Датчики

 

1. 1)   Назначение датчиков, приведите примеры датчиков используемых на ж.д. ?

2. 2)   Какие типы датчиков по принципу действия вы знаете?

3. 3)   Поясните принцип действия датчика ПБМ-56 (рис. 2.1), отметьте его недостатки.

4. 4)   Поясните принцип действия датчик ТКП (рис. 2.2).

5. 5)   Какие датчики применяют для определения скорости?

2.2. Электрические фильтры

 

Электрический фильтр осуществляет селективное (избиратель­ное) преобразование воздействия, полученного от предыдущего элемента, и передачу его на последующий элемент. Входными и выходными величинами электрических фильтров (называемых далее просто фильтрами) являются электрические величины (напряжение, ток, мощность).

В железнодорожной автоматике и телемеханике фильтры ис­пользуют для разделения каналов передачи в системах диспетчерс­кой централизации, диспетчерского контроля за движением поездов, в частотной автоблокировке и автоматической локомотивной сигнали­зации, а также в ряде других систем. Разделение каналов при пере­даче сигналов по рельсовой цепи, защита от помех, вызываемых воздействием тягового тока электрических железных дорог, также осуществляются фильтрами.

Фильтры предназначены для пропускания токов в определенной полосе частот с небольшим затуханием (после пропускания), а для токов с частотами, лежащими вне этой полосы, они представляют большое затухание (полоса непропускания). Частоты, лежащие на границах полос пропускания и непропускания, называются частота­ми среза. Таким образом, фильтры обладают избирательными свойст­вами.

Полосой пропускания называется полоса частот, на границах которой амплитуда тока (или напряжения) снижается от максималь­ного его значения до 0,7.

Затухание фильтра характеризует степень ослабления тока (на­пряжения, мощности) на выходе I_вых по сравнению с его значением на входе Iвх. Для простейших фильтров обычно используют без­размерную величину k=Iвх/Iвых=Uвх/Uвых, показывающую, во сколько раз ток (напряжение) на выходе меньше его значения на входе.

Для более сложных фильтров затухание а, как правило, выра­жается в децибелах:

 

а=20Lg|Iвх/Iвых|=20Lg|Uвх/Uвых|=10Lg|Pвх/Pвых|.

 

Затухание фильтра характеризуется лишь снижением амплитуды сигнала по абсолютному значению. При прохождении сигнала через фильтр изменяется также его фаза b (фазовый сдвиг). Для одно­временной оценки затухания и фазового сдвига вводится величина g=a+jb, называемая постоянной передачи:

g=20Lg(Iвх/Iвых)= 20Lg(Uвх/Uвых)= 10Lg(Pвх/Pвых).

Действительная часть этого выражения определяет затухание, а мнимая — фазовый сдвиг.

В зависимости от используемых элементов фильтры подразде­ляются на LC, элементами которых являются индуктивности катушек и емкости конденсаторов; резонаторные, элементами которых являются пьезоэлектрические, электромеханичес­кие или другие резонаторы; RC, эле­ментами которых являются резисторы и конденсаторы.

 

В зависимости от полос пропускания фильтры подразделяются: на фильт­ры нижних частот (ФНЧ), про­пускающие сигналы с частотами от нуля до определенной частоты среза fc, фильтры верхних частот (ФВЧ), про­пускающие сигналы высоких частот, начиная с определенной частоты fc; полосовые фильтры (ПФ), пропус­кающие сигналы в полосе частот от f1 до f2; заграждающие фильтры (ЗФ), не пропускающие сигналы в определенной полосе частот от f1 до f2, и многополосовые фильтры, имеющие несколько полос пропускания.

В устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики на­ибольшее распространение получили LC-фильтры.

Простейшей схемой, обладающей избирательными свойствами и поэтому позволяющей использовать ее в качестве фильтра, являет­ся колебательный контур. Явление резонанса в колебательных контурах лежит в основе действия всех LC-фильтров.

Последовательный колебательный контур (рис. 2.4) образован последовательным соединением индуктивности L, конденсатора С и активного сопротивления r. Наличие активного со­противления r в колебательном контуре обусловлено потерями энергии в катушке индуктивности и диэлектрике конденсатора.

Рис. 2.4. Схема последовательного колебательного контура и частотная зависимость его сопротивления

 

Полное сопротивление контура

Индуктивное

и емкостное сопротивление

являются реактивными и зависят от частоты f (здесь и далее частота обозначена f и w=2лf). Общее реактивное сопротивление x=x_L—х_C (см. рис. 2.4) .

