熱電偶溫度測量系統(tǒng)中電磁繼電器的影響分析

陳栩穎 倪偉

上海海立電器有限公司 上海 201206

0 引言

熱電偶是一種常用的溫度傳感器，能夠在極端溫度條件下使用。熱電偶的結(jié)構(gòu)非常簡單，但是應用的理論相對復雜。采用熱電偶測量溫度的難點是如何處理信號調(diào)理的問題，正確使用熱電偶可以獲得較高的溫度測量精度，而使用不當容易出現(xiàn)較大的誤差。因此在熱電偶的使用中，如何對熱電偶測量系統(tǒng)信號調(diào)理電路進行設(shè)計需要特別予以關(guān)注。

在綜合性的檢測設(shè)備中較多選用熱電偶作為傳感器進行溫度測量。比如制冷制熱檢測領(lǐng)域使用的檢測設(shè)備，對于溫度的測量非常普遍，價格低廉、使用方便的熱電偶是通用的一種傳感器。熱電偶通常與延長線及顯示儀表共同組成一組測量系統(tǒng)，用于精確測量不同測量點的溫度值。對于新型熱電偶研制工藝以及數(shù)據(jù)采集的儀器設(shè)備，國內(nèi)外均有大量的研究。部分國內(nèi)外測量測試領(lǐng)域的公司，均有新型熱電偶測量及數(shù)據(jù)采集的研究。但是在熱電偶測量系統(tǒng)中增加電器元件后對測量系統(tǒng)精度影響方面的研究則涉獵較少。對于無需同時測量的熱電偶溫度，通常采用切換、分別測量的方式進行設(shè)計；而涉及到幾個熱電偶共用同一個溫度顯示儀表時，則需在測試回路中引入電路切換用電器元件以實現(xiàn)分別測量的目的。

通常使用的電路切換元件包括繼電器和接觸器。兩種電器元件本質(zhì)區(qū)別就是承受的載荷不同，電流容量大的是接觸器，小的是繼電器。通常主回路中用接觸器完成切換動作，控制回路用繼電器完成切換動作。熱電偶測量回路由于電流容量非常小，故選用繼電器是比較合適的。電磁繼電器是一種常用的低壓電器控制元件，被廣泛用于各種信號傳輸和控制電路中。觸點接觸電阻是評價繼電器輸出功能最重要的指標之一，國際上一些學者和繼電器生產(chǎn)廠家都對繼電器接觸電阻進行了大量的研究，此類研究涉及基礎(chǔ)材料和制作工藝，然而對于電子繼電器用于熱電偶測量回路的研究鮮有涉及。

本次在設(shè)計制作壓縮機的噪聲振動測試的負荷設(shè)備時，選用了若干高精度調(diào)節(jié)計，用于測量制冷系統(tǒng)中不同位置的溫度值。為節(jié)省費用，以及便于電器柜面板設(shè)計簡潔、易于觀測，該系統(tǒng)設(shè)計了兩套制冷系統(tǒng)，并使兩套制冷系統(tǒng)采用一套測量系統(tǒng)，對于無需同時測量的熱電偶溫度，采用切換、分別測量的方式進行設(shè)計。這樣就涉及到幾個熱電偶共用同一個溫度顯示儀表的問題，在測試回路中，需引入電路切換用電器元件以實現(xiàn)分別測量的目的。測量回路中增加了電磁繼電器。

在熱電偶測試回路中增加電磁繼電器，對信號調(diào)理電路的設(shè)計會產(chǎn)生影響，本文就該使用范疇進行調(diào)查研究，并給出一套合適的電路設(shè)計方案。

1 熱電偶測量原理和繼電器工作原理

1.1 熱電偶測量原理

熱電偶是溫度類測試儀表中常用的測溫元件，它的工作原理是兩種材質(zhì)（即不同電子密度）的導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，閉合回路中會有電流產(chǎn)生，兩端形成電動勢（即熱電動勢），這是通常所稱的塞貝克效應。這種現(xiàn)象也被稱為熱電現(xiàn)象，電動勢表現(xiàn)為熱電勢，其與所測量的溫度有對應的函數(shù)關(guān)系，利用此函數(shù)關(guān)系就可量測出所需要的溫度值。

1.1.1 熱電偶參考結(jié)點補償[1]

