熱電偶溫度測(cè)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(jiǎn)單，但是應(yīng)用的理論相對(duì)復(fù)雜。采用熱電偶測(cè)量溫度的難點(diǎn)是如何處理信號(hào)調(diào)理的問(wèn)題，正確使用熱電偶可以獲得較高的溫度測(cè)量精度，而使用不當(dāng)容易出現(xiàn)較大的誤差。因此在熱電偶的使用中，如何對(duì)熱電偶測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)需要特別予以關(guān)注。

在綜合性的檢測(cè)設(shè)備中較多選用熱電偶作為傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。比如制冷制熱檢測(cè)領(lǐng)域使用的檢測(cè)設(shè)備，對(duì)于溫度的測(cè)量非常普遍，價(jià)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(zhǎng)線(xiàn)及顯示儀表共同組成一組測(cè)量系統(tǒng)，用于精確測(cè)量不同測(cè)量點(diǎn)的溫度值。對(duì)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(guó)內(nèi)外均有大量的研究。部分國(guó)內(nèi)外測(cè)量測(cè)試領(lǐng)域的公司，均有新型熱電偶測(cè)量及數(shù)據(jù)采集的研究。但是在熱電偶測(cè)量系統(tǒng)中增加電器元件后對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度影響方面的研究則涉獵較少。對(duì)于無(wú)需同時(shí)測(cè)量的熱電偶溫度，通常采用切換、分別測(cè)量的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)；而涉及到幾個(gè)熱電偶共用同一個(gè)溫度顯示儀表時(shí)，則需在測(cè)試回路中引入電路切換用電器元件以實(shí)現(xiàn)分別測(cè)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(dòng)作，控制回路用繼電器完成切換動(dòng)作。熱電偶測(cè)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(hào)傳輸和控制電路中。觸點(diǎn)接觸電阻是評(píng)價(jià)繼電器輸出功能最重要的指標(biāo)之一，國(guó)際上一些學(xué)者和繼電器生產(chǎn)廠家都對(duì)繼電器接觸電阻進(jìn)行了大量的研究，此類(lèi)研究涉及基礎(chǔ)材料和制作工藝，然而對(duì)于電子繼電器用于熱電偶測(cè)量回路的研究鮮有涉及。

本次在設(shè)計(jì)制作壓縮機(jī)的噪聲振動(dòng)測(cè)試的負(fù)荷設(shè)備時(shí)，選用了若干高精度調(diào)節(jié)計(jì)，用于測(cè)量制冷系統(tǒng)中不同位置的溫度值。為節(jié)省費(fèi)用，以及便于電器柜面板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、易于觀測(cè)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩套制冷系統(tǒng)，并使兩套制冷系統(tǒng)采用一套測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于無(wú)需同時(shí)測(cè)量的熱電偶溫度，采用切換、分別測(cè)量的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣就涉及到幾個(gè)熱電偶共用同一個(gè)溫度顯示儀表的問(wèn)題，在測(cè)試回路中，需引入電路切換用電器元件以實(shí)現(xiàn)分別測(cè)量的目的。測(cè)量回路中增加了電磁繼電器。

在熱電偶測(cè)試回路中增加電磁繼電器，對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生影響，本文就該使用范疇進(jìn)行調(diào)查研究，并給出一套合適的電路設(shè)計(jì)方案。

1 熱電偶測(cè)量原理和繼電器工作原理

1.1 熱電偶測(cè)量原理

熱電偶是溫度類(lèi)測(cè)試儀表中常用的測(cè)溫元件，它的工作原理是兩種材質(zhì)（即不同電子密度）的導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，閉合回路中會(huì)有電流產(chǎn)生，兩端形成電動(dòng)勢(shì)（即熱電動(dòng)勢(shì)），這是通常所稱(chēng)的塞貝克效應(yīng)。這種現(xiàn)象也被稱(chēng)為熱電現(xiàn)象，電動(dòng)勢(shì)表現(xiàn)為熱電勢(shì)，其與所測(cè)量的溫度有對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，利用此函數(shù)關(guān)系就可量測(cè)出所需要的溫度值。

