ЛОКОМОТИВНЫЕ ДОППЛЕРОВСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ
Для решения задач точного счисления пути и скорости в системах автоматического управления движением поездов в СССР, ФРГ, США и других странах разработаны допплеровские измерители параметров движения подвижного состава.
Для железных дорог ФРГ фирмой Telefunken разработан .допплеровский измеритель пройденного пути, скорости и ускорения движения, работающий в миллиметровом диапазоне и предназначенный для установки на локомотивах [52]. Приемно-передающий блок СВЧ измерителя устанавливают под кузовом локомотива на амортизаторах на высоте 100 - 300 мм от уровня верхней головки рельса до нижней излучающей поверхности блока. Поверхность пути облучается под углом 39°, причем место установки измерителя находится рядом с рельсом, так что высокочастотный сигнал отражается от элементов крепления рельсов. С учетом этого данный измеритель имеет волноводно-щелевую антенну с продольным размером 400 мм, действующую в ближней зоне.
Блок СВЧ измерителя построен по автодинной схеме, рабочая частота устройства 35,7±0,1 ГГц. Для обеспечения необходимой стабильности частоты генератор Ганна стабилизирован термостатом. Мощность излучаемого сигнала составляет 5-15 мВт. Блок СВЧ формирует 192 импульса при перемещении локомотива на 1 м. Эта последовательность импульсов передается в блок обработки, устанавливаемый в локомотиве. Для повышения точности измерения пройденного пути и скорости в блоке обработки применяется система фазовой автоподстройки частоты. Информация о параметрах движения выдается в цифровом виде, а информация о скорости — еще и в аналоговом виде. Погрешность измерения скорости в диапазоне 5—360 км/ч меньше 1 %, погрешность измерения пройденного пути в диапазоне скоростей 5 - 360 км/ч не более 1 %. Блок СВЧ имеет габаритные размеры 86X456X 140 мм. Однолучевая система предъявляет жесткие требования к установке приемопередатчика СВЧ (± 0,3 мм). Для питания измерителя используется источник постоянного тока напряжением 15 В, мощностью 65 Вт. Измеритель работает в диапазоне температур от —30 до +50°С.
В США эксплуатируется система предотвращения боксования и юза локомотивов [52], основанная на использовании допплеровского измерителя скорости, работающего в сантиметровом диапазоне. Передатчик измерителя реализован на диоде Ганна.
В СССР разработан радиолокационный измеритель пройденного пути, ускорения и скорости (РИПУС), миллиметрового диапазона [53]. Он предназначен для измерения пройденного пути в пределах от 0 до 999,99 км, скорости движения в диапазоне 2—250 км/ч и ускорения от 0 ± 2 м/с2 Измеритель РИПУС (рис. 2.14) состоит из четырех блоков: приемно-передающего СВЧ, обработки сигналов, индикации и питания. Приемно-передающий блок СВЧ устанавливают под кузовом локомотива на высоте 0,4—1 м от уровня головки рельса. Он состоит из двух однотипных независимых СВЧ модулей, каждый из которых построен по гетеродинной схеме с нулевой промежуточной частотой. Направления излучения приемно-передающих антенн противоположны. Антенны СВЧ развернуты под углом 90°, облучают поверхность пути под углом 45° и имеют ширину диаграммы направленности в двух плоскостях по уровню -3 дБ до -8°. Уровень боковых лепестков в пределах ширины диаграммы 20—45° не более — 18 дБ, а в пределах 45-90° не более —24 дБ. Чувствительность каждого из модулей по отраженному сигналу по отношению к излучаемому сигналу не менее 54 дБ.
Рис. 2.14. Структурная схема локомотивного допплеровского измерителя параметров движения подвижного состава
На приемно-передающий блок СВЧ от блока питании подаются напряжения питания усилителей +12 В и генератора СВЧ 45 В.
Сигналы с выходов предварительных усилителей У блока СВЧ поступают в блок обработки допплеровскою сигнала, содержащий по каждому каналу: узлы формирования (компараторы) К, фильтрации допплеровских сигналов Ф; частотной автоподстройки частоты ЧАН и суммирования частот сигналов См, поступающих по каждому из каналов.
