维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年４月 第己巨卷第４期 日 皿 度继电器温度特性检测 梁银海刘勤勤鲁昌华石洪源殷俊 （合肥工业大学计算机与信息学院 合肥２３０００９） 摘要：本文介绍了温度继电器自动测试系统的设计，此系统由温控箱、开关量检测电路、温度控制电路、接口电路及工控机 等硬件组成。分析了信号测量、信号处理、温控箱的温度ＰＩＤ控制方法，介绍了动作温度、回复温度的测量结果，给出了系统 的升温、降温过程的测试参数软件构成。最后讨论了本系统的误差来源。 关键词：温度继电器；ＰＩＤ控制；温度测量；误差 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｌａｙ Ｌｉａｎｇ Ｙｉｎｈａｉ Ｌｉｕ Ｑｉｎｑｉｎ Ｌｕ Ｃｈａｎｇｈｕａ Ｓｈｉ Ｈｏｎｇｙｕａｎ Ｙｉｎ Ｊｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｅｍ— ｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｌａｙ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔａｎｋ，ｓｗｉｔｃｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｖｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄ ＳＯ Ｏｉｌ．Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｕｒｓｅ，ｓｉｎｇｌｅ ｇｅｔｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｉｎｇｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｒｅｓｅｔｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｎｄｅｄ ｕｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｌａｙ；ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｅｒｒｏｒ ０引 言 温度继电器是一种对温度敏感的热保护元件，它将传 感器部分和执行装置集中于一体，当周围的温度过高时， 可以使继电器触电迅速断开，从而在电路中起保护作用， 它被广泛用于控制器、变压器、电动机和各种发热电路的 保护回路中。其动作温度、回复温度是衡量产品性能的主 要指标。加快温度继电器自动测试系统研制，实现器件一 次安装测量多只温度继电器，检测动作温度和回复温度并 按照一定的标称值和误差范围进行功能分类，对该类产品 迅速占领市场具有重要意义。 区 匦 圃ＩＩ啐 囹商匝幸 匾 圃 图１系缔硒件结构设计方案 制方式，制冷量采用制冷压缩机实现。 １．１温度信号采集 （１）传感器部分 １ 系统硬件结构设计方案 系统硬件结构设计框图如图１所示。本结构设置了２ 热电式传感器常见的有热电偶和热电阻，由于热电偶 需冷端补偿，故常采用热电阻传感器。考虑到本系统为动 态测量，要求精度高、响应速度快、空间有限等，故选用铂 套测温系统，采用北京华北顺通科技有限公司提供的华北 工控主机（ＮＯＲＣＯ）分别对２个恒温槽的恒温块和液槽进 行实时测量与控制，恒温块采用四点对称测温平均法，液 槽温度测量采用单点测量。 