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(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000)

1 引言

近些年隨著中國(guó)鐵路的大發(fā)展，動(dòng)車組對(duì)設(shè)備可靠性以及舒適度的要求也越來(lái)越高。水箱的可靠運(yùn)行是旅客攝水量的保證，其中水箱水位是水箱的重要控制參數(shù)，目前動(dòng)車組上水位傳感器的故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了旅客的正常飲水，因此開(kāi)展車載水箱水位傳感器的故障研究是十分必要的。

水箱傳感器由干簧管和外部控制磁鐵組成，通過(guò)改變它們距離來(lái)改變傳感器的導(dǎo)通情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水箱水位傳感器進(jìn)行了相關(guān)的研究，馬媛[1]實(shí)現(xiàn)了基于STC單片機(jī)的高可靠性水位傳感器設(shè)計(jì)，其中分別對(duì)傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件等進(jìn)行原理說(shuō)明，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)對(duì)水箱控制系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及診斷；蘇紅[2]提出了一種通過(guò)構(gòu)建RBF網(wǎng)絡(luò)估值器的故障診斷方法來(lái)實(shí)現(xiàn)水箱診斷系統(tǒng)的自動(dòng)化和系統(tǒng)化。針對(duì)車載水箱傳感器，由于我國(guó)地域跨度大，環(huán)境復(fù)雜多變，車載水箱傳感器[3]工作溫度場(chǎng)變化差異顯著。因此，溫度可能是導(dǎo)致車載水箱傳感器故障的原因。有必要針對(duì)中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)范圍內(nèi)大部分地區(qū)的極限溫度進(jìn)行取值，并根據(jù)相應(yīng)的溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

本文針對(duì)溫度對(duì)車載水箱傳感器[4]的影響進(jìn)行了研究：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了極限溫度場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)并研究了溫度對(duì)干簧管的影響，搭建了磁鐵居里溫度測(cè)試平臺(tái)研究了外部強(qiáng)磁環(huán)境對(duì)外部控制磁鐵工作狀態(tài)的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)提出了針對(duì)動(dòng)車組水箱的故障檢測(cè)與診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車組車載水位傳感器的準(zhǔn)確快捷地在線檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 干簧管性能測(cè)試

為了測(cè)試該傳感器的實(shí)際性能，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，圍繞傳感器所在的信號(hào)輸出端口，包括為其提供不同的溫度場(chǎng)(低溫試驗(yàn)箱和真空高溫干燥箱)。實(shí)驗(yàn)根據(jù)所設(shè)定的溫度范圍從-70°～160°，選取相同條件下的車載水箱傳感器置于不同溫度場(chǎng)中10min，之后保持在相同的溫度下測(cè)量其性能。

圖1 極限溫度場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)

2.2 外部控制磁鐵的性能測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用如圖2所示的RL交流電橋，在電橋中輸入電源由信號(hào)發(fā)生器提供，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)適當(dāng)選擇較高的輸，出頻率，為信號(hào)發(fā)生器的角頻率。其中Z1和Z2為純電阻，Z3和Z4為電感(包括電感的線性電阻r1和r2，F(xiàn)D-FMCT-A型鐵磁材料居里溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀中還接入了一個(gè)可調(diào)電阻R3)，其復(fù)阻抗為：

Z1=R1

Z2=R2

Z3=r1+jωL1

Z4=r2+jωL2

(1)

當(dāng)電橋平衡時(shí)有

R1(r2+jωL2)=R2(r1+jωL1)

(2)

實(shí)部與虛部分別相等，得：

(3)

圖2 RL交流電橋

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及診斷方案提出

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1 干簧管極限工作溫度測(cè)試

表1所示干簧管[5]在極限工作情況下的溫度場(chǎng)測(cè)試，通過(guò)表1可知車載水箱傳感器的核心就是干簧管，在正常工作下穩(wěn)定度較高。在正常溫度場(chǎng)波動(dòng)范圍內(nèi)，干簧管性能幾乎沒(méi)有受到影響。除非是極端情況下，溫度到達(dá)-70°或者是160°，這樣極限溫度下才可能會(huì)對(duì)干簧管的性能產(chǎn)生影響和改變。

