5.3 Индуктивные датчики в системе счета осей

Следующая группа датчиков характеризуется формированием информационных сигналов о дви­жении оси вагона путем амплитудной мо­дуляции выходного напряжения ДСО. К их числу относятся датчики индуктивного типа [16]. Чувствительным элементом датчика являются катушки индуктивнос­ти, параметры которых изменя­ются при движении колеса над ними. Катушки питаются пере­менным током. Выходной сигнал датчика — амплитуда напряжения.

ДСО с использованием амп­литудной модуляции имеют тот же недостаток, что и датчик маг­нитного типа. Передаваемая ими информация искажается под дей­ствием электромагнитных помех, следовательно, не обеспечива­ется передача информации об осях на большие расстояния (сотни метров, километры).

Потребность в передаче ин­формационного сообщения на эти расстояния вызвана актив­ным внедрением на дорогах сис­тем контроля занятости перего­на на основе ДСО. При этих системах датчики устанавливают­ся на границах станции, а стан­ционные блоки размещаются в помещениях.

Датчик представляет собой две катушки индуктивности, мон­тируемые по разным сторонам шейки рельса напротив друг дру­га. Катушки имеют длину 600 мм и подключаются специальным ан­тивибрационным кабелем к бло­ку преобразования, размещен­ному в нескольких метрах от рельса. В блоке формируется напряжение питания катушек и выходное напряжение ДСО пре­образуется в помехозащищенный сигнал.

При отсутствии колеса над датчиком выходное напряжение с катушек индуктивности преобразуется в две частотные последовательности импульсов. Выходы формирователей последовательностей согласуются с соединительными проводами пи­тания "счетного пункта". В стан­ционной части системы две час­тотные последовательности выделяются фильтрами.

От движения колеса над дат­чиком изменяется коэффициент взаимоиндукции и, в зависимости от направления движения, исче­зает одна или другая частотная последовательность. Формирова­тели "счетного пункта" отключа­ют частотные последовательнос­ти в процессе движения и при остановках. В станционных счет­чиках осей определяется пропа­дание частотного сигнала, по которому устанавливается направ­ление движения и выполняется счет осей.

5.4 Многофункциональные датчики

Многофункциональный датчик (МФД) с частотно-модулированным выходным сигналом разработан и эксплуатируется на Октябрьской железной дороге. На основе МФД и специального электронного блока преобразования сигнала (конвертера) изготовлены комплекты аппаратуры для системы ДИСК-Б, информационная система контроля занятости перегона, комплект аппаратуры для счета вагонов в отцепах.

Датчик имеет небольшие габариты (210х80х30), массу 700 г и содержит 14 транзисторов. Датчик работоспособен в широком температурном диапазоне ( - 50… +65⁰С), виброустойчив и герметичен, устанавливается внутри колеи между шпал. Широкая поверхность датчика ориентирована к зоне движения гребня посредством крепежного устройства массой 1,5 кг. Небольшая потребляемая мощность (2 Вт) и выходные токовые импульсы свыше 50 мА допускают установку датчика на расстоянии до 5 км от системы автоматики. Для подключения датчика к системе достаточно двух кабельных жил. По этим жилам подается питание и передается информационный сигнал. Для установки датчика требуется несколько минут и в ходе эксплуатации практически не обслуживается.

Для модуляции сигнала ис­пользуются два электронных ге­нератора. Небольшие катушки ин­дуктивности генераторов расположены вдоль широкой по­верхности датчика вблизи зоны движения гребня и разнесены друг от друга на расстояние в несколько сантиметров. Движу­щийся над поверхностью датчи­ка гребень изменяет частоты ге­нераторов и вызывает изменение выходной частоты прямоуголь­ных импульсов датчика. Схем­ное решение датчика выполнено так, что совместно с частотной модуляцией происходит модуля­ция длительности выходного импульса. Это дополнительно повышает помехозащиту и ин­формативность МФД. В результате многолетней эк­сплуатации датчиков было уста­новлено, что для колес вагонов средняя градуировочная харак­теристика имеет вид, показан­ный на рис..21. Использование зависимости выходной частоты от положения оси колеса над датчиком расширяет информа­ционные свойства датчика, так как в процессе движения оцени­вается их взаимное положение. Рассмотрим наиболее простой критерий определения прохода оси над датчиком. Считаем, что ось прошла, если частота изме­нялась относительно начального значения Fo как в большую, так и в меньшую сторону.

Например, при движении колеса в сторону увеличения координаты L проис­ходит последовательное измене­ние частоты от Fo до значения F+, затем снова снижается до значения Fo (центр оси совпада­ет с центром датчика по верти­кали) и, наконец, после умень­шения частоты до F- вновь увеличивается до значения Fo. При движении колеса в другом направлении изменение частоты происходит в обратном поряд­ке. Остановка колеса над датчи­ком определяется как длитель­ное получение частоты одного значения, например, Fост.

Рисунок 21. Градуировочная характеристика многофункционального датчика с

частотно-   модулированным выходным сигналом

Частотно-модулированный сиг­нал может обрабатываться сред­ствами вычислительной техники, так как достаточно просто пре­образуется в код. Однако суще­ствование большого количества систем, воспринимающих сигнал о движении оси в виде импульса напряжения, потребовало для со­гласования с ними соответству­ющего преобразования.

