新型智能鋼軌測溫計的研究與應(yīng)用

朱 戩 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 引言

現(xiàn)如今，鐵路已經(jīng)成為國內(nèi)最為重要的交通工具，隨著鐵路線路不斷增加，列車速度日益提升，人們的出行得到極為有效的便捷，火車儼然已成為最最基本出行方式。但對于我國龐大的人口基數(shù)，對鐵路運輸行業(yè)有著非常嚴(yán)厲的考驗。高速行駛的列車在鐵軌上不間斷的行駛，勢必會對鋼軌產(chǎn)生不小的磨損，外加在風(fēng)吹日曬的條件下，鋼軌會產(chǎn)生生銹的現(xiàn)象。綜上所述，鋼軌不可能長時間的使用，對于磨損嚴(yán)重的或者在工藝指標(biāo)上無法滿足使用條件的情況下，就應(yīng)該更換新的鐵軌，不然會對列車運行安全有著重大的隱患。在實際現(xiàn)場中，不難發(fā)現(xiàn)，鐵軌與鐵軌之間會存在一定的縫隙，這是考慮到在不同季節(jié)，不同溫度下，鋼鐵會產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)場。所以在實際安裝鐵軌時，就應(yīng)該對軌溫有著嚴(yán)格的把控，留出適當(dāng)?shù)拈g隙，不然就會出現(xiàn)漲軌縮軌的現(xiàn)象。

2 概述

鋼軌測溫計時滿足鐵路工務(wù)部門現(xiàn)場作業(yè)施工中測量溫度的專用儀表。通?？梢苑譃殡p金屬式和數(shù)字式兩種。工務(wù)部門最早都是使用雙金屬式鋼軌測溫計，這類設(shè)備都是利用兩種不同膨脹系數(shù)的金屬片A 與B，焊接在一起固定。通過溫度的變化，利用金屬片的彎曲的角度與溫度變化為線性關(guān)系這個原理，從而測出溫度。雖然這種軌溫計結(jié)構(gòu)簡單，造價比較低，但是測溫時間比較長，測溫精度比較低。在實際檢定此類軌溫計時，穩(wěn)定性能非常差，示值誤差十分容易超差，有時前后兩次讀數(shù)相差會有5 ℃之多。

還有一種時數(shù)字式鋼軌測溫計，時利用溫度傳感器，將被測物體的溫度轉(zhuǎn)換成微電流信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大直接顯示出被測溫度值。對比雙金屬軌溫計，具有響應(yīng)時間快，測溫精度大大提高。工務(wù)部門所使用的雙金屬軌溫計基本上都被數(shù)字式軌溫計所取代。盡管如此，在工務(wù)部門多年使用下，還是有許多問題顯現(xiàn)出來。例如，當(dāng)數(shù)字式軌溫計使用年份超過3年后，主板與元器件老化，會容易出現(xiàn)示值誤差超差的現(xiàn)象。電池的是使用壽命也會隨著時間增長，性能大幅降低。溫度傳感器前端的測溫器件，使用中容易銹蝕，老化甚至的損壞的現(xiàn)象。由于有時換軌工作在夜間進(jìn)行，讀數(shù)上也會有不方便的影響。就針對上述諸多問題分析，已研究出新一代SRT-A型智能軌溫計，從而達(dá)到更加優(yōu)化的目的。

3 研發(fā)

SRT-A 型智能軌溫計與原有的雙金屬機(jī)械式和數(shù)字式軌溫計相比SRT-A 型智能軌溫計采用目前比較先進(jìn)的傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)，取代了原來的模擬傳感器和模擬控制電路并由此帶來的測溫誤差較大且誤差修正困難的問題，另一方面原有的軌溫計功耗大、功能單一、采用的器件和工藝沒有考慮使用的需要。因此在進(jìn)行方案設(shè)計時著重從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能設(shè)置、性能優(yōu)化、外觀等方面進(jìn)行細(xì)化和完善，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，增加功能，降低功耗，方便用戶操作。

目前SRT-A 型智能軌溫計從工作原理上改變了原有軌溫計的測溫方法，它采用寬電壓數(shù)字溫度傳感器作為傳感元件，采用帶A/D 轉(zhuǎn)換的51 系列單片機(jī)，以滿足3.7 V 通用鋰電池的使用需要,選用小電流元器件以降低功耗；使用C 語言編程使程序邏輯性強，調(diào)整快速；測溫度傳感器吸附磁鋼形狀由原有的圓柱型改為圓環(huán)型，均衡了測溫度傳感器與鋼軌或檢定恒溫爐的吸引力，提高了吸附能力，使溫度顯示更穩(wěn)定和可靠；全部器件采用貼片焊接，取代了分離式焊接，從工藝上保證產(chǎn)品牢固、不易損壞；增加了軌溫計與微機(jī)數(shù)據(jù)交換通訊串口，使軌溫計檢定后對誤差的修正操作更方便和更精確，誤差修正精度可達(dá)0.1 ℃；電池也將原來的6 V 干電池改換為3.7 V 的可充放型鋰電池（同時配備專用充電器），使之更省電，一次充電后的連續(xù)使用時間延長至70 h，這也解決了以前使用一次性電池需頻繁更換的不便。側(cè)面有專用的電池充電孔，和現(xiàn)如今使用的手機(jī)一樣，可隨時進(jìn)行充電，即插即拔，使用起來十分方便。

