Результат интеллектуальной деятельности: Система определения насыпной плотности и засоренности немагнитными материалами металлического лома в полувагонах в составах железнодорожного транспорта

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения для определения уровня, мгновенной и интегральной насыпной плотности груза (металлического лома) в полувагонах железнодорожного транспорта, обнаружения негабаритного груза, выявления отклонений от сортности, а также для расчета засоренности груза немагнитными материалами и массы чистого металлического лома.

Известен способ определения уровня, мгновенной и интегральной насыпной плотности груза в полувагонах железнодорожного транспорта, обнаружения негабаритного груза, выявления отклонений от сортности, а также для построения распределения уровня (насыпной плотности) по длине полувагона (А.с. SU ^№1832927 Кл. G01N 27/72, 1990 г.).

Известен способ определения массы ферромагнитного материала, включающий подачу контейнера с ферромагнитным материалом в зону измерения, имеющую электрические катушки, на которые подают ток определенной частоты и амплитуды, в качестве электрических катушек берут одну катушку спирального типа и, по крайней мере, одну катушку винтового типа, при этом спиральную катушку располагают в верхней части зоны измерения, а обмотку катушки винтового типа располагают вокруг контейнера с ферромагнитным материалом под углом к его оси, зависящим от ориентации ферромагнитного материала, измеряют индуктивность винтовой катушки и определяют общую площадь сечения Se ферромагнитного материала по формуле

S_e=L⋅l_e/μ₀⋅μ_i⋅N²,

где L - индуктивность электрической обмотки, l_e - длина средней линии ферромагнитного материала, μ₀ - магнитная постоянная, μ_i - магнитная проницаемость ферромагнитного материала, N - число витков обмотки катушки, далее по известным формулам определяют массу ферромагнитного материала, после чего измеряют индуктивность спиральной катушки и в зависимости от полученного значения выбирают полученный опытным путем корректирующий коэффициент, по которому уточняют определенную ранее массу ферромагнитного материала. Кроме того, винтовые катушки берут в количестве, например, пяти штук, последовательно измеряют индуктивность каждой катушки, определяют среднее значение индуктивности, которое используют при расчете общей площади сечения Se ферромагнитного материала. Для осуществления этого способа предложено устройство, содержащее измерительный модуль, контейнер с ферромагнитным материалом, электрические катушки и вычислительный комплекс, в котором измерительный модуль выполнен в виде одной катушки спирального типа и, по крайней мере, одной катушки винтового типа, при этом спиральная катушка расположена в верхней части зоны измерения, а обмотка катушки винтового типа расположена вокруг контейнера с ферромагнитным материалом под углом к его оси, зависящим от ориентации ферромагнитного материала, катушки электрически соединены через электронный блок коммутации с измерителем индуктивности, который в свою очередь электрически связан с вычислительным комплексом, связанным с электронным блоком коммутации (патент РФ №2477466, G01N 27/72, G01R 33/12, опубл. 10.03.2013).

Недостатком этого решения является недостаточная точность измерений вследствие неполного учета параметров, влияющих на магнитные свойства материалов, состав и структуру ферромагнитного материала в контейнере, и невозможность определения магнитной массы контейнеров в динамике. Помимо этого, система катушек, содержащая, по расчетам, более 12 км медного провода является экономически несоразмерно затратной при изготовлении и монтаже. Техническая возможность ее монтажа на действующей железнодорожной магистрали отсутствует, поэтому система может возводиться только на вновь строящихся железнодорожных объектах. Система на позволяет контролировать насыпную плотность ферромагнитного материала, поэтому для расчетов требуется разработка и создание независимых систем, контролирующих массогабаритные характеристики груза.

Известен способ для определения магнитной массы железнодорожных вагонов, включающий подачу вагона с ферромагнитным материалом в зону измерения, имеющую электрическую катушку спирально-винтового типа, обмотка которой размещена вокруг вагона и на которую подают ток определенной частоты и амплитуды, а также измерение индуктивности и добротности катушки, в котором перед подачей железнодорожных вагонов в область зоны измерения проводят калибровку и определяют наборы коэффициентов аппроксимации А, В, С, D, Е, F для уравнения вычисления магнитной массы М М=А+B*L+C*Q+D*L²+E*Q²+F*L*Q, где L - интегральная индуктивность вагона, a Q - интегральная добротность вагона, которое соответствует температуре при калибровке Т_к, а также диапазону насыпной плотности груза в вагонах; определяют с помощью датчиков положения вагонов последовательность подачи контейнеров и их количество, начальный момент подачи контейнеров в область измерений и момент выхода контейнеров из зоны измерений, далее определяют с частотой, равной не менее 1/200 частоты изменения параметров тока катушки, мгновенные значения напряжения и тока U_n и I_n в катушке, скорость движения вагона W_n, а также температуру и уровень загрузки, затем определяют с использованием дискретного преобразования Фурье для каждого периода углы сдвига фаз между током и напряжением ϕ_n, а также с учетом корректировки по температуре величины добротности и индуктивности катушки Q_n и L_n для каждого периода измерения n по формулам

