KR102347864B1

KR102347864B1 - 복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터

Info

Publication number: KR102347864B1
Application number: KR1020200084566A
Authority: KR
Inventors: 이종현
Original assignee: 주식회사 세화
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2022-01-06

Abstract

본 발명은 복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실제 고속열차가 최대 500Km/h까지 진행할 경우에도 3개 이상의 복수개 차륜검지센서를 통해 정확하고 신뢰성 있도록 차륜을 검지하고 차륜카운팅은 물론 열차방향과 열차속도를 정확히 계산하기 위한 디지털 신호 출력이 가능한 자기유도형(magnetic inductive) 차륜검지센서부를 사용한 복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터에 관한 것이다.

Description

복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터{Axle Counter for High-speed rail}

본 발명은 복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실제 고속열차가 최대 500Km/h까지 진행할 경우에도 3개 이상의 복수개 차륜검지센서를 통해 정확하고 신뢰성 있도록 차륜을 검지하고 차륜카운팅은 물론 열차방향과 열차속도를 정확히 계산하기 위한 디지털 신호 출력이 가능한 자기유도형(magnetic inductive) 차륜검지센서부를 사용한 액슬 카운터에 관한 것이다.

일반적으로 액슬 카운터(Axle counter)는 철도 선로 위에 열차의 진입 진출 시 임의의 일정 구간을 설정한 후 그 구간을 통과하는 열차의 차륜 수를 계수하여, 열차가 그 구간을 완전히 통과했는지 아니면 아직 그 구간내 존재하고 있는지를 판단하는 철도신호 제어 시스템의 중요한 장치이다.

현재 대부분의 철도 선로는 궤도구간을 정하고 그 궤도구간에 궤도회로를 구성하여 그 궤도를 열차가 점유하고 있는 지 판단하고 있으나, 설치 비용과 유지보수 비용이 점점 증가하여 액슬 카운터로 대체되어 가고 있다.

그러나 궤도회로를 대체하는 액슬 카운터는 열차운행의 안전성과 관련된 바이탈(vital) 정보를 처리해야 하기 때문에 엄격하게 통제할 수 있는 기능들이 요구되고 있다.

한편 현재 철도신호 시스템이 지상신호방식에서 차상신호방식으로 차츰 변환하면서 열차를 검지하는 방식도 다양하게 변화하고 있다.

궤도회로를 사용하지 않고 열차를 검지하는 방식으로 지상의 액슬 카운터를 통한 불연속 열차검지 방식이 사용되고 있다.

불연속 열차검지 시스템은 궤도회로와 같이 차륜 단락에 의하여 특정 구간에 연속적으로 열차를 검지하는 방식 대신 특정 구간 내에 열차를 검지할 수 있는 차륜검지센서를 설치하고 열차가 구간의 시작점에서 차륜검지센서를 통과한 후 구간의 끝점에서 차륜검지센서를 통과하기 전까지 구간 내에 열차가 존재하는 판단하여 열차를 검지하는 방식을 말한다.

따라서 연속적으로 열차를 검지하는 궤도회로보다는 안전성은 저하되나, 열차검지장치의 시공비용이 현저하게 절약되며, 궤도회로의 길이에 관한 제약이 없어진다는 장점이 있다.

한편 지금까지 차륜검지센서들은 대부분 아날로그형 근접센서를 사용하고 있다.

이러한 종래의 아날로그형 근접센서는 전기적 출력이 전압 혹은 전류 형태의 아날로그 값이기 때문에 정확한 값을 판단하기 어려울 뿐 아니라 전자파, 온도, 진동, 기후 등 철도선로 주변 환경 변화에 따른 잡음 오차가 크기 때문에 신뢰도가 떨어진다.

즉 차륜검지센서의 신뢰도가 떨어지면 자연히 열차의 안전성 문제를 야기시키고 철도시스템의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다.

그래서 최근에는 액슬 카운터의 안전성과 신뢰성을 높이기 위해 디지털 근접센서에 대한 연구가 활발하다.

그러나 엑셀카운터 시스템을 개발할 때 가장 주안점을 두어야 하는 것은 열차검지의 무한 신뢰성을 확보하는 데 있다.

또한 엑셀카운터 시스템의 설계 및 제작, 시험단계에서 열차검지의 오류를 범하지 않기 위해서는 체계적인 설계, 제작 프로세서를 바탕으로 규격에 입각한 환경시험 및 성능시험을 수행하여야 한다.

또한 엑셀카운터 시스템 성능시험기관이 별도로 없기 때문에 국내 개발품을 해외에 적용하기 위해서는 신뢰성과 안전성을 입증할 수 있는 기관에서 검증을 반드시 받아야 하며, 검지 허용 오차율에 관한 신뢰성을 확보하여야 한다.

