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。

1 設(shè)備的基本原理

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。

1.1 高精度黑體輻射源

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。

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。

2 快速標(biāo)定設(shè)備的設(shè)計研制

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)。

2.2 PID溫度控制儀設(shè)計

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。

2.3 快速標(biāo)定設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

（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。

3 應(yīng)用效果

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。

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

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

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

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