CN204517510U - 一种射频能量转换收集装置以及铁路轨道及轨旁设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种射频能量转换收集装置以及铁路轨道及轨旁设备。该装置由射频-交流转换单元、交流-直流整流单元和能量储存单元组成，能够将BTM车载天线发射的频率为27.095MHz射频能量转换为直流电源，可以作为铁路轨道及轨旁设备工作所需要的电源。其优点在于，回收利用已经存在的射频能量，提高能源利用率，节能环保；使用射频能量转换收集装置作为电源的铁路轨道及轨旁设备，不再受限于电源的布设和维护问题，节省了成本，减少了维护工作量，有利于扩大轨道及轨旁设备的应用区域和范围，提高铁路运营管理维护工作的智能化水平。
Description
技术领域
本实用新型涉及铁路轨道以及轨旁设备技术领域，尤其是用于铁路轨道及轨旁设备的射频能量转换收集装置。
背景技术
随着中国铁路的快速发展，铁路通车里程逐年增加，列车的正常运行以及日常维护工作越来越依赖轨道以及轨旁设备，比如作为重要的车地通信解决方案的点式应答器传输系统，其组成部分——地面应答器就属于轨道设备(即设置于轨道内的设备)；比如用于轨道日常维护的铁路监测网络就是轨旁设备(即设置于轨道旁边用于列车安全、维护等功能的设备)；比如设置于轨道旁的防灾预警网络(设置于铁路沿线或山体旁边的，用于监测落石、山崩等自然灾害对铁路的有害影响的传感器网络)也是轨旁设备；再比如用于铁路通信信号的信号机等也属于轨旁设备。以铁路监测网络为例，通过其无线传感网络，能够及时获得铁路现场设备的工作状态和环境信息。然而，分布于铁路沿线的轨道及轨旁设备的能源通常采用电池或铺设的电线供电，使用电池的方式增加了电池的消耗和工人工作的强度，大大增加了维护工作量，而采用布线方式提供能量则会导致造价过高，不利于轨道设备以及轨旁设备的大面积推广使用。
发明内容
为了解决铁路轨道及轨旁设备的供电问题，本实用新型提供一种射频能量转换收集装置以及铁路轨道及轨旁设备，该射频能量转换收集装置安装在轨道中间，列车经过时，收集BTM车载天线发射的27.095MHz射频能量，将其转换为直流电源并储存，用于给铁路轨道及轨旁设备供电。
一种用于铁路轨道及轨旁设备的射频能量转换收集装置，包括：射频-交流转换单元，用于将车载BTM天线发射的近场射频转换为交流信号；交流-直流整流单元，用于将所述交流信号整流成直流电；以及能量储存单元，用于将所述直流电储存起来，并能为轨道及轨旁设备供电。
优选的，所述射频-交流转换单元由感应线圈L、调谐电容C1组成，感应线圈L与调 谐电容C1串联，感应线圈L通过电磁感应原理耦合BTM车载天线发射的射频能量，调谐电容C1与感应线圈L自身电感组成LC谐振电路，使得射频-交流转换单元输出的能量在谐振频率27.095MHz最大；所述交流-直流整流单元由二极管D1、二极管D2、电容C2、电容C3、保护电阻R组成；二极管D1的正极与二极管D2的负极连接，同时与电容C1一端相连；二极管D1的负极与电容C2的正极相连，同时与保护电阻R的一端相连；电容C2的负极与电容C3的正极相连，同时与电容C1的另一端连接；电容C3的负极与二极管D2的正极相连，同时与保护电阻R的另一端连接；所述的能量储存单元由充电芯片和储存电容C4组成；充电芯片从交流-直流整流单元获得能量输入，将能量储存到电容C4中；放电时由电容C4向负载供电。
优选的，根据负载所需电源功率不同，射频能量转换收集装置的电容的感应线圈匝数可改变调整。
优选的，在机车驶过所述射频能量转换收集装置上方时，所述射频能量转换收集装置的顶端距离BTM车载天线的垂直距离小于1.76m。
优选的，在机车驶过所述射频能量转换收集装置上方时，所述射频能量转换收集装置的顶端距离BTM车载天线的垂直距离范围在0.22m-0.46m。
一种铁路监测网络，通过上述的射频能量转换收集装置供电。
一种铁路防灾预警网络，通过上述的射频能量转换收集装置供电。
一种铁路通信信号系统，包括信号机，所述信号机通过上述的射频能量转换收集装置供电。
一种地面应答器，通过上述的射频能量转换收集装置供电。
