一種阻容器電容量在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

陳良勇

摘要：目前鐵路信號設(shè)備大量使用的阻容器件，由于沒有電容的容量在線檢測手段，經(jīng)常發(fā)生電容容量下降，造成繼電器緩放時間不足而引起信號設(shè)備故障。文章描述了一種通過霍爾電流傳感器實現(xiàn)與既有電路隔離采樣，運用電子技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)阻容器件的電容容量在線測量和報警的小型檢測系統(tǒng)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：鐵路信號設(shè)備；電容容量；在線監(jiān)測系統(tǒng)；阻容器件；繼電器；設(shè)備故障 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM912 文章編號：1009-2374（2016）05-0006-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.004

目前鐵路信號設(shè)備大量使用阻容器件，阻容器件使繼電器緩吸或緩放，起到與其他器材協(xié)調(diào)工作的作用。當(dāng)阻容器件電容容量下降后，繼電器的緩吸或緩放時間變短，將造成設(shè)備不能正常工作、影響信號設(shè)備的正常使用、降低行車效率的現(xiàn)象發(fā)生。由于沒有電容的容量在線檢測手段，目前對于大量使用的阻容盒中的電容的容量變化時無法及時進(jìn)行定性或定量的檢測，只能采用人工測量電容容量的方法，當(dāng)容量下降至一定值后進(jìn)行更換。然而實際上這樣根本無法操作：（1）阻容數(shù)量龐大；（2）需停用設(shè)備；（3）電容容量下降是一個緩慢的過程，每次測量值變化不大，容易造成維護(hù)人員對測試不認(rèn)真甚至不測的現(xiàn)象。為保證設(shè)備的正常使用，只能采用定期更換的方式進(jìn)行避免。但由于電容質(zhì)量的分散性、使用環(huán)境等原因，定期（5年）更換也不能保證在周期內(nèi)可靠使用。研究關(guān)于電容容量在線檢測與報警的小型檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對鐵路信號阻容器件的電容容量進(jìn)行在線監(jiān)測和劣化指示報警，當(dāng)其容量下降一定值后進(jìn)行聲光報警，并向信號集中監(jiān)測系統(tǒng)提供報警開關(guān)量，從而消除因電容容量下降造成的信號設(shè)備故障，這對減少維護(hù)工作量和降低維護(hù)費用、提高鐵路運輸效率、保證行車安全有著重大的意義。

1 檢測系統(tǒng)研究內(nèi)容概述

1.1 檢測系統(tǒng)原理與構(gòu)成

該小型檢測系統(tǒng)基于霍爾傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)構(gòu)成，檢測系統(tǒng)（劣化指示阻容盒）包括硬件和軟件兩部分。其中硬件由電氣隔離采樣、信號處理、AD轉(zhuǎn)換和邏輯運算及顯示報警單元組成。通過隔離檢測電容充電時的電流，經(jīng)過信號處理和高速A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字化信號送入高速單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波和運算，計算出電容容量，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行顯示或報警。電氣隔離采樣模塊采用集成霍爾電流傳感器對電容的充電電流進(jìn)行隔離差分采樣和差分放大，使用純鐵制成的屏蔽體解決外部電磁場、靜磁場對采集信號的干擾。

1.2 檢測系統(tǒng)研究內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)

對歷年來由于電容故障造成設(shè)備故障進(jìn)行統(tǒng)計分析，分析匯總阻容類型及規(guī)格以及可能影響本系統(tǒng)的外部干擾因素（如電磁場干擾、靜磁場干擾等），確定系統(tǒng)研制重點包括測量電路與原有電路電氣隔離、電容測量方法、測量精度±5%、電容容量劣化分級報警、在信號機(jī)械室內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境下能可靠工作、無線數(shù)據(jù)傳輸及報警。檢測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：（1）工作電壓：直流24V±2V；（2）工作電流：不大于40mA；（3）測量精度：±5%；（4）環(huán)境溫度：-30℃～+55℃；（5）相對濕度：不大于85%（+25℃）；（6）外形規(guī)格：與普通安全繼電器外型相同。

