THDS快速標(biāo)定設(shè)備的研制

馬 健，李建國(guó)，王 軍，劉萬超

（1 北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院； 2 北京鐵路局 豐臺(tái)車輛段，北京100070）

國(guó)內(nèi)列車軸溫檢測(cè)主要采用紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備（THDS），該系統(tǒng)在防止車輛燃、切軸方面發(fā)揮了十分重要的作用，是列車運(yùn)行安全防范的重要措施，準(zhǔn)確測(cè)溫是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)熱軸的基本保證。THDS設(shè)備工作在鐵路軌道兩旁，自然環(huán)境惡劣，紅外線測(cè)溫探頭容易發(fā)生測(cè)溫參數(shù)的漂移變化，必須定期使用紅外線標(biāo)定設(shè)備對(duì)軸溫探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)標(biāo)定，確保系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)溫。

隨著列車的不斷提速、列車布局密度增加，用于設(shè)備維修的天窗時(shí)間不斷壓縮，一般的設(shè)備檢修天窗只有30～60min，這對(duì)紅外線維修人員上線作業(yè)的時(shí)效性要求更加嚴(yán)格。常用的高精度黑體輻射源是由一個(gè)黑體輻射源及溫度控制儀構(gòu)成的。在標(biāo)定過程中，需要對(duì)黑體輻射源的溫度多次調(diào)節(jié)，才能完成對(duì)THDS的溫度標(biāo)定，是造成上線檢修時(shí)間過長(zhǎng)的主要原因。

THDS快速標(biāo)定設(shè)備是在常用高精度黑體輻射源基礎(chǔ)上研制的。設(shè)備是由3個(gè)高精度黑體輻射源和可同時(shí)控制3路溫度的PID溫度控制儀組成?，F(xiàn)場(chǎng)操作過程中，操作人員可在檢修開始時(shí)設(shè)定3個(gè)不同溫度，在進(jìn)行測(cè)溫標(biāo)定作業(yè)程序時(shí)一次性完成THDS的快速標(biāo)定，省去了黑體輻射源調(diào)整溫度所需等待時(shí)間，為天窗點(diǎn)內(nèi)完成設(shè)備檢修提供了有力支持。

1 設(shè)備的基本原理

THDS快速標(biāo)定設(shè)備是由3個(gè)高精度黑體輻射源和PID溫度控制儀組成。高精度黑體輻射源和PID溫度控制技術(shù)的使用使得測(cè)量精度高，響應(yīng)時(shí)間快，穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單。

1.1 高精度黑體輻射源

高精度黑體輻射源作為輻射測(cè)溫儀器的校準(zhǔn)裝置，在鐵路紅外線標(biāo)定中廣泛地應(yīng)用，不僅是標(biāo)定鐵路車輛紅外測(cè)溫儀的標(biāo)準(zhǔn)器，還迅速發(fā)展成輻射測(cè)溫溫區(qū)CIPM（國(guó)際計(jì)量委員會(huì)）關(guān)鍵比對(duì)用儀器，進(jìn)而成為溫標(biāo)保存儀器。

黑體輻射源的研究分為兩個(gè)方面：黑體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和溫度的均勻性。前者描述了輻射源整體偏離理想黑體輻射源的程度，后者決定了輻射源偏離理想黑體輻射譜的程度。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度均勻性的控制，重點(diǎn)考慮黑體本身的材料，加熱片的質(zhì)量，風(fēng)扇選型和黑體輻射源之間的隔熱設(shè)計(jì)，以保證溫度的均勻性。黑體輻射源的材料采用中國(guó)計(jì)量科學(xué)院認(rèn)定的鋁合金材料，該鋁合金分子結(jié)構(gòu)均勻，導(dǎo)熱性能好，是理想的黑體輻射源材料。為了使黑體加熱升溫快、溫度均勻性好，黑體加熱塊采用航空科技生產(chǎn)的片狀電加熱片，該電加熱片加熱電阻絲分布電阻均勻，無感性和容性干擾，加熱片絕緣介質(zhì)耐壓（5kV）耐溫（300℃）高，導(dǎo)熱好。

