Lê mạnh việt Bộ môn Trang bị điện - Điện tử Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bμi báo phân tích các nguyên tắc cơ bản về cơ - điện tử để tạo ra phần tử đo
Trang 1Giải pháp kỹ thuật cho công nghệ xây dựng, thiết kế,
chế tạo thiết bị đo lường cảm ứng bánh tàu
dùng trong điều khiển các phương tiện trên ray
TS Lê mạnh việt
Bộ môn Trang bị điện - Điện tử Khoa Điện - Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bμi báo phân tích các nguyên tắc cơ bản về cơ - điện tử để tạo ra phần tử đo
lường cảm ứng bánh tμu, đánh giá các loại cảm ứng bánh tμu đã có trên thế giới vμ đã sử dụng
ở Việt nam, qua đó đề xuất giải pháp kỹ thuật công nghệ cho việc xây dựng, hướng thiết kế, chế tạo thiết bị cảm ứng bánh tμu đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật hiện đại vμ phù hợp với đường sắt Việt nam hiện tại vμ lâu dμi
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 phương tiện giao thông bánh sắt Dù cảm
ứng bánh tàu có nguyên lý hoạt động như thế
nào, cũng đều phải đảm bảo thực hiện được
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
đường sắt hiện đại (tới 300 km/giờ) hoặc đã
chuyển động qua nó và đếm chính xác 100%
số lượng hàng vạn bánh tàu chuyển động
qua Sau chức năng trên tuỳ theo mục đích sử
dụng người 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 đường sắt Các loại cảm
ứng bánh tàu dù phong phú nhưng từng loại vẫn có những ưu, nhược điểm và ứng dụng nhất định cho mỗi loại đường sắt với các mục
đích khác nhau Nghiên cứu xây dựng lý thuyết định hướng kỹ thuật và công nghệ cho việc tính toán thiết kế, chế tạo một cảm ứng bánh tầu mới, nó phải đạt được chất lượng và
đặc biệt phù hợp với đường 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 chưa phát triển
Trang 2người 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 trường có cường 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 trường 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
đường 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 hưởng
gồm cuộn cảm và tụ điện mắc song song phối
hợp với một vài linh kiện điện tử – bán dẫn phi
tuyến thường thiết lập được dao động điều
hoà ổn định Khi có sự thay đổi bên ngoài đủ
lớn làm lệch tần số cộng hưởng thì có thể sẽ
làm ngừng dao động Người ta thiết kế sao
cho cứ có một bánh tàu tới gần cảm biến thì
sẽ làm lệch tần số cộng hưởng 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
đường ray có thể phát hiện được 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 đường ray cho phép đếm được từng bánh xe chuyển động qua hoặc chắn
đường 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 nước KC - O2 - 12 chế tạo, thử nghiệm, ứng dụng tại phòng thí nghiệm Trường 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 đường ngang từ năm
2002 của Đường sắt
- Cảm biến CNO2A (nguyên lý điện tử biến thiên) của Công ty Tư vấn đầu tư và Xây dựng Đường sắt chế tạo từ năm 2000
- Cảm biến VS1 hợp tác giữa Công ty Tư vấn và đầu tư Xây dựng Đường sắt với Công
ty Bưu 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 nhưng của hãng SUMUNG dùng cho Đường sắt có mặt tại Việt nam khoảng năm 2003
Mặc dù rất nhiều cảm biến đã được nghiên cứu chế tạo trong nước và nhập khẩu dùng cho Đường sắt, nhưng dễ thấy tất cả đều
Trang 3chưa 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 Đường sắt Việt nam Tại sao ở các
nước khác các cảm biến này lại dùng tốt Vấn
đề là sự không chuẩn của ray và bánh tàu
Việt nam do không được thường xuyên kiểm
tra, thay thế khi mài mòn vượt tiêu chuẩn,
cộng với thời tiết, khí hậu quá nóng ẩm nhiệt
đới Việt nam và lại đặt ngoài trời của Đường
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 nước 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
chưa được quan tâm đúng mức ở trong nước
