便攜式JSDXC-1700型動態繼電器檢測儀的研究與開發

劉舉平,余為清

（華東交通大學機電工程學院,江西南昌 330013）

繼電器是鐵路信號設備的重要器件,在鐵路信號的自動控制和遠程控制系統中,繼電器的用量很大,用它可構成邏輯電路或作為執行元件,直接監控列車的運行。動態繼電器是一類故障—安全型繼電器,是鐵路微機聯鎖控制的核心器件。從發展趨勢看,計算機聯鎖設備將會大量上道使用。由于動態繼電器既有機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別,以下統稱JSDXC-1700型）繼電器屬新型動態繼電器。目前,我國動態繼電器檢測設備以檢測臺為主,這種設備體積大,自動化程度較低。為實現現場對JSDXC-1700型繼電器進行檢修,利用自動測量技術以及計算機數據處理技術代替手工檢修、測量和管理的模式,設計了一種全自動、便于攜帶的繼電器檢測儀器,有助于提高電務部門的檢測效率與管理水平。

1 JSDXC-1700型動態繼電器的工作原理

JSDXC-1700動態繼電器的基本工作原理如圖1所示。

圖1中將JSDXC-1700動態繼電器的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沒有觸發信號而截止。當51腳入動態正脈沖時,光控三極管（TLL113）導通,電容器C1通過TLL113,R2,D3對C3充電,經幾個脈沖的作用,當C3兩端電壓足以觸發光控晶閘管S22MD1時,光控晶閘管S22MD1導通,繼電器J吸起。動態繼電器對于驅動信號的頻率與電壓有相應的規定,當輸入側故障時可保證輸出安全。

圖1 JSDXC-1700型動態繼電器原理圖

2 動態繼電器檢測儀測量參數的工作原理

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

2.1 繼電器機械特性測試

繼電器機械特性測試主要是對繼電器接點電阻進行測試,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]。檢修規程按圖2連接進行測試。

首先將開關K1合上,調整變阻器R1,使繼電器良好吸起。然后斷開K1,閉合K2,調整變阻器R1,使之通過接點的電流值達到0.5～1 A左右,此時再閉合開關K1毫伏表上即可讀到該接點上電壓降值,利用開關K2與每組接點順序接觸,在毫伏表上則相應地讀到每組接點電壓降值。在開關K2與每組接點轉換過程中,開關K1應斷開,這樣可避免毫伏表由于過載而損壞。根據所測得的數據利用歐姆定律,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為測量導線電阻值,Ω;V為毫伏表讀數,mV;I為毫安表讀數,mA。式中測量導線電阻可利用直流電橋測試得到。

便攜式JSDXC-1700型動態繼電器檢測儀采用恒流四線法對動態繼電器的前后接點電阻進行檢測,四線法的采用降低了導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極值是否符合電氣特性要求。檢修規程測試電路如圖3所示,圖中的閘刀開關是作為轉換電源極性時用。圖中B為指示燈,指示燈應每組接點設一個。

（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K閉合,調整電源電壓至繼電器的充磁值,為了測試釋放值或轉極值,應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極值,根據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準統計[4],多數繼電器的充磁值取3倍左右的工作值。然后,逐漸降低電源電壓,當繼電器前接點和動接點剛分離時（以（b）中指示燈熄滅為準）,儀表上所測得的值,即為該繼電器的釋放值。

當測完釋放值時,繼續調整電源電壓至0,斷電1 s,再逐漸升高電源電壓,當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型動態繼電器的交流驅動電壓規定為24 V交流,為避免市電波動對測量結果造成影響,儀器采用了正弦合成的方法產生出標準的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,實現了電壓的自動連續平滑調節。

（2）線圈電阻的測試

繼電器線圈電阻是指環境溫度為20℃時線圈的直流電阻。線圈電阻的測試可以利用歐姆表,為了數據準確,一般采用電橋進行測試。測試后根據當時的環境溫度,再換算為20℃的電阻值。

2.3 動態特性測試

由于繼電器線圈是帶有鐵心的,所以它的電感量比較大。當繼電器接通電源或斷開電源時,線圈的鐵心中就產生渦流,渦流所產生的磁通與線圈所產生的磁通方向相反,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,現場對這兩個量是采用電秒表進行測量,繼電器時間特性的檢規測試如圖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行計時操作,但仍然需要對接合狀態做出判斷。

