Báo cáo khoa học: "Giải pháp kỹ thuật cho công nghệ xây dựng, thiết kế, chế tạo thiết bị đo l-ờng cảm ứng bánh tàu dùng trong điều khiển các ph-ơng tiện trên ray" pot

Giải pháp kỹ thuật cho công nghệ xây dựng, thiết kế, chế tạo thiết bị đo lờng cảm ứng bánh tàu dùng trong điều khiển các phơng tiện trên ray TS. Lê mạnh việt Bộ môn Trang bị điện - Điện tử Khoa Điện - Điện tử Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi báo phân tích các nguyên tắc cơ bản về cơ - điện tử để tạo ra phần tử đo lờng cảm ứng bánh tu, đánh giá các loại cảm ứng bánh tu đã có trên thế giới v đã sử dụng ở Việt nam, qua đó đề xuất giải pháp kỹ thuật công nghệ cho việc xây dựng, hớng thiết kế, chế tạo thiết bị cảm ứng bánh tu đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật hiện đại v phù hợp với đờng sắt Việt nam hiện tại v lâu di. Summary: The article analyses the base electro - mechanic principle of realising an element able to detect the exiting of train wheels and assessment of the existing wheel detectors on the world and that are in use in Vietnam so that propose a technology method for setting design orientation of wheel detector having proper characteristics for use in the Viet nam Railway in current as well as the time to come. I. Đặt vấn đề Cảm ứng bánh tàu sử dụng chủ yếu trên các phơng tiện giao thông bánh sắt. Dù cảm ứng bánh tàu có nguyên lý hoạt động nh thế nào, cũng đều phải đảm bảo thực hiện đợc nhiệm vụ là phát hiện chính xác tuyệt đối một bánh tàu đang tồn tại trên nó, đang chuyển động qua nó với mọi tốc độ của giao thông đờng sắt hiện đại (tới 300 km/giờ) hoặc đã chuyển động qua nó và đếm chính xác 100% số lợng hàng vạn bánh tàu chuyển động qua. Sau chức năng trên tuỳ theo mục đích sử dụng ngời ta có thể dùng cho nhiệm vụ chiếm dụng, đo tốc độ, giám sát đoàn tàu hay đếm trục toa xe và hàng loạt các mục đích điều khiển khác trong đờng sắt. Các loại cảm ứng bánh tàu dù phong phú nhng từng loại vẫn có những u, nhợc điểm và ứng dụng nhất định cho mỗi loại đờng sắt với các mục đích khác nhau. Nghiên cứu xây dựng lý thuyết định hớng kỹ thuật và công nghệ cho việc tính toán thiết kế, chế tạo một cảm ứng bánh tầu mới, nó phải đạt đợc chất lợng và đặc biệt phù hợp với đờng sắt Việt nam trong vài thập niên tới, đó là nhiệm vụ của bài báo và cũng là một phần của đề tài KHCN mà tác giả đang thực hiện. II. Nội dung 1. Phân tích nguyên lý hoạt động của các loại cảm ứng bánh tàu trên thế giới + Cảm biến cơ học công tắc cơ khí. Ban đầu do kỹ thuật điện và điện tử cha phát triển ngời ta dùng công tắc cơ khí lắp vào má ray sao cho mỗi khi bánh tàu đi qua thì gờ bánh xe đè lên cơ cấu công tắc, nó sẽ làm cho công tắc đóng hoặc ngắt mạch điện bên ngoài tuỳ thuộc vào kiểu công tắc để cho ra một xung điện ứng với một bánh tàu. + Cảm biến dùng công tắc từ tính. Tiếp điểm của công tắc làm bằng kim loại nhiễm từ không vĩnh cửu. Khi cặp tiếp điểm của công tắc nằm trong từ trờng có cờng độ nhất định thì hai