便攜式無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)研制及應(yīng)用

王琰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

準(zhǔn)確快速測(cè)量無(wú)砟軌道板溫度變化，使其在可控的安全范圍，是保證高速鐵路行車安全的重要因素?；诩t外輻射測(cè)溫原理的無(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)［1］以運(yùn)行速度350 km/h 的高速綜合檢測(cè)列車［2］為載體，以250 mm 等間距動(dòng)態(tài)高速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道板溫度，用以分析軌道結(jié)構(gòu)承載變形［3］。該系統(tǒng)在出廠前或使用一段時(shí)間后必須進(jìn)行標(biāo)定，以保證測(cè)溫的準(zhǔn)確性［4］。該系統(tǒng)通常以標(biāo)準(zhǔn)黑體［5］為標(biāo)定靶標(biāo)，由于不同材料的輻射發(fā)射率不同［6］，須對(duì)物體的輻射發(fā)射率進(jìn)行修正。物體的輻射發(fā)射率隨表面狀態(tài)、溫度變化而變化，難以準(zhǔn)確獲取，通常使用的輻射發(fā)射率都有一定偏差，導(dǎo)致輻射發(fā)射率修正［7］過(guò)程中必然引入一定的誤差。

為提高無(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱測(cè)溫系統(tǒng)）的測(cè)溫精度，研制了基于無(wú)砟軌道板板材的測(cè)溫靶標(biāo)，模擬軌道板溫度輻射特性，用于標(biāo)定測(cè)溫系統(tǒng)。標(biāo)定數(shù)據(jù)中包含軌道板輻射發(fā)射率隨溫度的變化信息，溫度反演［8］過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行發(fā)射率修正，避免測(cè)溫系統(tǒng)引入輻射發(fā)射率修正誤差。

本文介紹無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)的本體、加熱制冷及溫度控制模塊、防結(jié)霜模塊的研制，設(shè)計(jì)了無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)的測(cè)試試驗(yàn)。

1 無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)研制方案

根據(jù)熱力學(xué)原理，所有物體都會(huì)以電磁波的形式向外發(fā)射能量。物體輻射出去的電磁波在各波段是不同的，具有一定的譜分布，這種譜分布與物體本身的特性及溫度有關(guān)，稱熱輻射。無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱測(cè)溫靶標(biāo)）基于熱輻射原理，模擬軌道板溫度輻射特性，可提供特定溫度下的軌道板紅外輻射。

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道板表層在大氣環(huán)境中低溫可達(dá)-40 ℃、高溫可達(dá)60 ℃且連續(xù)可變［9］。為實(shí)現(xiàn)測(cè)溫靶標(biāo)在-40～60 ℃連續(xù)可變并有足夠的溫度精度，須設(shè)計(jì)加熱制冷及溫度控制模塊；測(cè)溫靶標(biāo)在低溫下工作，輻射區(qū)表面極易產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象，須設(shè)計(jì)防結(jié)霜模塊。測(cè)溫靶標(biāo)研制內(nèi)容主要包括靶標(biāo)本體、加熱制冷及溫度控制模塊、防結(jié)霜模塊，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)的構(gòu)成

2 靶標(biāo)本體

靶標(biāo)本體的輻射區(qū)是其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（圖2），其表面為雙層無(wú)砟軌道板板材，厚度為1～2 mm。板材內(nèi)表面均勻分布加熱片和制冷片。板材夾層均勻分布鉑電阻。加熱片和制冷片接收溫度控制模塊調(diào)節(jié)指令，調(diào)節(jié)靶標(biāo)溫度；鉑電阻監(jiān)測(cè)靶標(biāo)溫度及其均勻性。

圖2 靶標(biāo)本體輻射區(qū)結(jié)構(gòu)

