THDS快速标定设备的研制

马 健，李建国，王 军，刘万超

（1 北京交通大学 交通运输学院； 2 北京铁路局 丰台车辆段，北京100070）

国内列车轴温检测主要采用红外线轴温探测设备（THDS），该系统在防止车辆燃、切轴方面发挥了十分重要的作用，是列车运行安全防范的重要措施，准确测温是准确预报热轴的基本保证。THDS设备工作在铁路轨道两旁，自然环境恶劣，红外线测温探头容易发生测温参数的漂移变化，必须定期使用红外线标定设备对轴温探测系统进行检验标定，确保系统准确测温。

随着列车的不断提速、列车布局密度增加，用于设备维修的天窗时间不断压缩，一般的设备检修天窗只有30～60min，这对红外线维修人员上线作业的时效性要求更加严格。常用的高精度黑体辐射源是由一个黑体辐射源及温度控制仪构成的。在标定过程中，需要对黑体辐射源的温度多次调节，才能完成对THDS的温度标定，是造成上线检修时间过长的主要原因。

THDS快速标定设备是在常用高精度黑体辐射源基础上研制的。设备是由3个高精度黑体辐射源和可同时控制3路温度的PID温度控制仪组成。现场操作过程中，操作人员可在检修开始时设定3个不同温度，在进行测温标定作业程序时一次性完成THDS的快速标定，省去了黑体辐射源调整温度所需等待时间，为天窗点内完成设备检修提供了有力支持。

1 设备的基本原理

THDS快速标定设备是由3个高精度黑体辐射源和PID温度控制仪组成。高精度黑体辐射源和PID温度控制技术的使用使得测量精度高，响应时间快，稳定可靠，操作简单。

1.1 高精度黑体辐射源

高精度黑体辐射源作为辐射测温仪器的校准装置，在铁路红外线标定中广泛地应用，不仅是标定铁路车辆红外测温仪的标准器，还迅速发展成辐射测温温区CIPM（国际计量委员会）关键比对用仪器，进而成为温标保存仪器。

黑体辐射源的研究分为两个方面：黑体结构设计和温度的均匀性。前者描述了辐射源整体偏离理想黑体辐射源的程度，后者决定了辐射源偏离理想黑体辐射谱的程度。为了实现对温度均匀性的控制，重点考虑黑体本身的材料，加热片的质量，风扇选型和黑体辐射源之间的隔热设计，以保证温度的均匀性。黑体辐射源的材料采用中国计量科学院认定的铝合金材料，该铝合金分子结构均匀，导热性能好，是理想的黑体辐射源材料。为了使黑体加热升温快、温度均匀性好，黑体加热块采用航空科技生产的片状电加热片，该电加热片加热电阻丝分布电阻均匀，无感性和容性干扰，加热片绝缘介质耐压（5kV）耐温（300℃）高，导热好。

1.2 PID温度控制技术

PID温度控制仪是根据PID原理及特点设计的。PID是工业生产中最常用的一种控制方式，适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。

PID控制的全称是比例积分微分，在工业上是一种控制算法。以下是PID控制原理的基本内容：

测量值（PV）：一个输入信号，测量显示被测的介质。

目标值（给定值SV）：一个设定的目标值，介质需要达到的目标。

输出值（MV）：一个输出信号，通过测量值和设定值直接的大小对比，代入程序内部公式算法，自动计算出一个输出百分比的信号，用于改变被测量的介质。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制 ：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

积分（I）控制 ：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制 ：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

自整定功能：通过仪表内部算法让仪表执行ON／OFF位式控制，经过2～3次振荡周期后仪表内部微处理器根据振荡，分析出周期、幅度及波形来自动算出P、I、D 3个控制参数，可以根据现场实际情况进行仪表自动调整PID参数，免去人工经验调整，达到最佳的控制效果。

2 快速标定设备的设计研制

2.1 设备的结构组成

THDS快速标定设备是基于红外线探测设备技术要求，在单面高精度黑体辐射源基本设计基础上研制的。相对单面高精度黑体辐射源，THDS快速标定设备的设计结构更符合实际需求。图1、图2是THDS快速标定设备的整体结构图。

