Точечный путевой датчик для измерения характеристик железнодорожного транспорта

 

Использование: в системах автоматического управления и обработки информации на железнодорожном транспорте. Сущность изобретения: повышение точности измерения веса, измерение или оценка значений других характеристик (скорость, ускорение, длина) подвижного железнодорожного транспорта обеспечивает датчик, состоящий из пьезоэлектрического силочувствительного элемента, включающего две параллельно соединенных линии задержки на поверхностных акустических волнах, вход которого соединен с выходом генератора высокочастотных электрических колебаний, а его выход через амплитудный детектор связан с входами измерителя напряжения, периодометра и счетчика числа электрических импульсов, входящих в состав блока обработки электрического сигнала. 3 ил.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано в системах автоматического управления и обработки информации о неподвижном и подвижном железнодорожном транспорте (ЖТ).

Известны датчики контроля важной характеристики ЖТ, каковой является вес (1).

Основным элементом этого устройства является силоизмерительный преобразователь, встраиваемый в весоизмерительную платформу или непосредственно с помощью упругого тела в железнодорожный путь, который связан с регистратором (блоком обработки) сигнала, несущего информацию о весе неподвижного или подвижного объекта ЖТ.

Однако точность измерения, обусловленная относительно низкой чувствительностью первичного преобразователя и низкой помехозащищенностью данного устройства ниже требуемой.

Для измерения веса вообще, объектов ЖТ в частности, используются пьезорезонансные датчики (2), работа которых основана на управлении параметрами пьезорезонаторов и других пьезоприборов резонансного типа внешним воздействием, например, весом вагона. Пьезорезонансный датчик (ПРД) включает в себя тензочувствительный первичный преобразователь, выполненный в виде пьезоактивной пластины или линии задержки на объемных или поверхностных акустических волнах (ПАВ).

По сравнению с электромеханическими датчиками, вообще, ПРД обладают малой погрешностью измерения массы (потенциально сотые доли процента), более высокой разрешающей способностью по деформации.

При использовании ПРД для контроля характеристик ЖТ к их недостаткам следует отнести: сложность совмещения в конструкции первичного преобразователя с упругим элементом, сложность электрического согласования элементов и др.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения давления колеса на рельс (3), реализующее метод взвешивания, основанный на измерении воздействия колеса на рельс путем преобразования деформации сжатия шейки рельса в приращение электрического сопротивления тензорезистивного чувствительного элемента, которое содержит установленный на рельс железнодорожного пути упругий корпус в форме болта, во внутренней конусообразной полости которого на упругой перемычке закреплен тензочувствительный резистивный элемент, клеммы, соединенные с выводами этого элемента и блоком обработки сигнала. При этом упругий корпус выполнен с возможностью механического изменения положения в поперечном относительно рельса направлении.

Недостатками устройства являются относительно невысокая точность измерения давления колеса ЖТ посредством его тензорезистивного чувствительного элемента, особенно при измерении подвижного ЖТ, и ограниченная функциональная возможность измерения с помощью одного устройства нескольких характеристик ЖТ.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения нескольких характеристик подвижного железнодорожного транспорта.

Указанный результат достигается тем, что в точечный путевой датчик для измерения характеристик железнодорожного транспорта, содержащем установленный на рельс железнодорожного пути упругий корпус, внутри которого закреплены тензочувствительный элемент и клеммы, связанные с этим элементом и с блоком обработки информации, дополнительно введен генератор электрических колебаний, выход которого соединен с входными клеммами тензочувствительного элемента, а его тензочувствительный элемент выполнен в виде двух параллельно соединенных между собой линий задержки на поверхностях акустических волнах, включающих в себя идентичные штыревые преобразователи, расположенные в общем акустическом канале на пьезоэлектрическом звукопроводе, расстояние между которыми в одной из линий задержки на поверхностных акустических волнах выбрано неравным расстоянию между штыревыми преобразователями в другой линии задержки на поверхностных акустических волнах.

