机车油位检测显示系统的研究开发

　　摘 要：本文介绍了加装机车油位显示系统的必要性、

　　系统的原理、结构以及试验使用效果等

　　关键词：内燃机车 油位显示

　　一、引言

　　自内燃机车在铁路采用以来，燃油液位一直采用传统的液位测量方法，即在油箱侧面安装一块或两块透明玻璃板，附加刻度，采用人工读数，这种传统的液位检测方法，密封不好、易泄漏，一旦玻璃板破碎，容易给机车行驶造成危害。之后又出现了浮球液位计，浮球浮在油面上，通过燃油高低液位的变化，经过机械力的转化，用指针显示油位变化。

　　目前，内燃机车的几种燃油液位计，均属于地面显示型，司乘人员要想知道燃油多少，到站停车后，司机要从机车扶梯上爬下，先把玻璃板擦净，再仔细核对刻度线，遇到晚上或光线昏暗还要用手电照明，机车乘务员了解燃油油量很不方便。

　　至于机车机油液位检测就更原始了，一根钢制探尺插入机油箱，做上几个刻度，司乘人员每每拔出用布子擦净看机油浸没程度。

　　在过去的机车交路运行图情况下，运行区间短，不会出现机车缺油情况。随着铁路的发展，要求客运高速、货运重载，提出了单司机、长交路的运行模式，中途机车不停顿。这时，运行过程中燃油容易出现油量不足现象，但下车检查又不方便;机油不足或漏油无法第一时间发现，甚至造成机故。相对落后的检查方式与实际需求的矛盾日渐突出，为此，研制了机车油位显示装置。

　　二、系统组成及工作原理

　　本系统是由油位变送器、二次显示仪表及附件组成。油位变送器是一款高灵敏度的进口陶瓷压力传感器为主元件封装而成的高性能的一次仪表，它具有稳定性好、精度高、结构坚固、抗腐蚀强等优点。

　　1、传感器部分

　　在机车燃油箱加装油位传感器，有其特殊要求，既不能改变原有装置功能又不能进行机加工。另外，同一型号的机车燃油油箱及液位计各不相同，图纸和实物也有较大的差异，这就要求我们制作每一个连接件不能照搬图纸，必须专门设计。

　　在繁目众多的传感器中，经过筛选实验，采用了陶瓷电容静压式工作原理的传感器来检测油位。陶瓷电容通过电极板的变化来感应油位变化，经过线性微电路处理，加之以温度补偿，这样就完成了电路处理，整个传感器体积小，与油表底护板连成一体。

　　2、显示及报警部分

　　油箱内的油通过导油三通引至油位变送器，将油箱内的油位高度转换为电信号，经电路放大，转换为4~20mA标准电流信号，此信号经信号电缆传送到机车驾驶室内液位显示仪主机上，液位显示仪将接收到4~20mA电流信号，换算成柱状高度和体积显示出来。而副机信号则由主机取出，经电缆引入。液位显示仪面板光柱显示体积百分比，数字显示燃油升数。为了避免气压对测量的扰动，变送器内置储气室，用于平衡气压力，使用不受地区限制。封装严密，强度高，耐环境温度变化。

　　显示仪表安装于机车两侧驾驶室，既可直观地显示油量，又有电子光柱模拟，同时可实现上、下限油位报警。

　　3、计算机处理部分

　　(1)储存记录功能

　　因采用计算机存储技术，使行车油量参数更有利于保存记录，可记录行车过程中燃油、机油消耗曲线，如有必要，可下载为分析事故提供数据。

　　(2)报警功能

　　计算机可根据实际需要，设置上下限报警点，可用文字、声音、语言提醒司乘人员注意操作。

　　(3)整合

　　如有必要，可将油位数据纳入机车运行监控系统，整合资源，集中记录和显示。

　　4、技术参数

　　(1)检测部分

　　测量范围：0~10KPa

　　工作温度：-40~+85℃

　　工作电压：DC14V~16V

　　输出信号：4~20mADC

　　精度等级：± 1 %

　　负载电阻：<500Ω(24VDC)

　　电压影响：<0.02FSO/V

　　稳定性： <0.2%FSO/Y

　　环境温度： -40~+85℃

　　相对湿度： 0~100%

　　(2)显示部分

　　最大宽度：1500cd/m2

　　最大视角：左80″，右80″，上视角80″，下视角60″

　　色彩262，144色，6位，数字RGB

　　最大对比度：600：1

　　外型尺寸：170×126×150mm

　　显示尺寸：6.5英寸

　　接口形式：串口通讯/RGB

　　低温启动：≤5min

　　功能振动：0.04G2/HZ

　　冲击：20g11ms后峰锯齿波

　　工作温度：-45~+70℃

　　供电：12VDC

　　三、关键技术

　　1、检测信号传输技术

　　该装置的检测输出信号为4~20mA国际标准信号，此装置信号传输采用屏蔽电缆，传感器电压降不低于14VDC。

　　2、信号采集及抗干扰技术

　　本装置的检测信号采集来自油箱底部储气杯口的静压力，此静压力作用在传感膜片上，使测量膜片发生正比于油位变化的极小位移，从而使传感器的输出电容量发生变化，此检测信号经电路处理后作标准电流输出。本变送器采用T型LC网络滤波，大大增强了抗电源波动和线路的杂散信号干扰，基于机车电器设备多，电磁干扰大的状况，本检测装置采用金属壳体，全密封结构，增强了抗电磁场干扰能力。