1.1.1 熱電偶參考結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償[1]

熱電偶的實(shí)質(zhì)是兩根不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)線(xiàn)A和B制成，在導(dǎo)線(xiàn)的一端有一個(gè)相連的接觸點(diǎn)，稱(chēng)為測(cè)量結(jié)點(diǎn)（也被稱(chēng)為熱端或工作端）。從絕緣的導(dǎo)線(xiàn)末端連接至測(cè)量?jī)x器，C是測(cè)量?jī)x器中兩根同樣的導(dǎo)線(xiàn)，C與A或C與B形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)稱(chēng)為參考結(jié)點(diǎn)（也被稱(chēng)為冷端或自由端），圖1所示為熱電偶測(cè)溫的原理。

圖1 熱電偶測(cè)溫原理

當(dāng)測(cè)量結(jié)點(diǎn)所處環(huán)境溫度為tMJ，參考結(jié)點(diǎn)所處環(huán)境溫度為tRJ時(shí)，銅導(dǎo)線(xiàn)末端形成熱電勢(shì)E。熱電偶接入測(cè)量?jī)x表后，測(cè)量?jī)x表獲得的電勢(shì)E為材料A、B的兩種導(dǎo)線(xiàn)的測(cè)量結(jié)點(diǎn)在tMJ、tRJ兩個(gè)溫度下對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)的差值，該值與導(dǎo)線(xiàn)C的接入無(wú)關(guān)，這就是熱電偶接入測(cè)量?jī)x表進(jìn)行溫度測(cè)量的原理——熱電偶中間導(dǎo)體定律。

1.1.2 補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的使用[1]

（1）補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)原理

熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)是一對(duì)與所配對(duì)熱電偶在特定溫度范圍具有相同溫度對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)的絕緣導(dǎo)線(xiàn)，用于延長(zhǎng)熱電偶導(dǎo)線(xiàn)，接入測(cè)量?jī)x表，補(bǔ)償其與熱電偶導(dǎo)線(xiàn)結(jié)點(diǎn)溫度變化所帶來(lái)的測(cè)量誤差。在補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的工作溫度范圍內(nèi)，使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)對(duì)熱電偶進(jìn)行延長(zhǎng)，類(lèi)似將熱電偶的參考結(jié)點(diǎn)移到測(cè)試儀表附近，可以減小參考結(jié)點(diǎn)受測(cè)量結(jié)點(diǎn)所處溫度場(chǎng)的影響。

（2）補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)使用注意事項(xiàng)

使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)常規(guī)遇到的問(wèn)題點(diǎn)包括：（a）補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)極性接反；（b）補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶分度號(hào)不對(duì)應(yīng)；（c）抗干擾處理。這三點(diǎn)錯(cuò)誤是可以在設(shè)計(jì)使用中予以避免的。在實(shí)際使用中，熱電偶導(dǎo)線(xiàn)與補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)之間常常需要電連接器進(jìn)行連接，而不同的電連接器接觸處的材質(zhì)與熱電偶或補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)不同，由于這個(gè)原因會(huì)引入誤差。繼電器作為電路中的開(kāi)關(guān)電器在熱電偶測(cè)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(huì)對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試偏差和測(cè)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(kāi)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(xiàn)圈、磁路、反力彈簧和觸點(diǎn)。線(xiàn)圈的用途在于其通電后產(chǎn)生的電磁吸力能夠帶動(dòng)磁路的銜鐵吸合，并使得觸點(diǎn)產(chǎn)生變位動(dòng)作。

反力彈簧的作用就是為銜鐵提供與動(dòng)作方向相反的斥力，當(dāng)線(xiàn)圈斷電后能幫助銜鐵和觸點(diǎn)復(fù)位。觸點(diǎn)由常閉觸點(diǎn)和常開(kāi)觸點(diǎn)構(gòu)成，用于對(duì)外執(zhí)行控制輸出。線(xiàn)圈的電路接通后，常閉觸點(diǎn)打開(kāi)而常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，線(xiàn)圈斷電釋放后，常閉觸點(diǎn)和常開(kāi)觸點(diǎn)均復(fù)位為初始狀態(tài)，常開(kāi)觸點(diǎn)打開(kāi)而常閉觸點(diǎn)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(diǎn)是繼電器功能實(shí)現(xiàn)最重要的部分，電磁繼電器觸點(diǎn)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(dāng)電磁繼電器出現(xiàn)劣化或者故障時(shí)，接觸電阻值會(huì)增加到幾百至上千歐，嚴(yán)重時(shí)完全不通[2]。

