溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測設(shè)備的研發(fā)和實現(xiàn)

白采玉，侯 明，陳 潔

（滁州市技術(shù)監(jiān)督檢測中心，安徽 滁州 239000）

0 引言

家用電器產(chǎn)品在正常使用過程中都會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，導致器具本身以及周圍環(huán)境的溫度升高，直接危險是火災，間接危險會加速部件老化、材料軟化和熔融。器具發(fā)熱的原因之一就是由線圈、繞組、鐵心引起。家電等產(chǎn)品中有很多存在多個繞組的零部件如變壓器，過高的溫度會造成損壞，帶來危險[1]。因此，需要在發(fā)熱試驗中測試他們的繞組溫升，作為家電零部件產(chǎn)品重要的安全檢測項目，繞組溫升試驗被列入國家強制標準。但是，目前用于測試溫升繞組阻值的儀器設(shè)備大多是通過采用人工測試的方法，不容易快速、準確地進行測試。

1 溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測設(shè)備研究的意義

溫升試驗是評定家電整機及電子元器件產(chǎn)品安全性及使用壽命的一個重要指標，《家用和類似用途電器的安全 第1 部分：通用要求》（GB 4706.1—2005）標準第11 章節(jié)發(fā)熱試驗有明確規(guī)定，檢測產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，是否達到了標準規(guī)定的限值[2]。確保在正常使用中，產(chǎn)品和其周圍環(huán)境溫度不過高，考核產(chǎn)品使用的安全性。繞組溫度對絕緣體材料的耐熱性能及老化具有決定性作用，當繞組溫度超過絕緣可承受的能力時，會影響家電等產(chǎn)品的正常運行[3]。

溫升試驗采用手動測試存在的問題：①為了便于測試，特別是針對整機樣品，繞組接的引出線往往較長，而引出線和繞組所處的環(huán)境溫度相差較大，對檢測結(jié)果有影響，尤其是小阻值的繞組。②對于大多數(shù)產(chǎn)品，從斷電到表筆接上引出線測試至少需要0.5s，某些結(jié)構(gòu)復雜的整機產(chǎn)品甚至需要3s，時間越長逆向推導斷電時刻的繞組阻值不確定度越大。③斷電時表筆接上繞組引線一般是手動操作，接觸電阻大還不穩(wěn)定。④從斷電時刻到記錄下第一個繞組阻值時間的間隔，目前基本采用秒表手工計時，計時的準確程度影響阻值的不確定度。

溫升試驗采用帶電測試存在的問題：①由于直接帶電測量阻值，可能會燒毀電阻測量的儀器設(shè)備，因此要實現(xiàn)樣品帶電工作狀態(tài)下測試阻值必須增加處理電路，易存在系統(tǒng)性誤差。②由于樣品帶電工作狀態(tài)下測阻值，存在供電質(zhì)量（例如電壓波動、諧波畸變等）對繞組帶電測試儀測試結(jié)果的影響，增大了測試結(jié)果的不確定度。

因此，研發(fā)一款溫升試驗斷電后繞組阻值快速地自動檢測，直接讀取斷電時刻的繞組阻值的設(shè)備，將有效解決家電整機及電子元器件行業(yè)普遍中存在的測試問題，解決現(xiàn)有手動測試方法存在的缺陷，進一步促進電子及智能家電行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提升和新興產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

2 溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測設(shè)備設(shè)計研究的分析

2.1 溫升試驗斷電后繞組阻值檢測研究的現(xiàn)狀分析

在對家電整機及電子元器件安全性檢測的機構(gòu)開展前期調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段各個機構(gòu)繞組溫升測試多是采用《家用和類似用途電器的安全 第1 部分：通用要求》（GB 4706.1—2005）規(guī)定的電阻法。因為繞組阻值隨著溫度變化而變化的性質(zhì)，沒法在關(guān)閉開關(guān)的瞬間檢測結(jié)束時的電阻，因此繞組阻值需在斷開開關(guān)后和其后的幾個短的時間間隔，盡可能快地測試幾次電阻，以便繪制一條電阻對時間變化的擬合曲線，計算斷電后瞬間的電阻值[4]。

大多數(shù)的檢測機構(gòu)采用手動測試的方法，測試前將樣品繞組接引出線→樣品斷電→迅速將測試設(shè)備接上繞組的引出線，讀取阻值，并時刻點，一般有兩種方法：①掐秒表記錄；②某些采用帶有時間刻度記錄功能的萬用表記錄時刻。由記錄下的繞組阻值和時間刻度，作出繞組阻值隨時間變化的曲線，并由該曲線逆向推導斷電時刻的繞組阻值。將推導出的繞組阻值帶入溫升計算公式，計算出繞組的溫升值。

