一种轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试装置及方法与流程

1.本发明涉及轨道钢轨绝缘及其部件阻抗性能测试技术领域，具体是指一种针对宽频高阻抗特性的轨道钢轨绝缘及其部件的阻抗特性测试装置及方法。


背景技术：

2.铁路轨道电路是由钢轨线路和钢轨绝缘构成的电路，钢轨绝缘是铁路轨道电路中的重要组成部分，轨道电路是车站集中联锁的重要组成部分，轨道电路在现代化铁路运输中已不仅仅反映列车占用和出清，它已成为铁路运输行车指挥和编组站自动化必不可少的基础设备。在提高区间通过能力,铁路运输效率，保证行车安全中起着越来越重要的作用。铁路轨道电路主要通过以下4个方面的重要作用来保证行车安全。1、用于形成自动闭塞区段，检查和监督轨道是否占用，防止错误的办理进路；2、检查和监督道岔区段有无机车车辆通过，锁闭占用道岔区段的道岔，防止在机车车辆经过道岔时扳动道岔；3、检查和监督轨道上的钢轨是否完好，当某一轨道电路区段的钢轨折断时轨道继电器也将因无电而释放衔铁，防护这一段轨道的信号机也就不能开放等；4、传输不同的信息，使信号机随所防护区段及前方邻近区段被占用情况的变化而变换显示。钢轨作为信号回流线，提高钢轨绝缘的阻抗将大大降低轨道电路中的涡流阻抗，减少回流电路的能量损失，保证信号的传输长度，从而防止列车追尾和冲突事故，确保行车安全。
3.铁路轨道电路按电流性质可分为直流轨道电路和交流轨道电路。目前，直流轨道电路已被淘汰；以交流供电的轨道电路作为主流，即交流轨道电路。交流轨道电路的种类很多，频带用得很宽，大体可分为如下三段：低频300hz以下、音频300hz～3000hz和高频10hz～40khz。因此不同交流轨道的钢轨绝缘及其部件接触的电源环境在频率方面存在较宽的范围。为保证行车安全，一般要求轨道钢轨绝缘及其部件最小阻抗值为10kω，实际阻抗甚至高达几十mω。另外，钢轨绝缘及其部件在实际使用时长期与钢轨接触，外界的气候环境如雨雪、温度、湿度等对其阻抗均有较大程度的影响，尤其是极端恶劣的环境将大大降低其阻抗，从而影响到钢轨的信号传输。因此需要经常对其进行阻抗特性测试，以判断其是否处于阻抗达标范围内。
4.本专利申请的发明人通过实践发现，现有的阻抗分析测量仪多数应用场合为小型电子元器件或材料的阻抗特性测试，频率固定在某一个数值(如50hz)或频率范围比较窄，测试电压较低(一般只有几个伏特)，阻抗测试范围窄或仅能测试低阻抗、中高阻抗，不能同时满足轨道钢轨绝缘及其部件宽频、高阻抗的测试要求。除了测试装置的问题，目前还缺少一种专门针对宽频、高阻抗的轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性的测试方法。现有技术中的测试方法主要是固定频率测试法，无法适用宽频测试和气候环境条件下测试的需要。
5.综上所述，迫切需要一款针对宽频、高阻抗的轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性的测试装置，以及一套完善的测试方法，以满足不同交流轨道的钢轨绝缘及其部件的现场阻抗测量和出厂前实验室环境下的模拟评价测试。


技术实现要素：

6.本发明要解决的第一个技术问题是，解决应用于不同交流轨道上钢轨绝缘及其部件的宽频、高阻抗特性的测试问题，提供一种能同时满足宽频和高阻抗的要求，并在实际测试范围内保证所需的频率控制精度和阻抗测量精度的轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试装置。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试装置，它包括宽频阻抗测量仪，所述的宽频阻抗测量仪包括程控正弦信号发生器、宽频功率放大器、宽频升压变压器、电流电压测试单元、程序控制器和人机界面；所述的电流电压测试单元与程序控制器信号连接，程序控制器依次与程控正弦信号发生器、宽频功率放大器、宽频升压变压器信号连接；程序控制器与人机界面信号连接。