한국등록특허 제1029516호 일본공개특허 제06323866호 일본공개특허 제54162311호 한국공개특허 제2005-0092172호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 자기유도형 제로 라이징 타임(zero rising time)의 완전한 디지털 파형을 출력하는 차륜검지센서부를 사용하여, 고속철도에서도 안전성과 신뢰성이 높은 액슬 카운터를 제공하는 데 목적이 있다.

또한 본 발명은 차륜검지센서를 이용한 열차위치검지방법은 통과열차의 차륜 플랜지가 차륜검지센서부의 유효검지범위 내에 있어 안전성과 신뢰성이 높은 액슬 카운터를 제공하는 데 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 레일에 부착되어 철도차량의 차륜을 검지하는 차륜검지센서로서, 디지털 출력이 가능한 3개의 자기유도형 근접센서가 설치된 차륜검지센서부; 상기 차륜검지센서부에서 두 신호를 받아 차륜카운팅, 열차방향, 열차속도를 계산 및 검증하는 컨트롤 보드;를 포함한다.

상기 컨트롤 보드는, Count A > 0 인 열차의 차륜이 하나 이상 차륜검지센서부에 검지되었을 시, Count 함수에 의해 차륜의 수를 카운트하고, Count A ≥ 4 인 열차의 차륜의 수가 4개 이상이 차륜검지센서부에 검지되면 열차로 판단하고, 차륜 카운트를 계속하여 검지한다.

상기 컨트롤 보드는 차륜검지센서부의 근접센서가 순서대로 1, 2, 3으로 검지된 경우 Normal 상태로 판단하고, 차륜검지센서부의 근접센서가 역순으로 3, 2, 1로 검지된 경우 Reverse로 판단한다.

상기 컨트롤 보드는 상기 근접센서 1이 Fail 일 경우 근접센서 2, 3이 감지되면 Normal로 판단하고, 근접센서 3, 2가 감지되면 Reverse로 판단한다.

상기 컨트롤 보드는 n 번째 근접센서가 Fail일 경우 근접센서 n 번째를 제외한 2개 근접센서의 검지 순서에 따라 방향을 결정한다.

상기 컨트롤 보드는 T1 = ON 인지 확인하여 Yes인 경우 T2 = ON 으로 하여 T과 속도를 구하고, T1 = ON 이 No인 경우 T2 = ON 인지 확인하여 Yes인 경우 T1 = ON 으로 하여 T과 속도를 구한다.

상기 컨트롤 보드는 정방향에서 열차가 검지되었을 경우 내부의 근접센서 1에서 검지된 시간을 T1, Sensor 2에서 검지된 시간을 T2에 저장하고, 역방향에서 열차가 검지되면 Sensor 2에서 검지된 시간을 T2, Sensor 1에서 검지된 시간을 T1에 저장하며, 상기 T1과 T2 차이값의 절대값을 취하여 T에 저장하고, 속도는 거리을 시간로 나누어 계산한다.

상기 차륜검지센서부에서 전달받은 센서 정보로 계산된 열차 진입 정보, 열차 방향 정보, 열차 속도 정보가 컨트롤 보드를 통해 인접역 or 기계실에 입력된다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 이중화된 차륜검지센서를 사용함으로써 하나의 근접센서가 고장이 나도 다른 근접센서가 차륜을 정상적으로 카운팅할 수 있도록 하였다.

또한 본 발명은 3개 이상의 복수개 차륜검지센서를 통해 2 out of 3 시스템을 구성하여 정확한 차륜 검지가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액슬 카운터의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차륜 개수(4개)로 열차를 판단하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 검지 순서에 따라 방향을 결정하는 플로챠트를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 검지된 시간 차이를 이용하여 속도를 측정하는 플로챠트를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨트롤 보드와 디지털 액슬 카운터를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨트롤 보드의 구체적인 구성을 보여주는 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 레일에 부착되어 철도차량의 차륜을 검지하는 차륜검지센서로서, 디지털 출력이 가능한 3개의 자기유도형 근접센서(11, 12, 13)가 설치된 차륜검지센서부(10); 상기 차륜검지센서부에서 두 신호를 받아 차륜카운팅, 열차방향, 열차속도를 계산 및 검증하는 컨트롤 보드(20);를 포함한다.

이 때 상기 3개의 자기유도형 근접센서(11, 12, 13)가 설치된 차륜검지센서부(10)를 디지털 액슬 카운터(23, 24)라고 칭한다.

도 5의 현장 장치 구성도를 보면, 인접역 or 기계실에 열차 진입 정보, 열차 방향 정보, 열차 속도 정보 등이 차륜검지센서부(10) 등을 통해 입력된다.

다시 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 일실시예로서 방법은 먼저 명령으로 컨트롤 보드(20)를 초기화한다.

만일 열차의 차륜이 하나 이상 검지되었을 시, Count 함수에 의해 차륜의 수를 카운트한다.

만일 열차의 차륜의 수가 4개 이상이 검지되면 열차로 판단하고, 열차의 차륜의 수가 4개 미만이면 차륜 카운트를 계속하여 최종 검지한다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예로서 방법에 있어서, 먼저 명령으로 방향 정보를 초기화한다.

