光纖液位傳感器在動車組真空集便裝置污物箱中的應用

董曉東

(中國鐵路濟南局集團有限公司 青島動車段技術科， 山東青島 266033)

動車組給水衛生系統是為動車組車上人員提供用水和衛生需求的功能性系統，系統工作的正常與否將直接影響車上旅客的舒適度。衛生系統作為動車組給水衛生系統的重要組成部分，主要由車上真空便器單元、控制單元及懸掛在列車車下的污物箱單元等組成。以CRH380A型動車組為例，真空便器單元包括真空座便器和真空蹲便器兩部分；控制單元包括電控部分、氣控部分、沖洗開關及接線盒等；污物箱單元則采用不銹鋼制成，容積為770 dm3,由內箱、保溫層、外箱、中轉箱、電氣箱、真空發生裝置、80%液位開關、100%液位開關、排空裝置、沖洗裝置、電加熱裝置等組成，是構成衛生系統的主要部分。

1 故障統計分析

對濟南鐵路局青島動車段2018年1～8月份CRH380A型動車組衛生系統故障統計可知，這期間CRH380A型動車組共計發生衛生系統故障126件，其中污物箱誤報80%或者100%故障(代碼05、06)合計101件，真空便器類故障(代碼10)合計19件，其他故障合計6件。通過故障統計數據分析可知，污物箱誤報故障(代碼05、06)數為80件，占觀察期內衛生系統故障發生總數比例高達80.16%，月均故障數達13件之多，是導致衛生系統故障發生的主要原因。

對拆卸下的污物箱浮球傳感器分析發現，導致污物箱誤報80%或者100%故障(代碼05、06)原因為浮球液位傳感器上的浮球被沖入箱中的污物纏繞進而導致傳感器反饋信號持續激活，數字控制器(DTC)誤認為污物箱中液位到達限度，故障持續報出。

結合對衛生系統故障的原因分析及現場檢修作業實際，目前動車組污物箱中普遍采用浮球式液位傳感器，因其自身結構問題在日常使用上存在可靠性低、維護作業難度大等問題，降低了衛生系統可靠性，影響了設備的正常使用，急需一種新型液位傳感器進行代替。

與傳統的浮球式傳感器相比，光纖傳感器具有耐高溫、高壓、抗電磁干擾、抗腐蝕、安全性高等優點，被廣泛應用于檢測傳感領域[1]。選用光纖傳感器替換浮球傳感器對污物箱中液位進行檢測，除具有上述優點外且光纖傳輸的頻帶寬，動態范圍大，光纖傳感器外形幾乎沒有限制，可作成任意形狀的特點，適用于各種安裝條件，適合在動車組污物箱裝置中使用。

2 光纖液位傳感器原理及選型

2.1 傳感器工作原理

光纖液位傳感器的結構框圖如圖1所示，由光源，輸入光纖，探頭，輸出光纖及光電探測器5部分組成。其中探頭作為傳感器的重要部分，是由光學棱鏡組成，與輸入光纖及輸出光纖相連。為保持光線由纖芯傳入探頭界面的直線傳播，取探頭部分材質的折射率與纖芯的折射率基本相同。

光纖液位傳感器的工作原理是基于光學全反射和折射原理，依據幾何學原理，光線由光密介質進入光疏介質中，折射角大于入射角，當入射角達到臨界角時，會產生全反射[2]。在液位檢查中，空氣和待檢液體相對光學棱鏡(傳感器探頭)來說為光疏介質，當光線由傳感器探頭入射到空氣或液體中時，會在棱鏡與其介面上形成全反射，但因空氣和液體兩者的折射率差異致使發生全反射的臨界角不同，由此造成入射光線線束中產生全反射的光線部分比例有所不同，通過檢測反射回的光強便可得到被測液體相關參數信息，最終完成檢測。

圖1 傳感器結構示意圖

2.2 傳感器探頭選型

為更好保證傳感器工作的可靠性及對工作環境的適應性，有必要對傳感器探頭進行選型，結合動車組檢修過程中暴露出的浮球液位傳感器上浮球被污物纏繞問題，選取了3種不同的傳感器探頭進行分析試驗，如圖2所示。

探頭1為傳統的直角圓錐形探頭，進行現場試驗，在某些特殊情況下(污物箱中意外混入棉、絲制品等難溶異物時)，該型圓錐形探頭依然存在有被異物掛搭或纏繞的現象。

探頭2采用橢圓形探頭，進行現場試驗，該型探頭在特殊情況下可有效避免被異物掛搭或纏繞，外形適應性較高。

探頭3是在探頭1的基礎上，對直角錐形進行了部分改進，對直角錐角進行了半徑為0.5 mm的倒圓處理，現場試驗發現，改進后的錐形探頭在特殊情況下亦可有效避免被異物掛搭或纏繞，外形適應型較探頭1高，滿足使用要求。

圖2 3種不同的傳感器探頭

為進一步驗證3種傳感器探頭的適應性，這里對采用不同探頭光纖傳感器的消光比進行對比。消光比作為指示光纖傳感器性能的重要指標，其數值直接反映了傳感器的靈敏度，消光比越大傳感器的靈敏度越高，傳感器的消光比Er