где α - температурный коэффициент, T₁ - температура при измерениях; затем по этим данным определяют интегральные индуктивность и добротность SL и SQ катушки совместно с вагоном и магнитную массу вагона по формулам

, где N1 и N2 соответствуют началу и концу измерений одного вагона, определяют насыпную плотность груза по уровню загрузки и данным по массе груза полученной от весов и выбирается соответствующий диапазону насыпной плотности набор коэффициентов, затем определяют магнитную массу вагона по формуле М=А+B*SL+C*SQ+D*SL²+E*SQ²+F*SL*SQ, после чего повторяют процедуру измерений для каждого из вагонов железнодорожного состава. Система для осуществления этого способа включает систему определения индуктивности катушки и блок обработки и управления, а также средства определения добротности, средства для измерения температуры, ультразвуковой датчик уровня вагона, фотоэлектрические датчики положения вагона, оптический датчик скорости, видеокамера, датчики уровня загрузки (патент РФ №RU 2556831 2013138892, G01R 33/12, G01N 27/72, B61K 9/00, G01G 19/04, опубл. 27.02.2015).

Недостатком этого решения является недостаточная точность и ненадежность определения уровня, мгновенной и интегральной насыпной плотности груза (металлического лома) в полувагонах железнодорожного транспорта, связанная с большим количеством автономных подсистем контроля уровня загрузки, мгновенной скорости, позиционирования вагона в составе, габаритных размеров вагона. Помимо этого, от двух до шести ультразвуковых датчиков уровня загрузки полувагона не обеспечивают необходимое быстродействие системы, что снижает точность определения насыпной плотности. Наличие автономного датчика измерения скорости вагона и необходимость его точной синхронизации с магнитными и ультразвуковыми подсистемами усложняет процесс обработки сигнала и ведет к дополнительным эксплуатационным расходам на поддержание системы в работоспособном состоянии.

Последствием этого является нестабильность работы и низкая точность определения уровня засоренности металлолома немагнитными материалами (погрешность, достигающая 30-80% измеряемой величины).

Другим недостатком этого решения является дороговизна и техническая сложность изготовления и монтажа электрической катушки спирально-винтового типа, обмотка которой размещена вокруг вагона, монтаж которой невозможен без осуществления сложного комплекса строительно-монтажных работ по устройству специальных фундаментов под действующей железнодорожной магистралью.

Известна система определения насыпной плотности грузов в полувагонах в составах железнодорожного транспорта. Устройство включает датчик скорости, датчик уровня загрузки и блок обработки и управления. Дополнительно включены средства определения массы груза, датчики уровня загрузки, число которых составляет от двух до шести, которые установлены на высоте 5.0 м от уровня головки рельса ж/д пути, справа и слева от оси пути в диапазоне от 0,2 м до 0,75 м (RU 2604115, G01N 9/00, G01R 33/12).

На основе определенных уровней в полувагоне, получая от сторонних подсистем через блок обработки и управления данных о массе груза, определяются мгновенные и интегральные насыпные плотности груза в полувагонах железнодорожного транспорта, строятся распределения уровня (насыпной плотности) по длине полувагона.

Путем обработки данных о грузе, полученных от сторонних подсистем через блок обработки и управления делаются выводы о соответствии груза заявленному сорту.

Недостатком предложенной системы является то, что она не различает магнитные и немагнитные материалы и не может быть применена к оценке засоренности металлолома немагнитными материалами. Кроме этого системы ультразвуковых датчиков имеют недостаточное быстродействие, не позволяющее производить более 100 измерений за время прохождения через систему одного полувагона, что ведет к высокой погрешности определения насыпной плотности материала.

В основу изобретения положена задача создания более точной и экономичной системы определения насыпной плотности и засоренности немагнитными материалами металлического лома в полувагонах в составах железнодорожного транспорта, что достигается за счет установки двух сканирующих лидаров формирующих мгновенную трехмерную картину полувагона с грузом металлолома с охватом всей площади горизонтальной проекции полувагона и 3D картину окружающего полувагон пространства. Вместо катушки спирально-винтового типа, обмотки которой охватывают железнодорожный вагон и действующую магистраль предполагается установка на существующих опорах контактной сети и\или мостовых переходах над железнодорожной магистралью системы магниторезистивных датчиков (магниторезистивных преобразователей магнитного поля) в количестве от 10 до 50 шт.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что система из двух лидаров со специально разработанным программным обеспечением, установленная на высоте 5.0 м от уровня головки рельса ж/д пути, будет использована для одновременного измерения уровня, мгновенной и интегральной насыпной плотности груза, габаритных характеристик груза и железнодорожного полувагона, мгновенной и средней скорости движения вагона, порядкового номера вагона в железнодорожном составе. Система магниторезистивных преобразователей будет использована для измерения уровня возмущения магнитного поля земли в зоне прохождения железнодорожного полувагона вблизи опор действующей железнодорожной инфраструктуры (опоры контактной сети и мостовых переходов). При необходимости, для усиления уровня сигнала, возможна установка вдоль магистрали двух постоянных магнитов, справа и слева от оси пути в диапазоне от 0,2 м до 0,75 м.