2 檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成與軟件流程

2.1 硬件構(gòu)成

硬件由電氣隔離采樣、信號處理、AD轉(zhuǎn)換和邏輯運算、顯示及報警等單元組成，如圖1所示：

2.1.1 供電。供電電源輸入設(shè)置限流保護(hù)電路，采用帶隔離的DC-DC電源模塊B2409T-1W，其隔離電壓1000VDC，確保了外部電源與監(jiān)測設(shè)備的電氣隔離。電路中用到的電源電壓經(jīng)過多次線性穩(wěn)壓而得，極大地提高了電源的穩(wěn)定性和可靠性。

2.1.2 傳感器。采用電氣隔離的傳感器完成信號的采集。對電流的隔離采樣有溫度傳感、電磁傳感、光電傳感、霍爾電流傳感等方法。其中霍爾電流傳感是電流通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場，其磁場的大小與電流大小相關(guān)。通過測量導(dǎo)體周圍的磁場實現(xiàn)電流的測量。該方法適用范圍廣，可用于交變電流、直流和各種脈沖信號的采樣檢測，但對外界的磁場敏感。經(jīng)試驗，霍爾電流傳感的采樣結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期要求，采樣結(jié)果與其通過的電流大小高度相關(guān)。經(jīng)調(diào)查比選，確定采用集成霍爾電流傳感器。由于不同阻容器件的電阻、電容值大小不一，電阻15～12000Ω、電容4～4700μF，其充電的電流也大小不一。通過霍爾電流傳感器的采樣的信號極其微弱，其有用信號常常被淹沒在干擾信號之中。為此，采用雙傳感器組成反相結(jié)構(gòu)，通過差分放大（如圖2所示），對共模信號進(jìn)行抑制，大幅提高信噪比。

圖2 差分放大電路

由于霍爾電流傳感器是通過檢測磁場強(qiáng)度的方式實現(xiàn)采樣的，對外部磁場干擾非常敏感，因此必須對外界的磁場進(jìn)行有效屏蔽。將傳感器置于純鐵制成的密封圓筒（如圖3所示）內(nèi)，經(jīng)試驗得知對交變電磁場和靜磁場的防護(hù)均有良好效果，其干擾基本排除。

2.1.3 前端處理。放大部分采用了工業(yè)級的低功耗集成四運放電路LM224，LM324內(nèi)含4個獨立的高增益、頻率補(bǔ)償?shù)倪\算放大器，既可接單電源使用（3～30V），也可接雙電源使用（±1.5～±15V），驅(qū)動功耗低，可與TTL邏輯電路相容。這四運放分別構(gòu)成差分放大電路、幅值放大電路、有源低通濾波器和比較器電路。

2.1.4 零點自動調(diào)整。由于器件及外部環(huán)境的干擾，造成放大器的零點發(fā)生漂移，從而造成測量誤差大，為此使用單片機(jī)的PWM（脈沖寬度調(diào)制）功能，實現(xiàn)放大電路零點自動調(diào)整，以保證測量精度。

2.1.5 運算單元。微處理器采用了高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的工業(yè)級單片機(jī)STC12LE5A32S2-35I-LQFP44，工作頻率最大可達(dá)35MHz、具有在系統(tǒng)可編程（ISP）/在應(yīng)用可編程（IAP）功能、其速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)速度快8～12倍，其內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S，即25萬次/秒），具有上升沿中斷的PCM模塊、4個16位定時器、工作溫度范圍：-40℃～+85℃。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 STC12LE5A32S2-35I-LQFP44內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第一，A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理。STC12LE5A32S2的A/D轉(zhuǎn)換是逐次比較型ADC，具有轉(zhuǎn)換速度高、功耗低等優(yōu)點。當(dāng)電容充電發(fā)生時，由硬件電路啟動A/D轉(zhuǎn)換，每次連續(xù)采樣8個數(shù)據(jù)，去2個最大值和2個最小值，再取余下4個數(shù)據(jù)的平均值作為一組采樣數(shù)據(jù)，繼續(xù)進(jìn)行下一組采樣，直至電容充電結(jié)束。所產(chǎn)生的數(shù)組序列，用于電容容量的計算。

