基于四線制的繼電器盒檢測(cè)設(shè)備應(yīng)急研制

劉少波

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

本文源于繼電器盒檢測(cè)設(shè)備在一周內(nèi)完成了應(yīng)急研制，并經(jīng)過(guò)內(nèi)外場(chǎng)幾百件繼電器盒的檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證的成功案例。

繼電器盒主要由繼電器等組成，一般還含有少量的電阻、電容、二極管等電子元器件，相關(guān)電路涉及電源、液壓、環(huán)境、照明、起飛著陸等諸多電氣控制系統(tǒng)。因部分繼電器質(zhì)量尚存在使用壽命長(zhǎng)、使用過(guò)程中失效概率較高、失效后導(dǎo)致的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)較大等問(wèn)題，以繼電器為主體的繼電器盒類(lèi)產(chǎn)品的日常測(cè)試、維修已經(jīng)普及。繼電器盒現(xiàn)行測(cè)試方法中，人工檢測(cè)方法效率低、時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大且易出錯(cuò)；內(nèi)場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)項(xiàng)目暫缺少繼電器接觸電阻等深度檢測(cè)要求，且柜式結(jié)構(gòu)不便于搬運(yùn)，因此接到幾種繼電器盒的外場(chǎng)應(yīng)急普查要求后，急需研制一臺(tái)繼電器盒檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)多型繼電器盒在機(jī)上原位邏輯功能和性能指標(biāo)的檢測(cè)，其中，為滿(mǎn)足繼電器觸點(diǎn)的接觸電阻、內(nèi)部線路通斷電阻等性能測(cè)量要求，需要研究四線制電阻測(cè)量方法的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電阻等性能指標(biāo)的精確測(cè)量。

1 需求和資源分析

繼電器盒外場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備針對(duì)幾種繼電器盒機(jī)上原位（同時(shí)適用于離位）、大批量測(cè)試的應(yīng)急需求，涵蓋繼電器盒內(nèi)的繼電器、接觸器、電阻、二極管、電容、線路導(dǎo)通等功能和性能測(cè)試。

要求檢測(cè)設(shè)備做到“五夠”：（1）檢測(cè)數(shù)據(jù)夠精確。所有繼電器的觸點(diǎn)電阻等阻值指標(biāo)，合格值不大于300mΩ（含各繼電器連接至產(chǎn)品插頭處的線路和接觸耦電阻）；（2）檢測(cè)電纜夠長(zhǎng)。為滿(mǎn)足繼電器盒在原位測(cè)試要求，減少產(chǎn)品大批量拆裝工作量，檢測(cè)電纜長(zhǎng)度不小于4.5m；（3）檢測(cè)時(shí)間夠短。單件產(chǎn)品檢測(cè)和記錄數(shù)據(jù)的平均時(shí)間不超過(guò)10min，盡量控制等待停放時(shí)間；（4）故障定位夠準(zhǔn)。故障能實(shí)時(shí)定位到繼電器盒內(nèi)元器件的詳細(xì)部位，便于外場(chǎng)排故后的針對(duì)性快速?gòu)?fù)查；（5）檢測(cè)設(shè)備夠輕。檢測(cè)設(shè)備要求便攜、使用方便。

綜合檢測(cè)設(shè)備研制周期極短、外場(chǎng)要求檢測(cè)可靠性高等因素，決定研制一套繼電器盒手動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)測(cè)試需求分析，四線制電阻測(cè)量方法能解決電阻測(cè)試精度高的要求，且測(cè)試阻值不受電纜長(zhǎng)度干擾；繼電器觸點(diǎn)接觸電阻通過(guò)兩種四線制測(cè)量模式實(shí)現(xiàn)，一種是直接測(cè)量的基本模式，一種是切換波段開(kāi)關(guān)測(cè)量的快檢模式，兩者測(cè)試效果完全相同，但后者將大大縮小檢測(cè)時(shí)間；測(cè)試面板對(duì)繼電器盒內(nèi)部的被測(cè)元器件全部進(jìn)行可視化布局設(shè)計(jì)，測(cè)試結(jié)果所見(jiàn)即所得。因此，測(cè)試資源需求主要有數(shù)字多用表、直流電壓源及相關(guān)輔助設(shè)備。

