用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统

技术领域

本发明涉及智能监测领域，尤其涉及一种用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统。

背景技术

为了保证机车受电弓（电气化铁道列车供电系统——受电弓，亦称为输电架）的良好取流，要求接触线和承力索必须保持一定的张力，必须对接触线和承力索的张力变化随时进行补偿，接触线和承力索长度受环境温度变化而改变。

传统的张力补偿装置主要有：滑轮补偿装置、棘轮补偿装置、弹簧补偿装置。虽然可以使用，但也存在一定的不足。

1、滑轮补偿装置存在不足：（1）风稳性差，影响行车安全和运行效率。（2）坠陀有掉块或丢块的风险，影响补偿精度和维护工作量。（3）不适合在长大隧道和大型桥梁应用，增加成本、延长工期。（4）无断线制动功能。（5）不美观。

2、棘轮补偿装置优点：棘轮与其他轮共为一体（1）比滑轮装置小。（2）具有断线制动功能。（3）传动效率高。存在不足：（1）成本高。（2）成品率低（国内采用砂型铸造）。（3）风阻性差。（4）不美观。

3、弹簧补偿装置优点：（1）结构紧凑、体积小。（2）维护工作量小。存在不足：（1）对安装精度要求高。（2）补偿行程有限。（3）弹簧易发生塑性变形，补偿效果恶化。

鉴于以上不足，亟需研发生产气动式张力补偿装置。该产品能自动有效地补偿接触线、承力索因温度变化而引起的长度改变产生的张力变化；弥补了现有产品存在的不足，保证接触线或承力索的恒张力，有效保障列车的运行安全。同时，气动式张力补偿器的充气阀在充气时的气体流量是影响气动式张力补偿器工作的重要参数之一，现有技术中，对缸筒内的充气阀在充气时的气体流量测试准确度不高，往往易造成误判。

发明内容

因此，为了克服上述问题，本发明提供一种用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统，其中，气动式张力补偿器包括充气阀、通气孔、储气筒、缸筒、活塞杆以及活塞，充气阀与储气筒连接，储气筒通过通气孔与缸筒连接，活塞设置于活塞杆的一端，活塞的上下部分分别与缸筒的内壁上下部分连接，再利用气体流量传感器、信号处理电路、温度监测模块、扩展模块、电源模块、单片机、液晶显示器对气动式张力补偿器的充气流量进行监测，其中，温度监测模块用于测试测试时缸筒内的温度信号，气体流量传感器和信号处理电路用于测试充气阀在充气是的气体流量信号，并将同一时刻测试所得温度信号和气体流量信号传输至单片机，进而实现了与温度对应的气体流量测试。

本发明提供的用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统包括气体流量传感器、信号处理电路、温度监测模块、扩展模块、电源模块、单片机、液晶显示器。

其中，温度监测模块的输出端与单片机的输入端连接，气体流量传感器的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端与单片机的输入端连接，扩展模块与单片机双向连接，电源模块与单片机连接，电源模块为单片机提供电力支持，液晶显示器与单片机连接。

其中，气动式张力补偿器包括充气阀、通气孔、储气筒、缸筒、活塞杆以及活塞，充气阀与储气筒连接，储气筒通过通气孔与缸筒连接，活塞设置于活塞杆的一端，活塞的上下部分分别与缸筒的内壁上下部分连接。

温度监测模块设置在缸筒内，温度监测模块用于采集缸筒内的温度信号，温度监测模块将采集到的温度信号传输至单片机，单片机对接收到的温度信号进行处理后传输至液晶显示器进行显示，气体流量传感器设置于储气筒内的充气阀处，气体流量传感器用于采集充气阀充气时的气体流量信号，气体流量传感器将采集到的气体流量信号传输至信号处理电路进行信号处理，信号处理电路对接收到的气体流量信号进行信号处理后传输至单片机，单片机将接收到的气体流量信号转换为气体流量值后将该气体流量值传输至液晶显示器进行显示，扩展模块用于外接测试传感器。

具体地，温度监测模块包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器以及第四温度传感器，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器以及第四温度传感器均匀等距设置于一底板上，底板设置于缸筒内，并与缸筒的上下内壁垂直设置，任意两个传感器之间的相对距离为Dij，则有