接觸電阻是繼電器的關(guān)鍵參數(shù)之一，會(huì)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(jí)，從而更好發(fā)揮回路中通斷的作用[3]。

2 熱電偶溫度測(cè)量回路中電磁繼電器的使用影響

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

2.1 熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)問(wèn)題表現(xiàn)

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

圖3 熱電偶測(cè)試回路設(shè)計(jì)

回路中選用三個(gè)繼電器CRS、CRSA、CRSB用于切換測(cè)試回路，實(shí)現(xiàn)在四個(gè)熱電偶傳感器不同時(shí)間段分別進(jìn)行溫度測(cè)試的需求。設(shè)備經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，對(duì)溫度測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)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(cè)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(cè)量的特點(diǎn)及補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)使用，分別對(duì)影響檢測(cè)結(jié)果的幾個(gè)方面進(jìn)行調(diào)查，排除儀表精度、補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)極性接反、補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶分度號(hào)不對(duì)應(yīng)、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(yīng)用于各類(lèi)控制工作電路中。該款繼電器的說(shuō)明資料顯示，其電阻值在100 mΩ以下。

電磁繼電器在使用過(guò)程中會(huì)多次通斷，通斷回?cái)?shù)是否會(huì)對(duì)電磁力和彈簧機(jī)械反力造成影響，從而影響觸點(diǎn)間的接觸電阻，繼而影響到熱電偶測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試精度，需要我們通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 建立一套繼電器通斷壽命運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)

為確認(rèn)繼電器長(zhǎng)期通斷運(yùn)轉(zhuǎn)后觸點(diǎn)接觸電阻的變化，及接觸電阻變化對(duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)造成的影響，搭建一套自動(dòng)通斷的繼電器通斷動(dòng)作壽命試驗(yàn)系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)包括：24 V供電電源、ON/OFF時(shí)間設(shè)定器、通斷電控制繼電器、回?cái)?shù)計(jì)，以及可以同時(shí)對(duì)7個(gè)繼電器進(jìn)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(cè)系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)由接觸電阻測(cè)試用的HIOKI3540微電阻儀、提供計(jì)量級(jí)穩(wěn)定熱源的FLUKE 9142干式溫度校驗(yàn)儀、橫河MV1000多點(diǎn)無(wú)紙記錄儀組成。

3.1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

7個(gè)樣品，以通斷電2000回為一個(gè)周期進(jìn)行量測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)包括熱電偶測(cè)量系統(tǒng)的溫度顯示值，每個(gè)繼電器的常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)在閉合后的接觸電阻值。

干體式溫度校驗(yàn)器設(shè)置為60℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度，無(wú)紙記錄儀記錄各通道溫度示值。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

在繼電器通斷壽命運(yùn)轉(zhuǎn)檢測(cè)過(guò)程中，每隔2000回通斷記錄一次。分別記錄7個(gè)電磁繼電器的各個(gè)觸點(diǎn)的接觸電阻。同時(shí)記錄各個(gè)配置不同繼電器型式的測(cè)量系統(tǒng)的溫度值。

由于在實(shí)際使用中1年的通斷回?cái)?shù)不會(huì)超過(guò)4000次，本次試驗(yàn)按照10年的使用壽命，通斷回?cái)?shù)40000次作為最后的通斷目標(biāo)次數(shù)進(jìn)行記錄。