Преобразование частотного сигнала МФД в импульс напря­жения происходит в конвертере, функциональная схема которого приведена на рис. 22. Кроме пре­доставления информации об осях, в конвертере предусмотрены другие информационные выходы, ко­торые допускают использование МФД в существующих и разра­батываемых системах. МФД запитывается от источника питания линии (ИПЛ) через измерительный резистор Rи и двухпроводную соединительную линию. На измерительном резис­торе выделяется напряжение, оп­ределяемое током потребления МФД и его выходными прямоу­гольными токовыми импульсами. Источник питания конвертера (ИПК) формирует напряже­ние питания для остальных эле­ментов. После прохождения импульсов через интегрирующую цепь (ИЦ) прямоугольная последовательность преобразуется в пи­лообразную. Это позволяет на­строить компаратор (К) на оптимальный прием и через гальваническую развязку (ГР1) формировать импульсы на входе порта Р1.1 микропроцессорного контролле­ра (МК). МК обрабатывает мгновенные значения частотного сигнала МФД за время, равное периоду следования входных импульсов порта Р1.1.

Рисунок 22. Схема преобразования частотного сигнала МФД

Алгоритм обработка сигналов МФД включает в себя измере­ние текущих значений периода и длительности импульсов, срав­нение их с исходными значения­ми и установление факта изме­нения (неизменности) частоты. Каждый период в МК принима­ется решение о движении оси, для чего сравниваются резуль­таты обработки периода и дли­тельности импульсов. Оконча­тельное решение принимается по результатам сравнений за не­сколько периодов. Такой спо­соб эквивалентен обработке сиг­налов датчика по нескольким каналам и создает информаци­онно надежную систему. Во вре­мя движения колеса над датчи­ком в МК отслеживаются изменения выходной частоты дат­чика на соответствие градуировочной характеристики и опреде­ляется время движения гребня через зону чувствительности МФД. После установления факта прохода колеса формируется им­пульс напряжения оси, например, через разряд DO регистра РГ.

Выходные информационные сигналы конвертера передаются в систему через гальванические развязки ГР2—ГР4, выполненные на оптоэлектронных парах типа АОТ123. Выходной фототранзи­стор оптопары управляется за­писью соответствующего бита в выходные разряды регистра РГ.

Длительность импульса оси устанавливается программно. Для системы ДИСК-Б нужен биполяр­ный импульс длительностью, рав­ной времени движения гребня над датчиком. Формирование импуль­са другой полярности на "Вых. 2". обеспечивается источником пи­тания Е2 с полярностью, проти­воположной Е1. После оконча­ния импульса с "Вых. 1" (в разряд DO установлен логический 0) в разряд D1 контроллер записы­вает логическую 1, формируя им­пульс противоположной поляр­ности на "Вых. 2". Длительность этого импульса также равна вре­мени движения колеса над дат­чиком. Для системы ДИСК-Б оба выхода объединяются.

В системах ГАЦ, учитывающих направление движения, второй выход исполь­зуется для указания направле­ния движения. На этом выходе импульс напряжения формиру­ется синхронно с импульсом оси только в случае движения в оп­ределенном направлении, напри­мер, с горки.

Третий выход "Вых. 3" кон­вертера предназначен для диаг­ностики работоспособного со­стояния МФД и конвертера со стороны системы. Вид сигнала диагностики определяется конк­ретной системой. Представление работоспособного состояния в виде логической 1 определено требованием использования МФД в системах, обеспечиваю­щих безопасность движения.

После подачи напряжения пи­тания и выхода МК на рабочие алгоритмы в разряде D2 инвер­тируется бит синхронно с по­ступлением импульсов датчика. Формирователь динамической единицы (ФДЕ) при поступлении импульсов с разряда D2 регист­ра зажигает диод гальваничес­кой развязки ГР4, устанавливая логическую 1 на "Вых. З". Пре­кращение появления импульсов на выходе D2 приводит к уста­новке логического 0 на "Вых. З", свидетельствуя о нарушении ра­боты конвертера или датчика.

Аппаратно-программные сред­ства конвертера выявляют ос­новные отказы и информируют об этом систему. Нарушение фун­кционирования МФД может вы­ражаться в изменении тока по­требления или в существенном отличии частот от значений, оп­ределенных градуировочной ха­рактеристикой. Настройка ком­паратора и выбор определенных параметров интегрирующей цепи выявляет отказы, выраженные через изменения тока потребле­ния датчика. Определение этого отказа, как и выявление отказа от существенного изменения ча­стоты, происходит в микропро­цессорном контроллере на про­граммном уровне, позволяя МК снимать посылку импульсов в разряд D2. Отказы в ИПЛ, ИПК, обрывы соединительной линии и выход из строя компаратора так­же вызывают появление сигнала о неработоспособном состоянии [20].

Позиционный отказ (например, из-за несанкционированного съе­ма МФД с рельса) обнаружива­ется в МК через изменения тока потребления или частоты. Для этого разработаны крепежные ус­тройства МФД, обеспечивающие изменение одного из этих пара­метров при его демонтаже. Вве­дение сигнала с ФДЕ в цепь "Вых. 3" позволяет системе получать сведения об отказах в работе МК при "зависании" программ или выходе контроллера из строя (в этом случае прекращается изме­нение значения бита в разряде D2). Исключению "зависаний" спо­собствует генератор сброса ГС, формирующий импульс сброса при "сбоях" программы МК.

Основные элементы конверте­ра расположены на плате разме­рами 100х80 мм. Стабилизаторы источников питания выносятся на отдельную металлическую пласти­ну. В качестве МК используется микросхема АТ89с51, позволяю­щая выполнять обработку сигна­лов МФД при максимальных ско­ростях движения 50—70 м/с.

На основе МФД и конверте­ров изготовлены, всесторонне ис­пытаны и введены в эксплуата­цию комплекты аппаратуры для систем ДИСК-Б, информацион­ная система контроля занятости перегона, комплект аппаратуры для счета вагонов в отцепах.