一種基於螢光光纖測溫的列車軸溫監測系統的製作方法

2023-05-04 23:38:51

本實用新型涉及列車的溫度檢測系統，特別是涉及一種列車車軸的溫度檢測系統。

背景技術：

近年來我國高速鐵路迅猛發展，列車運行速度已經達到了350km/h，隨之可能遇到的各種危險因素也越來越多，所以對列車運行安全提出了更高的要求。列車在運行過程中，機車車輛與鋼軌的衝擊、動力效應和振動，會導致車輛各軸承的發熱，當軸承磨損和產生缺陷時，不正常發熱增大，輕則造成機損影響車輛的正常運行，重則造成疲勞破壞甚至熱切軸直接導致火車發生故障翻車，造成巨大的生命和財產損失，嚴重影響到鐵路運輸安全。

溫度是列車上機電設備重要的監測參數，如果列車機電設備的溫度過高，會導致絕緣性能降低、密封性能變差、潤滑介質膨脹及變質、有機材料變性甚至碳化等問題，甚至會引起機破、火災等嚴重事故。為了提高安全性，需要對列車高速運行的關鍵部件進行溫度監控，如轉向架軸溫、牽引電機軸承和定子溫度、齒輪箱軸承溫度。當遇到溫度異常過高的情況時，列車應及時自動限速或停車，確保列車運行安全。

早期軸溫監測的手段是通過工人在停車時用手摸，根據人的感覺進行報警，這種檢測方式必須停車且耗費大量人力；後來美國人發明了一種無需停車的軸溫自動記錄裝置，在軌道旁通過紅外線測溫儀配合計軸器監測軸承溫度，這種方式減少了人工，且無需停車，但它仍然是一種非實時的監測方式，並且它對列車經過時的速度有要求。近年來隨著列車信息化水平的提高，我國鐵路部門在機車、動車上普遍安裝有基於鉑電阻測溫的軸溫報警系統，解決了軸溫監測的實時監測、速度受限問題。

現今，列車上使用的轉向架軸溫檢測的溫度傳感器主要是鉑電阻。由於被測部件主要集中於轉向架上，工作環境十分惡劣，而且轉向架上安裝有電機等大功率設備，電磁幹擾十分強烈，同時轉向架還是車輛的接地部件，經常有高壓、大電流的存在。為了使鉑電阻可靠工作，對鉑電阻溫度傳感器採取了絕緣、密封、屏蔽等措施，並在布線過程中避開強電磁幹擾部件，以提高耐壓等級和抗電磁幹擾能力。但即使採取了這些措施，鉑電阻溫度傳感器在使用過程中仍然出現了大量的故障，而且也不能完全滿足列車軸溫報警的需求，它存在如下缺點：1、絕緣耐壓等級低，電力機車、動車通過轉向架接地，轉向架上有時有高達500V高電壓存在，同時軸溫報警系統還需對電機溫度進行監測， 電機內部的電壓高達4000V。鉑電阻溫度傳感器雖然通過絕緣，可耐受此高電壓，但防護可靠性較差，其電纜線屏蔽層長期使用會發生老化、開裂，導致絕緣失效，而電纜線表面凝結的水蒸氣在列車風壓的幫助下加劇了這一缺點的影響。2、抗電磁幹擾能力差,列車的動力電機也位於轉向架上，其功率很大，電磁輻射非常嚴重。鉑電阻傳感器的電纜不可避免地受到電磁輻射的影響，常發生誤報警。3、可靠性差,列車轉向架環境非常惡劣，伴隨著劇烈振動、衝擊，有時會被軌道上的石子擊打，還會經歷複雜、劇烈的溫度、溼度變化。鉑電阻溫度傳感器的焊線極為纖細，在複雜的環境下易發生斷線、短路，可靠性較差。4、無法自診斷,鉑電阻溫度傳感器通過測量引線兩端的電阻來測量溫度.為消除誤差，一般採用三線、四線制，因此對於以上發生的各種故障均無法自診斷。有廠家通過軟體算法對電磁幹擾等故障進行判別，但仍無法完全解決問題。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種受外界幹擾較小、抗電磁幹擾能力強、可靠性高，並且可以實時監測和報警的基於螢光光纖測溫的列車軸溫監測系統。