由于便攜式動態繼電器檢測儀對JSDXC-1700型動態繼電器的三特性測試是依據GB/T 6902-2001檢測規定進行,測試方法及參數合理性具有說服力。

圖4 時間特性測量原理圖

3 動態繼電器檢測儀的硬件和軟件設計

3.1 動態繼電器檢測儀的硬件設計

便攜式JSDXC-1700型動態繼電器檢測儀的總體方案框圖,如圖5所示。動態繼電器檢測儀硬件采用模塊化設計,主要由以下模塊組成:微控制器模塊、系統供電電路模塊、直流數控電壓模塊、穩幅交流輸出模塊、控制電壓發生模塊、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模塊,包括LCD顯示模塊、鍵盤模塊和串行口通信模塊。

動態繼電器檢測儀包括檢測儀主體和筆記本電腦兩部分,檢測儀主體是動態繼電器檢測儀的核心和關鍵。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、功能電路實現對動態繼電器的檢測。

圖5 便攜式JSDXC-1700型動態繼電器檢測儀硬件框圖

動態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,自動進行流程選擇。DO（數字量輸出）鎖存電路與直流電壓調整及穩幅交流電路模塊工作,獲得一個連續的數字可調的局部電壓;由控制電壓發生單元產生可調幅和調頻的方波信號,微控制器通過AD信號采集電路獲得相應電壓、溫度等物理量;利用內部定時器進行精確計時或對接點狀態做出判斷。繼電器檢測儀獲得的信息可通過LCD液晶屏進行顯示,也可以選擇利用筆記本作為交互工具。當被檢測繼電器參數不合格時,可自動進行語音報警。繼電器的測試數據可以通過串行通訊口傳送到筆記本電腦分析和存儲。

動態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 動態繼電器檢測儀軟件設計

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

圖6 系統軟件框圖

便攜式動態繼電器檢測儀需要自動測試JSDXC-1700型動態繼電器,所以首先要對JSDXC-1700型動態繼電器的各種測試所需數據（如接點位置、電氣參數、線圈電阻、測試標準等）進行統計,以16進制的形式存儲數據文件,作為測試使用的控制數據。這些數據在測試過程中可根據需要隨時更新、補充、不斷完善。

測試內容分為自動測試和精度校準（接點電阻）兩項。動態繼電器檢測儀開機后,首先進行工作模式識別,當得到啟動信號后,調入相應的硬件描述文件,而后進行自動測試或精度校準。自動測試部分又包含機械特性、電氣特性、動態特性的三特性測試模塊,以及相應的溫度檢測、數據處理等模塊,微控制器可以自動按照GB/T 6902-2001規定的測試程序進行操作。精度校準模塊,主要利用標準電阻對接點電阻測試模塊進行標定,通過自動修正SPCE061A內部Flash ROM中的參數進行軟件方式校準。精度校準模式的進入需要管理員的口令,以防止誤操作。

4 系統測試與分析

在完成動態繼電器檢測儀硬件組裝后、向檢測儀主體導入程序,對JSDXC-1700型動態繼電器進行實測調試和數據分析。

測試設備:FLUCK17B數字萬用表,Tektronix TDS1002（數字存儲示波器）,精密電阻測量儀（精度1 mΩ）,200V DC手調穩壓電源（電子工業部26研究所）。

分析方法:動態繼電器檢測儀自動測試結果,與依照《信號維護規則》規定的手動測試方法所測試結果進行對比,測試結果如表1。

表1 測試結果

從實際測試的結果看,便攜式動態繼電器檢測儀的測試精度和準確度都很高。與手動測試結果產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,而普通的檢測設備在測量電阻時,沒有進行溫度修正。另外,在測試過程中,發現即使是同一繼電器的同一組接點,每次測試的值也有變化,關于接觸電阻與操作次數的關系,很多專家都做過研究[6-10]。

5 結語

本文研究開發的動態繼電器檢測儀,體積小、重量輕,便于攜帶使用,檢測數據準確,自動化、智能化程度高,可以滿足動態繼電器現場檢測的需要。儀器試用效果良好,從而驗證了理論設計的合理性。

[1]陳幼忠,何柳鳴.動態繼電器返修超標的原因與對策[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計[D].成都:西南交通大學電氣工程學院,2003.

[4]中華人民共和國鐵道部.信號維護規則[S].北京:中國鐵道出版社,2000.

[5]薛鈞義,張彥斌,虞鶴松,等.凌陽十六位單片機原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

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

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