恒温控制的加热电路采用双向可控硅的过零触发控 电阻ＰＴｌＯＯ。该种传感器体积小，精度高，线性度好，抗氧 化能力强，响应速度快，使用寿命长。 如图２所示，为消除连线电阻引起的误差，采用电桥 的三线制测量电路，其中ｎ６间接精密基准电压源ＡＤ５８１， 作者简介：梁银海（１９８３一），男，硕士，主要研究方向为信号检测与处理。 一５３— 维普资讯 http://www.cqvip.com 图２采样原理图 当工作温度范围为－－２０～＋１８５。Ｃ时，ＰＴ１００电阻对 应的电桥输出范围为Ｏ～３４ ｍＶ，由于使用的ＰＣ接１２１ 的模拟量输入范围为０～５ Ｖ，为充分利用模数转换的分 辨率，则后续的放大及滤波电路的总放大倍数Ｋ一 （５ ０００／３４）一１４７．０６ （２）信号放大滤波电路设计 电桥输出的电压信号需经放大滤波后送人Ａ／Ｄ转换 器，为保证系统的精度和可靠性，选用单片集成放大器 ＴＬＯ８４ＣＮ，电路如图３所示。 Ｖｃｅ＋ ＴＬ０８４，ＴＬ０８４Ａ，ＴＬ０８４Ｂ １ＩＮ＋ Ｄ，Ｊ，Ｎ，ｐＷ，ＯＲＷＰＡＣＫＡＧＥ （ＴＯＰＶＩＥｗ）ｌｌＮ一 １ＯＵＴ ４０Ｌｒｒ １ＩＮ一 ４ＩＮ一 ２ＯＵＴ １ＩＮ＋ ４ＩＮ＋ ３１Ｎ Ｖｃｃ＋ ＶＯｃ一 ２ＩＮ＋ ３ＩＮ＋ ３ＩＮ一 ２ＩＮ一 ３ＩＮ一 ２ＯＵＴ ３ＯＵＴ ４ＯＵＴ 图３ ＴＬ０８４ＣＮ结构图 ＴＬ０８４ＣＮ是一场效应管四输入运算放大器，主要作 用是带通滤波和前级放大，具备低功耗、高精度等优点。 本次系统需要分别采集低温槽和高温槽的８路温度 信号，经过综合比较，最终选用Ｋ－８０４ １６路热电阻调理 板，其主要特性如下所述： （１）Ｋ一８０４板是热电阻调理板，板上有１６路热电阻信 号调理放大电路和有源滤波电路，使用方便，抗干扰能 力强； （２）Ｋ一８０４板上每路信号独立放大，用户可在一块板 上测量不同温度范围的热电阻，非常适用于工业现场对各 种热电阻测温系统的信号处理。 其１６路通道的前８路作为低温槽中３２路继电器的 温度检测，后８路作为高温槽中的３２路继电器的温度检 测。其每一通道对应４路继电器的温度检测。 （３）Ａ／Ｄ转换及脉冲计数电路设计 整个实验系统需分别检测高温槽和低温槽３２个继电 器的动作温度和回复温度，被检测的３２个被分为８路，每 一路检测４个继电器的温度值，则高低温槽共需要１６路 Ａ／Ｄ转换输入端。同时考虑到每次检测３２个继电器需 ２００７年４月 第２Ｂ卷第４期 要３２路计数器，故选用ＰＣ一７４２６的１２位１６路Ａ／Ｄ、９路 光隔离脉冲计数／定时中断板和ＰＣ－７６０６，其是２４路１６位 可编程脉冲计数器板。 ＰＣ－７４２６板上有１２位１６路Ａ／Ｄ输入、９路光隔定时 计数器。以中断或查询方式工作，占用连续１６个Ｉ／ｏ地 址，地址在１００￣３ＦＯＨ任选。Ａ／Ｄ转换芯片采用高性能 ＡＤ１６７４。Ａ／Ｄ输入信号具有硬件增益放大功能。９路定 时脉冲计数是由３片８２Ｃ５３完成的，其中第１片８２５３具 有定时产生中断的功能，脉冲信号与８２５３之间有光电隔 离芯片，符合ＩＳＡ总线标准。Ａ／Ｄ和脉冲信号由３７Ｄ型 头接人。 计数器的前８路通道由ＰＣ－７４２６的９路光隔离定时 计数器提供，其１６路Ａ／Ｄ通道的前８路作为低温槽中３２ 路继电器的温度检测，后８路作为高温槽中的３２路继电 器的温度检测。其每一通道对应４路继电器的温度检测， 前８路计数器通道地址和控制字地址从３１４Ｈ￣３１ＦＨ。 ＰＣ－７６０６主体功能部分是由８片８２５３组成的，具有 ２４个独立的计数器，输入信号经过光电隔离器件、施密特 电路整形后送人８２５３计数器。ＣＰＵ通过对８２５３操作，即 可得到当前各路脉冲信号的脉冲数。