本實用新型解決上述技術問題所採用的技術方案為：一種基於螢光光纖測溫的列車軸溫監測系統，包括溫度報警主機，其特徵在於：還包括與溫度報警主機之間通過通訊及電源總線相連的至少一個溫度採集單元，所述至少一個溫度採集單元連接至少一個螢光光纖測溫探頭，所述螢光光纖測溫探頭安裝於需要測量溫度的部位。

優選地，所述溫度採集單元包括電源模塊、保護電路、CPU和至少一個螢光光纖溫度解調電路，所述電源模塊與保護電路分別與通訊及電源總線相連，至少一個螢光光纖溫度解調電路與設於溫度採集單元外側的至少一個防水光纖連接器分別連接，並且通過至少一個防水光纖連接器分別連接至所述至少一個螢光光纖測溫探頭，所述CPU與電源模塊、保護電路和螢光光纖溫度解調電路均分別連接。

為了檢測環境溫度，所述溫度採集單元還包括溫度解調電路和環境溫度傳感器，所述環境溫度傳感器與溫度解調電路相連，並且環境溫度傳感器設於溫度採集單元的外側，所述溫度解調電路與所述CPU相連。

優選地，所述環境溫度傳感器為PT100、PT1000、NTC或者是數位化的測溫晶片。

優選地，所述通訊及電源總線可以是現有的列車通訊網絡並附加單獨的電源總線，或者是RS485總線或CAN總線。

與現有技術相比，本實用新型的優點在於該基於螢光光纖測溫的列車軸溫監測系統，不但測溫準確，抗電磁幹擾性能好，並且也具有故障判斷報警的功能，能夠利用現有的列車上的測溫網絡進行改造獲得，而且連接通訊可靠，也不會因為列車的分解復用而造成測溫的不準確和故障的發生。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例的基於螢光光纖測溫的列車軸溫監測系統的示意圖。

圖2為本實用新型實施例的基於螢光光纖測溫的列車軸溫監測系統的溫度採集單元的示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。

現今已有許多種原理的光纖溫度傳感器被研發出來，但由於成本、精度、可靠性等方面的原因，目前應用比較廣泛的有光纖光柵式、螢光式和拉曼式。其中，光纖光柵式傳感器將光纖光柵埋設在被測部位，溫度變化時，光柵的周期和折射率發生改變，導致其峰值反射波長發生變化；光纖光柵傳感器的優點是溫度測量精度高，接線簡單，可以把所有傳感器串聯在一起，只連接1到2個連接器，大大減少了布線成本，其缺點是解調器十分昂貴，但可通過大量傳感器的串並聯來降低系統的綜合成本。

螢光式光纖溫度傳感器在光纖的末端集成有一塊螢光體，光纖發射一定波長的光去激勵螢光體，激勵得到的螢光的強度和激勵源消失後螢光的餘暉時間與溫度有關；螢光傳感器的優點是解調器原理簡單，成本低廉，缺點是所有測量點並行連接，測量點較多時布線成本較高。

拉曼式光纖溫度傳感器利用光纖中的斯託克斯、反斯託克斯散射強度的比值與溫度有關的特性進行溫度測量，並通過高速採樣確定測溫點的位置；其優點是使用普通通訊光纖即可測量，可對光纖沿線的溫度進行無縫測量，缺點是所測溫度為一段光纖的平均溫度，且測溫精度相對較低。

這三種技術中，光纖光柵技術適合於大規模應用場合的溫度測量，如大型發電廠中的發電機組轉子、定子溫度監測和變電站中的變壓器繞組、開關櫃觸點溫度監測，螢光技術適合於中小規模應用場合的溫度測量，如小型變電站中的變壓器、開關櫃溫度監測，而拉曼測溫技術適合於長距離線狀物體的溫度監測，如電纜線、地下電纜溝、隧道的溫度監測。目前這三種技術在電力等行業中均得到了大量應用，其中前兩者用於點測溫，後者用於線測溫。