상기 3개의 자기유도형 근접센서(11, 12, 13)를 각각 Sensor 1, 2, 3으로 칭한다.

상기 컨트롤 보드(20)는 Sensor 1=1, Sensor 2=1, Sensor 3=1 인 경우(이 때 0 : off, 1 : on) Normal(정방향) 상태로 판단한다(S201, S202, S203).

컨트롤 보드(20)는 Sensor 3=1, Sensor 2=1, Sensor 1=1 인 경우 Reverse(역방향)로 판단한다(S204, S205, S206).

만일 Sensor 1=Fail 일 경우 Sensor 2=1, Sensor 3=1 이면 Normal로 판단하고, 동일한 Sensor 1=Fail일 경우 Sensor 3=1, Sensor 2=1 이면 Reverse로 판단한다(S207, S208, S209).

상기 Normal 상태는 Sensor 1 2 3 의 순서로 검지되어 정방향으로 진행하는 것으로 판단한 것이다.

상기 Reverse 상태는 Sensor 3 2 1 의 순서로 검지되어 역방향으로 진행하는 것으로 판단한 것이다.

만일 n 번째 Sensor가 Fail일 경우 Sensor n 번째를 제외한 2개 센서의 검지 순서에 따라 방향을 결정한다(S207 ~ S2012).

도 4에 도시된 바와 같이 열차의 속도 검출 방법으로서, 먼저 Control init. 명령으로 컨트롤 보드(20)를 초기화하고, T1 = ON 인지 확인하여 Yes인 경우 T2 = ON 으로 하여 T(시간)과 속도(V)를 구한다(S102, S103, S106).

만일 T1 = ON 이 No인 경우 T2 = ON 인지 확인하여 Yes인 경우 T1 = ON 으로 하여 T(시간)과 속도(V)를 구한다(S102, S104, S105, S106).

구체적으로 정방향에서 열차가 검지되었을 경우 내부의 Sensor 1에서 검지된 시간을 T1(메모리 저장 공간), Sensor 2에서 검지된 시간을 T2에 저장한다.

역방향에서 열차가 검지되면 Sensor 2에서 검지된 시간을 T2, Sensor 1에서 검지된 시간을 T1에 저장한다.

계속하여 T1과 T2 차이값의 절대값을 취하여 T(시간)에 저장한다(T = | T1-T2 |).

이렇게 하여 시간을 통해 속도를 구할 수 있는 데, 속도(V)는 거리(L)을 시간(T)로 나눈 값이다(V = L / T). 여기서 각 Sensor 간의 거리(L) = 155mm 로 정해진 값이다.

도 5에 도시된 바와 같이 열차 검지부 이중계(Digital Axle Counter # 01, Digital Axle Counter # 02), Control Board 이중계(Control Board(Master), Control Board(Slave))는 상호간 RS-422 통신 방법으로 통신한다.

도 6의 컨트롤 보드(20) Block diagram을 보면 MCU(예 : STM32F7xx), LED, Switching Regulator 3.3V, DC-DC Convertor 5V, DIP Switch(Dual-inline package switch), 릴레이 제어부, 인터넷 컨트롤러 칩(W6100), RTC(Real Time Clock) 등으로 구성된 제어 장치 구성부가 형성된다.

통신 장치 구성부로서 USART1, USART2, USART3, UART4, UART5, CAN, RS- 422, RS- 485, RS-232, 커넥터(RJ-45) 등이 포함된다.

이 때 Axle Counter와 MCU는 2 Channel로 통신한다.

본 발명의 디지털 출력이 가능한 자기유도형 근접센서는 철도선로 옆에 부착되기 때문에 철도선로에 대한 측면 자기장 내성이 강해야 하고, 차륜까지의 거리가 최대 35mm까지 검지할 수 있어야 하고, 고속열차의 차륜을 검지하기 위해 센서의 스위칭 속도가 빨라야 한다. 그리고 온도변위(Temperature drift)가 최소화되어야 한다.

상기 컨트롤 보드(20)는 차륜검지센서로부터 3 신호를 받아 차륜카운딩, 열차방향, 열차속도를 계산한다.

상기 차륜검지센서부(10) 내부 3개의 디지털 근접 센서(11, 12, 13)는 신호의 라이징 에지에서 각각 트리거하여 카운터를 증가시키고 저장한다.

그리고 열차방향은 상기 센서 신호 중 라이징 에지가 먼저 발생되는 센서를 기준으로 열차방향을 판단하게 된다.

즉, 센서1의 라이징 에지가 먼저 발생하면 열차가 좌측에서 우측으로 진행하는 것으로 판단한다.

예를 들어 3개의 차륜검지센서 중 임의의 2개를 사용하고, 1개의 고장이 발생하면 다른 1개를 연속하여 사용할 수 있도록 한다.

마지막으로 열차속도 계산이다. 열차속도를 계산하기 위해 제어부 센서 입력 측정 시간 단위를 1us으로 하였다.

