智能鋼軌測溫計的研究

王雅柿 上海鐵路局科學技術研究所

軌溫計是測量鋼軌表面溫度的專用測量儀器。無論是線路的鋪設施工和養(yǎng)護維修，還是換軌作業(yè)，以及工務部門的“三防”（防脹、防斷、防暑）都必須以鋼軌溫度為主要依據(jù)。隨著現(xiàn)代鐵路的高速發(fā)展，對線路的要求也越來越高。因此，對于軌溫計的準確度和穩(wěn)定性等方面的要求，也相應地有了更高的標準。目前在線路上使用的軌溫計，有雙金屬式鋼軌測溫計和模擬信號數(shù)字式鋼軌測溫計兩種。由于雙金屬式軌溫計精度低，已不能適應現(xiàn)代鐵路的發(fā)展需要，已在逐步淘汰中。模擬信號數(shù)字式軌溫計則因相對于雙金屬軌溫計具有響應快、讀數(shù)直觀和抗干擾能力強等優(yōu)點而在上世紀九十年代以后在全路被廣泛地使用。

1 模擬信號數(shù)字式軌溫計的工作原理及使用現(xiàn)狀

模擬信號數(shù)字式軌溫計最初是作為新型鋼軌溫度測量儀表替代原有指針式鋼軌測溫計投入使用的。其工作原理是利用半導體IC溫度傳感器AD590，將被測物體的溫度轉換成微電流信號，經(jīng)A/V轉換和放大及A/D轉換，驅動顯示器，直接顯示被測溫度值。其工作原理方框圖見圖1。

圖1 模擬信號數(shù)字式軌溫計工作原理框圖

模擬信號數(shù)字式軌溫計在使用初期因其相對于雙金屬式軌溫計具有響應快、讀數(shù)直觀、抗干擾能力強等優(yōu)點，受到一線使用人員的歡迎。但是，在長期的使用中，模擬信號數(shù)字式軌溫計也逐漸暴露出了它的局限性，主要有以下幾點：

（1）測量誤差大。由于模擬信號在轉換過程中產(chǎn)生的誤差比較大，因此在檢定過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)大量的超差產(chǎn)品。有時甚至于剛剛出廠進行首次檢定的軌溫計也會大量出現(xiàn)不合格現(xiàn)象。以2009年為例，截至11月底，我們共檢定模擬信號的數(shù)字式軌溫計938個，其中因超出允許誤差而不合格的有153個，不合格率達到了16.3%。

（2）整機功耗大，所用電池使用壽命短且無電池容量顯示功能。當電池電量不足后出現(xiàn)的測量誤差也會隨著電壓的下降而增大，并隨溫度的升高逐步加大。我們隨機抽查10個模擬信號數(shù)字式軌溫計進行實驗，實驗結果見表1所示，誤差分析圖見圖2所示。

（3）測溫探頭為柱形磁鐵，吸附力集中在一側或一點使軌溫計工作面不能與鋼軌很好貼合，從而導致測溫不精確。

（4）探頭（一次儀表）和顯示器（二次儀表）之間的插接頭處易出現(xiàn)短路、斷路和接觸不良。其原因在于多次插拔使觸點間隙變大，插接頭連線根部磨損，導致顯示異常。而且一次儀表和二次儀表的配接要求十分嚴格，即互換性差。

表1 模擬信號數(shù)字式軌溫計在不同工作電壓下的檢定結果

圖2 不同工作電壓下的誤差分析圖

（5）開關采用手撥式，極容易損壞，而且容易銹蝕。

（6）外形設計欠考慮，體積偏大，不易攜帶，無背景燈功能，夜間讀數(shù)困難。模擬信號數(shù)字式軌溫計由于其本身的工作原理及工藝和設計等方面的缺陷，在一定程度上影響了它的測量準確度及穩(wěn)定性，已不能充分滿足現(xiàn)代鐵路的更高要求。

2 智能軌溫計的研究思考

鐵道部2008年新審定的《鋼軌測溫計》檢定規(guī)程規(guī)定，為保證檢定狀態(tài)與軌溫計實際工作狀態(tài)的一致，“感溫工作面不應有影響測溫準確度的物質”，因此不能再使用導熱硅脂。而在檢定工作中我們發(fā)現(xiàn)，使用導熱硅脂與否對誤差的影響很大，尤其隨著溫度的升高，誤差更明顯。我們隨機抽取了10個軌溫計，檢定結果見表2，誤差分析見圖3。