熱電偶的實質(zhì)是兩根不同材質(zhì)的金屬導線A和B制成，在導線的一端有一個相連的接觸點，稱為測量結(jié)點（也被稱為熱端或工作端）。從絕緣的導線末端連接至測量儀器，C是測量儀器中兩根同樣的導線，C與A或C與B形成兩個結(jié)點稱為參考結(jié)點（也被稱為冷端或自由端），圖1所示為熱電偶測溫的原理。

圖1 熱電偶測溫原理

當測量結(jié)點所處環(huán)境溫度為tMJ，參考結(jié)點所處環(huán)境溫度為tRJ時，銅導線末端形成熱電勢E。熱電偶接入測量儀表后，測量儀表獲得的電勢E為材料A、B的兩種導線的測量結(jié)點在tMJ、tRJ兩個溫度下對應的熱電勢的差值，該值與導線C的接入無關(guān)，這就是熱電偶接入測量儀表進行溫度測量的原理——熱電偶中間導體定律。

1.1.2 補償導線的使用[1]

（1）補償導線原理

熱電偶的補償導線是一對與所配對熱電偶在特定溫度范圍具有相同溫度對應曲線的絕緣導線，用于延長熱電偶導線，接入測量儀表，補償其與熱電偶導線結(jié)點溫度變化所帶來的測量誤差。在補償導線的工作溫度范圍內(nèi)，使用補償導線對熱電偶進行延長，類似將熱電偶的參考結(jié)點移到測試儀表附近，可以減小參考結(jié)點受測量結(jié)點所處溫度場的影響。

（2）補償導線使用注意事項

使用補償導線常規(guī)遇到的問題點包括：（a）補償導線極性接反；（b）補償導線與熱電偶分度號不對應；（c）抗干擾處理。這三點錯誤是可以在設(shè)計使用中予以避免的。在實際使用中，熱電偶導線與補償導線之間常常需要電連接器進行連接，而不同的電連接器接觸處的材質(zhì)與熱電偶或補償導線不同，由于這個原因會引入誤差。繼電器作為電路中的開關(guān)電器在熱電偶測試回路中同樣作為電連接器考慮。由于接入繼電器造成的接觸電阻的增大會對整個測量系統(tǒng)的測試偏差和測試精度都有較大的影響。

1.2 繼電器工作原理

1.2.1 繼電器的結(jié)構(gòu)

繼電器是開關(guān)電器的一種，在控制電路中使用非常多。繼電器由四部分構(gòu)成，分別是線圈、磁路、反力彈簧和觸點。線圈的用途在于其通電后產(chǎn)生的電磁吸力能夠帶動磁路的銜鐵吸合，并使得觸點產(chǎn)生變位動作。

反力彈簧的作用就是為銜鐵提供與動作方向相反的斥力，當線圈斷電后能幫助銜鐵和觸點復位。觸點由常閉觸點和常開觸點構(gòu)成，用于對外執(zhí)行控制輸出。線圈的電路接通后，常閉觸點打開而常開觸點閉合，線圈斷電釋放后，常閉觸點和常開觸點均復位為初始狀態(tài)，常開觸點打開而常閉觸點閉合。繼電器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 繼電器結(jié)構(gòu)

1.2.2 電磁繼電器的接觸電阻

電磁繼電器的觸點是繼電器功能實現(xiàn)最重要的部分，電磁繼電器觸點的接觸電阻通常在幾毫歐到幾十毫歐范圍內(nèi)，接觸電阻越小聯(lián)通性能越好。當電磁繼電器出現(xiàn)劣化或者故障時，接觸電阻值會增加到幾百至上千歐，嚴重時完全不通[2]。

接觸電阻是繼電器的關(guān)鍵參數(shù)之一，會影響到繼電器回路中相連控制的電子設(shè)備的性能穩(wěn)定性和可靠性。較小及穩(wěn)定的接觸電阻有利于提高繼電器的可靠性、失效等級，從而更好發(fā)揮回路中通斷的作用[3]。

2 熱電偶溫度測量回路中電磁繼電器的使用影響

本次研究使用的檢測設(shè)備為壓縮機測試用制冷負荷設(shè)備，為實現(xiàn)柜體工藝布局簡潔和成本節(jié)約的目的，在熱電偶溫度測量系統(tǒng)中增加電磁繼電器，利用電磁繼電器切換測量回路，實現(xiàn)用同一個儀表分別測量制冷系統(tǒng)中四個不同位置的溫度。

2.1 熱電偶溫度測量系統(tǒng)問題表現(xiàn)

