基于四線制的繼電器盒檢測設(shè)備應(yīng)急研制

劉少波

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

本文源于繼電器盒檢測設(shè)備在一周內(nèi)完成了應(yīng)急研制，并經(jīng)過內(nèi)外場幾百件繼電器盒的檢測結(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、使用過程中失效概率較高、失效后導(dǎo)致的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)較大等問題，以繼電器為主體的繼電器盒類產(chǎn)品的日常測試、維修已經(jīng)普及。繼電器盒現(xiàn)行測試方法中，人工檢測方法效率低、時(shí)間長、強(qiáng)度大且易出錯(cuò)；內(nèi)場自動(dòng)檢測設(shè)備檢測項(xiàng)目暫缺少繼電器接觸電阻等深度檢測要求，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應(yīng)急普查要求后，急需研制一臺(tái)繼電器盒檢測設(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，其中，為滿足繼電器觸點(diǎn)的接觸電阻、內(nèi)部線路通斷電阻等性能測量要求，需要研究四線制電阻測量方法的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電阻等性能指標(biāo)的精確測量。

1 需求和資源分析

繼電器盒外場檢測設(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)通等功能和性能測試。

要求檢測設(shè)備做到“五夠”：（1）檢測數(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）檢測電纜夠長。為滿足繼電器盒在原位測試要求，減少產(chǎn)品大批量拆裝工作量，檢測電纜長度不小于4.5m；（3）檢測時(shí)間夠短。單件產(chǎn)品檢測和記錄數(shù)據(jù)的平均時(shí)間不超過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，便于外場排故后的針對(duì)性快速復(fù)查；（5）檢測設(shè)備夠輕。檢測設(shè)備要求便攜、使用方便。

綜合檢測設(shè)備研制周期極短、外場要求檢測可靠性高等因素，決定研制一套繼電器盒手動(dòng)檢測設(shè)備。通過測試需求分析，四線制電阻測量方法能解決電阻測試精度高的要求，且測試阻值不受電纜長度干擾；繼電器觸點(diǎn)接觸電阻通過兩種四線制測量模式實(shí)現(xiàn)，一種是直接測量的基本模式，一種是切換波段開關(guān)測量的快檢模式，兩者測試效果完全相同，但后者將大大縮小檢測時(shí)間；測試面板對(duì)繼電器盒內(nèi)部的被測元器件全部進(jìn)行可視化布局設(shè)計(jì)，測試結(jié)果所見即所得。因此，測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 四線制測量電阻原理

四線制測量電阻連接方式如圖1所示。電流源線（Source Hi-Ho）向被測電阻輸入測試電流，回采信號(hào)線（Sense Hi-Ho）測量被測電阻兩端的電壓，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測量被測電阻R兩端電壓VR。因?yàn)殡妷罕淼膬?nèi)阻非常大，與被測電阻存在數(shù)量級(jí)的差別，使得流過信號(hào)線的電流I1極小，近似為零，因此，電壓表輸入壓降Vm無限接近被測電阻的壓降VR，所以，四線法測得的電阻值非常接近真實(shí)值。另外，采用四線制測量電阻時(shí)可排除導(dǎo)線電阻和探針以及測試點(diǎn)之間的接觸電阻Rs，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖1 四線制測量電阻原理圖

3 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 四線制測量電阻方法的實(shí)現(xiàn)原理

當(dāng)前，涉及繼電器盒接觸電阻精確測試的應(yīng)用案例很少，少量文獻(xiàn)介紹了四線制測量電阻的原理，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，測試系統(tǒng)采用了雙余度四線制電阻測量方法。以繼電器盒內(nèi)最多的繼電器為例，首先，手工直連測量模式，將繼電器的被測觸點(diǎn)用四根線連接到數(shù)字萬用表的四線制電阻測量端子，繼電器線圈的正負(fù)端子連接到直流電壓表，測完一組數(shù)據(jù)切換一次四線制連接導(dǎo)線。其次，切換波段開關(guān)測量模式，將被測繼電器的觸點(diǎn)端子、數(shù)字萬用表的測試端子，按四線制接入切換波段開關(guān)，輔助按壓繼電器線圈的供電切換按鈕，通過切換波段開關(guān)實(shí)現(xiàn)電阻的快速測量。這樣，針對(duì)不同的被測對(duì)象，根據(jù)測試項(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)測試對(duì)信號(hào)切換開關(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)為測試面板，機(jī)箱箱體設(shè)計(jì)為數(shù)字萬用表、直流電壓源及測試線纜的收納空間?？傮w結(jié)構(gòu)和切換波段開關(guān)測試架構(gòu)框圖如圖2、圖3所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 切換波段開關(guān)測試架構(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)及測試電纜設(shè)計(jì)等，主要有：

①數(shù)字萬用表選型。選用是德科技的34461A 6 ?位，Truevolt 數(shù)字萬用表，同時(shí)滿足繼電器盒四線電阻、二線電壓和電容等相關(guān)指標(biāo)的測量要求。

②直流電壓源選型。選用固緯的PFR-100L無風(fēng)扇多量程直流電源，滿足額定輸出電壓（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)。測試面板對(duì)繼電器盒內(nèi)部的被測元器件全部進(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)品測試的量線表，測試結(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)部被測元器件的測試點(diǎn)以及線路標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)在面板上方，主要通過四線制連接方式，與面板左下方的產(chǎn)品測試插座直接連接。

雙余度快檢設(shè)計(jì)。如圖4所示，在面板下方縱向?qū)ΨQ軸左側(cè)，電阻檢測端子V+、V-、I+、I-按四線制用導(dǎo)線接至切換波段開關(guān)的公共端，波段開關(guān)的另一端通過四線制連接方式，接至面板左下方的產(chǎn)品測試插座；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根測試導(dǎo)線按圖3一次性連接至數(shù)字萬用表、直流電壓源后，只需通過切換選擇開關(guān)，即可完成所有繼電器觸點(diǎn)接觸電阻的快速測量。

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)字萬用表、直流電源以及測試電纜的尺寸情況，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連接器選型和測試電纜設(shè)計(jì)。檢測設(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

測試電纜為兩套電纜，分別用于幾種繼電器盒的檢測。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)上原位測試的需求確認(rèn)測試電纜的長度為5m。

4 試驗(yàn)測試

經(jīng)過外場幾百件繼電器盒的檢測結(jié)果驗(yàn)證，本檢測設(shè)備體積小、重量輕，方便外場攜帶；電阻測量方式為四線制，相對(duì)二線制的測試精度高；操作采用了旋鈕式轉(zhuǎn)換開關(guān)，不需要反復(fù)切換硬件轉(zhuǎn)接端子，測試效率高；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，測試效果達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。繼電器盒部分測試項(xiàng)目及結(jié)果見表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)場測試過程中發(fā)生過幾次故障，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試孔的緊固背帽松動(dòng)等，造成了測試進(jìn)程的臨時(shí)中斷，但故障排查相對(duì)自動(dòng)檢測設(shè)備就方便快捷得多。研制外場檢測類設(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 繼電器盒部分測試項(xiàng)目及結(jié)果

5 結(jié)語

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