Техническая реализация измерений параметров токов, протекающих в рельсовых цепях

Техническая реализация измерений параметров токов, протекающих в рельсовых цепях

1. Автоматизированный аппаратно-программный измерительный комплекс для определения параметров кодового и тягового токов

В соответствии с Инструкцией по техническому обслуживанию устройств сигнализации, централизации и блокировки проверка работы устройств автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) проводится периодически вагонами-лабораториями с рассмотрением результатов совместно службами сигнализации и связи и локомотивного хозяйства. В действующих на Украине вагонах-лабораториях установлена аппаратура «Контроль», которая предназначена для измерения кодового тока частотой 25, 50 и 75 Гц, определения его временных параметров, вычисления координаты рельсовой цепи (РЦ), контроля изостыков и скорости движения подвижного состава.

С другой стороны ток локомотивной сигнализации контролируется путем проведения измерения в рельсах в промежутке между поездами. Проверку временных параметров сигнального тока совмещают с регулировкой длительности импульсов и интервалов при замене трансмиттерных реле на сигнальных установках.

Действие путевых и локомотивных устройств АЛС находится под контролем путем записи сигналов локомотивных светофоров на ленте скоростимеров, которые дают наиболее полную и достоверную информацию о нарушении работы локомотивной сигнализации, поскольку позволяют получить статистические данные, оценить, выявить и разделить случайные и систематические сбои и их причины.

Измерение тока локомотивной сигнализации должны быть достоверными и по возможности исключать трудоемкие, продолжительные по времени и связанные с выходом на поле операции, что невозможно осуществить при ручном способе контроля величины тока АЛС. К тому же проведение измерений на перегоне связано с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности для исключения поражения обслуживающего персонала электрическим током и опасности со стороны подвижного состава.

Проверка вагоном-лабораторией позволяет выявить в первую очередь отступления в регулировке РЦ и аппаратуры кодирования, но дает возможности определить фазовые соотношения токов АЛС, точно определить параметры рельсовых цепей, величину обратного тока в рельсах и спектр помех, асимметрию сигнального и тягового токов. Использование современной микропроцессорной и компьютерной техники на базе действующего вагона-лаборатории позволяет расширить число контролируемых параметров и создавать электронные базы измеренных и рассчитанных данных, что способствует более полному и достоверному анализу работоспособности рельсовых цепей.

1.1 Аппаратная часть измерительного комплекса

Для определения численных и временных параметров сигнального тока предлагается аппаратно-программный измерительный комплекс, структурная схема которого приведена на рис.1.

Предложенная система реализована в виде приставки к персональному компьютеру (ПК) типа IBM PC. Она осуществляет цифровую обработку сигнала и содержит следующие основные узлы: блок согласования, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), мультиплексоры, генератор тактовых импульсов, программируемый таймер, регистры данных и управления.

Десятиразрядный АЦП последовательного приближения К1113ПВ1 имеет входной диапазон ±5В и преобразует аналоговый сигнал в цифровой код с шагом квантования ±5мВ. Максимальная частота дискретизации АЦП составляет 40кГц, что вполне достаточно для проведения спектрального анализа тока, протекающего в рельсах. Дифференциальная погрешность составляет меньше 0,1%. Имеется возможность использовать двенадцатиразрядный АЦП.

Программируемый таймер реализован на интегральной микросхеме типа К580ВИ53 и предназначен для задания частоты дискретизации входного сигнала. Интервал дискретизации можно менять в широком диапазоне от 25 мкс до 70 мин (нижний предел частоты дискретизации ограничен свойствами АЦП, а верхний - таймера и делителя частоты). Частота сигналов, вырабатываемых программируемым таймером, стабилизируется кварцевым резонатором на 1 МГц.

Устройство управления состоит из регистров данных и управления, которые необходимы для задания режимов работы программируемого таймера. По командам, поступающим от персонального компьютера, оно управляет режимами работы программируемого таймера, мультиплексорами, а также блоком коммутации.

Блок коммутации предназначен для выбора диапазона напряжений входного сигнала. Он состоит из набора малогабаритных реле, позволяющих подавать сигнал либо прямо на усилитель-ограничитель, либо через делители (1:10 и 1:100). Это позволяет увеличить допустимый входной диапазон напряжения до 500В. Таким образом, данное устройство может быть использовано для записи сигнала не только с приемных катушек АЛС, а и с других датчиков, установленных не на локомотиве, а подключенных к рельсовой цепи, фидеру обратного тягового тока (для амплитудного и спектрального анализа помех протекающих в рельсовых цепях), что расширяет область применения данного устройства.

