专利名称：不平衡牵引电流分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种不平衡牵引电流分析仪，用于电气化铁路钢轨牵引电 流的实时监测、电气故障分析。
背景技术：
河南、北京等地有关不平衡电流测试仪的文献报道中，郑州铁路局郑州科 学技术研究所用于检测电气化铁路钢轨牵引电流的测试仪，所测结果仅含有50HZ牵引电流，可同时测试两根钢轨的电流直接进行比较，测试准确，有利于 查找因牵引电流不平衡造成的轨道电路故障；北京铁路局北京科研所用于在线 测量铁路电气化区段轨道电路的牵引电流测试仪，有电池盒、采样机构、计算 机与显示系统组成；郑州科研所石振武的论文，简述了 GD-1型不平衡电流测 试仪的设计思想和基本结构，测试设备包括测量取样的钢轨电流传感器和测试 仪，其电路由输入、分压、限幅、匹配、滤波、放大和显示组成；郑州铁路局 建管中心工程师彭向国的论文，介绍了智能型不平衡牵引电流测量分析记录仪， 具有三路测量输入端口，配备两把专用电流钳，在硬件和软件配合下，可同时 对两路电流和一路电压进行50HZ选频测量，并具有14小时的测试记录存储容 量和测试记录回放功能；但它们不能对采样数据进行实时处理，没有智能分析 功能，不利于故障查找和排除， 一体化结构不利于携带和搬运，数据储存时间 短，没有无线通讯功能，存储的数据难以导出。发明内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种采用分体式结构，能够实时计算 不平衡电流和不平衡系数并判断其是否超标，运用蓝牙技术进行通讯的不平衡 牵引电流分析仪。本实用新型解决上述问题采用的技术方案是不平衡牵引电流分析仪，它 由测试机及采用蓝牙通讯电路与其相连的掌上电脑PDA组成，其特征在于所 述测试机由输入电压电流调理电路、电压电流12位量化器、单片机电路、RS232接口电路、电池充电电路、参考源和二次电源组成，输入电压电流调理电路输出端接电压电流12位量化器的输入端，单片机电路和电压电流12位量化器、 RS232接口电路、蓝牙通讯电路均双向连接，电池充电电路的输出端接参考源和 二次电源的输入端，参考源和二次电源的输出端分别接电压电流12位量化器、 输入电压电流调理电路、单片机电路、蓝牙通讯电路的输入端。本实用新型取得的技术进步是本实用新型采用分体式结构设计，保证了 测试人员的安全；测试机采用单片机进行控制，通过三路12位模数转换器，以 1KHZ的频率对输入信号进行采样，同时通过蓝牙以无线方式，接照115200bps 的速率将采样数据实时传输到掌上电脑PDA中；掌上电脑PDA对现场数据进行 实时分析及显示，可捕捉瞬间电路故障，可以保存大量的测试数据，还可以将 数据导入计算机中保存或制成光盘，供查询与回放，具有存储站场平面图、室 外结构图、室外配线图等功能，并可根据实际需要增删图纸；测试过程中，可 显示两路电流和不平衡系数的数值并能同时显示两路电流曲线和不平衡系数计 算曲线；具有智能分析功能，根据测试数据自动计算不平衡系数。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。 图l本实用新型测试机原理框图； 图2为本实用新型测试机的输入电压电流调理电路图； 图3为本实用新型测试机的电压电流12位量化器电路图； 图4为本实用新型测试机的单片机电路图；图5为本实用新型测试机的RS232接口电路和蓝牙通讯电路的电路图； 图6为本实用新型测试机的二次电源与电池充电电路图； 图7为本实用新型掌上电脑PDA数据处理软件结构图。
具体实施方式
