Instrument do pomiaru geometrii torowiska

Witam wszystkich.

Jestem tu nowy i nie jestem elektronikiem ani mechanikiem więc proszę wybaczyć ewentualne potknięcia. Działam jako wolontariusz na kolejkach wąskotorowych i ostatnio zrodził się pomysł zbudowania pojazdu który byłby w stanie zmierzyć podstawowe parametry torowiska. Takie pomiary są na ogół wykonywane ręcznie przy pomocy specjalnej 'linijki' - ich gęstość nie przekracza z reguły 1 pomiaru na metr (długości torowiska) zaś wyniki są zapisywane ręcznie w kajeciku. Oczywiście na PKP są wszystkie niezbędne przyrządy ale niestety nie dotyczy to wąskotorówek oraz szlaków normalnotorowych przekazanych w dzierżawę np. wolontariuszom na cele kolei drezynowej...
Pojazd miałby więc na celu pomiar torowiska w sposób ciągły a zmierzone parametry byłyby zapisywane bezpośrednio w formie cyfrowej. Cel budowy to przede wszystkim ułatwienie wykonywania pomiarów - wózek wleczony za drezyną byłby w stanie pomierzyć kilkadziesiąt kilometrów torowiska dziennie zastępując kilkanaście wielogodzinnych obchodów 'na piechote'.

Podstawowe parametry do pomiaru to:
1. szerokość toru (jest to odległość między wewnętrznymi powierzchniami szyn mierzona 14 mm poniżej ich powierzchni tocznej (10 mm dla prześwitów <= 900 mm))
2. przechył poprzeczny (rożnica w wysokości szyny lewej i prawej) czyli 'przechyłka'
3. przechył podłużny (wznoszenie i opadanie szyn) czyli 'dołki'

Parametry 2 i w szczególności 3 dla 'prawdziwego kolejarza' sa chyba jakimiś bredniami gdyż w kolejnictwie właściwie nie występują - dołki są naprawiane jak tylko się pojawią a zanim nie zostaną naprawione, szlak jest często wyłączony z ruchu; przechyłka zaś jest w pełni kontrolowana tzn specjalnie tworzona na łukach a parametr mierzony to 'wichrowatość' czyli różnica przechyłek toków szynowych na długości przyjętej bazy pomiarowej (standardowo ustalono długość bazy na 5m).
Jednak na wąskotorówkach tory są tak dramatycznie nierówne, że nic nikogo nie dziwi a pomiar ma na celu wychwycenie miejsc gdzie lokomotywa wpada między tory (dosłownie a dołki są takie że w wózkach 2 osiowych jedno z kół przestaje dotykać torów (tu przesadzam

Moje pytanie do forumowiczów dotyczy więc technologii jakie można by zastosować przy tych pomiarach. Chodzi mi o łatwość implementacji, dostępność podzespołów, cenę, dokładność i precyzję (temperatura), wytrzymałość (deszcz) itd...

Dodam, że docelowo wózek bedzie przewidziany na rózne rozstawy torów: 600mm, 750mm, 785mm, 1000mm, 1435mm ale zasadniczo nie powinno to drastycznie wpływać na sam sposób pomiaru gdyż chodzi głównie o ochylenie od normy niezależnie od wartości abolutnej tzn prześwitu podstawowego mierzonych torów.

Chciałbym jeszcze sprecyzować że ten post jest tylko wprowadzeniem w temat i nie będę na razie precyzyjnie analizował każdego z poniższych punktów. Postaram się to robic w poźniejszych postach w miarę rozwoju dyskusji (jeśli w ogóle jakaś się rozwinie i naturalnie postaram się zobrazować graficznie wszystkie rozważane metody pomiaru.





1. szerokość toru
profesjonalne użądzenia pomiarowe dokonują następujących pomiarów:
zakres pomiarowy od –40 mm do +60 mm
precyzja pomiaru 0,1mm
dokładnosc pomiaru 0,25 mm

w przypadku wózka zakres pozostanie taki sam (a nawet większy zaś dokładość i precyzja mogłyby być znacząco gorsze (około 4 razy: dokładność 1mm, precyzja 0,5mm)

możliwe metody pomiaru:
A. Pomiar 'mechaniczny'
1A1 - oś o zmiennym rozstawie, powiedzmy 'rozporowa', w którymś jej punkcie czujnik mierzący zmiany długości osi.

1A2 - element trący o szynę czyli pionowa 'igła' na jakimś ramieniu. Mierzone jest przesunięcie lub skręcenie ramienia

inne metody mechaniczne?

