劉舉平,余為清

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江西南昌 330013）

繼電器是鐵路信號設(shè)備的重要器件,在鐵路信號的自動控制和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中,繼電器的用量很大,用它可構(gòu)成邏輯電路或作為執(zhí)行元件,直接監(jiān)控列車的運行。動態(tài)繼電器是一類故障—安全型繼電器,是鐵路微機(jī)聯(lián)鎖控制的核心器件。從發(fā)展趨勢看,計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備將會大量上道使用。由于動態(tài)繼電器既有機(jī)械部分又有功能電路部分,所以在使用過程中故障率比較高[1]。JSDXC-1700型（含JSDXC1-1700和JSDXC2-1700兩種型號,由于二者在測試方法上類似,僅在控制電壓上有所區(qū)別,以下統(tǒng)稱JSDXC-1700型）繼電器屬新型動態(tài)繼電器。目前,我國動態(tài)繼電器檢測設(shè)備以檢測臺為主,這種設(shè)備體積大,自動化程度較低。為實現(xiàn)現(xiàn)場對JSDXC-1700型繼電器進(jìn)行檢修,利用自動測量技術(shù)以及計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)代替手工檢修、測量和管理的模式,設(shè)計了一種全自動、便于攜帶的繼電器檢測儀器,有助于提高電務(wù)部門的檢測效率與管理水平。

1 JSDXC-1700型動態(tài)繼電器的工作原理

JSDXC-1700動態(tài)繼電器的基本工作原理如圖1所示。

圖1中將JSDXC-1700動態(tài)繼電器的A,B門同時給出。因為A,B門工作原理相同,下面以A門為例對JSDXC-1700型繼電器工作原理做簡要介紹。圖中51,52,53,61,62為繼電器引腳編號。

當(dāng)51腳沒有脈沖輸出時,52,61腳通過R1,D1,D2向電容器C1充電至電源電壓。這時光控晶閘管SSMD1沒有觸發(fā)信號而截止。當(dāng)51腳入動態(tài)正脈沖時,光控三極管（TLL113）導(dǎo)通,電容器C1通過TLL113,R2,D3對C3充電,經(jīng)幾個脈沖的作用,當(dāng)C3兩端電壓足以觸發(fā)光控晶閘管S22MD1時,光控晶閘管S22MD1導(dǎo)通,繼電器J吸起。動態(tài)繼電器對于驅(qū)動信號的頻率與電壓有相應(yīng)的規(guī)定,當(dāng)輸入側(cè)故障時可保證輸出安全。

圖1 JSDXC-1700型動態(tài)繼電器原理圖

2 動態(tài)繼電器檢測儀測量參數(shù)的工作原理

對繼電器的檢測,就是對繼電器機(jī)械特性、電氣特性、動態(tài)特性三特性的測試。便攜式動態(tài)繼電器測試儀在測試原理上依據(jù)GB/T 6902-2001規(guī)定的繼電器三特性測試方法[2]。

2.1 繼電器機(jī)械特性測試

繼電器機(jī)械特性測試主要是對繼電器接點電阻進(jìn)行測試,繼電器接點電阻是指繼電器的動接點與前接點或動接點與后接點的接觸電阻[3]。檢修規(guī)程按圖2連接進(jìn)行測試。

首先將開關(guān)K1合上,調(diào)整變阻器R1,使繼電器良好吸起。然后斷開K1,閉合K2,調(diào)整變阻器R1,使之通過接點的電流值達(dá)到0.5～1 A左右,此時再閉合開關(guān)K1毫伏表上即可讀到該接點上電壓降值,利用開關(guān)K2與每組接點順序接觸,在毫伏表上則相應(yīng)地讀到每組接點電壓降值。在開關(guān)K2與每組接點轉(zhuǎn)換過程中,開關(guān)K1應(yīng)斷開,這樣可避免毫伏表由于過載而損壞。根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)利用歐姆定律,按下列公式計算即可求得每組接點的接觸電阻

式中:R為接點電阻值,Ω;RC為測量導(dǎo)線電阻值,Ω;V為毫伏表讀數(shù),mV;I為毫安表讀數(shù),mA。式中測量導(dǎo)線電阻可利用直流電橋測試得到。

便攜式JSDXC-1700型動態(tài)繼電器檢測儀采用恒流四線法對動態(tài)繼電器的前后接點電阻進(jìn)行檢測,四線法的采用降低了導(dǎo)線電阻對測量精度的影響,提高了測量的精確性。

2.2 電氣特性測試

主要是檢查繼電器的正向和反向釋放值、工作值及極性保持繼電器的轉(zhuǎn)極值是否符合電氣特性要求。檢修規(guī)程測試電路如圖3所示,圖中的閘刀開關(guān)是作為轉(zhuǎn)換電源極性時用。圖中B為指示燈,指示燈應(yīng)每組接點設(shè)一個。

（1）釋放值和工作值的測試

圖2 繼電器接點電阻測量原理圖

將圖3（a）中開關(guān)K閉合,調(diào)整電源電壓至繼電器的充磁值,為了測試釋放值或轉(zhuǎn)極值,應(yīng)先使繼電器的磁極磁化,向繼電器線圈通以幾倍的工作值或轉(zhuǎn)極值,根據(jù)GB/T 6902-2001鐵路