測(cè)溫靶標(biāo)對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，測(cè)溫系統(tǒng)在靶標(biāo)本體輻射區(qū)的法線方向上，如圖3 所示。其中：p為輻射區(qū)的直徑；d為測(cè)溫系統(tǒng)到靶標(biāo)本體輻射區(qū)的法向距離；α為測(cè)溫系統(tǒng)的視場(chǎng)角。

圖3 靶標(biāo)本體輻射區(qū)與測(cè)溫系統(tǒng)的法向關(guān)系

靶標(biāo)本體輻射區(qū)輻射能量的區(qū)域滿足

測(cè)溫系統(tǒng)α =5°，d =630 mm。代入式（1），計(jì)算得靶標(biāo)本體輻射區(qū)的最小直徑約為55.01 mm。為便于加工制作，靶標(biāo)本體輻射區(qū)的直徑取60 mm。為便攜實(shí)用，考慮其他裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，確定靶標(biāo)本體長(zhǎng)150 mm，寬250 mm，高300 mm，質(zhì)量約5 kg，構(gòu)造如圖4所示。

圖4 靶標(biāo)本體構(gòu)造

3 加熱制冷及溫度控制模塊

測(cè)溫靶標(biāo)采用履帶式加熱片和半導(dǎo)體制冷片實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)本體輻射區(qū)的加熱和制冷。履帶式加熱片形狀可塑，熱利用率高，最高工作溫度可達(dá)1 050 ℃；半導(dǎo)體制冷片基于電流換能，無(wú)制冷劑污染，最低工作溫度可達(dá)-130 ℃。二者符合測(cè)溫靶標(biāo)在-40～60 ℃溫度連續(xù)可變的要求，且沒(méi)有滑動(dòng)部件，適合在靶標(biāo)輻射區(qū)的軌道板材內(nèi)表面狹小空間應(yīng)用。半導(dǎo)體制冷片通過(guò)控制輸入電流實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，加上溫度監(jiān)測(cè)和控制手段，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。

靶標(biāo)本體輻射區(qū)軌道板材夾層均勻分布貼片式鉑電阻，其線性度和一致性優(yōu)良且測(cè)溫精度高，通過(guò)電路優(yōu)化組合及線性化處理，可有效提高溫度分辨率。靶標(biāo)本體輻射區(qū)的溫度監(jiān)測(cè)來(lái)自貼片式鉑電阻的平均溫度，這種方式可有效提高輻射區(qū)溫度監(jiān)測(cè)的精度，減小由于加熱制冷不均勻引起的誤差。

通過(guò) PID（Proportion Integration Differentiation）控制器控制履帶式加熱片和半導(dǎo)體制冷片工作，實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)本體輻射區(qū)溫度控制，原理如圖5 所示。靶標(biāo)輻射區(qū)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)履帶式加熱片加熱；靶標(biāo)輻射區(qū)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷片制冷；通過(guò)PID 控制器監(jiān)測(cè)均布于軌道板材夾層不同位置的鉑電阻同一時(shí)段的溫差來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度均勻控制，最終實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)輻射區(qū)的溫度平衡穩(wěn)定，并在溫度顯示及設(shè)定裝置上實(shí)時(shí)顯示。

圖5 溫度控制模塊工作原理

4 防結(jié)霜模塊

當(dāng)靶標(biāo)輻射區(qū)在0 ℃以下低溫段時(shí)，由于輻射區(qū)表面與環(huán)境空氣自然對(duì)流，環(huán)境中的潮濕冷空氣就會(huì)在輻射區(qū)表面形成凍霜。凍霜遮蔽輻射區(qū)表面的軌道板材會(huì)影響其輻射發(fā)射率，降低測(cè)溫系統(tǒng)在低溫區(qū)段的標(biāo)定準(zhǔn)確度。