具体地，信号处理电路包括电阻R1-R13、电容C1以及运算放大器A1-A3，其中，电阻R7和电阻R13为滑动变阻器。

其中，气体流量传感器采集的气体流量信号Vin传输至电阻R4的一端，电阻R4的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的一端与电阻R3的一端连接，电阻R5的一端接地，电阻R3的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R6的一端与运算放大器A2的同相输入端连接，电阻R3的一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的一端与运算放大器A1的同相输入端连接，电阻R7的一端与运算放大器A2的反相输入端连接，电阻R7的一端还与电阻R9的一端连接，电阻R7的另一端与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R7的另一端还与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与运算放大器A1的输出端连接，电阻R9的另一端与运算放大器A2的输出端连接，电阻R10的一端与运算放大器A1的输出端连接的，电阻R10的另一端与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端接地，电阻R10的另一端还与运算放大器A3的同相输入端连接，电阻R11的一端与运算放大器A2的输出端连接，电阻R11的另一端与电阻R13的一端连接，电阻R11的另一端还与运算放大器A3的反相输入端连接，电阻R13的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电容C1的一端接地，电容C1的另一端与运算放大器A3的输出端连接，运算放大器A3的输出端与单片机的AD端口连接，运算放大器A3输出信号Vout至单片机的AD端口。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明提供一种用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统，其中，气动式张力补偿器包括充气阀、通气孔、储气筒、缸筒、活塞杆以及活塞，充气阀与储气筒连接，储气筒通过通气孔与缸筒连接，活塞设置于活塞杆的一端，活塞的上下部分分别与缸筒的内壁上下部分连接，再利用气体流量传感器、信号处理电路、温度监测模块、扩展模块、电源模块、单片机、液晶显示器对气动式张力补偿器的充气流量进行监测，其中，温度监测模块用于测试测试时缸筒内的温度信号，气体流量传感器和信号处理电路用于测试充气阀在充气是的气体流量信号，并将同一时刻测试所得温度信号和气体流量信号传输至单片机，进而实现了与温度对应的气体流量测试。

本发明提供的新型气动式张力补偿器利用惰性气体作为储能介质，利用储能气体与接触线随着温度的变化热胀冷缩原理来完成对导线张力的补偿，具体地，接触线和承力索的张力补偿是通过氮气的热胀冷缩推动活塞杆运动来进行。

温度升高：接触线伸长，气体膨胀推动活塞杆推进，二者同时、同量完成。

温度降低：接触线收缩，气体收缩拉动活塞杆伸出，二者同时、同量完成。

（2）本发明提供的一种用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统，本发明的发明点还在于，温度监测模块利用位于对称位置的温度传感器的温度理论上相等的原理，对四个传感器中的任两个进行比较，以提高温度监测精度。

（3）本发明提供的一种用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统，本发明的发明点还在于，本发明所提供的信号处理电路的放大倍数高，受温度变化影响小，共模抑制比强，使气体流量传感器的输出信号能够很好的得到放大，而共模信号被抑制。电阻R7起满量程调整作用，能够调节信号处理电路的电路放大倍数，使适用于不同的气体流量传感器和不同的电压需要。电阻R13是精确调整电位器，对其在500K附近微调，可以使运算放大器A3的电阻匹配成比例关系。从而消除了由于电阻不精确而导致放大倍数不准的问题，提高了整个信号处理电路的精度。

附图说明

图1为本发明的用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统的功能图；

图2为本发明的气动式张力补偿器的示意图；

图3为本发明的温度监测模块的示意图；

图4为本发明的信号处理电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统包括气体流量传感器、信号处理电路、温度监测模块、扩展模块、电源模块、单片机、液晶显示器。

其中，温度监测模块的输出端与单片机的输入端连接，气体流量传感器的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端与单片机的输入端连接，扩展模块与单片机双向连接，电源模块与单片机连接，电源模块为单片机提供电力支持，液晶显示器与单片机连接。

如图2所示，气动式张力补偿器包括充气阀1、通气孔2、储气筒3、缸筒4、活塞杆5以及活塞6，充气阀1与储气筒3连接，储气筒3通过通气孔2与缸筒4连接，活塞6设置于活塞杆5的一端，活塞6的上下部分分别与缸筒4的内壁上下部分连接。

温度监测模块设置在缸筒4内，温度监测模块用于采集缸筒4内的温度信号，温度监测模块将采集到的温度信号传输至单片机，单片机对接收到的温度信号进行处理后传输至液晶显示器进行显示，气体流量传感器设置于储气筒3内的充气阀1处，气体流量传感器用于采集充气阀1充气时的气体流量信号，气体流量传感器将采集到的气体流量信号传输至信号处理电路进行信号处理，信号处理电路对接收到的气体流量信号进行信号处理后传输至单片机，单片机将接收到的气体流量信号转换为气体流量值后将该气体流量值传输至液晶显示器进行显示，扩展模块用于外接测试传感器。

上述实施方式中，气动式张力补偿器包括充气阀1、通气孔2、储气筒3、缸筒4、活塞杆5以及活塞6，充气阀1与储气筒3连接，储气筒3通过通气孔2与缸筒4连接，活塞6设置于活塞杆5的一端，活塞6的上下部分分别与缸筒4的内壁上下部分连接，再利用气体流量传感器、信号处理电路、温度监测模块、扩展模块、电源模块、单片机、液晶显示器对气动式张力补偿器的充气流量进行监测，其中，温度监测模块用于测试测试时缸筒4内的温度信号，气体流量传感器和信号处理电路用于测试充气阀1在充气是的气体流量信号，并将同一时刻测试所得温度信号和气体流量信号传输至单片机，进而实现了与温度对应的气体流量测试。