má của tiếp điểm nhiễm từ và sẽ hút nhau làm cho công tắc thông mạch. Cảm biến dùng công tắc từ có cấu tạo gồm một công tắc từ và một nam châm vĩnh cửu, chúng xắp xếp sao cho khi lắp vào má ray lúc không có gờ bánh xe thì công tắc sẽ đóng (hoặc mở) tuỳ vào sự xắp xếp từ trờng ban đầu. + Pê đan từ. Quanh một nam châm vĩnh cửu quấn nhiều vòng dây và lắp cơ cấu ấy vào má ray, sao cho mỗi khi có một bánh tàu chuyển động qua thì gờ bánh xe sẽ cắt ngang đờng sức từ của nam châm và sự biến thiên từ thông này sẽ cảm ứng một sức điện động hai nửa gần bằng nhau của một hình sin. + Cảm biến điện tử. Mạch cộng hởng gồm cuộn cảm và tụ điện mắc song song phối hợp với một vài linh kiện điện tử bán dẫn phi tuyến thờng thiết lập đợc dao động điều hoà ổn định. Khi có sự thay đổi bên ngoài đủ lớn làm lệch tần số cộng hởng thì có thể sẽ làm ngừng dao động. Ngời ta thiết kế sao cho cứ có một bánh tàu tới gần cảm biến thì sẽ làm lệch tần số cộng hởng và xác định có một bánh tàu. + Cảm biến tia hồng ngoại. Một máy thu tia hồng ngoại đặt ở vị trí thích hợp bên cạnh đờng ray có thể phát hiện đợc từng bánh tàu một (với điều kiện đoàn tàu đã chuyển động đủ nhiều để nhiệt do ma sát đạt yêu cầu phát sóng hồng ngoại). + Cảm biến quang học. Một nguồn phát và một thiết bị xử lý thu ánh sáng đặt ở vị trí thích hợp cạnh đờng ray cho phép đếm đợc từng bánh xe chuyển động qua hoặc chắn đờng thu ánh sáng. 2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng cảm biến bánh tàu ở Việt nam - Pê đan từ do đề tài khoa học cấp nhà nớc KC - O2 - 12 chế tạo, thử nghiệm, ứng dụng tại phòng thí nghiệm Trờng Đại học Giao thông Vận tải năm 1993. - Cảm biến địa chấn do Công ty CARDPRO (quân đội) chế tạo đang dùng cho các hệ thống cảnh báo đờng ngang từ năm 2002 của Đờng sắt. - Cảm biến CNO2A (nguyên lý điện tử biến thiên) của Công ty T vấn đầu t và Xây dựng Đờng sắt chế tạo từ năm 2000. - Cảm biến VS1 hợp tác giữa Công ty T vấn và đầu t Xây dựng Đờng sắt với Công ty B u điện năm 2003. - Cảm biến quang học của Công ty Thông tin tín hiệu Sài gòn năm 2000. - Cảm biến tiệm cận (điện từ) của các hãng SIEMEN Cộng hoà Liên bang Đức dùng cho điều khiển chạy tàu ở ga Vinh năm 1998. - Cũng cảm biến điện từ nhng của hãng SUMUNG dùng cho Đờng sắt có mặt tại Việt nam khoảng năm 2003. Mặc dù rất nhiều cảm biến đã đợc nghiên cứu chế tạo trong nớc và nhập khẩu dùng cho Đờng sắt, nhng dễ thấy tất cả đều cha đạt yêu cầu đã nêu ở trên. Có thể thấy các khuyết điểm chung là không chính xác (tiến tới 100%) và làm việc kém ổn định trong điều kiện Đờng sắt Việt nam. Tại sao ở các nớc khác các cảm biến này lại dùng tốt. Vấn đề là sự không chuẩn của ray và bánh tàu Việt nam do không đợc thờng xuyên kiểm tra, thay thế khi mài mòn vợt tiêu chuẩn, cộng với thời tiết, khí hậu quá nóng ẩm nhiệt đới Việt nam và lại đặt ngoài trời của Đờng sắt, chúng đã phá vỡ các điều kiện làm việc để ổn định của các cảm biến theo thiết kế ban đầu. Ngoài ra còn thấy một vài cảm biến chế tạo trong nớc đã chế tạo theo nguyên lý mà khó ứng dụng khả thi vào điều kiện làm việc và mục đích sử dụng của cảm biến (cảm biến địa chấn hay sự hạn chế của cảm biến quang ). Nhìn chung vấn đề nhiệt đới hoá cha đợc quan tâm đúng mức ở trong nớc và nhất là các cảm biến nhập ngoại. 