第二，測量算法。測量方法：電容充放電公式：I=（E/R）×e-t/（R×C），時間常數(shù)τ=R×C。在充電時，每過一個τ的時間，電容器上電壓就上升（1-1/e），約等于0.632倍的電源電壓與電容器電壓之差，放電時相反；通過測量充電電流從最大值降至最大值的0.632倍時的時間T，T即為時間常數(shù)，計算出電容值C=T/R。

2.1.6 顯示及報警。完成電容容量下降（劣化）時的聲光報警和開關(guān)量報警。

2.2 軟件設(shè)計

軟件采用Keil C編程，采用了模塊化設(shè)計，包括了AD采樣模塊、采樣數(shù)據(jù)處理模塊、顯示及報警模塊、放大器零點調(diào)整模塊、配置及相關(guān)數(shù)據(jù)存儲模塊。模塊化設(shè)計確保程序的可靠性和良好的維護(hù)性。

2.2.1 AD采樣模塊。在單片機(jī)中開辟一個固定長度的緩存區(qū)，確保采樣數(shù)據(jù)不丟失。A/D采樣時，每組數(shù)據(jù)間的間隔是一個固定值，為后續(xù)的電容計算做準(zhǔn)備。軟件執(zhí)行流程如圖5所示：

2.2.2 采樣數(shù)據(jù)處理模塊對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后進(jìn)行電容容量計算和顯示報警判斷，如圖6所示。將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個比較，找出最大值，該最大值即為電容充電時的電流最大值，再將該最大值后的數(shù)組逐個與最大值計算比例：Vx/Vmax，當(dāng)Vx/Vmax=0.632時，計算最大值與該數(shù)組間的時間差T，該值即為該阻容器件的時間常數(shù)，通過C=T/R計算得出電容值。

2.2.3 顯示及報警模塊完成狀態(tài)顯示和報警控制。

2.2.4 放大器零點自動調(diào)整模塊通過單片機(jī)的PWM功能來實現(xiàn)放大器零點自動調(diào)整。每次測量結(jié)束后進(jìn)行零點自動調(diào)整，根據(jù)靜態(tài)時的測量值，通過單片機(jī)的PWM功能，輸出一定占空比的脈沖序列，將放大器的零點穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)，以保證每次測量的基準(zhǔn)都是相同的，從而滿足測量精度的要求，如圖7所示：

2.2.5 配置及相關(guān)數(shù)據(jù)存儲模塊。保存放大器幅值調(diào)整值等。由于阻容器件的規(guī)格眾多，如單阻容的配置就有100μF/51Ωμ（YX）、220μF/51Ωμ（F）、470μF/51Ωμ（LXZ）、1000μF/51Ωμ（Q）、470μF/510Ωμ（B1）……，通過對電容規(guī)格和電阻規(guī)格的不同配置而適用各種阻容規(guī)格和放大幅值配置，從而實現(xiàn)硬件通用，盡量減少電路板規(guī)格。

2.3 顯示和聲音報警

該硬件外圍設(shè)置包括單阻容盒與道岔阻容盒兩部分，其報警顯示與聲音設(shè)置分別如表1、表2所示：

3 結(jié)語

劣化指示阻容盒是一種采用微電子技術(shù)改造、替代傳統(tǒng)信號器材的產(chǎn)品，實現(xiàn)信號阻容器件的電容在線隔離監(jiān)測、容量下降（劣化）后聲光報警、向信號集中監(jiān)測系統(tǒng)提供報警開關(guān)量等功能。它的研制成功填補(bǔ)了鐵路信號阻容器件的電容監(jiān)測空白，使鐵路信號阻容器件處于可控狀態(tài)，實現(xiàn)阻容器件由定期輪修改為狀態(tài)修，提高設(shè)備的可用性、可靠性，減少甚至避免因電容容量不足造成的信號設(shè)備故障，提高勞動生產(chǎn)效率，保證行車安全，其經(jīng)濟(jì)效益、安全效益是無法估量的。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊世興，郭秀才，楊潔.測控系統(tǒng)原理與設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

（責(zé)任編輯：周 瓊）