如图1-7所示，不平衡牵引电流分析仪，它由测试机及通过测试机的蓝牙 通讯电路与其相连的掌上电脑PDA组成，所述测试机由输入电压电流调理电路、 电压电流12位量化器、单片机电路、RS232接口电路、电池充电电i 各、参考源
和二次电源及蓝牙通讯电i 各组成，输入电压电流调理电路输出端4妾电压电流12位量化器的输入端，单片机电路和电压电流12位量化器、RS232接口电路、蓝 牙通讯电路均双向连接，电池充电电路的输出端接参考源和二次电源的输入端， 参考源和二次电源的输出端分别接电压电流12位量化器、输入电压电流调理电 路、单片机电路、蓝牙通讯电路的输入端。输入电压电流调理电路由3路电压 电流转换电路组成，第一路由电阻R40-R50、电容C23、 C30、 C40、 C41、 C45_C47、 C57、 二极管D12、 D13、稳压管D8、 D9、电阻R24、 R25、 R27、放大器U12组成， 电阻R48、 R49、 R50并联后再依次与电阻R47、 R46、 R45、 R44、 R43、 R42、 R41、 R40串联接于放大器U12的2、 3脚，电容C46、 C47串联后接于放大器U12的2、 3脚，电容C46、 C47的串联节点接地，电阻R24、 R25串联后接于放大器U12的 2、 3脚，电阻R24、 R25的串联节点接地，稳压管D8的负极和稳压管D9的正极 接放大器U12的2脚，稳压管D8的正极接二极管D12的正极，二极管D12的负 极接放大器U12的3脚，稳压管D9的负极接二极管D13的负极，二极管D13的 正极接放大器U12的3脚，放大器U12的1脚通过电阻R27与放大器U12的8 脚相连，电容C23、 C40、 C45并联后接于电源V+和地之间，电容C30、 C41、 C57 并联后接于电源+2. 5V和模拟地之间；第二路由电阻R51-R61、电容C31、 C39、 C42-C44、 C48、 C49、 C58、 二极管DIO、 Dll、稳压管D6、 D7、电阻R22、 R23、 R26、放大器U18组成，连接方式与第一路相同；第三路由电阻R28-R32、电容 C59、 C50-C56、 二极管D15、 D16、稳压管D5、 D14、放大器U12組成，连接方 式与第一路相同。电压电流12位量化器的电阻R14、 R15、晶振X2并联接于串 行计数/分频器U13的10、 11脚，电阻R16、电容C36—端接晶振X2的一端， 电容C37接晶振X2的另一端，电容C36、 C37的另一端接地，串行计数/分频器 U13的6、 14、 13、 15脚分别接多路模拟开关U7的12、 14、 15、 ll脚，多路模 拟开关U7的13脚输出接至触发器U4A的3脚，触发器U4A的4、 6脚接地，触 发器U4A的2脚与5脚相接，触发器U4A的1脚输出接触发器U14A的输入端2 脚，触发器U14A的15脚通过电阻R10接电源Vcc，触发器U14A的15脚通过电 容a 接地，触发器U14A的输出4脚接AD转换芯片U19的6脚，触发器U14B的 7脚通过电阻R3接电源Vcc,触发器U14B的7脚通过电容C28接地，触发器U14B
的12脚输出接至单片机Ul的8脚；AD转换电路的第 一路由AD转换芯片Ul9, 电阻R33、 R34、电容C62、锁存器U20组成，输入电压电流调理电路的输出端 通过电阻R33接AD转换芯片U19的输入端1、 2脚，AD转换芯片U19的输入端 1、 2脚通过电阻R34接地，AD转换芯片U19的输入端1、 2脚通过电容C62接 模拟地，AD转换芯片U19的输出端通过锁存器U20输出到单片机，AD转换电路 的另两路连接与第一路相同；电源高频滤波电容C12、 C17、 C18、 C20、 C32、 C33、 C34、 C35、 C38、 C60、 C61、 C63、 C64均4妻于电源Vcc与地之间。