熱電偶溫度測量系統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。熱電偶的結構非常簡單，但是應用的理論相對復雜。采用熱電偶測量溫度的難點是如何處理信號調理的問題，正確使用熱電偶可以獲得較高的溫度測量精度，而使用不當容易出現較大的誤差。因此在熱電偶的使用中，如何對熱電偶測量系統信號調理電路進行設計需要特別予以關注。

在綜合性的檢測設備中較多選用熱電偶作為傳感器進行溫度測量。比如制冷制熱檢測領域使用的檢測設備，對于溫度的測量非常普遍，價格低廉、使用方便的熱電偶是通用的一種傳感器。熱電偶通常與延長線及顯示儀表共同組成一組測量系統，用于精確測量不同測量點的溫度值。對于新型熱電偶研制工藝以及數據采集的儀器設備，國內外均有大量的研究。部分國內外測量測試領域的公司，均有新型熱電偶測量及數據采集的研究。但是在熱電偶測量系統中增加電器元件后對測量系統精度影響方面的研究則涉獵較少。對于無需同時測量的熱電偶溫度，通常采用切換、分別測量的方式進行設計；而涉及到幾個熱電偶共用同一個溫度顯示儀表時，則需在測試回路中引入電路切換用電器元件以實現分別測量的目的。

通常使用的電路切換元件包括繼電器和接觸器。兩種電器元件本質區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作，控制回路用繼電器完成切換動作。熱電偶測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傳輸和控制電路中。觸點接觸電阻是評價繼電器輸出功能最重要的指標之一，國際上一些學者和繼電器生產廠家都對繼電器接觸電阻進行了大量的研究，此類研究涉及基礎材料和制作工藝，然而對于電子繼電器用于熱電偶測量回路的研究鮮有涉及。

本次在設計制作壓縮機的噪聲振動測試的負荷設備時，選用了若干高精度調節計，用于測量制冷系統中不同位置的溫度值。為節省費用，以及便于電器柜面板設計簡潔、易于觀測，該系統設計了兩套制冷系統，并使兩套制冷系統采用一套測量系統，對于無需同時測量的熱電偶溫度，采用切換、分別測量的方式進行設計。這樣就涉及到幾個熱電偶共用同一個溫度顯示儀表的問題，在測試回路中，需引入電路切換用電器元件以實現分別測量的目的。測量回路中增加了電磁繼電器。

在熱電偶測試回路中增加電磁繼電器，對信號調理電路的設計會產生影響，本文就該使用范疇進行調查研究，并給出一套合適的電路設計方案。

1 熱電偶測量原理和繼電器工作原理

1.1 熱電偶測量原理

熱電偶是溫度類測試儀表中常用的測溫元件，它的工作原理是兩種材質（即不同電子密度）的導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，閉合回路中會有電流產生，兩端形成電動勢（即熱電動勢），這是通常所稱的塞貝克效應。這種現象也被稱為熱電現象，電動勢表現為熱電勢，其與所測量的溫度有對應的函數關系，利用此函數關系就可量測出所需要的溫度值。

1.1.1 熱電偶參考結點補償[1]

熱電偶的實質是兩根不同材質的金屬導線A和B制成，在導線的一端有一個相連的接觸點，稱為測量結點（也被稱為熱端或工作端）。從絕緣的導線末端連接至測量儀器，C是測量儀器中兩根同樣的導線，C與A或C與B形成兩個結點稱為參考結點（也被稱為冷端或自由端），圖1所示為熱電偶測溫的原理。

圖1 熱電偶測溫原理

當測量結點所處環境溫度為tMJ，參考結點所處環境溫度為tRJ時，銅導線末端形成熱電勢E。熱電偶接入測量儀表后，測量儀表獲得的電勢E為材料A、B的兩種導線的測量結點在tMJ、tRJ兩個溫度下對應的熱電勢的差值，該值與導線C的接入無關，這就是熱電偶接入測量儀表進行溫度測量的原理——熱電偶中間導體定律。

1.1.2 補償導線的使用[1]

（1）補償導線原理

熱電偶的補償導線是一對與所配對熱電偶在特定溫度范圍具有相同溫度對應曲線的絕緣導線，用于延長熱電偶導線，接入測量儀表，補償其與熱電偶導線結點溫度變化所帶來的測量誤差。在補償導線的工作溫度范圍內，使用補償導線對熱電偶進行延長，類似將熱電偶的參考結點移到測試儀表附近，可以減小參考結點受測量結點所處溫度場的影響。