8.作为优选，所述的程序控制器为plc控制器，所述的人机界面为触摸屏。
9.作为优选，所述的宽频阻抗测量仪的电路结构包括：sgp2102s型正弦信号发生器、fya2010型20w功率放大器、变频变压器、电流取样电阻、th1912型双路mv表、fx2n3u型三菱plc、触摸屏、dc24v电源、dc双18v电源、dc12v电源；所述的dc24v电源、dc双18v电源、dc12v电源和th1912型双路mv表均通过交流电源供电并有接地；th1912型双路mv表上设有电压测量输入接口和电流测量输入接口，其中电压测量输入接口与变频变压器的电压输出端相连，dc12v电源为sgp2102s型正弦信号发生器供电，dc双18v电源为fya2010型20w功率放大器供电，dc24v电源为fx2n3u型三菱plc和触摸屏供电；sgp2102s型正弦信号发生器、th1912型双路mv表和触摸屏均与fx2n3u型三菱plc信号连接；sgp2102s型正弦信号发生器的输出端与fya2010型20w功率放大器输入端相连，fya2010型20w功率放大器的输出端与变频变压器的输入端相连；电流取样电阻为并联设置的100r、1k、10k三个电阻，三个电阻分别与plc的y0、y1、y2三个输入端相连。
10.本发明要解决的另一技术问题是，解决轨道钢轨绝缘及其部件的阻抗特性测试方法不完善的问题，提供一种适用于不同交流轨道上钢轨绝缘及其部件的阻抗特性测试，不仅适用于现场测量，并可在实验室模拟外界气候环境条件下，对阻抗特性进行在线评价测试的测试方法。
11.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试方法，它包括固定频率测试法、宽频测试法和气候环境条件模拟测试法三种子方法；其中固定频率测试法，具体操作步骤如下：首先将轨道钢轨绝缘及其部件用电缆导线分别连接至上述的宽频阻抗测量仪的信号输入端，然后设置测试回路的电压和频率，并施加1分钟的交流电，记录下输入的电流值，然后计算出固定频率下的阻抗；
12.其中宽频测试法，具体操作步骤如下：首先将钢轨绝缘及其部件用电缆导线连接至上述的宽频阻抗测量仪的信号输入端，然后给测试回路施加3分钟的交流电，将测试频率逐步递增，记录电流，然后计算每个频率增量所对应的阻抗；
13.其中气候环境条件模拟测试法是指通过环境模拟系统模拟出不同的气候环境条件后，再采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量，所述的气候环境条件模拟测试法具体包括干燥状态、潮湿状态、喷淋状态、高低温下的四种测试方式。
14.作为优选，所述的干燥状态下的测试方式具体操作步骤如下：首先用环境模拟系统调试出温度为(23
±
2)℃，湿度为(50
±
5)％rh的标准环境，然后将钢轨绝缘及其部件在
该标准环境下放置至少24h，然后再在该环境条件下采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量；
15.所述的潮湿状态下的测试方式具体操作步骤如下：首先将钢轨绝缘及其部件在纯水中浸泡24小时后，取出并擦干表面水分待用；然后用环境模拟系统调试出温度为(23
±
2)℃，湿度为(50
±
5)％rh的标准环境，然后将钢轨绝缘及其部件放在该标准环境下采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量；
16.所述的喷淋状态下的测试方式具体操作步骤如下：首先将钢轨绝缘及其部件静置至表面干燥，然后一边采用环境模拟系统对钢轨绝缘及其部件进行喷淋操作，一边采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量；
