 4 - направленный ответвитель; 5 приемопередающая антенна (А); 6 фазовый детектор (ФД); 7 резистор (Р); 8 ЖД рельс; 9 амплитудный детектор (АД); 10 колесо колесной пары; 11 усилитель (У); 12 схема вычитания сигналов (арифметического); 13 логическая схема И с двумя входами; 14 коммутатор сигналов с одним открытым и одним открытым контактами (КС); 15 счетчик импульсов (Сч); 16 логическая схема И с тремя входами.

Генератор 1 может быть выполнен по схеме автогенератора на транзисторах, стабилизированный по частоте кварцем, например с частотой сигналов 940 мГц, которая разрешена международными стандартами для промышленного использования (32 см длина волны).

Разветвители 2 и 3 могут быть выполнены на коаксиальном кабеле.

Направленный ответвитель 4 может быть выполнен коаксиальным по известной схеме.

Приемопередающая антенна 5 может быть выполнена в виде открытого конца волновода с основным типом волны. Ширина широкой стенки волновода должна быть больше половины длины волны генератора 1, а узкой меньше четверти длины волны, а при малой мощности 1, 2 мм.

Фазовый детектор 6 может быть собран на СВЧ-диодах.

Резистор 7 может быть выполнен пленочным или проволочным.

Амплитудный детектор 8 может быть выполнен на СВЧ-диоде.

Усилитель 11 может быть выполнен либо постоянного тока, либо с предварительной модуляцией переменного тока.

Схема 12 вычитания может быть выполнена на двух резисторах, соединенных последовательно при встречном включении выходов амплитудных детекторов 9.

Логические схемы И 13 и 16, коммутатор сигналов 14 и счетчик импульсов 15 выполняются в виде микросхем (стандартных).

Определение изменения фазы сигналов, отраженных во внутренней вертикальной грани ободов колес колесной пары при ее вхождении в зону действия путевого датчика.

Введем обозначения: l_р расстояние от раскрыва антенны до головки рельса; l_к расстояние от раскрыва антенны до внутренней вертикальной грани обода одного колеса; l l_р l_к толщина реборды колеса; Ф изменение фазы отраженного сигнала, вызванное наличием колеса в зоне действия путевого датчика. Это изменение фазы равно (удвоенная толщина реборды за счет двухстороннего распространения излучения) , где l рабочая длина волны генератора.

При толщине реборды колеса Dl4 см и 32 см DФ = /2.

На выходе фазовых детекторов включены резисторы, на которых изменение фазы от двух колес суммируется, поэтому на выходе путевого датчика изменение фазы Ф удваивается и становится равным , т.е. максимально возможному изменению фазы, которую может зарегистрировать простейший фазовый детектор на диоде и резисторе.

Сигнал на выходе такого фазового детектора можно определить из формулы
При изменении Ф= 0- сигнал на выходе фазового детектора изменяется от 4U_к до нуля
где U_о амплитуда опорного сигнала;
U_к амплитуда сигнала на выходе бокового плеча НО.

I вариант
Путевой датчик содержит генератор 1, разветвителя сигналов 2 и 3, направленные ответвители 4, антенны 5, фазовые детекторы 6, резисторы 7 (фиг. 1).

Выход генератора 1 соединен с входом разветвителя 2, один выход которого соединен с входом разветвителя 3, другие два выхода разветвителя 2 соединены с входами направленных ответветвителей 4. Выходы основных плеч ответвителей 4 соединены с входами антенн 5. Выходы разветвителя 3 соединены с входами опорных сигналов фазовых детекторов 6. Выходы боковых плеч направленных ответвителей 4 соединены с сигнальными входами фазовых детекторов 6. Выходы фазовых детекторов 6 соединены по схеме арифметического суммирования их сигналов с помощью последовательно соединенных резисторов 7. Выходной сигнал путевого датчика снимается с выходов фазовых детекторов как сумма сигналов каждого детектора.

Антенны 5 установлены с внутренней стороны рельсов электрическими осями в направлении перпендикуляров к боковым поверхностям головок рельсов со сдвигом этих солей вдоль ЖД пути на расстоянии от нуля до половины размера раскрыва антенн в горизонтальной плоскости. Путевой датчик работает и без сдвига антенны, но в этом случае он не сможет различать составы, идущие с разных направления по одной колее.

Путевой датчик работает следующим образом.

При отсутствии в зоне его действия колесной пары напряжение на выходах фазовых детекторов принимают определенное значение. Для простоты будем считать эти напряжения, пропорциональные разности фаз сигналов отраженных от головок рельсов и опорных сигналов, равными нулю. При нахождении в зоне действия датчика колесной пары, длина пути сигнала генератора, отраженного от внутренней вертикальной грани ободов колес, измениться, в нашем случае на p. Напряжение на выходе датчика в виде импульса станет максимальным, значительно превышающим пороговый уровень (фиг. 6). Этот импульс является импульсом счета колесной пары.

Определить направление движения состава, проходящего мимо датчикав, можно с помощь схемы фиг.3. В этом случае антенны 5 должны быть разнесены вдоль пути на расстояние, не превыщающее половины раскрыва антенн 5. В рабочем состоянии включен генератор 1 и антенны 5 излучают СВЧ-сигнал в сторону рельсов. Когда одно колесо колесной пары располагается напротив раскрыва одной из антенн 5, на выходе одного фазового детектора появляется сигнал. Срабатывает одна ключевая схема и тем самым блокирует другую схему. При расположении колес одновременно перед раскрывами двух антенн срабатывает схема И и сигнал управления поступает на управляющий вход одного из счетчиков 15, этот счетчик начинает счет, так как на сигнальных входах счетчиков также подается сигнал счета.

