王雅柿 上海铁路局科学技术研究所

轨温计是测量钢轨表面温度的专用测量仪器。无论是线路的铺设施工和养护维修，还是换轨作业，以及工务部门的“三防”（防胀、防断、防暑）都必须以钢轨温度为主要依据。随着现代铁路的高速发展，对线路的要求也越来越高。因此，对于轨温计的准确度和稳定性等方面的要求，也相应地有了更高的标准。目前在线路上使用的轨温计，有双金属式钢轨测温计和模拟信号数字式钢轨测温计两种。由于双金属式轨温计精度低，已不能适应现代铁路的发展需要，已在逐步淘汰中。模拟信号数字式轨温计则因相对于双金属轨温计具有响应快、读数直观和抗干扰能力强等优点而在上世纪九十年代以后在全路被广泛地使用。

1 模拟信号数字式轨温计的工作原理及使用现状

模拟信号数字式轨温计最初是作为新型钢轨温度测量仪表替代原有指针式钢轨测温计投入使用的。其工作原理是利用半导体IC温度传感器AD590，将被测物体的温度转换成微电流信号，经A/V转换和放大及A/D转换，驱动显示器，直接显示被测温度值。其工作原理方框图见图1。

图1 模拟信号数字式轨温计工作原理框图

模拟信号数字式轨温计在使用初期因其相对于双金属式轨温计具有响应快、读数直观、抗干扰能力强等优点，受到一线使用人员的欢迎。但是，在长期的使用中，模拟信号数字式轨温计也逐渐暴露出了它的局限性，主要有以下几点：

（1）测量误差大。由于模拟信号在转换过程中产生的误差比较大，因此在检定过程中，经常会出现大量的超差产品。有时甚至于刚刚出厂进行首次检定的轨温计也会大量出现不合格现象。以2009年为例，截至11月底，我们共检定模拟信号的数字式轨温计938个，其中因超出允许误差而不合格的有153个，不合格率达到了16.3%。

（2）整机功耗大，所用电池使用寿命短且无电池容量显示功能。当电池电量不足后出现的测量误差也会随着电压的下降而增大，并随温度的升高逐步加大。我们随机抽查10个模拟信号数字式轨温计进行实验，实验结果见表1所示，误差分析图见图2所示。

（3）测温探头为柱形磁铁，吸附力集中在一侧或一点使轨温计工作面不能与钢轨很好贴合，从而导致测温不精确。

（4）探头（一次仪表）和显示器（二次仪表）之间的插接头处易出现短路、断路和接触不良。其原因在于多次插拔使触点间隙变大，插接头连线根部磨损，导致显示异常。而且一次仪表和二次仪表的配接要求十分严格，即互换性差。

表1 模拟信号数字式轨温计在不同工作电压下的检定结果

图2 不同工作电压下的误差分析图

（5）开关采用手拨式，极容易损坏，而且容易锈蚀。

（6）外形设计欠考虑，体积偏大，不易携带，无背景灯功能，夜间读数困难。模拟信号数字式轨温计由于其本身的工作原理及工艺和设计等方面的缺陷，在一定程度上影响了它的测量准确度及稳定性，已不能充分满足现代铁路的更高要求。

2 智能轨温计的研究思考

铁道部2008年新审定的《钢轨测温计》检定规程规定，为保证检定状态与轨温计实际工作状态的一致，“感温工作面不应有影响测温准确度的物质”，因此不能再使用导热硅脂。而在检定工作中我们发现，使用导热硅脂与否对误差的影响很大，尤其随着温度的升高，误差更明显。我们随机抽取了10个轨温计，检定结果见表2，误差分析见图3。

表2 模拟信号数字式轨温计是否采用导热硅脂对照表

图3 是否采用导热硅脂误差分析图

同时，为确保轨温计的检定方法更接近工作状态，我们在检定时中也改进了方法，取消了原先直接将传感器浸入水槽的方法而改之为将传感器工作面贴置于温场槽的方法。这样一来，目前在全路大量使用的模拟信号轨温计就不再能满足新规程的要求，再加上其误差修正困难，所以，必须寻求一种既能满足新规程要求，又能修正误差的新型轨温计。我们设想主要从改变工作原理方面来达到提高轨温计的测量准确度和稳定性，再通过降低功耗、完善工艺，优化电子线路结构和提高元器件质量等方面来设计能满足新形势下铁路发展需要的智能轨温计。