3. Hớng chế tạo mới Để khắc phục các nhợc điểm đã phân tích trên và bám theo chức năng cơ bản của cảm biến bánh tàu đặt trong điều kiện Đờng sắt Việt nam (có thể vợt độ mài mòn 150%), chúng ta đa ra các tiêu chí của cảm biến bánh tàu sẽ chế tạo là: - Độ chính xác (tiến tới 100%) - Làm việc ổn định trong mọi thời tiết Việt nam Phạm vi sử dụng với dải tốc độ đoàn tàu rộng từ 0 km/giờ (đoàn tàu không chạy) tới khoảng 250 km/giờ Tiêu hao nguồn càng nhỏ càng tốt Kích thớc gọn Giá thành rẻ (so với nhập khẩu) càng nhiều càng tốt - Dễ sử dụng cho các mục đích khác nhau: đờng ngang, chiếm dụng, đếm trục, đo tốc độ, giám sát - Dễ kết hợp với các thiết bị xử lý điện tử và điện tử số khác thậm chí vi xử lý hoặc vi điều khiển. 4. Lựa chọn nguyên lý thiết bị cảm biến bánh tàu Về mặt ý tởng để đạt đợc các tiêu chí vừa đa nhiệm, vừa chất lợng cao, tất nhiên phải trả giá về độ phức tạp, sau những điều tra, phân tích, thống kê, thử nghiệm và thực tế, nhóm nghiên cứu đa ra giải pháp xây dựng thiết bị đo lờng cảm ứng bánh tàu dựa trên kỹ thuật công nghệ cơ - điện tử. Thiết bị lấy ảnh hởng cơ học của gờ bánh tàu chiếm dụng vị trí hoặc chuyển động qua thiết bị làm tín hiệu, tín hiệu này làm dập tắt nhanh chóng một mạch dao động LC đã đợc thiết lập ở điều kiện bình th ờng lúc không có bánh tàu tác động. Mỗi khi bánh tàu ra khỏi vị trí do thiết bị kiểm soát thì mạch dao đông LC lại đợc tự kích và nhanh chóng thiết lập dao động. Cứ mỗi lần mất dao động sẽ xác định một tín hiệu là một bánh tàu đi qua thiết bị. Yêu cầu khoảng biến thiên tốc độ đoàn tàu sẽ liên quan tới cả vấn đề kỹ thuật và công nghệ. Nhóm tác giả đã phân tích và tìm đợc giải pháp kỹ thuật (có thể có) cho việc nhanh chóng tự kích và dập tắt dao động ở mạch cộng hởng LC. Sau đó chỉ ra yêu cầu về công nghệ để đạt đợc giải pháp kỹ thuật ấy. 5. Nghiên cứu tự kích, thiết lập, ổn định và dập tắt dao động Một hệ điện tử phi tuyến tổng quát thiết lập đợc dao động có dạng phơng trình chuẩn: x dt dx )m,x(2 dt xd 2 0 2 2 ++ = 0 (1) trong đó: x(t) biên độ dao động; (x, m) - hệ số phụ thuộc hoặc vào biên độ x(t) hoặc thông số bên ngoài m nào đó, với m có thể là các tham số tham gia vào việc thay đổi thông số mạch dao động, ví dụ tụ C, cuộn cảm L, độ hỗ dẫn s (U), hỗ cảm M, hệ số khuếch đại K, tỷ lệ hồi tiếp , thậm chí cả các loại nhiễu; o - tần số muốn tiến đến dao động ổn định, tần số này lựa chọn trên cơ sở của giá trị L và C trong mạch vòng dao động là chính: LC 1 0 (2) Tổng quát nghiệm dao động: x(t) = A * (x,m,t).cos[ r (t) + (t)] Biên độ tổng quát A * (x, m, t) còn phụ thuộc vào chính dao động x(t), các thông số m và năng lợng kích ban đầu trong các kho từ L hoặc điện C Tuy vậy