便攜式JSDXC-1700型動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀的研究與開發(fā)

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(hào)設(shè)備的重要器件,在鐵路信號(hào)的自動(dòng)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(yùn)行。動(dòng)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(shì)看,計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備將會(huì)大量上道使用。由于動(dòng)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(hào),由于二者在測(cè)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(dòng)態(tài)繼電器。目前,我國動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)設(shè)備以檢測(cè)臺(tái)為主,這種設(shè)備體積大,自動(dòng)化程度較低。為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)JSDXC-1700型繼電器進(jìn)行檢修,利用自動(dòng)測(cè)量技術(shù)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)代替手工檢修、測(cè)量和管理的模式,設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)、便于攜帶的繼電器檢測(cè)儀器,有助于提高電務(wù)部門的檢測(cè)效率與管理水平。

1 JSDXC-1700型動(dòng)態(tài)繼電器的工作原理

JSDXC-1700動(dòng)態(tài)繼電器的基本工作原理如圖1所示。

圖1中將JSDXC-1700動(dòng)態(tài)繼電器的A,B門同時(shí)給出。因?yàn)锳,B門工作原理相同,下面以A門為例對(duì)JSDXC-1700型繼電器工作原理做簡(jiǎn)要介紹。圖中51,52,53,61,62為繼電器引腳編號(hào)。

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

圖1 JSDXC-1700型動(dòng)態(tài)繼電器原理圖

2 動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀測(cè)量參數(shù)的工作原理

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

2.1 繼電器機(jī)械特性測(cè)試

繼電器機(jī)械特性測(cè)試主要是對(duì)繼電器接點(diǎn)電阻進(jìn)行測(cè)試,繼電器接點(diǎn)電阻是指繼電器的動(dòng)接點(diǎn)與前接點(diǎn)或動(dòng)接點(diǎn)與后接點(diǎn)的接觸電阻[3]。檢修規(guī)程按圖2連接進(jìn)行測(cè)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(diǎn)的電流值達(dá)到0.5～1 A左右,此時(shí)再閉合開關(guān)K1毫伏表上即可讀到該接點(diǎn)上電壓降值,利用開關(guān)K2與每組接點(diǎn)順序接觸,在毫伏表上則相應(yīng)地讀到每組接點(diǎn)電壓降值。在開關(guān)K2與每組接點(diǎn)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(cè)得的數(shù)據(jù)利用歐姆定律,按下列公式計(jì)算即可求得每組接點(diǎn)的接觸電阻

式中:R為接點(diǎn)電阻值,Ω;RC為測(cè)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(cè)量導(dǎo)線電阻可利用直流電橋測(cè)試得到。

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

2.2 電氣特性測(cè)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(cè)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(shí)用。圖中B為指示燈,指示燈應(yīng)每組接點(diǎn)設(shè)一個(gè)。

（1）釋放值和工作值的測(cè)試

圖2 繼電器接點(diǎn)電阻測(cè)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(cè)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(cè)量原理圖

信號(hào)繼電器試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)[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(diǎn)和動(dòng)接點(diǎn)剛分離時(shí)（以（b）中指示燈熄滅為準(zhǔn)）,儀表上所測(cè)得的值,即為該繼電器的釋放值。

當(dāng)測(cè)完釋放值時(shí),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(shí),在儀表上所測(cè)得的值,即為該繼電器的工作值。

JSDXC-1700型動(dòng)態(tài)繼電器的交流驅(qū)動(dòng)電壓規(guī)定為24 V交流,為避免市電波動(dòng)對(duì)測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)了電壓的自動(dòng)連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。

（2）線圈電阻的測(cè)試

繼電器線圈電阻是指環(huán)境溫度為20℃時(shí)線圈的直流電阻。線圈電阻的測(cè)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(cè)試。測(cè)試后根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度,再換算為20℃的電阻值。

2.3 動(dòng)態(tài)特性測(cè)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(shí),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(duì)銜鐵的吸起有延緩作用。這樣繼電器就存在緩吸時(shí)間和緩放時(shí)間,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)這兩個(gè)量是采用電秒表進(jìn)行測(cè)量,繼電器時(shí)間特性的檢規(guī)測(cè)試如圖4所示。