本发明提供的新型气动式张力补偿器利用惰性气体作为储能介质，利用储能气体与接触线随着温度的变化热胀冷缩原理来完成对导线张力的补偿，具体地，接触线和承力索的张力补偿是通过氮气的热胀冷缩推动活塞杆5运动来进行。

温度升高：接触线伸长，气体膨胀推动活塞杆5推进，二者同时、同量完成。

温度降低：接触线收缩，气体收缩拉动活塞杆5伸出，二者同时、同量完成。

本发明采用的单片机是MSP430F149，它是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。其是一种超低功耗的混合信号控制器。

单片机在1.8-3.6V电压、1 MHz时钟条件下运行，耗电电流（在0.1-400uA）因不同的工作模式而不同，具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便，用中断请求将CPU唤醒只要6us，可编制出实时性特别高的源代码，可将CPU置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。

本发明提供的用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统还包括一与单片机连接的RS-485模块，RS-485数据信号采用差分传输，使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，发送驱动器A、B之间的正电平在+2-+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2-6V，是另一个逻辑状态，在RS-485中还有一“使能”端，用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑+1；与“0”的第三态。接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。

由于信号在传输线上传送，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象，从而影响信号的远距离传送，因此在本发明提供的用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统种采用电阻匹配方法来消除反射。双绞线的特性阻抗一般为110-130Ω。通常在传输线末端接120Ω的电阻进行阻抗匹配。

本发明提供的用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统还包括一与单片机连接的HART通信模块，HART通信模块连接成多站方式，一条总线连接多台现场设备，构成多站网络。

如图3所示，温度监测模块包括第一温度传感器7、第二温度传感器8、第三温度传感器9以及第四温度传感器10，第一温度传感器7、第二温度传感器8、第三温度传感器9以及第四温度传感器10均匀等距设置于一底板上，底板设置于缸筒4内，并与缸筒4的上下内壁垂直设置，任意两个传感器之间的相对距离为Dij，则有，

上述实施方式中，利用位于对称位置的温度传感器的温度理论上相等的原理，对四个传感器中的任两个进行比较，以提高温度监测精度。

如图4所示，信号处理电路包括电阻R1-R13、电容C1以及运算放大器A1-A3，其中，电阻R7和电阻R13为滑动变阻器。

其中，气体流量传感器采集的气体流量信号Vin传输至电阻R4的一端，电阻R4的另一端与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的一端与电阻R3的一端连接，电阻R5的一端接地，电阻R3的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R6的一端与运算放大器A2的同相输入端连接，电阻R3的一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的一端与运算放大器A1的同相输入端连接，电阻R7的一端与运算放大器A2的反相输入端连接，电阻R7的一端还与电阻R9的一端连接，电阻R7的另一端与运算放大器A1的反相输入端连接，电阻R7的另一端还与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与运算放大器A1的输出端连接，电阻R9的另一端与运算放大器A2的输出端连接，电阻R10的一端与运算放大器A1的输出端连接的，电阻R10的另一端与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端接地，电阻R10的另一端还与运算放大器A3的同相输入端连接，电阻R11的一端与运算放大器A2的输出端连接，电阻R11的另一端与电阻R13的一端连接，电阻R11的另一端还与运算放大器A3的反相输入端连接，电阻R13的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电容C1的一端接地，电容C1的另一端与运算放大器A3的输出端连接，运算放大器A3的输出端与单片机的AD端口连接，运算放大器A3输出信号Vout至单片机的AD端口。

上述实施方式中，气体流量传感器的相对误差小于0.25%。本发明提供的用于气动式张力补偿器的充气流量监测系统使用恒流源给气体流量传感器供电。在采集气体流量信号时，恒流源工作，给气体流量传感器提供大约1mA左右的电流，这样，气体流量传感器就能够精确的检测到气体流量信号，进入到信号处理电路的输入端。经过信号处理电路信号调理后的气体流量信号进入单片机，就可进行AD转换。单片机内部带有12位的AD转换模块，对于2.5V的基准，分辨率可以达到0.6mv，所以能够满足气体流量测试的精度要求。为了不影响系统低功耗的性能，运算放大器A1、运算放大器A2以及运算放大器A3均为LM234，且均采用引脚供电方式，采用间歇供电方式，只有在检测气体流量测试时才将引脚置高电平，其余时刻电平为低。

本发明所提供的信号处理电路的放大倍数高，受温度变化影响小，共模抑制比强，使气体流量传感器的输出信号能够很好的得到放大，而共模信号被抑制。电阻R7起满量程调整作用，能够调节信号处理电路的电路放大倍数，使适用于不同的气体流量传感器和不同的电压需要。电阻R13是精确调整电位器，对其在500K附近微调，可以使运算放大器A3的电阻匹配成比例关系。从而消除了由于电阻不精确而导致放大倍数不准的问题，提高了整个信号处理电路的精度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。