機車油位檢測顯示系統的研究開發

　　摘 要：本文介紹了加裝機車油位顯示系統的必要性、

　　系統的原理、結構以及試驗使用效果等

　　關鍵詞：內燃機車 油位顯示

　　一、引言

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

　　目前，內燃機車的幾種燃油液位計，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，司機要從機車扶梯上爬下，先把玻璃板擦凈，再仔細核對刻度線，遇到晚上或光線昏暗還要用手電照明，機車乘務員了解燃油油量很不方便。

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

　　在過去的機車交路運行圖情況下，運行區間短，不會出現機車缺油情況。隨著鐵路的發展，要求客運高速、貨運重載，提出了單司機、長交路的運行模式，中途機車不停頓。這時，運行過程中燃油容易出現油量不足現象，但下車檢查又不方便;機油不足或漏油無法第一時間發現，甚至造成機故。相對落后的檢查方式與實際需求的矛盾日漸突出，為此，研制了機車油位顯示裝置。

　　二、系統組成及工作原理

　　本系統是由油位變送器、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，它具有穩定性好、精度高、結構堅固、抗腐蝕強等優點。

　　1、傳感器部分

　　在機車燃油箱加裝油位傳感器，有其特殊要求，既不能改變原有裝置功能又不能進行機加工。另外，同一型號的機車燃油油箱及液位計各不相同，圖紙和實物也有較大的差異，這就要求我們制作每一個連接件不能照搬圖紙，必須專門設計。

　　在繁目眾多的傳感器中，經過篩選實驗，采用了陶瓷電容靜壓式工作原理的傳感器來檢測油位。陶瓷電容通過電極板的變化來感應油位變化，經過線性微電路處理，加之以溫度補償，這樣就完成了電路處理，整個傳感器體積小，與油表底護板連成一體。

　　2、顯示及報警部分

　　油箱內的油通過導油三通引至油位變送器，將油箱內的油位高度轉換為電信號，經電路放大，轉換為4~20mA標準電流信號，此信號經信號電纜傳送到機車駕駛室內液位顯示儀主機上，液位顯示儀將接收到4~20mA電流信號，換算成柱狀高度和體積顯示出來。而副機信號則由主機取出，經電纜引入。液位顯示儀面板光柱顯示體積百分比，數字顯示燃油升數。為了避免氣壓對測量的擾動，變送器內置儲氣室，用于平衡氣壓力，使用不受地區限制。封裝嚴密，強度高，耐環境溫度變化。

　　顯示儀表安裝于機車兩側駕駛室，既可直觀地顯示油量，又有電子光柱模擬，同時可實現上、下限油位報警。

　　3、計算機處理部分

　　(1)儲存記錄功能

　　因采用計算機存儲技術，使行車油量參數更有利于保存記錄，可記錄行車過程中燃油、機油消耗曲線，如有必要，可下載為分析事故提供數據。

　　(2)報警功能

　　計算機可根據實際需要，設置上下限報警點，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，可將油位數據納入機車運行監控系統，整合資源，集中記錄和顯示。

　　4、技術參數

　　(1)檢測部分

　　測量范圍：0~10KPa

　　工作溫度：-40~+85℃

　　工作電壓：DC14V~16V

　　輸出信號：4~20mADC

　　精度等級：± 1 %

　　負載電阻：<500Ω(24VDC)

　　電壓影響：<0.02FSO/V

　　穩定性： <0.2%FSO/Y

　　環境溫度： -40~+85℃

　　相對濕度： 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，數字RGB

　　最大對比度：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：≤5min

　　功能振動：0.04G2/HZ

　　沖擊：20g11ms后峰鋸齒波

　　工作溫度：-45~+70℃

　　供電：12VDC

　　三、關鍵技術

　　1、檢測信號傳輸技術

　　該裝置的檢測輸出信號為4~20mA國際標準信號，此裝置信號傳輸采用屏蔽電纜，傳感器電壓降不低于14VDC。

　　2、信號采集及抗干擾技術

　　本裝置的檢測信號采集來自油箱底部儲氣杯口的靜壓力，此靜壓力作用在傳感膜片上，使測量膜片發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生變化，此檢測信號經電路處理后作標準電流輸出。本變送器采用T型LC網絡濾波，大大增強了抗電源波動和線路的雜散信號干擾，基于機車電器設備多，電磁干擾大的狀況，本檢測裝置采用金屬殼體，全密封結構，增強了抗電磁場干擾能力。