17.所述的高低温下的测试方式具体操作步骤如下：首先将钢轨绝缘及其部件放置于环境模拟系统，然后在环境模拟系统内配置好温控箱，同时将测试件放入温控箱内并与温控箱体间用绝缘垫块隔离；再将钢轨绝缘及其部件用带屏蔽的电缆导线连接所述的宽频阻抗测量仪，然后设置温控箱的试验温度并进行温度平衡后，采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量。
18.作为优选，方法中所述的环境模拟系统包括用于模拟环境温度的温控系统和用于模拟雨水侵蚀的喷淋系统。
19.作为优选，所述的喷淋系统包括蓄水池、水泵、调节阀、流量计和喷洒架；所述的蓄水池的出水口与水泵的进口相连；水泵的出水口依次连接有调节阀、流量计和喷洒架；所述的喷洒架上设置有多个连接有水源的喷嘴。
20.作为进一步优选，所述的喷嘴的直径为3.6mm，喷射锥度在100
°
～125
°
之间，喷洒率在6l/min～8l/min之间，每次喷洒量能达到至少2min时长，且喷嘴流量可通过电控调节阀和流量计实时控制和监测，所述的蓄水池蓄水容量q≥64l。
21.作为优选，所述的喷洒架整体框架由空心防腐管材焊接而成，横梁为主管道，与输水管连接，主管道下设四个支管，每个支管末端安装有一个喷嘴，框架底部设有行走机构，可平行于钢轨移动，同时框架的高度和跨度均可调整。
22.采用上述结构和方法后，本发明具有如下有益效果：
23.1、本发明设计的轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试装置及方法，能够适应于不同交流轨道的钢轨绝缘及其部件的现场阻抗测量，适用范围广，还能模拟气候条件，在实验室条件下即可对其阻抗特性进行评价测试。
24.2、本发明设计的轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试装置可同时满足宽频和高阻抗要求，性能稳定，测试误差小，不仅适用于钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试，同时可应用于其他产品或材料的阻抗测试。
25.3、本发明设计的装置和方法可以模拟外界气候环境条件，能够较真实的模拟多种气候条件，测量各气候条件对轨道钢轨绝缘及其部件阻抗性能的影响，为产品的应用提供可靠的数据参考。
26.4、本发明设计的轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试装置及方法，设备结构简单、成本低、精度高，适用于普遍应用和推广。
附图说明
27.图1是本发明中宽频阻抗测量仪原理示意图。
28.图2是本发明中宽频阻抗测量仪的界面示意图。
29.图3是本发明中宽频阻抗测量仪的电路原理图。
30.图4是本发明中喷淋系统的示意图。
31.图5是本发明中喷淋系统中喷洒架的结构示意图。
32.如图所示：01、触摸屏；02、程控正弦信号发生器；03、双路程控mv表；04、双路程控mv表电流与电压测量端；05、试样测量输入端；06、电源开关；1、蓄水池，2、水泵，3、调节阀，4、流量计，5、喷洒架，001、支架；002、喷嘴；003、钢轨绝缘；004、木块；005、塑料垫。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
34.结合附图，本发明公开了一种轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试装置，它包括宽频阻抗测量仪，所述的宽频阻抗测量仪包括程控正弦信号发生器、宽频功率放大器、宽频升压变压器、电流电压测试单元、程序控制器和人机界面；所述的电流电压测试单元与程序控制器信号连接，程序控制器依次与程控正弦信号发生器、宽频功率放大器、宽频升压变压器信号连接；程序控制器与人机界面信号连接。所述的程序控制器为plc控制器，所述的人机界面为触摸屏。