При резонансной частоте , отвечающей условию , реактивное сопротивление х=0 (полное сопротивление Z при отсутствии потерь стремится к нулю), а амплитуда тока в кон­туре достигает максимального значения

Одинаковые по значению и противоположные по знаку индук­тивное и емкостное сопротивления при резонансе обозна­чаются и называются характеристическими:

.

В колебательных контурах индуктивное и емкостное сопротив­ления, как правило, во много раз больше сопротивления потерь r. Поэтому на резонансной частоте напряжения на индуктивности и емкости равны между собой и во много раз превышают входное напряжение U:

т. е. в раз превышает входное напряжение, откуда и происхо­дит название резонанс напряжений, или последова­тельный резонанс.

Величина характеризует качество контура и на­зывается добротностью контура. Чем выше добротность контура, тем больше напряжение на индуктивности и емкости по сравнению с входным напряжением.

В радиотехнических колебательных контурах значение Q состав­ляет несколько сотен, поэтому при подключении последовательного контура к источнику с напряжением, например, 10 В на индуктив­ности и емкости напряжения могут достигать несколько тысяч вольт.

В устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики используют относительно низкие частоты, при которых значение Q колебательных контуров, как правило, равно 10—50. При включении в контур сопротивления нагрузки его добротность снижается.

На относительно низких частотах основные потери энергии обус­ловлены потерями в катушках индуктивности. Энергия расходуется на нагрев обмотки (потери в меди) и сердечника (потери в стали вследствие наличия вихревых токов и явления гистерезиса). Для уменьшения потерь катушки индуктивности выполняют проводом с малым сопротивлением, а сердечник набирают из тонких пластин магнитомягкой стали. Пластины изолируют одну от другой лаком или другим непроводящим материалом. В последнее время индуктивные элементы фильтров выполняют с применением сердечников из специ­альных сплавов, обладающих малыми потерями. Снижение потерь значительно улучшает избирательные свойства колебательных кон­туров.

Как было сказано выше, при резонансе напряжений ток дости­гает максимального значения; напряжения на индуктивности и емкости также максимальны и равны между собой (они противо­положны по знаку и взаимно компенсируются). Поэтому на практике последовательный колебательный контур настраивают в резонанс по максимуму тока или максимуму напряжения на индуктивности или емкости.

Добротность контура .

При расстройке колебательного контура (изменении частоты) ток I и напряжения на индуктивности и емкости уменьшаются, так как сопротивление Z увеличивается на реактивную составляющую

Зависимость относительного изменения тока колебательного кон­тура от частоты представляет собой резонансную кривую последова­тельного колебательного контура, характеризующую его избиратель­ность.

На рис. 2.5 приведены резонансные кривые последовательного контура фильтра типа ЗБФ-1, используемого для защиты путевого реле рельсовой цепи 50 Гц от гармоник тягового тока на линиях с электротягой постоянного тока. Последовательный контур фильтра образуют (см. рис. 2.4, а) дроссель индуктивностью 2,54 Гн и конден­сатор емкостью 4 мкФ. Сопротивление потерь r фильтра на частоте 50 Гц равно примерно 60 Ом.

Рис. 2.5. Резонансные кривые фильтра ЗБФ-1

 

При резонансной частоте (50 Гц) индуктивное и емкостное сопротивления равны по значению. Реактивное сопротивление каждого из них Ом.

Таким образом, добротность контура

.

При включении последовательно с контуром реле с входным сопротивлением примерно 200 Ом добротность его значительно сни­жается и резонансная кривая становится более пологой (кривая 2) по сравнению с резонансной кривой 1 контура без подключения путевого реле, т. е. избирательность контура ухудшается. Однако ближайшие гармоники тягового тока (ближайшая из них 300 Гц) значительно удалены от резонансной частоты и даже с такой относительно низкой добротностью достигается достаточное затуха­ние гармоник тягового тока и обеспечивается защита путевого реле.

На рис. 2.6 изображена резонансная кривая последователь­ного колебательного контура, используемого в приемных устройст­вах автоблокировки с централизованным размещением аппаратуры (ЦАБ). Добротность такого контура с нагрузкой составляет пример­но 5.

Рис. 2.6. График избирательности колебательного контура с резонансной частотой 8 Гц

 

Следует отметить, что при прохождении сигналов различных частот через фильтр изменяется не только амплитуда, но и фаза сигнала. Для частот ниже резонансной сопротивление последователь­ного контура имеет емкостный характер, а для частот выше резонанс­ной — индуктивный (см. рис. 2.4, б) .