优选的，所述地面应答器是多通道地面应答器。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
图1是本实用新型一个实施例的射频能量转换收集装置的系统框图。
图2是本实用新型一个实施例的射频能量转换收集装置的电路图。
图3是本实用新型一个实施例的射频能量转换收集装置与轨旁设备的结构关系图。
图4是本实用新型一个实施例的射频能量转换收集装置与轨道设备的结构关系图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明确，下面结合实施例以及附图对本实用新型实施例中的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明主要用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
在目前的铁路沿线上，点式应答器信息传输系统已经成为列车控制领域的一种重要的车地通信解决方案，目前在高速铁路、城市地铁中得到广泛使用。应答器传输模块BTM(Balise Transmission Module)是车载设备，其天线单元即BTM天线在列车运行过程中，持续向地面发射频率为27.095MHz的射频能量信号，用于激活设置在铁轨内的地面应答器(简称应答器)。应答器属于点式设备，通常沿铁路线在区间间隔大约每2千米安装一组应答器。列车行进过程中，即使在没有应答器的地方，安装在列车底部的BTM天线也在持续发射27.095MHz的射频能量信号，这是因为无源应答器要依赖BTM天线发射的27.095MHz的射频能量作为能量源(无源应答器即铁路沿线上的地面应答器，由于没有能量源，仅靠该27.095MHz的能量启动并工作，在机车及其BTM天线离开地面应答器的有效作用距离之后停止工作)。由于BTM天线停止发射27.095MHz射频能量，应答器不会被激活而且停止工作，有可能丢失应答器信息，造成安全隐患，而且由于目前机车速度极快(高铁及客运专线一般达到250km/h至300km/h)，从安全和设备寿命角度考虑BTM天线都会持续发射27.095MHz射频能量。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：射频能量转换收集装置利用电磁感应原理，将列车装载的BTM天线发射的近场射频能量转换为交流信号，然后通过整流将其变为直流信号，通过充电芯片将其储存在电容器中，作为电源提供给各种铁路轨道及轨旁设备。
由于BTM天线发射的射频能量信号频率为27.095MHz(欧标ETCS标准，也是国内的CTCS中国列车运行控制系统标准)，则波长λ为11.072m，射频能量转换收集装置与BTM天线间的距离在0.22m-0.46m之间，该距离只要小于λ/2π即1.763m，则该处的场就属于近场即感应场，近场的能量传输方式是近场感应电感耦合。以r表示测量点与线圈中心的距离，在近场范围内，磁场强度与r3成反比，衰减为60dB/10倍频程；在远场范围内，磁场强度与r成反比，衰减为20dB/10倍频程。经过近场的衰减后，远场的磁场强度比近场小的多，属于弱场。因此在近场范围内转换收集到的射频能量要远高于远场范围。射频能量转换收集装置的天线在特定频率27.095MHz进行调谐，输出最大能量，使得本实用新型所述的射频能量转换装置的能量利用率更高。需要说明的是，上述0.22m-0.46m是BTM天线与 地面应答器的作用距离，本实用新型的实施例的射频能量转换收集装置可以设置成与地面应答器同样高度，则采用0.22m-0.46m的高度范围；当然也可以设置成与地面应答器不同的高度，比如稍高一些，则射频能量转换收集装置与BTM天线的距离小于0.22m，会增加射频能量利用率，当然应兼顾考虑对BTM天线的碰撞的不良影响的可能性，不能使该距离范围太小；当然也可以设置的稍低一些，则射频能量转换收集装置与BTM天线的距离大于0.46m，小于1.76m，该范围都是近场作用的范围，该范围内设置射频能量转换收集装置对于射频能量的利用率都较大，且对BTM天线不会产生碰撞影响。