Zwracam uwagę, że wózek będzie wleczony więc musi przejeżdzać przez rozjazdy, skrzyżowania z drogami samochodowymi itd - oznacza to że nie można stosować technologii mechanicznych w których element pomiarowy znacząco odbiega kształtem od profilu koła kolejowego, np. kółek toczących się nie pionowo w stosunku do szyny tylko bokiem tzn od wewnętrznej strony szyny i w płaszczyźnie poziomej (stąd element trący w metodzie 1A2)

B. pomiar optyczny bezdotykowy
1B1 - laserowy (tu chyba byłby potrzebny dodatkowo jakiś element mechaniczny)

1B2 - kamera i oprogramowanie analizujące obraz

inne metody optyczne?

C. pomiar elektromagnetyczny
znalazłem w necie informacje o takim czujniku - jego zastosowanie dotyczyło wprawdzie czegoś innego ale sama metoda wydaje się warta wspomnienia.




2 i 3 przechył poprzeczny i podłużny
profesjonaliści mierzą:
zakres pomiarowy od –300 mm do +300 mm
rozdzielczosc 0,1mm
dokładnosc pomiaru +/- 0,50 mm

A. dwie poziomice elektroniczne (czy da się dane jakoś wbić do komputera)

B. iPhone (lub jakiś inny telefon) - czy ktoś wie jak można programować iPhona?


Na tym na razie skoncze - jak widać post i tak jest już bardzo długi choć wszystko zostało w nim ledwie poruszone. Będę niezwykle wdzięczny jeśli pośród forumowiczów znajdą się osoby gotowe podzielić się swoją wiedzą i służyć poradą. Sam będę stopniowo starał się precyzować kolejne punkty ale wszelkie reakcje (pytania, komentarze) ze strony forumowiczów będą bardzo mile widziane...

dziękuję, pozdrawiam

Piotr

Dziękuję za odpowiedź.

Zacznę od końca - odjechać to nigdzie nie odjedzie. Ma być wleczone za drezyną (ewentualnie lokomotywą), w najgorszym razie pchane przez kogoś. Na pewno nie będzie samobieżne. Pomiar przebiegu będzie prawdopodobnie odczytywany z GPS więc nie musi być 'obsługiwany' przez elektronikę pojazdu. Jedyne co może być niezbędne to zapamiętywanie korelacji pomiędzy pomiarem z czujników a pozycją odczytaną z GPS oraz z szybkością pojazdu w przypadku pomiaru ciągłego. Jeśli pomiar będzie robiony np raz na jeden obrót koła to szybkość przestaje mieć znaczenie - tzn. jeśli pojazd stoi to pomiary nie są dokonywane i zapisywane.
Dodatkowo w profesjonalnych rozwiązaniach istnieje możliwość zrobienia notatek opisujących fragmenty szlaku

Jeśli chodzi o budowę czujników DIY (rurka z płynem, diody, fotokomórki) to jest to rozwiązanie ostateczne. Wolałbym zastosować czujniki gotowe ponieważ sama konstrukcja pojazdu będzie na tyle skomplikowana (np zmienność rozstawu) że dodawanie sobie roboty może być 'ryzykowne' Może być za dużo pracy albo okaże się że niedokładności konstrukcji, czujników, odczytów itd są tak duże że dyskwalifikują całość albo jeszcze będą na okrągło problemy z awaryjnością... Wychodzę bowiem z założenia, że pojazd będzie się trząsł na krzywych torach - stalowe koła na stalowej szynie, zapewne bez amortyzacji.

Zastosowanie dalmierzy byłoby super ale wiąże się z koniecznością budowy osi 'rozporowej'. Dodatkowo koszt dalmierza jest niestety dość wysoki (tanie dalmierze mają dokładność grubo powyżej 1 mm).

Niestety nie wiem na razie czy rozwiązania 'mechaniczne' są gorsze czy lepsze od 'optycznych bezdotykowych' - postaram się po południu spisać moją analizę. Ale już teraz wydaje mi się, że jeśli miałbym stosować mechaniczną oś rozporową to lepsza niż dalmierz jest suwmiarka elektroniczna (np allegro, przedmiot nr 379254586) którą można ponoć podłączyć do komputera (napisałem już zapytanie jak i jakie dane są przekazywane).

Czy ktoś może wie jak się ma sprawa w kwestii elektronicznych poziomic? najtańsza kosztuje 250 pln ale mnie interesuje sam czujnik - czy można go kupić osobno? jak go obsługiwać? czy da się podłączyć do komputera?

dziękuję, pozdrawiam!