có thể viết nghiệm dới dạng liên quan tới dao động đã đợc thiết lập hay ổn định là: x(t) = A 0 exp(-t). cos( r t + ) (3) với: A 0 - biên độ sẽ đạt đợc khi ổn định; r = 22 0 - tần số trong quá trình thiết lập dao động. Nhận xét các công thức (1), (2) và (3) có thể coi rằng nghiệm của hệ dao động vòng LC tiến tới ổn định là nghiệm tuyến tính của phơng trình: 0x dt xd 2 0 2 2 =+ (4) khi hệ số thiết lập dao động (m, x) tiến tới không, nhng lại phải hiểu dao động trên là trạng thái ổn định động của hệ thống, trong đó năng lợng đợc cấp thêm thông qua hệ số (x, m) bù vào năng lợng tiêu hao trên các phần tử tiêu tán R của hệ (và không bao giờ không có phần tử này). Việc bù năng lơng vào sao cho (x, m) < 0 (âm) để dao động đợc tăng cờng, còn khi (m, x) > 0 (dơng) thì dao động sẽ suy giảm. Hình 1 thể hiện quá trình đó. Nh vậy có thể chia thành ba chế độ, tự kích A, tự hiệu chỉnh B và ổn định C trong hệ thống dao động. Ngoài yêu cầu tự kích nhanh và tạo dao động ổn định khi bình thờng không có tín hiệu đoàn tàu, thì chế độ nhanh chóng dập tắt dao động khi có bánh tàu chiếm vị trí hay chuyển động qua thiết bị là yêu cầu quan trọng nữa, khi đó phải dùng ở chế độ ngừng dao động D. Cũng có thể chỉ cần giảm dao động nhỏ hơn giá trị |x min (t)| và dùng kết quả này để xử lý tiếp: quá trình hình thành dao động D ngừng dao động t > 0= 0 < 0 > 0 < 0 > 0< 0 0 x(t) ổn định t ự hiệu chỉnh tự kích C B A Hình 1. Các quá trình trong mạch vòng dao động LC |x(t)| |x min (t)| (5) Yêu cầu thời gian để từ giá trị bình thờng x(t) giảm tới giá trị nhỏ |x C (t C )| - |x min (t min ) | 0 là: Ur Uh M * * L2 L1 R Ko - + C Hình 2. Mạch dao động KĐTT (t) = t C - t min (6) càng ngắn càng tốt. Nhng sau khi ngừng dao động, muốn tự kích nhanh thì cũng rất cần. Và nh vậy có thể thấy yêu cầu xây dựng một hệ thống dao động mà tự kích và ngừng (suy giảm - dập tắt) có thời gian càng ngắn càng tốt. Dễ thấy hệ số (x, m) phải biến thiên nhanh, vì thế cần nghiên cứu loại dao động nào cho phép có quá trình nhanh tự kích và cũng nhanh dập tắt dao động. 6. Lựa chọn dạng mạch dao động Trong nhiệm vụ đã phân tích, vì tín hiệu bánh xe sắt liên quan đến từ tính và chỉ có các thông số sau đây trực tiếp với nó nhất, đó là tự cảm L, hỗ cảm M. Do đó hớng mạch dao động quan tâm phải là LC. Để bù vào năng lợng mất mát, các hệ số dao động cần các bộ khuếch đại năng lợng. Có thể chọn cả hai mạch dùng Tranzistor hay Op - am (KĐTT) cho các mạch khuếch đại này. Tuy vậy chọn các linh kiện có đặc tuyến, thông số nh thế nào để đạt đợc yêu cầu tự kích nhanh và ngừng dao động nhanh là yêu cầu cơ bản. Có thể tổng quát đa ra 2 hệ dạng mạch dao động và phơng trình của nó. Từ mạch dao động KĐTT trên hình 2, có thể xác định U ra (t) = x (t) từ phơng trình: 0U LC 1 dt dU . RC mK1 dt Ud ra ra0 2 ra 2 =+ + (7) với: K 0 - hệ số khuếch đại bộ khuếch đại; L M m = - tỷ lệ hỗ cảm. Nh vậy: (x, m) = RC mK1 0 (8) ở đây có thể dễ dàng thay đổi M để m thay đổi làm thay đổi. Với hệ thống này tần số dao động gần nh đợc ổn định 0 1/ LC . Hình 3. Mạch dao động Tranzitor LC. U be ib ic il M L C R Từ hình 3, mạch dao động Tranzitor, đáp ứng ra có thể lấy ra theo tín hiệu của dòng qua cuộn cảm và phơng trình x (t) có dạng: 0x LC 1 dt dx LC SM L R dt xd 2 2 =+ + (9) với: S = be c U i - hỗ dẫn của Tranzitor; (x, m) = dt dx C SM R L 1 (10) Nh vậy, muốn thay đổi dao động có thể thay đổi hỗ cảm M của mạch LC. Song, trong công thức (8) và (10) còn một thông số nữa rất quan trọng ảnh hởng tới đó là K 0 và S, không phải chúng là hằng số mà phụ thuộc vào dao động x(t) của nó. 7. Nghiên cứu, lựa chọn tự kích trong hệ thống dao động Mặc dù K 0 trong khuếch đại thuật toán hay các bộ khuếch đại nói chung có thể thay đổi theo tần số và trị số dao động, song cùng các linh kiện IC chất lợng cao nó lại khá ổn định, vì thế chỉ có thể tạo ra việc điều khiển nó là có K 0 đạt yêu cầu dao động hay K 0 0 để mất dao động, và các dao động này còn là các mạch phát xung rất ổn định. Tuy vậy về mặt công nghệ các mạch IC nh KĐTT có nhợc điểm là thời gian thay đổi trạng thái dài hơn các mạch Tranzitor, hơn nữa điện áp cao hơn thì nên chọn các mạch Tranzitor. Mạch dao động LC Tranzitor với đặc điểm của độ hỗ dẫn S tb khác nhau sẽ đợc quan tâm hơn. Trong khi thiết lập dao động, tổng quát ngời ta dựa vào độ hỗ dẫn trung bình và định nghĩa: S tb = m 1m U I (11) ở đây chỉ quan tâm tới hiệu quả của biên độ sóng hài cơ bản (tần số dao động cần thiết lập) với biên độ của điện áp sinh ra dòng điện trên. Các sơ đồ dùng Tranzitor và với các loại Tranzitor, có thể tìm đợc: S tb = a 1 + 4 3 a 3 3 m U + 8 5 a 5 5 m U + (12) Và với a 1 , a 3 , a 5 khác nhau ta có 2 dạng cơ bản S tb (U m ) của các phần tử 3 cực bán dẫn ở hình 4, với S tb là đờng cong chỉ có giảm của hỗ dẫn (có tác dụng tạo dao dộng đều đặn gọi là mềm) khi a 1 > 0; a 3 < 0 và a 5 < 0, còn S tb là đờng cong có một giá trị cực đại của hỗ dẫn (có khả năng tạo dao động có biên độ nhảy bậc, gọi là cứng) khi a 1 > 0; a 3 > 0 và a 5 < 0. Bằng lý luận ta có thể chứng minh đợc ở tự kích mềm (S tbm ) thì quá trình thiết lập dao động quan hệ của biên độ U m với sự thay đổi hỗ cảm M là liên tục - đơn trị - đờng 1 ở hình 5. Còn với tự kích cứng (S tbm ) thì quan hệ biên độ U m với hỗ cảm M là nhảy bậc và quá trình tăng giảm của hỗ cảm M có quá trình là khác nhau: quá trình tiến (tăng M) và giảm (M lùi) là khác nhau. Quá trình tăng M theo đờng 0(0, 0) tới điểm Mot nhảy lên B tiến tới . Quá trình giảm M theo đờng điểm A hạ đột ngôt xuống Mog về toạ độ 0(0, 0). Nếu so sánh với tự kích mềm thì tự kích cứng đặc biệt ở nhảy bậc lên hoặc hạ xuống của biên độ. Từ các phân tích trên có thể đã tìm đợc lời giải: với yêu cầu làm nhanh và thậm chí đột ngột tạo tự kích cũng nh ngừng hoặc dập tắt dao động thì việc chọn linh kiện phi tuyến Tranzitor có khả năng tự kích cứng là rất thích hợp. Nh vậy trong thiết kế phải tìm đợc các Tranzitor có đờng hỗ dẫn dạng tạo ra đợc tự kích cứng. Hình 