본 발명에 따른 디지털 액슬 카운터(23, 24)의 센서1의 라이징 에지에서 속도카운터 값을 저장하고, 다시 센서2 라이징 에지에서도 속도카운터 값을 저장한 후, 속도카운터 사이의 값의 차이를 구하면 열차속도를 계산할 수 있다.

상기 차륜검지센서부(10) 내부의 각 센서들의 간격이 155mm 이므로 열차속도는 155mm / ((두 속도카운터 값의 차이) x 1 usec) 이 된다.

상기 컨트롤 보드(20)의 MCU는 STM32F427(180Mhz)를 사용하여 차륜검지센서의 동작을 제어하고, 열차속도와 진행방향을 계산한다.

RTC는 차륜의 통과 시간과 로그 및 통신시간을 기록을 위한 내부 시계이며, 시리얼 통신(RS485, RS422, RS232, CAN)는 궤도회로용으로 사용시 주변장치나 상위 시스템과의 통신을 위한 통신 포트이며, 릴레이는 궤도회로용으로 사용시 궤도 점유 신호를 생성하기 위한 계전기이다.

상기 컨트롤 보드(20)의 차륜 카운팅 경우 디지털 액슬 카운터(23, 24)를 통해 센서 신호의 라이징 에지에서 각각 트리거하여 카운터를 증가시키고 저장한다.

일실시예로서 컨트롤 보드(20)는 TIM2_IRQHandler모듈을 통해 1uSec마다 Tim2_count 1씩 증가하고, EXTI0_IRQHandler모듈을 통해 전자페달의 Ch1이 검지 될 때마다 Tim2_count 저장 및 Epedal_count1 (전자페달Ch1) 1씩 증가하도록 한다.

EXTI1_IRQHandler모듈을 통해 전자페달의 Ch2가 검지 될 때마다 Tim2_count 저장 및 Epedal_count2(전자페달 Ch2) 1씩 증가하게 하며, VEpedalcount모듈을 통해 Epedal_count1, Epedal_count2, 속도 및 방향을 사용자에게 표시하며, VFlashWrite모듈을 통해 Epedal_count1, Epedal_count2, 속도, 방향, 시간을 저장하고, Real Time Clock모듈을 통해 현재시간을 실시간 업데이트한다.

예를 들어 이하에서 설명하는 3개의 자기유도형 차륜검지센서부(10)를 이용한 순간 속도와 3개의 자기유도형 차륜검지센서부(10)를 이용한 통과 속도를 계산할 때 TIM2_IRQHandler모듈을 통해 1uSec마다 Tim2_count 1씩 증가하여 XTI0_IRQHandler모듈을 통해 전자페달의 Ch1이 검지되는 지를 확인할 수도 있다.

한편 3개의 자기유도형 근접센서를 이용한 통과 속도를 얻기 위해 컨트롤 보드(20)가 순간적으로 검지한 정보를 분석하여, 1초에 총 1000번의 카운트가 발생되면 1번 카운트 당 소요시간을 1/1000[s]라 할 수 있고, 신호 파형이 1.5개 검지되었다.

3개의 자기유도형 근접센서의 간격을 155mm라고 하면, 이 부분을 열차가 통과한 순간 속도는 아래 수학식 1과 같다.

3개의 자기유도형 근접센서를 이용한 통과 속도

만일 열차 1편성이 완전히 통과하는 시간이 3.8초이고, 1 편성(첫바퀴에서 마지막 바퀴까지의 거리)의 길이를 388 [m]로 가정하였을 경우 이 부분을 열차가 통과한 통과 속도는 아래 수학식 2와 같다.

따라서 상술한 3개의 자기유도형 근접센서를 이용한 순간 속도와 통과 속도의 오차값은 7 [km/h], 평균값은 363.5 [km/h]이므로 오차율은 1.9% 수준이다.

본 발명은 컨트롤 보드(20)의 순간 속도의 오차를 보정하는 오차보정부를 통해 상기 자기유도형 근접센서의 검지 파형의 주기를 조절하여 상술한 순간 속도와 통과 속도의 오차값을 보정할 수 있다.

즉 자기유도형 근접센서 발진회로의 주파수 변화를 통한 시간 당 발생 주파 수의 개수를 조절하여 오차를 보정할 수 있다.

예를 들어 상기 순간 속도의 계산이 1초에 총 1000번의 카운트가 발생되면 1번 카운트 당 소요시간을 1/1000[s]라 할 수 있다는 사실에서 출발하였으므로, 만일 상기 1.9%의 오차율을 줄이기 위해서는 상기 카운트 펄스 수를 증가시켜 정밀하게 소요시간을 측정할 필요가 있다.

여기에서 카운트 펄스 수를 증가시키는 방법으로는 예를 들어 Real Time Clock 모듈의 오실레이터 신호(예 : 수정 발진자)를 증가시키거나 측정 장치의 출력 펄스 수를 증가시킬 수 있다.