由２５芯Ｄ型孔头接 人。 ＰＣ－７６０６提供３２路计数通道中的２４位，从通道９至 通道３２，计数的前８路通道由ＰＣ－７４２６提供，其通道地址 和控制字地址从２２０Ｈ￣２３ＦＨ。 １．２温度控制 （１）温控箱的设计 本系统要求使用范围为一２Ｏ～＋１８０℃，被测试的每 一批温度继电器的标称动作温度和回复温度总是在某一 段范围内，同时考虑使用的方便、安全性及成本，把整个使 用范围分为２个温度段，在各温度段内使用相应的温度场 介质，保证系统在各温度段内有稳定相似的特性：①一２Ｏ～ ＋５Ｏ。Ｃ为酒精和水的混合溶液；②５０￣１８０℃为重油。 （２）加热电路设计 在实际使用过程中，为保证控温速度不超过 ０．５５℃／ｒａｉｎ，考虑到各种可能出现的误差，所以设定控温 速度为０．３０℃／ｒａｉｎ。 在升温测试中，为了加快系统的响应速度，同时为了 让温度场在±２．８。Ｃ范围内以０．３０。Ｃ／ｒａｉｎ的速度稳定的 运行，必须对加热器的功率进行控制。采用过零触发，其 控制电路如图４所示。此种控制电路较简单，只要控制输 出的控制脉冲的占空比即可实现双向可控硅的导通时间 比，以及对负载功率的控制。 该触发方式用开关量通道的输出信号经光电耦合器 直接控制双向可控硅的门极，从而控制电热丝的平均加热 功率，使电路输出通道避免使用Ａ／Ｄ转换器和可控硅的 移相触发电路，简化了硬件设计。此外，可控硅工作在过 零触发状态，提高了设备的功率因素，减小了对其他设备 的干扰。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２ＵＵ７年 月 第己５卷第４期 图４温度控制电路 结合以上特性，最终选用苏州工业园区天和仪器有限 公司的ＣＴＭ系列智能测控仪ＴＧＤＷＪ￣１００。 ＣＴＭ系列主要包括单回路测控仪、双回路测控仪、多 段程控ＰＩＤ调节仪、ＣＴＭ－Ｍ热流道、热浇道专用ＰＩＤ调 节仪、多回路巡检仪等多个细分产品系列。 本次实验选用ＰＴ１００热电阻输入，电压脉冲（ＳＳＲ）输 出，用于控制固态继电器。 温度调节采用ＰＩＤ控制『４］，由于无法确定实验对象的 数学模型，需要通过实验方法来调节。 （３）制冷电路设计 制冷机采用普通的开关式控制，同时控制加热器的功 率，以两者的综合作用获得实际需要的制冷功率。此种工 作方式的优点是电路结构简单，制冷机打开后，只需控制 加热器的功率即可实现降温控制，有利于简化控制算法和 程序，且成本低、设计方便。 ２系统温度控制曲线 温度控制曲线『５ 如图５所示，丁Ａ、 分别表示待测温 度继电器的动作温度、回复温度的标称值 分别表示待 测温度继电器动作温度、回复温度的允许误差；同时由于 检测系统要求在测温点附近±２．８℃时，温度变化率不超 过０．５５ Ｃ／ｍｉｎ，因而在 、 的基础上加减２．８。 ＋ ２．８ ２ ８ ＋ ２．８ ＋ ２．８ ２ ８ ： ；： ：：：：；：：： ： Ｔ：： ：７＿— ８ ÷一一一一 一一一 一一～一一 书一２ ８ ＝＝＝ ： ＝＝＝＝＝＝：： ８ 图５高低温控制曲线 实验系统温度控制分为高温槽和低温槽两大部分，分 别对应不同的温控曲线，在高 不同的阶段执行相应的控制： （１）［Ｓｖ ，Ｓｖ。］：该时间段 控制，要求温度上升的速率小于０．５５￣Ｃ／ｍｉｎ； （２）［Ｓｖ ，Ｓｖ３］段中上升期：位于动作温度误差限以 内，处于温度上升阶段，要求温度上升的速率小于 ０．３５℃／ｒａｉｎ，该阶段采用ＰＩＤ控制； （３）［ｓ ，Ｓｖ４］段中下降期：处于温度降低过程，要求 温度上升的速率小于０．５５℃／ｍｉｎ； （４）［ｓ ，Ｓｍ］段中下降期：在复位温度的误差限以内， 利用ＰＤ控制，保证温度下降的速率小于０．３５￣Ｃ／￣ｎ。 