2 四線制測(cè)量電阻原理

四線制測(cè)量電阻連接方式如圖1所示。電流源線（Source Hi-Ho）向被測(cè)電阻輸入測(cè)試電流，回采信號(hào)線（Sense Hi-Ho）測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓，電流、電壓兩回路相互獨(dú)立。圖1中的四線法測(cè)電阻使用一組電流源線接恒流源I，另一組回采信號(hào)線使用電壓表Vm測(cè)量被測(cè)電阻R兩端電壓VR。因?yàn)殡妷罕淼膬?nèi)阻非常大，與被測(cè)電阻存在數(shù)量級(jí)的差別，使得流過(guò)信號(hào)線的電流I1極小，近似為零，因此，電壓表輸入壓降Vm無(wú)限接近被測(cè)電阻的壓降VR，所以，四線法測(cè)得的電阻值非常接近真實(shí)值。另外，采用四線制測(cè)量電阻時(shí)可排除導(dǎo)線電阻和探針以及測(cè)試點(diǎn)之間的接觸電阻Rs，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖1 四線制測(cè)量電阻原理圖

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 四線制測(cè)量電阻方法的實(shí)現(xiàn)原理

當(dāng)前，涉及繼電器盒接觸電阻精確測(cè)試的應(yīng)用案例很少，少量文獻(xiàn)介紹了四線制測(cè)量電阻的原理，以及少量在其他產(chǎn)品上的應(yīng)用案例。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)幾種繼電器盒內(nèi)各繼電器接觸電阻、線路導(dǎo)通電阻等的精確和快速檢測(cè)，測(cè)試系統(tǒng)采用了雙余度四線制電阻測(cè)量方法。以繼電器盒內(nèi)最多的繼電器為例，首先，手工直連測(cè)量模式，將繼電器的被測(cè)觸點(diǎn)用四根線連接到數(shù)字萬(wàn)用表的四線制電阻測(cè)量端子，繼電器線圈的正負(fù)端子連接到直流電壓表，測(cè)完一組數(shù)據(jù)切換一次四線制連接導(dǎo)線。其次，切換波段開(kāi)關(guān)測(cè)量模式，將被測(cè)繼電器的觸點(diǎn)端子、數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)試端子，按四線制接入切換波段開(kāi)關(guān)，輔助按壓繼電器線圈的供電切換按鈕，通過(guò)切換波段開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電阻的快速測(cè)量。這樣，針對(duì)不同的被測(cè)對(duì)象，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目和電纜連接關(guān)系，設(shè)計(jì)不同的接口定義表，固化系統(tǒng)測(cè)試對(duì)信號(hào)切換開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換要求。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

（1）總體設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目檢測(cè)設(shè)備采用便攜式機(jī)箱設(shè)計(jì)，機(jī)箱上蓋設(shè)計(jì)為測(cè)試面板，機(jī)箱箱體設(shè)計(jì)為數(shù)字萬(wàn)用表、直流電壓源及測(cè)試線纜的收納空間?？傮w結(jié)構(gòu)和切換波段開(kāi)關(guān)測(cè)試架構(gòu)框圖如圖2、圖3所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 切換波段開(kāi)關(guān)測(cè)試架構(gòu)框圖

（2）硬件設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目的硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)字萬(wàn)用表和直流電壓源的選型、面板設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)試電纜設(shè)計(jì)等，主要有：

①數(shù)字萬(wàn)用表選型。選用是德科技的34461A 6 ?位，Truevolt 數(shù)字萬(wàn)用表，同時(shí)滿(mǎn)足繼電器盒四線電阻、二線電壓和電容等相關(guān)指標(biāo)的測(cè)量要求。

②直流電壓源選型。選用固緯的PFR-100L無(wú)風(fēng)扇多量程直流電源，滿(mǎn)足額定輸出電壓（0～50）V可調(diào)、體積小等要求。

③面板設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。面板設(shè)計(jì)是設(shè)備實(shí)現(xiàn)最重要的環(huán)節(jié)之一，主要包括可視化布局設(shè)計(jì)、雙余度快檢設(shè)計(jì)。

可視化布局設(shè)計(jì)。測(cè)試面板對(duì)繼電器盒內(nèi)部的被測(cè)元器件全部進(jìn)行了可視化布局設(shè)計(jì)，這樣面板圖既是一副繼電器盒的電氣原理圖和線路連接圖，又是產(chǎn)品測(cè)試的量線表，測(cè)試結(jié)果能實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)到繼電器盒內(nèi)元器件的詳細(xì)部位。如圖4所示，繼電器盒內(nèi)部被測(cè)元器件的測(cè)試點(diǎn)以及線路標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)在面板上方，主要通過(guò)四線制連接方式，與面板左下方的產(chǎn)品測(cè)試插座直接連接。

