新型智能鋼軌測溫計的研究與應用

朱 戩 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 引言

現如今，鐵路已經成為國內最為重要的交通工具，隨著鐵路線路不斷增加，列車速度日益提升，人們的出行得到極為有效的便捷，火車儼然已成為最最基本出行方式。但對于我國龐大的人口基數，對鐵路運輸行業有著非常嚴厲的考驗。高速行駛的列車在鐵軌上不間斷的行駛，勢必會對鋼軌產生不小的磨損，外加在風吹日曬的條件下，鋼軌會產生生銹的現象。綜上所述，鋼軌不可能長時間的使用，對于磨損嚴重的或者在工藝指標上無法滿足使用條件的情況下，就應該更換新的鐵軌，不然會對列車運行安全有著重大的隱患。在實際現場中，不難發現，鐵軌與鐵軌之間會存在一定的縫隙，這是考慮到在不同季節，不同溫度下，鋼鐵會產生熱脹冷縮的現場。所以在實際安裝鐵軌時，就應該對軌溫有著嚴格的把控，留出適當的間隙，不然就會出現漲軌縮軌的現象。

2 概述

鋼軌測溫計時滿足鐵路工務部門現場作業施工中測量溫度的專用儀表。通常可以分為雙金屬式和數字式兩種。工務部門最早都是使用雙金屬式鋼軌測溫計，這類設備都是利用兩種不同膨脹系數的金屬片A 與B，焊接在一起固定。通過溫度的變化，利用金屬片的彎曲的角度與溫度變化為線性關系這個原理，從而測出溫度。雖然這種軌溫計結構簡單，造價比較低，但是測溫時間比較長，測溫精度比較低。在實際檢定此類軌溫計時，穩定性能非常差，示值誤差十分容易超差，有時前后兩次讀數相差會有5 ℃之多。

還有一種時數字式鋼軌測溫計，時利用溫度傳感器，將被測物體的溫度轉換成微電流信號，經過轉換、放大直接顯示出被測溫度值。對比雙金屬軌溫計，具有響應時間快，測溫精度大大提高。工務部門所使用的雙金屬軌溫計基本上都被數字式軌溫計所取代。盡管如此，在工務部門多年使用下，還是有許多問題顯現出來。例如，當數字式軌溫計使用年份超過3年后，主板與元器件老化，會容易出現示值誤差超差的現象。電池的是使用壽命也會隨著時間增長，性能大幅降低。溫度傳感器前端的測溫器件，使用中容易銹蝕，老化甚至的損壞的現象。由于有時換軌工作在夜間進行，讀數上也會有不方便的影響。就針對上述諸多問題分析，已研究出新一代SRT-A型智能軌溫計，從而達到更加優化的目的。

3 研發

SRT-A 型智能軌溫計與原有的雙金屬機械式和數字式軌溫計相比SRT-A 型智能軌溫計采用目前比較先進的傳感器技術和微電子技術，取代了原來的模擬傳感器和模擬控制電路并由此帶來的測溫誤差較大且誤差修正困難的問題，另一方面原有的軌溫計功耗大、功能單一、采用的器件和工藝沒有考慮使用的需要。因此在進行方案設計時著重從產品的結構、功能設置、性能優化、外觀等方面進行細化和完善，提高產品的質量和可靠性，增加功能，降低功耗，方便用戶操作。

目前SRT-A 型智能軌溫計從工作原理上改變了原有軌溫計的測溫方法，它采用寬電壓數字溫度傳感器作為傳感元件，采用帶A/D 轉換的51 系列單片機，以滿足3.7 V 通用鋰電池的使用需要,選用小電流元器件以降低功耗；使用C 語言編程使程序邏輯性強，調整快速；測溫度傳感器吸附磁鋼形狀由原有的圓柱型改為圓環型，均衡了測溫度傳感器與鋼軌或檢定恒溫爐的吸引力，提高了吸附能力，使溫度顯示更穩定和可靠；全部器件采用貼片焊接，取代了分離式焊接，從工藝上保證產品牢固、不易損壞；增加了軌溫計與微機數據交換通訊串口，使軌溫計檢定后對誤差的修正操作更方便和更精確，誤差修正精度可達0.1 ℃；電池也將原來的6 V 干電池改換為3.7 V 的可充放型鋰電池（同時配備專用充電器），使之更省電，一次充電后的連續使用時間延長至70 h，這也解決了以前使用一次性電池需頻繁更換的不便。側面有專用的電池充電孔，和現如今使用的手機一樣，可隨時進行充電，即插即拔，使用起來十分方便。