（2）補償導線使用注意事項

使用補償導線常規遇到的問題點包括：（a）補償導線極性接反；（b）補償導線與熱電偶分度號不對應；（c）抗干擾處理。這三點錯誤是可以在設計使用中予以避免的。在實際使用中，熱電偶導線與補償導線之間常常需要電連接器進行連接，而不同的電連接器接觸處的材質與熱電偶或補償導線不同，由于這個原因會引入誤差。繼電器作為電路中的開關電器在熱電偶測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對整個測量系統的測試偏差和測試精度都有較大的影響。

1.2 繼電器工作原理

1.2.1 繼電器的結構

繼電器是開關電器的一種，在控制電路中使用非常多。繼電器由四部分構成，分別是線圈、磁路、反力彈簧和觸點。線圈的用途在于其通電后產生的電磁吸力能夠帶動磁路的銜鐵吸合，并使得觸點產生變位動作。

反力彈簧的作用就是為銜鐵提供與動作方向相反的斥力，當線圈斷電后能幫助銜鐵和觸點復位。觸點由常閉觸點和常開觸點構成，用于對外執行控制輸出。線圈的電路接通后，常閉觸點打開而常開觸點閉合，線圈斷電釋放后，常閉觸點和常開觸點均復位為初始狀態，常開觸點打開而常閉觸點閉合。繼電器結構如圖2所示。

圖2 繼電器結構

1.2.2 電磁繼電器的接觸電阻

電磁繼電器的觸點是繼電器功能實現最重要的部分，電磁繼電器觸點的接觸電阻通常在幾毫歐到幾十毫歐范圍內，接觸電阻越小聯通性能越好。當電磁繼電器出現劣化或者故障時，接觸電阻值會增加到幾百至上千歐，嚴重時完全不通[2]。

接觸電阻是繼電器的關鍵參數之一，會影響到繼電器回路中相連控制的電子設備的性能穩定性和可靠性。較小及穩定的接觸電阻有利于提高繼電器的可靠性、失效等級，從而更好發揮回路中通斷的作用[3]。

2 熱電偶溫度測量回路中電磁繼電器的使用影響

本次研究使用的檢測設備為壓縮機測試用制冷負荷設備，為實現柜體工藝布局簡潔和成本節約的目的，在熱電偶溫度測量系統中增加電磁繼電器，利用電磁繼電器切換測量回路，實現用同一個儀表分別測量制冷系統中四個不同位置的溫度。

2.1 熱電偶溫度測量系統問題表現

檢測設備的熱電偶溫度測量回路如圖3所示，充分利用繼電器常閉和常開端子的通斷功能，實現分別測量的需求。

圖3 熱電偶測試回路設計

回路中選用三個繼電器CRS、CRSA、CRSB用于切換測試回路，實現在四個熱電偶傳感器不同時間段分別進行溫度測試的需求。設備經過一段時間的使用，對溫度測試系統進行系統計量，數據如表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 設備溫度測量系統數據偏差單位：℃

2.2 數據偏差調查分析

根據熱電偶測量的特點及補償導線使用，分別對影響檢測結果的幾個方面進行調查，排除儀表精度、補償導線極性接反、補償導線與熱電偶分度號不對應、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品，廣泛應用于各類控制工作電路中。該款繼電器的說明資料顯示，其電阻值在100 mΩ以下。

電磁繼電器在使用過程中會多次通斷，通斷回數是否會對電磁力和彈簧機械反力造成影響，從而影響觸點間的接觸電阻，繼而影響到熱電偶測量系統的測試精度，需要我們通過進一步的試驗進行驗證。

3 試驗設計驗證及結果分析

3.1 試驗設計

3.1.1 建立一套繼電器通斷壽命運轉系統

為確認繼電器長期通斷運轉后觸點接觸電阻的變化，及接觸電阻變化對溫度測量系統造成的影響，搭建一套自動通斷的繼電器通斷動作壽命試驗系統[4]。該系統包括：24 V供電電源、ON/OFF時間設定器、通斷電控制繼電器、回數計，以及可以同時對7個繼電器進行持續通斷電。電路圖如圖4所示。