3 智能轨温计的工作原理及其特点

3.1 工作原理

通过对现场的大量调研和结合以前几种轨温计的使用情况，我们最后决定采用以宽电压数字温度传感器作为感温元件，带A/D转换的51系列单片机完成对传感器的控制及温度数据的显示和处理。

智能轨温计的工作原理：采用DS18B20单总线数字温度传感器对温度进行高速采样，用51系列的单片机及其外围电路完成对传感器的控制以及温度数据的显示和误差处理。原理方框图见图4。

图4 智能轨温计工作原理框图

3.2 智能轨温计的主要性能特征有以下几点

3.2.1 误差修正功能

误差修正功能不仅延长了轨温计的使用期限，而且还可以保证测量的精确。智能轨温计在检定后得到的示值误差，可以通过单片机控制增加或减少数字的方式来修正轨温计存在的系统误差。误差修正精度可达0.1℃。修正方法是可以通过微机的串口和轨温计连接，利用Keil单片机写入程序把误差的修正值从微机写入单片机，从而实现修正轨温计示值误差的目的。在进行轨温计检定的时候，如果检定的每个点都是正偏差或负偏差时，检定人员也可根据这一功能及时修正轨温计的系统误差，尽可能使测量值接近约定真值，而不是仅仅满足于在允许误差的范围内，这样，就进一步保证了轨温计的测量精度。

3.2.2 采用充电型锂电池并增加电池容量显示标志

用大容量锂电池代替迭层电池，并在LCD屏幕右上方增加电池容量显示标志，使用时可方便地察看电量并及时充电。从而保证了工作电压的稳定，减少了因电池电量低而引起的测量误差。

3.2.3 测温工作面温场平衡设计

智能轨温计的测温工作面内置磁铁用环形磁钢代替传统的柱形磁铁，使轨温计与钢轨的吸附力更强，测温更迅速，从而工作面更密贴，温场更均匀，从而保证了测量的准确性。

3.2.4 优化数字硬件电路的设计与工艺

选用高质量的传感器和单片机，线路结构布局合理，全部器件采用贴片焊接，从而杜绝了一次仪表和二次仪表因插拔过多或线路氧化而引起的短路、断路和接触不良现象，从根本上提高了轨温计测量的精度和稳定性。

3.2.5 降低电路板上各元器件的功耗

为了降低功耗，所有的元器件尤其是单片机全部采用低功耗型的。同时设置延时关机功能，在开机10min后，系统自动关机。

3.2.6 人性化外观设计便于操作

在外观设计上，考虑到使用人员的方便与实际需要，做了四点改进：

（1）将开关设计为表面触摸式，同时机壳表面采用覆膜工艺，既保证了质量，又大大延长了使用寿命；

（2）针对户外施工作业环境恶劣的实际情况，做了一定的防水设计，主要是：制作充电孔橡皮塞；使用防水的薄膜开关以及测温线孔尺寸采取过盈配合；

（3）为便于夜间施工，增加LCD的背景灯显示功能，背景灯开启15s后自动关闭；

（4）外形尺寸尽量设计成小巧、轻便型，方便使用人员携带。

2009年9月18日上海铁路局对智能轨温计进行了测试，测试内容及结果见表3。

表3 智能轨温计测试内容及结果

4 结束语

未来的铁路运输将向着客运高速、货运重载和载运工具大型化的方向发展，这就意味着对线路的修建与养护标准也更高，而且要保持更严格的允许误差。因此，采用的设备和测量工具也需要进行不断的改进和加强。智能轨温计采用的温度传感器和单片机以及其先进的设计和工艺，在准确度和稳定性方面完全能够满足高标准的轨温测量要求和新规程的规定，更符合铁路智能化发展的需要。