Полоса пропускания последовательного колебательного контура , т. е. полностью определяется его добротностью. В частнос­ти, для фильтра ЗБФ-1 без нагрузки 16 Гц (см рис. 2.5). Полоса пропускания контура с резонансной частотой 8 Гц составляет при­мерно 1,6 Гц (см. рис. 2.6).

 

В приведенных выше примерах последовательный колебатель­ный контур включался последовательно с нагрузкой и выполнял функции полосового фильтра. Если последовательный контур включить параллельно с нагрузкой и ввести дополнительный балластный резистор Rб (рис. 2.7), то контур будет выполнять функции заграждающего фильтра. При таком включении на резо­нансной и близких к ней частотах контур, обладая малым сопротив­лением, будет шунтировать нагрузку. Большая часть входного на­пряжения U будет падать на балластном резисторе Rб, а на на­грузочном резисторе Rн лишь малая часть его, т. е. контур будет обладать большим затуханием. При отклонении частоты от резонанс­ной контур расстраивается, его сопротивление возрастает и шунти­рующее действие уменьшается.

Рис. 2.7. Схема последовательного колебательного контура как заграждающего фильтра

 

Примером использования последовательного контура как заграж­дающего фильтра является фильтр типа ЗБ-ДСШ с резонансной частотой 50 Гц. Этот фильтр включают параллельно путевой обмотке реле ДСШ и защищают от влияния переменного тяго­вого тока промышленной частотой 50 Гц в рельсовых цепях пере­менного тока 25 Гц. Емкость конденсатора фильтра равна 12 мкф, индуктивность дросселя — примерно 0,8 Гн.

 

 

В параллельном колебательном контуре (рис. 2.8, а) индуктивность L и емкость С соединены параллельно. Сопро­тивление потерь можно было бы, как и в последовательном контуре, включить последовательно с индуктивностью или емкостью, однако в большинстве случаев эквивалентное сопротивление потерь вклю­чают параллельно контуру (рис. 2.8, б).

Рис. 2.8. Схема параллельного колебательного контура и график частотной зависимости его полного сопротивления

 

Между эквивалентным сопротивлением потерь r, включенным в последовательный контур (или внутри параллельного контура), и сопротивлением потерь R того же контура, элементы которого включены параллельно, существует зависимость:

.

Если Q=100 и r=10 Ом, то R=100²×10= 100 кОм. При резонансной частоте индуктивная и емкостная проводимости параллельного контура одинаковы по значению и противоположны по знаку, полное сопротивление Z при этом достигает максимума (рис. 2.8, в). Если бы сопротивление потерь отсутствовало, то на резонансной частоте сопротивление контура было бы бесконечно большим. Значение общего тока при этом минимально, а одинаковые по значению токи в ветвях L и С достигают максимального значения; напряжение на контуре будет также максимальным. Равенство токов в ветвях L и С соответствует резонансу токов в контуре. Поэтому параллельный колебательный контур можно на­страивать в резонанс по минимуму общего тока, по максимуму тока в ветвях L и С или по максимуму напряжения на контуре.

При настройке последовательно с контуром необходимо вклю­чать балластный резистор Rб или использовать источник с большим внутренним сопротивлением (см. рис. 2.8, б), иначе контур бу­дет зашунтирован внутренним сопротивлением источника. Условия резонанса токов для параллельного контура с достаточной для прак­тики точностью могут быть приняты те же, что и для резонанса напряжений последовательного контура, т. е. .

 

Параллельный контур, так же как и последовательный, может быть использован как полосовой или заграждающий фильтр, одна­ко его включение должно быть противоположным по сравнению с включением последовательного контура.

Если контур включают параллельно нагрузке (рис. 2.9, а) при резонансной и близких к ней частотах, сопротивление контура будет велико и сигнал будет выделяться на контуре, а значит, и на нагрузке. При всех других частотах сопротивление контура будет уменьшаться и помеха будет выделяться на балластном резисторе Rб. В этом слу­чае контур выполняет функции полосового фильтра.

Рис. 2.9. Схема параллельного контура как фильтра

 

При включении контура последовательно с нагрузкой (рис. 2.9, б) контур будет оказывать большое сопротивление току резонанс­ной и близких к ней частот, напряжение на нагрузке будет минимальным. При всех частотах сопротивление контура будет уменьшаться, и он не будет препятствовать прохождению тока в на­грузку. При таком включении контур будет выполнять роль за­граждающего фильтра для определенной полосы частот.

Параллельный колебательный контур широко используют в уст­ройствах железнодорожной автоматики и телемеханики, в частности в рельсовых цепях 25 Гц, кодируемых током 50 Гц, для взаимного разделения каналов передачи.

