機(jī)車油位檢測(cè)顯示系統(tǒng)的研究開發(fā)

　　摘 要：本文介紹了加裝機(jī)車油位顯示系統(tǒng)的必要性、

　　系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)使用效果等

　　關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)車 油位顯示

　　一、引言

　　自內(nèi)燃機(jī)車在鐵路采用以來，燃油液位一直采用傳統(tǒng)的液位測(cè)量方法，即在油箱側(cè)面安裝一塊或兩塊透明玻璃板，附加刻度，采用人工讀數(shù)，這種傳統(tǒng)的液位檢測(cè)方法，密封不好、易泄漏，一旦玻璃板破碎，容易給機(jī)車行駛造成危害。之后又出現(xiàn)了浮球液位計(jì)，浮球浮在油面上，通過燃油高低液位的變化，經(jīng)過機(jī)械力的轉(zhuǎn)化，用指針顯示油位變化。

　　目前，內(nèi)燃機(jī)車的幾種燃油液位計(jì)，均屬于地面顯示型，司乘人員要想知道燃油多少，到站停車后，司機(jī)要從機(jī)車扶梯上爬下，先把玻璃板擦凈，再仔細(xì)核對(duì)刻度線，遇到晚上或光線昏暗還要用手電照明，機(jī)車乘務(wù)員了解燃油油量很不方便。

　　至于機(jī)車機(jī)油液位檢測(cè)就更原始了，一根鋼制探尺插入機(jī)油箱，做上幾個(gè)刻度，司乘人員每每拔出用布子擦凈看機(jī)油浸沒程度。

　　在過去的機(jī)車交路運(yùn)行圖情況下，運(yùn)行區(qū)間短，不會(huì)出現(xiàn)機(jī)車缺油情況。隨著鐵路的發(fā)展，要求客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載，提出了單司機(jī)、長(zhǎng)交路的運(yùn)行模式，中途機(jī)車不停頓。這時(shí)，運(yùn)行過程中燃油容易出現(xiàn)油量不足現(xiàn)象，但下車檢查又不方便;機(jī)油不足或漏油無法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，甚至造成機(jī)故。相對(duì)落后的檢查方式與實(shí)際需求的矛盾日漸突出，為此，研制了機(jī)車油位顯示裝置。

　　二、系統(tǒng)組成及工作原理

　　本系統(tǒng)是由油位變送器、二次顯示儀表及附件組成。油位變送器是一款高靈敏度的進(jìn)口陶瓷壓力傳感器為主元件封裝而成的高性能的一次儀表，它具有穩(wěn)定性好、精度高、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、抗腐蝕強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　1、傳感器部分

　　在機(jī)車燃油箱加裝油位傳感器，有其特殊要求，既不能改變?cè)醒b置功能又不能進(jìn)行機(jī)加工。另外，同一型號(hào)的機(jī)車燃油油箱及液位計(jì)各不相同，圖紙和實(shí)物也有較大的差異，這就要求我們制作每一個(gè)連接件不能照搬圖紙，必須專門設(shè)計(jì)。

　　在繁目眾多的傳感器中，經(jīng)過篩選實(shí)驗(yàn)，采用了陶瓷電容靜壓式工作原理的傳感器來檢測(cè)油位。陶瓷電容通過電極板的變化來感應(yīng)油位變化，經(jīng)過線性微電路處理，加之以溫度補(bǔ)償，這樣就完成了電路處理，整個(gè)傳感器體積小，與油表底護(hù)板連成一體。

　　2、顯示及報(bào)警部分

　　油箱內(nèi)的油通過導(dǎo)油三通引至油位變送器，將油箱內(nèi)的油位高度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電路放大，轉(zhuǎn)換為4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)信號(hào)電纜傳送到機(jī)車駕駛室內(nèi)液位顯示儀主機(jī)上，液位顯示儀將接收到4~20mA電流信號(hào)，換算成柱狀高度和體積顯示出來。而副機(jī)信號(hào)則由主機(jī)取出，經(jīng)電纜引入。液位顯示儀面板光柱顯示體積百分比，數(shù)字顯示燃油升數(shù)。為了避免氣壓對(duì)測(cè)量的擾動(dòng)，變送器內(nèi)置儲(chǔ)氣室，用于平衡氣壓力，使用不受地區(qū)限制。封裝嚴(yán)密，強(qiáng)度高，耐環(huán)境溫度變化。