表1 極限工作情況下的溫度場(chǎng)測(cè)試

3.1.2 磁鐵居里溫度測(cè)試

選擇合適的電子元件相匹配，在未放入鐵氧體時(shí)，可直接使電橋平衡，但當(dāng)其中一個(gè)電感放入鐵氧體后，電感大小發(fā)生了變化，引起電橋不平衡。在溫度變化的過(guò)程中，我們實(shí)時(shí)記錄下電橋電壓和溫度對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2所示為輸出電壓和加熱溫度的關(guān)系。表2表明電橋電壓差隨著溫度升高而降低，變化率也在明顯變化。

表2 外部控制磁鐵樣品交流電橋輸出電壓與加熱溫度關(guān)系

圖3所示隨著溫度的上升到某一個(gè)值時(shí)，鐵氧體的鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，CD兩點(diǎn)間的電位差發(fā)生突變并趨于零，電橋又趨向于平衡，這個(gè)突變的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度130°就是居里溫度。當(dāng)內(nèi)外水箱的溫度或者是環(huán)境溫度到達(dá)于此，磁鐵的性能將會(huì)受到嚴(yán)重的影響和干擾，會(huì)直接影響車載水箱傳感器液面的準(zhǔn)確判斷和供給水源，從而造成水資源的浪費(fèi)甚至是嚴(yán)重事故的發(fā)生。

圖3 控制磁鐵的居里溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.2 在線診斷方案

基于上述試驗(yàn)結(jié)果分析，本文提出了如下的車載水箱傳感器診斷方案，主要包括靜止?fàn)顟B(tài)的檢測(cè)與動(dòng)態(tài)狀態(tài)的檢測(cè)，靜止?fàn)顟B(tài)主要用于判斷不方便拆卸和安裝好的傳感器，而動(dòng)態(tài)狀態(tài)檢測(cè)用于未安裝的傳感器。

靜止?fàn)顟B(tài)的檢測(cè)：先將萬(wàn)用表置于輸入擋，兩個(gè)表筆分別接于水箱傳感器的兩個(gè)引出線，測(cè)量的阻值應(yīng)為無(wú)窮大。

動(dòng)態(tài)狀態(tài)的檢測(cè)：用水位傳感器的可旋轉(zhuǎn)的部分(外部控制磁鐵)靠近信號(hào)感知部分，此時(shí)萬(wàn)用表的指針應(yīng)該向右擺至零，說(shuō)明水位傳感器已經(jīng)導(dǎo)通，然后將水位傳感器的可旋轉(zhuǎn)的部分移動(dòng)遠(yuǎn)離信號(hào)感應(yīng)部分，萬(wàn)用表指針應(yīng)向左回?cái)[至無(wú)窮大。測(cè)試時(shí)，如果外部控制磁鐵靠近信號(hào)感應(yīng)部分四方，萬(wàn)用表指針沒(méi)有開(kāi)始擺動(dòng)或者擺動(dòng)不到零位，說(shuō)明其內(nèi)部干簧管不能很好吸合，表明該干簧管間隙過(guò)大或者已經(jīng)發(fā)生位移，如果外部控制磁鐵遠(yuǎn)離信號(hào)感應(yīng)部分，干簧管不能很快斷開(kāi)，說(shuō)明該干簧管的簧片彈性已經(jīng)減弱，這樣的水位傳感器已經(jīng)不能夠再次穩(wěn)定的工作。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)中車載水箱傳感器各個(gè)部分進(jìn)行性能測(cè)試，從-60°～155°是干簧管的工作范圍。同樣對(duì)控制磁鐵進(jìn)行居里溫度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，135°是磁鐵工作的溫度極限。對(duì)于不同安裝狀態(tài)的傳感器，使用萬(wàn)用表可以快速準(zhǔn)確判斷其工作狀態(tài)。鑒于以上結(jié)果，我們可以分析判斷正常工作情況下，干簧管性能更加穩(wěn)定，外部控制磁鐵的性能決定了傳感器的工作狀態(tài)。