機車車輛制動電阻溫升試驗用輕量化測溫系統(tǒng)的設(shè)計

黃永剛，李勇，石春珉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 標準計量研究所，北京 100015；2.中鐵檢驗認證中心有限公司，北京 100015）

制動電阻作為車輛電制動系統(tǒng)的重要組成部分，承擔車輛再生制動時電網(wǎng)無法吸收的多余制動電能消耗任務(wù)，將制動能量直接消耗在吸收電阻上，其優(yōu)點是控制簡單，投入建設(shè)的成本相對比較低，因此在機車車輛的制動方式中得到廣泛采用[1]。在實際運行過程中，電阻帶溫度過高會導(dǎo)致燒損，使機車喪失電阻制動性能。這種故障的發(fā)生對機車的安全運行造成致命影響，同時給機車返修帶來較大困難，返修成本也較大[2]，因此機車車輛制動電阻進行型式試驗時的溫升試驗項目就顯得尤為重要[3]。進行溫升試驗時，除了需要正確測量電氣參數(shù)（電壓、電流、功率）外，還需要正確測量電阻帶溫度。

基于溫升試驗時溫度測量需求，本文設(shè)計了一款基于LabVIEW 的14 通道溫度測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在0℃～+850℃范圍內(nèi)同步測量多點溫度，并將采集的溫度數(shù)據(jù)寫入電子表格備份以進行后續(xù)的統(tǒng)計、分析。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，除了高電壓隔離模塊采用本實驗室定制的器件外，其余均采用現(xiàn)有的模塊和器件構(gòu)建。K 型熱電偶溫度測量元件將溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸送至高電壓隔離模塊進行測量并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓信號經(jīng)研華ADAM 數(shù)據(jù)采集模塊A/D 轉(zhuǎn)換后經(jīng)串口發(fā)出，然后通過RS485/USB 轉(zhuǎn)換模塊UT-890 與PC 機相連。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

1.1 K 型熱電偶溫度測量元件

兩種不同材料A 和B 構(gòu)成的電流回路如圖2所示。位置I 處和Ⅱ處的2 種不同材料被釬焊或焊接在一起。連接點處的溫度分別是T1和T2。如果這2 個溫度不相等，那么在回路里就會產(chǎn)生一個電壓U，即所謂的熱電勢（熱電效應(yīng)）[4]。

圖2 熱電偶的測溫原理圖Fig.2 Thermocouple temperature measurement principle diagram

若AB 之間的材料常數(shù)為kAB，圖2 所示電流回路的熱電勢U 由式（1）求得：

這樣所產(chǎn)生的熱電勢與材料A 和B 有關(guān)，且隨焊點Ⅰ和Ⅱ之間的溫度差的增大而增大。

在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優(yōu)點，使用十分方便。本文采用鎳鉻—鎳（接近于鉻鎳—鋁鎳材料）熱電偶，這種熱電偶在非貴金屬熱電偶中具有最大的溫度測量范圍為-200℃～1300℃。這種熱電偶較精確、耐用，其溫度系數(shù)小于銅—康銅或鐵—康銅的溫度系數(shù)。它的特性曲線線性度很高[5]。

1.2 高電壓隔離模塊

在進行制動電阻溫升試驗時，電阻帶表面溫度通常很高（一般幾百攝氏度，甚至接近1000℃），因此采用直接焊接的方式將熱電偶固定于電阻帶表面。又因為熱電偶采用金屬材料，所以其輸出端和電阻帶表面等電位，呈現(xiàn)很高的對地電壓（高達上千伏）。而熱電偶兩根導(dǎo)線之間的熱電勢很低（毫伏級），實際測量時信噪比較低。因此本實驗室定制了一款高電壓隔離模塊，兼具信號放大功能。隔離電壓高達DC3000V，同時對熱電偶測溫元件產(chǎn)生的熱電勢進行放大，輸入輸出線性比例系數(shù)為5 mV/℃。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用研華科技開發(fā)的ADAM-4017遠程模塊。該模塊是16 位A/D 分辨率的8 通道模擬量輸入模塊，可以采集電壓、電流等模擬量輸入信號。它為所有通道都提供了可編程的輸入范圍，這些模塊為工業(yè)測量和監(jiān)控的應(yīng)用中提供很好的性價比；而且它的模擬量輸入通道和模塊之間還提供了3000 V 的電壓隔離，這樣就有效地防止模塊在受到高壓沖擊時而損壞[6]。其技術(shù)規(guī)格如表1 所示。

表1 ADAM-4017 遠程模塊技術(shù)規(guī)格Tab.1 ADAM-4017 remote module technical specifications

