馬 健,李建國,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 豐臺車輛段,北京100070)
國內(nèi)列車軸溫檢測主要采用紅外線軸溫探測設(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)確測溫是準(zhǔn)確預(yù)報熱軸的基本保證。THDS設(shè)備工作在鐵路軌道兩旁,自然環(huán)境惡劣,紅外線測溫探頭容易發(fā)生測溫參數(shù)的漂移變化,必須定期使用紅外線標(biāo)定設(shè)備對軸溫探測系統(tǒng)進(jìn)行檢驗標(biāo)定,確保系統(tǒng)準(zhǔn)確測溫。
隨著列車的不斷提速、列車布局密度增加,用于設(shè)備維修的天窗時間不斷壓縮,一般的設(shè)備檢修天窗只有30~60min,這對紅外線維修人員上線作業(yè)的時效性要求更加嚴(yán)格。常用的高精度黑體輻射源是由一個黑體輻射源及溫度控制儀構(gòu)成的。在標(biāo)定過程中,需要對黑體輻射源的溫度多次調(diào)節(jié),才能完成對THDS的溫度標(biāo)定,是造成上線檢修時間過長的主要原因。
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個高精度黑體輻射源和可同時控制3路溫度的PID溫度控制儀組成?,F(xiàn)場操作過程中,操作人員可在檢修開始時設(shè)定3個不同溫度,在進(jìn)行測溫標(biāo)定作業(yè)程序時一次性完成THDS的快速標(biāo)定,省去了黑體輻射源調(diào)整溫度所需等待時間,為天窗點內(nèi)完成設(shè)備檢修提供了有力支持。
THDS快速標(biāo)定設(shè)備是由3個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)的使用使得測量精度高,響應(yīng)時間快,穩(wěn)定可靠,操作簡單。
高精度黑體輻射源作為輻射測溫儀器的校準(zhǔn)裝置,在鐵路紅外線標(biāo)定中廣泛地應(yīng)用,不僅是標(biāo)定鐵路車輛紅外測溫儀的標(biāo)準(zhǔn)器,還迅速發(fā)展成輻射測溫溫區(qū)CIPM(國際計量委員會)關(guān)鍵比對用儀器,進(jìn)而成為溫標(biāo)保存儀器。
黑體輻射源的研究分為兩個方面:黑體結(jié)構(gòu)設(shè)計和溫度的均勻性。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。為了實現(xiàn)對溫度均勻性的控制,重點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,以保證溫度的均勻性。黑體輻射源的材料采用中國計量科學(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。
PID溫度控制儀是根據(jù)PID原理及特點設(shè)計的。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)行高精度測量控制的系統(tǒng),可根據(jù)被控對象自動演算出最佳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:
測量值(PV):一個輸入信號,測量顯示被測的介質(zhì)。
目標(biāo)值(給定值SV):一個設(shè)定的目標(biāo)值,介質(zhì)需要達(dá)到的目標(biāo)。
輸出值(MV):一個輸出信號,通過測量值和設(shè)定值直接的大小對比,代入程序內(nèi)部公式算法,自動計算出一個輸出百分比的信號,用于改變被測量的介質(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單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(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的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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、幅度及波形來自動算出P、I、D 3個控制參數(shù),可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行儀表自動調(diào)整PID參數(shù),免去人工經(jīng)驗調(diào)整,達(dá)到最佳的控制效果。
THDS快速標(biāo)定設(shè)備是基于紅外線探測設(shè)備技術(shù)要求,在單面高精度黑體輻射源基本設(shè)計基礎(chǔ)上研制的。相對單面高精度黑體輻射源,THDS快速標(biāo)定設(shè)備的設(shè)計結(jié)構(gòu)更符合實際需求。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設(shè)備檢驗標(biāo)定的技術(shù)要求。
(2)電源插座、保險絲、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。它的葉片推動空氣與軸相同的方向流動。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THDS快速標(biāo)定設(shè)備過程中,專門設(shè)計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,3個黑體輻射源的升溫、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,同時顯示三通道的實際溫度和設(shè)定溫度;通過面板的撥碼開關(guān),控制面板上的4個按鍵,可單獨設(shè)置每個通道的內(nèi)部參數(shù)。
根據(jù)PID控制原理的基本內(nèi)容,設(shè)計了三路PID溫度控制儀,圖3為PID溫度控制儀設(shè)計基本原理圖,圖4為PID儀表接線原理圖。
圖3 PID儀表設(shè)計基本原理圖
圖4 PID儀表接線原理圖
PID溫度控制儀具有以下特點:
(1)采用數(shù)字校正及自校準(zhǔn)技術(shù),測量精確穩(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,提高可靠性及抗干擾性能。
(3)采用多項國際先進(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量及穩(wěn)定的工作。
(6)具有三路PID控制功能,每路具有獨立的輸入、輸出、設(shè)置、顯示,互不影響。
(7)輸入信號默認(rèn)為三線制PT100信號輸入,0.2級測量精度,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。
(8)控制輸出固定為單相可控硅觸發(fā)輸出,輸出一個觸發(fā)信號,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個單相可控硅反并聯(lián)連接或可控硅功率模塊。
(1)測量范圍: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)測量窗口:100mm。
在北京鐵路局車輛系統(tǒng)各個動態(tài)車間,THDS快速標(biāo)定設(shè)備的現(xiàn)場使用已有半年多的時間。通過現(xiàn)場對紅外線探頭的標(biāo)定作業(yè),實現(xiàn)了對紅外線系統(tǒng)的快速標(biāo)定,三個輻射源之間溫度干擾小,溫度調(diào)節(jié)響應(yīng)時間短,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)計研制后,能夠在上線檢修作業(yè)中大大縮短作業(yè)時間,為紅外線軸溫探測設(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。
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