单片才几电^各包 括单片机U1、地址译码器U8、由晶振X1、电容C1、 C2组成的晶振电路、由反 相器U3、电阻R6、电容C15组成的复位电路、电源高频滤波电容CIO、 Cll、 C14; 单片机Ul的输出端接地址译码器U8的输入端，地址译码器U8的输出端接AD 转换芯片U19、锁存器U20的输入端，反相器U3的输入端3脚通过电阻R6接电 源Vcc，反相器U3的输入端3脚通过电容C15接地，反相器U3的输出4脚接单 片机U1的4脚。RS232接口电路和蓝牙通讯电路由串口芯片U2的1脚通过电容 C5与串口芯片U2的3脚相连，串口芯片U2的4脚通过电容C7与串口芯片U2的 5脚相连，串口芯片U2的16脚通过电容C9与串口芯片U2的15脚相连，并且串 口芯片U2的15脚接地，串口芯片U2的10脚通过电阻R5接电源Vcc，串口芯 片U2的2脚通过电容C6接地，串口芯片U2的6脚通过电容C8接地，串口芯 片U2的7脚接连接器J3的2脚和跳线器JMP1的一端，JMP1的另一端接连接器 J5的2脚，串口芯片U2的8脚接连接器J3的3脚和跳线器JMP2的一端，JMP2 的另一端接连接器J5的3脚，串口芯片U2的13脚接连接器J3的7脚，串口 芯片U2的14脚接连接器J3的8脚，连接器J5的1脚电源V-B，连接器J5的 4脚4矣地。电池充电电^各的连接器J2的1脚依次通过电阻Rll、 R12、 R13、 二 极管D3接到电池BT1的正极，连接器J2的2、 3脚同时接模拟地和地，连接器 J2的1脚通过二极管D2接连接器J4的3脚，电池BT1正极通过二极管Dl接连 接器J4的3脚，电池BT1负极接模拟地和地，连接器J4的4脚分别接电阻R17、 R19、 R21的一端、稳压管D4的负极和功率场效应芯片U16的4脚，电阻R17的 另一端通过电阻R20接三极管Ql的基极，三极管Ql的发射极接地，电阻R17 与电阻R20的节点接低压检测芯片U5的1脚，电阻R19的另一端接连接器J4
的5脚，电阻R21的另一端接连接器J4的5脚、三极管Ql的集电极和功率场 效应芯片U16的3脚，稳压管D4的正极接电阻R18 —端和低压检测芯片U5的2 脚，电阻R18的另一端接地，低压4全测芯片U5的3脚接地，功率场效应芯片U16 的1、 2、 5、 6脚均接电源V+，电容C3、 C21均接在电源V+和才莫拟地与地的节 点之间；参考源和二次电源的稳压块VI、电容C4组成第一路电源电路，稳压块 VI的1脚接电源V+,稳压块VI的2脚接地，稳压块VI的3脚输出接电源V-B， 电容C4接于电源V-B和地之间；稳压块V2、电容C16組成第二路电源电路，连 接方式同第一路，稳压块V3、电阻R38、 R39、 R66、电位器RP2、电容C24组成 第三路电源电路，稳压块V3的3脚接电源V+，稳压块V3的2脚输出接电源+5V, 电源+5V依次通过电阻R38、电位器RP2、电阻R39接地，电容C24接于电源+5V 和地之间，电阻R66接于电源+5V和地之间，电阻R38与电位器RP2的节点接稳 压块V3的1脚以及电位器RP2的调节端，稳压块V4、电阻R36、 R37、 R67、电 位器RP1、电容C29组成第四路电源电路，连接方式同第三路。掌上电脑PDA软 件由数据解析模块、采样数据处理模块、数据存储模块、计算分析模块、数据 显示模块组成，用于对测试机采集到的牵引电流和电压的数据进行处理后计算 不平衡系数，并对不平衡系数进行分析。数据解析模块用来提取通过蓝牙通讯 电路传到掌上电脑PDA中的牵引电流和电压数据。采样数据处理模块用来对牵 引电流、电压采样数据进行频语分析并提取50HZ有效数据。采样快速傅立叶正 反变换对采样数据进行处理。数据存储模块用来存储牵引电流、电压的原始采 样数据。