Путевой датчик

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Путевой датчик, содержащий магниточувствительный элемент, находящийся в функциональной связи по магнитному полю с магнитопроводом прямоугольной формы,расположенным между рельсами внутри шпальной решетки, длина которого равна расстоянию между шейками противоположных рельсов участка пути, причем торцы магнитопровода выполнены соприкасающимися с шейками этих рельсов, а электрическая цепь,состоящая из последовательного соединения магниточувствительного элемента и резистора, подключена к источнику питающего напряжения, отличающийся тем, что магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей-эффектом с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотноимпульсным выходными сигналами, которая расположена вместе с постоянным магнитом в зазоре указанного магнитопровода, длина которого может регулироваться, а источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в его конструкцию введены дублирующие элементы - магнитопровод, постоянный магнит, магниточувствительный элемент, резистор, источник питающего напряжения, дистанционно разнесенные на фиксированное расстояние вдоль участка рельсов, не превышающее длину вагона.(56) 1. А. с. СССР 1519943, МПК 61 1/08,61 1/16, 1989. 2. Свидетельство на полезную модель 15324, МПК 61 1/08, 2000. 3.2317222, МПК 61 1/08, 2008 (прототип). 4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. 5. А. с. СССР 1739402, МПК 01 29/06, 1992. Заявляемая полезная модель относится к организации и управлению движением поездов, а именно к путевым устройствам, взаимодействующим с поездом и приводимым в действие с помощью магнитных средств, когда необходимо зафиксировать момент проследования колесной пары по заданному участку пути, подсчитать число колесных пар,определить направление движения и скорость поезда. Известен путевой датчик 1, который содержит постоянный магнит с Т-образным магнитопроводом, центральный стержень которого закреплен на шейке рельса перпендикулярно ей, а между ветвями магнитопровода, шейкой и подошвой рельса имеются зазоры, в которых установлены два бесконтактных магниточувствительных элемента, которые в конечном итоге подключены к регистратору. Магниточувствительные элементы выполнены на магнитодиодах и включены дифференциально. При прохождении реборды колеса над поперечным стержнем магнитопровода индукция магнитного поля в одном из зазоров уменьшается, а в другом, соответственно, увеличивается, что и фиксируется регистратором как факт прохождения колесной пары. Недостатки этого датчика сопротивление магнитной цепи путевого датчика, состоящей из магнитопровода, рельсов и колесной пары, следовательно, и величин индукции магнитного поля в зазорах зависят от массы и геометрических размеров реборд, что в совокупности с высокой чувствительностью магнитодиодов может привести к ложному срабатыванию датчика и требует периодической подстройки датчика. Кроме того, датчик не позволяет определять направление движения и скорость транспортного средства. Известен путевой датчик 2, содержащий Г-образный полюсный наконечник, постоянный магнит и магниточувствительный элемент, ориентированный так, что силовые линии магнитного поля замыкаются через полюсный наконечник, элементы крепления датчика к подошве рельса, рельс, магниточувствительный элемент и воздушный зазор между головкой рельса и магниточувствительным элементом. Магниточувствительный элемент состоит из сердечника из ферромагнитного материала и трех катушек индуктивности, что позволяет наряду с фактом прохода колесной пары над датчиком определять направление и скорость движения. Питающее переменное напряжение подводится к центральной катушке, которая используется как измерительная для регистрации факта прохождения колесной пары. Две другие катушки индуктивности включены встречно и используются для определения направления движения транспортного средства. Скорость движения определяется крайне неточно, поскольку она рассчитывается по изменению выходного сигнала, снимаемого с катушек индуктивности, включенных встречно, так как это изменение зависит от массы и геометрических размеров реборд. Кроме того, путевой датчик обладает низкой помехозащищенностью от переменных электромагнитных полей изза высокой ЭДС наводок, пропорциональных первой производной от индукции магнитного поля по времени, что при питании переменным напряжением значительно снижает надежность работы путевого датчика в целом. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является путевой датчик 3 (прототип), который содержит магниточувствительный элемент, находящийся в функциональной связи по магнитному полю с магнитопроводом, расположенным между рельсами внутри шпальной решетки, источник переменного напряжения, резистор 2 91152013.04.30 и преобразователь аналогового сигнала в логический, причем форма магнитопровода является прямоугольной, длина магнитопровода равна расстоянию между шейками противоположных рельсов участка пути, торцы магнитопровода соприкасаются с шейками этих рельсов, магниточувствительный элемент выполнен в виде катушки индуктивности, намотанной на указанный магнитопровод, а электрическая цепь состоит из последовательного соединения магниточувствительного элемента и резистора, подключена к источнику питающего переменного напряжения, при этом параллельно резистору подключен преобразователь аналогового сигнала в логический. Сопротивление магнитной цепи путевого датчика 3, состоящей из магнитопровода,рельсов и колесной пары, не зависит от массы и геометрических размеров реборд, в том числе и разницы этих размеров у различных колес одной колесной пары вагона. Движение колесных пар над зоной действия датчика приводит к изменению магнитного сопротивления магнитной цепи и изменению тока, протекающего через резистор, что фиксируется преобразователем аналогового сигнала в логический. Выходной сигнал преобразователя поступает в соответствующие устройства счета осей для определения признаков свободности или занятости контролируемого участка пути или передачи сигнала в другие устройства, контролирующие число осей подвижного состава. Недостатком датчика является то, что он не позволяет определять направление движения и скорость транспортного средства. Выходной сигнал - аналоговый, что требует размещения в непосредственной близости преобразователя аналогового сигнала в логический. Аналоговый сигнал подвержен воздействию переменных электромагнитных полей из-за высокой ЭДС наводок, пропорциональных первой производной от индукции магнитного поля по времени, что при большом числе витков катушки может привести к ложному срабатыванию, то есть снижению надежности работы. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение надежности работы путевого датчика и расширение его функциональных возможностей. Путевой датчик содержит магниточувствительный элемент, находящийся в функциональной связи по магнитному полю с магнитопроводом прямоугольной формы, расположенным между рельсами внутри шпальной решетки, длина которого равна расстоянию между шейками противоположных рельсов участка пути, причем торцы магнитопровода выполнены соприкасающимися с шейками этих рельсов, а электрическая цепь, состоящая из последовательного соединения магниточувствительного элемента и резистора, подключена к источнику питающего напряжения. Он отличается тем, что магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом 4 с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, которая расположена вместе с постоянным магнитом в зазоре указанного магнитопровода, длина которого может регулироваться, а источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС. Путевой датчик отличается тем, что в его конструкцию введены дублирующие элементы - магнитопровод, постоянный магнит, магниточувствительный элемент, резистор,источник питающего напряжения, дистанционно разнесенные на фиксированное расстояние вдоль участка рельсов, не превышающее длину вагона. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции датчика давления показывает, что они являются существенными и находятся в 3 91152013.04.30 прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, путевой датчик содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению надежности работы путевого датчика и расширению его функциональных возможностей по сравнению с прототипом. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 схематично изображен путевой датчик в плоскости, перпендикулярной рельсам, когда над ним находится колесная пара. На фиг. 2 схематично изображен путевой датчик с элементами дублирования, разнесенными на фиксированное расстояниевдоль участка рельсов (вид сверху). На фиг. 3 приведена электрическая схема подключения магниточувствительного элемента, выполненного в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом. На фиг. 4 приведен выходной сигнал вых, снимаемый с резистора н как функция времени , находящийся в функциональной связи с зависимостью величины индукции магнитного поляв магниточувствительном элементе при прохождении колесных пар над указанным магниточувствительным элементом. Магниточувствительный элемент подключен к источнику постоянного напряжения п 5. Путевой датчик содержит магниточувствительный элемент 1, находящийся в функциональной связи по магнитному полюс магнитопроводом прямоугольной формы 2,выполненным с зазоромдлина которого может регулироваться (например одна часть магнитопровода может быть выполнена раздвижной, как изображено на фиг. 1), а магнитопровод расположен между рельсами внутри шпальной решетки, длина которого равна расстоянию между шейками 3 противоположных рельсов участка пути, причем торцы магнитопровода 2 выполнены соприкасающимися с шейками этих рельсов. Магниточувствительный элемент 1 и постоянный магнит 4 размещены в зазоре магнитопровода 2,длиной . Колесная пара 5 (диаметр колеса ) находится на рельсах 6 и проходит над