1.2 PID溫度控制技術(shù)

PID溫度控制儀是根據(jù)PID原理及特點(diǎn)設(shè)計(jì)的。PID是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，適用于需要進(jìn)行高精度測(cè)量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對(duì)象自動(dòng)演算出最佳PID控制參數(shù)。

PID控制的全稱是比例積分微分，在工業(yè)上是一種控制算法。以下是PID控制原理的基本內(nèi)容：

測(cè)量值（PV）：一個(gè)輸入信號(hào)，測(cè)量顯示被測(cè)的介質(zhì)。

目標(biāo)值（給定值SV）：一個(gè)設(shè)定的目標(biāo)值，介質(zhì)需要達(dá)到的目標(biāo)。

輸出值（MV）：一個(gè)輸出信號(hào)，通過測(cè)量值和設(shè)定值直接的大小對(duì)比，代入程序內(nèi)部公式算法，自動(dòng)計(jì)算出一個(gè)輸出百分比的信號(hào)，用于改變被測(cè)量的介質(zhì)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

比例（P）控制 ：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

積分（I）控制 ：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

微分（D）控制 ：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。

自整定功能：通過儀表內(nèi)部算法讓儀表執(zhí)行ON／OFF位式控制，經(jīng)過2～3次振蕩周期后儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)振蕩，分析出周期、幅度及波形來自動(dòng)算出P、I、D 3個(gè)控制參數(shù)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行儀表自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，免去人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，達(dá)到最佳的控制效果。

2 快速標(biāo)定設(shè)備的設(shè)計(jì)研制

2.1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成

THDS快速標(biāo)定設(shè)備是基于紅外線探測(cè)設(shè)備技術(shù)要求，在單面高精度黑體輻射源基本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上研制的。相對(duì)單面高精度黑體輻射源，THDS快速標(biāo)定設(shè)備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更符合實(shí)際需求。圖1、圖2是THDS快速標(biāo)定設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 THDS快速標(biāo)定設(shè)備內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 THDS快速標(biāo)定設(shè)備外部整體結(jié)構(gòu)圖

（1）黑體固定底盤、機(jī)箱、固定架與框架

黑體固定底盤、機(jī)箱、固定架與框架都采用隔熱斷橋鋁合金。整體機(jī)箱的體積為230mm×200mm×200 mm，與單面高精度黑體輻射源一致，保證了工人攜帶方便，并且設(shè)備完全符合紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備檢驗(yàn)標(biāo)定的技術(shù)要求。

（2）電源插座、保險(xiǎn)絲、電源開關(guān)

THDS快速標(biāo)定設(shè)備的工作電壓為AC 220V。為了保護(hù)設(shè)備正常工作，提高設(shè)備穩(wěn)定性與耐用性，在電源插座底下安裝了5A保險(xiǎn)絲。電源開關(guān)是THDS快速標(biāo)定設(shè)備電源總開關(guān)。

（3）風(fēng)扇

風(fēng)扇是THDS快速標(biāo)定設(shè)備黑體輻射源降溫的核心。安裝在黑體固定底盤的后座上，采用軸流風(fēng)扇。它的葉片推動(dòng)空氣與軸相同的方向流動(dòng)。軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)緊湊，流率較高，風(fēng)壓均勻。

（4）安裝盒與隔熱板

安裝盒是黑體輻射源安裝位置與黑體輻射源用隔熱陶瓷隔開，安裝盒的材料是增強(qiáng)型隔熱斷橋鋁合金，通過增強(qiáng)尼龍隔條阻隔了鋁的熱傳導(dǎo)。專門設(shè)計(jì)了新型隔熱板，完全保證了黑體輻射源工作穩(wěn)定性，提供精確的溫度。

（5）黑體輻射源

黑體輻射源的質(zhì)量較大，為了減小體積和質(zhì)量，在設(shè)計(jì)THDS快速標(biāo)定設(shè)備過程中，專門設(shè)計(jì)了一款小型黑體輻射源。黑體輻射源模塊之間采用優(yōu)質(zhì)隔熱板，設(shè)定不同溫度時(shí)，3個(gè)黑體輻射源的升溫、降溫互不影響。