4. Quan hệ của hỗ dẫn trung bình với biên độ dao động. Hình 5. Quá trình tự kích cứng v mềm của mạch dao động Tranzitor LC. III. Kết luận Một thiết bị cảm ứng bánh tàu gồm các phần tử cơ, từ, điện tử có sử dụng mạch dao động cộng hởng LC, yêu cầu các linh kiện đợc thiết kế chính xác, trong đó tính chọn các thông số hỗ cảm M thích hợp và nhất là phần tử phi tuyến Tranzitor phải có đặc tính hỗ dẫn S tb có điểm cực đại, để sao cho quá trình tự kích và dập tắt dao động nhanh chóng, chuẩn xác khi có mặt bánh tàu xâm chiếm vùng kiểm soát đã đợc quy định của cảm biến. Vùng làm việc hay kiểm soát của cảm biến có thể chọn theo kích thớc mà mài mòn của cả ray và bánh tàu vợt 150% cho phép. Ngoài ra về mặt công nghệ để hạn chế sự tăng nhiệt của bán dẫn hãy thực việc tăng điện áp nguồn (tới mức còn cho phép) làm giảm dòng phát nhiệt đến mức tối đa, nhiệt đới hoá trong các vật liệu bọc, phủ, cách ly trong cảm biến. Cho đến nay, tác giả và các cộng sự đã hoàn thành chế tạo xong, thí nghiệm cơ bản các đặc tính, thông số chính của cảm ứng bánh tàu theo hớng nghiên cứu trên đề ra và phù hợp giữa tính toán và thực tế. Bài báo này viết trên cơ sở của đề tài KHCN cấp Bộ 2005. 0 S tb S tbm S tbc U m a 1 = S 0 Tài liệu tham khảo [1] Bạch Vọng Hà, Lê Mạnh Việt, Trần ngọc Thọ. Nghiên cứu đảm bảo khoa học công nghệ cho tự động hoá đồng bộ, từng bớc ngành Đờng sắt Việt nam. Đề tài KHCN Nhà nớc KC - 02 - 12, 1992 1994. Đại học GTVT. U m [2] Radio technika Budapest, 1978. [3] Electronic Engineering Colombia University, 1975. M v 0 cứng mềm M C A B Mo t Mog [4] Ipari miiszerek Budapest, 1978. [5] Sensors Handbook - Sabrie Soloman, Mc Graw - Hill, 1998. [6] AIP Handbook of Modern Sensor Jacob Fraden, American Istitute of Physics, 1993. [7] Cơ sở kỹ thuật điện tử số, Đại học Thanh Hoa, Bắc kinh 2001 (bản dịch). [8] Phạm Thợng Hàn, Nguyễn Trọng Quế. Kỹ thuật Đo lờng các đại lợng Vật lý. NXB Giáo dục, 2004. [9] Lê Văn Doanh (dịch). Cẩm nang Kỹ thuật điện, tự động hoá và tin học công nghiệp. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1994. [10] Donald G. Fink, Donald Christiansen. Sổ tay Kỹ s điện tử. McGraw - Hill Book Company 1994 (bản dịch 1996). [11] H. H. Epchikhiep, IA. A. Kypersmidt, B. PH. Papulôp-ckii, B. H. Skurôpôb, Đo lờng các đại lợng điện và phi điện (Tiếng Nga). Nhà xuất bản Tự động hoá năng lợng. Matcơva, 1993Ă . Giải pháp kỹ thuật cho công nghệ xây dựng, thiết kế, chế tạo thiết bị đo lờng cảm ứng bánh tàu dùng trong điều khiển các phơng tiện trên ray TS. Lê mạnh việt Bộ môn Trang bị điện. tu đã có trên thế giới v đã sử dụng ở Việt nam, qua đó đề xuất giải pháp kỹ thuật công nghệ cho việc xây dựng, hớng thiết kế, chế tạo thiết bị cảm ứng bánh tu đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật hiện. giải pháp xây dựng thiết bị đo lờng cảm ứng bánh tàu dựa trên kỹ thuật công nghệ cơ - điện tử. Thiết bị lấy ảnh hởng cơ học của gờ bánh tàu chiếm dụng vị trí hoặc chuyển động qua thiết bị làm