一种钢轨电阻的测量装置及方法与流程

本发明涉及电阻测量领域，尤其涉及一种钢轨电阻的测量装置及方法。

背景技术：

电阻的最常见测量方法有欧姆表法、伏安法和开尔文电桥桥法等。欧姆表法使用调零后的欧姆表或万用表测量表笔接在被测电阻两端进行测量；伏安法根据欧姆定律R = U/I，使用电压表和电流表求取被测电阻的电压和电流参数，从而求得被测电阻值；开尔文电桥又称直流双臂电桥，是对单臂电桥结构加以改进得来，能够消除附加电阻对测量结果的影响。欧姆表法测量电阻很方便，但难以保证精确度，一般适用于粗略测量或判断电路状态时使用；开尔文电桥法在每次测量前都需要调整电桥平衡，不利于多次测量。

在轨道交通领域，钢轨电阻对电能消耗有着至关重要的影响，低阻值的钢轨对于电能节约有着重大意义。

现有技术中，尚未出现专用于轨道交通测量的仪器或装置，致使这些产品不能很好的针对轨道交通的特点进行测量。供电方式多使用220V交流供电，并无手持式的安全电压设计。没有限定工作时间，忽视了大电流工作对于小电阻测量的温漂影响。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种专门检测钢轨电阻的装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种钢轨电阻的测量装置，包括依次串联的直流电源、第一参考电阻、第一钢轨电压测试端、第二钢轨电压测试端；还包括第一参考电阻电压测试端和处理器，所述第一参考电阻电压测试端用于测量第一参考电阻两端电压，所述处理器用于根据第一参考电阻电压测试端、第一钢轨电压测试端和第二钢轨电压测试端测量的电压，按欧姆定律计算钢轨的电阻。

优选的，还包括第二参考电阻和第二参考电阻电压测试端，所述第二参考电阻与第一钢轨电压测试端、第二钢轨电压测试端串联，所述第二参考电阻电压测试端用于测量第二参考电阻两端电压，所述处理器还用于根据第二参考电阻电压测试端、第一钢轨电压测试端和第二钢轨电压测试端测量的电压计算钢轨的电阻。

优选的，还包括恒流源输出控制电路，所述恒流源输出控制电路用于控制所述直流电源的输出电流。

优选的，所述恒流源输出控制电路包括运算放大器、取样电阻和MOS管，所述运算放大器的正极输入端连接有参考电压端，所述运算放大器的输出端与MOS管的栅极连接，所述MOS管的漏极和源极输出电流流经第一钢轨电压测试端、第二钢轨电压测试端，并经过取样电阻接地。

优选的，还包括参考电压调整电路，所述参考电压调整电路包括直流电源和滑动变阻器，所述直流电源的电压经过分压后为参考电压端提供参考电压，所述滑动变阻器用于控制参考电压端的分压值。

优选的，所述直流电源电压范围为3.3V-15V。

优选的，所述第一参考电阻电压测试端、第一钢轨电压测试端和第二钢轨电压测试端的测试响应时间为5s-10s。

本发明还提供一种钢轨电阻的测量方法，其用于一种钢轨电阻的测量装置，所述方法包括步骤：S1，测量第一钢轨电压测试端、第二钢轨电压测试端的电压差；S2,测量与钢轨串联的第一参考电阻两端的电压差；S3，根据步骤S1和S2的测量结果，按欧姆定律计算钢轨的电阻。

优选的，所述步骤S2还包括子步骤：S21，测量与钢轨串联的第二参考电阻两端的电压差；所述步骤S3还包括子步骤：S31，根据步骤S1和S21的测量结果，按欧姆定律计算钢轨的电阻。

优选的，所述方法还包括步骤：利用恒流源输出控制电路控制所述测试装置直流电源的输出电流。

优选的，所述方法还包括步骤：利用参考电压调整电路调整恒流源输出控制电路输出的电流。

优选的，所述步骤S1和S2的测量响应时间为5s-10s。

本发明的有益效果是：

本发明设计一款专门检测钢轨电阻的装置及方法，实现了直流供电方式，而且适合检测装置的小型化设计，具有良好的经济和社会效益。

另外，本发明采用小电压工作模式，3.3V的输入电压可以保证本方案可以更容易的开发成手持式的便携设备产品用于钢轨电阻的工程测试领域。

本发明采用恒流源向输出通路供电，根据滑动变阻器的阻值变化，恒流输出范围最大可以调整至100A，以保证电路的高精度并能够长期稳定工作。

测量装置使用双路参考电阻校准，第一参考电阻和第二参考电阻双路参考电阻的存在可以使整个电路测量精度更有保障，抗干扰能力更强。

本发明测量的响应时间为5s-10s，测量结束之后对结果进行滤波并显示，功耗低。由于响应时间短，可以有效避免因回路大电流发热导致的钢轨电阻温漂对测量结果造成的影响。

本发明可广泛应用于各种钢轨测量装置。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明一种实施例的电路结构图；