На фиг. 1 показана структурная схема точечного путевого датчика для измерения характеристик железнодорожного транспорта; на фиг. 2,3 примеры конструкций пьезоэлектрических тензочувствительных элементов.

Точечный путевой датчик для измерения характеристик железнодорожного транспорта содержит установленный на рельс железнодорожного пути упругий элемент, выполненный в форме болта, в конусообразной полости которого закреплены тензочувствительный элемент (ТЧЭ)1 и клеммы, соединенные с входными и выходными выводами ТЧЭ1, к которым соответственно подключены выход генератора 2 высокочастотных электрических колебаний и вход амплитудного детектора 3, входящий в блок 4 обработки информации. Входы других устройств, составляющих блок 4 обработки информации: измеритель 5 напряжения, периодометр 6 и счетчик 7 числа электрических импульсов связаны посредством линии связи с выходом амплитудного детектора 3. ТЧЭ1 выполнен (фиг. 2) в виде двух параллельно соединенных между собой линий задержки на ПАВ с разными значениями времени задержки, что достигается выбором расстояния между встречно-штыревыми преобразователями 8,9 одной линии задержки на ПАВ, неравным расстоянию между встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) 8, 10 другой линии задержки на ПАВ ТЧЭ1, расположенных в общем акустическом канале на пьезоэлектрической поверхности звукопровода 11, выполненного в виде прямоугольной по форме пластины.

Общий входной преобразователь 8 этих линий задержки соединен с входными клеммами ТЧЭ1, а гальванически соединенные между собой параллельно выходные преобразователи 9, 10 соединены с выходными клеммами ТЧЭ1. Расположение выходных преобразователей 9, 10 в конструкции ТЧЭ1 может быть выполнено по одну, как показано на фиг. 2, или по обе стороны относительно входного преобразователя 8. К тому же, исходя из принципа взаимности, подключение входных и выходных клемм этого типа ТЧЭ к другим устройствам ТПД может быть изменено на обратное.

При этом штыри идентичных и соосных преобразователей 8.10 расположены перпендикулярно одной из термостабильных кристаллографических осей звукопровода 11, выполненного, например, из кварца ST среза, вдоль которой абсолютные приращения длины деформируемого звукопровода и скорости распространения ПАВ от воздействия механических усилий, пропорциональных весу объекта ЖТ, относительно велики.

По физической сущности, принципу действия не отличается от устройства, приведенного на фиг. 2, более оригинальный по конструкции ТЧЭ, изображенный на фиг. 3, в котором преобразователи 8,9 являются соответственно входным и выходным в обоих ЛЗ на ПАВ. При этом только одна из параллельно соединенных ЛЗ на ПАВ практически с временем задержки приблизительно равным нулю образована за счет введения между преобразователями 8,9 дополнительного электрического канала. Функцию электрического канала в таком ТЧЭ выполняет высокоомный резистивный проводник 12, например, на основе хрома или углеводородного соединения, сформированный между выводами преобразователей 8,9 в виде полоски на поверхности звукопровода 11. Выбор геометрических размеров проводника 12 позволяет регулировать степень взаимосвязи преобразователей 9, 8 при фиксированном исходном фазовом сдвиге колебаний на преобразователе 9, чем достигаются сведения этих колебаний до соизмеримого друг с другом уровня. Электрический канал между преобразователями 8, 9 этого типа ТЧЭ может быть в другом варианте выполнен за счет электрической емкостной связи между ними. При этом необходимая взаимосвязь преобразователей может обеспечиваться выбором толщины тонкого звукопровода до значения, ограниченного снизу 10.15 динами ПАВ и выбора зазора между проводящим экраном и рабочей поверхностью звукопровода 11.

В качестве материала тонкочувствительного элемента могут быть использованы, кроме кварца ST-среза, например, кварц Y 42,5^oC среза и другие пьезоэлектрические материалы с высокой деформационной чувствительностью, кроме пьезокерамик, постоянные времени релаксационных процессов которых велики и делают их неприемлемыми при воздействии на них динамических нагрузок. Причем возможная подстройка частоты генератора 1 при калибровке ТПД позволяет использовать не обязательно пьезоэлектрические звукопроводы с малыми температурными коэффициентами.

