CN219574243U - 一种铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路，包括用于分别连接被测电缆的两端的第一电缆接线端子和第二电缆接线端子、AD转换器、控制器、参考电阻和运算放大器，第一电缆接线端子和第二电缆接线端子连接AD转换器的输入端，第二电缆接线端子通过参考电阻接地，参考电阻的参考电压端连接AD转换器的参考电压端和运算放大器的反相输入端，AD转换器的输出端连接控制器的输入端，运算放大器的输出端连接第一电缆接线端子。通过计算可知，被测电缆的等效环阻只与参考电阻有关，能够提升检测精度。

Description

一种铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路

技术领域

本实用新型涉及一种铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路。

背景技术

铁路信号电缆需要定期测量环阻，以确保电缆的状态良好。现有技术是工作人员用万用表测量电缆的环阻，但是，万用表的精度有限，而且人为操作万用表时可能会造成一定的检测误差。最重要的是，现有的测量方式中会涉及比较多的其他器件的电气参数，这些其他器件的电气参数若存在误差，则会影响电缆环阻的检测精度。

实用新型内容

本实用新型提供一种铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路，用于解决现有电缆环阻检测方式的精度不高的技术问题。

一种铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路，包括：

用于分别连接被测电缆的两端的第一电缆接线端子和第二电缆接线端子；

AD转换器；

控制器；

参考电阻；以及

运算放大器；

所述第一电缆接线端子和第二电缆接线端子连接所述AD转换器的输入端，所述第二电缆接线端子通过所述参考电阻接地，所述参考电阻的参考电压端连接所述AD转换器的参考电压端和所述运算放大器的反相输入端，所述AD转换器的输出端连接所述控制器的输入端，所述运算放大器的输出端连接所述第一电缆接线端子。

在一个实施例中，所述铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路还包括DA转换器，所述控制器的输出端连接所述DA转换器的输入端，所述DA转换器的输出端连接所述运算放大器的同相输入端。

在一个实施例中，所述铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路还包括人机界面，所述控制器的交互端连接所述人机界面。

在一个实施例中，所述铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路还包括用于检测所述被测电缆处环境温度的温度传感器，所述温度传感器的输出端连接所述控制器的输入端。

本实用新型的技术效果包括：基于本实用新型提供的一种铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路的各组成以及电路连接关系，通过计算可知，被测电缆的等效环阻只与参考电阻的阻值有关，涉及到的其他器件的电气参数较少，因此，该铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路能够提升检测精度，避免其他因素造成检测干扰。

附图说明

图1是铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路的电路图；

图2是铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路的检测原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路，包括第一电缆接线端子P1、第二电缆接线端子P2、AD转换器U1、控制器M1、参考电阻Rref和运算放大器U2。

第一电缆接线端子P1和第二电缆接线端子P2用于分别连接被测电缆，具体是铁路信号电缆的两端。作为一个具体实施方式，由于需要向被测电缆施加电流，那么为了便于理解，设定被测电缆具有电流输入端和电流输出端，且第一电缆接线端子P1连接被测电缆的电流输入端，第二电缆接线端子P2连接被测电缆的电流输出端。AD转换器U1为常规的模拟信号转换成数字信号的转换器件。控制器M1为常规的控制芯片，比如微处理器(MCU)。参考电阻Rref用于提供参考电阻值，阻值由实际需要进行确定。运算放大器U2可以为常规的运算放大器件，本实施例中，运算放大器U2为精密运算放大器。

第一电缆接线端子P1和第二电缆接线端子P2连接AD转换器U1的输入端，即模拟信号输入端(AIN0和AIN1端)。第二电缆接线端子P2通过参考电阻Rref接地，参考电阻Rref的参考电压端，即非接地端，连接AD转换器U1的参考电压端(Vref端)和运算放大器U2的反相输入端，AD转换器U1的输出端连接控制器M1的输入端，运算放大器U2的输出端连接第一电缆接线端子P1。

作为一个具体实施方式，铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路还包括DA转换器U3，DA转换器U3为常规的数字信号转换成模拟信号的转换器件。控制器M1的输出端连接DA转换器U3的输入端，DA转换器U3的输出端连接运算放大器U2的同相输入端。

作为一个具体实施方式，铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路还包括人机界面U4，比如触摸屏，或者显示屏+键盘的组合，控制器M1的交互端连接人机界面U4，实现数据显示以及数据输入。

作为一个具体实施方式，铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路还包括温度传感器U5，温度传感器U5用于检测被测电缆处环境温度，温度传感器U5与被测电缆的距离较近，提升温度检测结果的可靠性，更加优选地，温度传感器U5可以固定在被测电缆表面。温度传感器U5的输出端连接控制器M1的输入端。

结合图2对被测电缆的等效环阻的检测过程进行描述。

图2中，Rx表示被测电缆的等效环阻，也是被测对象，R0表示表笔或引线的等效电阻，Vref表示参考电压(即参考电阻Rref的电压)，Vi表示AD采集电压，Vx表示被测电缆的端电压，Vda表示DA转换器U3的输出电压，I1表示激励电流，I2表示负载电流，I3表示参考电流。