图2是本发明第二种实施例的电路结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，一种钢轨电阻的测量装置，包括依次串联的直流电源VCC、第一参考电阻R2、第一钢轨电压测试端Vtest+、第二钢轨电压测试端Vtest-、第二参考电阻R3；还包括第一参考电阻电压测试端V1和处理器（图中未示出），第一参考电阻电压测试端V1用于测量第一参考电阻R2两端电压，处理器用于根据第一参考电阻电压测试端V1、第一钢轨电压测试端Vtest+和第二钢轨电压测试端Vtest-测量的电压，按欧姆定律计算钢轨的电阻。第二参考电阻电压测试端V2用于测量第二参考电阻R3两端电压，处理器还用于根据第二参考电阻电压测试端V2、第一钢轨电压测试端Vtest+和第二钢轨电压测试端Vtest-测量的电压计算钢轨的电阻。如图1所示，实际操作中，处理器通过第一采集接口CON1和第二采集接口CON2采集第一钢轨电压测试端Vtest+和第二钢轨电压测试端Vtest-测量的电压，由于第一参考电阻R2和第二参考电阻R3的阻值已知，根据欧姆定律可求得通过参考电阻的电流，再根据参考电阻的电流和第一钢轨电压测试端Vtest+和第二钢轨电压测试端Vtest-的压差，根据欧姆定律可计算得出钢轨的电阻。其中，第一采集接口CON1和第二采集接口CON2可同时作为测试软件接口，经过软件滤波校准，使测量误差可以被控制在一个较小的范围。

本发明测量装置使用双路参考电阻校准，当对任意参考电阻的测量故障时，对另一参考电阻的测量仍可保障测量电路正常使用；第一参考电阻R2和第二参考电阻R3的双路参考电阻的存在可以使整个电路测量精度更有保障，抗干扰能力更强。

本实施例中，第一参考电阻R2和第二参考电阻R3均采用测量微欧级的电阻，理论测量精度可以达到1微欧，测试精度极高。

本实施例中，如图1所示，一种钢轨电阻的测量装置还包括参考电压调整电路，参考电压调整电路包括直流电源VCC和滑动变阻器VR1，直流电源VCC的电压经过分压后为参考电压端提供参考电压，滑动变阻器VR1用于控制参考电压端的分压值。

作为第一种较优实施例，如图1所示，还包括一个恒流源输出控制电路，恒流源输出控制电路用于控制直流电源VCC的输出电流。恒流源输出控制电路包括运算放大器U1A、取样电阻R19和MOS管Q1，运算放大器U1A的正极输入端连接有参考电压端，运算放大器U1A的输出端与MOS管Q1的栅极连接，MOS管Q1的漏极和源极输出电流流经第一钢轨电压测试端Vtest+、第二钢轨电压测试端Vtest-，并经过取样电阻R19接地。为了实现上述电路功能，图1中恒流源输出控制电路还包括第四电阻R4、第十四电阻R14和第一电容C1，参考电压调整电路还包括第八电阻R8、可控硅二极管D1、第十三电阻R13、第九电阻R9、第十八电阻R18和第一电解电容E1,其连接关系如图1所示，在此不做赘述。

作为第二种较优实施例，如图2所示，还包括四路并联的恒流源输出控制电路，四路恒流源输出控制电路分别包括四个运算放大器U1A、U1B、U1C和U1D，四个取样电阻R18、R19、R20和R21，四个MOS管Q1、Q2、Q3和Q4。四个MOS管的输出端(漏极)相连，共同输出控制电流。该实施例中，一路输出电流为10A，四路为40A。其附属元器件及电路连接关系如图2所示，在此不做赘述。可根据需要增加多路恒流源输出控制电路，最大输出电流可达100A。

本实施例采用恒流源向输出通路供电，根据滑动变阻器VR1的阻值变化，恒流输出范围最大可以调整至100A，以保证电路的高精度并能够长期稳定工作。

本实施例中，直流电源VCC电压范围为3.3V-15V。本实例采用小电压工作模式，3.3V-15V的输入电压可以保证本方案可以更容易的开发成手持式的便携设备产品用于钢轨电阻的工程测试领域。

本实施例中，第一参考电阻电压测试端V1、第一钢轨电压测试端Vtest+和第二钢轨电压测试端Vtest-的测试响应时间为5s-10s。本发明测量的响应时间为5s-10s，测量结束之后对结果进行滤波并显示，功耗低。由于响应时间短，可以有效避免因回路大电流发热导致的钢轨电阻温漂对测量结果造成的影响。

本实施例中，测试电压时，对各电压的采集可使用24位的AD采集芯片（如ADS1256芯片），采集电压的精度可以达到1μV的精度。采集的电压经过AD采集芯片后再进入处理器处理。

本发明还提供一种钢轨电阻的测量方法，其用于一种钢轨电阻的测量装置，方法包括步骤：S1，测量第一钢轨电压测试端Vtest+、第二钢轨电压测试端Vtest-的电压差；S2,测量与钢轨串联的第一参考电阻R2两端的电压差；S3，根据步骤S1和S2的测量结果，按欧姆定律计算钢轨的电阻。

本实施例中，步骤S2还包括子步骤：S21，测量与钢轨串联的第二参考电阻R3两端的电压差；步骤S3还包括子步骤：S31，根据步骤S1和S21的测量结果，按欧姆定律计算钢轨的电阻。

本实施例中，方法还包括步骤：利用恒流源输出控制电路控制测试装置直流电源VCC的输出电流。

本实施例中，方法还包括步骤：利用参考电压调整电路调整恒流源输出控制电路输出的电流。

本实施例中，步骤S1和S2的测量响应时间为5s-10s。

本发明设计一款专门检测钢轨电阻的装置及方法，实现了直流供电方式，而且适合检测装置的小型化设计，具有良好的经济和社会效益。

本发明可广泛应用于各种钢轨测量装置。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。