또는 제어부 센서 입력 측정 시간 단위를 1us 보다 적게 하여 측정할 수도 있다.

만일 상기 카운트를 1010번으로 증가시켰을 경우, 1.5회 신호가 감지되면, 아래 수학식 3으로 계산된다.

따라서 상술한 시간 당 발생 주파수의 개수를 조절하여 오차를 보정하는 방법을 사용하면, 이전 한 쌍의 자기유도형 근접센서를 이용한 순간 속도와 통과 속도의 오차율은 1.9 %, 평균값은 363.5[km/h]에서 오차율은 0.9 %, 평균값은 365 .3[km/h]로 계산되므로, 카운트 펄스 수를 증가시켜 정밀도를 높이면 오차율은 1.9 %에서 0.9 % 수준으로 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다.

상기 카운트 펄스 수는 오차율 기준값의 최대값, 최소값, 평균값이 저장되는 메모리에 저장되는 것이 바람직하다.

예를 들어 컨트롤 보드(20)는 오차율 기준값의 최대값, 최소값에 관련된 알 람을 관리자에게 제공할 수 있다.

다른 실시예로서 차륜검지센서부(10) 예 중 하나인 자기유도형 근접센서와 같이 자기장의 변화를 이용하는 센서는 자기장의 파괴를 검지하는 특성 또는 L,C 의 공진주파수 특성을 이용한다.

즉 본 발명에서는 LC공진회로의 공진주파수 발진회로가 여러 파라미터의 변화에 대하여 발진주파수의 변화가 발생하지 않도록 하는 안정화 회로를 더 추가할 수 있다.

한편 본 발명은 자기 유도형 근접센서의 기본주파수 발진을 위하여 비교발진회로를 이용한다.

예를 들어 외부에서 입력을 가하지 않더라도 OP-AMP의 단자에 RC발진과 기준 전압을 이용하여 구형파를 발생한다.

여기에서 반복주파수는 R,C 회로의 시정수를 바꾸어서 임의로 선정할 수 있다.

자기유도형 근접센서를 동작하기 위한 공진 주파수는 LC의 값에 의하여 아래의 수학식 4와 같이 정의된다.

차륜검지센서부(10)의 센서의 LC 파라미터는 L = 2mH C = 750pF 이고, 공진 주파수는 80KHz이다.

또한 차륜검지센서부(10)의 발진회로에서 발진주파수는 아래 수학식 5와 같 다.

공진 주파수 80KHz를 구하기 위한 파라미터는 아래와 같다.

(1) R1, R2 = 10KΩ

(2) C1, C2 = 0.001uF

따라서 임의의 캐패시터의 용량변화로 인하여 자기유도형 근접센서에 관련된 RC회로의 시정수가 변화하고 이에 따라 발진 주파수가 변화하며 주파수 변화에 따른 공 진 Q의 변화에 의하여 임피던스가 변화하게 되고 공진 전류의 특성이 변화하 게 된다.

즉 차륜에 의한 자장의 변화를 이용하는 센서에서 발진회로의 주파수 변화는 센서의 정확한 측정을 위한 오차를 상쇄하는 데 중요한 요소가 된다.

예를 들어 상술한 3개의 자기유도형 근접센서를 이용한 순간 속도와 통과 속도의 오차율을 1.9% 이하 수준으로 내릴 수 있다.

또한 통과열차의 차륜이 차륜검지센서부의 유효검지범위 내에 있어야만 검지 가 가능한 데, 차륜검지센서부를 레일에 단단히 고정하였다 하더라도 열차통과시 발생되는 진동에 의해 느슨하게 되는 경우에도 발진회로의 주파수 변화 등을 통해 해당 오차를 교정하여 안전성과 신뢰성을 높일 수 있다.

일실시예로서 본 발명은 레일에 부착되어 철도차량의 차륜을 검지하는 검지 거리를 향상시킨 차륜검지센서로서, 디지털 출력이 가능한(zero rising time output) 자기유도형 근접센서(11, 12, 13), 상기 자기유도형 근접센서(11, 12, 13) 를 포함하는 차륜검지센서부(10), 상기 차륜검지센서부(10)에 의한 검지 거리 정보를 기반으로 상기 차륜검지센서부의 검지 정보를 연산하는 컨트롤보드(20)로 구성된다.

본 발명에서 사용되는 자기유도형 근접센서(11, 12, 13)는 철도선로 옆에 부착하여 열차차륜이 차륜검지센서부(10) 위를 통과할 때 공진 발진회로에 의해 생성된 자기장이 파괴되는 원리를 사용하고 있다.

구체적으로 차륜이 없을 때는 정상적인 자기장을 생성하다가 철재 차륜이 차륜검지센서부(10) 위를 통과하면 자기장에 변형이 일어나고, 유도 전압의 변화를 검지한다.

그리고 검지된 신호가 적분회로, 증폭회로, 출력회로 중 하나 이상을 통과하면서 최종적으로 차륜 검지 여부를 결정(출력)한다.