图1 THDS快速标定设备内部整体结构图

图2 THDS快速标定设备外部整体结构图

（1）黑体固定底盘、机箱、固定架与框架

黑体固定底盘、机箱、固定架与框架都采用隔热断桥铝合金。整体机箱的体积为230mm×200mm×200 mm，与单面高精度黑体辐射源一致，保证了工人携带方便，并且设备完全符合红外线轴温探测设备检验标定的技术要求。

（2）电源插座、保险丝、电源开关

THDS快速标定设备的工作电压为AC 220V。为了保护设备正常工作，提高设备稳定性与耐用性，在电源插座底下安装了5A保险丝。电源开关是THDS快速标定设备电源总开关。

（3）风扇

风扇是THDS快速标定设备黑体辐射源降温的核心。安装在黑体固定底盘的后座上，采用轴流风扇。它的叶片推动空气与轴相同的方向流动。轴流风扇结构紧凑，流率较高，风压均匀。

（4）安装盒与隔热板

安装盒是黑体辐射源安装位置与黑体辐射源用隔热陶瓷隔开，安装盒的材料是增强型隔热断桥铝合金，通过增强尼龙隔条阻隔了铝的热传导。专门设计了新型隔热板，完全保证了黑体辐射源工作稳定性，提供精确的温度。

（5）黑体辐射源

黑体辐射源的质量较大，为了减小体积和质量，在设计THDS快速标定设备过程中，专门设计了一款小型黑体辐射源。黑体辐射源模块之间采用优质隔热板，设定不同温度时，3个黑体辐射源的升温、降温互不影响。

（6）控制面板

采用6组4位高亮LED数码管显示，同时显示三通道的实际温度和设定温度；通过面板的拨码开关，控制面板上的4个按键，可单独设置每个通道的内部参数。

2.2 PID温度控制仪设计

根据PID控制原理的基本内容，设计了三路PID温度控制仪，图3为PID温度控制仪设计基本原理图，图4为PID仪表接线原理图。

图3 PID仪表设计基本原理图

图4 PID仪表接线原理图

PID温度控制仪具有以下特点：

（1）采用数字校正及自校准技术，测量精确稳定，消除了温度漂移和湿度漂移引起的误差。

（2）采用先进的微机芯片及技术，表面贴装工艺，并采用多重保护和隔离设计，提高可靠性及抗干扰性能。

（3）采用多项国际先进技术，具备AC 100～240V宽范围输入的开关电源。

（4）先进的专家PID智能调节算法，控制精确稳定，无超调，具备高精度的自整定（AT）功能。

（5）具备WATCHDOG及数字滤波功能。在强干扰环境下也能保持精确的测量及稳定的工作。

（6）具有三路PID控制功能，每路具有独立的输入、输出、设置、显示，互不影响。

（7）输入信号默认为三线制PT100信号输入，0.2级测量精度，并可通过参数配置成各种热电偶、热电阻、电流、电压、电阻等信号。

（8）控制输出固定为单相可控硅触发输出，输出一个触发信号，控制外接的可控硅。从而控制电路，可触发5～500A的双相可控硅、2个单相可控硅反并联连接或可控硅功率模块。

2.3 快速标定设备的技术参数

（1）测量范围：环境温度 ～200℃；

（2）控制精度：30℃ ～95℃，误差 ≤±1℃；95℃ ～150℃，误差≤±2℃；

（3）发射率：0.95；

（4）电源供给：AC 220V／350W；

（5）测量窗口：100mm。

3 应用效果

在北京铁路局车辆系统各个动态车间，THDS快速标定设备的现场使用已有半年多的时间。通过现场对红外线探头的标定作业，实现了对红外线系统的快速标定，三个辐射源之间温度干扰小，温度调节响应时间短，数据准确可靠，稳定性好，LED显示屏清晰亮丽，强光下清晰可见，体积和总重都与常规黑体一致。

THDS快速标定设备设计研制后，能够在上线检修作业中大大缩短作业时间，为红外线轴温探测设备检修作业的顺利完成、减少人身安全隐患提供了有力帮助。

［1］铁道部运输局.车辆轴温智能探测系统设备检修维护管理规程［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

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［3］赵长波 陈 雷.红外线轴温探测系统的发展与思考［J］.铁道车辆，2009，（1）：28-30.

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