将点式应答器传输系统中闲置、浪费的能量收集起来，作为铁路沿线监测网络、轨旁信号设备、铁路防灾预警系统等轨旁设备以及地面应答器等轨道设备的电源，既提高了车载BTM天线的能量利用率、节约了能源，又降低了上述轨道及轨旁设备的造价和后期维护费用。使用射频能量转换收集装置为低功耗的轨道及轨旁设备供电，将极大推动这些设备的应用范围和区域，提高铁路运营管理维护工作的智能化水平。而对于地面应答器，由于之前都是采用BTM天线即时激活和供电，在列车行经同一地面应答器的很短的时间内(几毫秒至几十毫秒)上传报文数据很短，仅1023位，向机车提供的信息有限；若将本实用新型的射频能量转换收集装置设置在地面应答器旁边并向地面应答器供电，则可以提高地面应答器的上传报文的效率，增加上传报文的信息量。
本实用新型所述的一种用于铁路轨道及轨旁设备的射频能量转换收集装置的主要功能为：接收车载BTM车载天线发射的射频能量，将其转换为直流电源并储存在电容中，为铁路轨道及轨旁设备提供电源。
本实用新型的一个具体实施例提供了一种用于铁路轨道及轨旁设备的射频能量转换装置，如图1所示，包括射频-交流转换单元、交流-直流整流单元、能量储存单元，其中：
所述的射频-交流转换单元将BTM车载天线发射的、在近场传播的射频能量通过电磁感应生成交流电源，交流电源通过交流-直流整流单元后变为直流电源，直流电源由充电芯片储存进电容，由电容作为铁路轨道及轨旁设备的供电电源。
具体的，如图2所示，射频-交流转换单元可以由感应线圈L、调谐电容C1组成，感应线圈L与调谐电容C1串联。感应线圈L通过电磁感应原理耦合BTM车载天线发射的射频能量，调谐电容C1与感应线圈L自身电感组成LC谐振电路，使得射频-交流转换单元输出的能量在谐振频率27.095MHz时最大。根据不同的负载功耗需求，可以调节感应线圈L匝数，输出不同功率的电源。
所述的交流-直流整流单元将交流信号整流成为直流信号，并将射频-交流转换单元输出 的电压提高至交流信号峰值的2倍值。交流-直流整流单元由二极管D1、二极管D2、电容C2、电容C3、保护电阻R组成。二极管D1的正极与二极管D2的负极连接，同时与电容C1一端相连，二极管D1的负极与电容C2的正极相连，同时与保护电阻R的一端相连；电容C2的负极与电容C3的正极相连，同时与电容C1的另一端连接；电容C3的负极与二极管D2的正极相连，同时与保护电阻R的另一端连接。所述的交流-直流整流单元还可以由桥式整流电路组成。
所述的能量储存单元由充电芯片和储存电容C4组成。充电芯片从交流-直流整流单元获得能量输入，将能量储存到电容C4中。所述的能量储存单元的储存电容还可由可充电电池或超级电容组成。
本实用新型一个实施例的一种用于铁路轨道及轨旁设备的射频能量转换收集装置，其工作方式为：列车行驶过程中BTM车载天线(即安装在列车上的BTM天线)持续向地面发射频率为27.095MHz的射频能量信号，当安装有BTM车载天线的列车经过设置在轨道上或轨道旁的射频能量转换收集装置时，射频能量转换收集装置将接收到的射频能量转换为直流电流，并将其储存在电容中，作为铁路轨道及轨旁设备的电源。由于铁路上不断有列车经过，所以射频能量转换收集装置能够不断进行能量转换和收集，为铁路轨道及轨旁设备持续提供电源。
本实用新型的一个具体实施例为，在没有安装应答器的轨道中间，安装射频能量转换收集装置，通过空气间隙与BTM车载天线连接。BTM车载天线持续向地面发射频率为27.095MHz的射频能量信号。当安装有BTM的列车经过射频能量转换收集装置时，射频能量转换收集装置的感应线圈通过电磁感应生成了频率为27.095MHz的交流信号，由于调谐电容C1和感应线圈自身电感构成了调谐电路，射频-交流转换单元内部消耗很少能量，频率为27.095MHz的交流信号以最大幅度输出。该交流信号通过由二极管和电容组成的2倍压整流电路变为直流信号，具体流程为：射频-交流转换单元输出交流信号的正半部分时，二极管D1导通，电容C2充电，二极管D2截止；射频-交流转换单元输出交流信号的负半部分时，二极管D1截止，D2导通，电容C3充电，由于电容C2和电容C3的峰值电压相同，因此在电容C2的正极和电容C3的负极输出原交流信号峰值的2倍电压值。充电芯片将交流-直流整流单元输出的能量储存到电容C4中，为铁路防灾预警系统中的雨量监测系统提供电源。
