便攜式無砟軌道板測溫靶標研制及應用

王琰

（中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081）

準確快速測量無砟軌道板溫度變化，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。基于紅外輻射測溫原理的無砟軌道板溫度高速動態測量系統［1］以運行速度350 km/h 的高速綜合檢測列車［2］為載體，以250 mm 等間距動態高速實時監測軌道板溫度，用以分析軌道結構承載變形［3］。該系統在出廠前或使用一段時間后必須進行標定，以保證測溫的準確性［4］。該系統通常以標準黑體［5］為標定靶標，由于不同材料的輻射發射率不同［6］，須對物體的輻射發射率進行修正。物體的輻射發射率隨表面狀態、溫度變化而變化，難以準確獲取，通常使用的輻射發射率都有一定偏差，導致輻射發射率修正［7］過程中必然引入一定的誤差。

為提高無砟軌道板溫度高速動態測量系統（以下簡稱測溫系統）的測溫精度，研制了基于無砟軌道板板材的測溫靶標，模擬軌道板溫度輻射特性，用于標定測溫系統。標定數據中包含軌道板輻射發射率隨溫度的變化信息，溫度反演［8］過程中無需進行發射率修正，避免測溫系統引入輻射發射率修正誤差。

本文介紹無砟軌道板測溫靶標的本體、加熱制冷及溫度控制模塊、防結霜模塊的研制，設計了無砟軌道板測溫靶標的測試試驗。

1 無砟軌道板測溫靶標研制方案

根據熱力學原理，所有物體都會以電磁波的形式向外發射能量。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，稱熱輻射。無砟軌道板測溫靶標（以下簡稱測溫靶標）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型板式無砟軌道板表層在大氣環境中低溫可達-40 ℃、高溫可達60 ℃且連續可變［9］。為實現測溫靶標在-40～60 ℃連續可變并有足夠的溫度精度，須設計加熱制冷及溫度控制模塊；測溫靶標在低溫下工作，輻射區表面極易產生結霜現象，須設計防結霜模塊。測溫靶標研制內容主要包括靶標本體、加熱制冷及溫度控制模塊、防結霜模塊，其構成如圖1所示。

圖1 無砟軌道板測溫靶標的構成

2 靶標本體

靶標本體的輻射區是其關鍵結構（圖2），其表面為雙層無砟軌道板板材，厚度為1～2 mm。板材內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節指令，調節靶標溫度；鉑電阻監測靶標溫度及其均勻性。

圖2 靶標本體輻射區結構

測溫靶標對測溫系統進行標定時，測溫系統在靶標本體輻射區的法線方向上，如圖3 所示。其中：p為輻射區的直徑；d為測溫系統到靶標本體輻射區的法向距離；α為測溫系統的視場角。

圖3 靶標本體輻射區與測溫系統的法向關系

靶標本體輻射區輻射能量的區域滿足

測溫系統α =5°，d =630 mm。代入式（1），計算得靶標本體輻射區的最小直徑約為55.01 mm。為便于加工制作，靶標本體輻射區的直徑取60 mm。為便攜實用，考慮其他裝置的結構尺寸，確定靶標本體長150 mm，寬250 mm，高300 mm，質量約5 kg，構造如圖4所示。

圖4 靶標本體構造

3 加熱制冷及溫度控制模塊

測溫靶標采用履帶式加熱片和半導體制冷片實現靶標本體輻射區的加熱和制冷。履帶式加熱片形狀可塑，熱利用率高，最高工作溫度可達1 050 ℃；半導體制冷片基于電流換能，無制冷劑污染，最低工作溫度可達-130 ℃。二者符合測溫靶標在-40～60 ℃溫度連續可變的要求，且沒有滑動部件，適合在靶標輻射區的軌道板材內表面狹小空間應用。半導體制冷片通過控制輸入電流實現高精度的溫度控制，加上溫度監測和控制手段，易于實現計算機控制，組成自動控制系統。