Nie wiem jak działa poziomica elektroniczna, ale widzę możliwość zastosowania czujnika ciśnienia.
Mierzymy kąt nachylenia belki.
Na jej końcach umieszczamy po zamkniętym zbiorniczku z cieczą (np. woda), powiedzmy wielkości pudełka od zapałek.
Od każdego zbiorniczka wiedzie sztywna rurka do różnicowego czujnika ciśnienia i chyba jeszcze musimy dodać rurkę pionową, w górę, otwartą.
Może inaczej, dwie pionowe rury (winidur, stal) na końcach belki, zamknięte na dole, mają podłączone cienkie sztywne rurki prowadzące do czujnika ciśnienia na środku belki.
Każda rura ma też mały kranik do upuszczania wody dla wyrównania poziomów.
Różnica poziomów końców belki powoduje różnicę ciśnień po obu stronach czujnika.
Różnica 1 cm daje 1hPa różnicy ciśnień.
Myślę że spokojnie znajdziemy czujnik z dobrym zakresem.
Najmniejsze jakie pamiętam to zakres 20hPa.
Mierniki mają półprzewodnikowy mostek oporowy i łatwo się podłączają do przetworników AC.

Zależnie od budżetu do pomiarów wewnętrznych krawędzi możliwe są różne rozwiązania.
1. większa forsa
- laser z kolimatorem dającym X (są takie co robią linię i są też z X), świecący z góry od środka toru pod kątem 45° i 45°od przodu na wewnętrzną krawędź,
- kamera ogląda X markera z pozycji 45° w górze 45° z tyłu.
- odchylenie szyny względem zawieszenia przyrządu na zewnątrz powoduje przesunięcie obrazu X w polu widzenia kamery "w tył" (czyli na prawej szynie - w prawo); [w dół też]
- trzeba mierzyć jednocześnie prawą i lewą szynę, bo nie wiadomo której "trzyma się" wózek (albo żadnej i jedzie np. środkiem)
- i teraz koszty, oprogramowanie National Instruments VisionAssistant razem z LabView Vision, detekcja położenia X na obrazie, określenie położenia ramion X w przestrzeni (bo skrzyżowanie nie zawsze jest dokładnie 14 mm od wierzchu) i odnalezienie punktu na poziomie -14mm (poziom 0 znany z położenia wózka)
- można też świecić kreską na krawędź szyny (czyli wierzch i bok) i kamera z tyłu widzi załamaną linię, kąt wyznacza poziom 0, a 14 mm w dół od niego jest ten punkt który mierzymy, jego położenie prawo-lewo zależy od przesunięcia szyny.

2. mniejsza forsa
- kąty oświetlania i obserwacji z grubsza te same.
- oświetlacz - obrotowe zwierciadło z laserem (z drukarki laserowej) świecące w miarę poziomą kreską
- fotodioda z pionowym kolimatorem (widzi krótki odcinek kreski na szynie)
- układ porównywania fazy sygnału z fotodiody z sygnałem kontrolnym (inna fotodioda łapiąca światło ze zwierciadła bez pośrednictwa szyny (w LJIII był na krawędzi okienka wyjściowego światłowód)

To chwilowo tyle pomysłów, ciekawy projekt...