　　顯示儀表安裝于機(jī)車兩側(cè)駕駛室，既可直觀地顯示油量，又有電子光柱模擬，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)上、下限油位報(bào)警。

　　3、計(jì)算機(jī)處理部分

　　(1)儲(chǔ)存記錄功能

　　因采用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)，使行車油量參數(shù)更有利于保存記錄，可記錄行車過程中燃油、機(jī)油消耗曲線，如有必要，可下載為分析事故提供數(shù)據(jù)。

　　(2)報(bào)警功能

　　計(jì)算機(jī)可根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置上下限報(bào)警點(diǎn)，可用文字、聲音、語言提醒司乘人員注意操作。

　　(3)整合

　　如有必要，可將油位數(shù)據(jù)納入機(jī)車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，整合資源，集中記錄和顯示。

　　4、技術(shù)參數(shù)

　　(1)檢測(cè)部分

　　測(cè)量范圍：0~10KPa

　　工作溫度：-40~+85℃

　　工作電壓：DC14V~16V

　　輸出信號(hào)：4~20mADC

　　精度等級(jí)：± 1 %

　　負(fù)載電阻：<500Ω(24VDC)

　　電壓影響：<0.02FSO/V

　　穩(wěn)定性： <0.2%FSO/Y

　　環(huán)境溫度： -40~+85℃

　　相對(duì)濕度： 0~100%

　　(2)顯示部分

　　最大寬度：1500cd/m2

　　最大視角：左80″，右80″，上視角80″，下視角60″

　　色彩262，144色，6位，數(shù)字RGB

　　最大對(duì)比度：600：1

　　外型尺寸：170×126×150mm

　　顯示尺寸：6.5英寸

　　接口形式：串口通訊/RGB

　　低溫啟動(dòng)：≤5min

　　功能振動(dòng)：0.04G2/HZ

　　沖擊：20g11ms后峰鋸齒波

　　工作溫度：-45~+70℃

　　供電：12VDC

　　三、關(guān)鍵技術(shù)

　　1、檢測(cè)信號(hào)傳輸技術(shù)

　　該裝置的檢測(cè)輸出信號(hào)為4~20mA國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，此裝置信號(hào)傳輸采用屏蔽電纜，傳感器電壓降不低于14VDC。

　　2、信號(hào)采集及抗干擾技術(shù)

　　本裝置的檢測(cè)信號(hào)采集來自油箱底部?jī)?chǔ)氣杯口的靜壓力，此靜壓力作用在傳感膜片上，使測(cè)量膜片發(fā)生正比于油位變化的極小位移，從而使傳感器的輸出電容量發(fā)生變化，此檢測(cè)信號(hào)經(jīng)電路處理后作標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。本變送器采用T型LC網(wǎng)絡(luò)濾波，大大增強(qiáng)了抗電源波動(dòng)和線路的雜散信號(hào)干擾，基于機(jī)車電器設(shè)備多，電磁干擾大的狀況，本檢測(cè)裝置采用金屬殼體，全密封結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了抗電磁場(chǎng)干擾能力。

　　機(jī)車在行駛過程中，由于路面情況而產(chǎn)生震動(dòng)和晃動(dòng)，油位隨之發(fā)生變化，對(duì)信號(hào)采集產(chǎn)生極大影響，為避免采集不真實(shí)值，使顯示更加穩(wěn)定，該裝置計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理過程中采用平均值輸出，即在2秒時(shí)間內(nèi)采樣30次，計(jì)算平均值后做為輸出到顯示和記錄存儲(chǔ)部分。

　　3、變送器的防爆技術(shù)

　　考慮到機(jī)車的特殊性及檢測(cè)介質(zhì)的特殊性，本裝置的檢測(cè)部分為安全防爆型，經(jīng)國(guó)家級(jí)儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)站(NEPSI)檢驗(yàn)認(rèn)可，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836的有關(guān)規(guī)定，防爆標(biāo)志為：ExiaⅡcT3-T4，防爆合格證號(hào)為GYB97403。

　　4、變送器環(huán)境溫度及防震技術(shù)

　　考慮到本裝置檢測(cè)部分室外安裝溫差較大的特殊性，元器件都經(jīng)過嚴(yán)格老化和篩選，使環(huán)境溫度在-40-85℃的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作不出現(xiàn)飄移和損壞。為防止長(zhǎng)期運(yùn)行因震動(dòng)而導(dǎo)致引發(fā)故障，本裝置檢測(cè)部分采用灌封硅膠抗震法，有效地避免了檢測(cè)精度下降和檢測(cè)部分的損壞。

