一种阻容器电容量在线监测系统的设计

摘要：目前铁路信号设备大量使用的阻容器件，由于没有电容的容量在线检测手段，经常发生电容容量下降，造成继电器缓放时间不足而引起信号设备故障。文章描述了一种通过霍尔电流传感器实现与既有电路隔离采样，运用电子技术、数字处理技术、无线传输技术，实现阻容器件的电容容量在线测量和报警的小型检测系统的设计。

关键词：铁路信号设备；电容容量；在线监测系统；阻容器件；继电器；设备故障 文献标识码：A

中图分类号：TM912 文章编号：1009-2374（2016）05-0006-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.004

目前铁路信号设备大量使用阻容器件，阻容器件使继电器缓吸或缓放，起到与其他器材协调工作的作用。当阻容器件电容容量下降后，继电器的缓吸或缓放时间变短，将造成设备不能正常工作、影响信号设备的正常使用、降低行车效率的现象发生。由于没有电容的容量在线检测手段，目前对于大量使用的阻容盒中的电容的容量变化时无法及时进行定性或定量的检测，只能采用人工测量电容容量的方法，当容量下降至一定值后进行更换。然而实际上这样根本无法操作：（1）阻容数量庞大；（2）需停用设备；（3）电容容量下降是一个缓慢的过程，每次测量值变化不大，容易造成维护人员对测试不认真甚至不测的现象。为保证设备的正常使用，只能采用定期更换的方式进行避免。但由于电容质量的分散性、使用环境等原因，定期（5年）更换也不能保证在周期内可靠使用。研究关于电容容量在线检测与报警的小型检测系统，实现对铁路信号阻容器件的电容容量进行在线监测和劣化指示报警，当其容量下降一定值后进行声光报警，并向信号集中监测系统提供报警开关量，从而消除因电容容量下降造成的信号设备故障，这对减少维护工作量和降低维护费用、提高铁路运输效率、保证行车安全有着重大的意义。

1 检测系统研究内容概述

1.1 检测系统原理与构成

该小型检测系统基于霍尔传感技术、微电子技术、数字滤波技术构成，检测系统（劣化指示阻容盒）包括硬件和软件两部分。其中硬件由电气隔离采样、信号处理、AD转换和逻辑运算及显示报警单元组成。通过隔离检测电容充电时的电流，经过信号处理和高速A/D转换，将数字化信号送入高速单片机进行数字滤波和运算，计算出电容容量，根据计算结果进行显示或报警。电气隔离采样模块采用集成霍尔电流传感器对电容的充电电流进行隔离差分采样和差分放大，使用纯铁制成的屏蔽体解决外部电磁场、静磁场对采集信号的干扰。

1.2 检测系统研究内容及技术指标

对历年来由于电容故障造成设备故障进行统计分析，分析汇总阻容类型及规格以及可能影响本系统的外部干扰因素（如电磁场干扰、静磁场干扰等），确定系统研制重点包括测量电路与原有电路电气隔离、电容测量方法、测量精度±5%、电容容量劣化分级报警、在信号机械室内复杂的电磁环境下能可靠工作、无线数据传输及报警。检测系统技术指标：（1）工作电压：直流24V±2V；（2）工作电流：不大于40mA；（3）测量精度：±5%；（4）环境温度：-30℃～+55℃；（5）相对湿度：不大于85%（+25℃）；（6）外形规格：与普通安全继电器外型相同。

2 检测系统硬件构成与软件流程

2.1 硬件构成

硬件由电气隔离采样、信号处理、AD转换和逻辑运算、显示及报警等单元组成，如图1所示：

2.1.1 供电。供电电源输入设置限流保护电路，采用带隔离的DC-DC电源模块B2409T-1W，其隔离电压1000VDC，确保了外部电源与监测设备的电气隔离。电路中用到的电源电压经过多次线性稳压而得，极大地提高了电源的稳定性和可靠性。

2.1.2 传感器。采用电气隔离的传感器完成信号的采集。对电流的隔离采样有温度传感、电磁传感、光电传感、霍尔电流传感等方法。其中霍尔电流传感是电流通过导体时，在导体周围产生磁场，其磁场的大小与电流大小相关。通过测量导体周围的磁场实现电流的测量。该方法适用范围广，可用于交变电流、直流和各种脉冲信号的采样检测，但对外界的磁场敏感。经试验，霍尔电流传感的采样结果基本达到预期要求，采样结果与其通过的电流大小高度相关。经调查比选，确定采用集成霍尔电流传感器。由于不同阻容器件的电阻、电容值大小不一，电阻15～12000Ω、电容4～4700μF，其充电的电流也大小不一。通过霍尔电流传感器的采样的信号极其微弱，其有用信号常常被淹没在干扰信号之中。为此，采用双传感器组成反相结构，通过差分放大（如图2所示），对共模信号进行抑制，大幅提高信噪比。