檢測設(shè)備的熱電偶溫度測量回路如圖3所示，充分利用繼電器常閉和常開端子的通斷功能，實現(xiàn)分別測量的需求。

圖3 熱電偶測試回路設(shè)計

回路中選用三個繼電器CRS、CRSA、CRSB用于切換測試回路，實現(xiàn)在四個熱電偶傳感器不同時間段分別進行溫度測試的需求。設(shè)備經(jīng)過一段時間的使用，對溫度測試系統(tǒng)進行系統(tǒng)計量，數(shù)據(jù)如表1所示。從表1觀察，溫度顯示明顯超出儀表精度±0.1%FS±1 digit。

表1 設(shè)備溫度測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)偏差單位：℃

2.2 數(shù)據(jù)偏差調(diào)查分析

根據(jù)熱電偶測量的特點及補償導線使用，分別對影響檢測結(jié)果的幾個方面進行調(diào)查，排除儀表精度、補償導線極性接反、補償導線與熱電偶分度號不對應、抗干擾處理等影響因素，偏差的主要原因集中在電連接器的接觸電阻產(chǎn)生的影響。

回路中選擇歐姆龍MY2N-GS微型功率繼電器，該款繼電器是一款成熟使用的產(chǎn)品，廣泛應用于各類控制工作電路中。該款繼電器的說明資料顯示，其電阻值在100 mΩ以下。

電磁繼電器在使用過程中會多次通斷，通斷回數(shù)是否會對電磁力和彈簧機械反力造成影響，從而影響觸點間的接觸電阻，繼而影響到熱電偶測量系統(tǒng)的測試精度，需要我們通過進一步的試驗進行驗證。

3 試驗設(shè)計驗證及結(jié)果分析

3.1 試驗設(shè)計

3.1.1 建立一套繼電器通斷壽命運轉(zhuǎn)系統(tǒng)

為確認繼電器長期通斷運轉(zhuǎn)后觸點接觸電阻的變化，及接觸電阻變化對溫度測量系統(tǒng)造成的影響，搭建一套自動通斷的繼電器通斷動作壽命試驗系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)包括：24 V供電電源、ON/OFF時間設(shè)定器、通斷電控制繼電器、回數(shù)計，以及可以同時對7個繼電器進行持續(xù)通斷電。電路圖如圖4所示。

圖4 控制回路電路圖

3.1.2 量測系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由接觸電阻測試用的HIOKI3540微電阻儀、提供計量級穩(wěn)定熱源的FLUKE 9142干式溫度校驗儀、橫河MV1000多點無紙記錄儀組成。

3.1.3 試驗設(shè)計

7個樣品，以通斷電2000回為一個周期進行量測，測試數(shù)據(jù)包括熱電偶測量系統(tǒng)的溫度顯示值，每個繼電器的常開和常閉觸點在閉合后的接觸電阻值。

干體式溫度校驗器設(shè)置為60℃的標準溫度，無紙記錄儀記錄各通道溫度示值。

3.2 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

在繼電器通斷壽命運轉(zhuǎn)檢測過程中，每隔2000回通斷記錄一次。分別記錄7個電磁繼電器的各個觸點的接觸電阻。同時記錄各個配置不同繼電器型式的測量系統(tǒng)的溫度值。

由于在實際使用中1年的通斷回數(shù)不會超過4000次，本次試驗按照10年的使用壽命，通斷回數(shù)40000次作為最后的通斷目標次數(shù)進行記錄。

根據(jù)上述說明記錄的數(shù)據(jù)，進行如下分析。

3.2.1 接觸電阻

在繼電器通斷壽命運轉(zhuǎn)檢測過程中，記錄各個繼電器的常開和常閉觸點的接觸電阻值。數(shù)據(jù)顯示新品繼電器經(jīng)過2000回通斷壽命后，陸續(xù)表現(xiàn)為常閉觸點的接觸電阻的穩(wěn)定性變差，波動大，且沒有明顯的規(guī)律性。統(tǒng)計過程中的全部常開和常閉觸點在閉合時的接觸電阻，平均值和標準偏差對比如表2所示，顯示出明顯的不同。如圖5所示兩種端子接觸電阻狀態(tài)差異極大。