其中I1指的是探頭接觸到液位時的輸出光功率；I2指的是探頭未接觸液位時的輸出光功率，為確保數值的可參照性，固定輸入光纖與輸出光纖之間距離(4 mm)，分別采用光源為660 nm的發光二極管，型號為PPM-20的光電探測器對探頭進行檢測，試驗發現3種不同探頭形狀光纖傳感器消光比大小為：E1>E3>E2。由此可知，采用直角錐形探頭光纖傳感器具有最大消光比，改進型錐形探頭傳感器次之，橢圓形探頭傳感器最小。

綜上所述，結合動車組運用作業實際，在滿足基本靈敏度的前提下，考慮探頭外形的適用性需求，最終選取改進型錐形探頭(探頭2)作為本次光纖傳感器使用探頭。

2.3 光纖液位傳感器結構

光纖液位傳感器由光源、探頭、傳輸光纖及光信號解調電路等幾部分組成，其結構原理如圖(3)所示。傳輸光纖選用芯包比為62.5 μM/125 μM的標準階躍多模通信光纖；光源選用型號FLDM-915-10000T的激光器，該激光器可生成波長850 nm的光信號，滿足設定需求；光電探測器選用型號C30902B的雪崩光電二極管，其敏感波長為850 nm，與激光器匹配。

光源發出的光經過光纖和插入污物箱液體中的探頭后返回光電探測器，考慮雪崩二極管(光電探測器)的增益受溫度影響，后接溫度補償電路對光電二極管進行輸出補償。補償電路后接運算放大器對微弱電信號進行放大，放大器輸出接有源濾波電路，用來屏蔽直流信號中的夾雜交流及其他低頻干擾信號。

圖3 光纖液位傳感器結構原理圖

3 應用安裝

如CRH380A型動車組衛生系統結構圖(4)所示，將光纖液位傳感器安裝在污物箱槽內(圖中紅框內)，分別為污物箱80%和100%箱滿進行液位檢測指示，箱滿80%提醒需要進行箱體排空，箱滿100%用來阻止集便系統使用，鎖住便器[3]。當污物箱內液面低于下液位光纖傳感器高度或高于上液位光纖傳感器高度時，由光電探測器接收到的反射光強增加，根據光強變化就能檢測出液面位置，實現對污物箱內液位的動態檢測。

圖4 CRH380A型動車組衛生系統結構圖(1拖1衛)

4 試驗驗證

為驗證光纖液位傳感器用于降低CRH380A型動車組衛生系統故障率的有效性，以動車所配屬CRH380A型動車組為載體，采用現車方式進行試驗。

這里選用兩組CRH380A型動車組作為試驗車型，兩車組上線運行總時間、總走行里程接近，車組狀態相似，且為進一步提升試驗有效性，選用日均載客量、里程數接近的交路進行現車運行試驗。

在日均上線運行時間和里程相近前提下，匯總1～8月期間兩車衛生系統故障分析可知，未加裝光纖液位傳感器的動車組在試驗周期內發生故障總數為65件，其中污物箱誤報80%或者100%故障(代碼05、06)數為49件，占周期內衛生系統故障總數比例為75%；加裝了新型光纖液位傳感器的動車組在試驗周期內發生故障總數為19件，如圖5其中污物箱誤報80%或者100%故障(代碼05、06)數為3件，占周期內衛生系統故障總數比例為15%。縱向對比可知，加裝了新型液位傳感器后的動車組周期內衛生系統故障總數(19件)較之未加裝的動車組周期內衛生系統故障總數(65)大幅下降；橫向對比可知，加裝新型液位傳感器的動車組發生的因液位傳感器故障而造成的污物箱誤報80%或者100%故障比未加裝的動車組相應故障數減少了46件，故障發生數量下降明顯，滿足設計要求。

圖5 試驗車衛生系統故障橫向對比分布結構圖

5 設計改進

對加裝新型光纖液位傳感器的試驗車故障發生原因進行進一步分析可知。通過對污物箱中新型液位傳感器檢查發現，傳感器光纖敏感探頭處均有片狀紙巾等難溶于水物體覆蓋，致使傳感器持續激活，導致污物箱誤報出80%或者100%故障，雖液位傳感器中采用的探頭尖端部倒圓設計可顯著避免難溶異物纏繞覆蓋問題，但仍不能徹底杜絕紙巾等難溶物覆蓋問題。

針對上述問題，首先是對光纖液位傳感器敏感探頭形狀進行設計，優化端部探頭錐度，持續降低難溶異物掛覆風險；其次進一步優化污物箱濾網設計，縮小過濾網間隙，減少大塊難溶物誤入污物箱；最后規范動車組途中集便器使用加強宣傳，及時制止乘客亂投難溶物進入集便器的不當行為，從源頭杜絕隱患產生。

6 結束語

以光學全反射和折射原理為依據，結合對CRH- 380A型動車組檢修運用過程中出現的污物箱誤報故障進行分析，試驗了采用一種探頭倒圓設計的光纖液位傳感器應用于動車組集便裝置污物箱中進行液位檢測的可行性，光纖液位傳感器可設置在污物箱中進行實時檢測，測量精度不受溫度、箱內壓力等影響，較之傳統的浮球式傳感器具有外形適應性強、測量精度高，抗電磁干擾性好，結構簡單，維護方便等優點，為動車組集便裝置污物箱設備的檢測和維護提供了可靠手段，可有效降低集便裝置故障發生率，具有一定的現實意義。