圖4 控制回路電路圖

3.1.2 量測系統

測量系統由接觸電阻測試用的HIOKI3540微電阻儀、提供計量級穩定熱源的FLUKE 9142干式溫度校驗儀、橫河MV1000多點無紙記錄儀組成。

3.1.3 試驗設計

7個樣品，以通斷電2000回為一個周期進行量測，測試數據包括熱電偶測量系統的溫度顯示值，每個繼電器的常開和常閉觸點在閉合后的接觸電阻值。

干體式溫度校驗器設置為60℃的標準溫度，無紙記錄儀記錄各通道溫度示值。

3.2 試驗結果數據分析

在繼電器通斷壽命運轉檢測過程中，每隔2000回通斷記錄一次。分別記錄7個電磁繼電器的各個觸點的接觸電阻。同時記錄各個配置不同繼電器型式的測量系統的溫度值。

由于在實際使用中1年的通斷回數不會超過4000次，本次試驗按照10年的使用壽命，通斷回數40000次作為最后的通斷目標次數進行記錄。

根據上述說明記錄的數據，進行如下分析。

3.2.1 接觸電阻

在繼電器通斷壽命運轉檢測過程中，記錄各個繼電器的常開和常閉觸點的接觸電阻值。數據顯示新品繼電器經過2000回通斷壽命后，陸續表現為常閉觸點的接觸電阻的穩定性變差，波動大，且沒有明顯的規律性。統計過程中的全部常開和常閉觸點在閉合時的接觸電阻，平均值和標準偏差對比如表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差異極大。

表2 常閉端子閉合和常開端子閉合的不同接觸電阻

圖5 常閉/常開觸點接觸電阻異

從圖5可以看出，經過長期通斷電壽命運轉，繼電器的常閉端子閉合時接觸電阻的平均值遠大于常開端子閉合時的接觸電阻平均值，且接觸電阻呈現不穩定狀態。而常開端子的接觸電阻相對穩定，基本保持了新品時的狀態，偶爾有略大的情況。長期通斷運轉后兩種類型端子差異非常明顯。

3.2.2 溫度示值分析

每通斷2000回后記錄不同狀態溫度測量系統的溫度顯示值。

干體式溫度校驗器設置為60℃的標準溫度。從表3溫度測量系統的實測數據顯示中，可以明顯看出通道9（接入6#繼電器的常閉端子測量系統）出現明顯的數據波動。在測量記錄過程中6#繼電器開停18000回后，6#繼電器的2個常閉端子接入的熱電偶溫度測量系統出現溫度數據波動情況，造成通道9的測量系統在整個測量周期中與標準60℃偏差達到-2.7℃，由于數據波動巨大，數據的標準偏差也達到了9.8℃，呈現出非常不穩定的狀態，該通道在后期已無法進行正常測試。其現象同樣表現為通道9測量系統中接入的6#繼電器的2個常開通道的接觸電阻數據，在周期量測后期同步表現出異常波動的現象，狀態顯示出異常不穩定的變化，從而嚴重影響回路中溫度的測量。

表3 各通道溫度平均值、與標準值偏差、標準偏差單位：℃

為了比對不同測量系統的差異，去除過程中出現異常的通道9（6#繼電器常閉）溫度測量回路的數據，比對4種不同的測量系統。其中，通道1～通道4為“2個繼電器”接入的測量系統；通道5、7、11為“1個繼電器常閉端子”接入的測量系統；通道6、8、10、12為“1個繼電器常開端子”接入的測量系統；通道13為“無繼電器”接入的測量系統。數據如表4所示，比對如圖6所示。

表4 統計不同繼電器接入狀態的差異單位：℃

從圖6可以看出，顯示數據系統偏差的測量平均值偏差和顯示測量數據波動的標準偏差在不同型式的測量系統均有不同的體現。測量系統中不接入繼電器的系統設置型式為最優，次之為接入1個繼電器的常開端子，再次為接入1個繼電器的常閉端子，最差的是2個繼電器接入的情況。

圖6 測量系統不同繼電器接入狀態溫度示值差異比對

3.2.3 溫度穩定情況

在經過長期壽命開停運轉后，不同類型的測量系統表現出類似的數據顯示狀態。監控繼電器通斷電切換后的測量溫度數據變化，隨著測量時間加長，溫度測量系統的顯示值變化如圖7所示。