магнитопроводом 2, замыкая магнитную цепь, состоящую из магнитопровода 2, магнита 4, рельс 6. Электрическая цепь, состоящая из последовательного соединения магниточувствительного элемента 1 и резистора нагрузки н, подключена к источнику постоянного питающего напряжения п (источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС, обычно 5-25 В) с соблюдением полярности. Плюс источника питания подключен к -области. Магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом 4 с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами. Способ формирования - и -областей такой структуры подробно описан в 5. Вектор индукции магнитного поля В прикладывается в плоскости, параллельной плоскости раздела - и областей. Такие структуры поставляются фирмой, Россия, г. Москва (Институт проблем управления). С целью высокоточного определения скорости и направления движения колесных пар(поезда) в конструкцию путевого датчика введены дублирующие элементы (магнитопровод, постоянный магнит, магниточувствительный элемент, резистор, источник питающего напряжения) дистанционно разнесенные на фиксированное расстояние вдоль участка рельсов , не превышающее длину вагона. Путевой датчик работает следующим образом. Сначала датчик настраивается. В отсутствие колесной пары над датчиком путем изменения длины зазора магнитопровода 2 выставляют значение индукции магнитного поля вблизи магниточувствительного элемента 1 менее 50 мТл, то есть чтобы полупроводнико 4 91152013.04.30 вая структура, обладающая -эффектом, функционировала в аналоговом режиме. При этом выходное напряжение, снимаемое с резистора нагрузки н постоянно. При прохождении колесной пары 5 над магнитопроводом 2 магнитная цепь, состоящая из магнитопровода 2, магнита 4, рельс 6 и колесной пары 5, оказывается практически замкнутой и величина индукции магнитногополя в месте расположения магниточувствительного элемента 1 резко возрастает и значительно превышает 50 мТл. При этом магниточувствительный элемент 1 переходит в режим работы, при котором выходной сигнал является частотно-импульсным. Все время, пока величина индукции магнитного поля превышает 50 мТл, генерируется пакет импульсов постоянной амплитуды, частота которых пропорциональна величине индукции магнитного поля в зазоре. Максимальная частота колебаний соответствует нахождению колесной пары в вертикальной плоскости строго над магнитопроводом. При удалении колесной пары величина индукции магнитного поля в зазоре уменьшается, и при ее значении менее 50 мТл магниточувствительный элемент 1 снова переходит в режим работы, при котором выходной сигнал является аналоговым. При прохождении следующей колесной пары описанный процесс генерации пакета импульсов повторяется, что представлено на фиг. 4. Число прошедших колесных пар подсчитывается по числу пакетов импульсов. При этом число импульсов в пакете(длительность пакета) может варьироваться, поскольку оно зависит от скорости движения колесной пары и незначительно от массы и геометрических размеров колесной пары и магнитного состояния рельс. Следует отметить, что явление управляемой скачковой проводимости (-эффект) возникает в структурах с -образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том,что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно,амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с -образной вольтамперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувтвительного элемента 1 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. С целью высокоточного определения скорости и направления движения колесных пар в конструкцию путевого датчика введены дублирующие элементы - магнитопровод, постоянный магнит, магниточувствительный элемент, резистор, источник питающего напряжения, дистанционно разнесенные на фиксированное расстояние вдоль участка рельсов , не превышающее длину вагона. Если время задержки между пакетами импульсов электрических колебаний, когда они происходят с максимальной частотой от одной и той же колесной пары (например, первой) в основном и дублирующем магниточувствительном элементе, - , то линейная скорость движенияколесной пары вычисляется по формуле/. По тому, какой магниточувствительный элемент основной или дублирующий - раньше перешел в режим генерации частотно-импульсного сигнала, определяется направление движения колесной пары. Таким образом, решение поставленной комплексной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве вследствие применения магниточувствительного элемента с эффектом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды (до 50 от напряжения питания) без применения электронных схем преобразования, а применение указанных дублирующих элементов в устройстве позволяет расширить число функций датчика по сравнению с прототипом. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной 5 91152013.04.30 формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый путевой датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7