靶標本體輻射區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良且測溫精度高，通過電路優化組合及線性化處理，可有效提高溫度分辨率。靶標本體輻射區的溫度監測來自貼片式鉑電阻的平均溫度，這種方式可有效提高輻射區溫度監測的精度，減小由于加熱制冷不均勻引起的誤差。

通過 PID（Proportion Integration Differentiation）控制器控制履帶式加熱片和半導體制冷片工作，實現靶標本體輻射區溫度控制，原理如圖5 所示。靶標輻射區溫度低于設定溫度時，啟動履帶式加熱片加熱；靶標輻射區溫度高于設定溫度時，啟動半導體制冷片制冷；通過PID 控制器監測均布于軌道板材夾層不同位置的鉑電阻同一時段的溫差來實現溫度均勻控制，最終實現靶標輻射區的溫度平衡穩定，并在溫度顯示及設定裝置上實時顯示。

圖5 溫度控制模塊工作原理

4 防結霜模塊

當靶標輻射區在0 ℃以下低溫段時，由于輻射區表面與環境空氣自然對流，環境中的潮濕冷空氣就會在輻射區表面形成凍霜。凍霜遮蔽輻射區表面的軌道板材會影響其輻射發射率，降低測溫系統在低溫區段的標定準確度。

防結霜有多種方式，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，使靶標輻射區形成真空，但機電結構復雜，不能便攜使用。靶標輻射區在低溫區段輻射的能量很弱，采用加窗口的方式會降低探測器能夠探測到的輻射能量，影響最終的信號輸出。加氣簾方式就是將干燥的氮氣引至靶標輻射區表面，阻隔潮濕空氣與靶標輻射區直接接觸。由于市場上的氮氣純度不夠，實際使用時靶標輻射區仍然會結霜。

測溫系統響應時間為2.5 ms，可快速完成靶標輻射區的能量采集。在靶標輻射區設計一個密封裝置，即防結霜模塊，利用時間差實現防結霜功能。當靶標輻射區溫度低于0 ℃時，快速開合防結霜模塊進行標定。因開合時間極短，可有效防止靶標輻射區結霜。

5 測試及分析

5.1 試驗測試

通過試驗測試測溫靶標的溫度控制范圍、溫度控制誤差、溫度穩定性。通過靶標面板設定靶標輻射區達到某一溫度時穩定約10 min，記錄靶標面板實時顯示的輻射區溫度。試驗環境溫度為25 ℃，相對濕度為40%；周圍環境無熱源，無腐蝕性氣液體，無強電磁環境。測試結果見表1。可見，測溫靶標可在-40～60 ℃實現溫度控制，溫度控制誤差小于0.5 ℃，溫度穩定性好。

表1 測溫靶標測試結果

5.2 應用測試

搭建系統標定試驗臺，利用測溫靶標對測溫系統進行標定，如圖6 所示。進行測溫標定時，調整靶標、輪速盤與測溫系統的相對位置，使測溫系統通過輪速盤通光孔瞄準靶標輻射區中心。設置測溫靶標溫度，使其穩定在-40 ℃，打開測溫系統采集靶標輻射能量。升高靶標溫度，每隔一定溫度記錄1 次測溫系統采集的電壓數據，直到60 ℃，數據采集完成。數據包括靶標溫度和測溫系統采集的電壓數據，采用逐步回歸法擬合，相關系數達0.998 96，滿足標定需求。

圖6 測溫靶標標定

6 結語

基于熱輻射原理研制的無砟軌道板測溫靶標，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，用于無砟軌道板溫度高速動態測量系統的測溫標定。

本文介紹了無砟軌道板測溫靶標的本體、加熱制冷及溫度控制模塊、防結霜模塊的研制方案，并對無砟軌道板測溫靶標進行了測試。測試結果表明，無砟軌道板測溫靶標可在-40～60 ℃實現溫度控制，誤差小于0.5 ℃，溫度穩定性好，滿足無砟軌道板溫度高速動態測量系統的測溫標定需要，可作為無砟軌道板紅外測溫系統的標定手段。