CN102628904B - 铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置 - Google Patents

铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置 Download PDF

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Abstract

一种铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，所述检测装置包括电流采样模块、放大模块、滤波模块、A/D转换模块、处理单元、通信单元和指示及报警单元，电流采样模块的初级端串接在被检测阻容器件A端与B端之间的任意段，输出端与放大模块连接，放大模块、滤波模块、A/D转换模块、处理单元和通信单元指示及报警单元依次连接。该装置电路结构简单、设计科学，可实时在线、隔离检测阻容器件中的电容容量，实现电容的在线测量和状态显示，检测及时、准确、效率高、精度高，抗干扰能力强，安全可靠，可保证设备的不间断连续运行，有利于提高铁路运输效率。同时极大地减少人工检测的工作量，降低检测技术人员的劳动强度，节约成本。

Description

铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置
技术领域
本发明涉及一种铁路信号设备上使用的阻容器件状态检测装置，尤其涉及一种铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置。
背景技术
铁路信号设备使用阻容器件对继电器的吸起或释放时间进行延时（参见附图4），以满足使用要求。当电容容量下降后，继电器的延时时间将变小，导致设备不能正常工作，影响信号设备的正常使用、降低行车效率。目前，对于铁路信号设备大量使用的阻容器件的电容的容量变化无法进行定性或定量的在线检测，为了保证信号设备的正常运用，只能采取人工检测或定期更换的方式。人工检测工作量大、效率低，定期更换一方面造成无谓的浪费，另一方面也会留下安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，能方便简单地在线隔离检测阻容器件中的电容的容量，从而克服已有技术所存在的上述不足。
本发明的技术方案是：一种铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，所述检测装置包括电流采样模块、放大模块、滤波模块、A/D转换模块、处理单元、通信单元和指示及报警单元，电流采样模块的初级端串接入被检测阻容器件电路A端与B端之间的X1或X2或X3段：即被检测阻容器件电路A端与电容C之间、或电容C与电阻R之间或电阻R与被检测阻容器件电路的B端之间，电流采样模块的输出端与放大模块连接，放大模块、滤波模块、A/D转换模块、处理单元依次连接，通信单元和指示及报警单元分别与处理单元连接；
电流采样模块的作用是将从被检测电路中采集的电流信号转换成电压输送给放大模块；
放大模块的的作用是将经电流采样模块转换的电压信号放大后输送给滤波模块；
滤波模块的作用是将经放大模块放大的电压信号进行滤波，然后输送给A/D转换模块；
A/D转换模块的作用是将经滤波模块滤波的电压信号转换为数字信号输送给处理单元；
处理单元的作用是将经A/D转换模块转换的电压信号进行处理、计算、转换成电容值、并将测量的电容值与标称电容值进行比较，然后将结果输送给通信单元和指示及报警单元；
通信单元的作用是将经处理单元处理、计算的结果通过通信装置的通信接口向外发送测量数据；
指示及报警单元的作用是将经处理单元处理、计算的结果直观显示或报警；
所述电流采样模块或包括一个霍尔电流传感器，或包括一个复合霍尔电流传感器，所述复合霍尔电流传感器包括第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器或复合霍尔电流传感器的初级端串接入被检测阻容器件电路中，所述霍尔电流传感器或霍尔电流传感器的输出端与放大模块连接从而将采样信号输送给放大模块。
其进一步的技术方案是：所述电流采样模块包括一个霍尔电流传感器，霍尔电流传感器的初级端串接入被检测阻容器件电路A端与B端之间的X1或X2或X3段，霍尔电流传感器的输出端与放大模块连接从而将采样信号输送给放大模块。
所述电流采样模块包括一个复合霍尔电流传感器，所述复合霍尔电流传感器之第一霍尔电流传感器初级端的异名端与第二霍尔电流传感器初级端的异名端连接，组成一个复合霍尔电流传感器，该复合霍尔电流传感器的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X1或X2或X3段，第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器的输出相位相反，分别与放大模块的差分输入端连接、从而将采样信号输送给放大模块。
所述电流采样模块包括一个复合霍尔电流传感器，所述复合霍尔电流传感器之第一霍尔电流传感器初级端的异名端与第二霍尔电流传感器初级端的同名端连接，组成一个复合霍尔电流传感器，该复合霍尔电流传感器的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X1或X2或X3段，第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器的输出相位相同，串联连接后与放大模块的输入端连接、从而将采样信号输送给放大模块。
所述霍尔电流传感器、第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器采用ACS712芯片，所述处理单元采用单片机。
所述通信单元包括发送数据的通信装置和通信接口。
所述指示及报警单元包括显示模块和报警模块，显示模块的显示部件采用指示灯或数码管或其他字符或图形显示器件；所述报警模块采用声音报警和开关量报警输出。
由于采取上述技术方案，本发明之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置具有以下有益效果：
1、由于本发明之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置由电流采样模块、放大模块、滤波模块、A/D转换模块、处理单元、指示及报警单元和或通信单元，电流采样模块的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X1或X2或X3段，可实时测量阻容器件中电容的容量，实现电容的在线测量和状态显示，并能及时将电容的容量变小（劣化）通知设备维护人员，检测及时、准确、效率高，可大大减少人工检测的工作量，降低检测技术人员的劳动强度，节约成本。
2．由于本发明之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置之电流采样模块与被检测电路电气隔离，既能实现对被检测电路阻容器件中的电容容量的在线隔离检测，又不影响被检测电路的正常使用，保证设备的不间断连续运行，有利于提高铁路运输效率。
3．本发明之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置之电流采样模块采用二个霍尔电流传感器组成复合霍尔电流传感器的目的，是通过二个电流传感器不同的电流输入方式（一个同名端输入，异名端输出，另一个异名端输入，同名端输出），二个霍尔电流传感器的输出相位相反，形成差分采样，其优点是减少温度和外部干扰造成的测量误差，提高检测的精度（实施例二）。
4．本发明之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置之电流采样模块采用二个霍尔电流传感器组成复合霍尔电流传感器的目的，是通过二个霍尔电流传感器相同的电流输入方式（一个同名端输入，异名端输出，另一个同名端输入，异名端输出），二个霍尔电流传感器的输出相位相同，将两个霍尔电流传感器输出端串联后与放大模块连接，可提高电容容量较小时的测量灵敏度和精度（实施例三）。
5、本发明之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置电路结构简单、设计科学、安全、可靠。
下面结合附图和实施例对本发明之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：本发明实施例一之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置电路框图；
图2：本发明实施例二之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置电路框图；
图3：本发明实施例三之铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置电路框图；
图4：铁路信号设备阻容器件使用状态图。
图中：
C－电容，R－电阻，J－继电器，T－霍尔电流传感器，T1－第一霍尔电流传感器，T2－第二霍尔电流传感器，101－电流采样模块，102－放大模块，103－滤波模块，104－A/D转换模块，105－处理单元，106－通信单元，107－指示及报警单元。 
具体实施方式
实施例一
一种铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，其特征在于：所述检测装置包括电流采样模块101、放大模块102、滤波模块103、A/D转换模块104、处理单元105、通信单元106和指示及报警单元107，电流采样模块的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X2段，输出端与放大模块102连接，放大模块102、滤波模块103、A/D转换模块104、处理单元105依次连接（即放大模块102与滤波模块103连接，滤波模块103与A/D转换模块104连接、A/D转换模块104与处理单元105连接），通信单元106和指示及报警单元107分别与处理单元105连接；
电流采样模块101的作用是将从被检测电路中采集的电流信号转换成电压输送给放大模块102；
放大模块102的的作用是将经电流采样模块转换的电压信号放大后输送给滤波模块103；
滤波模块103的作用是将经放大模块放大的电压信号进行滤波，然后输送给A/D转换模块104；
A/D转换模块104的作用是将经滤波模块滤波的电压信号转换为数字信号输送给处理单元105；
处理单元105的作用是将经A/D转换模块转换的电压信号进行处理、计算、转换成电容值、并将测量的电容值与标称电容值进行比较，然后将结果输送给通信单元106和指示及报警单元107；
通信单元106的作用是将经处理单元处理、计算的结果通过通信装置的通信接口向外发送测量数据；
指示及报警单元107的作用是将经处理单元处理、计算的结果直观显示或报警。
所述电流采样模块包括一个霍尔电流传感器T，霍尔电流传感器T的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X2段，霍尔电流传感器T的输出端与放大模块102连接从而将采样信号输送给放大模块（参见附图1）。
所述霍尔电流传感器采用ACS712芯片，所述处理单元采用单片机。
所述通信单元包括发送数据的通信装置和通信接口。
所述指示及报警单元包括显示模块和报警模块，显示模块的显示部件采用指示灯或数码管或其他字符或图形显示器件；所述报警模块采用声音报警和开关量报警输出。
实施例二
一种铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，其基本结构与实施例一相同，包括电流采样模块101、放大模块102、滤波模块103、A/D转换模块104、处理单元105、通信单元106和指示及报警单元107，电流采样模块的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X2段，电流采样模块的输出端与放大模块102连接，放大模块102、滤波模块103、A/D转换模块104、处理单元105依次连接（即放大模块102与滤波模块103连接，滤波模块103与A/D转换模块104连接、A/D转换模块104与处理单元105连接），通信单元106和指示及报警单元107分别与处理单元105连接；
电流采样模块的作用是将从被检测电路中采集的电流信号转换成电压输送给放大模块；
放大模块的的作用是将经电流采样模块转换的电压信号放大后输送给滤波模块；
滤波模块的作用是将经放大模块放大的电压信号进行滤波，然后输送给A/D转换模块；
A/D转换模块的作用是将经滤波模块滤波的电压信号转换为数字信号输送给处理单元；
处理单元的作用是将经A/D转换模块转换的电压信号进行处理、计算、转换成电容值、并将测量的电容值与标称电容值进行比较，然后将结果输送给通信单元和指示及报警单元；
通信单元的作用是将经处理单元处理、计算的结果通过通信装置的通信接口向外发送测量数据；
指示及报警单元的作用是将经处理单元处理、计算的结果直观显示或报警。
所述处理单元采用单片机。
所述通信单元包括发送数据的通信装置和通信接口。
所述指示及报警单元包括显示模块和报警模块，显示模块的显示部件采用指示灯或数码管或其他字符或图形显示器件；所述报警模块采用声音报警和开关量报警输出。
所不同的是：所述电流采样模块包括第一霍尔电流传感器T1和第二霍尔电流传感器T2，第一霍尔电流传感器T1初级端的异名端与第二霍尔电流传感器T2初级端的异名端连接，组成一个复合霍尔电流传感器，该复合霍尔电流传感器的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X2段，第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器的输出相位相反，分别与放大模块的差分输入端连接、从而将采样信号输送给放大模块（参见附图2）。
所述第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器采用ACS712芯片，采用二个霍尔电流传感器的目的，是通过二个电流传感器不同的电流输入方式（一个同名端输入，异名端输出，另一个异名端输入，同名端输出），形成差分采样，其优点是减少温度和外部干扰造成的测量误差。
实施例三
一种铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，其基本结构与实施例一相同，包括电流采样模块101、放大模块102、滤波模块103、A/D转换模块104、处理单元105、通信单元106和指示及报警单元107，电流采样模块的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X2段，电流采样模块的输出端与放大模块102连接，放大模块102、滤波模块103、A/D转换模块104、处理单元105依次连接（即放大模块102与滤波模块103连接，滤波模块103与A/D转换模块104连接、A/D转换模块104与处理单元105连接），通信单元106和指示及报警单元107分别与处理单元105连接；
电流采样模块的作用是将从被检测电路中采集的电流信号转换成电压输送给放大模块；
放大模块的的作用是将经电流采样模块转换的电压信号放大后输送给滤波模块；
滤波模块的作用是将经放大模块放大的电压信号进行滤波，然后输送给A/D转换模块；
A/D转换模块的作用是将经滤波模块滤波的电压信号转换为数字信号输送给处理单元；
处理单元的作用是将经A/D转换模块转换的电压信号进行处理、计算、转换成电容值、并将测量的电容值与标称电容值进行比较，然后将结果输送给通信单元和指示及报警单元；
通信单元的作用是将经处理单元处理、计算的结果通过通信装置的通信接口向外发送测量数据；
指示及报警单元的作用是将经处理单元处理、计算的结果直观显示或报警。
所述处理单元采用单片机。
所述通信单元包括发送数据的通信装置和通信接口。
所述指示及报警单元包括显示模块和报警模块，显示模块的显示部件采用指示灯或数码管或其他字符或图形显示器件；所述报警模块采用声音报警和开关量报警输出。
所不同的是：所述电流采样模块包括第一霍尔电流传感器T1和第二霍尔电流传感器T2，第一霍尔电流传感器T1初级端的异名端与第二霍尔电流传感器T2初级端的同名端连接，组成一个复合霍尔电流传感器，该复合霍尔电流传感器的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X2段，第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器的输出相位相同，串联连接后与放大模块的输入端连接、从而将采样信号输送给放大模块。
所述第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器采用ACS712芯片。
由于电容容量越小，充电电流越小，采用二个霍尔电流传感器，将二个霍尔电流传感器输出端串联连接后与放大模块连接，可提高电容容量较小时的测量灵敏度和精度。
作为上述实施例一~实施例三的变换：
1．所述电流采样模块的初级端也可串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X1或X3段；
2．当采用的单片机本身带有A/D功能时，A/D转换模块104可省略。
工作原理：
铁路信号设备阻容器件使用状态如附图4：RC阻容电路并接于继电器的线圈上，合上开关K时，使继电器吸起，同时对电容C进行充电；当开关K断开后，通过电容C对继电器进行放电，达到使继电器延时落下目的。
本发明通过霍尔电流传感器将检测阻容器件在电容充电时电流转换成电压后，经过放大、滤波后，进行A/D转换，送入处理单元进行处理。当电流从最大值降至最大值的0.368倍时，期间所用的时间为阻容器件的充放电常数，从而计算出当前阻容器件中电容的容量，当电容的容量降至一定值（如标称电容的80%）时，通过指示及报警单元提供电容劣化的声、光指示，提示设备维护人员，实现被检测电路电容容量的在线测量和劣化状态显示。其测量计算依据如下：
电容充放电公式：I=(E/R)×e-t/(R*C)，其中：E为电源电压，R为电容内阻和与之串联的电阻总和，t为充电时间，R×C为时间常数τ、即τ＝R×C。
阻容电路充放电时间常数τ的含义是：在充电时，每过一个τ的时间，电容器上电压就上升（1-1/e）（约等于0.632）倍的电源电压与电容器电压之差，放电时反之。
设电源电压为V0，未充电前电容上的电压为0。当开关K合上后，此时电容相当于短路，电阻上的电压为电源电压V0，充电瞬间流经电阻的电流为IX＝V0/R，经过第一个τ的时间时，电容C上的电压为（1-1/e）×V0≈0.632V0，此时R上的电压VR为V0－（1-1/e）×V0＝1/e×V0＝V0/e≈0.368V0，流过电阻的电流为（V0/e）/R≈0.368V0/R≈0.368IX。
在电容充电过程中，通过测量流经阻容电路上的电流的最大值IX与0.368IX间的时间，该时间即为串联阻容电路的充电常数τ，通过C＝τ/R就可以计算出电容容量。
测量过程：
由于电阻阻值在使用过程中的变化非常小，在测量计算时按常量处理。当开始对电容进行充电后，高速、连续测量RC电路中的电流，并将每次测量结果和时间标尺进行保存，充电过程结束后，对该次充电过程的测量结果进行处理，计算出电流最大值时的时间标尺及从最大值降至最大值的0.368倍时的时间标尺，其差值即为该阻容电路的时间常数τ，通过C =τ/R计算出电容值。通过将测量的电容值与标称电容值进行比较，就可知道电容容量的变化情况，即：电容劣化情况。并根据电容容量下降的值，通过指示及报警单元指示，或通过通信装置向设备维护人员发送测量数据。

Claims (6)

1.一种铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，所述检测装置包括电流采样模块（101）、放大模块（102）、滤波模块（103）、A/D转换模块（104）、处理单元（105）、通信单元（106）和指示及报警单元（107），电流采样模块的初级端串接入被检测阻容器件电路A端与B端之间的X1或X2或X3段：即被检测阻容器件电路A端与电容C之间、或电容C与电阻R之间或电阻R与被检测阻容器件电路的B端之间，电流采样模块（101）的输出端与放大模块（102）连接，放大模块（102）、滤波模块（103）、A/D转换模块（104）、处理单元（105）依次连接，通信单元（106）和指示及报警单元（107）分别与处理单元（105）连接；
电流采样模块的作用是将从被检测电路中采集的电流信号转换成电压输送给放大模块；
放大模块的的作用是将经电流采样模块转换的电压信号放大后输送给滤波模块；
滤波模块的作用是将经放大模块放大的电压信号进行滤波，然后输送给A/D转换模块；
A/D转换模块的作用是将经滤波模块滤波的电压信号转换为数字信号输送给处理单元；
处理单元的作用是将经A/D转换模块转换的电压信号进行处理、计算、转换成电容值、并将测量的电容值与标称电容值进行比较，然后将结果输送给通信单元和指示及报警单元；
通信单元的作用是将经处理单元处理、计算的结果通过通信装置的通信接口向外发送测量数据；
指示及报警单元的作用是将经处理单元处理、计算的结果直观显示或报警；
其特征在于：所述电流采样模块包括一个霍尔电流传感器，或包括一个复合霍尔电流传感器，所述复合霍尔电流传感器包括第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器或复合霍尔电流传感器的初级端串接入被检测阻容器件电路中，所述霍尔电流传感器或复合霍尔电流传感器的输出端与放大模块连接从而将采样信号输送给放大模块。
2.根据权利要求1所述的铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，其特征在于：所述电流采样模块（101）包括一个复合霍尔电流传感器，所述复合霍尔电流传感器之第一霍尔电流传感器（T1）初级端的异名端与第二霍尔电流传感器（T2）初级端的异名端连接，组成一个复合霍尔电流传感器，该复合霍尔电流传感器的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X1或X2或X3段，第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器的输出相位相反，分别与放大模块（102）的差分输入端连接、从而将采样信号输送给放大模块。
3.根据权利要求1所述的铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，其特征在于：所述电流采样模块（101）包括一个复合霍尔电流传感器，所述复合霍尔电流传感器之第一霍尔电流传感器（T1）初级端的异名端与第二霍尔电流传感器（T2）初级端的同名端连接，组成一个复合霍尔电流传感器，该复合霍尔电流传感器的初级端串接入被检测阻容器件A端与B端之间的X1或X2或X3段，第一霍尔电流传感器和第二霍尔电流传感器的输出相位相同，串联连接后与放大模块的输入端连接、从而将采样信号输送给放大模块。
4.根据权利要求1所述的铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，其特征在于：所述霍尔电流传感器（T）、第一霍尔电流传感器（T1）和第二霍尔电流传感器（T2）采用ACS712芯片，所述处理单元（105）采用单片机。
5.根据权利要求4所述的铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，其特征在于：所述通信单元（106）包括发送数据的通信装置和通信接口。
6.根据权利要求5所述的铁路信号设备阻容器件的电容劣化检测装置，其特征在于：所述指示及报警单元（107）包括显示模块和报警模块，显示模块的显示部件采用指示灯或数码管或其他字符或图形显示器件；所述报警模块采用声音报警和开关量报警输出。
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