và nhất là các cảm biến nhập ngoại
3 Hướng chế tạo mới
Để khắc phục các nhược điểm đã phân
tích trên và bám theo chức năng cơ bản của
cảm biến bánh tàu đặt trong điều kiện Đường
sắt Việt nam (có thể vượt độ mài mòn 150%),
chúng ta đưa 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 thước gọn
– Giá thành rẻ (so với nhập khẩu) càng
nhiều càng tốt
- Dễ sử dụng cho các mục đích khác nhau: đường 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 tưởng để đạt được các tiêu chí vừa đa nhiệm, vừa chất lượng 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 đưa ra giải pháp xây dựng thiết bị đo lường cảm ứng bánh tàu dựa trên kỹ thuật công nghệ cơ - điện tử Thiết bị lấy ảnh hưởng 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 được thiết lập ở
điều kiện bình thường 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
được 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 được giải pháp kỹ thuật (có thể có) cho việc nhanh chóng tự kích và dập tắt dao động ở mạch cộng hưởng LC Sau đó chỉ ra yêu cầu về công nghệ để đạt được 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 được dao động có dạng phương trình chuẩn:
Trang 4x dt
dx ) m , x ( 2 dt
x
0 2
2
ω + α
trong đó:
x(t) – biên độ dao động;
α(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 β, thậm chí cả
các loại nhiễu;
ωo - 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 ≈
Tổng quát nghiệm dao động:
x(t) = A*(x,m,t).cos[ωr(t) + φ(t)]
Biên độ tổng quát A*(x, m, t)
còn phụ thuộc vào chính dao động
x(t), các thông số m và năng
lượng kích ban đầu trong các kho
từ L hoặc điện C … Tuy vậy có
thể viết nghiệm dưới dạng liên quan tới dao
động đã được thiết lập – hay ổn định là:
x(t) = A0exp(-αt) cos(ωrt + φ) (3)
với:
A0 - biên độ sẽ đạt được khi ổn định;
ωr = ω20ưα2 - 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
phương trình:
0 x dt
x
0 2
2
= ω
khi hệ số thiết lập dao động α(m, x) tiến tới
“không”, nhưng lại phải hiểu dao động trên là trạng thái ổn định động của hệ thống, trong đó năng lượng được cấp thêm thông qua hệ số α(x, m) bù vào năng lượng tiêu hao trên các phần tử tiêu tán R của hệ (và không bao giờ không có phần tử này) Việc bù năng lương vào sao cho α(x, m) < 0 (âm) để dao động
được tăng cường, còn khi α (m, x) > 0 (dương) thì dao động sẽ suy giảm Hình 1 thể hiện quá trình đó
Như 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 thường 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 |xmin(t)| và dùng kết quả này để xử lý tiếp:
quá trình hình thành dao động
t
> 0
= 0
< 0
> 0
< 0
> 0
< 0
0
x(t)
ổn
định
tự kích
C B
A
Hình 1 Các quá trình trong mạch vòng dao động LC
|x(t)| ≤ |xmin(t)| (5)
Yêu cầu thời gian để từ giá trị bình thường x(t) giảm tới giá trị nhỏ |xC(tC)| -
|xmin(tmin) | ≤ 0 là:
Trang 5Ur Uh
M
*
*
L2 L1
R Ko
- +
C
Hình 2 Mạch dao động KĐTT
∆(t) = tC - tmin (6)
càng ngắn càng tốt
Nhưng sau khi ngừng dao động, muốn tự
kích nhanh thì cũng rất cần Và như 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 α(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 hướng mạch dao
động quan tâm phải là LC Để bù vào năng
lượng mất mát, các hệ số dao động cần các
bộ khuếch đại năng lượng 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 như thế
nào để đạt được yêu cầu tự kích nhanh và
ngừng dao động nhanh là yêu cầu cơ bản Có
thể tổng quát đưa ra 2 hệ dạng mạch dao
động và phương trình của nó
Từ mạch dao động KĐTT trên hình 2, có
thể xác định Ura (t) = x (t) từ phương trình:
0 U LC
1 dt
dU RC
m K 1 dt
U d
ra ra
0 2
ra
2
= +
ư +
(7)
với:
K0 - hệ số khuếch đại bộ khuếch đại;
L
M
m = - tỷ lệ hỗ cảm
Như vậy:
α(x, m) =
RC
m K
(8)
ở đây có thể dễ dàng thay đổi M để m thay đổi làm α thay đổi Với hệ thống này tần
số dao động gần như được ổn định ω0 ≈ 1/ LC
Hình 3 Mạch dao động Tranzitor LC.