35.进一步结合附图3，所述的宽频阻抗测量仪的电路结构包括：sgp2102s型正弦信号发生器、fya2010型20w功率放大器、变频变压器、电流取样电阻、th1912型双路mv表、fx2n3u型三菱plc、触摸屏、dc24v电源、dc双18v电源、dc12v电源；所述的dc24v电源、dc双18v电源、dc12v电源和th1912型双路mv表均通过交流电源供电并有接地；th1912型双路mv表上设有电压测量输入接口和电流测量输入接口，其中电压测量输入接口与变频变压器的电压输出端相连，dc12v电源为sgp2102s型正弦信号发生器供电，dc双18v电源为fya2010型20w功率放大器供电，dc24v电源为fx2n3u型三菱plc和触摸屏供电；sgp2102s型正弦信号发生器、th1912型双路mv表和触摸屏均与fx2n3u型三菱plc信号连接；sgp2102s型正弦信号发生器的输出端与fya2010型20w功率放大器输入端相连，fya2010型20w功率放大器的输出端与变频变压器的输入端相连；电流取样电阻为并联设置的100r、1k、10k三个电阻，三个电阻分别与plc的y0、y1、y2三个输入端相连。
36.本发明同时公开了一种轨道钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试方法，它包括固定频率测试法、宽频测试法和气候环境条件模拟测试法三种子方法；其中固定频率测试法，具体操作步骤如下：首先将轨道钢轨绝缘及其部件用电缆导线分别连接至本发明中公开的宽频阻抗测量仪的信号输入端，然后设置测试回路的电压和频率，并施加1分钟的交流电，记录下输入的电流值，然后计算出固定频率下的阻抗；
37.其中宽频测试法，具体操作步骤如下：首先将钢轨绝缘及其部件用电缆导线连接至本发明中公开的宽频阻抗测量仪的信号输入端，然后给测试回路施加3分钟的交流电，将测试频率逐步递增，记录电流，然后计算每个频率增量所对应的阻抗；
38.其中气候环境条件模拟测试法是指通过环境模拟系统模拟出不同的气候环境条件后，再采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量，所述的气候环境条件模拟测试
法具体包括干燥状态、潮湿状态、喷淋状态、高低温下的四种测试方式。
39.作为优选，所述的干燥状态下的测试方式具体操作步骤如下：首先用环境模拟系统调试出温度为(23
±
2)℃，湿度为(50
±
5)％rh的标准环境，然后将钢轨绝缘及其部件在该标准环境下放置至少24h，然后再在该环境条件下采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量；
40.所述的潮湿状态下的测试方式具体操作步骤如下：首先将钢轨绝缘及其部件在纯水中浸泡24小时后，取出并擦干表面水分待用；然后用环境模拟系统调试出温度为(23
±
2)℃，湿度为(50
±
5)％rh的标准环境，然后将钢轨绝缘及其部件放在该标准环境下采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量；
41.所述的喷淋状态下的测试方式具体操作步骤如下：首先将钢轨绝缘及其部件静置至表面干燥，然后一边采用环境模拟系统对钢轨绝缘及其部件进行喷淋操作，一边采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量；
42.所述的高低温下的测试方式具体操作步骤如下：首先将钢轨绝缘及其部件放置于环境模拟系统，然后在环境模拟系统内配置好温控箱，同时将测试件放入温控箱内并与温控箱体间用绝缘垫块隔离；再将钢轨绝缘及其部件用带屏蔽的电缆导线连接所述的宽频阻抗测量仪，然后设置温控箱的试验温度并进行温度平衡后，采用固定频率测试法或宽频测试法进行阻抗测量。
