CN108955917A - 一种钢轨温度测量设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨温度测量设备及系统，设备包括：设置于钢轨上的多个温度传感器；温度采集设备，通过有线方式与所述温度传感器连接，所述的温度采集设备包括：与温度传感器数量相等且对应连接的信号调理电路；与信号调理电路数量相等且对应连接的滤波放大电路；与滤波放大电路的输出端连接的通道选择器；与通道选择器的输出端连接的A/D转换器；与A/D转换器连接的处理器；与处理器连接的通信模块。本发明提供一种可持续多通道实时测量钢轨温度的设备，并实时通过以太网将温度数据反馈给客户端；能够灵活设置温度预警和报警区域，给铁路相关人员发出警示；能够大数据管理温度数据，为铁路钢轨健康监测管理提供支持。

Description

一种钢轨温度测量设备及系统

技术领域

本发明涉及一种钢轨温度测量设备及系统。

背景技术

高铁无缝线路钢轨在受到较大温度力变化时可能给高铁行车带来安全隐患，因此有必要对高铁钢轨的温度进行实时监测。现有设备无法实时、多通道采集钢轨温度数据，无法对钢轨温度实时预警和报警，无法对钢轨温度健康进行管理和分析。

另外，铁路环境情况复杂，无线传输方案受到安装、无线传输、供电、安全保障等诸多因素限制，隔离型有线连接成首选。然而，在上述采用通常传感器与采集设备分离的架构时，由于安装时传感器引线的长短粗细这是现场施工决定的，而引线的长短粗细所带来的电阻不一致，这就造成温度测量精度的降低。较长的传感器引线和接触阻抗会给测量带来较大的误差，同时较长引线也会让环境干扰越发显著。具体地，引线的电阻会直接导致测量温度的整体偏移，由于引线电阻的阻值不确定，所以测量温度的整体偏移也就不确定，结果就是测量精度降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种钢轨温度测量设备及系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种钢轨温度测量设备，包括：

设置于钢轨上的多个温度传感器；

温度采集设备，通过有线方式与所述温度传感器连接，所述的温度采集设备包括：

与温度传感器数量相等且对应连接的信号调理电路，用于对温度传感器采集到的温度信号进行调理，降低传感器引线对测量的影响；

与信号调理电路数量相等且对应连接的滤波放大电路，用于滤除交流干扰信号并对共模干扰信号进行有效抑制，同时实现小信号放大；

与滤波放大电路的输出端连接的通道选择器，用于实现多路温度数据的切换选择与数据传输；

与通道选择器的输出端连接的A/D转换器，用于实现温度数据的模数转换；

与A/D转换器连接的处理器，用于将采集到的温度数据与打上时间戳信息和位置信息；

与处理器连接的通信模块，用于上传处理器处理完成的数据。

进一步地，所述的温度传感器采用磁力表贴的方式，和钢轨电气隔离，防止和钢轨信号相互干扰；同时温度传感器外采用夹具底部固定安装，传感器和钢轨间采用凡士林粘合，保证传感器有效贴合。

进一步地，所述的温度传感器为三输出热电阻R；所述的信号调理电路包括三线制电桥电路，所述的三线制电桥电路包括环形连接的电阻R1、R2、R3和R4，其中R1与R2的公共连接点连接参考电源E，R3与R4的公共连接点接地；其中，R₂＝R₃，并且当三线制电桥电路平衡时，(R₁+r₁+r₂)·R₃＝(R₄+r₂+r₃+R)·R₂；三输出热电阻R的A端通过r1与R1连接，三输出热电阻R的A端还通过r2与滤波放大电路的正输入端连接，三输出热电阻R的B端通过r3与R4连接；R2与R3的公共连接点还与滤波放大电路的负输入端连接。

进一步地，所述的滤波放大电路包括：

运算放大电路，包括正输入端、负输入端和输出端，正输入端与r2连接，负输入端分别与R2与R3连接，输出端与通道选择器连接；

共模信号抑制电路，用于对输入的共模信号产生滤波抑制作用；所述的共模信号抑制电路包括连接于运算放大电路的正输入端和负输入端之间的电容C1；

分别设置于运算放大电路的正输入端的第一低通滤波电路、以及设置于运算放大电路的负输入端的第二低通滤波电路；所述的第一低通滤波电路包括R5、C2和C4，其中R5的一端与r2连接，R5的另外一端分别与运算放大电路的正输入端、C2的一端、C4的一端连接，C2的另外一端和C4的另外一端接地；所述的第二低通滤波电路包括R6、C3、C5，其中R6的一端分别与R2和R3连接，R6的另外一端分别与运算放大电路的负输入端、C3的一端、C5的一端连接，C3的另外一端和C5的另外一端接地。