 

 

Рассмотренные последовательный и параллельный одиночные колебательные контуры обладают недостаточно высокой избиратель­ностью (крутизной резонансной кривой). Стремление повысить избирательность увеличением добротности контура в большинстве случаев не может быть реализовано, так как с увеличением доброт­ности уменьшается полоса пропускания . Одним из основ­ных требований к фильтрам при передаче сигналов является обес­печение заданной полосы пропускания.

Для повышения избирательности и обеспечения заданной поло­сы пропускания широко применяют фильтры, составленные из не­скольких колебательных контуров, соединенных между собой по специальным схемам. Широко распространены системы, состоящие из двух связанных контуров. Связь между контурами (рис. 2.10) в большинстве случаев применяется магнитная М (через общий магнитный поток одного из контуров). Однако в ряде случаев может быть использована емкостная (электрическая) или резисторная (гальваническая) связь.

Рис. 2.10. Связанная система колебательных контуров

 

Для повышения избирательности фильтров и получения большой крутизны затухания в ряде устройств устанавливают резонаторные фильтры. В зависимости от типов резонаторов их подразделяют на пьезоэлектрические, магнитострикционные и электромеханические. Добротность применяемых в фильт­рах пьезорезонаторов достигает 30000, механических—10000, а магнитострикционных — 5000. Пьезоэлектрические и магнитострик­ционные фильтры используют на относительно высоких частотах.

В устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики практическое применение нашли электромеханические фильтры с резонаторами в виде камертонов, поэтому их называют также камертонными фильтрами. Их используют для работы в области час­тот от 300 до 20 000 Гц. Камертонные фильтры применяют в переезд­ной сигнализации с использованием рельсовых цепей наложения тональной частоты, в системе ЧДК и ряде других устройств.

 

Камертонный фильтр (рис. 2.11) представляет собой сдвоенный камертонный резонатор К, ножки которого находятся под воздейст­вием магнитных полей постоянного магнита NS и переменного, создаваемого катушкой L1 с сердечником. Частота собственных колебаний камертона определяется его размерами и зависит от материала, из которого он сделан.

Рис. 2.11. Схема камертонного фильтра

 

Если к одной из обмоток возбуждения (например L1) подклю­чить источник переменного тока, магнитный поток будет изменяться с частотой возбуждающего тока, что вызовет колебание ножек камертона. Благодаря упругой связи колебания передаются другому концу камертона, колебания которого изменяют магнитный поток, пронизывающий обмотку катушки L2, в результате чего в ней возни­кает э.д.с. с частотой колебания ножек камертона. Амплитуда колеба­ний камертона и значение э.д.с. выходной катушки имеют макси­мальное значение, если частота возбуждающего сигнала совпадает с собственной (резонансной) частотой колебаний камертона.

Частотная характеристика камертонного фильтра (избиратель­ность) аналогична кривой LС-фильтра с двумя связанными конту­рами, однако его избирательность значительно выше избиратель­ности связанной системы колебательных контуров.

В устройствах переездной сигнализации применяют камертонные фильтры в диапазоне частот от 1500 до 2000 Гц, а в системе ЧДК — от 300 до 1500 Гц. Ширина полосы пропускания фильтров равна примерно 0,5 % от несущей частоты сигнала. Камертонные фильтры обладают высокой избирательностью и хорошей температур­ной стабильностью. К недостаткам камертонных фильтров следует отнести трудность их настройки, особенно при использовании слож­ных фильтров.

RC - фильтры применяют наряду с LС - и резонаторными фильтра­ми. Элементами RC -фильтров являются резисторы и конденсаторы. Их использование особенно целесообразно на инфранизких часто­тах (от нескольких десятков до десятых и сотых долей герца). Объяс­няется это тем, что добротности катушек индуктивности на этих частотах низки, а значения L и С высоки. Резонаторные фильтры при низких частотах также не могут быть использованы. В то же время RC-фильтры не могут быть построены с хорошей избира­тельностью, так как RC - цепи не обладают резонансными свойствами. Этот недостаток может быть устранен применением активных RC-фильтров, включающих в себя усилитель с положительной или от­рицательной обратной связью, в зависимости от типа фильтра. Од­нако наличие усилителя и связанная с этим необходимость ис­точника питания усложняют фильтр.

RC-фильтры обладают и другим существенным недостатком — исправность их элементов не контролируется, поэтому RC-фильтры в устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики приме­няют ограниченно.

 

Вопросы для самоконтроля по пункту: