PL229703B1 - Zintegrowany układ czujnika do wykrywania koła pojazdu szynowego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest zintegrowany układ czujnika do wykrywania koła pojazdu szynowego, znajdujący zastosowanie szczególnie na stacjach i liniach kolejowych do wykrywania niezajętości odcinków torowych, w celu prowadzenia ruchu pojazdów szynowych. Układ czujnika do wykrywania koła pojazdu szynowego, zaopatrzony w dwukanałową głowicę czujnika koła pojazdu szynowego, zawierającą we wspólnej obudowie moduły zasilające, komunikacyjne, pomiarowe, moduły decyzyjne analizy zmian parametrów, umieszczonych jeden za drugim wzdłuż szyny modułów cewek, charakteryzuje się tym, że w każdym kanale czujnika (CK) znajdują się moduły cewek (MC_A) i odpowiednio (MC_B) jednokierunkowo połączone z modułami pomiarowymi (MP_A) i odpowiednio (MP_B), z którymi z kolei są połączone dwukierunkowo moduły decyzyjne (MD_A) i odpowiednio (MD_B). Do wejść układów decyzyjnych (MD_A) i (MD_B) są przyłączone moduły pomiaru temperatury (PT_A) i odpowiednio (PT_B) oraz moduły pomiaru parametrów drgań mechanicznych (PP_A) i (PP_B). Kanały (A i B) są zasilane odpowiednio z bloków zasilania (MZ_A) i (MZ_B) podłączonych do linii zasilania (P), z tym, że moduły decyzyjne (MD_A) oraz (MD_B) są połączone z sobą dwukierunkowym interfejsem cyfrowym, natomiast dodatkowo moduł decyzyjny (MD_A) jest połączony dwukierunkowym interfejsem cyfrowym (IMD) z modułem komunikacyjnym (MT) do komunikacji czujnika koła z systemem nadrzędnym poprzez linię transmisji (D).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zintegrowany układ czujnika do wykrywania koła pojazdu szynowego, znajdujący zastosowanie szczególnie na stacjach i liniach kolejowych do wykrywania niezajętości odcinków torowych w celu prowadzenia ruchu pojazdów szynowych.

Aktualnie stosowane systemy do wykrywania niezajętości odcinków torowych wykorzystują obwody torowe, czujniki koła, pętle indukcyjne.

W stosowanych dotychczas przez firmę BOMBARDIER systemach wykrywania niezajętości toru kolejowego są wykorzystywane czujniki koła ELS-95, których działanie opiera się na analizie za pomocą modułu elektroniki przytorowej sygnału z głowicy odbiorczej znajdującej się w obszarze pola magnetycznego wytwarzanego przez głowice nadawczą, przy czym głowice te są zamontowane po przeciwległych stronach szyny.

Z polskiego opisu patentowego nr PL199810 jest znana zespolona dwukanałowa głowica czujnika koła pojazdu szynowego mająca w istocie głowicę nadawczą z dwoma zespołami rezonansowymi pojemnościowo-indukcyjnymi w układzie rezonansu równoległego i czterocewkową głowicę odbiorczą, której pary cewek są usytuowane asymetrycznie względem cewek głowicy nadawczej. Taki układ cewek głowicy odbiorczej zapewnia odpowiednie kształtowanie obwiedni sygnału podczas przejazdu różnych kół: małych, nietypowych, bądź odsuniętych od główki szyny oraz przesunięcie punktu pracy w kierunku wyższych częstotliwości skutkujące zmniejszeniem energii składowych zakłócającego pola elektromagnetycznego.

Z innego polskiego opisu patentowego o numerze PL209435 jest znany układ elektroniki przytorowej czujnika koła pojazdu szynowego, składający się z części nadawczej z głowicami nadawczymi i z części odbiorczej z głowicami odbiorczymi, wyposażony w układ mikroprocesorowy.

Obie części nadawcza i odbiorcza są wyposażone w modulatory sterowane sygnałami z układu mikroprocesorowego, przy czym modulator części odbiorczej jest połączony ze wzmacniaczem wstępnym, którego zmiana wzmocnienia jest sterowana z układu mikroprocesorowego. Wzmacniacz wstępny jest połączony z kolei z układem mnożącym sygnał wejściowy z głowic odbiorczych z sygnałem sterującym z układu mikroprocesorowego. Układ mnożący jest połączony dalej z następnym układem mnożącym sygnał wejściowy z głowic odbiorczych z sygnałem zasilającym głowice nadawcze, modyfikowanym w przesuwniku fazowym sterowanym z układu mikroprocesorowego. Sygnał z drugiego układu mnożącego jest podawany na układ sumatora sygnału wejściowego z głowic odbiorczych i sygnału z układu mikroprocesorowego.

Innym rozwiązaniem konstrukcyjnym stosowanym w czujnikach koła jest konstrukcja składająca się tylko z jednej głowicy zamontowanej do szyny umożliwiającej wykrycie przejazdu obrzeża koła. Najczęściej zasada działania jednostronnych czujników koła opiera się na zmianach parametrów elektrycznych obwodów elektrycznych, na przykład obwodów rezonansowych zabudowanych w ich wnętrzu, w obecności przewodnika elektrycznego. Wyżej wspomniana zasada działania czujnika koła z pojedynczą głowicą jest także powszechnie wykorzystywana w konstrukcjach czujników metalu w wielu gałęziach przemysłu. Przykład takiego rozwiązania technicznego zawiera opis PL/EP 1479587, zgodnie z którym dwa niezależne czujniki indukcyjne są umieszczone we wspólnej obudowie, jeden za drugim, w kierunku wzdłużnym szyn kolejowych. Każdy układ czujników składa się z cewki czujnika z/lub bez stalowego rdzenia oraz z układu oscylatora. Cewka czujnika wraz z kondensatorem stanowi obwód drgający, tworzący zmienne pole magnetyczne w jego otoczeniu. Z chwilą, gdy obrzeże koła trafi do obszaru działania cewki czujnika, obwód drgający zostanie stłumiony w wyniku pozbawienia go energii przez stalowe obrzeża koła poprzez straty wiroprądowe. W efekcie zmianie ulega amplituda napięcia lub częstotliwość obwodu drgającego, co w większości obwodów czujnika przekłada się na zmianę poboru prądu w przypadku układu czujnika. Ten sygnał prądowy jest przekazywany łączem dwuprzewodowym do urządzenia wewnętrznego instalacji bezpieczeństwa i tam, przykładowo z wykorzystaniem układów komparatora, jest przekształcany w sygnały sterujące, po czym jest kierowany do dalszego przetwarzania, z uwzględnieniem różnych zadań w ramach instalacji bezpieczeństwa.

Wynalazek dotyczy czujnika koła pojazdu szynowego montowanego przy główce szyny, służącego do wykrywania przejazdu obrzeża koła pojazdu szynowego i wysyłającego informację o przejeździe koła do systemu nadrzędnego, przykładowo systemu stacyjnego, systemu przejazdu kolejowego lub systemu blokady liniowej. Zapewnienie poprawnej i bezpiecznej pracy czujnika koła wymaga utrzymania stabilnych parametrów pracy czujnika koła w całym zakresie zmian warunków środowiskowych występujących w przy szynie. Zmiany temperatury oraz wibracje to czynniki środowiskowe

PL 229 703 B1 mające wpływ na pracę czujników koła zamontowanych do szyny kolejowej. Istotną cechą czujnika koła jest jego odporność na zakłócenia elektromagnetyczne występujące w obszarze przytorowym. Ze względu na dużą liczbę odmian szyn i różny stopień zużycia szyn, do których może być montowany czujnik koła, istnieje potrzeba adiustacji parametrów pracy czujnika koła w miejscu montażu czujnika. Adiustacja czujnika koła powinna zapewnić deklarowane przez producenta parametry pracy urządzenia na typach szyn określonych przez producenta.

Zgodny z wynalazkiem układ elektryczny bloku czujnika koła jest układem dwukanałowym, a w każdym kanale czujnika znajduje się moduł cewek, który jest połączony jednokierunkowo z modułem pomiarowym, z którym z kolei jest połączony dwukierunkowo moduł decyzyjny. Do wejść układów decyzyjnych są przyłączone moduły pomiaru temperatury oraz moduły pomiaru parametrów drgań mechanicznych. Obydwa kanały czujnika są zasilane z niezależnych bloków zasilania podłączonych do linii zasilania. Moduły decyzyjne są z sobą połączone dwukierunkowym interfejsem cyfrowym, natomiast dodatkowo moduł decyzyjny pierwszego kanału jest połączony dwukierunkowym interfejsem cyfrowym z modułem komunikacyjnym dla zapewnienia komunikacji czujnika koła z systemem nadrzędnym przez linię transmisji. W module cewek pierwszego kanału wyróżnia się dwa obwody, oddziałujące na siebie za pomocą cewek rozmieszczonych wzdłuż główki szyny. W module cewek drugiego z kanałów czujnika połączenie i układ geometryczny odpowiednich cewek są takie same jak opisane dla kanału pierwszego. W module cewek pierwszego kanału czujnika tylko jeden z obwodów jest podłączony do wyjścia wzmacniacza i jest zasilany sygnałem z wyjścia wzmacniacza. Z kolei sygnał wejściowy dla wzmacniacza jest pobierany z wyjścia modułu decyzyjnego. Informacja o mocy pobieranej drogą zasilania przez wzmacniacz, poprzez moduł pomiaru mocy jest przekazywana do modułu decyzyjnego. Informacja o parametrach sygnału wyjściowego ze wzmacniacza, poprzez moduł pomiaru parametrów jest przekazywana do modułu decyzyjnego. Z kolei w module cewek drugiego kanału czujnika tylko jeden z obwodów jest podłączony do wyjścia wzmacniacza tego kanału i jest zasilany sygnałem wyjściowym z tego wzmacniacza. Sygnał wejściowy dla wzmacniacza jest pobierany z wyjścia modułu decyzyjnego tego kanału. Informacja o mocy pobieranej drogą zasilania przez wzmacniacz, poprzez moduł pomiaru mocy tego kanału jest przekazywana do modułu decyzyjnego. Informacja o parametrach sygnału wyjściowego ze wzmacniacza tego kanału, poprzez moduł pomiaru parametrów jest przekazywana do modułu decyzyjnego tego kanału czujnika.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 ukazuje blokowy schemat modułów układu czujnika do wykrywania koła pojazdu szynowego, fig. 2 schemat blokowy modułu cewek wraz ze schematem blokowym modułu pomiarowego w każdym z kanałów czujnika, a fig. 3 przedstawia rozmieszczenie modułów cewek oraz elementów indukcyjnych względem szyny.

Jak pokazano na rysunku układ elektryczny bloku czujnika koła CK jest układem dwukanałowym. Podział czujnika koła CK na dwa kanały A i B przedstawiono na fig. 1 rysunku. W każdym kanale czujnika CK znajdują się moduły cewek MC_A i odpowiednio MC_B połączone jednokierunkowo z modułami pomiarowymi MP_A i odpowiednio MP_B, z którymi z kolei są połączone dwukierunkowo moduły decyzyjne MD_A i odpowiednio MD_B. Do wejść układów decyzyjnych MD_A i MD_B są przyłączone moduły pomiaru temperatury PT_A i odpowiednio PT_B oraz moduły pomiaru parametrów drgań mechanicznych PP_A i odpowiednio PP_B, przy tym kanały A i B są zasilane odpowiednio z bloków zasilania MZ_A i MZ_B podłączonych do linii zasilania P. Moduły decyzyjne MD_A oraz MD_B są połączone z sobą dwukierunkowym interfejsem cyfrowym IMD, natomiast dodatkowo moduł decyzyjny MD_A jest połączony dwukierunkowym interfejsem cyfrowym z modułem komunikacyjnym MT co zapewnia komunikację czujnika koła z systemem nadrzędnym przez linię transmisji D. Kanał A czujnika zawiera moduł cewek MC_A, kanał B czujnika zawiera moduł cewek MC_B. Schematy blokowe modułów cewek pokazano na fig. 2 rysunku. W module cewek MC_A pierwszego kanału wyróżnia się dwa obwody O1_A, O2_A oddziałujące na siebie za pomocą cewek L1A i L2A rozmieszczonych wzdłuż główki szyny SZ i wzdłuż obrzeża koła K, jak przedstawiono na fig. 3 rysunku. Takie usytuowanie zapewnia kompensację wpływu pola magnetycznego generowanego przez prąd płynący w szynie oraz urządzenia taboru kolejowego. W module cewek MC_B podłączenie odpowiednich obwodów O1_B, O2_B oraz układ geometryczny odpowiednich cewek L1B, L2B są takie same jak w module MC_A. W module cewek MC_A tylko jeden z obwodów O1_A jest podłączony do wyjścia wzmacniacza WM_A i jest zasilany sygnałem SWM_A, zgodnie ze schematem blokowym pokazanym na fig. 2 rysunku. Sygnał wejściowy SMM_A dla wzmacniacza WM_A jest pobierany z wyjścia modułu decyzyjnego MD_A, co w uproszczeniu przedstawiono na fig. 2 rysunku. Informacja WPM_A o warto4

PL 229 703 B1 ści mocy pobieranej drogą zasilania ZWM_A przez wzmacniacz WM_A, poprzez moduł pomiaru mocy PM_A jest przekazywana do modułu decyzyjnego MD_A, co przedstawiono na fig. 2 rysunku. Informacja WAM_A o parametrach sygnału wyjściowego SWM_A ze wzmacniacza WM_A, poprzez moduł pomiaru parametrów PAM_A jest przekazywana do modułu decyzyjnego MD_A, co schematycznie przedstawiono na fig. 2 rysunku. W module cewek MC_B tylko jeden z obwodów O1_B jest podłączony do wyjścia wzmacniacza WM_B i jest zasilany sygnałem SWM_B, zgodnie ze schematem blokowym pokazanym na fig. 2 rysunku. Sygnał wejściowy SMM_B dla wzmacniacza WM_B jest pobierany z wyjścia modułu decyzyjnego MD_B, co schematycznie przedstawiono na fig. 2 rysunku. Informacja WPM_B o wartości mocy pobieranej drogą zasilania ZWM_B przez wzmacniacz WM_B, poprzez moduł pomiaru mocy PM_B jest przekazywana do modułu decyzyjnego MD_B, jak przedstawiono na fig. 2 rysunku. Informacja WAM_B o parametrach sygnału wyjściowego SWM_B ze wzmacniacza WM_B, poprzez moduł pomiaru parametrów PAM_B jest przekazywana do modułu decyzyjnego MD_B, co schematycznie przedstawiono na fig. 2 rysunku. W module cewek pierwszego kanału MC_A wyróżnia się transformator L1A-L2A jak przedstawiono na fig. 3 rysunku. Transformator L1A-L2A uzyskano przez nawinięcie uzwojeń cewek L1A i L2A na wspólnym karkasie. Analogicznie w module cewek drugiego kanału MC_B wyróżnia się transformator L1B-L2B co również przedstawiono na fig. 3 rysunku. Transformator L1B-L2B uzyskano przez nawinięcie uzwojeń cewek L1B i L2B na wspólnym karkasie.

Prawidłowe zamocowanie czujnika koła oraz niezmienność położenia czujnika koła w czasie normalnej pracy czujnika jest warunkiem poprawnego i bezpiecznego działania tego urządzenia. Normalna praca czujnika koła rozpoczyna się po wykonaniu zdefiniowanej przez producenta procedury adiustacji urządzenia.

Konstrukcja obudowy oraz umocowania czujnika koła do szyny zapewnia, iż transformatory L1A-L2A, L1B-L2B są umieszczone w linii równoległej do szyny, umożliwiając skuteczną kompensację zaburzeń pochodzących od pola magnetycznego wytwarzanego przez płynący w szynie prąd, co schematycznie przedstawiono na fig. 3 rysunku. Konstrukcja obudowy oraz umocowania czujnika koła do szyny pozwala na umieszczenie transformatorów L1A-L2A, L1B-L2B przy główce szyny, po stronie przejazdu obrzeża koła, jak przedstawiono na fig. 3 rysunku. Odległość transformatorów od główki szyny określa producent. Nadto, konstrukcja obudowy oraz umocowania czujnika koła do szyny zapewnia, możliwość ustawienia obudowy czujnika koła w określonej przez użytkownika minimalnej odległości od wierzchołka główki szyny, zapewniając bezkolizyjną pracę czujnika koła w czasie przejazdu kół. Montaż czujnika do szyny w pozycji określonej przez producenta, polegający na umieszczeniu transformatorów L1A-L2A, L1B-L2B w określonej odległości od główki szyny, skutkuje ustaleniem wartości parametrów elektrycznych obwodów w modułach cewek MC_A, MC_B oraz ustaleniem wskazań wartości mocy pobieranej WPM_A, WPM_B. Utrzymanie niezmiennej pozycji czujnika koła przez zastosowanie stabilnej konstrukcji umocowania czujnika koła zapewnia utrzymanie stałych wartości parametrów elektrycznych obwodów w modułach cewek MC_A, MC_B oraz stałych wskazań wartości mocy pobieranej WPM_A, WPM_B w czasie między adiustacją a przeglądem okresowym urządzenia. Umożliwia to zastosowanie metody cyklicznej kontroli poprawności położenia czujnika przez cykliczną kontrolę wartości mocy pobieranej WPM_A, WPM_B w algorytmie działania czujnika koła. W metodzie cyklicznej kontroli wartości mocy pobieranej WPM_A, WPM_B wykorzystuje się dwukierunkowy interfejs cyfrowy IMD, łączący moduły decyzyjne MD_A oraz MD_B, umożliwiający przekazywanie wartości WPM_A do modułu decyzyjnego MD_B i wartości WPM_B do modułu decyzyjnego MD_A. Dzięki przekazywaniu wartości WPM_A i WPM_B między modułami decyzyjnymi każdy z modułów decyzyjnych cyklicznie sprawdza wartości mocy pobieranej WPM_A, WPM_B z dwóch kanałów, co umożliwia zmniejszenie prawdopodobieństwa niewykrycia zmian WPM_A, WPM_B i tym samym zmniejszenie prawdopodobieństwa niewykrycia niedopuszczalnej zmiany położenia czujnika koła.

Opisane wyżej warunki montażu czujnika koła do szyny zapewniają swobodne przemieszczanie się obrzeża koła nad modułami cewek MC_A, MC_B. Pojawienie się przewodnika elektrycznego w postaci obrzeża koła nad modułem cewek MC_A powoduje zmianę wartości parametrów elektrycznych obwodu w tym module cewek i zmianę wartości mocy pobieranej WPM_A. Pojawienie się przewodnika elektrycznego w postaci obrzeża koła nad modułem cewek MC_B powoduje zmianę wartości parametrów elektrycznych obwodu w tym module cewek i zmianę wartości mocy pobieranej WPM_B. Przejazd koła nad modułami cewek MC_A i MC_B powoduje wytworzenie sekwencji zmian wartości sygnałów WPM_A i WPM_B. Jednym z warunków wysłania z czujnika koła do systemu nadrzędnego

PL 229 703 B1 informacji o przejeździe koła linią transmisji D jest wykrycie przez każdy z modułów decyzyjnych MD_A i MD_B przejazdu koła.

Metoda wykrywania przejazdu koła zapisana w algorytmach działania modułów decyzyjnych MD_A i MD_B opiera się na wykryciu przez każdy moduł decyzyjny zdefiniowanej przez producenta sekwencji sygnałów WPM_A i WPM_B. W metodzie wykrywania sekwencji sygnałów WPM_A, WPM_B również wykorzystuje się dwukierunkowy interfejs cyfrowy IMD łączący moduły decyzyjne MD_A oraz MD_B, umożliwiający przekazywanie wartości WPM_A do modułu decyzyjnego MD_B i wartości WPM_B do modułu decyzyjnego MD_A. Dzięki przekazywaniu wartości WPM_A i WPM_B między modułami decyzyjnymi każdy z modułów decyzyjnych cyklicznie sprawdza wartości mocy pobieranej z dwóch kanałów WPM_A i WPM_B, co umożliwia zmniejszenie prawdopodobieństwa uzyskania błędnego wyniku analizy sekwencji zmian WPM_A, WPM_B i tym samym zmniejsza prawdopodobieństwo nieprawidłowego wykrycia przejazdu koła przez czujnik koła, uzyskując przez to niskie, wymagane w urządzeniach sterowania ruchem kolejowym, prawdopodobieństwo wysłania błędnej informacji o przejazdach kół do systemu nadrzędnego.

Claims (5)

1. Zintegrowany układ czujnika do wykrywania koła pojazdu szynowego, do zastosowań na stacjach i liniach kolejowych do wykrywania niezajętości odcinków torowych w celu prowadzenia ruchu pojazdów szynowych, zaopatrzony w dwukanałową głowicę czujnika koła pojazdu szynowego zawierającą w wspólnej obudowie moduły zasilające, komunikacyjne, pomiarowe, moduły decyzyjne analizy zmian parametrów umieszczonych jeden za drugim wzdłuż szyny modułów cewek, znamienny tym, że w każdym kanale czujnika (CK) znajdują się moduły cewek (MC_A) i odpowiednio (MC_B) jednokierunkowo połączone z modułami pomiarowymi (MP_A) i odpowiednio (MP_B), z którymi z kolei są połączone dwukierunkowo moduły decyzyjne (MD_A) i odpowiednio (MD_B), przy tym do wejść układów decyzyjnych (MD_A) i (MD_B) są przyłączone moduły pomiaru temperatury (PT_A) i odpowiednio (PT_B) oraz moduły pomiaru parametrów drgań mechanicznych (PP_A) i (PP_B), przy tym kanały (A) i (B) są zasilane odpowiednio z bloków zasilania (MZ_A) i (MZ_B) podłączonych do linii zasilania (P), z tym, że moduły decyzyjne (MD_A) oraz (MD_B) są połączone z sobą dwukierunkowym interfejsem cyfrowym, natomiast dodatkowo moduł decyzyjny (MD_A) jest połączony dwukierunkowym interfejsem cyfrowym (IMD) z modułem komunikacyjnym (MT) do komunikacji czujnika koła z systemem nadrzędnym poprzez linię transmisji (D).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wejście wzmacniacza (WM_A) jest połączone z wyjściem modułu decyzyjnego (MD_A), do którego jednego z wejść poprzez moduł (PM_A) jest doprowadzony sygnał (WPM_A) o wartości mocy pobieranej drogą zasilania (ZWM_A) przez wzmacniacz (WM_A), natomiast do drugiego wejścia modułu decyzyjnego (MD_A) poprzez blok (PAM_A) jest doprowadzony sygnał (WAM_A) o wartości amplitudy napięcia i prądu sygnału wyjściowego (SWM_A) ze wzmacniacza (WM_A).

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wejście wzmacniacza (WM_B) jest połączone z wyjściem modułu decyzyjnego (MD_B), do którego jednego z wejść poprzez moduł (PM_B) jest doprowadzony sygnał (WPM_B) o wartości mocy pobieranej drogą zasilania (ZWM_B) przez wzmacniacz (WM_B), natomiast do drugiego wejścia modułu decyzyjnego (MD_B) poprzez blok (PAM_B) jest doprowadzony sygnał (WAM_B) o wartości amplitudy napięcia i prądu sygnału wyjściowego (SWM_B) ze wzmacniacza (WM_B).

4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł cewek (MC_A) stanowi para obwodów elektrycznych, z których jeden jest zasilany wyjściowym sygnałem (SWM_A) wzmacniacza (WM_A), a drugi obwód jest zasilany polem wytwarzanym przez co najmniej jeden transformator złożony z cewek (L1A-L2A).

5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł cewek (MC_B) stanowi para obwodów elektrycznych, z których jeden jest zasilany wyjściowym sygnałem (SWM_B) wzmacniacza (WM_B), a drugi obwód jest zasilany polem wytwarzanym przez co najmniej jeden transformator złożony z cewek (L1B-L2B).