　　四、軟件功能及擴(kuò)展

　　本系統(tǒng)軟件基于Windows平臺(tái)C語言編制。鑒于燃油、機(jī)油油位檢測(cè)信號(hào)采集，顯示記錄、存儲(chǔ)整套裝置的特點(diǎn)以及機(jī)車油箱不規(guī)則、油位高度非線性的特點(diǎn)，我們?cè)谲浖_發(fā)上做了十六段折線修正，使每個(gè)點(diǎn)的實(shí)際體積數(shù)與顯示數(shù)一一對(duì)應(yīng)。此外，在采樣過程中，軟件開發(fā)采取了采樣平均值輸出，使機(jī)車在左、右、前、后傾以及劇烈震動(dòng) 、急剎車時(shí)所產(chǎn)生的不真實(shí)信號(hào)趨近真值。

　　本裝置設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的RS485、RS232串行接口，可與原機(jī)車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)通訊。

　　本裝置可另加存儲(chǔ)單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，為加強(qiáng)機(jī)車運(yùn)行管理及事故分析提供數(shù)據(jù)參考。

　　五、安裝方式

　　在實(shí)際安裝應(yīng)用中，我們綜合考慮機(jī)車各式油箱的特點(diǎn)，在不改變?cè)δ堋⒉粚?duì)油箱本身進(jìn)行機(jī)加工為前提，對(duì)裝置檢測(cè)部分采取防震、防雨，防電磁干擾全封閉，整體安裝方式;對(duì)信號(hào)傳輸采用屏蔽線傳輸，外加金屬護(hù)套保護(hù)方式;必須設(shè)置的接頭采用航空接頭，使整套裝置安全可靠。

　　六、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及上車應(yīng)用效果

　　1、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)：

　　油位裝置檢測(cè)制作完畢后，我們于2007.3.28～3.30在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了振動(dòng)、低溫、高溫性能測(cè)試，見表一：

　　表一 振動(dòng)、低溫、高溫性能測(cè)試表

振動(dòng)試驗(yàn)		低溫試驗(yàn)		高溫實(shí)驗(yàn)
量程變化	零位（mA）	溫 度	輸出信號(hào)（mA）	溫 度	輸出信號(hào)（mA）
無	0	－20℃	18．00	＋45℃	18．00
無	0	－30℃	18．00	＋50℃	18．00
無	0	－30℃	18．00	＋50℃	18．00
無	0	－30℃	18．00	＋50℃	18．00
無	0	－50℃	18．00	＋50℃	18．00
		－50℃	18．00	＋50℃	18．00
		－50℃	18．00	＋50℃	18．00
		－50℃	18．00	＋50℃	18．00
備注：		備注： 恒溫箱12小時(shí)記錄		備注： 恒溫箱12小時(shí)記錄

　　2、裝車運(yùn)行試驗(yàn)

　　2007年3月12日，在包西機(jī)務(wù)段DF4D0522機(jī)車裝車試驗(yàn)，4月17日添乘DF4D0522機(jī)車牽引的 2141旅客列車，隨車記錄如表二：

　　表二

　　機(jī)車運(yùn)行記錄表

站 名	機(jī)車玻璃板顯示	油位變送器顯示	差 值
呼和	8320升	8308升	12
察素齊	8120升	8080升	40
薩拉齊	8050升	8007升	43
包頭東	7800升	7720升	80
包頭	7750升	7696升	54
烏拉山	7460升	7401升	59
前旗	7330升	7278升	52
五原	7150升	7092升	58
臨河	6880升	6801升	79

　　通過近一年的試驗(yàn)，設(shè)備性能穩(wěn)定，從未發(fā)生任何不良事故，很受使用人員歡迎。

　　七、結(jié)束語

　　通過近一年的研究實(shí)驗(yàn)，該油位顯示系統(tǒng)，對(duì)機(jī)車在運(yùn)行途中乘務(wù)員了解燃油、機(jī)油情況，直觀便捷，心中有數(shù)，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別是可在第一時(shí)間了解油位的突變，有效地預(yù)防因缺油發(fā)生機(jī)故，同時(shí)減輕司乘人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提供了有力的技術(shù)支持。因此，此項(xiàng)目的推廣應(yīng)用，必將為機(jī)車安全運(yùn)用發(fā)揮積極作用，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。