Для защиты ТЭЧ1 от воздействия прочих внешних факторов, кроме веса объектов ЖТ, трансформации возможных значений их весов, воздействующих через рельс ТЧЭ, упругий корпус, размещенный в шейке рельса железнодорожного пути, выполнен с возможностью механического изменения положения в поперечном относительно рельса направления, чем обеспечивается предэксплуатационная калибровка ТЧЭ.

Точечный путевой датчик для контроля характеристик железнодорожного транспорта работает следующим образом.

В общем случае при подаче высокочастотных электрических колебаний с выхода генератора 2 на входной встречно-штыревой преобразователь 8 ТЧЭ1, например, конструктивно выполненного согласно фиг.3, и через резистивный проводник 12 на выходной встречно-штыревой преобразователь 9, частота которого совпадает с частотой акустического синхронизма обоих преобразователей 8, 9, они за счет явления обратного пьезоэффекта преобразуют электрические колебания генератора 2 в механические колебания ПАВ. ПАВ переносится, затухая по амплитуде, по поверхности звукопровода 11 в двух противоположных направлениях, перпендикулярным штырям преобразователей 8,9. Часть потока энергии ПАВ, распространяющаяся в направлении ближайшего ребра звукопровода 11, нейтрализуют с помощью поглотителя ПАВ (на фиг.3 не показан). Другая часть потока энергии ПАВ распространяется по акустическому каналу, образованному апертурой преобразователя 8 и поверхностью звукопровода 11, от преобразователя 8 до преобразователя 9 и задерживается во времени. Время задержки исходных колебаний генератора 2 в акустическом канале элемента 1 определяется скоростью распространения ПАВ и расстоянием L между преобразователями 8, 9.

Частично исходные колебания генератора 2, распространяясь по электрическому каналу, претерпевают незначительную временную задержку, которая остается фиксированной практически при любых воздействиях на ТЧЭ. Начиная с момента одновременного обратного преобразования механических колебаний ПАВ на преобразователе 9, прошедших по акустическому каналу и образовавшихся при наведении на него исходных колебаний генератора 2, прошедших по электрическому каналу, определяемого прямым пьезоэффектом, механические колебания обоих ПАВ создают на выходных клеммах элемента 1 результирующую амплитуду высокочастотных электрических колебаний, огибающую которых детектируют амплитудным детектором 3 и фиксируют измерителем 5 напряжения.

Результирующая амплитуда этих колебаний на выходе элемента определяется разностью фаз ПАВ обоих каналов элемента 1. Непреобразовавшуюся в электрический сигнал часть акустической энергии ПАВ, прошедшую преобразователь 9, демпфируют в области ближайшего к нему ребра звукопровода 11, как описано выше.

При воздействии через рельс и упругий корпус ТПД колеса объекта ЖТ в звукопроводе 11 ТЧЭ1 возникают механические деформации. Механические деформации приводят к изменению времени задержки сигнала, прошедшего по акустическому каналу ТЧЭ1 и, следовательно, разности фаз ПАВ на преобразователе 9 и изменению напряжения на выходе детектора 3, пропорционального этому сдвигу и весу объекта ЖТ в точке (зоне) установки ТЧЭ1. Амплитуда напряжения при этом максимальная, когда разность фаз колебаний ПАВ на пьезопреобразователе 9 равна нулю (Δϕ = 0) и минимальная, когда Δϕ = π.

Таким образом, по значению амплитуды напряжения на выходе амплитудного детектора 3, контролируемого измерителем 5 напряжения, однозначно получают информацию о весе объекта ЖТ в статике.