目前SRT-A 型智能軌溫計的各項性能指標(biāo)都優(yōu)于原有的軌溫測量儀器。

4 檢修工藝

對于數(shù)字式軌溫計而言，讀數(shù)上是十分方便直觀，但是探頭和屏幕的用數(shù)據(jù)傳感線所連接的，使用中傳感器出現(xiàn)老化、磨損、損壞的現(xiàn)場，都會造成顯示異常。還有對于屏幕損壞的設(shè)備，也沒有辦法繼續(xù)使用，同樣在檢定下，對于出現(xiàn)示值誤差超差的設(shè)備，都無法繼續(xù)使用。一個零部件的損壞，就使整體都按報廢處理，很大程度上浪費了過多的材料。對于SRT-A 型智能軌溫計能夠進(jìn)行零部件的替換，在很大程度上解決了此問題。在設(shè)備程序上著重考慮到檢定調(diào)試的問題，對原來設(shè)備程序采用匯編語言編寫，邏輯功能差，調(diào)整困難的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，基本解決了軌溫計超差的問題。

5 測量方法及工作原理

SRT-A 型智能軌溫計采用DS18B20 單總線數(shù)字溫度傳感器對溫度進(jìn)行高速采樣，用51系列的單片機(jī)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。

5.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 智能軌溫計系統(tǒng)框圖

5.2 硬件電路

5.2.1 STC51系列單片機(jī)

通常選取單片機(jī)的原則有兩條：集成度高和性價比高。在考慮了眾多類型的單片機(jī)后，選擇了51 系列中的STC12L56 單片機(jī)。它包含256 字節(jié)的常規(guī)RAM，以及512 字節(jié)的可擴(kuò)展RAM，具有高速、寬電壓（5.5 V～3.5 V）、超低功耗的優(yōu)點，芯片內(nèi)置EEPROM 功能，采用SOP 封裝，而且在系統(tǒng)可編程，無需編程器和仿真器。

5.2.2 DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器

美國DALLAS公司生產(chǎn)的18B20單總線數(shù)字溫度傳感器測量溫度范圍為-55 ℃～125 ℃，在-10 ℃～85 ℃范圍內(nèi)，測量精度為±0.5 ℃。它可編程為9 位～12 位A/D 轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨力可達(dá)0.0625 ℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量串行方式輸出；其工作電源即在遠(yuǎn)端引入。其引腳圖見圖2。

圖2 DS18B20傳感器

DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖3所示，DQ 為數(shù)字信號輸入／輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。

圖3 DS18B20與微處理器的連接圖

5.2.3 OLED液晶顯示模塊

OLED 顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD 顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板(或柔性有機(jī)基板)，當(dāng)有電流通過時，這些有機(jī)材料就會發(fā)光。而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄，可視角度更大，并且能夠顯著的節(jié)省耗電量。相比傳統(tǒng)的LCD 技術(shù)，OLED 顯示技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，OLED 屏幕厚度可以控制在1 mm 以內(nèi)，而LCD屏幕厚度通常在3 mm 左右，并且重量更加輕盈。OLED 屏幕的液態(tài)結(jié)構(gòu)可以保證屏幕的抗衰性能，并且具有LCD 不具備的廣視角，可以實現(xiàn)超大范圍內(nèi)觀看同一塊屏幕，畫面不會失真。反應(yīng)速度是LCD屏幕的千分之一。并且OLED屏幕耐低溫，可以在-40 ℃環(huán)境下正常顯示內(nèi)容，發(fā)光效率更高、能耗低、生態(tài)環(huán)保。

6 結(jié)束語

新一代鋼軌測溫計的設(shè)計從一開始研發(fā)、測試、完善到目前技術(shù)工藝都趨于成熟。工務(wù)部門現(xiàn)已經(jīng)在廣泛凡使用SRT-A 型鋼軌測溫計，就多年使用的情況以及反饋來看，此設(shè)備完全滿足工務(wù)部門的需求，測溫精度高，攜帶方便等多個優(yōu)點，使得在對鋼軌溫度測量上得到更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對鐵路運輸安全的保障有了提升。另外呼和浩特局也在使用這一代軌溫計，在極端低溫條件下性能依舊穩(wěn)定，反饋良好。鋼軌測溫計作為計量設(shè)備，對每年檢定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠得到，除了人為因素?fù)p壞外，5年以內(nèi)的設(shè)備計量檢定的合格率高達(dá)99%，足以證明，設(shè)備擁有非常高的穩(wěn)定性及耐用性。

SRT-A 型鋼軌測溫計在設(shè)計上還是存在不足，例如在傳感器連接線與前端測溫原件的連接處存在破裂的風(fēng)險，在日后的設(shè)計上應(yīng)考慮到這個問題并加以改善。