一種阻容器電容量在線監測系統的設計

陳良勇

摘要：目前鐵路信號設備大量使用的阻容器件，由于沒有電容的容量在線檢測手段，經常發生電容容量下降，造成繼電器緩放時間不足而引起信號設備故障。文章描述了一種通過霍爾電流傳感器實現與既有電路隔離采樣，運用電子技術、數字處理技術、無線傳輸技術，實現阻容器件的電容容量在線測量和報警的小型檢測系統的設計。

關鍵詞：鐵路信號設備；電容容量；在線監測系統；阻容器件；繼電器；設備故障 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM912 文章編號：1009-2374（2016）05-0006-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.004

目前鐵路信號設備大量使用阻容器件，阻容器件使繼電器緩吸或緩放，起到與其他器材協調工作的作用。當阻容器件電容容量下降后，繼電器的緩吸或緩放時間變短，將造成設備不能正常工作、影響信號設備的正常使用、降低行車效率的現象發生。由于沒有電容的容量在線檢測手段，目前對于大量使用的阻容盒中的電容的容量變化時無法及時進行定性或定量的檢測，只能采用人工測量電容容量的方法，當容量下降至一定值后進行更換。然而實際上這樣根本無法操作：（1）阻容數量龐大；（2）需停用設備；（3）電容容量下降是一個緩慢的過程，每次測量值變化不大，容易造成維護人員對測試不認真甚至不測的現象。為保證設備的正常使用，只能采用定期更換的方式進行避免。但由于電容質量的分散性、使用環境等原因，定期（5年）更換也不能保證在周期內可靠使用。研究關于電容容量在線檢測與報警的小型檢測系統，實現對鐵路信號阻容器件的電容容量進行在線監測和劣化指示報警，當其容量下降一定值后進行聲光報警，并向信號集中監測系統提供報警開關量，從而消除因電容容量下降造成的信號設備故障，這對減少維護工作量和降低維護費用、提高鐵路運輸效率、保證行車安全有著重大的意義。

1 檢測系統研究內容概述

1.1 檢測系統原理與構成

該小型檢測系統基于霍爾傳感技術、微電子技術、數字濾波技術構成，檢測系統（劣化指示阻容盒）包括硬件和軟件兩部分。其中硬件由電氣隔離采樣、信號處理、AD轉換和邏輯運算及顯示報警單元組成。通過隔離檢測電容充電時的電流，經過信號處理和高速A/D轉換，將數字化信號送入高速單片機進行數字濾波和運算，計算出電容容量，根據計算結果進行顯示或報警。電氣隔離采樣模塊采用集成霍爾電流傳感器對電容的充電電流進行隔離差分采樣和差分放大，使用純鐵制成的屏蔽體解決外部電磁場、靜磁場對采集信號的干擾。

1.2 檢測系統研究內容及技術指標

對歷年來由于電容故障造成設備故障進行統計分析，分析匯總阻容類型及規格以及可能影響本系統的外部干擾因素（如電磁場干擾、靜磁場干擾等），確定系統研制重點包括測量電路與原有電路電氣隔離、電容測量方法、測量精度±5%、電容容量劣化分級報警、在信號機械室內復雜的電磁環境下能可靠工作、無線數據傳輸及報警。檢測系統技術指標：（1）工作電壓：直流24V±2V；（2）工作電流：不大于40mA；（3）測量精度：±5%；（4）環境溫度：-30℃～+55℃；（5）相對濕度：不大于85%（+25℃）；（6）外形規格：與普通安全繼電器外型相同。

2 檢測系統硬件構成與軟件流程

2.1 硬件構成

硬件由電氣隔離采樣、信號處理、AD轉換和邏輯運算、顯示及報警等單元組成，如圖1所示：

2.1.1 供電。供電電源輸入設置限流保護電路，采用帶隔離的DC-DC電源模塊B2409T-1W，其隔離電壓1000VDC，確保了外部電源與監測設備的電氣隔離。電路中用到的電源電壓經過多次線性穩壓而得，極大地提高了電源的穩定性和可靠性。

2.1.2 傳感器。采用電氣隔離的傳感器完成信號的采集。對電流的隔離采樣有溫度傳感、電磁傳感、光電傳感、霍爾電流傳感等方法。其中霍爾電流傳感是電流通過導體時，在導體周圍產生磁場，其磁場的大小與電流大小相關。通過測量導體周圍的磁場實現電流的測量。該方法適用范圍廣，可用于交變電流、直流和各種脈沖信號的采樣檢測，但對外界的磁場敏感。經試驗，霍爾電流傳感的采樣結果基本達到預期要求，采樣結果與其通過的電流大小高度相關。經調查比選，確定采用集成霍爾電流傳感器。由于不同阻容器件的電阻、電容值大小不一，電阻15～12000Ω、電容4～4700μF，其充電的電流也大小不一。通過霍爾電流傳感器的采樣的信號極其微弱，其有用信號常常被淹沒在干擾信號之中。為此，采用雙傳感器組成反相結構，通過差分放大（如圖2所示），對共模信號進行抑制，大幅提高信噪比。