防結(jié)霜有多種方式，如抽真空、加窗口、加氣簾等。采用抽真空的方式，需要加裝一套抽真空裝置，使靶標(biāo)輻射區(qū)形成真空，但機(jī)電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能便攜使用。靶標(biāo)輻射區(qū)在低溫區(qū)段輻射的能量很弱，采用加窗口的方式會(huì)降低探測(cè)器能夠探測(cè)到的輻射能量，影響最終的信號(hào)輸出。加氣簾方式就是將干燥的氮?dú)庖涟袠?biāo)輻射區(qū)表面，阻隔潮濕空氣與靶標(biāo)輻射區(qū)直接接觸。由于市場(chǎng)上的氮?dú)饧兌炔粔颍瑢?shí)際使用時(shí)靶標(biāo)輻射區(qū)仍然會(huì)結(jié)霜。

測(cè)溫系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為2.5 ms，可快速完成靶標(biāo)輻射區(qū)的能量采集。在靶標(biāo)輻射區(qū)設(shè)計(jì)一個(gè)密封裝置，即防結(jié)霜模塊，利用時(shí)間差實(shí)現(xiàn)防結(jié)霜功能。當(dāng)靶標(biāo)輻射區(qū)溫度低于0 ℃時(shí)，快速開(kāi)合防結(jié)霜模塊進(jìn)行標(biāo)定。因開(kāi)合時(shí)間極短，可有效防止靶標(biāo)輻射區(qū)結(jié)霜。

5 測(cè)試及分析

5.1 試驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試測(cè)溫靶標(biāo)的溫度控制范圍、溫度控制誤差、溫度穩(wěn)定性。通過(guò)靶標(biāo)面板設(shè)定靶標(biāo)輻射區(qū)達(dá)到某一溫度時(shí)穩(wěn)定約10 min，記錄靶標(biāo)面板實(shí)時(shí)顯示的輻射區(qū)溫度。試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為40%；周圍環(huán)境無(wú)熱源，無(wú)腐蝕性氣液體，無(wú)強(qiáng)電磁環(huán)境。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)，測(cè)溫靶標(biāo)可在-40～60 ℃實(shí)現(xiàn)溫度控制，溫度控制誤差小于0.5 ℃，溫度穩(wěn)定性好。

表1 測(cè)溫靶標(biāo)測(cè)試結(jié)果

5.2 應(yīng)用測(cè)試

搭建系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)，利用測(cè)溫靶標(biāo)對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，如圖6 所示。進(jìn)行測(cè)溫標(biāo)定時(shí)，調(diào)整靶標(biāo)、輪速盤與測(cè)溫系統(tǒng)的相對(duì)位置，使測(cè)溫系統(tǒng)通過(guò)輪速盤通光孔瞄準(zhǔn)靶標(biāo)輻射區(qū)中心。設(shè)置測(cè)溫靶標(biāo)溫度，使其穩(wěn)定在-40 ℃，打開(kāi)測(cè)溫系統(tǒng)采集靶標(biāo)輻射能量。升高靶標(biāo)溫度，每隔一定溫度記錄1 次測(cè)溫系統(tǒng)采集的電壓數(shù)據(jù)，直到60 ℃，數(shù)據(jù)采集完成。數(shù)據(jù)包括靶標(biāo)溫度和測(cè)溫系統(tǒng)采集的電壓數(shù)據(jù)，采用逐步回歸法擬合，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.998 96，滿足標(biāo)定需求。

圖6 測(cè)溫靶標(biāo)標(biāo)定

6 結(jié)語(yǔ)

基于熱輻射原理研制的無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)，模擬軌道板溫度輻射特性，可提供特定溫度下的軌道板紅外輻射，用于無(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)溫標(biāo)定。

本文介紹了無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)的本體、加熱制冷及溫度控制模塊、防結(jié)霜模塊的研制方案，并對(duì)無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)砟軌道板測(cè)溫靶標(biāo)可在-40～60 ℃實(shí)現(xiàn)溫度控制，誤差小于0.5 ℃，溫度穩(wěn)定性好，滿足無(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)溫標(biāo)定需要，可作為無(wú)砟軌道板紅外測(cè)溫系統(tǒng)的標(biāo)定手段。