表2 模擬信號數(shù)字式軌溫計是否采用導熱硅脂對照表

圖3 是否采用導熱硅脂誤差分析圖

同時，為確保軌溫計的檢定方法更接近工作狀態(tài)，我們在檢定時中也改進了方法，取消了原先直接將傳感器浸入水槽的方法而改之為將傳感器工作面貼置于溫場槽的方法。這樣一來，目前在全路大量使用的模擬信號軌溫計就不再能滿足新規(guī)程的要求，再加上其誤差修正困難，所以，必須尋求一種既能滿足新規(guī)程要求，又能修正誤差的新型軌溫計。我們設想主要從改變工作原理方面來達到提高軌溫計的測量準確度和穩(wěn)定性，再通過降低功耗、完善工藝，優(yōu)化電子線路結構和提高元器件質量等方面來設計能滿足新形勢下鐵路發(fā)展需要的智能軌溫計。

3 智能軌溫計的工作原理及其特點

3.1 工作原理

通過對現(xiàn)場的大量調研和結合以前幾種軌溫計的使用情況，我們最后決定采用以寬電壓數(shù)字溫度傳感器作為感溫元件，帶A/D轉換的51系列單片機完成對傳感器的控制及溫度數(shù)據(jù)的顯示和處理。

智能軌溫計的工作原理：采用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器對溫度進行高速采樣，用51系列的單片機及其外圍電路完成對傳感器的控制以及溫度數(shù)據(jù)的顯示和誤差處理。原理方框圖見圖4。

圖4 智能軌溫計工作原理框圖

3.2 智能軌溫計的主要性能特征有以下幾點

3.2.1 誤差修正功能

誤差修正功能不僅延長了軌溫計的使用期限，而且還可以保證測量的精確。智能軌溫計在檢定后得到的示值誤差，可以通過單片機控制增加或減少數(shù)字的方式來修正軌溫計存在的系統(tǒng)誤差。誤差修正精度可達0.1℃。修正方法是可以通過微機的串口和軌溫計連接，利用Keil單片機寫入程序把誤差的修正值從微機寫入單片機，從而實現(xiàn)修正軌溫計示值誤差的目的。在進行軌溫計檢定的時候，如果檢定的每個點都是正偏差或負偏差時，檢定人員也可根據(jù)這一功能及時修正軌溫計的系統(tǒng)誤差，盡可能使測量值接近約定真值，而不是僅僅滿足于在允許誤差的范圍內(nèi)，這樣，就進一步保證了軌溫計的測量精度。

3.2.2 采用充電型鋰電池并增加電池容量顯示標志

用大容量鋰電池代替迭層電池，并在LCD屏幕右上方增加電池容量顯示標志，使用時可方便地察看電量并及時充電。從而保證了工作電壓的穩(wěn)定，減少了因電池電量低而引起的測量誤差。

3.2.3 測溫工作面溫場平衡設計

智能軌溫計的測溫工作面內(nèi)置磁鐵用環(huán)形磁鋼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柱形磁鐵，使軌溫計與鋼軌的吸附力更強，測溫更迅速，從而工作面更密貼，溫場更均勻，從而保證了測量的準確性。

3.2.4 優(yōu)化數(shù)字硬件電路的設計與工藝

選用高質量的傳感器和單片機，線路結構布局合理，全部器件采用貼片焊接，從而杜絕了一次儀表和二次儀表因插拔過多或線路氧化而引起的短路、斷路和接觸不良現(xiàn)象，從根本上提高了軌溫計測量的精度和穩(wěn)定性。

3.2.5 降低電路板上各元器件的功耗

為了降低功耗，所有的元器件尤其是單片機全部采用低功耗型的。同時設置延時關機功能，在開機10min后，系統(tǒng)自動關機。

3.2.6 人性化外觀設計便于操作

在外觀設計上，考慮到使用人員的方便與實際需要，做了四點改進：

（1）將開關設計為表面觸摸式，同時機殼表面采用覆膜工藝，既保證了質量，又大大延長了使用壽命；

（2）針對戶外施工作業(yè)環(huán)境惡劣的實際情況，做了一定的防水設計，主要是：制作充電孔橡皮塞；使用防水的薄膜開關以及測溫線孔尺寸采取過盈配合；

（3）為便于夜間施工，增加LCD的背景燈顯示功能，背景燈開啟15s后自動關閉；

（4）外形尺寸盡量設計成小巧、輕便型，方便使用人員攜帶。

2009年9月18日上海鐵路局對智能軌溫計進行了測試，測試內(nèi)容及結果見表3。

表3 智能軌溫計測試內(nèi)容及結果

4 結束語

未來的鐵路運輸將向著客運高速、貨運重載和載運工具大型化的方向發(fā)展，這就意味著對線路的修建與養(yǎng)護標準也更高，而且要保持更嚴格的允許誤差。因此，采用的設備和測量工具也需要進行不斷的改進和加強。智能軌溫計采用的溫度傳感器和單片機以及其先進的設計和工藝，在準確度和穩(wěn)定性方面完全能夠滿足高標準的軌溫測量要求和新規(guī)程的規(guī)定，更符合鐵路智能化發(fā)展的需要。