孫彥輝

摘 要：電氣化鐵路接觸網(wǎng)是在電、力作用下進(jìn)行工作的，而電氣化鐵路接觸網(wǎng)的電阻測(cè)試對(duì)其正常運(yùn)行有很大的影響，因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程，必須加強(qiáng)對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)電阻測(cè)試的管理。文章設(shè)計(jì)了一個(gè)高精密大電流恒流源，采用一種直接測(cè)量毫歐姆級(jí)電阻的方法進(jìn)行接觸網(wǎng)電阻測(cè)試。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；接觸網(wǎng)；電阻測(cè)試

前言

在電氣化鐵路中，接觸網(wǎng)是極其重要的一個(gè)組成元件，接觸網(wǎng)的狀態(tài)對(duì)行車的安全性有直接的影響，為確保接觸網(wǎng)的運(yùn)行安全，需要采用一種靜態(tài)測(cè)量接觸網(wǎng)電阻的方法，來(lái)判斷接觸網(wǎng)是否需要更換。一般情況下，接觸網(wǎng)的截面積為200mm2，其材質(zhì)為銅材料，接觸網(wǎng)的電阻很小，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量是一項(xiàng)精密測(cè)量工作，加強(qiáng)電氣化鐵路沿線的電氣信號(hào)比較強(qiáng)烈，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的誤差，因此，電氣化鐵路接觸網(wǎng)的電阻測(cè)試是一項(xiàng)十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳌?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及誤差分析

根據(jù)電氣化鐵路接觸網(wǎng)的電阻范圍、測(cè)量信號(hào)信噪比等設(shè)計(jì)一個(gè)高精密大電流恒流源系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)具體情況，自動(dòng)選擇恒流源電流的輸出值，在消除各個(gè)因素的影響后，恒流源輸出電流經(jīng)過(guò)電氣化鐵路接觸網(wǎng)以后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于這個(gè)階段接觸網(wǎng)體電阻的電壓降，通過(guò)對(duì)電壓降進(jìn)行處理，得出接觸網(wǎng)的電阻值。

在測(cè)試過(guò)程中，對(duì)測(cè)試線路、測(cè)試儀等的內(nèi)電阻進(jìn)行全面考慮，需要保證接觸網(wǎng)電阻值測(cè)量范圍達(dá)到1000mΩ，同時(shí)要保證分辨率達(dá)到0.1mΩ，這樣才能準(zhǔn)確地將導(dǎo)體的電阻測(cè)量出來(lái)。在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量誤差可以從模擬誤差和量化誤差兩個(gè)方面進(jìn)行分析，其中模擬誤差=被測(cè)量電阻×比例誤差系數(shù)+隨機(jī)誤差+系統(tǒng)常數(shù)誤差；量化誤差=A/D轉(zhuǎn)換器微分非線性誤差+A/D轉(zhuǎn)換器積分非線性誤差+量化誤差。在測(cè)試過(guò)程中，增益誤差、恒流源精度等因素會(huì)對(duì)比例誤差系數(shù)造成影響，而系統(tǒng)常數(shù)誤差是由測(cè)試線路、系統(tǒng)內(nèi)部線路等因素決定的，而影響隨機(jī)誤差的因素主要有外界干擾情況，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲等。

2 關(guān)鍵電路選型

低漂移大電流精密恒流源電路：實(shí)踐證明，采用能帶為基準(zhǔn)的恒流源，沒(méi)有采用齊納二極管為基準(zhǔn)的電壓參考源的性能好，因此，在測(cè)量電氣化鐵路接觸網(wǎng)電阻時(shí)，采用齊納二極管為基準(zhǔn)的電壓參考源得到測(cè)量所需的精密恒流源。RER102是一種10V精密電壓參考源，其精度能達(dá)到0.0025V，而溫漂能達(dá)到2.5ppm/℃max，OPA111精密運(yùn)算放大器能確保RER102精密電壓參考源的放大器端和GND端相同，這樣就能保證通過(guò)被測(cè)接觸網(wǎng)的電流為精密的恒定電路，確保整個(gè)電路為等效力恒流源電路。

