高速动车组车载水箱传感器故障检测与诊断技术研究

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(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000)

1 引言

近些年随着中国铁路的大发展，动车组对设备可靠性以及舒适度的要求也越来越高。水箱的可靠运行是旅客摄水量的保证，其中水箱水位是水箱的重要控制参数，目前动车组上水位传感器的故障频发，严重影响了旅客的正常饮水，因此开展车载水箱水位传感器的故障研究是十分必要的。

水箱传感器由干簧管和外部控制磁铁组成，通过改变它们距离来改变传感器的导通情况，国内外学者对水箱水位传感器进行了相关的研究，马媛[1]实现了基于STC单片机的高可靠性水位传感器设计，其中分别对传感器机械结构、硬件电路和软件等进行原理说明，以实现通过单片机对水箱控制系统进行在线监测及诊断；苏红[2]提出了一种通过构建RBF网络估值器的故障诊断方法来实现水箱诊断系统的自动化和系统化。针对车载水箱传感器，由于我国地域跨度大，环境复杂多变，车载水箱传感器[3]工作温度场变化差异显著。因此，温度可能是导致车载水箱传感器故障的原因。有必要针对中国铁路运营范围内大部分地区的极限温度进行取值，并根据相应的温度进行实验。

本文针对温度对车载水箱传感器[4]的影响进行了研究：实验室内搭建了极限温度场测试平台并研究了温度对干簧管的影响，搭建了磁铁居里温度测试平台研究了外部强磁环境对外部控制磁铁工作状态的影响，根据实验结果总结提出了针对动车组水箱的故障检测与诊断技术，实现高速动车组车载水位传感器的准确快捷地在线检测。

2 实验测试

2.1 干簧管性能测试

为了测试该传感器的实际性能，搭建实验平台对其性能进行测试。实验平台如图1所示，围绕传感器所在的信号输出端口，包括为其提供不同的温度场(低温试验箱和真空高温干燥箱)。实验根据所设定的温度范围从-70°～160°，选取相同条件下的车载水箱传感器置于不同温度场中10min，之后保持在相同的温度下测量其性能。

图1 极限温度场测试平台

2.2 外部控制磁铁的性能测试

本实验采用如图2所示的RL交流电桥，在电桥中输入电源由信号发生器提供，在实验中应适当选择较高的输，出频率，为信号发生器的角频率。其中Z1和Z2为纯电阻，Z3和Z4为电感(包括电感的线性电阻r1和r2，FD-FMCT-A型铁磁材料居里温度测试实验仪中还接入了一个可调电阻R3)，其复阻抗为：

Z1=R1

Z2=R2

Z3=r1+jωL1

Z4=r2+jωL2

(1)

当电桥平衡时有

R1(r2+jωL2)=R2(r1+jωL1)

(2)

实部与虚部分别相等，得：

(3)

图2 RL交流电桥

3 实验结果分析及诊断方案提出

3.1 实验结果分析

3.1.1 干簧管极限工作温度测试

表1所示干簧管[5]在极限工作情况下的温度场测试，通过表1可知车载水箱传感器的核心就是干簧管，在正常工作下稳定度较高。在正常温度场波动范围内，干簧管性能几乎没有受到影响。除非是极端情况下，温度到达-70°或者是160°，这样极限温度下才可能会对干簧管的性能产生影响和改变。

表1 极限工作情况下的温度场测试

3.1.2 磁铁居里温度测试

选择合适的电子元件相匹配，在未放入铁氧体时，可直接使电桥平衡，但当其中一个电感放入铁氧体后，电感大小发生了变化，引起电桥不平衡。在温度变化的过程中，我们实时记录下电桥电压和温度对应的实验数据，表2所示为输出电压和加热温度的关系。表2表明电桥电压差随着温度升高而降低，变化率也在明显变化。

表2 外部控制磁铁样品交流电桥输出电压与加热温度关系

图3所示随着温度的上升到某一个值时，铁氧体的铁磁性转变为顺磁性，CD两点间的电位差发生突变并趋于零，电桥又趋向于平衡，这个突变的点对应的温度130°就是居里温度。当内外水箱的温度或者是环境温度到达于此，磁铁的性能将会受到严重的影响和干扰，会直接影响车载水箱传感器液面的准确判断和供给水源，从而造成水资源的浪费甚至是严重事故的发生。

图3 控制磁铁的居里温度实验测试结果

3.2 在线诊断方案

基于上述试验结果分析，本文提出了如下的车载水箱传感器诊断方案，主要包括静止状态的检测与动态状态的检测，静止状态主要用于判断不方便拆卸和安装好的传感器，而动态状态检测用于未安装的传感器。

静止状态的检测：先将万用表置于输入挡，两个表笔分别接于水箱传感器的两个引出线，测量的阻值应为无穷大。

动态状态的检测：用水位传感器的可旋转的部分(外部控制磁铁)靠近信号感知部分，此时万用表的指针应该向右摆至零，说明水位传感器已经导通，然后将水位传感器的可旋转的部分移动远离信号感应部分，万用表指针应向左回摆至无穷大。测试时，如果外部控制磁铁靠近信号感应部分四方，万用表指针没有开始摆动或者摆动不到零位，说明其内部干簧管不能很好吸合，表明该干簧管间隙过大或者已经发生位移，如果外部控制磁铁远离信号感应部分，干簧管不能很快断开，说明该干簧管的簧片弹性已经减弱，这样的水位传感器已经不能够再次稳定的工作。

4 结论

本文通过对温度场中车载水箱传感器各个部分进行性能测试，从-60°～155°是干簧管的工作范围。同样对控制磁铁进行居里温度测试发现，135°是磁铁工作的温度极限。对于不同安装状态的传感器，使用万用表可以快速准确判断其工作状态。鉴于以上结果，我们可以分析判断正常工作情况下，干簧管性能更加稳定，外部控制磁铁的性能决定了传感器的工作状态。