计算分析模块用来对50HZ牵引电流、电压数据进行有效值计算和对两 路牵引电流进行不平衡系数计算，并对不平衡系数进行分析报警。 不平衡系数计算公式 Px」i^X1oo%11+12数据显示模块用来显示牵引电流、电压的波形和牵引电流、电压的有效值曲线 及不平衡系数曲线。本实用新型工作原理如下通过钳型电流互感器检测钢轨电流信号，送至 电压电流调理电路，通过取样电阻转换成0-5V电压信号，通过电容滤波，二 极管、稳压管限幅，送入放大器进行放大，其输出送入AD转换电路。如图3所示，3片12位AD转换器，对输入的0 5V电压进行量化，3路的
采样频率均为lKHz ， U4、 U7、 U13、 U14A、 R14、 R15、 R16、 C36、 C37、 X2、 RIO、 C27产生ADC的采样脉冲，ADC转换结束后，通过U14B、 R3、 C28产生中断信号， 通知羊片机读取ADC数据；UIO、 Ull、 U19为三个相同的12位ADC,对三路输 入电压进行采样。U15、 U17、 U20为锁存器，在单片机读12位ADC的低8位时， 把高4位锁存，单片机再接着从锁存器中读取高4位，单片机U1读入的三路电 流电压值，并通过蓝牙通讯电路，以115200bps的速率，将数据发送到PDA上 进行处理，启动和停止数据采集，由PDA通过蓝牙通讯电路通知单片机，如图4 所示，U8为地址译码器，对三路12位ADC进行单片机读地址译码，U3、 R6、 C15构成单片机上电复位电路。如图5所示，RS232接口用于测试机上单片机的程序升级使用。在没有蓝牙 通讯电路电路时，测试机可以通过RS232接口与电脑进行数据传输，U2完成单 片机的UART信号与RS232信号的电平转换，蓝牙通讯电路在PDA和测试机间 搭起数据传输和指令发布无线通道。如图6所示，V3、 R36、 R37、 RP1、 C29、 R67产生2.5V参考电源给图2中 的3个仪表放大器，作为参考电源，V4、 R38、 R39、 RP2、 C24、 R66产生5V电 压给图3中的3个ADC,作为模拟电源，V2、 C16产生板子上的数字电路5V供 电电源。VI、 C4产生蓝牙模块5V供电电源，D4、 U5、 U16、 Ql、 R17、 R18、 R19、 R20、 R21在电池组低于6. 5V时自动断电；BT1为6节5号镍氢充电电池构成的 电池组，当9V/1A直流变压器接入J2时，通过Rll、 R12、 R13、 D3为BT1充电， 同时通过D2给板上电路供电，当无外接直流变压器时，BT1通过D1给板上电路 供电。软件采用独有数据处理软件对测试机采集到的牵引电流和电压的数据进行 处理后计算不平衡系数，并对不平衡系数进行分析，最终结果以牵引电流、电 压的波形和牵引电流、电压的有效值曲线及不平衡系数曲线显示，或通过串行 通信口 (串口线缆或蓝牙无线)与计算机通信，并对原始采样数据进行存储。
权利要求1.不平衡牵引电流分析仪，它由测试机及通过测试机的蓝牙通讯电路与其相连的掌上电脑PDA组成，其特征在于所述测试机由输入电压电流调理电路、电压电流12位量化器、单片机电路、RS232接口电路、电池充电电路、参考源和二次电源及蓝牙通讯电路组成，输入电压电流调理电路输出端接电压电流12位量化器的输入端，单片机电路和电压电流12位量化器、RS232接口电路、蓝牙通讯电路均双向连接，电池充电电路的输出端接参考源和二次电源的输入端，参考源和二次电源的输出端分别接电压电流12位量化器、输入电压电流调理电路、单片机电路、蓝牙通讯电路的输入端。