（6）控制面板

采用6組4位高亮LED數(shù)碼管顯示，同時(shí)顯示三通道的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度；通過面板的撥碼開關(guān)，控制面板上的4個(gè)按鍵，可單獨(dú)設(shè)置每個(gè)通道的內(nèi)部參數(shù)。

2.2 PID溫度控制儀設(shè)計(jì)

根據(jù)PID控制原理的基本內(nèi)容，設(shè)計(jì)了三路PID溫度控制儀，圖3為PID溫度控制儀設(shè)計(jì)基本原理圖，圖4為PID儀表接線原理圖。

圖3 PID儀表設(shè)計(jì)基本原理圖

圖4 PID儀表接線原理圖

PID溫度控制儀具有以下特點(diǎn)：

（1）采用數(shù)字校正及自校準(zhǔn)技術(shù)，測(cè)量精確穩(wěn)定，消除了溫度漂移和濕度漂移引起的誤差。

（2）采用先進(jìn)的微機(jī)芯片及技術(shù)，表面貼裝工藝，并采用多重保護(hù)和隔離設(shè)計(jì)，提高可靠性及抗干擾性能。

（3）采用多項(xiàng)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，具備AC 100～240V寬范圍輸入的開關(guān)電源。

（4）先進(jìn)的專家PID智能調(diào)節(jié)算法，控制精確穩(wěn)定，無超調(diào)，具備高精度的自整定（AT）功能。

（5）具備WATCHDOG及數(shù)字濾波功能。在強(qiáng)干擾環(huán)境下也能保持精確的測(cè)量及穩(wěn)定的工作。

（6）具有三路PID控制功能，每路具有獨(dú)立的輸入、輸出、設(shè)置、顯示，互不影響。

（7）輸入信號(hào)默認(rèn)為三線制PT100信號(hào)輸入，0.2級(jí)測(cè)量精度，并可通過參數(shù)配置成各種熱電偶、熱電阻、電流、電壓、電阻等信號(hào)。

（8）控制輸出固定為單相可控硅觸發(fā)輸出，輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，控制外接的可控硅。從而控制電路，可觸發(fā)5～500A的雙相可控硅、2個(gè)單相可控硅反并聯(lián)連接或可控硅功率模塊。

2.3 快速標(biāo)定設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

（1）測(cè)量范圍：環(huán)境溫度 ～200℃；

（2）控制精度：30℃ ～95℃，誤差 ≤±1℃；95℃ ～150℃，誤差≤±2℃；

（3）發(fā)射率：0.95；

（4）電源供給：AC 220V／350W；

（5）測(cè)量窗口：100mm。

3 應(yīng)用效果

在北京鐵路局車輛系統(tǒng)各個(gè)動(dòng)態(tài)車間，THDS快速標(biāo)定設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)使用已有半年多的時(shí)間。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)紅外線探頭的標(biāo)定作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外線系統(tǒng)的快速標(biāo)定，三個(gè)輻射源之間溫度干擾小，溫度調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間短，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，穩(wěn)定性好，LED顯示屏清晰亮麗，強(qiáng)光下清晰可見，體積和總重都與常規(guī)黑體一致。

THDS快速標(biāo)定設(shè)備設(shè)計(jì)研制后，能夠在上線檢修作業(yè)中大大縮短作業(yè)時(shí)間，為紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備檢修作業(yè)的順利完成、減少人身安全隱患提供了有力幫助。

［1］鐵道部運(yùn)輸局.車輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)設(shè)備檢修維護(hù)管理規(guī)程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

［2］鐵道部.鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

［3］趙長(zhǎng)波 陳 雷.紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展與思考［J］.鐵道車輛，2009，（1）：28-30.

［4］連志剛.關(guān)于紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)檢修模式的探討［J］.機(jī)車車輛工藝，2008，（2）：30-31.