따라서 상기 검지 거리를 최대한 크게 확보하는 것이 중요하며, 상기 검지 거리 정보 내에서 차륜검지센서부 신호 중 적분회로, 증폭회로, 출력회로 중 하나 이상을 통과시켜 Falling 신호를 증폭시켜 바퀴 카운팅이 정확히 될 수 있도록 한다.

차륜검지센서부(10)에서 차륜검지를 직접 담당하는 곳은 차륜검지헤드로 일반적으로 안전성을 고려하여 유도자기장(inductive)을 이용한 검지헤드를 사용한다.

그리고 열차 차륜의 재료는 단조강(SSW)으로 강자성체로 구성되어 있으며, 철재 차륜이 자기장에 근접하면 공기 중을 통과하던 자로(자기통로)에 강자성체가 근접함으로 자로의 변화 및 자기 저항의 변화가 발생한다.

이와 같이 철재 차륜이 검지헤드 통과 시 발생하는 자기장 세기의 변화와 이로 인한 인덕턴스의 변화, 그 결과로 나타나는 유도 전압의 변화를 검지하여 열차 차륜의 유무를 판단하게 된다.

본 발명의 일실시예로서 차륜검지센서부(10)의 Rx와 Tx를 분리하여 Tx에서 자기장을 발생하고, Rx에서 발생된 자기장을 검출하는 형태이고, Rx와 Tx의 구분없이 하나의 인덕턴스로 취급하여 발생하는 자기장에 차륜이 통과하였을 때 자기장의 변화를 검지하는 형태를 사용한다.

이러한 Rx와 Tx가 분리된 형태는 레일을 사이에 두고 Tx헤드와 Rx헤드를 설치하여 차축에 의한 자기차폐 현상을 이용하여 열차 차륜을 검지한다.

즉, Tx에서 발생하는 자기장의 세기는 차륜에 의해 자기차폐가 일어나지 않을 경우 의 세기로 Rx와 결합한다면 차륜에 의한 자기차폐가 일어나는 경우의 값으로 변화하여, 이를 검지장치가 검지하여 열차의 점유를 표시하게 된다.

이를 식으로 표현하면 아래 수학식 6과 같다.

여기서 B_f는 Tx에서 발생하는 자속밀도이고,

은 전체 자로의 길이,

는 차륜에 의한 자로의 길이를 나타낸다. 따라서 차륜에 의한 자로의 변화로 자기저항은 변화하고, 따라서 자기장의 세기도 변화한다.

예를 들어 철재 차륜이 Tx헤드와 Rx헤드 사이에 위치하면,

의 자기장의 세 기로 차륜이 자화되어,

에 의한 히스테리시스 손실과 와류손으로 인하여 자기장의 세기가 감소한다.

따라서

에서

는 손실을 포함하고 있기 때문에 Rx에 수신되는 자기장의 세기는

에 비하여 감소할 것이다.

Rx에 수신되는 자기장의 세기가 감소하면 Rx에 의하여 수신된 자기장의 세기로 여자하던 계전기 또는 기타의 검지 판단장치도 낙하하여 열차점유를 표시하게 된다.

상기 히스테리시스 손실(P_h)은 아래 수학식 7과 같다.

여기에서, σ_h 는 철심 재료에 따른 상수이고, f는 주파수 이며, B_m은 자속밀 도 쇄교수이다.

3개의 자기유도형 근접센서(11, 12, 13)의 헤드 중에서 하나의 Tx/Rx 헤드 쌍에는 차륜이 없을 경우 On 신호를 발생시키게 하고 다른 하나의 Tx/Rx 헤드는 Off 신호를 발생시키도록 한다.

차륜이 검지센서 사이에 존재하게 되어 자기장의 세기가 변화하면, 3개의 자기유도형 근접센서(11, 12, 13)는 On 신호를 발생시키던 Off 신호를 발생하고, 반대의 경우 Off 신호를 발생하던 자기유도형 근접센서(11, 12, 13)는 On 신호를 발생하도록 상태를 천이한다.

한편, 상기 검지거리향상부재는 상기 차륜검지센서부(10)에 밀착되거나 일정 간격 이격되어 설치되는 데, 일정 높이의 철판, 사각판재형 강재 등으로서 단조강 또 는 내후성강을 사용한다.

아래 표 1과 같이 차륜검지센서부(10)에 검지거리향상부재를 부착하여 실험하기 전 차륜검지센서부(10)와 검지체(열차 차륜)간 거리를 30mm, 32.5mm, 34mm 등으로 조절하면서 실험한 결과 36.45mm에서 비검지 결과를 얻을 수 있었다.