圖2 差分放大電路

由于霍爾電流傳感器是通過檢測磁場強度的方式實現采樣的，對外部磁場干擾非常敏感，因此必須對外界的磁場進行有效屏蔽。將傳感器置于純鐵制成的密封圓筒（如圖3所示）內，經試驗得知對交變電磁場和靜磁場的防護均有良好效果，其干擾基本排除。

2.1.3 前端處理。放大部分采用了工業級的低功耗集成四運放電路LM224，LM324內含4個獨立的高增益、頻率補償的運算放大器，既可接單電源使用（3～30V），也可接雙電源使用（±1.5～±15V），驅動功耗低，可與TTL邏輯電路相容。這四運放分別構成差分放大電路、幅值放大電路、有源低通濾波器和比較器電路。

2.1.4 零點自動調整。由于器件及外部環境的干擾，造成放大器的零點發生漂移，從而造成測量誤差大，為此使用單片機的PWM（脈沖寬度調制）功能，實現放大電路零點自動調整，以保證測量精度。

2.1.5 運算單元。微處理器采用了高速、低功耗、超強抗干擾的工業級單片機STC12LE5A32S2-35I-LQFP44，工作頻率最大可達35MHz、具有在系統可編程（ISP）/在應用可編程（IAP）功能、其速度比傳統的8051單片機速度快8～12倍，其內部集成了MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S，即25萬次/秒），具有上升沿中斷的PCM模塊、4個16位定時器、工作溫度范圍：-40℃～+85℃。其內部結構如圖4所示：

圖4 STC12LE5A32S2-35I-LQFP44內部結構

第一，A/D轉換及數據處理。STC12LE5A32S2的A/D轉換是逐次比較型ADC，具有轉換速度高、功耗低等優點。當電容充電發生時，由硬件電路啟動A/D轉換，每次連續采樣8個數據，去2個最大值和2個最小值，再取余下4個數據的平均值作為一組采樣數據，繼續進行下一組采樣，直至電容充電結束。所產生的數組序列，用于電容容量的計算。

第二，測量算法。測量方法：電容充放電公式：I=（E/R）×e-t/（R×C），時間常數τ=R×C。在充電時，每過一個τ的時間，電容器上電壓就上升（1-1/e），約等于0.632倍的電源電壓與電容器電壓之差，放電時相反；通過測量充電電流從最大值降至最大值的0.632倍時的時間T，T即為時間常數，計算出電容值C=T/R。

2.1.6 顯示及報警。完成電容容量下降（劣化）時的聲光報警和開關量報警。

2.2 軟件設計

軟件采用Keil C編程，采用了模塊化設計，包括了AD采樣模塊、采樣數據處理模塊、顯示及報警模塊、放大器零點調整模塊、配置及相關數據存儲模塊。模塊化設計確保程序的可靠性和良好的維護性。

2.2.1 AD采樣模塊。在單片機中開辟一個固定長度的緩存區，確保采樣數據不丟失。A/D采樣時，每組數據間的間隔是一個固定值，為后續的電容計算做準備。軟件執行流程如圖5所示：

2.2.2 采樣數據處理模塊對采樣數據進行數字濾波后進行電容容量計算和顯示報警判斷，如圖6所示。將緩沖區中的數據進行逐個比較，找出最大值，該最大值即為電容充電時的電流最大值，再將該最大值后的數組逐個與最大值計算比例：Vx/Vmax，當Vx/Vmax=0.632時，計算最大值與該數組間的時間差T，該值即為該阻容器件的時間常數，通過C=T/R計算得出電容值。

2.2.3 顯示及報警模塊完成狀態顯示和報警控制。

2.2.4 放大器零點自動調整模塊通過單片機的PWM功能來實現放大器零點自動調整。每次測量結束后進行零點自動調整，根據靜態時的測量值，通過單片機的PWM功能，輸出一定占空比的脈沖序列，將放大器的零點穩定在一定的范圍之內，以保證每次測量的基準都是相同的，從而滿足測量精度的要求，如圖7所示：

2.2.5 配置及相關數據存儲模塊。保存放大器幅值調整值等。由于阻容器件的規格眾多，如單阻容的配置就有100μF/51Ωμ（YX）、220μF/51Ωμ（F）、470μF/51Ωμ（LXZ）、1000μF/51Ωμ（Q）、470μF/510Ωμ（B1）……，通過對電容規格和電阻規格的不同配置而適用各種阻容規格和放大幅值配置，從而實現硬件通用，盡量減少電路板規格。

2.3 顯示和聲音報警

該硬件外圍設置包括單阻容盒與道岔阻容盒兩部分，其報警顯示與聲音設置分別如表1、表2所示：

3 結語

劣化指示阻容盒是一種采用微電子技術改造、替代傳統信號器材的產品，實現信號阻容器件的電容在線隔離監測、容量下降（劣化）后聲光報警、向信號集中監測系統提供報警開關量等功能。它的研制成功填補了鐵路信號阻容器件的電容監測空白，使鐵路信號阻容器件處于可控狀態，實現阻容器件由定期輪修改為狀態修，提高設備的可用性、可靠性，減少甚至避免因電容容量不足造成的信號設備故障，提高勞動生產效率，保證行車安全，其經濟效益、安全效益是無法估量的。

參考文獻

[1] 楊世興，郭秀才，楊潔.測控系統原理與設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

（責任編輯：周 瓊）