В процессе контроля веса объектов ЖТ в движении последовательно, каждый раз, когда колесо объекта ЖТ накатывается на рельс в точке установки упругого корпуса ТЧЭ1, динамическая сила данного объекта ЖТ воспринимается ТЧЭ1 и в результате тензоупругих взаимодействий модулирует упругие параметры его звукопровода, преобразуя их в электрический импульс. Длительность данного импульса пропорциональна скорости движения объекта ЖТ, а амплитуда весу этого объекта. Все дискретные значения напряжения детектора 3 являются мерой, индицирующей вес, входящих в состав ЖТ объектов.

Кроме контроля весовых характеристик ЖТ, зная с допустимой для практики точностью размеры межцентровых расстояний осей объектов ЖТ, можно проконтролировать или по крайней мере оценить значения других характеристик подвижного ЖТ: скорость V₀, ускорение a, длину L_n отцепа или всего состава ЖТ.

С учетом известного наиболее точно межцентрового расстояния осей колесных пар объекта измеряют наименьший период следования (T₀) двух соседних импульсов, образованных вследствие воздействия на элемент 3 веса колесной пары объекта, с помощью периодометра 6 и определяют скорость движения ЖТ из выражения: V₀ l₀/T₀ Из отношения вычисленной разности скоростей к разности периодов следования импульсов, зафиксированных от воздействия на элемент двух колесных пар одного объекта ЖТ, измеряют также ускорение движения ЖТ.

Подсчитывая счетчиком 7 полное число n электрических импульсов, полученных на выходе элемента 1 после проследования через измерительный участок ЖТ, оценивают значение еще одной характеристики длины подвижного ЖТ (L_п) из выражения L_п= L₁п/4, которые справедливо в случае, если измеряемый ЖТ состоит из однотипных четырехосных вагонов. В этом выражении L₁ длина одного вагона ЖТ. Оценка длины ЖТ будет менее точной при его формировании из разнотипных вагонов.

Из анализа формы импульсов, которые могут быть зафиксированы самописцем, дополнительно получают информацию о дефектах колес ЖТ: отклонение от цилиндрической формы, что выражается дополнительным выбросом амплитуды одного из парных импульсов, юзение колеса, о чем свидетельствует затянутая форма импульса.

За счет возможности получения в конструкции ТЧЭ предложенного ТПД соизмеримых энергетических уровней колебаний ПАВ, образованных электрическим и акустическим каналами, на выходном преобразователе ТЧЭ достигается высокая линейность амплитудно-фазовой характеристики и, следовательно, зависимости электрического сигнала от веса объекта ЖТ, а за счет выбора разности расстояний между дифференциальными компонентами его ТЧЭ исключается неоднозначность измерения веса. Этий высокой чувствительностью ТЧЭ предложенного ТПД достигается высокая точность измерения характеристик ЖТ даже при высоких скоростях его движения.За счет незначительного усложнения конструкции устройства в целом, заключающегося в установке на измерительном участке пути не одного, а двух одинаковых ТЧЭ, расположенных друг от друга на одном и том же рельсе и на расстояние, не превышающем развертки (периметра) колеса вагона, может быть также существенно снижена погрешность регистрации скорости, ускорения и упрощен процесс этого измерения.

Формула изобретения

Точечный путевой датчик для измерения характеристик железнодорожного транспорта, содержащий установленный на рельс железнодорожного пути упругий корпус, внутри которого закреплены тензочувствительный элемент и клеммы, связанные этим элементом и с блоком обработки информации, отличающийся тем, что в него дополнительно введен генератор электрических колебаний, выход которого соединен с входными клеммами тензочувствительного элемента, упругий корпус выполнен с возможностью механического изменения своего положения относительно рельса железнодорожного пути, а тензочувствительный элемент в виде двух параллельно соединенных между собой линий задержки на поверхностных акустических волнах, включающих в себя идентичные штыревые преобразователи, расположенные в общем акустическом канале на пьезоэлектрическом звукопроводе, расстояние между которыми в одной из линий задержки на поверхностных акустических волнах выбрано неравным расстоянию между штыревыми преобразователями в другой линии задержки на поверхностных акустических волнах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2