【基于HTK-499型热敏探头测量轴温信号的设计与应用】 火车如何更换轴温探头
[摘 要]轴温传感器是一种非接触式轴温-电压换能器。它可以将运行列车轴箱的温度以电压的形式反映出来。轴温传感器的换能元件有各种类型,目前广泛使用的是热敏电阻,此外,还有少部分使用半导体元件。与轴温传感器相结合的放大器分为交流和直流两种形式。采用交流放大器的轴温传感器称为交流探头,采用直流放大器的轴温传感器称为直流探头。无论何种探头,只要轴温-电压的关系是已知的,并能推算出温度的绝对值,这类探头就称为定量探头。
[关键词]轴温传感器 热敏电阻 放大器
[中图分类号]U[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0094-02
1 探头技术指标
HTK-499型热敏探头是一种直流探头,具有统一的背景,可以实现定量测温。主要技术指标是:
(1)静态灵敏度
50mv/℃(室温下,温升30度时)
(2)系统静噪声
≤30mv
(3)信噪比
>15db
(4)零点漂移
≤100mv
(5)适应车速
5～240km/h
(6)适应工作温度
-45～+80℃
(7)输出阻抗
2000h
2 构成
定量探测器组成主要包括光学系统、热敏电阻、直流放大器、跟踪电源和自稳零电路。当没有列车通过时,定量探头相对挡板进行自稳零校正,消除热敏元件及放大器的漂移。当列车压到开机磁钢时,首先结束自稳零校正,然后打开保护门,再进行车辆轴箱红外辐射的探测。
3 原理
原理框图如图1。
定量探头的敏感元件为热敏元件,当热敏元件接收到外界物体所释放的辐射能量时,其自身温度将发生变化,接着导致自身电阻的变化,而另外一个平衡电阻因为被遮盖,输出端失去原平衡,产生电压信号输出。任何高于绝对零度的物体都要向外部介质进行热辐射,而热敏元件接收到的能量P为:
式中:
ε黑体辐射率,一般取ε≈1
σ斯蒂芬玻尔兹曼常数,
T辐射源的温度,单位K
环境温度,一般取298K
热敏元件在轴箱上探测到的面积,即光斑,一般
热敏元件接收辐射的面积
d热敏元件到轴箱的距离
又热敏元件的输出信号为:
其中:R热敏元件的响应率,单位mV/mW
4 前置放大器的设计
根据热敏元件接收物体的热辐射能量P的公式知道,当环境温度
,辐射热源温度为(高于环境温度30K),光斑为,热敏元件接收辐射的面积为,热敏元件到轴箱的距离为,故可以计算出热敏元件接收轴箱辐射的能量为:
=0.026338mW
由于浸没型热敏元件的响应率为R=100mV/mW,故热敏元件输出的电压信号为,而浸没型热敏元件的灵敏度为55mV/℃,当温差为30℃时,红外轴温探测器的输出为,而,其中A为前置放大器的总的放大倍数,故倍,即定量红外轴温探测器的总的放大倍数初步定为600倍。
定量探头的前置放大器共分三级,
第一级为阻抗匹配与高频提升级,因而选用高输入阻抗、低漂、低噪声的结型场效应管输入级的运算放大器来实现。由于第一级与热敏元件是直接耦合的,故第一级的放大倍数不允许太高,以防止放大器饱合失真。一般选放大倍数A1超过10倍。
第二级为自稳零控制与放大级,放大倍数选倍。自稳零控制是通过电容保持器来实现的。在正常情况下,当无通过列车轴箱温度信号时,第一级放大器的输出应为零,但由于偏置电压及热敏电阻的差异、放大器漂移等原因,常常使不为零,而且值随着时间、温度等参数不断变化。因而导致探测器输出的变化,故无法保证定量测量。为解决这个问题,采用了自稳零直流放大器。在无列车通过时,探测器的保护门关闭,校零继电器吸合,系统对保护门校零。校零时,如果第二级放大器的输出不为零,则通过积分放大器,给电容C充电,提高第二级放大器正端电压,通过差动,直至调整为零。即在自稳零过程中,第二级放大器一直处于自我调整状态,直至为零。来车时,校零继电器断开,由积分放大器中的电容C来保持自稳零电压,通过和输入信号差动,以消除元件漂移等原因对输出的影响,保证探测器的精确。
第三级为温度补偿级,放大倍数选倍。由于热敏元件的响应率遵循如下关系式,因而环境温度的变化将影响到放大器的输出。
5 跟踪电源的设计
偏置电源的精度与稳定度直接影响定量探测性能。以前的高稳定度偏置电源与正负电源无关,各自保证自己的精确度。这样,在电源中单路出现小的干扰或出现偏移时,热敏元件将有偏移信产生,影响定量探测器的输出。为解决这个问题,采用正负跟踪偏置电源。由于偏置电源所需电流很小,故利用运算放大器A构成反向器,对正负电源进行跟踪。图中,、为热敏电阻,当发生变化时,则有负电源变化。而=,因而有。可见电源发生变化前后,热敏电阻输出电位仍保持不变,达到跟踪稳压的目的。减小了电源变化对探测器输出的影响。
6 应用实例
本设计方案应用于青藏线唐古拉北段红外线轴温检测系统中,2007年7月正式运用至今。42套探测系统运行稳定,测温良好,经受了高海拔,恶劣气候条件的考验,有效的保证了青藏铁路车辆的运行安全。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文