구분	센서와 검지체간 거리	검지 여부
1	30mm	O (검지)
2	32.5mm	O (검지)
3	34mm	O (검지)
4	36.45mm	X (비검지)

구분	검지거리
차륜검지센서부 자체	36.44mm
차륜검지센서부 + 알루미늄	26.25mm
차륜검지센서부 + 구리	27.64mm
차륜검지센서부 +SUS	33.13mm
차륜검지센서부 +STEEL	46.56mm

상기 표 2와 같이 전자페달 센서 검지거리 시험결과표를 보면, 차륜검지센서부 자체로는 36.44mm의 검지거리를 보였고, 이에 철판(STEEL)을 사용하면 46.56mm의 우수한 검지거리를 보였다.

이를 비교하기 위해 차륜검지센서부(10)의 상단부에 알루미늄을 부착시키면, 26.25mm의 검지거리를 보였고, 구리를 부착하면 27.64mm, SUS(Stainless Use Steel)를 부착하면 33.13mm의 검지거리를 보였다.

상기 차륜검지센서부(10)에는 상술한 철판이 상측부를 전부 덮는 방식으로 설치되고, 차륜검지센서부(10) 주변을 철편으로 감싼 후의 검지 거리가 늘어났으며 다른 금속은 검지거리가 짧아지는 현상이 발생하였다.

본 발명의 일실시예에 따른 내후성강은 대기환경에서의 녹 발생이 적은 성질 을 갖는 강을 말하며 일반강에 Cu, Cr 등의 내식성이 우수한 원소를 소량 첨가한 저합금강으로 일반강에 비해 약 5배의 내식성을 갖고 있다.

본 발명에 따른 내후성강은 대기에 노출되면 초기에는 일반강과 유사하게 녹이 발생하지만 기간이 경과함에 따라 그 녹의 일부가 서서히 모재에 밀착한 녹층(안정녹)을 형성하고, 이 녹층이 외부환경에 대한 보호막(부동태 피막)이 되어 더 이상의 부식 진행을 억제하게 된다.

본 발명의 일실시예로서 상기 철판은 철(Fe)을 주성분으로 하여 총 100중량 부가 되고, 여기에 탄소(C) 0.20∼0.30중량부, 실리콘(Si) 0.40∼0.60중량부, 망 간(Mn) 1.00∼1.60중량부, 인(P) 0.030중량부 이하, 황(S) 0.010∼0.050% 이하, 알 루미늄 0.005∼0.050중량부, 크롬(Cr) 0.10∼0.15중량부, 티타늄(Ti) 0.005∼0.050 중량부, 구리(Cu) 0.20∼0.30중량부, 보론(B) 0.0005∼0.0050중량부, 칼슘(Ca) 0.0005∼0.0020중량부가 함유된 냉간단조강 소재 및; 이 소재를 가열하여, 950℃에 서 수 초 동안 고주파 담금질(quenching)을 실시하는 단계와, 수냉후 재가열하여 700℃에서 수초동안 고온 뜨임(tempering)을 실시한 다음, 수냉 처리한다.

또는 다른 실시예로서 상기 철판은 탄소 0.06 중량부 내지 0.08 중량부, 실리콘 0.15 중량부 내 지 0.25 중량부, 망간 1.20 중량부 내지 1.30 중량부, 인 0.015 중량 부 이하, 황 0.005 중량부 이하, 니켈 0.30 중량부 내지 0.40 중량부, 크롬 0.10 중량부 이하, 구리 0.10 중량부 이하, 바나듐 0.015 중량부 내지 0.025 중량부, 티타늄 0.002 중량부 이하, 알루미늄 0.03 중량부 내지 0.04 중량부, 니오 븀0.04 중량부 내지 0.05 중량부, 질소 0.008 중량부 내지 0.012 중량부 및 이외의 철을 포함하여 총 100 중량부인 소재 및 이 소재를 가열하여, 950℃에서 수 초 동안 고주파 담금질(quenching)을 실시하는 단계와, 수냉후 재가열하여 700℃에서 수 초 동안 고온 뜨임(tempering)을 실시한 다음, 수냉 처리한다.

차륜검지센서부를 사용하면 발생하는 센서 노이즈를 살펴보면, 이러한 노이즈를 제거하기 위해 본 발명에서 적용하는 LPF의 Cut-off frequency(fc)는 다음 수학식과 같다. 즉 fc를 R과 C를 조절하여 변경할 수 있다.

일반적으로 보간(interpolation)법은 주어진 입력(x)과 출력(y) 데이터를 기 반으로 새로운 입력에 대한 출력을 생성할 수 있는 데이터 모형을 만드는 방법으로 서, 기존의 데이터는 정확한 데이터라고 가정하고 기존에 주어지지 않은 입력 데이 터에 대해 출력을 계산하는 방법이다.

본 발명의 일실시예로 사용되는 선형 보간법(linear interpolation)은 끝점의 값이 주어졌을 때 그 사이에 위치한 값을 추정하기 위하여 직선 거리에 따라 선형적으로 계산하는 방법이다.

일반적으로 두 지점 p1, p2에서의 데이터 값이 각각 f(p1), f(p2)일 때, p1, p2 사이의 임의의 지점 p에서의 데이터 값 f(p)는 다음과 같은 수학식 9로 계산할 수 있다.

