Датчики в устройствах железнодорожной автоматики

Категория: Статьи

Применяемые с системах железнодорожной автоматики и телемеханики датчики в зависимости от их функционального назначения можно разделить на две группы: информационные и датчики импульсов.

Информационные датчики в зависимости от характера (вида) информации, представляемой выходными сигналами, можно разделить на датчики состояния и параметрические датчики.

Датчики состояния формируют информацию о состоянии объектов управления и контроля в виде «объект включен - объект выключен», «участок занят - участок свободен», «сигнал есть - сигнала нет», «параметр в норме - параметр не в норме», «объект исправен - объект неисправен» и т.п.

К этому классу относятся рельсовые цепи, датчики прохода колес и датчики контроля габарита подвижного состава, датчики наличия транспортных средств в зоне контроля, различные пороговые датчики, реагирующие на достижение контролируемыми параметрами определенных (пороговых) значений, и др. Простейшим информационным датчиком является электромагнитное реле.

Параметрические (измерительные) датчики формируют информацию о значениях параметров объектов управления и контроля. К этому классу относятся измерители скорости, веса, температуры, различных электрических параметров и др.

Датчики импульсов формируют (вырабатывают) сигналы, необходимые для работы различных устройств автоматики и телемеханики. К этому классу относятся маятниковые трансмиттеры, кодовые путевые трансмиттеры, генераторы импульсов и др.

Выходная информация датчиков, используемых в системах железнодорожной автоматики и телемеханики, представлена в виде электрических сигналов. В зависимости от способа преобразования входной информации, иначе говоря, в зависимости от вида (физической природы) входных сигналов датчики можно классифицировать.

Среди магнитных датчиков можно выделить индуктивные и индукционные. Принцип действия индуктивных датчиков заключается в изменении индуктивности (коэффициента самоиндукции) катушки с сердечником вследствие изменения магнитного сопротивления ее магнитной цепи. Магнитное сопротивление изменяется либо при воздействии ферромагнитной массы колеса (оси), либо в результате изменения значения силы электрического тока, создающего магнитное поле. Принцип действия индукционных датчиков основан на явлении электромагнитной индукции: при воздействии ферромагнитной массы колеса на связующее магнитное поле изменяется значение магнитного потока, в результате чего в катушке с сердечником индуцируется ЭДС.

Индукционные датчики, получившие наибольшее распространение в системах ЖАТ, имеют две основные разновидности — магнитоиндукционные и индукционные электромагнитные. У магнитоиндукционных датчиков связующее магнитное поле постоянное, его источником является постоянный магнит. У индукционных электромагнитных датчиков связующее магнитное поле переменное, его источником является источник переменного напряжения (тока).

По принципу построения схем обработки выходных сигналов индукционные электромагнитные датчики называют датчиками дифференциально-трансформаторного типа.

В зависимости от способа коммутации электрических цепей датчики можно разделить на контактные и бесконтактные.

Датчики также можно разделить на пассивные (для работы датчика необходим внешний источник питания) и активные (датчик работает без внешнего источника питания).

Устройство и принципы работы некоторых датчиков, широко используемых в системах и устройствах СЦБ.

Датчики прохода колес применяются в системах, где требуется подсчет количества осей подвижного состава - в устройствах контроля подвижного состава на ходу поезда (ПОНАБ, ДИСК, КТСМ), устройствах автоматизации сортировочных горок, а также в системах контроля свободного состояния участков пути методом счета осей (УКП СО, ЭССО). Датчик устанавливается внутри колеи на подошве рельса и вырабатывает электрический сигнал при проходе колесной пары через контрольную точку - точку установки датчика (при проходе колеса над датчиком).

В системах контроля подвижного состава на ходу поезда применяются в основном датчики магнитоиндукционного типа ПБМ-56, ДМ-88, ДМ-95М, ДМ-99, ШМП-93, реже - датчики автогенераторного типа Д50 и датчики электронные ДАС; на сортировочных горках - ПБМ-56 и датчики ДП50-80, а также индуктивно-проводные датчики ИПД; в системе УКП СО - датчики ДПЭП; в системе ЭССО - датчики ДПВ-02 (три последних датчика - индукционные электромагнитные).

Магнитоиндукционный датчик работает следующим образом. При отсутствии колеса в зоне установки датчика магнитный поток постоянного магнита замкнут через крепежное устройство, рельс и воздушный зазор между головкой рельса и одним из полюсов. При проходе гребня колеса в воздушном зазоре происходит изменение магнитного потока следующим образом: сначала, когда величина воздушного зазора уменьшается, магнитный поток увеличивается и достигает своего максимального значения в момент нахождения центра колеса над центром датчика; затем, когда величина воздушного зазора увеличивается, магнитный поток уменьшается и достигает исходного значения в момент выхода колеса из воздушного зазора (из зоны действия датчика). При возрастании магнитного потока в катушке индуцируется ЭДС, создающая импульс напряжения колоколообразной формы положительной полярности; при убывании магнитного потока индуцируемая в катушке ЭДС создает импульс напряжения отрицательной полярности. Амплитуда и длительность выходных сигналов датчика определяются скоростью изменения магнитного потока (т.е. скоростью движения колеса): амплитуда импульса прямо пропорциональна, а длительность импульса обратно пропорциональна скорости движения колеса. Выходной сигнал датчика поступает на исполнительный элемент, который при воздействии импульса положительной полярности вырабатывает сигнал прохода колесной пары, а при воздействии импульса отрицательной полярности возвращается в исходное состояние.

Датчик ШМП-93 отличается от других датчиков наличием в магнитной головке двух катушек с магнитами.

Принцип действия датчиков автогенераторного типа Д50 основан на срыве автогенерируемых колебаний при заходе колеса в зону чувствительности датчика (250—300 мм над центром датчика).

Электронные датчики ДАС (датчик адаптирующийся считывающий), ДАС-А (датчик адаптирующийся считывающий, аналоговый) и ДАС-А+ (датчик адаптирующийся считывающий, аналоговый, положительной полярности) имеют рад отличительных особенностей. Внутри магнитной головки датчика находится электронная схема, залитая специальным компаундом. Основными элементами электронной схемы являются высокостабильный питающий генератор с частотой 65 кГц, индуктивный чувствительный мост, пороговое устройство и система адаптации к условиям окружающей среды. Подключение питающего генератора к индуктивному мосту и подключение чувствительной диагонали моста к пороговому устройству осуществляется через согласующие трансформаторы. При проходе колеса в зоне действия датчика происходит разбалансирование моста, вызванное изменением индуктивности его активных катушек и потерями на вихревые токи, возникающие в колесе. Срабатывает пороговое устройство и формирует на выходе датчика импульс отрицательной (прямоугольный у ДАС и колоколообразный у ДАС-А) или положительной (колоколообразный у ДАС-А+) полярности.

Индукционный электромагнитный (дифференциально-трансформаторный) датчик ДП50-80 состоит из магнитной головки, регулировочных прокладок, платформы и крюкового болта. Внутри магнитной головки установлены два стержневых магнитопровода — сигнальный и компенсирующий.

Внутри магнитной головки индукционного электромагнитного датчика ДПВ-02 системы ЭССО расположены две пары катушек. Обмотки катушек включены встречно для компенсации ЭДС, наводимых тяговым током. Переменным током источника питания в обмотках наводится ЭДС, изменяющаяся при прохождении гребня колеса над катушкой. Для определения направления движения поезда частоты токов, наводящих ЭДС в каждой паре катушек, различны (50 и 150 кГц). Устройство датчиков дифференциально-трансформаторного типа позволяет осуществлять контроль их положения относительно рельса: смещение датчика вызовет изменение значений магнитных потоков, а следовательно, и изменение уровня сигнала расстройки, что приведет к появлению на выходе схемы преобразования (выделения) отличного от нуля сигнала.

Датчик индуктивного типа представляет собой катушку со стальным сердечником, помещенную в корпус из немагнитного материала. Датчик крепится вплотную к рельсу - под подошвой или к шейке. Датчик работает следующим образом. Ток, протекающий по рельсу, создает магнитное поле, магнитный поток которого индуцирует в катушке ЭДС. Значение ЭДС, а следовательно, уровень выходного сигнала датчика, пропорционально значению силы тока, протекающего по рельсу. Выходной сигнал датчика подается на исполнительный элемент, который включается или выключается в зависимости от уровня сигнала.

Индуктивно-проводной датчик ИПД применяется на сортировочных горках для определения состояния (свободное или занятое) контрольных предстрелочных участков и для обнаружения отцепов в системе контроля заполнения путей парка формирования поездов (подгорочного парка). Составными частями ИПД являются электронный блок, установленный в трансформаторном ящике типа ТЯ-2, и шлейф, расположенный внутри колеи. Шлейф подключен к входу электронного блока, к выходу электронного блока подключено контрольное реле ИП, расположенное в релейном помещении. ИПД работает следующим образом. Генератор гармонических колебаний, входящий в состав электронного блока, вырабатывает сигнал на определенной частоте. При свободном контролируемом участке электронный блок формирует и подает сигнал управления (напряжение, достаточное для притяжения якоря) на обмотку реле ИП, которое встает под ток. Шлейф, подключенный к входу генератора гармонических колебаний, является чувствительным элементом датчика. При вступлении подвижной единицы на контролируемый участок колесные пары и рельсы образуют короткозамкнутый виток, который является нагрузкой генератора. В результате изменяются частота и амплитуда сигнала, вырабатываемого генератором, и электронный блок прекращает подачу напряжения на обмотку реле ИП, которое отпускает якорь.

На сортировочных горках также применяются оптические и радиотехнические датчики обнаружения подвижных единиц, фиксирующие факт нахождения подвижной единицы в определенной зоне контролируемого участка.

Основными элементами ФЭУ являются: источник излучения - осветитель, состоящий из питающего трансформатора, осветительной (светофорной) лампы и линзы; фотодатчик на основе фоторезистора; схема управления; исполнительный элемент. При отсутствии подвижной единицы в зоне контроля световой поток (направленный луч света) осветителя воспринимается фотодатчиком. Через фоторезистор протекает ток, и схема управления вырабатывает сигнал включения исполнительного элемента. При перекрытии подвижной единицей светового луча освещенность фоторезистора резко уменьшается, протекание тока через него прекращается и схема управления выключает исполнительный элемент, фиксируя занятость контролируемого участка. У фотоэлектрических устройств в качестве источника излучения могут использоваться излучатели волн в различных диапазонах, например, маломощные лазеры или генераторы инфракрасного излучения.

Радиотехнические датчики обнаружения подвижных единиц работают в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне электромагнитных волн. Основными элементами датчика типа РТД-С являются: передающий модуль в составе генератора модулирующего сигнала, генератора СВЧ-колебаний (частотой 9,8 ГГц) и передающей антенны; приемный модуль в составе приемной антенны, усилителя-ограничителя и устройства фиксации.

На сортировочных горках в качестве датчиков скорости движения отцепов по тормозным позициям используются радиолокационные измерители скорости (РИС) РИС-В2, РИС-ВЗ, РИС-ВЗМ. Принцип действия РИС основан на использовании эффекта Допплера, сущность которого в том, что сигнал (электромагнитные колебания), отраженный от движущегося объекта, изменяет свою частоту на значение, пропорциональное скорости движения. РИС работает следующим образом. Приемопередающий модуль генерирует электромагнитные колебания в СВЧ-диапазоне (частотой 37,5 ГГц) и при помощи антенны излучает их в направлении движущеюся объекта. Эта же антенна воспринимает отраженный от объекта сигнал, который выделяется приемопередающим модулем и обрабатывается модулем обработки. По разности частот переданного и принятого сигналов определяется скорость движения объекта.

Радиолокационные датчики также используются в качестве датчиков обнаружения транспортных средств на переездах, оборудованных устройствами заграждения УЗП. Датчики производят ультразвуковую локацию зон крышек устройства заграждения с последующей обработкой отраженных сигналов. Основными элементами датчика являются ультразвуковой пьезокерамический преобразователь, генератор зондирующих импульсов, усилитель отраженных сигналов и схема временной обработки этих сигналов, выделяющая только сигналы, отражающиеся от предметов, находящихся в контролируемой зоне.

Устройства контроля схода подвижного состава УКСПС предназначены для обнаружения в составе поезда сошедших с рельсов колесных пар или свисающих частей, выходящих за пределы нижнего габарита и способных повредить элементы пути или напольное оборудование (стрелочные электроприводы, светофоры, путевые ящики). Напольный датчик УКСПС является датчиком механического типа и конструктивно состоит из пяти металлических кронштейнов с полками (уголков), расположенных снаружи и внутри рельсовой колеи на деревянной шпале или на специальной платформе, установленной в межшпальном пространстве. Исполнительным элементом, фиксирующим состояние датчика, является контрольное реле КС, которое получает питание от источника по цепи, проходящей через все пять уголков. При механическом воздействии элементов подвижного состава (ударе) происходит излом кронштейна, что приводит к разрыву цепи питания контрольного реле. Реле отпускает якорь, чем фиксируется срабатывание датчика УКСПС. Существенным эксплуатационным недостатком датчика УКСПС является необходимость его восстановления после каждого срабатывания (механического воздействия), что требует значительных временных затрат, связанных с прибытием обслуживающего персонала к месту установки перегонного оборудования. С целью устранения этого недостатка разработаны и внедряются на сети железных дорог устройства контроля нарушения нижнего габарита подвижного состава многоразового действия СКВП-2.

К датчикам механического типа также относятся весомеры, применяющиеся на сортировочных горках для определения весовых категорий отцепов. Основными элементами весомера являются взвешивающий элемент (шарнирный мостик), рычажная система, контактная система, содержащая шесть пар контактов, возвратная пружина. Принцип действия весомера состоит в следующем. При проходе колеса по взвешивающему элементу последний прогибается и приводит в движение рычажную систему, которая воздействует на контактную систему. В зависимости от глубины прогиба, определяющейся усилием нажатия колеса на взвешивающий элемент, замыкаются от одной до шести пар контактных пружин, фиксируя весовую категорию отцепа. В исходное положение рычажная система весомера возвращается под действием возвратной пружины.