ADAM-4017 接收到來自上位機的讀取本模塊各模擬通道輸入值的指令時，將采集的電壓信號處理后通過RS485 串口發(fā)出。上位機的讀取指令為#AA（cr），其中，# 是分隔符；AA（范圍00-FF）表示2個字符的十六進制的模塊地址。（cr）是終止字符、回車符（0Dh）。其返回的字符串為＞（data）（cr），其中＞是分隔符，（data）是被讀取的模塊配置的數(shù)據(jù)格式的輸入值。（cr）是終止字符、回車（0Dh）。舉例說明如下，假定被讀取的模塊地址為01h，那么上位機的讀取指令為#01（cr）。如果此模塊所有通道的輸入電壓模擬量均為+5.0000V，則被讀取的模塊返回的一幀數(shù)據(jù)為＞+5.0000+5.0000+5.0000+5.0000+5.0000+5.0000+5.0000+5.0000（cr），每幀共計58 個字節(jié)。

1.4 UT-890 接口轉(zhuǎn)換器

由于研華科技ADAM-4017 遠程模塊的數(shù)據(jù)采用RS485 通信標準，通過串口發(fā)出，而一般計算機（尤其筆記本）不具備RS485 串口通信的條件。因此，本系統(tǒng)采用UT-890 接口轉(zhuǎn)換器將ADAM-4017遠程模塊發(fā)送的RS485 電平轉(zhuǎn)換為USB 電平，方便該模塊與上位機通信。

UT-890 是一款通用的USB/RS-485/RS-422 轉(zhuǎn)換器，無需外加電源、兼容USB、RS-422/485 標準，能夠?qū)味说腢SB 信號轉(zhuǎn)換為平衡差分的RS-422/485 信號，極小的極間電容保證了RS-422/485 接口的高速傳輸，數(shù)據(jù)通訊速率高達128 kbps，帶有電源指示燈及數(shù)據(jù)流量指示燈可指示故障情況。

2 LabVIEW 溫度測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabVIEW 是一種圖形化編程語言，在數(shù)據(jù)采集、人機交互方面有著顯著優(yōu)勢[7-8]。本文采用LabVIEW軟件開發(fā)平臺編寫上位機多通道溫度測量系統(tǒng)程序，主要包括串口配置與VISA 寫入、VISA 讀取、數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換與溫度計算、溫度變化曲線顯示與數(shù)據(jù)保存等幾部分。整個測量系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 LabVIEW 溫度測量系統(tǒng)程序流程Fig.3 LabVIEW temperature measurement system program flow chart

2.1 串口配置與VISA 操作

程序運行前，首先需要根據(jù)上位機PC 分配的COM 端口號配置VISA 資源名稱，其他諸如波特率（9600）、數(shù)據(jù)位比特（8）、奇偶校驗位（None）、停止位（1）、啟用終止符（關(guān)閉）等參數(shù)，程序均根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)定為常量，無需配置。串口配置完畢后，運行程序，VISA 寫入函數(shù)首先寫入讀取模塊電壓的命令至串口緩沖區(qū)，經(jīng)一定的延時后，VISA 讀取函數(shù)即時讀取串口緩沖區(qū)全部內(nèi)容，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換與溫度計算。

2.2 數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換與溫度計算

讀取串口緩沖區(qū)內(nèi)容后，程序首先通過截取字符串函數(shù)對字符串進行截取，截取第1 個至第7 個字符（首個字符編號為0）、第8 個至第14 個字符分別作為第1 組、第2 組字符串，后面依次類推，共截取8 組字符串，分別對應(yīng)8 個通道的輸入電壓值。然后利用字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù)進行轉(zhuǎn)換。以1 通道為例，其中數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)換部分的程序框圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)換程序框圖Fig.4 Data extraction and conversion program diagram

轉(zhuǎn)換后的十進制數(shù)據(jù)單位為V，根據(jù)前面提供的比例系數(shù)5 mV/℃，將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)乘以200 即可得到被測溫度值。

2.3 溫度變化曲線與數(shù)據(jù)保存

通過計算得到的各通道溫度數(shù)據(jù)在溫度測量系統(tǒng)交互界面實時顯示，并利用LabVIEW 的波形圖表控件繪制成溫度變化曲線。波形圖表橫軸為時間軸，縱軸為溫度軸，設(shè)置了修改波形圖表橫軸和縱軸顯示范圍的功能，以便更細致地觀察溫度隨時間的變化趨勢。

為方便對測量結(jié)果進行進一步的統(tǒng)計和分析，測量系統(tǒng)將每一時刻采集的所有通道的溫度數(shù)據(jù)寫入電子表格文檔備份。文檔以當前日期和程序開始運行時刻命名并保存在桌面，其存儲格式為第1行為標題行，包括日期、時間、通道編號，下面各行為試驗數(shù)據(jù)。