При наличии сигналов в двух каналах сумматор складывает допплеровские частоты: при отсутствии сигналов в одном из каналов сумматор выдает удвоенное значение допплеровской частоты исправною канала. Благодаря такому режиму работы осуществляется резервирование приемно-передающего блока СВЧ, хотя погрешность измерения при лом увеличивается. Построение допплеровскою измерителя параметров движения по схеме, содержащей два модуля СВЧ, направления излучения которых взаимноперпендикулярны, а частоты допплеровских сигналов суммируются, позволяет значительно уменьшить погрешность измерения скорости и пройденного пути, возникающую из-за влияния колебании подвижного состава.
С помощью калибровочного делителя можно изменять коэффициент преобразования в пределах ±10%. С калибровочного делителя последовательность импульсов подается на измеритель пути, состоящий из 20-разрядного двоичнодесятичного счетчика GTs и преобразователя параллельного кода в последовательный, состоящего из 16-разрядного регистра RGs.
Информация о пути в параллельном коде, поступающая с двоично-десятичного счетчика, преобразуется в последовательный код преобразователем регистра, тактовая частота сдвига которого равна 20 кГц, а переключение режимов осуществляется стробирующим сигналом с периодом следования 2 м/с и скважностью 2.
На выходе магистральных усилителей информация о пройденном пути выдается в виде последовательного двоично-десятичного кода с дискретностью счисления пути 10 м.
Измеритель скорости состоит из 14-разрядного двоичнодесятичного счетчика GTr, параллельного регистра памяти RGr и преобразователя кода RGr+. Счетчик отсчитывает число периодов допплеровского сигнала в течение измерительного интервала времени τизм. Затем информация о скорости движения записывается в 14-разрядный параллельный регистр памяти импульсом переноса, который сохраняет информацию до следующего такта измерения. Параллельный код преобразуется в последовательный преобразователем в регистре. Информация о значении скорости выдается с выхода магистральною усилителя в виде последовательного двоично-десятичного кода с дискретностью 0,1 км/ч и с абсолютной погрешностью не более 0,1 км/ч в диапазоне скоростей 2—10 км/ч и с относительной погрешностью не более ± 1 % в диапазоне скоростей 10-250 км/ч.
В диапазоне скоростей 2—120 км/ч информация о скорое 1 и поступает также с выхода цифро-аналогового преобразователя в виде постоянного напряжения, пропорционального значению скорости с крутизной характеристики преобразователя 0,25 В/км/ч. Задержка по времени выдачи информации о скорости движения не более 0,9 с.
Измеритель ускорения состоит из устройства управления УУ, реверсивного двоично-десятичного счетчика GTa, параллельного 12-разрядного регистра RGa и преобразователя параллельного кода в последовательный RGa". Устройство управления подает входную последовательность импульсов поочередно то к суммирующему, то к вычитающему входу реверсивного счетчика. За первый такт измерения счетчика оно суммирует количество импульсов входною сигнала, за второй такт, равный первому, вычитает, а остаток записывается импульсом переноса в регистр памяти. Если частота допплеровского сигнала увеличивается (ускоренное движение), то вычитание происходит до момента обнуления всех разрядов счетчика, а затем снова производится суммирование. Информация об ускорении преобразуется регистром в последовательный код с частотой синхронизации 2 кГц и периодом стробирующего сигнала 2 мс. Этот код поступает с выхода магистрального усилителя в виде последовательного двоично-десятичного кода и дискретностью 0,05 м/с2, относительная погрешность которого не более 2%. Задержка по времени выдачи информации об ускорении составляет не более 1,8. с.
Информация о параметрах движения отображается на блоке индикации с дискретностью: по пути 0,1 км; по скорости 1 км/ч; ускорению 0,1 м/с2.
Допплеровский измеритель получает питание от бортовой сети постоянного тока 50, 75 и 110 В при колебаниях напряжения сети до ±20% номинального значения и при допустимом коэффициенте пульсаций напряжения не более ±4%. Мощность, потребляемая измерителем от бортовой сети, не более 150 Вт.
В РИПУС предусмотрен дистанционный контроль работоспособности и правильности калибровки измерителя. После нажатия кнопки ’’Контроль” на блоке индикации сигнал частотой 5 кГц подается на генераторы блока СВЧ, модулирует высокочастотный сигнал генераторов по амплитуде, который детектируется смесителями и, проходя через все тракты устройства, указывает на блоке индикации состояние измерителя.
Радиолокационный измеритель РИПУС предназначен для эксплуатации при рабочих температурах от 50 до +60° С (блок СВЧ и от 40 до 155° С). Время наработки на отказ составляет более 1500 ч. Конструкция блоков обеспечивает их защиту от пыли, воды, масел и др., блоки измерителя герметичны.