目前SRT-A 型智能軌溫計的各項性能指標都優于原有的軌溫測量儀器。

4 檢修工藝

對于數字式軌溫計而言，讀數上是十分方便直觀，但是探頭和屏幕的用數據傳感線所連接的，使用中傳感器出現老化、磨損、損壞的現場，都會造成顯示異常。還有對于屏幕損壞的設備，也沒有辦法繼續使用，同樣在檢定下，對于出現示值誤差超差的設備，都無法繼續使用。一個零部件的損壞，就使整體都按報廢處理，很大程度上浪費了過多的材料。對于SRT-A 型智能軌溫計能夠進行零部件的替換，在很大程度上解決了此問題。在設備程序上著重考慮到檢定調試的問題，對原來設備程序采用匯編語言編寫，邏輯功能差，調整困難的基礎上加以改進，基本解決了軌溫計超差的問題。

5 測量方法及工作原理

SRT-A 型智能軌溫計采用DS18B20 單總線數字溫度傳感器對溫度進行高速采樣，用51系列的單片機及其外圍電路完成對傳感器的控制，以及溫度數據的顯示和誤差處理。

5.1 系統框圖

系統框圖見圖1。

圖1 智能軌溫計系統框圖

5.2 硬件電路

5.2.1 STC51系列單片機

通常選取單片機的原則有兩條：集成度高和性價比高。在考慮了眾多類型的單片機后，選擇了51 系列中的STC12L56 單片機。它包含256 字節的常規RAM，以及512 字節的可擴展RAM，具有高速、寬電壓（5.5 V～3.5 V）、超低功耗的優點，芯片內置EEPROM 功能，采用SOP 封裝，而且在系統可編程，無需編程器和仿真器。

5.2.2 DS18B20單總線數字溫度傳感器

美國DALLAS公司生產的18B20單總線數字溫度傳感器測量溫度范圍為-55 ℃～125 ℃，在-10 ℃～85 ℃范圍內，測量精度為±0.5 ℃。它可編程為9 位～12 位A/D 轉換精度，測溫分辨力可達0.0625 ℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量串行方式輸出；其工作電源即在遠端引入。其引腳圖見圖2。

圖2 DS18B20傳感器

DS18B20與單片機的接口電路如圖3所示，DQ 為數字信號輸入／輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。

圖3 DS18B20與微處理器的連接圖

5.2.3 OLED液晶顯示模塊

OLED 顯示技術與傳統的LCD 顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板(或柔性有機基板)，當有電流通過時，這些有機材料就會發光。而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄，可視角度更大，并且能夠顯著的節省耗電量。相比傳統的LCD 技術，OLED 顯示技術具有明顯的優勢，OLED 屏幕厚度可以控制在1 mm 以內，而LCD屏幕厚度通常在3 mm 左右，并且重量更加輕盈。OLED 屏幕的液態結構可以保證屏幕的抗衰性能，并且具有LCD 不具備的廣視角，可以實現超大范圍內觀看同一塊屏幕，畫面不會失真。反應速度是LCD屏幕的千分之一。并且OLED屏幕耐低溫，可以在-40 ℃環境下正常顯示內容，發光效率更高、能耗低、生態環保。

6 結束語

新一代鋼軌測溫計的設計從一開始研發、測試、完善到目前技術工藝都趨于成熟。工務部門現已經在廣泛凡使用SRT-A 型鋼軌測溫計，就多年使用的情況以及反饋來看，此設備完全滿足工務部門的需求，測溫精度高，攜帶方便等多個優點，使得在對鋼軌溫度測量上得到更為準確的數據，對鐵路運輸安全的保障有了提升。另外呼和浩特局也在使用這一代軌溫計，在極端低溫條件下性能依舊穩定，反饋良好。鋼軌測溫計作為計量設備，對每年檢定的數據進行分析，能夠得到，除了人為因素損壞外，5年以內的設備計量檢定的合格率高達99%，足以證明，設備擁有非常高的穩定性及耐用性。

SRT-A 型鋼軌測溫計在設計上還是存在不足，例如在傳感器連接線與前端測溫原件的連接處存在破裂的風險，在日后的設計上應考慮到這個問題并加以改善。