将被测电缆接入图1中的测量电路中。下面推导电缆环阻的测试原理和过程。

(1)激励电流的产生：

激励电流主要由运算放大器U2、参考电阻Rref、DA转换器U3、被测电缆的等效环阻Rx组成恒流源电路为测试电路提供可调的电流源。DA转换器U3输出电压Vda输入至运算放大器U2的同相输入端，参考电阻Rref两端的电压Vref输入至运算放大器U2的反相输入端。运算放大器U2是一个同相放大器，根据运放的特性可知，DA转换器U3的输出电压Vda等于参考电阻Rref的电压：

Vda＝Vref

(2)电流通路：

运算放大器U2的同相和反相输入端以及AD转换器U1的差分输入端都是高阻抗输入，没有电流流入。因此激励电流I1、被测电缆中的负载电流I2和参考电阻Rref中的电流I3都相等：

I1＝I2＝I3

(3)AD转换器U1的参考电压：

AD转换器U1的参考电压就是参口电阻Rref两端的电压值，由欧姆定律得出AD转换器U1的参考电压Vref等于激励电流Ix乘以参考电阻Rref的阻值：

Vref＝I3×Rref

(4)AD采集电压：

AD转换器U1的分辨率是16位，设AD转换的离散化数据为D，根据AD采样的原理则AD采集电压：

(5)被测电缆端电压：

根据欧姆定律被测电缆端电压Vx等于电缆的等效环阻Rx的阻值乘以流经的电流I2：

Vx＝I2×Rx

(6)AD采集电压与电缆端电压的关系：

因为AD转换器U1的输入通道是高阻抗输入，没有电流流入，所以表笔或引线的等效电阻R0流过的电流是零，AD采集电压Vi等于电缆的端电压Vx：

Vi＝Vx

(7)根据以上关系式求解方程组：

求解方程组可得：

(8)在(7)得出的结论中，Rref是阻值固定的精密电阻，D是AD转换器U1的AD采集的离散化数据，即可计算出被测电缆的等效环阻Rx。

(9)测试误差分析：

由公式可知，经过精心设计的精密测量电路，被测电缆的环阻与AD转换器U1的基准电压无关，与激励电流I1的精度无关，与DA转换器U3的精度无关，与表笔或引线电阻R0等因素无关，只与参考电阻Rref的阻值有关，能够显著提高测试精度。假如参考电阻Rref的阻值的精度是0.01％，电缆环阻的测试精度也是0.01％，10km长电缆的长度误差只有1米。

得到电缆环阻之后，可以计算得到电缆长度。环境温度对计算电缆长度的影响：测量出电缆的环阻Rx，20℃时铁路信号电缆的单位长度电阻一般是22.5Ω/km，可以用公式计算出电缆的长度(单位是米)。看似只要电缆环阻Rx的测量结果足够精确就能计算出比较精确的电缆长度，但是忽略了环境温度对计算电缆长度的影响，信号电缆的温度系数大约等于4000ppm，环境温度变化较大时测量误差非常大，因此需要考虑被测电缆处的环境温度的影响。因此，在测试电路中增加温度传感器U4测量出被测电缆处的环境温度，根据信号电缆的温度系数可求出环境温度(比如20℃)时对应的环阻阻值，进而可计算出更加精确的电缆长度。

因此，通过精密电路设计，消除基准电压、激励电流、表笔或引线电阻R0、系统内阻等因素的影响，可以测量出更精确的电缆环阻阻值。而且通过温度系数计算出对应环境温度时的环阻阻值，消除环境温度对测试结果的影响，计算的电缆长度更加精确。

Claims (4)

1.一种铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路，其特征在于，包括：

用于分别连接被测电缆的两端的第一电缆接线端子和第二电缆接线端子；

AD转换器；

控制器；

参考电阻；以及

运算放大器；

所述第一电缆接线端子和第二电缆接线端子连接所述AD转换器的输入端，所述第二电缆接线端子通过所述参考电阻接地，所述参考电阻的参考电压端连接所述AD转换器的参考电压端和所述运算放大器的反相输入端，所述AD转换器的输出端连接所述控制器的输入端，所述运算放大器的输出端连接所述第一电缆接线端子。

2.根据权利要求1所述的铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路，其特征在于，所述铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路还包括DA转换器，所述控制器的输出端连接所述DA转换器的输入端，所述DA转换器的输出端连接所述运算放大器的同相输入端。

3.根据权利要求1所述的铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路，其特征在于，所述铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路还包括人机界面，所述控制器的交互端连接所述人机界面。

4.根据权利要求1所述的铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路，其特征在于，所述铁路信号电缆高阻故障环阻精密测量电路还包括用于检测所述被测电缆处环境温度的温度传感器，所述温度传感器的输出端连接所述控制器的输入端。