CN205748711U - 一种基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统，包括温度报警主机，其特征在于：还包括与温度报警主机之间通过通讯及电源总线相连的至少一个温度采集单元，所述至少一个温度采集单元连接至少一个荧光光纤测温探头，所述荧光光纤测温探头安装于需要测量温度的部位。该基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统，不但测温准确，抗电磁干扰性能好，并且也具有故障判断报警的功能，能够利用现有的列车上的测温网络进行改造获得，而且连接通讯可靠，也不会因为列车的分解复用而造成测温的不准确和故障的发生。

Description

一种基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统

技术领域

本实用新型涉及列车的温度检测系统，特别是涉及一种列车车轴的温度检测系统。

背景技术

近年来我国高速铁路迅猛发展，列车运行速度已经达到了350km/h，随之可能遇到的各种危险因素也越来越多，所以对列车运行安全提出了更高的要求。列车在运行过程中，机车车辆与钢轨的冲击、动力效应和振动，会导致车辆各轴承的发热，当轴承磨损和产生缺陷时，不正常发热增大，轻则造成机损影响车辆的正常运行，重则造成疲劳破坏甚至热切轴直接导致火车发生故障翻车，造成巨大的生命和财产损失，严重影响到铁路运输安全。

温度是列车上机电设备重要的监测参数，如果列车机电设备的温度过高，会导致绝缘性能降低、密封性能变差、润滑介质膨胀及变质、有机材料变性甚至碳化等问题，甚至会引起机破、火灾等严重事故。为了提高安全性，需要对列车高速运行的关键部件进行温度监控，如转向架轴温、牵引电机轴承和定子温度、齿轮箱轴承温度。当遇到温度异常过高的情况时，列车应及时自动限速或停车，确保列车运行安全。

早期轴温监测的手段是通过工人在停车时用手摸，根据人的感觉进行报警，这种检测方式必须停车且耗费大量人力；后来美国人发明了一种无需停车的轴温自动记录装置，在轨道旁通过红外线测温仪配合计轴器监测轴承温度，这种方式减少了人工，且无需停车，但它仍然是一种非实时的监测方式，并且它对列车经过时的速度有要求。近年来随着列车信息化水平的提高，我国铁路部门在机车、动车上普遍安装有基于铂电阻测温的轴温报警系统，解决了轴温监测的实时监测、速度受限问题。

现今，列车上使用的转向架轴温检测的温度传感器主要是铂电阻。由于被测部件主要集中于转向架上，工作环境十分恶劣，而且转向架上安装有电机等大功率设备，电磁干扰十分强烈，同时转向架还是车辆的接地部件，经常有高压、大电流的存在。为了使铂电阻可靠工作，对铂电阻温度传感器采取了绝缘、密封、屏蔽等措施，并在布线过程中避开强电磁干扰部件，以提高耐压等级和抗电磁干扰能力。但即使采取了这些措施，铂电阻温度传感器在使用过程中仍然出现了大量的故障，而且也不能完全满足列车轴温报警的需求，它存在如下缺点：1、绝缘耐压等级低，电力机车、动车通过转向架接地，转向架上有时有高达500V高电压存在，同时轴温报警系统还需对电机温度进行监测，电机内部的电压高达4000V。铂电阻温度传感器虽然通过绝缘，可耐受此高电压，但防护可靠性较差，其电缆线屏蔽层长期使用会发生老化、开裂，导致绝缘失效，而电缆线表面凝结的水蒸气在列车风压的帮助下加剧了这一缺点的影响。2、抗电磁干扰能力差,列车的动力电机也位于转向架上，其功率很大，电磁辐射非常严重。铂电阻传感器的电缆不可避免地受到电磁辐射的影响，常发生误报警。3、可靠性差,列车转向架环境非常恶劣，伴随着剧烈振动、冲击，有时会被轨道上的石子击打，还会经历复杂、剧烈的温度、湿度变化。铂电阻温度传感器的焊线极为纤细，在复杂的环境下易发生断线、短路，可靠性较差。4、无法自诊断,铂电阻温度传感器通过测量引线两端的电阻来测量温度.为消除误差，一般采用三线、四线制，因此对于以上发生的各种故障均无法自诊断。有厂家通过软件算法对电磁干扰等故障进行判别，但仍无法完全解决问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种受外界干扰较小、抗电磁干扰能力强、可靠性高，并且可以实时监测和报警的基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统，包括温度报警主机，其特征在于：还包括与温度报警主机之间通过通讯及电源总线相连的至少一个温度采集单元，所述至少一个温度采集单元连接至少一个荧光光纤测温探头，所述荧光光纤测温探头安装于需要测量温度的部位。