进一步地，所述的温度采集设备还包括：

复位管理模块，与处理器连接，用于系统软件复位管理、硬件看门狗复位管理和低电压复位管理，其中包括对温度采集设备的IP地址系列参数进行复位处理；另外设置有系统按键复位，对整个系统所有参数复位到出厂设置状态。

进一步地，所述的温度采集设备还包括：

电源管理模块，与处理器连接，采用开关电源，降低系统功耗，保证同外部电源的隔离度；能有效地为各模块提供低纹波的电压，还能对系统电源进行监控，在低电压时关闭系统，直到系统电压恢复稳定，防止对温度采集设备造成损坏，以及在低电压时将不可靠的温度数据上报。

进一步地，所述的通信模块包括：

网口通信模块，数据和操作指令传输通道；采用100兆以太网通信，温度采集设备采用服务端模式，服务器需要时主动同温度采集设备建立连接，防止采集设备频繁发起连接造成连接风暴。

进一步地，所述的通信模块还包括：

串口通信模块，采用232电平，用于本地网口参数配置、系统参数配置、传感器标定参数配置，并提供系统日志，为系统调试和监控提供信息。

本发明还提供一种钢轨温度测量系统，包括：

所述的钢轨温度测量设备；

服务器，用于获取钢轨温度测量设备上传的数据，并将数据按照站、段、组的方式存储到数据库；

客户端，与服务器连接，用于实时显示钢轨各点温度数据，异常情况下给出相应提示。

进一步地，所述的客户端包括：

数据发布模块：用于发布报表，横向显示各点钢轨数据和纵向单点钢轨历史数据；还根据使用需求对站内温度采集设备进行参数设置，并能够从服务器调取各点钢轨温度历史数据，绘制曲线图，对钢轨温度健康进行监测分析；

数据配置模块，配置温度采集设备网络参数、配置系统参数，并灵活设置预警和报警门限，温度数据超过对应门限则发出对应提示和报警；

数据通知模块，选配无线通信模块，将重要数据以短信方式发给相关工作人员。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供一种可持续多通道实时测量钢轨温度的设备，并实时通过以太网将温度数据反馈给客户端；能够灵活设置温度预警和报警区域，给铁路相关人员发出警示；能够大数据管理温度数据，为铁路钢轨健康监测管理提供支持。

(2)温度传感器采用磁力表贴传感器，并采用夹具固定到钢轨底座上，保证传感器的有效贴合，且能防止传感器脱落给铁路行车带来的危害。传感器与铁路系统电气隔离，保证不会对铁路系统造成电气干扰。

(3)卧式电桥电路配上传感器的三线制连接方式，不需要测量传感器引线和接触电阻的值，在特定的电路参数情况下，可以极大地降低引线和接触电阻带来的测量误差，提升采集电路的精度、稳定性和抗干扰能力，也简化了现场安装流程。并且配合参数选取方法中的特定电路参数表现会更好，无需使用外围的补偿电阻(需要根据现场的安装需求进行调节)进行补偿从而消除传感器引线电阻的影响。

(4)多点钢轨温度实时监测，温度数据实时上传，客户端实时监控，且能灵活设置个点温度预警和报警阈值，为钢轨温度诊断提供依据。服务器温度大数据管理，为钢轨安全健康管理提供有效依据。

附图说明

图1为钢轨温度测量设备连接示意图；

图2为温度采集设备连接示意图；

图3为温度传感器、信号调节电路和滤波放大电路优选方式示意图；

图4为卧式电桥示意图；

图5为钢轨温度测量系统连接示意图；

图中，101-钢轨，102-温度传感器，103-温度采集设备，104-服务器，105-客户端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种钢轨101温度测量设备，该测量设备设置于铁路钢轨101即旁侧位置处，解决现有设备无法实时、多通道采集钢轨101温度数据的问题。如图1所示，一种钢轨101温度测量设备包括：

设置于钢轨101上的多个温度传感器102；

其中，在本实施例中，所述的温度传感器102采用磁力表贴的方式，和钢轨101电气隔离，防止和钢轨101信号相互干扰；同时温度传感器102外采用夹具底部固定安装，传感器和钢轨101间采用凡士林粘合，保证传感器有效贴合，防止因钢轨101和温度传感器102之间的摩擦力对传感器性能的影响，同时能起到防止贴合处生锈的作用，防止温度传感器102脱落对铁路行车造成的危害。

