Измерения в рельсовых цепях тональной частоты

3 Измерения в рельсовых цепях тональной частоты

3.1  Особенности измерения напряжения тональной частоты

В рамках специального вопроса к настоящему дипломному проекту предлагается произвести анализ возможных методов и средств измерения напряжения в рельсовых цепях тональной частоты, а также установление наиболее оптимального средства измерения.

В процессе обслуживания тональных рельсовых цепей приходится сталкиваться с рядом сложностей, связанных с измерением напряжения на входах путевых генераторов и приемников. Это связано с тем, что напряжение, вырабатываемое путевыми генераторами рельсовых цепей тональной частоты, имеет сложную форму, т.е. представляет собой сумму гармонических напряжений различных частот [18].

Напряжение переменного тока характеризуется  амплитудным, средневыпрямленным и действующим (среднеквадратическим) значениями.

Действующее значение переменного напряжения численно равно значению постоянного напряжения или тока, развивающего на некотором активном сопротивлении такую же мощность, как и данное переменное напряжение или ток. Ввиду этого передаваемая мощность сигнала пропорциональна квадрату действующего значения напряжения. Для проведения измерений в тональных рельсовых цепях в настоящее время, по большей части, используются электроизмерительные приборы, измеряющие действующее значение напряжения.

Известно, что в идеальном случае спектр амплитудно-модулированного сигнала тональной частоты состоит из сигнала несущей частоты и двух боковых составляющих. В реальных условиях эксплуатации рельсовых цепей тональной частоты в спектре измеряемого сигнала присутствуют гармоники высших частот, появление которых обусловлено влиянием электрических стационарных и случайных помех, а также  несовершенством аппаратуры.  Мощность такого сигнала, а следовательно и действующее значение, определяется как сумма  мощностей несущей частоты и всех гармоник, присутствующих в спектре сигнала.

Таким образом, чтобы измерить уровень сигнала в рельсовой цепи тональной частоты с требуемой точностью, нужно обеспечить качественную фильтрацию принятого сигнала, а также учесть влияние искажений спектра сигнала на его действующее значение. Поэтому, основным требованием к специализированному вольтметру для измерения напряжения в тональных рельсовых цепях является качественное выделение гармонических составляющих сигнала тональной частоты на фоне помех.

Известно несколько методов измерения действующего напряжения, реализуемых в современных вольтметрах, как общего назначения, так и в специализированных. Каждый из этих методов измерения имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому, для установления наиболее подходящего прибора для измерения напряжения в тональных рельсовых цепях необходимо детально рассмотреть методы измерения, примененные в конкретных приборах.

3.2 Методы измерения напряжения

3.2.1 Тепловой метод

В данном случае измеряемый сигнал поступает на широкополосный усилитель постоянного напряжения, нагруженный на активную нагрузку. Величина действующего напряжения, определяемая с помощью квадратичного детектора с термопреобразователем, будет пропорциональна величине нагрева, так как переменный ток преобразуется в постоянный путем превращения электрической энергии в тепло. В основе этого метода лежит  закон Джоуля-Ленца о тепловом действии тока [17]. Согласно закону Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяемое на активной измерительной нагрузке за элементарный интервал измерений dt, при протекании через него электрического тока равно              

                                          .                                               (3.1)

В случае переменного тока полное количество теплоты, выделяемой на резисторе R за время измерений Т, можно определить, проинтегрировав (3.1) по времени:

                                           .                                                 (3.2)

Таким образом, измерив количество теплоты, которое выделилось на нагрузке R за период измерений T можно найти соответствующее действующее значение тока (I) и напряжения (U) по формулам 3.3 и 3.4:

                                                   (3.3)

                                                            (3.4)

Следует отметить, что это единственный метод измерения действующего значения напряжения сигналов сложной формы с неизвестными параметрами, который обеспечивает приемлемую точность. Он реализован в ряде отечественных электроизмерительных приборов – В3-28, В3-40, В3-42, В3-45, В3-48 и др.

Недостаток метода применительно к измерениям в тональных рельсовых цепях – сложность создания электроизмерительных приборов с приемлемыми для практических целей массо - габаритными параметрами, большое потребление мощности из измерительной цепи. Проблемы возникают и в связи с обеспечением температурного диапазона использования данных приборов, который лежит в довольно узком диапазоне от 0 до 50 ^оС. Кроме того, применение приборов этого типа становится принципиально невозможным ввиду главного требования – невозможности выделения сигнала тональной частоты из общего сигнала, образованного при наложении сигналов числового кода АЛС и при воздействии мощных помех. Поэтому потребуется предварительное выделение сигнала тональной частоты, иначе возрастает суммарная погрешность.

С учетом этого, можно сделать вывод, что при достижимой погрешности измерений 4-5%, использование вольтметров данного типа целесообразно для измерения действующих значений напряжений сложной формы с неизвестными параметрами в лабораторных условиях для измерения эталонных сигналов.

3.2.2 Метод прямого измерения действующих значений (СКЗ)

Данный метод нашел наибольшее распространение для измерения действующих значений переменных сигналов. Кратко рассмотрим группы приборов, в которых он применяется [17].

1) Аналоговые электронные вольтметры с детекторами действующих зна-чений.

Детектор действующего значения – преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное, согласно формуле (3.5), квадрату действующего значения измеряемого напряжения.

Детекторы осуществляют накопление мгновенных значений измеренного напряжения (u_i) на интервале измерений T (или накопление N мгновенных значений измерений u_i), с последующим вычислением текущего среднеквадратического напряжения U:

                                          .                                              (3.5)

Использование указанного метода предполагает некоторую инерционность  измерений, вызванную необходимостью периодического накопления (интегрирования) мгновенных измерений на интервале времени T. Пример такого прибора – В7-20. Таким образом, измерение действующего значения напряжения такими приборами связано с выполнением трех операций:

-   возведение в квадрат мгновенного значения сигнала;

-   усреднение результата;

-   извлечение корня из результата измерения.

Возведение в квадрат мгновенного значения как правило производится диодной ячейкой путем использования квадратичного участка его характеристики. Процесс усреднения обеспечивается постепенным открыванием диодов в последовательно соединенных ячейках, для которых порог срабатывания диодов растет пропорционально росту входного напряжения. Процедура извлечения корня осуществляется на этапе градуировки прибора.

Применительно к измерениям в ТРЦ  сразу возникает вопрос предварительной фильтрации сигнала от помех. Поскольку вольтметры таких фильтров не имеют, они также будут измерять СКЗ гармоник помех, что может привести к значительным погрешностям измерения.