优选地，所述温度采集单元包括电源模块、保护电路、CPU和至少一个荧光光纤温度解调电路，所述电源模块与保护电路分别与通讯及电源总线相连，至少一个荧光光纤温度解调电路与设于温度采集单元外侧的至少一个防水光纤连接器分别连接，并且通过至少一个防水光纤连接器分别连接至所述至少一个荧光光纤测温探头，所述CPU与电源模块、保护电路和荧光光纤温度解调电路均分别连接。

为了检测环境温度，所述温度采集单元还包括温度解调电路和环境温度传感器，所述环境温度传感器与温度解调电路相连，并且环境温度传感器设于温度采集单元的外侧，所述温度解调电路与所述CPU相连。

优选地，所述环境温度传感器为PT100、PT1000、NTC或者是数字化的测温芯片。

优选地，所述通讯及电源总线可以是现有的列车通讯网络并附加单独的电源总线，或者是RS485总线或CAN总线。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于该基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统，不但测温准确，抗电磁干扰性能好，并且也具有故障判断报警的功能，能够利用现有的列车上的测温网络进行改造获得，而且连接通讯可靠，也不会因为列车的分解复用而造成测温的不准确和故障的发生。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统的示意图。

图2为本实用新型实施例的基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统的温度采集单元的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

现今已有许多种原理的光纤温度传感器被研发出来，但由于成本、精度、可靠性等方面的原因，目前应用比较广泛的有光纤光栅式、荧光式和拉曼式。其中，光纤光栅式传感器将光纤光栅埋设在被测部位，温度变化时，光栅的周期和折射率发生改变，导致其峰值反射波长发生变化；光纤光栅传感器的优点是温度测量精度高，接线简单，可以把所有传感器串联在一起，只连接1到2个连接器，大大减少了布线成本，其缺点是解调器十分昂贵，但可通过大量传感器的串并联来降低系统的综合成本。

荧光式光纤温度传感器在光纤的末端集成有一块荧光体，光纤发射一定波长的光去激励荧光体，激励得到的荧光的强度和激励源消失后荧光的余晖时间与温度有关；荧光传感器的优点是解调器原理简单，成本低廉，缺点是所有测量点并行连接，测量点较多时布线成本较高。

拉曼式光纤温度传感器利用光纤中的斯托克斯、反斯托克斯散射强度的比值与温度有关的特性进行温度测量，并通过高速采样确定测温点的位置；其优点是使用普通通讯光纤即可测量，可对光纤沿线的温度进行无缝测量，缺点是所测温度为一段光纤的平均温度，且测温精度相对较低。

这三种技术中，光纤光栅技术适合于大规模应用场合的温度测量，如大型发电厂中的发电机组转子、定子温度监测和变电站中的变压器绕组、开关柜触点温度监测，荧光技术适合于中小规模应用场合的温度测量，如小型变电站中的变压器、开关柜温度监测，而拉曼测温技术适合于长距离线状物体的温度监测，如电缆线、地下电缆沟、隧道的温度监测。目前这三种技术在电力等行业中均得到了大量应用，其中前两者用于点测温，后者用于线测温。

在列车中采用光纤温度传感器可具有以下的优点：

1)绝缘耐压等级高，光纤采用石英、塑料等材质制成，这些材料本身就是优良的绝缘材料，因此光纤传感器绝缘耐压等级高，0.4米长的光纤即可耐受10万伏的电压。

2)抗电磁干扰能力强，光纤中传输的是光信号，一般情况下采用的是非偏振光，其传输完全不受电磁干扰影响。

3)可靠性高，光纤光栅传感器中的感温装置为通过掩膜法光刻在光纤中的光栅，并通过陶瓷无应力封装进行防护，断纤的可能性极低，而荧光测温的感温装置为光纤末端的荧光体，并通过塑封工艺进行保护，很难脱落。