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

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

圖4 時(shí)間特性測(cè)量原理圖

3 動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

便攜式JSDXC-1700型動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀的總體方案框圖,如圖5所示。動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀硬件采用模塊化設(shè)計(jì),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(cè)模塊、譯碼選接點(diǎn)模塊、溫度測(cè)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(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀包括檢測(cè)儀主體和筆記本電腦兩部分,檢測(cè)儀主體是動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀的核心和關(guān)鍵。檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)繼電器的檢測(cè)。

圖5 便攜式JSDXC-1700型動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀硬件框圖

動(dòng)態(tài)繼電器的檢測(cè)過程為,被檢測(cè)繼電器插入繼電器檢測(cè)插座中,啟動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)按扭,自動(dòng)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(gè)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(hào),微控制器通過AD信號(hào)采集電路獲得相應(yīng)電壓、溫度等物理量;利用內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行精確計(jì)時(shí)或?qū)狱c(diǎn)狀態(tài)做出判斷。繼電器檢測(cè)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(cè)繼電器參數(shù)不合格時(shí),可自動(dòng)進(jìn)行語音報(bào)警。繼電器的測(cè)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(chǔ)。

動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀在使用上分為檢測(cè)儀主體獨(dú)立運(yùn)行和檢測(cè)儀主體附加筆記本電腦兩種模式。

3.2 動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

微控制器作為下位機(jī)測(cè)量控制的核心,對(duì)儀器的整體性能影響極大。在設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)處理,又比常用的DSP芯片更便宜,因而具有較高的性價(jià)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(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀需要自動(dòng)測(cè)試JSDXC-1700型動(dòng)態(tài)繼電器,所以首先要對(duì)JSDXC-1700型動(dòng)態(tài)繼電器的各種測(cè)試所需數(shù)據(jù)（如接點(diǎn)位置、電氣參數(shù)、線圈電阻、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等）進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以16進(jìn)制的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件,作為測(cè)試使用的控制數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在測(cè)試過程中可根據(jù)需要隨時(shí)更新、補(bǔ)充、不斷完善。

測(cè)試內(nèi)容分為自動(dòng)測(cè)試和精度校準(zhǔn)（接點(diǎn)電阻）兩項(xiàng)。動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀開機(jī)后,首先進(jìn)行工作模式識(shí)別,當(dāng)?shù)玫絾?dòng)信號(hào)后,調(diào)入相應(yīng)的硬件描述文件,而后進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試或精度校準(zhǔn)。自動(dòng)測(cè)試部分又包含機(jī)械特性、電氣特性、動(dòng)態(tài)特性的三特性測(cè)試模塊,以及相應(yīng)的溫度檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理等模塊,微控制器可以自動(dòng)按照GB/T 6902-2001規(guī)定的測(cè)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(duì)接點(diǎn)電阻測(cè)試模塊進(jìn)行標(biāo)定,通過自動(dòng)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(cè)試與分析

在完成動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀硬件組裝后、向檢測(cè)儀主體導(dǎo)入程序,對(duì)JSDXC-1700型動(dòng)態(tài)繼電器進(jìn)行實(shí)測(cè)調(diào)試和數(shù)據(jù)分析。

測(cè)試設(shè)備:FLUCK17B數(shù)字萬用表,Tektronix TDS1002（數(shù)字存儲(chǔ)示波器）,精密電阻測(cè)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(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀自動(dòng)測(cè)試結(jié)果,與依照《信號(hào)維護(hù)規(guī)則》規(guī)定的手動(dòng)測(cè)試方法所測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 測(cè)試結(jié)果

從實(shí)際測(cè)試的結(jié)果看,便攜式動(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀的測(cè)試精度和準(zhǔn)確度都很高。與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生偏差的主要原因是由于在測(cè)試過程中溫度是實(shí)時(shí)變化的,而普通的檢測(cè)設(shè)備在測(cè)量電阻時(shí),沒有進(jìn)行溫度修正。另外,在測(cè)試過程中,發(fā)現(xiàn)即使是同一繼電器的同一組接點(diǎn),每次測(cè)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(dòng)態(tài)繼電器檢測(cè)儀,體積小、重量輕,便于攜帶使用,檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,自動(dòng)化、智能化程度高,可以滿足動(dòng)態(tài)繼電器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需要。儀器試用效果良好,從而驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的合理性。

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