43.作为优选，方法中所述的环境模拟系统包括用于模拟环境温度的温控系统和用于模拟雨水侵蚀的喷淋系统。
44.作为优选，所述的喷淋系统包括蓄水池1、水泵2、调节阀3、流量计4和喷洒架5；所述的蓄水池1的出水口与水泵2的进口相连；水泵2的出水口依次连接有调节阀3、流量计4和喷洒架5；所述的喷洒架5上设置有多个连接有水源的喷嘴002。
45.作为进一步优选，所述的喷嘴002的直径为3.6mm，喷射锥度在100
°
～125
°
之间，喷洒率在6l/min～8l/min之间，每次喷洒量能达到至少2min时长，且喷嘴流量可通过电控调节阀和流量计实时控制和监测，所述的蓄水池1蓄水容量q≥64l。
46.作为优选，所述的喷洒架5整体框架由空心防腐管材焊接而成，横梁为主管道，与输水管连接，主管道下设四个支管，每个支管末端安装有一个喷嘴，框架底部设有行走机构，可平行于钢轨移动，同时框架的高度和跨度均可调整。
47.所述的宽频阻抗测量仪由程控正弦信号发生器、宽频功率放大器、宽频升压变压器、电流电压测试单元、程序控制器和人机界面组成。仪器工作时由触摸屏进行人机对话操作，plc接收测量信号，计算测试结果，发出控制指令，从而控制整个仪器运行。
48.本发明在具体实施时的操作与设置流程如下：进一步结合附图2，宽频阻抗分析仪的操作界面可以参照附图2中设置触摸屏01；程控正弦信号发生器02；双路程控mv表03；双路程控mv表电流与电压测量端04；试样测量输入端05；电源开关06等显示表、操作按键和接口；喷洒架以及被测件的结构和布置可参照附图5中的结构布置，即包括支架001；喷嘴002；钢轨绝缘003；木块004和塑料垫005，喷嘴002安装于支架001上，木块004上通过塑料垫005安装有钢轨绝缘003，每个钢轨正上方左右两侧各设有一个喷嘴002，间隔优选为400mm。测量时，先在触摸屏上设置好频率和间隔时间后，选择手动测量或自动测量按钮，plc接收到来自触摸屏的频率信号后，依据设定的频率值发出控制信号给正弦信号发生器，正弦信号
发生器产生设定频率和幅值的正弦信号，经过fya2012宽频正弦功率放大器将宽频电压信号的功率放大数十倍到数百倍，再经过宽频变压器将宽频电压信号幅值放大到试验所需幅值，施加到试样上，在试样的高压端接电压测量信号线，采集试样上的电压值输入到双路程控mv表，在试样的低压端串接三个采样电阻采集试验过程中的电流值输入到双路程控mv表，双路程控mv表将采集的电压和电流信号通讯传给plc，plc根据测得试验电压和试验电流自动计算z＝u/i，得出试样上的阻抗值并显示在触摸屏上。
49.所述的喷淋系统具备蓄水、抽水、控制、测量和喷洒五项基本功能，并能平行于钢轨移动。所述喷淋系统的蓄水功能，蓄水容量q根据q≥ntv
max
计算。式中：n表示喷嘴数量，单位为是个；t表示喷洒时长，单位为分钟；v
max
表示最大喷洒率，单位为l/min。取喷嘴数量n＝4，喷洒时长t＝2min，喷洒率v
max
＝8l/min代入公式q≥ntv
max
，可得到蓄水容量q≥64l，当然取其他不能的数量与时长同样也可以，此处只是列举了一组较优的参考数值。所述喷淋系统的抽水和控制功能，通过水泵和调节阀实现，根据试验现场的蓄水池位置、水管连接长度、喷洒高度等具体情况，选择满足一定扬程、吸程和流量的水泵，水泵出口及喷嘴前端安装调节阀，用于控制调节总流量和分支流量。所述喷淋系统的测量功能，通过在系统中串联流量计实现，用于在喷洒过程中实时监控流量。
50.所述喷淋系统的喷洒功能，需通过设计和制作专用喷洒架实现。所述的喷洒架由主管、支管、喷嘴、支架组成。喷嘴需满足一定的直径要求优选为3.6mm和喷射锥度要求优选为100
°
～125
°