圖3 電氣特性測量原理圖

信號繼電器試驗方法的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計[4],多數(shù)繼電器的充磁值取3倍左右的工作值。然后,逐漸降低電源電壓,當(dāng)繼電器前接點和動接點剛分離時（以（b）中指示燈熄滅為準(zhǔn)）,儀表上所測得的值,即為該繼電器的釋放值。

當(dāng)測完釋放值時,繼續(xù)調(diào)整電源電壓至0,斷電1 s,再逐漸升高電源電壓,當(dāng)繼電器銜鐵止片與磁極接觸時,在儀表上所測得的值,即為該繼電器的工作值。

JSDXC-1700型動態(tài)繼電器的交流驅(qū)動電壓規(guī)定為24 V交流,為避免市電波動對測量結(jié)果造成影響,儀器采用了正弦合成的方法產(chǎn)生出標(biāo)準(zhǔn)的24 V交流電壓。測量電壓采用由微控制器與D/A變換器等組成的程控電壓源,實現(xiàn)了電壓的自動連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。

（2）線圈電阻的測試

繼電器線圈電阻是指環(huán)境溫度為20℃時線圈的直流電阻。線圈電阻的測試可以利用歐姆表,為了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,一般采用電橋進(jìn)行測試。測試后根據(jù)當(dāng)時的環(huán)境溫度,再換算為20℃的電阻值。

2.3 動態(tài)特性測試

由于繼電器線圈是帶有鐵心的,所以它的電感量比較大。當(dāng)繼電器接通電源或斷開電源時,線圈的鐵心中就產(chǎn)生渦流,渦流所產(chǎn)生的磁通與線圈所產(chǎn)生的磁通方向相反,這樣就使磁通的變化落后于電流的變化,對銜鐵的吸起有延緩作用。這樣繼電器就存在緩吸時間和緩放時間,現(xiàn)場對這兩個量是采用電秒表進(jìn)行測量,繼電器時間特性的檢規(guī)測試如圖4所示。

圖4中電秒表的I,III接通開始計時,I,II接通停止計時[3-4]。由于JSDXC-1700型繼電器不需要測量緩放時間,所以不需要微控制器進(jìn)行計時操作,但仍然需要對接合狀態(tài)做出判斷。

由于便攜式動態(tài)繼電器檢測儀對JSDXC-1700型動態(tài)繼電器的三特性測試是依據(jù)GB/T 6902-2001檢測規(guī)定進(jìn)行,測試方法及參數(shù)合理性具有說服力。

圖4 時間特性測量原理圖

3 動態(tài)繼電器檢測儀的硬件和軟件設(shè)計

3.1 動態(tài)繼電器檢測儀的硬件設(shè)計

便攜式JSDXC-1700型動態(tài)繼電器檢測儀的總體方案框圖,如圖5所示。動態(tài)繼電器檢測儀硬件采用模塊化設(shè)計,主要由以下模塊組成:微控制器模塊、系統(tǒng)供電電路模塊、直流數(shù)控電壓模塊、穩(wěn)幅交流輸出模塊、控制電壓發(fā)生模塊、恒流源及電阻檢測模塊、譯碼選接點模塊、溫度測試模塊以及外設(shè)模塊,包括LCD顯示模塊、鍵盤模塊和串行口通信模塊。

動態(tài)繼電器檢測儀包括檢測儀主體和筆記本電腦兩部分,檢測儀主體是動態(tài)繼電器檢測儀的核心和關(guān)鍵。檢測儀主體以凌陽16位微控制器SPCE061A[3]為主控單元,通過外圍接口器件、功能電路實現(xiàn)對動態(tài)繼電器的檢測。

圖5 便攜式JSDXC-1700型動態(tài)繼電器檢測儀硬件框圖

動態(tài)繼電器的檢測過程為,被檢測繼電器插入繼電器檢測插座中,啟動自動檢測按扭,自動進(jìn)行流程選擇。DO（數(shù)字量輸出）鎖存電路與直流電壓調(diào)整及穩(wěn)幅交流電路模塊工作,獲得一個連續(xù)的數(shù)字可調(diào)的局部電壓;由控制電壓發(fā)生單元產(chǎn)生可調(diào)幅和調(diào)頻的方波信號,微控制器通過AD信號采集電路獲得相應(yīng)電壓、溫度等物理量;利用內(nèi)部定時器進(jìn)行精確計時或?qū)狱c狀態(tài)做出判斷。繼電器檢測儀獲得的信息可通過LCD液晶屏進(jìn)行顯示,也可以選擇利用筆記本作為交互工具。當(dāng)被檢測繼電器參數(shù)不合格時,可自動進(jìn)行語音報警。繼電器的測試數(shù)據(jù)可以通過串行通訊口傳送到筆記本電腦分析和存儲。