温度传感器102接口采用3.5mm间距4芯带锁连接器，保证其连接的可靠性；3根信号线和1根屏蔽线，屏蔽外界信号的影响，提升抗干扰的能力。

温度采集设备103，通过有线方式与所述温度传感器102连接。

其中，在本实施例中，温度传感器102和温度采集设备103之间采用线径完全一致的三芯屏蔽导线，提升抗干扰性能，同时又能保证线缆的抗拉伸度。

具体地，如图2所示，所述的温度采集设备103包括：

与温度传感器102数量相等且对应连接的信号调理电路，用于对温度传感器102采集到的温度信号进行调理，降低传感器引线对测量的影响；

与信号调理电路数量相等且对应连接的滤波放大电路，用于滤除交流干扰信号并对共模干扰信号进行有效抑制，同时实现小信号放大；

与滤波放大电路的输出端连接的通道选择器，用于实现多路温度数据的切换选择与数据传输；

与通道选择器的输出端连接的A/D转换器，用于实现温度数据的模数转换；

与A/D转换器连接的处理器，用于将采集到的温度数据与打上时间戳信息和位置信息；

与处理器连接的通信模块，用于上传处理器处理完成的数据。

其中，温度采集设备103实时采集各个传感器点温度数据，进行处理转换后带上时间戳信息和温度采集设备103所在位置信息，将数据通过通信模块发送到外部(例如后续内容叙述的服务器104)。

采用实时时钟可以保证每组温度传感器102采集的温度数据的时效性，便于温度数据的存储和管理。

由于温度为慢变化信号，对采样速度无太高要求，因此，采用通道选择器+A/D转换器电路，在保证信号有效采集的情况下大大的降级了对处理器性能的要求，简化系统结构，降低了成本。

更优地，在本实施例中，如图2所示，所述的温度采集设备103还包括：

复位管理模块，与处理器连接，用于系统软件复位管理、硬件看门狗复位管理和低电压复位管理，其中包括对温度采集设备103的IP地址系列参数进行复位处理，提升在实际安装操作中的灵活性，防止网络参数配置错误导致连接不上的情况；另外设置有系统按键复位，对整个系统所有参数复位到出厂设置状态。

更优地，在本实施例中，如图2所示，所述的温度采集设备103还包括：

电源管理模块，与处理器连接，采用开关电源，降低系统功耗，保证同外部电源的隔离度；能有效地为各模块提供低纹波的电压，还能对系统电源进行监控，在低电压时关闭系统，直到系统电压恢复稳定，防止对温度采集设备103造成损坏，以及在低电压时将不可靠的温度数据上报。

更优地，在本实施例中，所述的通信模块包括：

网口通信模块，数据和操作指令传输通道；采用100兆以太网通信，温度采集设备103采用服务端模式，服务器104需要时主动同温度采集设备103建立连接，防止采集设备频繁发起连接造成连接风暴。

更优地，在本实施例中，所述的通信模块还包括：

串口通信模块，采用232电平，用于本地网口参数配置、系统参数配置、传感器标定参数配置，并提供系统日志，为系统调试和监控提供信息。

另外，基于上述内容的实现，在本实施例中，如图2所示，所述的的温度采集设备103还包括：

指示灯，用于电源状态提示、系统运行状态提示和系统按键复位提示。

实施例2

基于实施例1的实现，本实施例还提供了一种钢轨101温度测量设备，并进一步公开了温度传感器102、信号调节电路和滤波放大电路的具体实现方式。对于现有技术，传统测量方法是直接测量后，再减去引线和接触电阻对应的温度值，这种方式在每次安装时都得测量引线和接触电阻值，现场操作很不方便，且容易受到测量仪器的精度和测量人员的主管意识影响，造成测量误差巨大。而本实施例可以解决上述问题，具体地：

如图3所示，所述的温度传感器102为三输出热电阻R；所述的信号调理电路包括三线制电桥电路，所述的三线制电桥电路包括环形连接的电阻R1、R2、R3和R4，其中R1与R2的公共连接点连接参考电源E，R3与R4的公共连接点接地；其中，R₂＝R₃，并且当三线制电桥电路平衡时，(R₁+r₁+r₂)·R₃＝(R₄+r₂+r₃+R)·R₂；三输出热电阻R的A端通过r1与R1连接，三输出热电阻R的A端还通过r2与滤波放大电路的正输入端连接，三输出热电阻R的B端通过r3与R4连接；R2与R3的公共连接点还与滤波放大电路的负输入端连接。