表2 常閉端子閉合和常開端子閉合的不同接觸電阻

圖5 常閉/常開觸點接觸電阻異

從圖5可以看出，經(jīng)過長期通斷電壽命運轉(zhuǎn)，繼電器的常閉端子閉合時接觸電阻的平均值遠大于常開端子閉合時的接觸電阻平均值，且接觸電阻呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。而常開端子的接觸電阻相對穩(wěn)定，基本保持了新品時的狀態(tài)，偶爾有略大的情況。長期通斷運轉(zhuǎn)后兩種類型端子差異非常明顯。

3.2.2 溫度示值分析

每通斷2000回后記錄不同狀態(tài)溫度測量系統(tǒng)的溫度顯示值。

干體式溫度校驗器設(shè)置為60℃的標準溫度。從表3溫度測量系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)顯示中，可以明顯看出通道9（接入6#繼電器的常閉端子測量系統(tǒng)）出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)波動。在測量記錄過程中6#繼電器開停18000回后，6#繼電器的2個常閉端子接入的熱電偶溫度測量系統(tǒng)出現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)波動情況，造成通道9的測量系統(tǒng)在整個測量周期中與標準60℃偏差達到-2.7℃，由于數(shù)據(jù)波動巨大，數(shù)據(jù)的標準偏差也達到了9.8℃，呈現(xiàn)出非常不穩(wěn)定的狀態(tài)，該通道在后期已無法進行正常測試。其現(xiàn)象同樣表現(xiàn)為通道9測量系統(tǒng)中接入的6#繼電器的2個常開通道的接觸電阻數(shù)據(jù)，在周期量測后期同步表現(xiàn)出異常波動的現(xiàn)象，狀態(tài)顯示出異常不穩(wěn)定的變化，從而嚴重影響回路中溫度的測量。

表3 各通道溫度平均值、與標準值偏差、標準偏差單位：℃

為了比對不同測量系統(tǒng)的差異，去除過程中出現(xiàn)異常的通道9（6#繼電器常閉）溫度測量回路的數(shù)據(jù)，比對4種不同的測量系統(tǒng)。其中，通道1～通道4為“2個繼電器”接入的測量系統(tǒng)；通道5、7、11為“1個繼電器常閉端子”接入的測量系統(tǒng)；通道6、8、10、12為“1個繼電器常開端子”接入的測量系統(tǒng)；通道13為“無繼電器”接入的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)如表4所示，比對如圖6所示。

表4 統(tǒng)計不同繼電器接入狀態(tài)的差異單位：℃

從圖6可以看出，顯示數(shù)據(jù)系統(tǒng)偏差的測量平均值偏差和顯示測量數(shù)據(jù)波動的標準偏差在不同型式的測量系統(tǒng)均有不同的體現(xiàn)。測量系統(tǒng)中不接入繼電器的系統(tǒng)設(shè)置型式為最優(yōu)，次之為接入1個繼電器的常開端子，再次為接入1個繼電器的常閉端子，最差的是2個繼電器接入的情況。

圖6 測量系統(tǒng)不同繼電器接入狀態(tài)溫度示值差異比對

3.2.3 溫度穩(wěn)定情況

在經(jīng)過長期壽命開停運轉(zhuǎn)后，不同類型的測量系統(tǒng)表現(xiàn)出類似的數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)。監(jiān)控繼電器通斷電切換后的測量溫度數(shù)據(jù)變化，隨著測量時間加長，溫度測量系統(tǒng)的顯示值變化如圖7所示。

干體式溫度校驗器設(shè)置為60℃的標準溫度，從圖7可以看出2個繼電器加入溫度測量系統(tǒng)，在常開/常閉觸點閉合的不同組合情況下，實測溫度顯示值隨著時間推移，在60℃左右呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，穩(wěn)定情況較差；1個繼電器常閉觸點閉合接入溫度測量系統(tǒng)，隨著閉合時間的推移溫度逐步穩(wěn)定，可以在10分鐘后逐步到達60℃，但是穩(wěn)定的時間非常長；1個繼電器常開觸點閉合接入溫度測量系統(tǒng)，溫度在較短時間即到達穩(wěn)定值60℃。而未有繼電器接入的情況，溫度數(shù)據(jù)在1 s內(nèi)即可達到穩(wěn)定的60℃。

圖7 測量系統(tǒng)不同繼電器接入狀態(tài)溫度穩(wěn)定情況比對

3.3 測量不確定度評估及比較

參考CNAS-GL007-2020電器領(lǐng)域測量不確定度的評估指南，附錄A：（資料性附錄）電器域測量不確定度案例，A1溫度（熱電偶法）不確定度評估的指導方法進行本次測量系統(tǒng)不確定度的評估。