為了更好滿足實際試驗需求，數(shù)據(jù)保存功能設(shè)置自動保存和手動保存兩種可供選擇的方式。在自動保存方式下，系統(tǒng)按設(shè)置的時間間隔連續(xù)不斷地保存測量結(jié)果。在手動保存方式下，用戶根據(jù)需求單獨保存某些結(jié)果，輸入的注釋被寫入電子表格最后一列。溫度數(shù)據(jù)保存部分的主界面如圖5 所示。

圖5 溫度數(shù)據(jù)保存部分界面設(shè)計Fig.5 Temperature data storage interface design

3 測量系統(tǒng)標定實驗

為達到系統(tǒng)的高精度測量要求，本文采用FLUKE 9144 現(xiàn)場測量井的溫度示值作為實際溫度的約定真值，運用最小二乘法進行曲線擬合對測量系統(tǒng)各通道進行標定，通過修正降低系統(tǒng)測量誤差，提高測量精度。

3.1 最小二乘擬合多項式

以1 通道為例，測量系統(tǒng)某次在0～850℃范圍內(nèi)測得的18 組數(shù)據(jù)，如表2 所示。理論上擬合多項式次數(shù)越高，擬合效果就會越好，但實際工程應(yīng)用中往往綜合考慮標定的效果與修正程序的復(fù)雜性，選用二次多項式作為目標函數(shù)，如式（2）所示：

表2 標定前后誤差對比Tab.2 Comparison of errors before and after calibration（℃）

式中：x 為測量系統(tǒng)的實測溫度值（℃）；y 為非線性修正后的溫度值（℃）；a0、a1、a2為待定系數(shù)。

由最小二乘多項式擬合的基本原理[9-10]，可得：

將測得的18 組數(shù)據(jù)代入式（3），計算出待定系 數(shù)a0～a2的值分別為a0=1.87914，a1=1.00447，a2=5.62411×10-6，即得二次多項式擬合表達式：

3.2 標定結(jié)果

根據(jù)測量系統(tǒng)各通道求得的最小二乘擬合多項式，在原溫度測量系統(tǒng)程序中加入各通道對應(yīng)的修正環(huán)節(jié)，即可計算得到修正后的結(jié)果。1 通道在0～850℃范圍內(nèi)測得的36 組標定前后的數(shù)據(jù)如表2 所示。

由表2 數(shù)據(jù)可知，1 通道的最大誤差由標定前的3.36℃減小至標定后的0.60℃，誤差顯著降低。滿量程時相對誤差為，滿足0.1%的測試要求。如果測量中有更高的精度要求，只需提高擬合多項式的階次即可。標定前后誤差分布情況比較如圖6 所示。

圖6 標定前后的誤差分布Fig.6 Error distribution before and after calibration

4 測試結(jié)果與分析

將測試系統(tǒng)各部件按圖1 所示通過UT-890 接口轉(zhuǎn)換器連接至計算機，根據(jù)UT-890 驅(qū)動程序分配的虛擬COM 口選擇端口號，設(shè)置自動記錄方式、間隔為1000 ms。以某次溫升試驗時系統(tǒng)測得的電阻帶14 處溫度變化情況為例，溫度測量系統(tǒng)運行界面如圖7 所示，保存的部分溫度數(shù)據(jù)如圖8 所示，分析圖7 和圖8 可知，系統(tǒng)運行結(jié)果整體符合設(shè)計預(yù)期，溫度數(shù)值顯示準確無誤；波形圖表中各通道溫度曲線趨勢正確；保存的數(shù)據(jù)格式、時間間隔、內(nèi)容與設(shè)計要求均相符。

圖7 LabVIEW 溫度測量系統(tǒng)主界面Fig.7 LabVIEW temperature measurement system main interface

圖8 保存的部分溫度數(shù)據(jù)Fig.8 Partial temperature data saved

5 結(jié)語

本文設(shè)計的溫度測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、方便攜帶的優(yōu)點，基于LabVIEW 開發(fā)的系統(tǒng)界面友好直觀、可視性強，實現(xiàn)了14 通道的溫度測量、顯示、繪圖與數(shù)據(jù)保存。通過最小二乘法曲線擬合對測量系統(tǒng)各通道進行標定，顯著地提高了系統(tǒng)測量精度，很好地滿足了機車車輛制動電阻溫升試驗溫度測量的需求，適用于需要多點溫度同步測量并對精度要求較高的場合，具有較強的工程應(yīng)用價值。