　　機車在行駛過程中，由于路面情況而產生震動和晃動，油位隨之發生變化，對信號采集產生極大影響，為避免采集不真實值，使顯示更加穩定，該裝置計算機數據處理過程中采用平均值輸出，即在2秒時間內采樣30次，計算平均值后做為輸出到顯示和記錄存儲部分。

　　3、變送器的防爆技術

　　考慮到機車的特殊性及檢測介質的特殊性，本裝置的檢測部分為安全防爆型，經國家級儀器儀表防爆安全監督檢驗站(NEPSI)檢驗認可，符合國家標準GB3836的有關規定，防爆標志為：ExiaⅡcT3-T4，防爆合格證號為GYB97403。

　　4、變送器環境溫度及防震技術

　　考慮到本裝置檢測部分室外安裝溫差較大的特殊性，元器件都經過嚴格老化和篩選，使環境溫度在-40-85℃的范圍內穩定工作不出現飄移和損壞。為防止長期運行因震動而導致引發故障，本裝置檢測部分采用灌封硅膠抗震法，有效地避免了檢測精度下降和檢測部分的損壞。

　　四、軟件功能及擴展

　　本系統軟件基于Windows平臺C語言編制。鑒于燃油、機油油位檢測信號采集，顯示記錄、存儲整套裝置的特點以及機車油箱不規則、油位高度非線性的特點，我們在軟件開發上做了十六段折線修正，使每個點的實際體積數與顯示數一一對應。此外，在采樣過程中，軟件開發采取了采樣平均值輸出，使機車在左、右、前、后傾以及劇烈震動 、急剎車時所產生的不真實信號趨近真值。

　　本裝置設有標準的RS485、RS232串行接口，可與原機車運行監控系統通訊。

　　本裝置可另加存儲單元，進行數據記錄，為加強機車運行管理及事故分析提供數據參考。

　　五、安裝方式

　　在實際安裝應用中，我們綜合考慮機車各式油箱的特點，在不改變原功能、不對油箱本身進行機加工為前提，對裝置檢測部分采取防震、防雨，防電磁干擾全封閉，整體安裝方式;對信號傳輸采用屏蔽線傳輸，外加金屬護套保護方式;必須設置的接頭采用航空接頭，使整套裝置安全可靠。

　　六、試驗數據及上車應用效果

　　1、實驗室試驗：

　　油位裝置檢測制作完畢后，我們于2007.3.28～3.30在實驗室進行了振動、低溫、高溫性能測試，見表一：

　　表一 振動、低溫、高溫性能測試表

振動試驗		低溫試驗		高溫實驗
量程變化	零位（mA）	溫 度	輸出信號（mA）	溫 度	輸出信號（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小時記錄		備注： 恒溫箱12小時記錄

　　2、裝車運行試驗

　　2007年3月12日，在包西機務段DF4D0522機車裝車試驗，4月17日添乘DF4D0522機車牽引的 2141旅客列車，隨車記錄如表二：

　　表二

　　機車運行記錄表

站 名	機車玻璃板顯示	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，設備性能穩定，從未發生任何不良事故，很受使用人員歡迎。

　　七、結束語

　　通過近一年的研究實驗，該油位顯示系統，對機車在運行途中乘務員了解燃油、機油情況，直觀便捷，心中有數，做到實時監測，特別是可在第一時間了解油位的突變，有效地預防因缺油發生機故，同時減輕司乘人員勞動強度，提供了有力的技術支持。因此，此項目的推廣應用，必將為機車安全運用發揮積極作用，具有良好的經濟和社會效益。