dzięki za fajne pomysły!
idea zastosowania cieczy i pomiaru ciśnienia do ustalania przechyleń wydaje mi się nader interesująca. Im bardziej się nad tym zastanawiam, tym bardziej wydaje mi się to warte zastanowienia. Otóż nie stosowałbym jednej belki która po środku miałaby pomiar różnicowy, tylko zrobiłbym zbiornik centralny oraz na zasadzie naczyń połączonych 4 zbiorniki przy każdym kole. W każdym z nich dokonywany byłby pomiar ciśnienia. Ponieważ są one połączone to w tych które są wyżej z powodu przechylenia, ciśnienie jest nieco mniejsze niż w niższych - zgadza sie?
Ogromną zaletą takiego rozwiązania byłaby możliwość robienia osobnego pomiaru dla każdego z 4 zbiorników. Jeśli byłyby one niezależne od sztywnych osi tocznych to pozwalałoby to na wyłapania tzw. dołków krzyżowych (tzn. różnica poziomów po przekątnej a nie prawo/lewo lub przód/tył) których w przypadku 2 'belek' wyłapać się nie da (trzeba by 4 belki: 2 niezależne w poprzek i 2 wzdłuż). Dołki krzyżowe na wąskotorówkach są dość częste - powstają najczęściej w miejscach łączenia się szyn w prawym i lewym toku szynowym, jeśli owe łączenia nie są w tym samym miejscu w stosunku do osi toru. Innymi słowy szyny zapadają się w punkcie łączenia (prawie nigdzie nie ma szyn spawanych) i najpierw powiedzmy prawe przednie koło się trochę zapada, następnie pół metra dalej lewe przednie zapada się na łączeniu z lewej strony, potem znowu zapada sie prawa strona a na koniec lewa...
Wracając więc do idei zbiorników i pomiaru ciśnienia - można sobie wyobrazić konstrukcję w której pojazd ma 2 sztywne osie oraz niezależnie od nich 4 'luźne' punkty opierające się o szyny, każdy punkt ze swoim zbiorniczkiem i miernikiem ciśnienia. Na płaskiej powierzchni ciśnienia są wszędzie wyrównane (naczynia połączone) zaś jeśli którykolwiek z punktów zmienia wysokość w stosunku do pozostałych, zmianie ulega także ciśnienie. Komputer przelicza to sobie co daje nam model punktów podparcia.
Pozostają pytania o:
- poprawność samej idei
- inercję cieczy (czy będzie się przemieszczać na tyle szybko?)
- dokładność pomiaru ciśnienia przy jednak dość małych różnicach wysokości (aczkolwiek można amplifikować wysokość zbiorniczka pomiarowego przy pomocy dźwigni: 1 mm wyżej przy szynie daje np 1 cm wyżej na drugim końcu dźwigni).
- wpływ drgań na wyniki pomiarów - najgorszę są wyżej cytowane połączenia szyn - nierzadko na styku jest 1cm (i więcej) przerwy - czy od takich stuknięć nie będzie wariował czujnik?
- wpływu odchylenia (obniżenia) zbiornika centralnego na skutek przechyłu całej konstrukcji. Choć na 'chłopski rozum' wydaje mi się to nieważne gdyż pomiar będzie dotyczył wartości względnych a nie absolutnych...

Odnośnie pomiaru szerokości torów - jestem właśnie na etapie tworzenia rysunków i postaram się zobrazować zarówno zapodany powyżej pomysł (laser z kolimatorem krzyżowym) jak i to o czym sam myślałem wcześniej i czego nie miałem jeszcze okazji rozwinąć i poddać pod krytykę forumowiczów...

dzięki i do 'usłyszenia'

To może najpierw kubeł zimnej wody.
Mierniki ciśnienia nie lubią wody, są na powietrze.
Moja propozycja: dwie grube pionowe rury na końcach belki pomiarowej.
dołem dwie cienkie rurki do (mniej więcej) środka, tam obie cienkie w górę, powyżej poziomu roboczego wody i tam czujnik ciśnienia.
Gube rury mogą być niższe niż położenie czujnika, to nie da się za dużo nalać.
Do kompletu dwa naczyńka "wzbiorcze" pod samym czujnikiem, i dwa zaworki:
- jeden łączący oba "ramiona" dla wyrównania poziomów przed startem
- drugi upustowy, żeby ustalić poziom roboczy poniżej krawędzi grubej rury, bo inaczej każde wychlapnięcie wody z układu trwale zaburzy wszystkie pomiary.

Nalegam na belkę od szyny do szyny, bo dokładnie powtarza to metodę wzorcową.
Zbiornik centralny musiałby mieć wyliczane położenie, a może nie jest całkiem poziomy etc.
Dźwignie do mechanicznego mnożenia z tych samych powodów bym sobie darował.
Sprawdziłem, najczulszy czujnik (z serii MPX) ma ±20 hPa.
Przy 10 pewnych bitach daje to ok. 5 różnych wartości na 1 mm.
No i oczywiście proponuję 4 niezależne belki (pewnie jakieś kółka na wysięgnikach z belki dopychanej w dół do szyny sprężynami).
Może 4 kółka i 4 belki (nie związane sztywno).

Co do inercji cieczy to ona wcale nie musi się przemieszczać, rejestrujemy ciśnienie hydrostatyczne, a czujnik ma minimalne (niemierzalne od strony cieczy) ugięcie. Dlatego właśnie rury a nie akwarium. Żeby nie wychlapać.

I znowu drgania. Czujnik jest mało czuły na inne rzeczy niż ciśnienia. Przenosi częstotliwości akustyczne, więc najwyżej zarejestruje skok kółka przez łączenie, mógłby liczyć szyny (z pomiarem odległości/prędkości - mierzyć długości szyn).

Jak dorwę Corela to coś namaluję.

Pozdrawiam