基于多探頭齒輪箱溫度傳感器國產化的設計研究

龍云 王睿超 崔杰

摘 要：根據“十一五規劃”我國大力發展快速軌道交通。并通過引進國際先進技術，快速消化理解核心技術，提高我國在軌道交通領域生產設計水平。本文論述的孚艾德齒輪箱溫度傳感器是為某鐵路新型列車所設計的一種集成式結構的溫度傳感器，安裝于轉向架的齒輪箱上，監測鐵路車輛軸箱和齒輪箱的即時溫度。本品應用環境溫度高，所以在設計時考慮了其耐高溫性能，經對原理、材料及結構分析后進行設計。

關鍵詞：溫度傳感器;溫度一致性;熱響應時間

1 孚艾德齒輪箱溫度傳感器設計指標

a）工作溫度：-40℃～200℃，短時工作在250℃;b）允許誤差范圍：B級（0.30+0.005|t|）;c）工作電流：≤5mA，推薦1mA;d）防護等級：IP68;e）絕緣電阻：大于200MΩ/500V;f）耐電壓：AC1000V/50Hz;g）振動與沖擊：符合GB/T 21563-2008中三類車軸安裝的振動和沖擊要求;h） 多路感溫元件溫度檢測一致性：小于3℃。i） 熱響應時間 τ0.9≤12s。

2 孚艾德齒輪箱溫度傳感器設計總方案（詳見圖1）

首先從孚艾德齒輪箱溫度傳感器工況分析考慮機械防護方面與電信號檢測功能兩方面。考慮到工況溫度跨度大，并在動車轉向架上無保護，且振動沖擊量值較大。殼體防護方面選用探頭組件與壓接夾布膠管結構防護。考慮到孚艾德齒輪箱結構特點，選用四點測溫通過轉接盒連接集成統一連接器方式測量傳遞電信號。

2.1 電器結構設計

孚艾德齒輪箱溫度傳感器電氣原理圖詳見圖2，利用鉑熱電阻在溫度變化時自身阻值也隨之改變的特性，將車軸轉動引起的溫度變化轉化為電信號輸出給控制臺，顯示儀表將指示出鉑電阻的電阻值所對應的溫度值，從而監測機車齒輪箱的即時溫度，保證列車安全運行。

2.2 線纜組件

線纜組件由導線、熱縮管和鉑熱電阻組成。導線與鉑熱電阻通過錫焊連接在一起，并用熱縮管對焊點及鉑熱電阻縮封防護。線纜組件的鉑熱電阻一端置入探頭組件的保護管頂端，并在保護管內用導熱性高、流動性好的灌封膠灌封固定，保證鉑熱電阻的耐震動型、導熱型、絕緣性等要求。為了滿足產品短時250℃的溫度使用范圍，選用耐高溫+300℃的高溫焊錫。鉑電阻是實現溫度傳感器產品功能的元器件，該鉑電阻為PT100，選用德國進口產品，電氣性能穩定，溫度和電阻關系近于線性，使用溫度范圍為-200℃～+850℃。導線為2×0.2mm2屏蔽線電纜，外徑不超過3.8mm，采用阻燃且低煙無毒材料，防火安全性能指標符合BS6853-1999要求，工作溫度-40℃～200℃，短時工作在250℃。

2.3 前護套組件

前護套組件由夾布膠管、外套筒、內套筒組成。橡膠護套選用阻燃材料，防火性能符合DIN5510-2-2009中3級及以上標準要求，耐溫-40℃～150℃。為滿足產品IP68防護等級，要求能通過氣密性試驗。對內部施加0.04～0.06MPa氣壓，檢測外表面應無漏氣現象。

2.4 轉接盒組件

轉接盒把四個探頭線纜集合成一體，通過護套組件保護連接尾部電連接器。通過螺紋連接前護套組件與后護套組件結構。為實現產品IP68防護等級在連接處都有密封圈密封結構。設計初期采用兩孔灌膠結構，經過試驗其生產效率較低。對灌封結構進行優化設計，采用較成熟的開蓋灌封結構，總裝后用環氧型電子導熱膠對轉接盒進行灌封處理，待其固化后在凹槽內放入密封圈裝入蓋板，沉頭螺釘涂抹螺紋緊固膠后固定蓋板。

3 關鍵工藝設計

3.1 導線與殼體之間的耐電壓

孚艾德齒輪箱溫度傳感器的線芯與殼體之間要求經過電壓1000V/50Hz，歷時1min，試驗后，產品應無擊穿或閃絡現象，漏電流小于5mA。產品線纜的一端壓接HARTING插針，送入絕緣體裝入HARTING殼體;另一端與鉑熱電阻PT100進行焊接，并放置在探頭組件保護管中。在導線與鉑熱電阻焊接后，將鉑熱電阻兩引腳塑封壁厚0.23mm 3/32熱縮管。熱縮管擊穿強度≥30KV/mm，單層熱縮管擊穿強度為6.9KV。滿足耐電壓要求。為提高產品耐壓指標。鉑電阻與焊接引腳處還要套3層熱縮管進行保護。使得鉑電阻及焊接處位于保護管中心位置，與管壁之間填充擊穿電壓系數大于15Kv/mm的灌封膠，從而提高產品耐壓要求。

3.2 屏蔽層與殼體之間的耐電壓工藝設計

屏蔽層與殼體之間要求經過電壓1000V/50Hz，歷時1min，試驗后，產品應無擊穿或閃絡現象，漏電流小于5mA。產品中線纜的屏蔽層要求不能與殼體相連，而為了滿足產品電磁兼容性要求，線纜的屏蔽層須與殼體重疊，故將線纜的屏蔽層處理處放置于內套筒中，因此需對屏蔽層處理處進行防護措施以滿足耐電壓要求。在線纜的絕緣層切斷處，將絕緣層翻折，然后去除屏蔽層，在屏蔽層處用聚四氟薄膜繞三圈，最后用熱縮管縮封保護屏蔽層和絕緣層的處理處，經此工藝設計后，使得屏蔽層與殼體之間的耐電壓性能滿足產品要求。

參考文獻：

[1]蘇家健.自動檢測與轉換技術[M].北京電子工業出版社.

[2]北京賽億凌科科技有限公司.鉑電阻溫度傳感器.