根據(jù)上述說(shuō)明記錄的數(shù)據(jù)，進(jìn)行如下分析。

3.2.1 接觸電阻

在繼電器通斷壽命運(yùn)轉(zhuǎn)檢測(cè)過(guò)程中，記錄各個(gè)繼電器的常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)的接觸電阻值。數(shù)據(jù)顯示新品繼電器經(jīng)過(guò)2000回通斷壽命后，陸續(xù)表現(xiàn)為常閉觸點(diǎn)的接觸電阻的穩(wěn)定性變差，波動(dòng)大，且沒(méi)有明顯的規(guī)律性。統(tǒng)計(jì)過(guò)程中的全部常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)在閉合時(shí)的接觸電阻，平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)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(kāi)端子閉合的不同接觸電阻

圖5 常閉/常開(kāi)觸點(diǎn)接觸電阻異

從圖5可以看出，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期通斷電壽命運(yùn)轉(zhuǎn)，繼電器的常閉端子閉合時(shí)接觸電阻的平均值遠(yuǎn)大于常開(kāi)端子閉合時(shí)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(kāi)端子的接觸電阻相對(duì)穩(wěn)定，基本保持了新品時(shí)的狀態(tài)，偶爾有略大的情況。長(zhǎng)期通斷運(yùn)轉(zhuǎn)后兩種類(lèi)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(cè)量系統(tǒng)的溫度顯示值。

干體式溫度校驗(yàn)器設(shè)置為60℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度。從表3溫度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)）出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)波動(dòng)。在測(cè)量記錄過(guò)程中6#繼電器開(kāi)停18000回后，6#繼電器的2個(gè)常閉端子接入的熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，造成通道9的測(cè)量系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)量周期中與標(biāo)準(zhǔn)60℃偏差達(dá)到-2.7℃，由于數(shù)據(jù)波動(dòng)巨大，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差也達(dá)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(wú)法進(jìn)行正常測(cè)試。其現(xiàn)象同樣表現(xiàn)為通道9測(cè)量系統(tǒng)中接入的6#繼電器的2個(gè)常開(kāi)通道的接觸電阻數(shù)據(jù)，在周期量測(cè)后期同步表現(xiàn)出異常波動(dòng)的現(xiàn)象，狀態(tài)顯示出異常不穩(wěn)定的變化，從而嚴(yán)重影響回路中溫度的測(cè)量。

表3 各通道溫度平均值、與標(biāo)準(zhǔn)值偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差單位：℃

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

表4 統(tǒng)計(jì)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(cè)量平均值偏差和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差在不同型式的測(cè)量系統(tǒng)均有不同的體現(xiàn)。測(cè)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(gè)繼電器的常開(kāi)端子，再次為接入1個(gè)繼電器的常閉端子，最差的是2個(gè)繼電器接入的情況。

圖6 測(cè)量系統(tǒng)不同繼電器接入狀態(tài)溫度示值差異比對(duì)

3.2.3 溫度穩(wěn)定情況

在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期壽命開(kāi)停運(yùn)轉(zhuǎn)后，不同類(lèi)型的測(cè)量系統(tǒng)表現(xiàn)出類(lèi)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(cè)量溫度數(shù)據(jù)變化，隨著測(cè)量時(shí)間加長(zhǎng)，溫度測(cè)量系統(tǒng)的顯示值變化如圖7所示。

干體式溫度校驗(yàn)器設(shè)置為60℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度，從圖7可以看出2個(gè)繼電器加入溫度測(cè)量系統(tǒng)，在常開(kāi)/常閉觸點(diǎn)閉合的不同組合情況下，實(shí)測(cè)溫度顯示值隨著時(shí)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(gè)繼電器常閉觸點(diǎn)閉合接入溫度測(cè)量系統(tǒng)，隨著閉合時(shí)間的推移溫度逐步穩(wěn)定，可以在10分鐘后逐步到達(dá)60℃，但是穩(wěn)定的時(shí)間非常長(zhǎng)；1個(gè)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合接入溫度測(cè)量系統(tǒng)，溫度在較短時(shí)間即到達(dá)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(dá)到穩(wěn)定的60℃。

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

3.3 測(cè)量不確定度評(píng)估及比較

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

3.3.1 測(cè)量不確定度評(píng)估[7]

（1）標(biāo)準(zhǔn)不確定度[5]