4)可故障自诊断，光纤传感器的故障主要是光纤断开，这一点很容易通过解调装置接收到的光强进行判断，而光纤光栅和荧光测温这两种传感器的温度信号的解调与光强是没有关系的，因此可以可靠地进行故障自诊断。

目前光纤光栅测温与荧光光纤测温都是较为成熟的技术，都在电力行业得到了大量应用，但在列车轴温监测的环境中，光纤光栅测温存在如下缺点：

1)成本较高，光纤光栅解调技术复杂，解调仪价格昂贵，必须通过数百个点的大规模复用来降低平均成本，而列车上虽然有几百个测温点，以动车为例，但列车需较为经常地分解复用，在一列车上串联几百个光栅会导致车厢无法互换，同时光纤连接器插拔次数需要较少，列车维护现场的粉尘、油污也会对光纤连接器造成污染。

2)冗余度较低，光纤光栅测温方案中，所有的传感器串联在一根光纤上，一旦光纤中间断开，后面所有的测温点都会失效，即使通过环形拓扑结构进行备份，也无法应付两个点中断的极端情况。

3)互换性较差，光纤光栅测量回路中每一个传感器都需使用波长不同的光栅，一旦有一个点损坏，就必须换一个完全一样的传感器上去，这样就要求维修站同时备有几十种不同的传感器，在换传感器的过程中，工人还需仔细地核对传感器的型号，因此可维护性较差。

4)推广困难，光纤光栅传感器采用环形拓扑结构，与现有轴温报警系统的星状拓扑结构完全不同，同时光纤光栅探头为了使光纤绕回来，需采用较大的探头直径，因为光纤有最小弯曲半径，小于此半径光纤会断裂，而光纤光栅的串行结构要求光纤需在探头的末端转弯，这样就要求现有列车进行改装。由于现有的动车组、机车保有量很大，该产品的推广十分困难。

而荧光光纤测温与光纤光栅测温相比，存在以下优点：

1)成本低，荧光光纤测温技术的解调技术相对容易，成本较低。

2)冗余度高，采用与铂电阻完全一样的星状拓扑结构，每一根探头都相互独立，出现故障不会影响其它探头，冗余度较高。

3)互换性好，每一根荧光光纤探头的特性都完全一致，互换后无需重新标定。

4)推广更容易，荧光光纤温度传感器的拓扑结构与现有的铂电阻轴温报警系统完全兼容，可采用相同的系统方案；同时探头体的体积较小，无需对现有的探头结构进行改动，故推广更为容易。

综上所述，荧光光纤测温技术最适合于列车温度监测及报警。

如图1、2所示，为本实用新型实施例的基于荧光光纤的列车轴温监测系统的示意图，如图1所示，该基于荧光光纤的列车轴温监测系统包括一个温度报警主机1.以及若干个基于荧光光纤测温探头的温度采集单元2，若干荧光光纤测温探头3，以及通讯及电源总线4。温度报警主机1安装在车头或者列车的任意一节车厢中，通过通讯及电源总线4分别连接各个温度采集单元2，并且通过通讯及电源总线4与各个温度采集单元2之间进行通讯，每个温度采集单元2均连接有多个荧光光纤测温探头3，并且通过每个荧光光纤测温探头3对列车的各部位的温度进行检测，通过通讯及电源总线4将信号发送给温度报警主机1。通讯及电源总线4可以是现有的列车通讯网络并附加单独的电源总线，如车载以太网、WTB总线、MVB总线等，分别附加另外的电源总线以给装置供电，也可以是本系统专用的通讯及供电总线，如RS485总线或CAN总线等。该每个温度采集单元2分别对应设于转向架内或者设于某个集中测温的部位，并且该多个荧光光纤测温探头3分别安装于车轴、电机、齿轮箱等需要探测的部位。