Также входной сигнал может быть усилен с помощью операционного усилителя в 10 раз, что необходимо для записи сигналов с катушек автоматической локомотивной сигнализации в диапазоне от 0 до 500мВ с шагом 0,5 мВ.

Усилитель-ограничитель предназначен для ограничения входа АЦП от перенапряжений на уровне 5,5мВ. Он обеспечивает высокое входное сопротивление аппаратно-программного комплекса, чтобы предотвратить влияние измерительной системы на работу АЛС и других устройств автоматики и телемеханики.

Блок оптронной развязки необходим для повышения помехозащищенности и надежности работы измерительной системы. Обеспечивает гальваническую развязку между аналоговой и цифровой частями. В РЦ иногда возникают мощные импульсные помехи, которые могут привести к сбросу данных или к сбою в работе компьютера, поскольку ПК непосредственно связан с цифровой частью измерительного комплекса. Нарушение нормальной работы компьютера привело бы к полной потере данных. При использовании гальванической развязки сбой произойдет только в цепях АЦП, то есть несколько выборок подряд будут иметь предельное значение 5,5В. После исчезновения помехи, устройство начнет работать в нормальном режиме, а возникшие нарушения отслеживаются программно.

Измерительный комплекс подключается к ПК через параллельный порт LPT. Так как данный порт является восьмиразрядным, а шина данных АЦП десятиразрядной, то чтение выборки сигнала осуществляется за 2 такта с помощью мультиплексоров. Блок мультиплексоров имеет 16 входов, что дает возможность расширить разрядность АЦП до 12, либо контролировать одновременно до 6 цифровых сигналов, поступающих на вход логического анализатора, который контролирует присутствие кода.

Перед началом обработки сигнала в программируемый таймер записывается частота дискретизации входного сигнала. Программируемый таймер выдает сигнал «пуск преобразования сигнала», который вырабатывается с заданным интервалом. По окончанию преобразования АЦП выдает сигнал готовности данных, что вызывает аппаратное прерывание LPT порта компьютера. Подпрограмма обработки прерывания осуществляет чтение данных, поступающих из АЦП в буфер оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) компьютера. Алгоритм обработки сигнала на аппаратном уровне представлен на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм обработки сигнала на аппаратном уровне

1.2 Программная часть измерительного комплекса

Цифровая обработка сигнала и анализ данных осуществляется с помощью программного обеспечения измерительного комплекса, разработанного на кафедре АТС ДИИТа. Алгоритм цифровой обработки сигнала представлен на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм цифровой обработки сигнала измерительным комплексом

Компенсация дрейфа входного сигнала позволяет избавиться от погрешности, вносимой блоком согласования аппаратной части и исключает влияние напряжения смещения входного каскада измерительного комплекса (операционного усилителя и АЦП).

Усреднение сигнала используется при анализе гармонических сигналов и вычисляет спектр сигнала не по одной выборке, а по нескольким. В случае, если необходимо исследовать импульсные помехи, блок усреднения программно исключается.

Для цифровой обработки сигнала в состав программного обеспечения включены процедуры, позволяющие реализовать алгоритмы цифровой фильтрации. Здесь реализован частотный способ фильтрации на базе быстрого преобразования Фурье. Цифровая фильтрация имеет следующие преимущества перед аналоговыми фильтрами: высокая стабильность частоты дискретизации (это свойство реализовано на аппаратном уровне за счет применения кварцевого генератора), простота перестройки частотной характеристики, возможность реализации сразу нескольких типов фильтров.

Масштабирование позволяет перевести цифровой код в значения реального сигнала контролируемого параметра, что необходимо для проверки правильности преобразования сигнала и для подготовки сигнала к анализу.

Аппроксимация. Для обработки записанного сигнала возможно применение подпрограмм линейной или сплайновой аппроксимации для получения промежуточных результатов между выборками. Линейная аппроксимация обладает меньшей точностью, зато позволяет обрабатывать большие массивы данных со значительной скоростью и может быть использована для предварительной оценки результатов измерений и при анализе данных без высоких требований к точности. Высокоточные данные могут быть получены с помощью сплайновой аппроксимации, но она требует больших вычислительных возможностей.

Структурная схема программного обеспечения представлена на рис. 4

Драйвер LPT порта необходим для обмена информацией между ПК и аппаратной частью измерительного комплекса. Использование данного драйвера позволяет функционировать программному обеспечению под операционными системами Windows-98 или -2000. Он позволяет подключаться к регистрам параллельного порта и осуществлять обработку аппаратных прерываний, поступающих от АЦП.

Аппаратно-программный комплекс обеспечивает выполнение следующий функций при анализе измеренных данных: цифровое преобразование сигнала и ввод его в буфер с возможностью запоминания до 10 миллионов выборок; сохранение данных на жесткий диск; создание базы записываемых и рассчитываемых данных; конвертирование их в Word, Excel, Matlab, Mathcad или создание текстовых файлов; вычисление амплитудно- и фазочастотных характеристик кодового и тягового токов; вероятностная и статистическая обработка результатов измерений; фильтрация тягового тока с помощью специальных программ; определение асимметрии кодового и тягового токов в рельсах; вывод записанного сигнала и рассчитанных данных на монитор или принтер; проверка соответствия параметров кодового тока требованиям; выдача рекомендаций по поводу отклонений параметров токов от норм и их устранению; определение параметров РЦ (длины, сопротивлений и др.).

1.3 Измерения

Данный измерительный комплекс позволяет записывать сигнал с выхода фильтра, как этого требует Инструкция по техническому обслуживанию устройств сигнализации, централизации и блокировки, и с выходов катушек АЛС. Сигнал, записанный с катушек АЛС, представляет собой сумму кодовых сигналов АЛС и тягового тока со всеми его гармоническими составляющими и импульсными помехами, возникающими во время работы локомотива. И поэтому данное устройство позволит анализировать не только временные и численные параметры кодов АЛС, но и оценить степень влияния помех на работу систем автоматики и определить аналитически причины их появления.

2. Лабораторные испытания автоматизированного измерительного комплекса для контроля параметров сигнального тока

Аппаратно-программный комплекс для контроля параметров сигнального тока в рельсах позволяет определять следующие величины:

- наведенное на катушки АЛС напряжение;

- напряжение (ток) отпускания реле;

- напряжение (ток) срабатывания реле (при прямой и обратной полярности напряжения питания, подаваемого на обмотку реле);

- сопротивление обмотки реле;

- переходное сопротивление контактов реле;

- время срабатывания и отпускания реле;

- время перелета контактов реле;

- контактное давление;

- неодновременность замыкания и размыкания контактов реле;

- совместный ход контактов;

- физический зазор между якорем и сердечником;

- межконтактный зазор при перелете контактов и в крайних положениях якоря;

- высоту антимагнитного штифта (остаточный зазор между якорем и сердечником при включенном реле).

АИК для контроля параметров реле позволяет определять следующие неисправности нейтральных реле железнодорожной автоматики:

- выход измеряемых параметров за нормативные значения;

- обрыв обмотки реле;

- межвитковое замыкание в обмотке реле;

- залипание якоря;

- сваривание контактов;

- отсутствие замыкания контактов (излом, износ или разрегулировка контактов);

- одновременное замыкание общего контакта с фронтовым и тыловым во время перелета якоря.

Автоматизированный измерительный комплекс для контроля параметров реле железнодорожной автоматики представляет собой электроизмерительную установку, предназначенную для измерения электрических, временных и механических величин. Поэтому качество работы АИК определяется его метрологическими показателями, т.е. классом точности. АИК для контроля параметров реле является цифровым измерительным устройством, поэтому погрешность измерения зависит от шага квантования аналоговых величин. В АИК используются 10-разрядные АЦП и ЦАП, что позволяет получить достаточную для практических целей точность, намного превосходящую точность измерительных приборов, используемых в настоящее время для контроля параметров реле в РТУ [11].

х = хп - х , ( 5)

где х_п - показания прибора, х - действительное значение измеряемой величины. Относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:

. ( 6)

Обобщенной характеристикой любого измерительного прибора является класс точности, т.е. максимальная приведенная погрешность в рабочем диапазоне шкалы:

, ( 7)

где х_N - конечное значение диапазоны шкалы измерительного устройства.

Целью лабораторных испытаний экспериментального образца АИК для контроля параметров реле было определение погрешности измерения электрических и временных величин, а также проверка соответствия класса точности измерительного комплекса требованиям, предъявляемым существующей технологией проверки и ремонта реле в РТУ [10].