图2 差分放大电路

由于霍尔电流传感器是通过检测磁场强度的方式实现采样的，对外部磁场干扰非常敏感，因此必须对外界的磁场进行有效屏蔽。将传感器置于纯铁制成的密封圆筒（如图3所示）内，经试验得知对交变电磁场和静磁场的防护均有良好效果，其干扰基本排除。

2.1.3 前端处理。放大部分采用了工业级的低功耗集成四运放电路LM224，LM324内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用（3～30V），也可接双电源使用（±1.5～±15V），驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。这四运放分别构成差分放大电路、幅值放大电路、有源低通滤波器和比较器电路。

2.1.4 零点自动调整。由于器件及外部环境的干扰，造成放大器的零点发生漂移，从而造成测量误差大，为此使用单片机的PWM（脉冲宽度调制）功能，实现放大电路零点自动调整，以保证测量精度。

2.1.5 运算单元。微处理器采用了高速、低功耗、超强抗干扰的工业级单片机STC12LE5A32S2-35I-LQFP44，工作频率最大可达35MHz、具有在系统可编程（ISP）/在应用可编程（IAP）功能、其速度比传统的8051单片机速度快8～12倍，其内部集成了MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），具有上升沿中断的PCM模块、4个16位定时器、工作温度范围：-40℃～+85℃。其内部结构如图4所示：

图4 STC12LE5A32S2-35I-LQFP44内部结构

第一，A/D转换及数据处理。STC12LE5A32S2的A/D转换是逐次比较型ADC，具有转换速度高、功耗低等优点。当电容充电发生时，由硬件电路启动A/D转换，每次连续采样8个数据，去2个最大值和2个最小值，再取余下4个数据的平均值作为一组采样数据，继续进行下一组采样，直至电容充电结束。所产生的数组序列，用于电容容量的计算。

第二，测量算法。测量方法：电容充放电公式：I=（E/R）×e-t/（R×C），时间常数τ=R×C。在充电时，每过一个τ的时间，电容器上电压就上升（1-1/e），约等于0.632倍的电源电压与电容器电压之差，放电时相反；通过测量充电电流从最大值降至最大值的0.632倍时的时间T，T即为时间常数，计算出电容值C=T/R。

2.1.6 显示及报警。完成电容容量下降（劣化）时的声光报警和开关量报警。

2.2 软件设计

软件采用Keil C编程，采用了模块化设计，包括了AD采样模块、采样数据处理模块、显示及报警模块、放大器零点调整模块、配置及相关数据存储模块。模块化设计确保程序的可靠性和良好的维护性。

2.2.1 AD采样模块。在单片机中开辟一个固定长度的缓存区，确保采样数据不丢失。A/D采样时，每组数据间的间隔是一个固定值，为后续的电容计算做准备。软件执行流程如图5所示：

2.2.2 采样数据处理模块对采样数据进行数字滤波后进行电容容量计算和显示报警判断，如图6所示。将缓冲区中的数据进行逐个比较，找出最大值，该最大值即为电容充电时的电流最大值，再将该最大值后的数组逐个与最大值计算比例：Vx/Vmax，当Vx/Vmax=0.632时，计算最大值与该数组间的时间差T，该值即为该阻容器件的时间常数，通过C=T/R计算得出电容值。

2.2.3 显示及报警模块完成状态显示和报警控制。

2.2.4 放大器零点自动调整模块通过单片机的PWM功能来实现放大器零点自动调整。每次测量结束后进行零点自动调整，根据静态时的测量值，通过单片机的PWM功能，输出一定占空比的脉冲序列，将放大器的零点稳定在一定的范围之内，以保证每次测量的基准都是相同的，从而满足测量精度的要求，如图7所示：

2.2.5 配置及相关数据存储模块。保存放大器幅值调整值等。由于阻容器件的规格众多，如单阻容的配置就有100μF/51Ωμ（YX）、220μF/51Ωμ（F）、470μF/51Ωμ（LXZ）、1000μF/51Ωμ（Q）、470μF/510Ωμ（B1）……，通过对电容规格和电阻规格的不同配置而适用各种阻容规格和放大幅值配置，从而实现硬件通用，尽量减少电路板规格。

2.3 显示和声音报警

该硬件外围设置包括单阻容盒与道岔阻容盒两部分，其报警显示与声音设置分别如表1、表2所示：

3 结语

劣化指示阻容盒是一种采用微电子技术改造、替代传统信号器材的产品，实现信号阻容器件的电容在线隔离监测、容量下降（劣化）后声光报警、向信号集中监测系统提供报警开关量等功能。它的研制成功填补了铁路信号阻容器件的电容监测空白，使铁路信号阻容器件处于可控状态，实现阻容器件由定期轮修改为状态修，提高设备的可用性、可靠性，减少甚至避免因电容容量不足造成的信号设备故障，提高劳动生产效率，保证行车安全，其经济效益、安全效益是无法估量的。

参考文献

[1] 杨世兴，郭秀才，杨洁.测控系统原理与设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

（责任编辑：周 琼）

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