動態(tài)繼電器檢測儀在使用上分為檢測儀主體獨立運行和檢測儀主體附加筆記本電腦兩種模式。

3.2 動態(tài)繼電器檢測儀軟件設(shè)計

微控制器作為下位機(jī)測量控制的核心,對儀器的整體性能影響極大。在設(shè)計時選用了16位微控制器SPCE061A。該芯片資源豐富,可方便地用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理,又比常用的DSP芯片更便宜,因而具有較高的性價比。系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件框圖

便攜式動態(tài)繼電器檢測儀需要自動測試JSDXC-1700型動態(tài)繼電器,所以首先要對JSDXC-1700型動態(tài)繼電器的各種測試所需數(shù)據(jù)（如接點位置、電氣參數(shù)、線圈電阻、測試標(biāo)準(zhǔn)等）進(jìn)行統(tǒng)計,以16進(jìn)制的形式存儲數(shù)據(jù)文件,作為測試使用的控制數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在測試過程中可根據(jù)需要隨時更新、補(bǔ)充、不斷完善。

測試內(nèi)容分為自動測試和精度校準(zhǔn)（接點電阻）兩項。動態(tài)繼電器檢測儀開機(jī)后,首先進(jìn)行工作模式識別,當(dāng)?shù)玫絾有盘柡?調(diào)入相應(yīng)的硬件描述文件,而后進(jìn)行自動測試或精度校準(zhǔn)。自動測試部分又包含機(jī)械特性、電氣特性、動態(tài)特性的三特性測試模塊,以及相應(yīng)的溫度檢測、數(shù)據(jù)處理等模塊,微控制器可以自動按照GB/T 6902-2001規(guī)定的測試程序進(jìn)行操作。精度校準(zhǔn)模塊,主要利用標(biāo)準(zhǔn)電阻對接點電阻測試模塊進(jìn)行標(biāo)定,通過自動修正SPCE061A內(nèi)部Flash ROM中的參數(shù)進(jìn)行軟件方式校準(zhǔn)。精度校準(zhǔn)模式的進(jìn)入需要管理員的口令,以防止誤操作。

4 系統(tǒng)測試與分析

在完成動態(tài)繼電器檢測儀硬件組裝后、向檢測儀主體導(dǎo)入程序,對JSDXC-1700型動態(tài)繼電器進(jìn)行實測調(diào)試和數(shù)據(jù)分析。

測試設(shè)備:FLUCK17B數(shù)字萬用表,Tektronix TDS1002（數(shù)字存儲示波器）,精密電阻測量儀（精度1 mΩ）,200V DC手調(diào)穩(wěn)壓電源（電子工業(yè)部26研究所）。

分析方法:動態(tài)繼電器檢測儀自動測試結(jié)果,與依照《信號維護(hù)規(guī)則》規(guī)定的手動測試方法所測試結(jié)果進(jìn)行對比,測試結(jié)果如表1。

表1 測試結(jié)果

從實際測試的結(jié)果看,便攜式動態(tài)繼電器檢測儀的測試精度和準(zhǔn)確度都很高。與手動測試結(jié)果產(chǎn)生偏差的主要原因是由于在測試過程中溫度是實時變化的,而普通的檢測設(shè)備在測量電阻時,沒有進(jìn)行溫度修正。另外,在測試過程中,發(fā)現(xiàn)即使是同一繼電器的同一組接點,每次測試的值也有變化,關(guān)于接觸電阻與操作次數(shù)的關(guān)系,很多專家都做過研究[6-10]。

5 結(jié)語

本文研究開發(fā)的動態(tài)繼電器檢測儀,體積小、重量輕,便于攜帶使用,檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,自動化、智能化程度高,可以滿足動態(tài)繼電器現(xiàn)場檢測的需要。儀器試用效果良好,從而驗證了理論設(shè)計的合理性。

[1]陳幼忠,何柳鳴.動態(tài)繼電器返修超標(biāo)的原因與對策[J].鐵道通信信號,2004,40（11）:4-6.

[2]GB/T 6902-2001,鐵路信號繼電器實驗方法[S].北京:中國鐵道出版社,2001.

[3]安文.繼電器智能檢測臺設(shè)計[D].成都:西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2003.

[4]中華人民共和國鐵道部.信號維護(hù)規(guī)則[S].北京:中國鐵道出版社,2000.

[5]薛鈞義,張彥斌,虞鶴松,等.凌陽十六位單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[6]LEUNG C H,ANTHONY L.Contact erosion in automotive DC relays[J].IEEE Transactions on Components,Hybrids,and Manufacturing Technology,1991,14（1）:101-108.

[7]劉向軍,費鴻俊.電接觸的接觸電阻研究進(jìn)展[J].上海電器技術(shù),1999（3）:3-6.

[8]姚芳,李志剛,李玲玲,等.繼電器觸點失效預(yù)測的研究[J].繼電器,2004,32（16）:28-31.

[9]張宏琴,劉維泰.電磁繼電器觸點參數(shù)測試[J].大學(xué)物理實驗,2003,16（2）:22-23.

[10]李奎.繼電器觸點接觸可靠性研究[D].福州:福州大學(xué),1996:25-35.