低温槽采用类似的温度控制达到相应的控制目的。 表１为测试的５组继电器的动作温度、回复温度、升 降温时间。 表１ ５组测试参数 其中，Ｔ 为动作温度、丁２为回复温度，ｓ 为设定的目 标温度值，丁ｒ为上升或下降时间， 为保持时间。ＰＩＤ参 数设置为Ｐ一２２、 一１８０、Ｄ一４５。 ３结论 本文主要采用集成模块式结构，即尽量用集成的模拟 量输入、输出模板和开关量输入、输出模块以及职能温控 仪来实现系统的各种测量、转换、接口电路等功能，从而简 化系统设计，提高系统的稳定性。从对几组动作温度、回 复温度的检测，分析其数据，基本能满足指定的设计要求。 参考文献 ［１］黄继昌，徐巧鱼，张海贵，等．传感器工作原理及应用实例 ［＾ ．北京：北京航空航天大学出版社，２ＯｏＯ．（下转第７３页） ５５— 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７￣月 第己５卷第４期 大电流电阻作为被 电压表和标准电流 而得出被测电阻的 ２５ Ａ时的测试数据如表２所示，接地电阻测量误差 ≤±２ 。 表２接地电阻功能测试结果 ５结论 该绝缘电阻、接地电阻测试系统设计符合ＩＥＣ６１０１０ 标准；通过实验表明，工作稳定，测试精确度高，能实现测 量、控制、显示一体化，并且可以自主设置参数和报警点； 绝缘电阻测试和接地电阻测试通过软件就可以实现功能 切换，方便进行电器安全检测。 参考文献 ［１］Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＥＣ６１０１０—１（２００１—２）．Ｓａｆｅｔｙ Ｒｅ— ｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， 图５绝缘电阻测试软件流程图 进行直接比对的方法进行测试。部分测试数据如表１所 示，绝缘电阻测试误差≤±１ 。 Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｕｓｅ－Ｐａｒｔ １［Ｓ］． ［２］沙占友，李学芝，邱凯．新型数字电压表原理与应用 ｌ－Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９５． ［３］李映辉．霍尔电流传感器在智能仪表电气参数测试中应 表１绝缘电阻功能测试结果标准电阻０．０１ 显示值ＭＱ １００ １ ０００ ９９６ 用Ｉ－Ｊ］．计量测试（增刊），２００１． ０．１ １ １０ ［４］杨旭，裴云庆，王兆安．开关电源技术ｌ－Ｍ］．北京：机械 工业出版社，２００４． ｏ．０１０ １０ ０．０９９ ２ ｏ．９９７ １０．０４ ９９．８ Ｉ－５］徐爱卿．ＩＮＴＥＬ１６位单片机ｌ－Ｍ］．北京：北京航空航天 接地电阻测试功能，采用标准电压表、标准电流表以 及大电流电阻，通过问接方法进行测试，即用不同阻值的 大学出版社，２００２． 术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术术爿ｃ术术术术木术术术术术术术 （上接第５５页） ［２］ｈｔｔｐ：／／ ｃｈｕａｎｄｏｎｇ．ｃｎ／ｔｅｃｈ／ｔｅｃｈ—ｄｏｗｎａｓｐ？Ｄａ一 ［４］邹伯敏．自动控制理论ｌ－Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００１：２６１—２６７． ｔａＩＤ＝６８９３［－Ｚ］． ［３］吴秀清，周荷琴．微型计算机原理与接ＶＩ技术［Ｍ］．合肥： 中国科技大学出版社，２００３，３２０—３３０． Ｉ－５］汪瑁．基于８９Ｃ５２的固体温度继电器检测系统［Ｚ］． 一７３—