在列車中採用光纖溫度傳感器可具有以下的優點：

1)絕緣耐壓等級高，光纖採用石英、塑料等材質製成，這些材料本身就是優良的絕緣材料，因此光纖傳感器絕緣耐壓等級高，0.4米長的光纖即可耐受10萬伏的電壓。

2)抗電磁幹擾能力強，光纖中傳輸的是光信號，一般情況下採用的是非偏振光，其傳輸完全不受電磁幹擾影響。

3)可靠性高，光纖光柵傳感器中的感溫裝置為通過掩膜法光刻在光纖中的光 柵，並通過陶瓷無應力封裝進行防護，斷纖的可能性極低，而螢光測溫的感溫裝置為光纖末端的螢光體，並通過塑封工藝進行保護，很難脫落。

4)可故障自診斷，光纖傳感器的故障主要是光纖斷開，這一點很容易通過解調裝置接收到的光強進行判斷，而光纖光柵和螢光測溫這兩種傳感器的溫度信號的解調與光強是沒有關係的，因此可以可靠地進行故障自診斷。

目前光纖光柵測溫與螢光光纖測溫都是較為成熟的技術，都在電力行業得到了大量應用，但在列車軸溫監測的環境中，光纖光柵測溫存在如下缺點：

1)成本較高，光纖光柵解調技術複雜，解調儀價格昂貴，必須通過數百個點的大規模復用來降低平均成本，而列車上雖然有幾百個測溫點，以動車為例，但列車需較為經常地分解復用，在一列車上串聯幾百個光柵會導致車廂無法互換，同時光纖連接器插拔次數需要較少，列車維護現場的粉塵、油汙也會對光纖連接器造成汙染。

2)冗餘度較低，光纖光柵測溫方案中，所有的傳感器串聯在一根光纖上，一旦光纖中間斷開，後面所有的測溫點都會失效，即使通過環形拓撲結構進行備份，也無法應付兩個點中斷的極端情況。

3)互換性較差，光纖光柵測量迴路中每一個傳感器都需使用波長不同的光柵，一旦有一個點損壞，就必須換一個完全一樣的傳感器上去，這樣就要求維修站同時備有幾十種不同的傳感器，在換傳感器的過程中，工人還需仔細地核對傳感器的型號，因此可維護性較差。

4)推廣困難，光纖光柵傳感器採用環形拓撲結構，與現有軸溫報警系統的星狀拓撲結構完全不同，同時光纖光柵探頭為了使光纖繞回來，需採用較大的探頭直徑，因為光纖有最小彎曲半徑，小於此半徑光纖會斷裂，而光纖光柵的串行結構要求光纖需在探頭的末端轉彎，這樣就要求現有列車進行改裝。由於現有的動車組、機車保有量很大，該產品的推廣十分困難。

而螢光光纖測溫與光纖光柵測溫相比，存在以下優點：

1)成本低，螢光光纖測溫技術的解調技術相對容易，成本較低。

2)冗餘度高，採用與鉑電阻完全一樣的星狀拓撲結構，每一根探頭都相互獨立，出現故障不會影響其它探頭，冗餘度較高。

3)互換性好，每一根螢光光纖探頭的特性都完全一致，互換後無需重新標定。

4)推廣更容易，螢光光纖溫度傳感器的拓撲結構與現有的鉑電阻軸溫報警系統完全兼容，可採用相同的系統方案；同時探頭體的體積較小，無需對現有的探頭結構進行改動，故推廣更為容易。