如图2所示，为温度采集单元2的示意图，该温度采集单元2包括电源模块21、保护电路22、CPU23、温度解调电路24、环境温度传感器25和至少一个荧光光纤温度解调电路26，所述电源模块21与保护电路22分别与通讯及电源总线4相连，环境温度传感器25与温度解调电路24相连，并且环境温度传感器25设于温度采集单元2的外侧，至少一个荧光光纤温度解调电路26与设于温度采集单元2外侧的至少一个防水光纤连接器31分别连接，CPU23与电源模块21、保护电路22、温度解调电路24和至少一个荧光光纤温度解调电路26均分别连接。荧光光纤温度解调电路26与荧光光纤测温探头3个数相同并且一一对应。

该温度采集单元2的一端与通讯及电源总线4相连，该通讯及电源总线4可以是相互分开的两根，分别为通讯总线和电源总线，电源总线经过温度采集单元2内的电源模块21转换为温度采集单元2内的各个部件所需要的供电电压，给温度采集单元2内的各部件供电，通讯总线通过温度采集单元2内的保护电路22转换后与CPU23进行通讯。若干个荧光光纤测温探头3通过防水光纤连接器31与温度采集单元2相连，温度采集单元2通过荧光光纤温度解调电路26将荧光光纤测温探头3所采集的光信号转换为电压信号，CPU23对各转换电路的信号进行采集，并通过相关的算法转换为温度值。同时CPU23还通过温度解调电路24对环境温度传感器25的温度进行采集。环境温度传感器25一般为低成本的温度传感器，如PT100、PT1000、NTC或者是数字化的测温芯片。

本实用新型实施例的基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统适用于地铁列车、高铁、动车、普通客运列车、电力机车、内燃机车以及货车的车轴、电机、齿轮箱等部位的温度监测及报警。

本系统采用荧光光纤温度传感器，探头部分为非导体，具有很高的绝缘等级，在线皮开裂、破损情况下不会出现铂电阻温度传感器的短路、接地等现象；探头到温度采集单元之间采用光纤进行传输，不受电磁干扰，不会出现铂电阻温度传感器在强电磁干扰下误报警的现象；探头出现的唯一故障是断线，而该故障可以通过光纤返回的光强来进行检测，同时荧光测温的原理是通过光强的衰减时间常数来测量，光强的直流部分的衰减不会对测量产生影响，因此传感器故障可以很容易地自检出来，不会发生误报警；而且荧光光纤测温系统的解调电路较为简单，成本较低，且更容易与现有铂电阻测温系统相兼容；与光纤光栅测温采用的串行拓扑结构相比，荧光光纤测温系统采用星型拓扑结构，布设方式较为灵活；而且荧光光纤测温系统的探头能够完全通用，且无需重新标定，可维护性更好。

Claims (5)

1.一种基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统，包括温度报警主机(1)，其特征在于：还包括与温度报警主机(1)之间通过通讯及电源总线(4)相连的至少一个温度采集单元(2)，所述至少一个温度采集单元(2)连接至少一个荧光光纤测温探头(3)，所述荧光光纤测温探头(3)安装于需要测量温度的部位。

2.如权利要求1所述的基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统，其特征在于：所述温度采集单元(2)包括电源模块(21)、保护电路(22)、CPU(23)和至少一个荧光光纤温度解调电路(26)，所述电源模块(21)与保护电路(22)分别与通讯及电源总线(4)相连，至少一个荧光光纤温度解调电路(26)与设于温度采集单元(2)外侧的至少一个防水光纤连接器(31)分别连接，并且通过至少一个防水光纤连接器(31)分别连接至所述至少一个荧光光纤测温探头(3)，所述CPU(23)与电源模块(21)、保护电路(22)和荧光光纤温度解调电路(26)均分别连接。

3.如权利要求2所述的基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统，其特征在于：所述温度采集单元(2)还包括温度解调电路(24)和环境温度传感器(25)，所述环境温度传感器(25)与温度解调电路(24)相连，并且环境温度传感器(25)设于温度采集单元(2)的外侧，所述温度解调电路(24)与所述CPU(23)相连。

4.如权利要求3所述的基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统，其特征在于：所述环境温度传感器(25)为PT100、PT1000、NTC或者是数字化的测温芯片。

5.如权利要求1-4中任一项所述的基于荧光光纤测温的列车轴温监测系统，其特征在于：所述通讯及电源总线(4)可以是现有的列车通讯网络并附加单独的电源总线，或者是RS485总线或CAN总线。