如图3所示，射频能量转换收集装置10安装在轨道20之内，在机车驶过其上方时通过空气间隙与BTM车载天线连接。当安装有BTM的列车经过射频能量转换收集装置10 时，射频能量转换收集装置10即将BTM天线发射的射频能量转换为直流电源并储存，并通过电缆或光纤40向如图3所示的铁路监测网络或防灾预警网络30(轨旁设备的具体形式)提供源源不断的能源。
如图4所示，射频能量转换收集装置10安装在轨道20之内，在机车驶过其上方时通过空气间隙与BTM车载天线连接。当安装有BTM的列车经过射频能量转换收集装置10时，射频能量转换收集装置10即将BTM天线发射的射频能量转换为直流电源并储存，并通过电缆、光纤或无线方式41向如图4所示的地面应答器50(轨道设备的具体形式)提供辅助能源。这样地面应答器50可以在同样时间内更多的能源支持下(相对于现有技术中地面应答器仅接收车载BTM天线的能源)向车载BTM天线发送更多的数据(比如不必局限于现有技术的单通道的地面应答器受能源限制仅通过单通道发送数据，而能够实现地面应答器通过多通道发送更多的数据)。
本实用新型所述的一种用于铁路轨道及轨旁设备的射频能量转换收集装置的主要优点为：射频能量转换收集装置回收利用列车经过时持续发出的射频能量，提高能源利用率，节能环保；使用射频能量转换收集装置作为电源的铁路监测网络、轨旁通信信号设备、铁路防灾预警系统、地面应答器等轨道及轨旁设备，不再受限于电源的布设和维护问题，节省了成本，减少了维护工作量，有利于扩大铁路轨道及轨旁设备的应用区域和范围。
总之，以上所述仅为本实用新型技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于铁路轨道及轨旁设备的射频能量转换收集装置，包括：
射频-交流转换单元，用于将车载BTM天线发射的近场射频转换为交流信号；
交流-直流整流单元，用于将所述交流信号整流成直流电；
以及能量储存单元，用于将所述直流电储存起来，并能为轨道及轨旁设备供电。
2.根据权利要求1所述的射频能量转换收集装置，其特征在于，
所述射频-交流转换单元由感应线圈L、调谐电容C1组成，感应线圈L与调谐电容C1串联，感应线圈L通过电磁感应原理耦合BTM车载天线发射的射频能量，调谐电容C1与感应线圈L自身电感组成LC谐振电路，使得射频-交流转换单元输出的能量在谐振频率27.095MHz最大；
所述交流-直流整流单元由二极管D1、二极管D2、电容C2、电容C3、保护电阻R组成；二极管D1的正极与二极管D2的负极连接，同时与电容C1一端相连；二极管D1的负极与电容C2的正极相连，同时与保护电阻R的一端相连；电容C2的负极与电容C3的正极相连，同时与电容C1的另一端连接；电容C3的负极与二极管D2的正极相连，同时与保护电阻R的另一端连接；
所述的能量储存单元由充电芯片和储存电容C4组成；充电芯片从交流-直流整流单元获得能量输入，将能量储存到电容C4中；放电时由电容C4向负载供电。
3.根据权利要求1或2所述的射频能量转换收集装置，其特征在于，根据负载所需电源功率不同，射频能量转换收集装置的电容的感应线圈匝数可改变调整。
4.根据权利要求1或2所述的射频能量转换收集装置，其特征在于，在机车驶过所述射频能量转换收集装置上方时，所述射频能量转换收集装置的顶端距离BTM车载天线的垂直距离小于1.76m。
5.根据权利要求1或2所述的射频能量转换收集装置，其特征在于，在机车驶过所述射频能量转换收集装置上方时，所述射频能量转换收集装置的顶端距离BTM车载天线的垂直距离范围在0.22m-0.46m。
6.一种铁路监测网络，其特征在于，所述铁路监测网络通过权利要求1至5之一所述的射频能量转换收集装置供电。
7.一种铁路防灾预警网络，其特征在于，所述铁路防灾预警网络通过权利要求1至5之一所述的射频能量转换收集装置供电。
8.一种铁路通信信号系统，包括信号机，其特征在于，所述信号机通过权利要求1至 5之一所述的射频能量转换收集装置供电。
9.一种地面应答器，其特征在于，所述地面应答器通过权利要求1至5之一所述的射频能量转换收集装置供电。
10.根据权利要求9所述的地面应答器，其特征在于，所述地面应答器是多通道地面应答器。
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