3.3.1 測量不確定度評估[7]

（1）標準不確定度[5]

測量重復性u1；

MV1000無紙記錄儀的校準u2；

熱電偶的檢定u3[6]；

干體式溫度校驗器的校準u4；

熱電偶的固定u5。

（2）合成標準不確定度

（3）擴展標準不確定度

取k=2計算擴展不確定度：

3.3.2 測量不確定度評估結(jié)果及對比

評估幾種繼電器接入的熱電偶溫度測量系統(tǒng)的不確定度（去除發(fā)生異常的6#繼電器常開觸點），評估結(jié)果見表5、圖8。

表5 各個測量系統(tǒng)不確定度評估單位：℃

圖8不確定評估的結(jié)果顯示，熱電偶測量系統(tǒng)中接入一個繼電器的常開觸點與未接入繼電器的回路不確定度的表現(xiàn)差異不大，測量不確定度基本在1℃以內(nèi)；熱電偶測量系統(tǒng)中接入一個繼電器的常閉觸點測量不確定度有明顯增加，測量不確定度在1℃～1.5℃；熱電偶測量系統(tǒng)中接入兩個繼電器的不同觸點組合，對不確定度會產(chǎn)生不一樣的影響，影響程度將進一步增加，測量不確定度為1.3℃～2.3℃。

圖8 各個測量系統(tǒng)擴展不確定度比對

4 結(jié)論

根據(jù)本次測量系統(tǒng)的影響因素分析及試驗驗證的數(shù)據(jù)分析，研究結(jié)論如下：

（1）本文研究的這一類型的微型功率電子繼電器常閉觸點和常開觸點隨著通斷回數(shù)的增加，觸點接觸電阻變化趨勢有明顯差異，常開觸點接觸電阻的穩(wěn)定性遠好于常閉觸點。

（2）研究分析的這類常用電子繼電器常閉觸點在繼電器使用壽命4萬次的過程中失效的風險高于常開觸點，失效后的繼電器會出現(xiàn)接觸電阻的極大波動變化。在熱電偶測量系統(tǒng)接入常閉觸點進行回路通斷時需謹慎選擇使用。

（3）由于電子繼電器的常閉觸點和常開觸點接觸電阻在長期通斷壽命后的不同表現(xiàn)狀態(tài)，熱電偶溫度測量系統(tǒng)中繼電器的增加會影響到熱電偶測量系統(tǒng)的測試精度，隨著增加的觸點增多，精度的影響范圍擴大。系統(tǒng)誤差和不確定度均有不同程度的表現(xiàn)差異。本次研究優(yōu)異程度：

最優(yōu)：測量系統(tǒng)中無繼電器接入，不確定度U＜1℃；

次之：測量系統(tǒng)中接入1個繼電器常開觸點，不確定度U＜1℃；

再次之：測量系統(tǒng)中接入1個繼電器常閉觸點，1℃＜不確定度U＜1.5℃；

最差：測量系統(tǒng)中接入2個繼電器的不同觸點組合，1.3℃＜不確定度U＜2.5℃。

（4）基于上述研究結(jié)論，建議在熱電偶溫度測試回路中做如下設(shè)計：

熱電偶延長線直接接入測量儀器，回路中盡量不增加繼電器切換；

如基于測量電路的設(shè)計考慮必需使用繼電器的情況下，僅使用一個繼電器對應切換，且僅使用繼電器常開觸點作為熱電偶切換；

在使用過程中需根據(jù)使用情況，定期檢查繼電器的狀況，必要情況下測量繼電器觸點的接觸電阻，隨時進行期間更新，避免測量數(shù)據(jù)的偏差；

定期對測量系統(tǒng)進行系統(tǒng)校準，使用修正因子對檢測數(shù)據(jù)進行修正。

（5）本文研究結(jié)論后，調(diào)整了壓縮機測試負荷設(shè)備的熱電偶溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計，為滿足分別測試需求保留切換用繼電器，但更改為僅接入一個繼電器常開觸點作為切換。

（6）本次研究有廣譜的應用參考，適用于其他對回路中對接觸電阻值非常敏感的測量系統(tǒng)，比如微電阻測量系統(tǒng)，如需使用電子繼電器進行系統(tǒng)切換時，可參考上述結(jié)論設(shè)計測量系統(tǒng)的電路。