綜上所述，螢光光纖測溫技術最適合於列車溫度監測及報警。

如圖1、2所示，為本實用新型實施例的基於螢光光纖的列車軸溫監測系統的示意圖，如圖1所示，該基於螢光光纖的列車軸溫監測系統包括一個溫度報警主機1.以及若 幹個基於螢光光纖測溫探頭的溫度採集單元2，若干螢光光纖測溫探頭3，以及通訊及電源總線4。溫度報警主機1安裝在車頭或者列車的任意一節車廂中，通過通訊及電源總線4分別連接各個溫度採集單元2，並且通過通訊及電源總線4與各個溫度採集單元2之間進行通訊，每個溫度採集單元2均連接有多個螢光光纖測溫探頭3，並且通過每個螢光光纖測溫探頭3對列車的各部位的溫度進行檢測，通過通訊及電源總線4將信號發送給溫度報警主機1。通訊及電源總線4可以是現有的列車通訊網絡並附加單獨的電源總線，如車載乙太網、WTB總線、MVB總線等，分別附加另外的電源總線以給裝置供電，也可以是本系統專用的通訊及供電總線，如RS485總線或CAN總線等。該每個溫度採集單元2分別對應設於轉向架內或者設於某個集中測溫的部位，並且該多個螢光光纖測溫探頭3分別安裝於車軸、電機、齒輪箱等需要探測的部位。

如圖2所示，為溫度採集單元2的示意圖，該溫度採集單元2包括電源模塊21、保護電路22、CPU23、溫度解調電路24、環境溫度傳感器25和至少一個螢光光纖溫度解調電路26，所述電源模塊21與保護電路22分別與通訊及電源總線4相連，環境溫度傳感器25與溫度解調電路24相連，並且環境溫度傳感器25設於溫度採集單元2的外側，至少一個螢光光纖溫度解調電路26與設於溫度採集單元2外側的至少一個防水光纖連接器31分別連接，CPU23與電源模塊21、保護電路22、溫度解調電路24和至少一個螢光光纖溫度解調電路26均分別連接。螢光光纖溫度解調電路26與螢光光纖測溫探頭3個數相同並且一一對應。

該溫度採集單元2的一端與通訊及電源總線4相連，該通訊及電源總線4可以是相互分開的兩根，分別為通訊總線和電源總線，電源總線經過溫度採集單元2內的電源模塊21轉換為溫度採集單元2內的各個部件所需要的供電電壓，給溫度採集單元2內的各部件供電，通訊總線通過溫度採集單元2內的保護電路22轉換後與CPU23進行通訊。若干個螢光光纖測溫探頭3通過防水光纖連接器31與溫度採集單元2相連，溫度採集單元2通過螢光光纖溫度解調電路26將螢光光纖測溫探頭3所採集的光信號轉換為電壓信號，CPU23對各轉換電路的信號進行採集，並通過相關的算法轉換為溫度值。同時CPU23還通過溫度解調電路24對環境溫度傳感器25的溫度進行採集。環境溫度傳感器25一般為低成本的溫度傳感器，如PT100、PT1000、NTC或者是數位化的測溫晶片。

本實用新型實施例的基於螢光光纖測溫的列車軸溫監測系統適用於地鐵列車、高鐵、動車、普通客運列車、電力機車、內燃機車以及貨車的車軸、電機、齒輪箱等部位的溫度監測及報警。

本系統採用螢光光纖溫度傳感器，探頭部分為非導體，具有很高的絕緣等級，在線皮開裂、破損情況下不會出現鉑電阻溫度傳感器的短路、接地等現象；探頭到溫度採集單元之間採用光纖進行傳輸，不受電磁幹擾，不會出現鉑電阻溫度傳感器在強電磁幹擾下誤報警的現象；探頭出現的唯一故障是斷線，而該故障可以通過光纖返回的光強來進 行檢測，同時螢光測溫的原理是通過光強的衰減時間常數來測量，光強的直流部分的衰減不會對測量產生影響，因此傳感器故障可以很容易地自檢出來，不會發生誤報警；而且螢光光纖測溫系統的解調電路較為簡單，成本較低，且更容易與現有鉑電阻測溫系統相兼容；與光纖光柵測溫採用的串行拓撲結構相比，螢光光纖測溫系統採用星型拓撲結構，布設方式較為靈活；而且螢光光纖測溫系統的探頭能夠完全通用，且無需重新標定，可維護性更好。