雙余度快檢設(shè)計(jì)。如圖4所示，在面板下方縱向?qū)ΨQ(chēng)軸左側(cè)，電阻檢測(cè)端子V+、V-、I+、I-按四線制用導(dǎo)線接至切換波段開(kāi)關(guān)的公共端，波段開(kāi)關(guān)的另一端通過(guò)四線制連接方式，接至面板左下方的產(chǎn)品測(cè)試插座；電源輸入正、負(fù)端子，用導(dǎo)線接至繼電器線圈的供電切換按鈕（位于面板右側(cè)中下部），這6根測(cè)試導(dǎo)線按圖3一次性連接至數(shù)字萬(wàn)用表、直流電壓源后，只需通過(guò)切換選擇開(kāi)關(guān)，即可完成所有繼電器觸點(diǎn)接觸電阻的快速測(cè)量。

圖4 面板設(shè)計(jì)圖

④箱體選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目的箱體選用的是鼎陽(yáng)的D6125便攜式拉桿箱，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要涉及箱體內(nèi)襯的設(shè)計(jì)，根據(jù)箱體的三維模型以及數(shù)字萬(wàn)用表、直流電源以及測(cè)試電纜的尺寸情況，合理地進(jìn)行內(nèi)襯挖槽和器材分布，具體內(nèi)襯設(shè)計(jì)圖5所示。

圖5 內(nèi)襯設(shè)計(jì)圖

⑤連接器選型和測(cè)試電纜設(shè)計(jì)。檢測(cè)設(shè)備連接器的需求主要是設(shè)備端與產(chǎn)品端，其中產(chǎn)品端根據(jù)產(chǎn)品插座型號(hào)選擇配對(duì)的插頭。設(shè)備端連接器選擇VPC公司的i1系列連接器，該系列連接器具有插拔方便、可靠、組合多樣等優(yōu)點(diǎn)，其外形如圖6所示。

圖6 i1連接器

測(cè)試電纜為兩套電纜，分別用于幾種繼電器盒的檢測(cè)。根據(jù)連接器的選型進(jìn)行連線表的設(shè)計(jì)，根據(jù)繼電器盒機(jī)上原位測(cè)試的需求確認(rèn)測(cè)試電纜的長(zhǎng)度為5m。

4 試驗(yàn)測(cè)試

經(jīng)過(guò)外場(chǎng)幾百件繼電器盒的檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，本檢測(cè)設(shè)備體積小、重量輕，方便外場(chǎng)攜帶；電阻測(cè)量方式為四線制，相對(duì)二線制的測(cè)試精度高；操作采用了旋鈕式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，不需要反復(fù)切換硬件轉(zhuǎn)接端子，測(cè)試效率高；操作界面直觀明了，可實(shí)時(shí)判定產(chǎn)品內(nèi)部的不合格器件，測(cè)試效果達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。繼電器盒部分測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果見(jiàn)表1。但設(shè)備也暴露出一點(diǎn)不足，即在沿途顛簸、空運(yùn)上下貨撞擊等影響下，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中發(fā)生過(guò)幾次故障，如直流電源設(shè)備內(nèi)部電路板固定螺釘和輸出接線端子松脫、部分固定接觸電阻測(cè)試孔的緊固背帽松動(dòng)等，造成了測(cè)試進(jìn)程的臨時(shí)中斷，但故障排查相對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備就方便快捷得多。研制外場(chǎng)檢測(cè)類(lèi)設(shè)備需要吸取教訓(xùn)，增加緊固螺釘、背帽涂膠安裝等減震防松措施。

表1 繼電器盒部分測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)繼電器盒外場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備的電阻測(cè)量任務(wù)分析，提出了一種基于四線制電阻測(cè)量方法，制定了利用數(shù)字多用表、直流電壓源的可視化快檢測(cè)試方案，在一周內(nèi)完成了設(shè)備應(yīng)急研制。測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，雙余度四線制電阻測(cè)量方法不僅能滿(mǎn)足產(chǎn)品的測(cè)試要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電阻快速準(zhǔn)確的測(cè)量，通過(guò)更換轉(zhuǎn)接電纜及測(cè)試項(xiàng)目表，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同繼電器盒的測(cè)試，為同類(lèi)檢測(cè)設(shè)備的研制提供了借鑒。