測(cè)量重復(fù)性u(píng)1；

MV1000無(wú)紙記錄儀的校準(zhǔn)u2；

熱電偶的檢定u3[6]；

干體式溫度校驗(yàn)器的校準(zhǔn)u4；

熱電偶的固定u5。

（2）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

（3）擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度

取k=2計(jì)算擴(kuò)展不確定度：

3.3.2 測(cè)量不確定度評(píng)估結(jié)果及對(duì)比

評(píng)估幾種繼電器接入的熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)的不確定度（去除發(fā)生異常的6#繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)），評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表5、圖8。

表5 各個(gè)測(cè)量系統(tǒng)不確定度評(píng)估單位：℃

圖8不確定評(píng)估的結(jié)果顯示，熱電偶測(cè)量系統(tǒng)中接入一個(gè)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)與未接入繼電器的回路不確定度的表現(xiàn)差異不大，測(cè)量不確定度基本在1℃以?xún)?nèi)；熱電偶測(cè)量系統(tǒng)中接入一個(gè)繼電器的常閉觸點(diǎn)測(cè)量不確定度有明顯增加，測(cè)量不確定度在1℃～1.5℃；熱電偶測(cè)量系統(tǒng)中接入兩個(gè)繼電器的不同觸點(diǎn)組合，對(duì)不確定度會(huì)產(chǎn)生不一樣的影響，影響程度將進(jìn)一步增加，測(cè)量不確定度為1.3℃～2.3℃。

圖8 各個(gè)測(cè)量系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度比對(duì)

4 結(jié)論

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

（1）本文研究的這一類(lèi)型的微型功率電子繼電器常閉觸點(diǎn)和常開(kāi)觸點(diǎn)隨著通斷回?cái)?shù)的增加，觸點(diǎn)接觸電阻變化趨勢(shì)有明顯差異，常開(kāi)觸點(diǎn)接觸電阻的穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于常閉觸點(diǎn)。

（2）研究分析的這類(lèi)常用電子繼電器常閉觸點(diǎn)在繼電器使用壽命4萬(wàn)次的過(guò)程中失效的風(fēng)險(xiǎn)高于常開(kāi)觸點(diǎn)，失效后的繼電器會(huì)出現(xiàn)接觸電阻的極大波動(dòng)變化。在熱電偶測(cè)量系統(tǒng)接入常閉觸點(diǎn)進(jìn)行回路通斷時(shí)需謹(jǐn)慎選擇使用。

（3）由于電子繼電器的常閉觸點(diǎn)和常開(kāi)觸點(diǎn)接觸電阻在長(zhǎng)期通斷壽命后的不同表現(xiàn)狀態(tài)，熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)中繼電器的增加會(huì)影響到熱電偶測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試精度，隨著增加的觸點(diǎn)增多，精度的影響范圍擴(kuò)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?jī)?yōu)異程度：

最優(yōu)：測(cè)量系統(tǒng)中無(wú)繼電器接入，不確定度U＜1℃；

次之：測(cè)量系統(tǒng)中接入1個(gè)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)，不確定度U＜1℃；

再次之：測(cè)量系統(tǒng)中接入1個(gè)繼電器常閉觸點(diǎn)，1℃＜不確定度U＜1.5℃；

最差：測(cè)量系統(tǒng)中接入2個(gè)繼電器的不同觸點(diǎn)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(cè)試回路中做如下設(shè)計(jì)：

熱電偶延長(zhǎng)線(xiàn)直接接入測(cè)量?jī)x器，回路中盡量不增加繼電器切換；

如基于測(cè)量電路的設(shè)計(jì)考慮必需使用繼電器的情況下，僅使用一個(gè)繼電器對(duì)應(yīng)切換，且僅使用繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)作為熱電偶切換；

在使用過(guò)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(cè)量繼電器觸點(diǎn)的接觸電阻，隨時(shí)進(jìn)行期間更新，避免測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差；

定期對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，使用修正因子對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

（5）本文研究結(jié)論后，調(diào)整了壓縮機(jī)測(cè)試負(fù)荷設(shè)備的熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為滿(mǎn)足分別測(cè)試需求保留切換用繼電器，但更改為僅接入一個(gè)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)作為切換。

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