當(dāng)OPA111精密運(yùn)算放大器處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí)，同相端和反相端的壓差為零，此時(shí)OPA111精密運(yùn)算放大器的偏置電流能忽略不計(jì)，此時(shí)在NR上的恒流源壓降和R上的VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的源極電流壓降相同，如果選擇I1=1mA，NR=999R，此時(shí)Is=I1×999=1mA×999=999mA，而I0=I1+Is=1mA+999mA=1A。

在測(cè)量過(guò)程中，要保證測(cè)試量程達(dá)到1000mΩ，而分辨率不能超過(guò)0.1mΩ，這就需要保證A/D轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制編碼數(shù)達(dá)到1萬(wàn)個(gè)，并且要至少需要14位A/D轉(zhuǎn)換器，由于在測(cè)量過(guò)程中，需要對(duì)噪聲、A/D轉(zhuǎn)換器微分非線性誤差、A/D轉(zhuǎn)換器積分非線性誤差、量化誤差等進(jìn)行全面考慮，因此，選擇ADS7809型的16位A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器的輸入量程為10V，分辨率為0.1525mV，當(dāng)恒流源電流等于1A、被測(cè)量接觸網(wǎng)最大電阻值為1000mΩ時(shí)，被測(cè)量接觸網(wǎng)的壓降等于1V，在正式測(cè)量中，為提高測(cè)量精度，將信號(hào)放大10倍，也就是每0.1mΩ的電阻可以出現(xiàn)1mV電壓降。

3 消除關(guān)鍵誤差

3.1 硬件濾波電路

電氣化鐵路接觸網(wǎng)，是一個(gè)比較大的導(dǎo)體，其電阻是一個(gè)穩(wěn)定的值，而干擾信號(hào)則很強(qiáng)，由于在恒流源作用下，接觸網(wǎng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)比較穩(wěn)定，和直流比較接近，因此，首先要用有源低通濾波器對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，從而減少一定的干擾，由于電氣化鐵路接觸網(wǎng)的測(cè)量段比較長(zhǎng)，環(huán)境的不確定影響因素比較大，所以還需要在接近測(cè)量連接點(diǎn)的位置，進(jìn)行濾波處理。

3.2 消除測(cè)試連接線和接觸網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)的電阻

測(cè)試連接線和接觸網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生電阻的主要原因是在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)試線的夾緊力度存在一定的差異，同時(shí)接觸面的清潔度也有一定的差異，這就導(dǎo)致測(cè)試連接線和接觸網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)在接觸過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的隨機(jī)接觸電阻。在消除該誤差時(shí)，如圖1所示，從L1出來(lái)的恒流源經(jīng)過(guò)A點(diǎn)后經(jīng)過(guò)接觸網(wǎng)，再通過(guò)B點(diǎn)返回L2，雖然L1、L2測(cè)試線的電阻比較大，但經(jīng)過(guò)線路的電流是穩(wěn)定的，因此，AB段的電壓降只和電阻有一定的關(guān)系。在測(cè)試過(guò)程中，由于測(cè)試儀器的輸入阻抗比較高，在這種情況下，可以忽略測(cè)試線的電阻和隨機(jī)接觸電阻不計(jì)，所以在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，AB段的電阻只和輸入信號(hào)有關(guān)，這樣就能將隨機(jī)接觸電阻消除。

圖1 消除隨機(jī)誤差圖

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于電氣化鐵路接觸網(wǎng)電阻小、測(cè)試環(huán)境比較差的情況，通過(guò)設(shè)計(jì)高精密大電流恒流源進(jìn)行電氣化鐵路接觸網(wǎng)電阻測(cè)量，并利用硬件濾波處理、軟件濾波處理、四線測(cè)試法等進(jìn)行誤差消除，這樣就能極大的提高測(cè)量精確度，從而滿足電氣化鐵路接觸網(wǎng)電阻測(cè)量的要求。

參考文獻(xiàn)

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