基于LC振荡电路的道口报警系统传感器改进研究

冯 超,黄世海

(兰州石化公司 油品调合中心(国储公司),甘肃 兰州 730060)

1 引言

铁路道口是铺面宽度在2.5米及以上,直接与道路贯通的平面交叉路口,是铁路和道路交通的结合部,道口安全既关系着铁路行车的安全,也关系着道路方面车辆、行人的安全[1-3]。兰州石化公司7号门与8号门道口属于国铁正线道口,其中8号门道口既有国铁正线通过,又有国铁车站调车场线路及该厂专用线通过,作业频繁,来往行人和车辆流量大,安全风险高。目前道口报警技术主要有3种,分别是传感器报警技术、收发器感应报警技术、接入信号联锁系统[4-6]。8号门颖川堡车站调车场复线无报警系统,2019年9月对7号门、8号门两个道口报警系统进行改造,在铁路正线采用收发器报警技术,但在复线由于受实际距离限制,无法使用收发器报警技术,只能采用基于传感器的报警技术,报警系统示意图如图1。但改造后,复线报警传感器频繁出现故障,出现误报警、不报警等现象,需频繁切开某一股道报警系统,存在较大安全风险[7]。

由于8号门道口内颖川堡车站调车场9条复线无报警系统,车站调车作业完全依赖道口人工盯控,发现过车时,将栏木关闭,一旦道口工人出现失误,无法及时关闭栏木,就会造成严重后果。改造的主要目的是解决复线报警问题,2019年9月新的报警系统经过调试安装后,10月份开始,新的报警系统陆续出现故障现象,主要表现为过车不报警、不过车误报警两种,不能长周期可靠有效运行,威胁着道口行车安全。

图1 7号门、8号门道口报警系统示意图

2 道口报警系统传感器故障分析及性能改进评价方法

2.1 道口报警系统传感器故障原因分析

道口报警系统2019年9月份开始安装并调试系统,但在调试安装完成1个月内,开始频繁发生故障,表1为2019年10月6日-13日故障发生次数及环境因素统计数据,图2为误报警与环境温度曲线图。

表1 2019年10月6日-13日故障类型及发生次数统计数据

图2 误报警与环境温度关系

由表1统计数据及图2可知,误报警发生与温度紧密相关,大多发生在环境温度在10℃以下。误报警发生还与气象情况关系紧密,基本发生在雨天。

为进一步分析故障发生的原因,对10月6日-13日期间,9条复线的故障情况及钢轨型号进行了统计,如表2。

表2 9条复线发生故障统计表

由表2统计数据可知,误报警故障在九条线路上均有分布,过车不报警故障主要发生在P50钢轨上,说明传感器安装位置与过车不报警故障联系密切。

通过对故障现象分类统计及分析,可初步判断故障发生原因主要与温度、传感器安装位置及下雨有关。

2.2 传感器性能改进评价标准

对传感器改进性能进行评价的标准为过车时,振荡电路能够正常起振,产生报警信号。并且对温度、天气等外界因素不敏感,避免不过车时报警及过车时不报警现象发生。

3 报警传感器故障原因分析

3.1 温度对传感器LC振荡电路的影响

车辆通过传感器所在线路时改变LC振荡电路的电感值,引发电路自激振荡,输出10KHz正弦波,触发后端电路工作,继电器动作引发声光报警。核心部分是过车时,如何高效、准确触发振荡电路。传感器电路原理图如图3所示[8]。

LC正弦波振荡电路主要由选频电路、反馈电路、放大电路三部分组成,根据自激振荡理论可知振荡电路正常工作需满足两个条件[9]:

相位平衡条件:φα+φf=2nπ和振幅平衡条件:AF=1。

为使振荡电路能自行建立振荡,要求|AF|>1,A为电路的放大网络,F为反馈网络。通过调整反馈变压器系数p(p=N1/N2)及电路反馈电阻,使得电路放大系数A与反馈系数F(此时,F=p)乘积略大于1,即可产生振荡信号,谐振回路的等效阻抗为:

正常状态下,电路处于非振荡状态,当铁路车辆通过时,车轮对增强传感器电路中的电感值增大电路正反馈量,使得振荡电路起振。一般情况下,电感线圈受温度影响幅度不大,但加入铁芯后,温度便会对电感值产生较为明显的影响,进而导致电路起振所需的图3中反馈电阻R9大小发生变化,表3为通过变阻箱盒的实验数据。而电阻R9值较大时,感应距离会略微变长,电阻R9值变小时,感应距离会略微变短。

表3 不同温度下R9反馈电阻值测量数据

由表3数据可知,温度变高时,电阻起振值会变小,温度变低时,电阻起振值会变大,这也就是报警系统受温度影响的原因。

3.2 气象条件对传感器LC振荡电路的影响

报警传感器外壳为铁质材料,密封由两层组成:硅胶层、环氧树脂层,结构示意如图4。

图4 传感器密封方式示意图

为确认环氧树脂与传感器外壳密封性能,将其在室温、高温下浸水,观察其是否进水,影响电路功能,具体测试数据见表4(“√”代表电路可以正常工作,“×”代表电路无法正常工作)。

表4 传感器密封测试数据

高温、低温情况下,传感器都能正常工作,但反复高低温交替,则发现由于环氧树脂反复热胀冷缩导致铁制传感器外壳密封性出现问题,遇到下雨天,雨水进入传感器电路,使电路发生故障,于是出现长报警故障。在实验室将故障传感器烘干后,电路恢复正常工作,进一步证明进水导致故障。

3.3 现场安装位置对传感器工作性能的影响

传感器安装于钢轨轨腰处,P43钢轨高度140 mm,P50钢轨高度152 mm,现场安装高度完全一致,但报警器振荡电路稳定性却有所差异。对6条P43和3条P50钢轨实际高度进行测量,数据见表5。

表5 9条复线钢轨实际高度值数据

通过钢轨高度测量后,发现钢轨磨耗不同,传感器感应面与钢轨顶部的距离会不同,安装时,如果完全按照P43钢轨标准高度安装,以距离钢轨底部高度为安装标准,不考虑钢轨高度及磨耗情况,就必然会影响车轮与传感器感应面的垂直距离,进而导致报警不稳定。

4 报警传感器优化改进措施

4.1 调整LC振荡电路参数

对LC振荡电路进行改进,调大电容值,使得电感值即使变化,也对整个电路不会产生较明显变化,电路起振时,反馈电阻需求值波动不明显。将电容值由0.08微法调高至0.47微法,同时将电感线圈匝数降至1/6,测试数据如表6。

由实验数据可知:通过调高电容值,同时降低电感线圈匝数的办法,基本稳定了反馈电阻R9,使其几乎不再随着温度变化而变化。

图5为电路改进前、后,为满足振荡电路起振条件,R9反馈电阻随温度变化时的值。

表6 电路改进后不同温度下R9反馈电阻测量数据

图5 电路改进前后,不同温度电路起振时R9反馈电阻值

4.2 改变传感器密封方式

通过在传感器外壳顶端加装防护壳,解决防雨问题,改造前后传感器实物图如图6、7。

图6 改进前传感器实物图

图7 改进后传感器实物图

4.3 调整传感器在轨腰安装位置

通过测量发现:过车时,车辆轮对边缘一般都在距离轨面27 mm。通过实验发现,传感器上表面距离钢轨轨面距离为30 mm时,感应效果最好,实验数据如表7。

确定安装高度后,由于钢轨磨耗不同,将固定支架改为活动支架,根据钢轨磨耗情况,可动态修正由于钢轨轨面磨耗导致的距离偏差,图8为传感器安装示意图,图9为现场安装实物图。

表7 传感器安装高度实验数据

图8 车轮传感器安装位置示意图

图9 报警传感器现场安装图

5 结论

通过对道口报警系统传感器电路参数进行改进,解决了振荡电路受外界环境温度影响的问题;在传感器顶端安装防护壳,解决了由于环氧树脂密封易随着热胀冷缩的变化与外壳脱开,进而导致雨水进入,影响电路正常工作的问题;调整传感器安装高度及安装方式,解决了由于钢轨磨耗及安装高度导致的电路不能起振的问题。所有优化措施实施完成后,道口报警系统经历了雨天、高低温变化等,再未发生故障,实现了长周期安全运行,达到了预期的效果。