При движении состава с другого направления на выходе другого фазового детектора появляется сигнал, срабатывает другая ключевая схема и поэтому счет осей будет вести другой счетчик.

II вариант
Путевой датчик содержит генератор 1, разветвитель2 и три разветвителя 3, два направленных ответвителя 4, две антенны 5, два фазовых 6 и два амплитудных 9 детектора и два резистора 7.

Выход генератора 1 соединен с входом разветвителя 2, два выхода которого соединены с входами направленных ответвителей 4, а третий соединен с входом одного разветвителя 3, выходы которого соединены с входами опорных сигналов фазовых детекторов 6, выходы основных плеч направленных ответвителей 4 соединены с входами своей антенны 5, выходы боковых плеч направленных ответвителей соединены с входами второго и третьего разветвителей 3, один из выходов каждого разветвителя соединен с сигнальным входом фазового детектора 6, а вторые выходы соединены с входами амплитудных детекторов 9, выходы фазовых детекторов 6 соединены по схеме арифметического сложения сигналов через последовательно соединенные резисторы, причем выход схемы сложения является сигнальным выходом датчика, а выходы амплитудных детекторов являются выходами управляющих сигналов датчиков.

Путевой датчик работает следующим образом.

Что касается фазовой части датчика, то она работает как и в первом варианте исполнения. Амплитудная часть датчика увеличивает надежность его работы и защищенность от путевых помех и сторонних предметов. Эта часть совместно со схемой фиг.4 обеспечивает включение счетчиков только когда амплитуды сигналов, отраженных от колес колесной пары, равны между собой.

В момент, когда оба колеса находятся напротив смещенных раскрывов антенн 5 (фиг. 7), их сигналы выравниваются. В этом случае схема вычитания по их разности выдает сигнал на включение третьего разомкнутого контакта схемы И 16 и на управляющие входы счетчиков подаются управляющие сигналы включения того или иного счетчика в зависимости от направления прихода к датчику состава.

Таким образом датчики в вариантах исполнения срабатывают только и только от колесной пары и не от каких бы-то ни было посторонних предметов.

Формула изобретения

1. Путевой датчик, содержащий генератор электромагнитных колебаний, два приемных и два передающих элемента, установленных у двух рельсов железнодорожного пути, и разветвитель сигналов на два канала, отличающийся тем, что в него дополнительно введены разветвитель сигналов на три канала, два фазовых детектора, два направленных ответвителя, причем генератор выполнен сверхвысокочастотным, приемные и передающие элементы совмещены и выполнены в виде приемопередающих антенн, установленных с внутренней стороны рельсов электрическими осями перпендикулярно боковым поверхностям головок рельсов со сдвигом этих осей вдоль железнодорожного пути на расстояние от нуля до половины размера раскрывов антенн в горизонтальной плоскости, выход генератора соединен с входом разветвителя на три канала, два выхода которого соединены с входами направленных ответвителей, а третий выход с входом разветвителя на два канала, выходы последнего соединены с опорными входами фазовых детекторов, выход каждого из основных плеч направленных ответвителей соединен с входом соответствующей антенны, выход каждого из боковых плеч направленных ответвителей соединен с сигнальными входом соответствующего фазового детектора, выходы фазовых детекторов подключены к резистивной схеме сложения сигналов, включающей в себя два последовательно соединенных резистора, причем выходом упомянутой схемы сложения образован сигнальный выход путевого датчика.

2. Путевой датчик, содержащий генератор электромагнитных колебаний, два приемных и два передающих элемента, установленных у двух рельсов железнодорожного пути, и разветвитель сигналов на два канала, отличающийся тем, что в него дополнительно введены разветвитель сигналов на три канала, два разветвителя сигналов на два канала, два фазовых и два амплитудных детектора, два направленных ответвителя, причем генератор выполнен сверхвысокочастотным, приемные и передающие элементы совмещены и выполнены в виде приемопередающих антенн, установленных с внутренней стороны рельсов электрическими осями перпендикулярно боковым поверхностям головок рельсов со сдвигом этих осей вдоль железнодорожного пути на расстояние от нуля до половины размера раскрывов антенн в горизонтальной плоскости, выход генератора соединен с входом разветвителя на три канала, два выхода которого соединены с входами направленных ответвителей, а третий выход с входом одного разветвителя на два канала, выходы последнего соединены с опорными входами фазовых детекторов, выход каждого из основных плеч направленных ответвителей соединен с входом соответствующих антенн, выход каждого из боковых плеч направленных ответвителей соединен с входом соответственно второго или третьего разветвителя на два канала, один из выходов каждого такого разветвителя соединен с сигнальным входом соответствующего фазового детектора, а другой выход соединен с входом соответствующего амплитудного детектора, выходы фазовых детекторов подключены к резистивной схеме сложения сигналов, включающей в себя два последовательно соединенных резистора, выходом которой образован сигнальный выход путевого датчика, а выходами амплитудных детекторов выходы управляющих сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7