При определении погрешности измерения напряжений срабатывания и отпускания реле в качестве образцового прибора использовался цифровой вольтметр типа Щ1414 с классом точности 0,05/0,02 в диапазоне 0,1 10 В и классом точности 0,06/0,03 в диапазоне 10 100 В. Блок, формирующий аналоговое напряжение на выходе АИК имеет диапазон рабочей шкалы от 0 до 51,15 В и шаг квантования 50 мВ. Результаты измерений приведены в таблице 1, где Uo - напряжение, которое должно быть на выходе блока программно-управляемого источника питания, в соответствии с цифровым кодом на шине данных ЦАП, Ux - показания образцового вольтметра, dU - абсолютная погрешность измерения.

Как видно из результатов испытаний, приведенная погрешность измерения напряжений не превышает 0,23%, что соответствует измерительному прибору с классом точности 0,25. В настоящее время при измерении напряжений срабатывания и отпускания реле в РТУ используется цифровой тестер Ц4312 с классом точности 1,0 и, следовательно, применение АИК позволяет повысить точность измерения электрических параметров реле железнодорожной автоматики в четыре раза.

Таблица 1

Определение погрешности измерения напряжений

При определении погрешности измерения сопротивлений в качестве образцовой меры использовался магазин сопротивлений типа Р33 (ГОСТ 70003-64) имеющий класс точности 0,2 (шаг изменения сопротивлений 0,1 Ом). Результаты измерений приведены в таблице 2, где Ro - эталонное сопротивление магазина Р33, Rx - измеренное сопротивление, dR - абсолютная погрешность измерения сопротивления.

Таблица 2

Определение погрешности измерения электрических сопротивлений

Испытания показали, что при измерении сопротивлений в диапазоне от 0,1 до 10 Ом (переходное сопротивление контактов и сопротивление обмоток токовых реле), максимальная относительная погрешность не превышает 1%, а при измерении сопротивлений в диапазоне более 100 Ом (сопротивление обмоток реле напряжений), максимальная относительная погрешность не превышает 0,5%. Согласно существующей технологии проверки реле, переходное сопротивление контактов измеряется прибором с классом точности 2,5, а сопротивление обмоток реле измерительным прибором с классом точности 1,0. Таким образом, АИК для контроля реле обеспечивает более высокую точность при измерении сопротивлений.

Измерение временных интервалов Т_х осуществляется путем подсчета количества импульсов N, поступивших на вход счетчика за измеряемый интервал и вырабатываемых кварцевым генератором с периодом to:

T_x = N to . ( 8)

Из формулы ( 8) видно, что точность измерения временных интервалов с помощью счетчиков зависит от стабильности частоты кварцевого генератора. При таком способе измерения временных параметров абсолютная погрешность будет равна to , а относительная погрешность t0 /Tx . Максимальная относительная погрешность измерения временных интервалов определяется по следующей формуле [114]:

, ( 9)

где to = 10^-5 - изменение частоты кварцевого генератора.

Для формирования образцовых временных интервалов использовался электронный частотомер типа Ч3-34, позволяющий вырабатывать импульсные сигналы с длительностью от 0,1 мкс до 10 с и имеющего относительную погрешность частоты внутреннего кварцевого генератора 10^-7 %. Результаты измерений приведены в таблице 3, где То - интервал, вырабатываемый частотомером Ч3-34, dT - абсолютная погрешность, равная длительности периодов кварцевого генератора.

Таблица 3

Определение погрешности измерения временных интервалов

Относительная погрешность определялась по выражению (9), с учетом изменения частоты кварцевого генератора АИК для контроля параметров реле. Испытания показали, что максимальная относительная погрешность измерения временных интервалов не превышает 0,003%. По существующей технологии измерения времени срабатывания и отпускания реле осуществляется либо механическим секундомером ПВ-53Щ (точность 10 мс), либо цифровым измерителем временных параметров реле Ф291 (точность 1 мс). Как видно из таблицы 3, использование АИК позволяет значительно уменьшить погрешность измерения временных параметров реле железнодорожной автоматики.

Выводы по разделу

Разработан аппаратно-программный комплекс для контроля параметров кодового тока в рельсах.

Данное устройство является многофункциональным, поскольку позволяет не только определять параметры токов и рельсовых цепей, а и проводить анализ электромагнитной ситуации на данном железнодорожном участке, а также определять спектр помех, протекающих в рельсовой цепи.

Измерения могут быть проведены как на базе действующего вагона-лаборатории, путем записи сигнала с приемных катушек, так и на перегоне при подключении аппаратуры к рельсовой цепи или фидеру обратного тягового тока (для амплитудного и спектрального анализа помех протекающих в рельсовых цепях), что расширяет ее область применения.

Литература