여기에서, d1은 p에서 p1까지의 거리, d2는 p에서 p2 까지의 거리를 말한다.

상기 x_points와 y_points 사이의 값이 많이 비어 있어 정확한 전력 손실이나 와류손을 예측하기 불가능 하기 때문에 보간법을 사용한다.

보간 함수(interpolate.splrep)는 히스테리시스 손실(Ph)에 따른 차륜검지센 서부의 정확도 저하를 보정하기 위해 상기 수학식 7의 f(주파수) 등을 조절함에 따 라 변화된 보간 수치를 보여줄 수 있다.

따라서 본 발명은 상술한 방법에 의해 f(주파수) 등을 조절함에 따라 히스테리시스 손실을 줄이거나(수학식 7 참조), LPF의 Cut-off frequency(fc)를 조절하여(수학식 8 참조), 검지 거리 향상을 기대할 수 있다.

이하 본 발명의 실시를 위한 주변을 철편으로 감싼 차륜검지센서 부를 이용한 검지 거리 향상 방법에 대해 자세히 설명한다.

먼저 차륜검지센서부에 밀착되거나 일정 간격 이격되어 검지거리향상부재를 설치한다.

그리고 상기 제어보드에 노이즈 필터로서 LPF를 적용하여 노이즈를 제거한 다.

이 때 선형 보간법 또는 스플라인 보간법을 사용하여 상기 LPF의 Cut-off frequency(fc)를 조정한다.

왜냐하면 미리 주어지지 않은 입력 데이터(검지 거리)에 대해서도 선형 보 간법 또는 스플라인 보간법을 사용하여 상기 LPF의 Cut-off frequency(fc)를 조정 할 수 있어야 정확한 차륜 감지가 가능하기 때문이다.

10 : 차륜검지센서부
11, 12, 13 : 자기유도형 근접센서
20, 21, 22 : 컨트롤 보드
23, 24 : 디지털 액슬 카운터

Claims

레일에 부착되어 철도차량의 차륜을 검지하는 차륜검지센서로서, 디지털 출력이 가능한 3개의 자기유도형 근접센서(11, 12, 13)가 설치된 차륜검지센서부(10);
상기 차륜검지센서부의 3개의 자기유도형 근접센서(11, 12, 13)에서 출력된 3개의 신호 중 2개의 신호를 받아 차륜카운팅, 열차방향, 열차속도를 계산 및 검증하는 컨트롤 보드(20);를 포함하고,
상기 컨트롤 보드(20)는 T1(메모리 저장 공간) = ON 인지 확인하여 Yes인 경우 T2 = ON 으로 하여 T(시간)과 속도(V)를 구하고, T1 = ON 이 No인 경우 T2 = ON 인지 확인하여 Yes인 경우 T1 = ON 으로 하여 T(시간)과 속도(V)를 구하고,
정방향에서 열차가 검지되었을 경우 내부의 근접센서 1에서 검지된 시간을 T1, Sensor 2에서 검지된 시간을 T2에 저장하고, 역방향에서 열차가 검지되면 Sensor 2에서 검지된 시간을 T2, Sensor 1에서 검지된 시간을 T1에 저장하며,
상기 T1과 T2 차이값의 절대값을 취하여 T(시간)에 저장하고(T = | T1-T2 |), 속도(V)는 거리(L)을 시간(T)로 나누어 계산하며,
상기 차륜검지센서부(10)에서 전달받은 센서 정보로 계산된 열차 진입 정보, 열차 방향 정보, 열차 속도 정보가 컨트롤 보드(20)를 통해 인접역 또는 기계실에 입력되는 것을 특징으로 하는 복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤 보드(20)는,
Count A > 0 인 열차의 차륜이 하나 이상 차륜검지센서부(10)에 검지되었을 시, Count 함수에 의해 차륜의 수를 카운트하고,
Count A ≥ 4 인 열차의 차륜의 수가 4개 이상이 차륜검지센서부(10)에 검지되면 열차로 판단하고, 차륜 카운트를 계속하여 검지하는 것을 특징으로 하는 복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤 보드(20)는 차륜검지센서부(10)의 근접센서가 순서대로 1, 2, 3으로 검지된 경우 Normal(정방향) 상태로 판단하고,
차륜검지센서부(10)의 근접센서가 역순으로 3, 2, 1로 검지된 경우 Reverse(역방향)로 판단하는 것을 특징으로 하는 복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤 보드(20)는 상기 근접센서 1이 Fail 일 경우 근접센서 2, 3이 감지되면 Normal로 판단하고, 근접센서 3, 2가 감지되면 Reverse로 판단하는 것을 특징으로 하는 복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤 보드(20)는 n 번째 근접센서가 Fail일 경우 근접센서 n 번째를 제외한 2개 근접센서의 검지 순서에 따라 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 복수개의 자기유도형 근접센서를 이용한 액슬 카운터.
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