Кроме рассмотренных, в системах и устройствах СЦБ используются другие информационные датчики различных типов и различного функционального назначения - датчики температуры, скорости, напряжения и др.

В качестве датчиков импульсов в системах и устройствах СЦБ широко используются маятниковые и кодовые путевые трансмиттеры. Маятниковые трансмиттеры (МТ) вырабатывают равномерные импульсы тока. Основными элементами МТ являются магнитопровод с двумя обмотками, ось с закрепленными на ней якорем, маятником и кулачковыми шайбами, контакты (управляющий УК и рабочие 31-32,41-42).

Кодовые путевые трансмиттеры (КПТ) разделяются на контактные и бесконтактные. В системах СЦБ применяются следующие типы контактных кодовых путевых трансмиттеров: КПТШ-515, КПТШ-715, КПТШ-1115, КШ111-1315, работающие от напряжения частотой 50 Гц; КПТШ-815, КПТШ-915, КПТШ-1015, работающие от напряжения частотой 75 Гц (до 1976 г. выпускались трансмиттеры типов КПТШ-5, КПТШ-7 и т.д., в 1976—78 гг. — трансмиттеры типов КПТШ-5М, КПТШ-7М и тд.). Буква Ш в обозначении типа трансмиттера указывает на штепсельное исполнение соединительного разъема. Наиболее широко распространены трансмиттеры типов КПТШ-515 (КПТШ-5) и КПТШ-715 (КПТШ-7). Основными элементами КПТШ являются: асинхронный однофазный электродвигатель, ротор которого имеет коротко замкнутую обмотку, а статор - две обмотки, смещенные на угол 90°; редуктор, кулачковые шайбы, закрепленные на оси; контактная система. Контактная система состоит из двух групп контактов — 31, Ж1, КЖ1 и 32, Ж2, КЖ2.

КПТШ работает следующим образом. При подаче питающего напряжения 220 В ротор электродвигателя под воздействием переменного магнитного поля, создаваемого обмотками статора, начинает вращаться со скоростью 982 оборота в минуту (об/мин) при частоте питающего напряжения 50 Гц или со скоростью 1473 об/мин при частоте 75 Гц. Редуктор снижает частоту вращения соответственно до 30,8 или 36,5 об/мин и с такой скоростью вращает ось с кулачковыми шайбами. Время полного оборота кодовой шайбы называется кодовым циклом. Кулачковые шайбы имеют по окружности разное число выступов, соответствующих количеству импульсов кода. При вращении шайбы своими выступами замыкают и размыкают контакты. Каждая шайба замыкает две пары контактов. Замкнутое состояние контактов соответствует импульсу кодовой комбинации, разомкнутое - межимпульсному интервалу. Таким образом, кодовая комбинация КЖ состоит из одного импульса, кодовая комбинация Ж - из двух импульсов, кодовая комбинация 3 - из трех импульсов. В течение одного кодового цикла вырабатываются по одной кодовой комбинации Ж и 3 и две КЖ. По продолжительности кодового цикла контактные КПТ разделяются на две группы: с нормальной продолжительностью цикла, равной 1,6 с, и с увеличенной продолжительностью цикла, равной 1,86 с.

Бесконтактные кодовые путевые трансмиттеры имеют две модификации - БКПТ-5 и БКПТ-7, отличающиеся продолжительностью кодового цикла (соответственно 1,6 и 1,92 с), длительностями импульсов и интервалов. В отличие от КПТШ, у БКПТ отсутствуют электродвигатель и контактная система, а кодовые импульсы формируются логическими схемами, выполненными на полупроводниковых элементах и интегральных микросхемах. Внешнее питание БКПТ осуществляется напряжением 220 В частотой 50 Гц, которое преобразуется блоком питания в постоянное напряжение ±12 В, необходимое для работы элементов трансмиттера.

В состав аппаратуры электропитающих установок постов электрической централизации входят датчики импульсов бесконтактные ДИБ. ДИБ предназначен для импульсного питания различных цепей и элементов и вырабатывает следующие последовательности импульсов: длительностью 1 с (с интервалами 0,5 с); длительностью 0,5 с (с интервалами 1 с); длительностью 0,5 с (с интервалами 0,5 с). Датчик ДИБ выполнен на полупроводниковой элементной базе (транзисторы, диоды, стабилитроны). В последние годы разработаны и применяются датчики импульсов микроэлектронные — ДИМ-1, предназначенный для замены маятниковых трансмиттеров МТ-1, МТ-2, и ДИМ-2, предназначенный для замены датчиков ДИБ.

Просмотров: 1313