部分檢測機構(gòu)采用帶電繞組溫升測試儀器，在待測樣品帶電工作的狀態(tài)下直接實時讀取待測樣品的繞組阻值。尤其是像多個繞組的變壓器的溫升試驗，在多臺測量電阻的儀器設(shè)備同時測量多個繞組的電阻時，儀器設(shè)備之間可能會產(chǎn)生干擾，測量結(jié)果與使用一臺儀器設(shè)備單獨的測量結(jié)果有明顯差異，在多個繞組的情況下，如果按規(guī)定順序測試完多個繞組，則無法滿足標準規(guī)定的在斷電后極短的時間間隔內(nèi)盡可能快地測量幾次電阻的要求[5]。

2.2 溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測設(shè)備設(shè)計研究的實現(xiàn)目標

家用電器產(chǎn)品、電氣產(chǎn)品等產(chǎn)品的溫升試驗是型式試驗的重要試驗項目之一，同時也是設(shè)計研發(fā)階段試驗前和試驗后的重要試驗指標之一，器具繞組的熱點溫升更是衡量器具繞組設(shè)計優(yōu)劣的一個重要指標[6]。所以，對于通過什么方式、如何通過正確的過程獲取正確的溫升試驗數(shù)據(jù)尤為重要。

設(shè)計實現(xiàn)一種溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測的設(shè)備，主要實現(xiàn)的目標：①設(shè)計研發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及電氣部分的功能，主要解決實現(xiàn)如何使設(shè)備內(nèi)部的電氣連接以及設(shè)備與待測樣品繞組引出線，可以方便連接、可靠、且接觸電阻低。②設(shè)計實現(xiàn)切換電路的功能，主要解決實現(xiàn)在待側(cè)樣品斷電后繞組測量電路可以能夠自動地、快速地通過電氣元件的動作連接到樣品引出線上。③設(shè)計研發(fā)設(shè)備的數(shù)據(jù)測量及采集部分的功能，主要解決的問題是采用何種儀器儀表、如何對相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、測量繞組阻值時對應時刻點應采用什么樣的記錄方式。④設(shè)計研發(fā)設(shè)備的嵌入式軟件的功能，開發(fā)軟件可以實現(xiàn)對采集到的繞組阻值和時間數(shù)據(jù)進行存儲、建立數(shù)據(jù)庫，且可以內(nèi)建逆向推導繞組斷電時刻阻值的數(shù)學模型，測量數(shù)據(jù)采集的同時即可外推阻值，并且能以簡潔、易交互的界面進行數(shù)據(jù)查詢、測試控制并直接讀取斷電時刻的繞組阻值。

3 溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測設(shè)備設(shè)計研究的實現(xiàn)

一種溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測設(shè)備的設(shè)計研究過程中，重點內(nèi)容是解決“設(shè)備結(jié)構(gòu)及電氣部分的設(shè)計”“切換電路的設(shè)計”“設(shè)備數(shù)據(jù)測量及采集的設(shè)計“以及“設(shè)備嵌入式軟件的設(shè)計”等四個方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。實現(xiàn)從人工接觸測量繞組阻值方式轉(zhuǎn)化為實現(xiàn)儀器設(shè)備自動進行測量，但是測量方法和原理無實質(zhì)性的變化，仍然滿足《家用和類似用途電器的安全 第1 部分：通用要求》（GB 4706.1—2005）等國家標準對溫升試驗繞組阻值的測量規(guī)定要求。

（1）硬件部分設(shè)計：“設(shè)備結(jié)構(gòu)及電氣部分”“切換電路”部分，整套電路包括精密電阻測試儀、電磁繼電器、電路控制器、電源模塊等，電路有兩個獨立的供電系統(tǒng)，一路給繞組負載供電，一路給精密電阻測試儀供電。電路中建有獨立的繞組引出線連接系統(tǒng)，繞組引出線采用低內(nèi)阻同軸電纜，接線方式采用鉆夾頭牢固連接，通過RS232 協(xié)議，實現(xiàn)繼電器切換和檢測數(shù)據(jù)的上傳。

（2）軟件部分設(shè)計：“設(shè)備數(shù)據(jù)測量及采集”“設(shè)備嵌入式軟件”部分，采用Labview 語言編寫，其數(shù)據(jù)處理功能強大便于調(diào)試，且提供很多外觀與示波器、萬用表等儀器類似的控件，方便用來創(chuàng)建用戶界面，可以根據(jù)研發(fā)功能需要，自定義建立虛擬儀器。