在本实施例中，采用三线制卧式电桥电路，不需要测量传感器引线和接触电阻的值，在特定的电路参数情况下，可以极大地降低引线和接触电阻带来的测量误差，提升采集电路的精度、稳定性和抗干扰能力，也简化了现场安装流程。

具体地，下述内容限定所述三输出热电阻R的型号为PT100，其余可以实现的三输出热电阻R均可以用于替换。

卧式电桥属于非平衡式电桥的一种，如图4所示，R₁＝R_X、R₂＝R₃，且R₁≠R₂，此时电桥平衡，输出压差U₀为0。

非平衡式电桥通常有电压输出和功率输出两种模式。在采集系统中，由于电桥输出端接入器件的阻抗都较高，所以一般采用电压输出模式。

由图4可得，在电桥输出端接入器件输入阻抗趋近于无穷的情况下：

令R_X＝R_X0+ΔR，R_X为被测电阻，R_X0为其初始值，ΔR为其电阻变化量，由公式(1)可以得到：

对于卧式电桥，可以将公式(2)简化为：

由公式(3)可得，当R_X0足够大时，输出电压值U₀与电阻变化量ΔR呈线性关系。

而对应地，本实施例采用图3中所述的的三线制卧式电桥电路。当电桥平衡时，(R₁+r₁+r₂)·R₃＝(R₄+r₂+r₃+R_PT100)·R₂，其中r₁、r₂、r₃为PT100传感器引线，且在r₁＝r₂＝r₃＝r的情况下(通常情况)，由卧式电桥的特性可知：R₁＝R₄+R_PT100＝R_X。

则输出卧式电桥输出电压为：

引入电阻增量ΔR，由公式(4)可得：

其中，R_X0＝R₁＝(R₄+PT100的参考电阻)，PT100的参考电阻根据实际应用情况选取。

由公式(5)可得，当R_X0取值较大、ΔR电阻变化量较小时，引线电阻r(r指的是传感器单端引线阻抗，实际应用中传感器两端引线带入阻抗为2r)不会对输出电压有太大的影响(在实际应用中，通常r小于1Ω，极端情况下不会超过3Ω)。

更优地，在本实施例中，如图3所示，所述的滤波放大电路包括：

运算放大电路OP，包括正输入端、负输入端和输出端，正输入端与r2连接，负输入端分别与R2与R3连接，输出端与通道选择器连接；

共模信号抑制电路，用于对输入的共模信号产生滤波抑制作用；所述的共模信号抑制电路包括连接于运算放大电路的正输入端和负输入端之间的电容C1；

分别设置于运算放大电路的正输入端的第一低通滤波电路、以及设置于运算放大电路的负输入端的第二低通滤波电路；所述的第一低通滤波电路包括R5、C2和C4，其中R5的一端与r2连接，R5的另外一端分别与运算放大电路的正输入端、C2的一端、C4的一端连接，C2的另外一端和C4的另外一端接地；所述的第二低通滤波电路包括R6、C3、C5，其中R6的一端分别与R2和R3连接，R6的另外一端分别与运算放大电路的负输入端、C3的一端、C5的一端连接，C3的另外一端和C5的另外一端接地。

具体地，信号调节电路采用卧式电桥电路，配合传感器的三线制连接方式，能够大大地降低传感器引线和接触电阻对测量系统误差的影响，在单边引线电阻小于1Ω的情况下(传感器两端引线都有电阻，即总电阻小于2Ω)，能够将测量最大误差控制在0.2℃以内(电路误差为累积误差，即在-40℃时误差最小，在100℃时误差最大)。

滤波电路采用RC滤波，滤除交流干扰信号，配合电桥电路能够还能够对共模干扰信号进行有效抑制。放大电路采用仪表放大器INA122，共模抑制比高达96dB，保证了其对小信号的放大精度，出色的温度漂移(0.3uV/℃max)和噪音系数保证了系统在各种条件下的稳定性，提升系统的抗干扰能力。

实施例3

基于实施例2的实现，本实施例还提供所述的一种进一步提高钢轨温度测量精度的信号调节电路和滤波放大电路的参数选取方法，该方法用于对实施例2中的各个元器件的值进行选择。该方法包括以下步骤：