干體式溫度校驗器設置為60℃的標準溫度，從圖7可以看出2個繼電器加入溫度測量系統，在常開/常閉觸點閉合的不同組合情況下，實測溫度顯示值隨著時間推移，在60℃左右呈現不規律的變化，穩定情況較差；1個繼電器常閉觸點閉合接入溫度測量系統，隨著閉合時間的推移溫度逐步穩定，可以在10分鐘后逐步到達60℃，但是穩定的時間非常長；1個繼電器常開觸點閉合接入溫度測量系統，溫度在較短時間即到達穩定值60℃。而未有繼電器接入的情況，溫度數據在1 s內即可達到穩定的60℃。

圖7 測量系統不同繼電器接入狀態溫度穩定情況比對

3.3 測量不確定度評估及比較

參考CNAS-GL007-2020電器領域測量不確定度的評估指南，附錄A：（資料性附錄）電器域測量不確定度案例，A1溫度（熱電偶法）不確定度評估的指導方法進行本次測量系統不確定度的評估。

3.3.1 測量不確定度評估[7]

（1）標準不確定度[5]

測量重復性u1；

MV1000無紙記錄儀的校準u2；

熱電偶的檢定u3[6]；

干體式溫度校驗器的校準u4；

熱電偶的固定u5。

（2）合成標準不確定度

（3）擴展標準不確定度

取k=2計算擴展不確定度：

3.3.2 測量不確定度評估結果及對比

評估幾種繼電器接入的熱電偶溫度測量系統的不確定度（去除發生異常的6#繼電器常開觸點），評估結果見表5、圖8。

表5 各個測量系統不確定度評估單位：℃

圖8不確定評估的結果顯示，熱電偶測量系統中接入一個繼電器的常開觸點與未接入繼電器的回路不確定度的表現差異不大，測量不確定度基本在1℃以內；熱電偶測量系統中接入一個繼電器的常閉觸點測量不確定度有明顯增加，測量不確定度在1℃～1.5℃；熱電偶測量系統中接入兩個繼電器的不同觸點組合，對不確定度會產生不一樣的影響，影響程度將進一步增加，測量不確定度為1.3℃～2.3℃。

圖8 各個測量系統擴展不確定度比對

4 結論

根據本次測量系統的影響因素分析及試驗驗證的數據分析，研究結論如下：

（1）本文研究的這一類型的微型功率電子繼電器常閉觸點和常開觸點隨著通斷回數的增加，觸點接觸電阻變化趨勢有明顯差異，常開觸點接觸電阻的穩定性遠好于常閉觸點。

（2）研究分析的這類常用電子繼電器常閉觸點在繼電器使用壽命4萬次的過程中失效的風險高于常開觸點，失效后的繼電器會出現接觸電阻的極大波動變化。在熱電偶測量系統接入常閉觸點進行回路通斷時需謹慎選擇使用。

（3）由于電子繼電器的常閉觸點和常開觸點接觸電阻在長期通斷壽命后的不同表現狀態，熱電偶溫度測量系統中繼電器的增加會影響到熱電偶測量系統的測試精度，隨著增加的觸點增多，精度的影響范圍擴大。系統誤差和不確定度均有不同程度的表現差異。本次研究優異程度：

最優：測量系統中無繼電器接入，不確定度U＜1℃；

次之：測量系統中接入1個繼電器常開觸點，不確定度U＜1℃；

再次之：測量系統中接入1個繼電器常閉觸點，1℃＜不確定度U＜1.5℃；

最差：測量系統中接入2個繼電器的不同觸點組合，1.3℃＜不確定度U＜2.5℃。

（4）基于上述研究結論，建議在熱電偶溫度測試回路中做如下設計：

熱電偶延長線直接接入測量儀器，回路中盡量不增加繼電器切換；

如基于測量電路的設計考慮必需使用繼電器的情況下，僅使用一個繼電器對應切換，且僅使用繼電器常開觸點作為熱電偶切換；

在使用過程中需根據使用情況，定期檢查繼電器的狀況，必要情況下測量繼電器觸點的接觸電阻，隨時進行期間更新，避免測量數據的偏差；

定期對測量系統進行系統校準，使用修正因子對檢測數據進行修正。

（5）本文研究結論后，調整了壓縮機測試負荷設備的熱電偶溫度測量系統的設計，為滿足分別測試需求保留切換用繼電器，但更改為僅接入一個繼電器常開觸點作為切換。

（6）本次研究有廣譜的應用參考，適用于其他對回路中對接觸電阻值非常敏感的測量系統，比如微電阻測量系統，如需使用電子繼電器進行系統切換時，可參考上述結論設計測量系統的電路。