Такая система характеризуется высокой экономичностью при изготовлении и монтаже и стабильностью и точностью работы по сравнению с прототипом. Это обусловлено отказом от многочисленных (более 6) независимых подсистем измерения и заменой их двумя синхронизированными подсистемами (лидары и магниторезистивные датчики). За счет этого значительно снижается общая стоимость системы в целом, повышается стабильность и точность ее работы. Погрешность измерений при этом снижается до 7-10% от измеряемой величины.

Изобретение поясняется фиг. 1-3. Расположение лидаров 1 и магниторезистивных преобразователей 2 показано на фигурах 1 и 2. На фиг. 3 показаны устройства, предназначенные для управления измерениями и обработки сигналов от подсистем лидаров и магниторезистивных датчиков, а также для подмагничивания груза при необходимости усиления сигнала.

Количество магниторезистивных преобразователей 2, как показано на фиг. 1 и 2 - от до десяти до пятидесяти

Расстояние между датчиками 1 и 2 обеих подсистем - справа и слева от оси пути в диапазоне от 0,2 м до 0,75 м, высота установки - 5.0 м от уровня головки рельса, позволяют однозначно определить насыпную плотность груза и магнитную и немагнитную его составляющие полувагонах при движении состава в диапазоне скоростей 0-10 км/ч.

Высота установки датчиков определена на основе технических характеристик датчиков и условий соблюдения требований ГОСТ 9238-2013 "Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений".

Расстояние между датчиками устанавливается исходя из технических характеристик датчиков и требований по охвату всей площади горизонтальной и вертикальной проекции полувагона с двух сторон.

Устройства 3, показанные на фигуре 3, предназначены для управления измерениями и обработки сигналов от подсистем лидаров и магниторезистивных датчиков, а, также для подмагничивания груза при необходимости усиления сигнала.

Установка двух постоянных магнитов позволяет производить подмагничивание всех проходящих грузов при фиксированной напряженности магнитного поля. Предварительно подмагниченный груз увеличивает возмущение магнитного поля в воздушном зазоре магниторезистивных датчиков и увеличивает отношение «сигнал\шум» при измерении магнитной составляющей груза, тем самым, увеличивая динамический диапазон измерения, увеличивает чувствительность и снижает погрешность измерения суммарного сигнала системы магниторезистивных датчиков.

Система работает следующим образом:

Принцип работы системы основан на обработке сигналов от двух независимых подсистем, одна из которых (лидары 1) отвечает за контроль позиционирования вагонов в железнодорожном составе, определение мгновенной и средней скорости движения полувагона в составе, определение габаритных характеристик груза и полувагона. Вторая подсистема (магниторезистивные преобразователи 2) отвечает за измерение величины возмущений магнитного поля в воздушном зазоре, непосредственно прилегающем к движущемуся полувагону. Специально разработанное программное обеспечение обеспечивает прием и синхронизацию данных от обеих подсистем, принимает данные натурных листов железнодорожных составов и результаты взвешивания вагонов на промышленных вагон-весах и производит он-лайн расчет, в результате чего становится возможным определить насыпную плотность груза и рассчитать соотношение магнитной и немагнитной составляющей груза.

Путем обработки данных о грузе полученных от сторонних подсистем через блок обработки и управления 3 делаются выводы о соответствии груза заявленному качеству.

Насыпная плотность определяется по формуле:

где h - уровень груза в вагоне относительно дна вагона,

М - масса груза в вагоне (определяется по данным промышленных вагон-весов),

s - ширина вагона, I.

- пройденное вагоном расстояние за время измерения (определяется при помощи системы лидаров).

Магнитная и немагнитная составляющая груза определяется по калибровочным кривым для каждого типоразмера вагона с грузом и суммарного значения интеграла величин мгновенных возмущений магнитного поля при прохождении железнодорожного вагона через воздушный зазор системы магниторезистивных преобразователей.

Калибровочные кривые строятся в виде трехмерных диаграмм или системы матриц с последующей обработкой коэффициентов и понижения ранга матриц хемометрическим методом MDA (О.Е. Родионова. Хемометрический подход к исследованию больших массивов химических данных. Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева,, 2006 г. T.L, №2, стр. 128-144). По результатам MDA - анализа определяется компонента, отвечающие за параметр «магнитная составляющая груза», которая откладывается в виде абсциссы на двухмерном графике «магнитная составляющая (ось X) - немагнитная составляющая (ось У)».