2. 根据权利要求1所述的不平衡牵引电流分析仪，其特征在于输入电压 电流调理电^各由3路电压电流转换电路组成，第 一路由电阻R4 0-R 5 0 、电容C2 3 、 C30、 C40、 C41、 C45-C47、 C57、 二极管D12、 D13、稳压管D8、 D9、电阻R24、 R25、 R27、放大器U12组成，电阻R48、 R49、 R50并联后再依次与电阻R47、 R46、 R45、 R44、 R43、 R42、 R41、 R40串联接于放大器U12的2、 3脚，电容 C46、 C47串联后接于放大器U12的2、 3脚，电容C46、 C47的串联节点接地， 电阻R24、 R25串联后接于放大器U12的2、 3脚，电阻R24、 R25的串联节点 接地，稳压管D8的负极和稳压管D9的正极接放大器U12的2脚，稳压管D8 的正极接二极管D12的正极，二极管D12的负极接放大器U12的3脚，稳压管 D9的负极接二极管D13的负极，二极管D13的正极接放大器U12的3脚，放大 器U12的1脚通过电阻R27与放大器U12的8脚相连，电容C23、 C40、 C45并 联后接于电源V+和地之间，电容C30、 C41、 C57并联后接于电源+2. 5V和模拟 地之间；第二路由电阻R51-R61、电容C31、 C39、 C42-C44、 C48、 C49、 C58、 二极管DIO、 Dll、稳压管D6、 D7、电阻R22、 R23、 R26、放大器U18组成，连 接方式与第一路相同；第三路由电阻R28-R32、电容C59、 C50-C56、 二极管D15、 D16、稳压管D5、 D14、放大器U12组成，连接方式与第一路相同。
3. 根据权利要求l所述的不平衡牵引电流分析仪，其特征在于电压电流 U位量化器的电阻R14、 R15、晶振X2并联接于串行计数/分频器U13的10、 11脚，电阻R16、电容C36—端接晶振X2的一端，电容C37接晶振X2的另一 端，电容C36、 C37的另一端接地，串行计数/分频器U13的6、 14、 13、 15脚 分别接多路模拟开关U7的l2、 l4、 15、 11脚，多路模拟开关U7的13脚输出 接至触发器U4A的3脚，触发器U4A的4、 6脚接地，触发器U4A的2脚与5 脚相接，触发器U4A的1脚输出接触发器U14A的输入端2脚，触发器U14A的 1S脚通过电阻R10接电源Vcc，触发器U14A的15脚通过电容C27接地，触发 器UUA的输出4脚接AD转换芯片U19的6脚，触发器U14B的7脚通过电阻 IU接电源Vcc,触发器U14B的7脚通过电容C28接地，触发器U14B的12脚 输出接至单片机Ul的8脚；AD转换电路的第一路由AD转换芯片Ul9,电阻R33、 R34、电容C62、锁存器U20组成，输入电压电流调理电路的输出端通过电阻 R33接AD转换芯片U19的输入端1、 2脚，AD转换芯片U19的输入端1 、 2脚 通过电阻R34接地，AD转换芯片U19的输入端l、 2脚通过电容C62接模拟地， AD转换芯片U19的输出端通过锁存器U20输出到单片机，AD转换电路的另两 路连接与第一路相同；电源高频滤波电容C12、 C17、 C18、 C20、 C32、 C33、 C34、 C35、 C38、 C60、 C61、 C63、 C64均接于电源Vcc与地之间。
4. 根据权利要求1所述的不平衡牵引电流分析仪，其特征在于单片机电 路包括单片机U1、地址译码器U8、由晶振X1、电容C1、 C2组成的晶振电路、 由反相器U3、电阻R6、电容C15组成的复位电路、电源高频滤波电容C10、C11、 C14;单片机U1的输出端接地址译码器U8的输入端，地址译码器U8的输出端 接AD转换芯片U19、锁存器U20的输入端，反相器U3的输入端3脚通过电阻 R6接电源Vcc，反相器U3的输入端3脚通过电容C15接地，反相器U3的输出 4脚接单片机U1的4脚。