S1：确定实际需要测量的钢轨温度的范围，并根据所述范围确定三输出热电阻R的电阻值范围。

具体地，在本实施例中，钢轨101温度的范围在-40℃～+100℃。

其中，通常测量温度的最低温度点称为零点(对应运算放大电路输出端连接的AD采样范围的最低电压)，最高温度点称为满度(对应运算放大电路输出端连接的AD采样范围的最高电压)。但在实际引用中，为提升精度，通常会留有一定余量。例如，AD采样范围为0～4.5V，那么实际零点会设在0.1V左右，满度会设置4.4V左右。

当钢轨101温度的范围在-40℃～+100℃，对应的PT100电阻值为84.27Ω～138.51Ω。

S2：根据找到实际电阻的阻值的难易程度以及考虑一定的容错，将基点定在略小于所述钢轨温度的范围最小值处，获得在基点时三输出热电阻R的阻值大小；其中当处于基点时，所述三线制电桥电路处于平衡状态。

因此在本实施例中，选取-43℃对应的电阻值83.08Ω作为基点。

根据从实施例2中给出的公式(5)和后续测试数据可知，在基点时误差理论为0，离基点温度越远，累积误差越大。所以，基点设在-40℃对应的84.27Ω最理想，但实际很难找到此阻值的电阻，并且考虑一定的容错范围，因此将基点定在-43℃。

而如果将基点选择在测量温度范围中心点，中心点两端的温度测量值均会有累积误差，但与基点设在一端相比，累积误差将缩小一半，运放后端需要添加偏移电路或者直接选用可以采样正负值的AD转换器。

S3：根据R₂＝R₃和当三线制电桥电路平衡时(R₁+r₁+r₂)·R₃＝(R₄+r₂+r₃+R)·R₂的条件、引线电阻r1、r2和r3的实际大小、以及考虑能够购买到的通用精密电阻，进行三线制电桥电路电阻大小的选取：首先选取R2和R3的大小，并根据在基点时三输出热电阻R的阻值大小选取电阻R1和R4的大小。

具体地，因为是卧式电桥所以R2＝R3、R1+r1＝R4+r3+PT100，为了降低电路本身带来的误差，R2的值与R1+r1的值不能差别太大，且考虑能够购买到的通用精密电阻，因此选取R2＝R3＝1kΩ。

而对于电阻R1和R4的大小，选取R1＝825Ω、R4＝908Ω，这样R4-R1＝908Ω-825Ω＝83Ω，正好对应基点-43℃时PT100的电阻值(PT100在-43℃对应的电阻值为83.08Ω)，在基点时，电桥处于平衡状态，误差为零，随着PT100的阻值变大(即温度升高)，电桥处于非平衡状态，累计误差也会逐渐增大，在100℃是误差最大(误差逐渐增大的理论支持是公式(5))。

当基点选定，电路参数选定后，整个电路额零点也就定了，不需要再调节。

S4：根据选择的电阻R1、R2、R3和R4的大小，得到此时在所述钢轨温度的范围最大值时运算放大电路的输入端的电压大小。

当获得电桥测量最高温度时输出电压(此处是100℃)，在本实施例中，电桥测量最高温度时输出电压为0.0725V。

S5：根据后续AD转换电路的采样范围，确定运算放大电路的放大倍数。

当零点确定后，满度＝电桥测量最高温度时输出电压(此处是100℃)×运放放大倍数，电桥测量最高温度时输出电压为0.0725V×运放放大倍数62＝4.495V，满足AD转换器0～4.5V的电压采样范围，所以直接给出放大倍数62。

由于运算放大电路属于现有技术，因此不对其结构进行赘述。

更优地，在本实施例中，所述的方法还包括：

S6：考虑运算放大电路输入端信号输入的低通滤波带宽范围，选取设置于运算放大电路输入端的低通滤波电路的参数。

对于实施例2中的第一低通滤波电路和第二低通滤波电路，R5、R6、C2、C3、C4、C5的值选取主要考虑运放输入端信号输入的低通滤波带宽范围，选取R5＝R6＝10kΩ，C2＝C3＝0.1uF，C4＝C5＝4.7Uf，主要是由于温度为慢变化，对应电压信号比较平稳，所以对交流信号都要有抑制。

更优地，在本实施例中，所述的方法还包括：

S7：选取设置于运算放大电路两个输入端之间的消除共模信号电容的参数。

而C1＝0.001uF是通用的消除共模信号电容。

更优地，在本实施例中，通常情况下，所述的引线电阻r1、r2和r3大小相等，因此在步骤S3中无需获得引线电阻r1、r2和r3的实际大小。

按照以上参数，在实际应用中(传感器单端电阻r<1Ω，0.2平方的铜线10米长度时电阻约0.86Ω)，测量精度小于0.2℃(交底书中有对应数据)，已经能够满足实际应用。

另外，为了保证测量精度和抗干扰能力，可以根据实际应用环境采用以下方式进一步提升电路性能：

(1)R₁和R₂的值差别尽量小，这样可以保证电桥两臂阻抗一致，对电源和外部干扰的抗性能够得到极大的提升。

(2)R₁的值选取要合适，太小不仅增加电路功耗，而且增加了测量的累积误差；太大可以降低电路的测量累积误差，但后端运放放大倍数加大，单级放大难以满足要求，需要多级放大电路，同时也会带入电路自身的噪音。

(3)后端OP放大器根据具体需求可以采用仪表放大器，进一步提升电路的抗干扰能力。参考电源E采用高精度的参考电源能进一步提升温度采集通路的稳定性和精度。

(4)降低温度测量范围，可以降低累积误差。由此思想可将R₁换成高精度的数字电位器，分温度段设置基点，提升测量精度，降低累积误差。

(5)将基点选择在测量温度范围中心点，中心点两端的温度测量值均会有累积误差，但与基点设在一端相比，累积误差将缩小一半，运放后端需要添加偏移电路或者直接选用可以采样正负值的AD转换器。

实施例4

本实施例按照实施例3中选择的参数搭建了对应的测量电路，并对数据进行获取，具体地：

钢轨温度通常测量范围在-40℃～+100℃，对应的PT100电阻值为84.27Ω～138.51Ω，选取-43℃对应的电阻值83.08Ω作为基点，在该点时，电桥处于平衡。令其中R₁＝825Ω，R₂＝R₃＝1kΩ，R₄＝908Ω，R₅＝R₆＝10kΩ，C₁＝0.001uF，C₂＝C₃＝0.1uF，C₄＝C₅＝4.7uF，参考电源E＝5V，A/D转换器位数为16位、采样电压范围为4.5V。根据公式(3)、(5)可得，卧式电桥输出电压值U₀如下表所示：

温度(℃)	r＝0Ω	r＝0.25Ω	r＝0.5Ω	r＝1Ω	r＝3Ω	r＝5Ω
							-40	0.00055	0.00055	0.00055	0.00055	0.00055	0.00055
20	0.01081	0.01081	0.01081	0.01080	0.01078	0.01076
							0	0.02147	0.02146	0.02146	0.02145	0.02140	0.02135
20	0.03196	0.03196	0.03195	0.03193	0.03186	0.03179
							40	0.04232	0.04231	0.04230	0.04227	0.04218	0.04209
60	0.05252	0.05251	0.05249	0.05246	0.05235	0.05224
							80	0.06259	0.06257	0.06255	0.06252	0.06239	0.06225
100	0.07250	0.07248	0.07247	0.07243	0.07227	0.07212

表1-卧式电桥输出电压值U₀

将卧式电桥输出电压U₀经过放大器OP放大到A/D转换器有效的采集电压范围内，U＝K·U₀，其中K为运放放大倍数。根据上面参数，这里K＝62。则A/D转换器采集电压U的值如下表所示：

温度(℃)	r＝0Ω	r＝0.25Ω	r＝0.5Ω	r＝1Ω	r＝3Ω	r＝5Ω
							-40	0.034	0.034	0.034	0.034	0.034	0.034
20	0.671	0.670	0.670	0.670	0.668	0.667
							0	1.331	1.331	1.330	1.330	1.327	1.324
20	1.982	1.981	1.981	1.980	1.975	1.971
							40	2.624	2.623	2.622	2.621	2.615	2.610
60	3.256	3.255	3.255	3.253	3.246	3.239
							80	3.880	3.879	3.878	3.876	3.868	3.860
100	4.495	4.494	4.493	4.490	4.481	4.471

表2-AD转换器采集电压值U

由表1和表2可得：在引线阻抗不变的情况下，随着测量温度的升高，测量误差逐渐增大；而在温度不变的情况下，引线阻抗逐渐增大，测量误差逐渐增大。

因此，在远离基点(即电桥平衡点)的100℃时，测量的误差最大；在靠近基点的0℃时，测量误差很小，接近为零。

将AD转换器采集电压U的值通过AD量化后并换算成对应的温度值T，结果如下表所示：

100℃	r＝0Ω	r＝0.25Ω	r＝0.5Ω	r＝1Ω	r＝3Ω	r＝5Ω
							AD值(16bit)	65463	65449	65434	65390	65259	65113
T(℃)	100.00	99.97	99.94	99.84	99.55	99.23
							ΔT(℃)	0	0.03	0.06	0.16	0.45	0.77
Tr(℃)	0	1.25	2.5	5	15	25

表3-换算对应的温度值T

在表3中，ΔT表示带入引线电阻和不带入引线电阻之间测量温度的差值，T_r表示直接测量时传感器双端引线和接触电阻对应的温度值(在-40℃～+100℃温度段，0.4Ω近似对应1℃)。

因此由表3可得，采用上述实施例提供的电路结构和电路参数，在通常情况下(r<1Ω)，测量的最大误差不超过0.2℃，在极限情况下(r<3Ω)，测量最大误差也不会超过0.5℃。与直接测量时导线和接触电阻引入的温度值T_r相比，测量误差大大地降低。

实施例5

本实施例提供了一种钢轨101温度测量系统，该系统解决现有设备无法对钢轨温度实时预警和报警，无法对钢轨温度健康进行管理和分析的问题。

如图5所述，一种钢轨101温度测量系统包括：

如实施例1～实施例4中任意所述的钢轨101温度测量设备；

服务器104，用于获取钢轨101温度测量设备上传的数据，并将数据按照站、段、组的方式存储到数据库；

客户端105，与服务器104连接，用于实时显示钢轨101各点温度数据，异常情况下给出相应提示。

具体地，温度采集设备103实时采集个传感器点温度数据，进行处理转换后带上时间戳信息和温度采集设备103所在位置信息，将数据发送到服务器104，服务器104将数据按照站、段、组的方式存储到数据库中，同时将数据实时发送给客户端105。

服务器104主要作用是钢轨温度数据大数据存储、分析、运算；接收温度采集设备103的数据信息，并按照站、段、组等格式保存数据(即每一个温度传感器102的ID号、安装在什么位置、哪组设备、哪条工作线路、哪个站、哪个路局等)；接收客户端105的指令进行数据分析、运算，并将数据和对应结果返回到客户端105。服务器104对于数据存储能力、运算能力有一定要求。

优选地，温度采集设备103与服务器104之间采用100M以太网TCP/IP通信，保证数据传输的可靠性，同时降低设备的成本。

更优地，在本实施例中，所述的客户端105包括：

数据发布模块：用于发布报表，横向显示各点钢轨101数据和纵向单点钢轨101历史数据；还根据使用需求对站内温度采集设备103进行参数设置，并能够从服务器104调取各点钢轨101温度历史数据，绘制曲线图，对钢轨101温度健康进行监测分析；

数据配置模块，配置温度采集设备103网络参数、配置系统参数，并灵活设置预警和报警门限，温度数据超过对应门限则发出对应提示和报警；

数据通知模块，选配无线通信模块，将重要数据以短信方式发给相关工作人员。

客户端105的主要作用包括：登录整个系统；连接温度采集设备103；配置温度采集设备103网络参数、配置系统参数；实时显示(可以配置需要显示的传感器的数据)温度传感器102数据；可以灵活设置预警和报警门限，温度数据超过对应门限则发出对应提示和报警；接收服务器104数据并进行相应绘图和制表，可以判断钢轨各点温度历史状况以及变化趋势；客户端104可选配4G模块，将重要数据以短信方式发给相关工作人员。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种钢轨温度测量设备，其特征在于：包括：