打開軟件，點擊新建測試項目，在新建項目對話框中輸入測試相關(guān)信息（如負載通電時間、負載斷電后的總測試時間、采集時間間隔等），啟動測試后，軟件系統(tǒng)即可按照設(shè)定的參數(shù)，通過RS232 協(xié)議下發(fā)給控制硬件電路。硬件電路先給繞組負載通電一段時間，設(shè)定的通電時間到，電路通過繼電器自動切斷供電端，同時連接至精密電阻測試儀端口。按照軟件中預先設(shè)定的采樣時間間隔檢測的斷電后的繞組阻值自動存儲和顯示。

（3）設(shè)備的功能：整套測試系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，依靠電路可靠連接和labview 軟件程序有效控制。實現(xiàn)被測件冷態(tài)電阻測試、通電時間控制、電路切換、熱態(tài)電阻測試等功能。還實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)查詢功能和測試曲線擬合功能。曲線擬合斜率可以通過設(shè)置公式中擬合的階次實現(xiàn)，階次不同，曲線的斜率不同，選取一條最接近實際測試數(shù)據(jù)擬合的曲線，系統(tǒng)自動準確倒推并直接讀出斷電時刻繞組阻值，避免了手動描點繪圖倒推產(chǎn)生的誤差。斷電后繞組阻值測試數(shù)據(jù)擬合曲線如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)擬合曲線

（4）手動測試和自動檢測設(shè)備測試數(shù)據(jù)對比。

通過對電冰箱、洗衣機、變壓器斷電后繞組阻值反復多次試驗，三組不同樣品斷電后，其繞組阻值測試時長數(shù)據(jù)比對可得到以下結(jié)果：①手動測試約每5s 采樣一次，10 組數(shù)據(jù)采集完成大約需要50s，再將10 組數(shù)據(jù)導入計算公式，最終計算出繞組斷電時刻的阻值，總耗時至少需要180s。②溫升試驗繞組阻值斷電測量設(shè)備的采樣時間可自定義，自由調(diào)整且內(nèi)置合適的數(shù)學模型外推斷電時刻繞組阻值，即斷電時刻繞組阻值是可視化的，可直接讀取。該設(shè)備試驗若設(shè)置以0.5s 采樣一組數(shù)據(jù)，10 組數(shù)據(jù)采集完成，且計算出斷電時刻繞組阻值，總耗時需要5s。由以上兩種測試斷電時刻繞組阻值總耗時長可知，溫升試驗繞組阻值斷電測量設(shè)備比手動測試從斷電瞬間到開始電阻檢測間隔的時間明顯下降，同時檢測操作過程簡便易操作，檢測操作的總時間大幅度降低。其中一組變壓器斷電后繞組阻值手動測試和設(shè)備測試數(shù)據(jù)對比情況如表1 所示。手動測試斷電瞬間繞組阻值擬合值為127.62Ω，溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測設(shè)備斷電瞬間繞組阻值為127.7392Ω。

表1 手動測試和自動檢測設(shè)備測試數(shù)據(jù)對比

另外，從不確定度角度考慮，溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測設(shè)備測量的不確定度主要來源是重復性測量、繞組阻值斷電測量設(shè)備的誤差、實驗室內(nèi)溫度波動的誤差，比手動測量少了線圈繞組外接引出線長度引起的誤差，同時也避免了手動測試外接人體電阻引入產(chǎn)生的不確定度，由以上兩種測試方法的合成不確定度可知，溫升試驗繞組阻值斷電測量設(shè)備對測試結(jié)果不確定度的影響也降低了，保證了數(shù)據(jù)的精確性。

4 結(jié)語

本文研究一種溫升試驗斷電后繞組阻值自動檢測設(shè)備，授權(quán)專利兩項，完成樣機一臺，可視化檢測系統(tǒng)，完成了一個獨立可靠的繞組引出線連接系統(tǒng)，斷電后可以快速切換電路，快速自動按照時間軸測量記錄繞組阻值，按照內(nèi)建數(shù)學模型逆向推導直接讀取繞組斷電時刻繞組阻值，既能保證不帶電測量又能夠大幅降低檢測的間隔時間，既提升了測試數(shù)據(jù)一致性，又提高了測試效率，實現(xiàn)繞組溫升的智能化采集和處理，優(yōu)化了溫升試驗檢測過程中遇到的問題。