，喷洒率需达到6l/min～8l/min，每次喷洒量能满足至少2min时长要求，喷嘴流量能够实时控制和监测，蓄水容量q≥64l。所述的喷洒架整体框架由空心防腐管材焊接而成，横梁为主管道，与输水管连接，主管道下设四个支管，支管末端安装特制喷嘴，可实现特定锥度100
°
～125
°
喷洒，框架底部设计成四立柱长方框型，可平行于钢轨移动，且高度和长度能兼容不同类型轨枕。
51.测试方法方面，所述的宽频阻抗测试方法包括固定频率测试法、宽频测试法和气候环境条件模拟测试法。
52.所述的固定频率测试：将钢轨绝缘及其部件用电缆导线连接宽频阻抗测量仪的高压端与低压端，设置电压和频率，施加1分钟的交流电，记录电流，计算固定频率下的阻抗，如30v/50hz下的阻抗测试。
53.所述的宽频测试法：将钢轨绝缘及其部件用电缆导线连接所述的宽频阻抗测量仪，施加3分钟的交流电，根据需求测试频率逐步递增，记录电流，然后计算每个频率增量所对应的阻抗。如测量频率从20hz到10000hz，在20hz～100hz内每次增量为20hz、在100hz～1000hz内每次增量为200hz、在1000hz～10000hz内每次增量为2000hz，记录电流，然后计算每个频率增量所对应的阻抗。
54.所述的气候环境条件模拟测试方法：包括干燥状态、潮湿状态、喷淋状态、高低温下的测试。
55.所述的干燥状态下的测试：将钢轨绝缘及其部件在标准环境(23
±
2)℃、(50
±
5)％rh下调节至少24h后再在标准环境条件下进行固定频率或宽频测试；
56.所述的潮湿状态下的测试：将钢轨绝缘及其部件在纯水中浸泡24h后，取出，擦干表面水分，在标准环境标准环境(23
±
2)℃、(50
±
5)％rh下进行固定频率或宽频测试。
57.所述的喷淋状态下的测试：将喷淋系统和宽频阻抗测量仪一起组成完整的测试系
统。测试前将钢轨绝缘及其部件静置至表面干燥，测试过程中控制各喷嘴的喷洒率、喷洒时长，进行固定频率或宽频测试。
58.所述的高低温下的测试：将钢轨绝缘及其部件放置于高低温环境箱内，测试件与箱体间用绝缘垫块隔离。将钢轨绝缘及其部件用带屏蔽的电缆导线连接宽频阻抗测量仪的高压端与低压端，设置试验温度并进行温度平衡后，进行固定频率或宽频测试。
59.通过具体实施后，与现有的装置与方法相比较，本发明的技术创新点包括如下：
60.1、现有的阻抗分析测量仪更多的应用场合是小型电子元器件或材料的阻抗特性测试，测试电压较低(几个伏特)、频率固定为某一个数值(如50hz)或频率范围较窄、阻抗测试范围窄或仅能测试低阻抗、中高阻抗，而本发明设计的宽频阻抗测量仪，通过使用功率放大器将信号放大，再通过宽频变压器将信号幅值放大，以保证施压电压最高能达到75v；在宽频(10hz～40khz)范围内使用，宽频功率放大器的增益恒定不变，专门设计的宽频变压器幅频特性平坦，从而保证测量仪在宽频范围内性能稳定和测试误差小；通过将电流采样电阻分为100ω、1kω和10kω三档，能够在测量频率较大、被测元件与参比元件相差较大的情况下，自动换挡，保持性能稳定，测试误差小(5kω～10mω误差≤
±
2％、10mω～100mω误差≤
±
10％)。本发明设计的宽频阻抗测量仪能同时满足宽频(10hz～40khz)和高阻抗(5kω～100mω)的要求，适用于不同交流轨道的钢轨绝缘及其部件宽频阻抗测试。
61.2、本发明的测试方法中设计了一套喷淋系统，关键尺寸、喷洒角度、喷洒率、喷洒时长和流量调节监控等均可满足测试的特殊要求，并能兼容不同类型钢轨绝缘及其部件，对其实施合理有效的喷淋状态模拟测试。
62.3、本发明设计的整套钢轨绝缘及其部件阻抗特性测试装置及方法，包含宽频阻抗测量仪、环境模拟系统、固定频率测试方法、宽频测试方法和气候环境条件模拟测试方法，可用于不同交流轨道的钢轨绝缘及其部件的现场阻抗测量，以及实验室环境下的模拟评价测试。
63.以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。