设置于钢轨上的多个温度传感器；

温度采集设备，通过有线方式与所述温度传感器连接，所述的温度采集设备包括：

与温度传感器数量相等且对应连接的信号调理电路，用于对温度传感器采集到的温度信号进行调理，降低传感器引线对测量的影响；

与信号调理电路数量相等且对应连接的滤波放大电路，用于滤除交流干扰信号并对共模干扰信号进行有效抑制，同时实现小信号放大；

与滤波放大电路的输出端连接的通道选择器，用于实现多路温度数据的切换选择与数据传输；

与通道选择器的输出端连接的A/D转换器，用于实现温度数据的模数转换；

与A/D转换器连接的处理器，用于将采集到的温度数据与打上时间戳信息和位置信息；

与处理器连接的通信模块，用于上传处理器处理完成的数据。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨温度测量设备，其特征在于：所述的温度传感器采用磁力表贴的方式，和钢轨电气隔离，防止和钢轨信号相互干扰；同时温度传感器外采用夹具底部固定安装，传感器和钢轨间采用凡士林粘合，保证传感器有效贴合。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨温度测量设备，其特征在于：所述的温度传感器为三输出热电阻R；所述的信号调理电路包括三线制电桥电路，所述的三线制电桥电路包括环形连接的电阻R1、R2、R3和R4，其中R1与R2的公共连接点连接参考电源E，R3与R4的公共连接点接地；其中，R₂＝R₃，并且当三线制电桥电路平衡时，(R₁+r₁+r₂)·R₃＝(R₄+r₂+r₃+R)·R₂；三输出热电阻R的A端通过r1与R1连接，三输出热电阻R的A端还通过r2与滤波放大电路的正输入端连接，三输出热电阻R的B端通过r3与R4连接；R2与R3的公共连接点还与滤波放大电路的负输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种钢轨温度测量设备，其特征在于：所述的滤波放大电路包括：

运算放大电路，包括正输入端、负输入端和输出端，正输入端与r2连接，负输入端分别与R2与R3连接，输出端与通道选择器连接；

共模信号抑制电路，用于对输入的共模信号产生滤波抑制作用；所述的共模信号抑制电路包括连接于运算放大电路的正输入端和负输入端之间的电容C1；

分别设置于运算放大电路的正输入端的第一低通滤波电路、以及设置于运算放大电路的负输入端的第二低通滤波电路；所述的第一低通滤波电路包括R5、C2和C4，其中R5的一端与r2连接，R5的另外一端分别与运算放大电路的正输入端、C2的一端、C4的一端连接，C2的另外一端和C4的另外一端接地；所述的第二低通滤波电路包括R6、C3、C5，其中R6的一端分别与R2和R3连接，R6的另外一端分别与运算放大电路的负输入端、C3的一端、C5的一端连接，C3的另外一端和C5的另外一端接地。

5.根据权利要求1所述的一种钢轨温度测量设备，其特征在于：所述的温度采集设备还包括：

复位管理模块，与处理器连接，用于系统软件复位管理、硬件看门狗复位管理和低电压复位管理，其中包括对温度采集设备的IP地址系列参数进行复位处理；另外设置有系统按键复位，对整个系统所有参数复位到出厂设置状态。

6.根据权利要求1所述的一种钢轨温度测量设备，其特征在于：所述的温度采集设备还包括：

电源管理模块，与处理器连接，采用开关电源，降低系统功耗，保证同外部电源的隔离度；能有效地为各模块提供低纹波的电压，还能对系统电源进行监控，在低电压时关闭系统，直到系统电压恢复稳定，防止对温度采集设备造成损坏，以及在低电压时将不可靠的温度数据上报。

7.根据权利要求1所述的一种钢轨温度测量设备，其特征在于：所述的通信模块包括：

网口通信模块，数据和操作指令传输通道；采用100兆以太网通信，温度采集设备采用服务端模式，服务器需要时主动同温度采集设备建立连接，防止采集设备频繁发起连接造成连接风暴。

8.根据权利要求7所述的一种钢轨温度测量设备，其特征在于：所述的通信模块还包括：

串口通信模块，采用232电平，用于本地网口参数配置、系统参数配置、传感器标定参数配置，并提供系统日志，为系统调试和监控提供信息。

9.一种钢轨温度测量系统，其特征在于：包括：

如权利要求1～8中任意一项所述的钢轨温度测量设备；

服务器，用于获取钢轨温度测量设备上传的数据，并将数据按照站、段、组的方式存储到数据库；

客户端，与服务器连接，用于实时显示钢轨各点温度数据，异常情况下给出相应提示。

10.根据权利要求9所述的一种钢轨温度测量系统，其特征在于：所述的客户端包括：

数据发布模块：用于发布报表，横向显示各点钢轨数据和纵向单点钢轨历史数据；还根据使用需求对站内温度采集设备进行参数设置，并能够从服务器调取各点钢轨温度历史数据，绘制曲线图，对钢轨温度健康进行监测分析；

数据配置模块，配置温度采集设备网络参数、配置系统参数，并灵活设置预警和报警门限，温度数据超过对应门限则发出对应提示和报警；

数据通知模块，选配无线通信模块，将重要数据以短信方式发给相关工作人员。