5. 根据权利要求1所述的不平衡牵引电流分析仪，其特征在于RS232接 口电路和蓝牙通讯电路由串口芯片U2的1脚通过电容C5与串口芯片U2的3 脚相连，串口芯片U2的4脚通过电容C7与串口芯片U2的5脚相连，串口芯片 U2的W脚通过电容C9与串口芯片U2的15脚相连，并且串口芯片U2的15脚 接地，串口芯片U2的10脚通过电阻R5接电源Vcc，串口芯片U2的2脚通过 电容"接地，串口芯片U2的6脚通过电容C8接地，串口芯片U2的7脚接连 接器J3的2脚和跳线器JMP1的一端，JMP1的另一端接连接器J5的2脚，串 口芯片U2的8脚接连接器J3的3脚和跳线器JMP2的一端，JMP2的另一端接 连接器J5的3脚，串口芯片U2的13脚接连接器J3的7脚，串口芯片U2的 14脚接连接器B的8脚，连接器J5的1脚电源V-B，连接器J5的4脚接地。 6.根据权利要求l所述的不平衡牵引电流分析仪，其特征在于电池充电 电路的连接器J2的l脚依次通过电阻Rll、 R12、 R13、 二极管D3接到电池BT1 的正极，连接器J2的2、 3脚同时接模拟地和地，连接器J2的1脚通过二极 管D2接连接器J4的3脚，电池BT1正极通过二极管Dl接连接器J4的3脚， 电池BT1负极接模拟地和地，连接器J4的4脚分别接电阻R17、 R19、 R21的 一端、稳压管D4的负极和功率场效应芯片U16的4脚，电阻R17的另一端通 过电阻R20接三极管Ql的基极，三极管Ql的发射极接地，电阻R17与电阻R20 的节点接低压检测芯片U5的1脚，电阻R19的另一端接连接器J4的5脚，电 阻R21的另一端"l妄连接器J4的5脚、三极管Q1的集电极和功率场效应芯片U16 的3脚，稳压管D4的正极接电阻R18 —端和低压检测芯片U5的2脚，电阻R18 的另一端接地，低压检测芯片U5的3脚接地，功率场效应芯片U16的1、 2、 5、 6脚均接电源V+,电容C3、 C21均接在电源V+和模拟地与地的节点之间；参考 源和二次电源的稳压块V1、电容C4组成第一路电源电路，稳压块V1的l脚接 电源V+,稳压块VI的2脚接地，稳压块VI的3脚输出接电源V-B,电容C4 接于电源V-B和地之间；稳压块V2、电容C16组成第二路电源电路，连接方式 同第一路，稳压块V3、电阻R38、 R39、 R66、电位器RP2、电容C24组成第三 路电源电路，稳压块V3的3脚接电源V+,稳压块V3的2脚输出接电源+5V, 电源+5V依次通过电阻R38、电位器RP2、电阻R39接地，电容C24接于电源+5V 和地之间，电阻R66接于电源+5V和地之间，电阻R38与电位器RP2的节点接 稳压块V3的1脚以及电位器RP2的调节端，稳压块V4、电阻R36、 R37、 R67、 电位器RP1、电容C29组成第四路电源电路，连接方式同第三路。
专利摘要本实用新型公开了一种不平衡牵引电流分析仪，它由测试机及通过测试机的蓝牙通讯电路与其相连的掌上电脑PDA组成，所述测试机由输入电压电流调理电路、电压电流12位量化器、单片机电路、RS232接口电路、电池充电电路、参考源和二次电源组成，本实用新型采用分体式结构设计，保证了测试人员的安全；测试机采用单片机进行控制，通过三路12位模数转换器，以1KHZ的频率对输入信号进行采样，同时通过蓝牙以无线方式，按照115200bps的速率将采样数据实时传输到掌上电脑PDA中；掌上电脑PDA对现场数据进行实时分析及显示，可捕捉瞬间电路故障，并可以保存大量的测试数据。
文档编号G01R19/10GK201029000SQ200720100880
公开日2008年2月27日 申请日期2007年3月29日 优先权日2007年3月29日
发明者王国荣 申请人:王国荣