Ube ib
ic
il M L
C R
Trang 6Từ hình 3, mạch dao động Tranzitor, đáp
ứng ra có thể lấy ra theo tín hiệu của dòng
qua cuộn cảm và phương trình x (t) có dạng:
0 x LC
1 dt
dx LC
SM L
R dt
x
d
2
2
= +
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ư
+
(9) với:
S =
be
c
U
i
∂
∂
- hỗ dẫn của Tranzitor;
α(x, m) =
dt
dx C
SM R L
1
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ư (10)
Như 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 hưởng
tới α đó là K0 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 K0 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 lượng cao nó lại khá ổn
định, vì thế chỉ có thể tạo ra việc điều khiển nó
là có K0 đạt yêu cầu dao động hay K0 ≈ 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 như KĐTT có
nhược 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 Stb khác nhau sẽ được
quan tâm hơn Trong khi thiết lập dao động,
tổng quát người ta dựa vào độ hỗ dẫn trung
bình và định nghĩa:
Stb =
m
1 m
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 được:
Stb = a1 +
4
3
a3 3 m
8
5
a5 5 m
U + …
(12)
Và với a1, a3, a5 khác nhau ta có 2 dạng cơ bản Stb (Um) của các phần tử 3 cực bán dẫn
ở hình 4, với Stb là đường cong chỉ có giảm của hỗ dẫn (có tác dụng tạo dao dộng đều
đặn gọi là mềm) khi a1 > 0; a3 < 0 và a5 < 0, còn Stb là đường 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 a1 > 0; a3 >
0 và a5 < 0
Bằng lý luận ta có thể chứng minh được ở
tự kích mềm (Stbm) thì quá trình thiết lập dao
động quan hệ của biên độ Um với sự thay đổi
hỗ cảm M là liên tục - đơn trị - đường 1 ở hình
5 Còn với tự kích cứng (Stbm) thì quan hệ biên
độ Um 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 đường 0(0, 0) tới điểm Mot nhảy lên B tiến tới ∞ Quá
trình giảm M theo đường ∞ 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 được lời giải: với yêu cầu làm nhanh và thậm chí đột ngột tạo tự kích cũng như ngừng
Trang 7hoặc dập tắt dao động thì việc chọn linh kiện
phi tuyến Tranzitor có khả năng tự kích cứng
là rất thích hợp Như vậy trong thiết kế phải
tìm được các Tranzitor có đường hỗ dẫn dạng
tạo ra được tự kích cứng
Hình 4 Quan hệ của hỗ dẫn trung bình
với biên độ dao động
Hình 5 Quá trình tự kích cứng vμ 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 hưởng LC, yêu cầu các linh kiện
được 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 Stb 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 được quy định của
cảm biến Vùng làm việc hay kiểm soát của
cảm biến có thể chọn theo kích thước mà mài
mòn của cả ray và bánh tàu vượt 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 hướng 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
Stb
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 bước ngành Đường sắt Việt nam Đề tài KHCN Nhà nước KC - 02 - 12,
1992 – 1994 Đại học GTVT
[2] Radio technika Budapest, 1978
[3] Electronic Engineering Colombia University,
1975
Mv
0
cứng mềm
M C
Mot
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 Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế Kỹ thuật Đo lường các đại lượng 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 sư 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 lường các đại lượng điện và phi điện (Tiếng Nga) Nhà xuất bản
Tự động hoá năng lượng Matcơva, 1993Ă