　　机车在行驶过程中，由于路面情况而产生震动和晃动，油位随之发生变化，对信号采集产生极大影响，为避免采集不真实值，使显示更加稳定，该装置计算机数据处理过程中采用平均值输出，即在2秒时间内采样30次，计算平均值后做为输出到显示和记录存储部分。

　　3、变送器的防爆技术

　　考虑到机车的特殊性及检测介质的特殊性，本装置的检测部分为安全防爆型，经国家级仪器仪表防爆安全监督检验站(NEPSI)检验认可，符合国家标准GB3836的有关规定，防爆标志为：ExiaⅡcT3-T4，防爆合格证号为GYB97403。

　　4、变送器环境温度及防震技术

　　考虑到本装置检测部分室外安装温差较大的特殊性，元器件都经过严格老化和筛选，使环境温度在-40-85℃的范围内稳定工作不出现飘移和损坏。为防止长期运行因震动而导致引发故障，本装置检测部分采用灌封硅胶抗震法，有效地避免了检测精度下降和检测部分的损坏。

　　四、软件功能及扩展

　　本系统软件基于Windows平台C语言编制。鉴于燃油、机油油位检测信号采集，显示记录、存储整套装置的特点以及机车油箱不规则、油位高度非线性的特点，我们在软件开发上做了十六段折线修正，使每个点的实际体积数与显示数一一对应。此外，在采样过程中，软件开发采取了采样平均值输出，使机车在左、右、前、后倾以及剧烈震动 、急刹车时所产生的不真实信号趋近真值。

　　本装置设有标准的RS485、RS232串行接口，可与原机车运行监控系统通讯。

　　本装置可另加存储单元，进行数据记录，为加强机车运行管理及事故分析提供数据参考。

　　五、安装方式

　　在实际安装应用中，我们综合考虑机车各式油箱的特点，在不改变原功能、不对油箱本身进行机加工为前提，对装置检测部分采取防震、防雨，防电磁干扰全封闭，整体安装方式;对信号传输采用屏蔽线传输，外加金属护套保护方式;必须设置的接头采用航空接头，使整套装置安全可靠。

　　六、试验数据及上车应用效果

　　1、实验室试验：

　　油位装置检测制作完毕后，我们于2007.3.28～3.30在实验室进行了振动、低温、高温性能测试，见表一：

　　表一 振动、低温、高温性能测试表

振动试验		低温试验		高温实验
量程变化	零位（mA）	温 度	输出信号（mA）	温 度	输出信号（mA）
无	0	－20℃	18．00	＋45℃	18．00
无	0	－30℃	18．00	＋50℃	18．00
无	0	－30℃	18．00	＋50℃	18．00
无	0	－30℃	18．00	＋50℃	18．00
无	0	－50℃	18．00	＋50℃	18．00
		－50℃	18．00	＋50℃	18．00
		－50℃	18．00	＋50℃	18．00
		－50℃	18．00	＋50℃	18．00
备注：		备注： 恒温箱12小时记录		备注： 恒温箱12小时记录

　　2、装车运行试验

　　2007年3月12日，在包西机务段DF4D0522机车装车试验，4月17日添乘DF4D0522机车牵引的 2141旅客列车，随车记录如表二：

　　表二

　　机车运行记录表

站 名	机车玻璃板显示	油位变送器显示	差 值
呼和	8320升	8308升	12
察素齐	8120升	8080升	40
萨拉齐	8050升	8007升	43
包头东	7800升	7720升	80
包头	7750升	7696升	54
乌拉山	7460升	7401升	59
前旗	7330升	7278升	52
五原	7150升	7092升	58
临河	6880升	6801升	79

　　通过近一年的试验，设备性能稳定，从未发生任何不良事故，很受使用人员欢迎。

　　七、结束语

　　通过近一年的研究实验，该油位显示系统，对机车在运行途中乘务员了解燃油、机油情况，直观便捷，心中有数，做到实时监测，特别是可在第一时间了解油位的突变，有效地预防因缺油发生机故，同时减轻司乘人员劳动强度，提供了有力的技术支持。因此，此项目的推广应用，必将为机车安全运用发挥积极作用，具有良好的经济和社会效益。