基于多探头齿轮箱温度传感器国产化的设计研究

龙云 王睿超 崔杰

摘 要：根据“十一五规划”我国大力发展快速轨道交通。并通过引进国际先进技术，快速消化理解核心技术，提高我国在轨道交通领域生产设计水平。本文论述的孚艾德齿轮箱温度传感器是为某铁路新型列车所设计的一种集成式结构的温度传感器，安装于转向架的齿轮箱上，监测铁路车辆轴箱和齿轮箱的即时温度。本品应用环境温度高，所以在设计时考虑了其耐高温性能，经对原理、材料及结构分析后进行设计。

关键词：温度传感器;温度一致性;热响应时间

1 孚艾德齿轮箱温度传感器设计指标

a）工作温度：-40℃～200℃，短时工作在250℃;b）允许误差范围：B级（0.30+0.005|t|）;c）工作电流：≤5mA，推荐1mA;d）防护等级：IP68;e）绝缘电阻：大于200MΩ/500V;f）耐電压：AC1000V/50Hz;g）振动与冲击：符合GB/T 21563-2008中三类车轴安装的振动和冲击要求;h） 多路感温元件温度检测一致性：小于3℃。i） 热响应时间 τ0.9≤12s。

2 孚艾德齿轮箱温度传感器设计总方案（详见图1）

首先从孚艾德齿轮箱温度传感器工况分析考虑机械防护方面与电信号检测功能两方面。考虑到工况温度跨度大，并在动车转向架上无保护，且振动冲击量值较大。壳体防护方面选用探头组件与压接夹布胶管结构防护。考虑到孚艾德齿轮箱结构特点，选用四点测温通过转接盒连接集成统一连接器方式测量传递电信号。

2.1 电器结构设计

孚艾德齿轮箱温度传感器电气原理图详见图2，利用铂热电阻在温度变化时自身阻值也随之改变的特性，将车轴转动引起的温度变化转化为电信号输出给控制台，显示仪表将指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值，从而监测机车齿轮箱的即时温度，保证列车安全运行。

2.2 线缆组件

线缆组件由导线、热缩管和铂热电阻组成。导线与铂热电阻通过锡焊连接在一起，并用热缩管对焊点及铂热电阻缩封防护。线缆组件的铂热电阻一端置入探头组件的保护管顶端，并在保护管内用导热性高、流动性好的灌封胶灌封固定，保证铂热电阻的耐震动型、导热型、绝缘性等要求。为了满足产品短时250℃的温度使用范围，选用耐高温+300℃的高温焊锡。铂电阻是实现温度传感器产品功能的元器件，该铂电阻为PT100，选用德国进口产品，电气性能稳定，温度和电阻关系近于线性，使用温度范围为-200℃～+850℃。导线为2×0.2mm2屏蔽线电缆，外径不超过3.8mm，采用阻燃且低烟无毒材料，防火安全性能指标符合BS6853-1999要求，工作温度-40℃～200℃，短时工作在250℃。

2.3 前护套组件

前护套组件由夹布胶管、外套筒、内套筒组成。橡胶护套选用阻燃材料，防火性能符合DIN5510-2-2009中3级及以上标准要求，耐温-40℃～150℃。为满足产品IP68防护等级，要求能通过气密性试验。对内部施加0.04～0.06MPa气压，检测外表面应无漏气现象。

2.4 转接盒组件

转接盒把四个探头线缆集合成一体，通过护套组件保护连接尾部电连接器。通过螺纹连接前护套组件与后护套组件结构。为实现产品IP68防护等级在连接处都有密封圈密封结构。设计初期采用两孔灌胶结构，经过试验其生产效率较低。对灌封结构进行优化设计，采用较成熟的开盖灌封结构，总装后用环氧型电子导热胶对转接盒进行灌封处理，待其固化后在凹槽内放入密封圈装入盖板，沉头螺钉涂抹螺纹紧固胶后固定盖板。

3 关键工艺设计

3.1 导线与壳体之间的耐电压

孚艾德齿轮箱温度传感器的线芯与壳体之间要求经过电压1000V/50Hz，历时1min，试验后，产品应无击穿或闪络现象，漏电流小于5mA。产品线缆的一端压接HARTING插针，送入绝缘体装入HARTING壳体;另一端与铂热电阻PT100进行焊接，并放置在探头组件保护管中。在导线与铂热电阻焊接后，将铂热电阻两引脚塑封壁厚0.23mm 3/32热缩管。热缩管击穿强度≥30KV/mm，单层热缩管击穿强度为6.9KV。满足耐电压要求。为提高产品耐压指标。铂电阻与焊接引脚处还要套3层热缩管进行保护。使得铂电阻及焊接处位于保护管中心位置，与管壁之间填充击穿电压系数大于15Kv/mm的灌封胶，从而提高产品耐压要求。

3.2 屏蔽层与壳体之间的耐电压工艺设计

屏蔽层与壳体之间要求经过电压1000V/50Hz，历时1min，试验后，产品应无击穿或闪络现象，漏电流小于5mA。产品中线缆的屏蔽层要求不能与壳体相连，而为了满足产品电磁兼容性要求，线缆的屏蔽层须与壳体重叠，故将线缆的屏蔽层处理处放置于内套筒中，因此需对屏蔽层处理处进行防护措施以满足耐电压要求。在线缆的绝缘层切断处，将绝缘层翻折，然后去除屏蔽层，在屏蔽层处用聚四氟薄膜绕三圈，最后用热缩管缩封保护屏蔽层和绝缘层的处理处，经此工艺设计后，使得屏蔽层与壳体之间的耐电压性能满足产品要求。

参考文献：

[1]苏家健.自动检测与转换技术[M].北京电子工业出版社.

[2]北京赛亿凌科科技有限公司.铂电阻温度传感器.