温度继电器温度特性测试设备研制

　　引言

　　温度继电器是一种对温度敏感的热保护元件，它将双金属片温度传感部分和动作执行装置集中于一体，当周围的温度过高时，可使温度继电器触点迅速断开，从而在电路中起到保护作用。

　　由于双金属片温度继电器具有温度敏感特性，其形状在某个温度点(突跳温度或称为动作温度)具有突跳性，而在另一个温度点(回复温度)又能恢复原来形状，而且精确性、重复性好，因而被广泛应用在温度控制和过热保护场合。但是怎样快速准确地对温度继电器动作温度和回复温度进行测试，是温度继电器研制和生产中必须解决的问题。

　　设备的组成及主要功能

　　设备的组成

　　本设备有如下部件：测试柜台、计算机主机、17吋液晶屏显示器，激光打印机，制冷机，加热器、UPS电源、温度控制箱及冷热风循环系统、温度控制及记录系统、通断状态采集系统、温度继电器工装盘夹具等部分组成，其计算机主机采用高性能工业计算机，内装64路输出控制卡和64路输入检测卡。

　　主要功能

　　本设备主要为微型温度继电器产品的温度特性自动化测试而专门设计，可对小批量不同规格的微型温度继电器产品进行动作温度和回复温度检测，满足GJB1517A—2011《恒温继电器通用规范》空气测定法要求，当温度分别在动作和回复温度范围±2.8 ℃以内时，温度变化的速率应不大于0.55 ℃/min;其测试系统采用PID控制技术，温度传感器检测循环空气箱内空气温度，加热系统、冷风系统自动控制温度，温度按设定的程序进行升温或降温，温度升降均匀，且超调较小。

　　测试系统能支持多种测试模式，通过显示器界面显示测试过程参数，通过键盘可输入动作温度上下限、回复温度上下限、产品型号规格批次等试验参数，检测每个被测温度继电器两极的通断状态，并记录每个温度继电器动作温度、回复温度，计算其差值，与预先输入的标准范围比较，判断其合格与否;同时计算每一件被测产品的动作温度与回复温度差、动作温度和回复温度平均值、均方差及CPK值，最后按形成设定格式的检验报告，通过激光打印机打印输出结果。

　　本设备除参数输入和工件装夹外其他工作完全自动进行，并具有不合格报警显示功能，数据导出、保存功能。

　　主要技术指标

　　(1)测试温度继电器产品工位数100个;
　　(2)测试温度范围：50℃～200℃;
　　(3)温度槽工作面温度均匀度：当温度在60℃～130℃时，误差δ±1℃，当温度在131℃～190℃时：误差δ±1.3℃;
　　(4)测试面任意点温度波动度：±0.5℃;
　　(5)温度控制方式：PID控制,强迫循环风;
　　(6)温度升降速率可设置，且温升速率能以5℃/min接近标定温度;当温度接近标定温度公差范围上下3℃以内时，温度变化自动调节为速度≤0.5℃/min;
　　(7)电源：AC220V，5KW;
　　(8)设备外型尺寸：1800mm(长)×900mm(宽)×1650mm(高)。

　　工作原理及测试要求

　　工作原理

　　自动测试系统基于PC总线，PC总线工业I/O模板产品的开发与应用是随着人们对工业数据采集、数据通信以及由PC机监控实现现场控制的各种要求而发展起来的，它是工业PC机系统模块化、系列化、标准化的重要基础。由于其灵活性、可扩展性、可靠性和可维护性具佳，并有适应性强、性能价格比高和开放式结构等优点，已被广泛应用于工业控制系统。

　　随着控制对象日益复杂，控制规模的不断扩大，对I/O模板智能化和高速化的要求越来越高;智能化I/O模板不仅能完成工业现场的数据采集和控制任务，还具有多种复杂计算和处理功能以及网络通信能力;这种工业I/O模板在工业PC机的控制下可组成较大规模的控制系统，完成更为复杂的控制任务。典型的工业PC机及其I/O模板组成的工业控制系统如图1所示。

　　PC机有很高的运算速度，有很充足的系统资源，程序的修改非常方便快捷，非常有利于系统的改进及功能扩展。而且，测试过程中使用的是可视化界面，用鼠标或键盘直接操作，操作效率及操作准确率是单片机系统无可比拟的，另外系统的电路设计较简单，容易实现模块化，非常有利于系统的功能扩展，通用性强。

　　测试要求

　　GJB 1517A—2011《恒温继电器通用规范》空气测定法要求：继电器应放在一个循环空气箱内。为了监测触点的工作，继电器应接到一个合适的指示电路中。当温度分别在动作和回复温度范围±2.8 ℃以内时，温度变化的速率应不大于0.55 ℃/min。为了减少温度读数视差错误，继电器应循环三次，但每次读数都应在详细规范规定的公差之内，而且每次循环都应记录动作和回复温度。各自三次读数的平均值即为动作和回复温度点。

　　控制过程分析

　　升温过程

　　系统的比较理想的升温过程温度曲线如图2所示。其中

　　minT=actT-errT-2.8
　　maxT=actT+errT+2.8

　　式中 minT—最低控温点

　　maxT为最高控温点，actT为动作温度点，errT为动作温度整定值。

　　(1)在时间段0～t1内，为非算法控制阶段，输出的导通时间为全周期，在此时间段内控制的目标温度为minT。
　　(2)从实际温度达到需要进行控制的温度ctrT( 　　(3)经过t1～t2时间段内的预备控制调整，当温度上升到minT，即运行进入t2～t3时间段时，系统已经比较稳定，温升速度可以较好地控制到要求0.50℃/min左右。
　　(4)当realT(实际温度)大于maxT后，即待测温度继电器在升温过程中理论上都已应该动作过一次了，也即升温测试过程已可以结束了，所以不再需要用PID控制，只需全功率加热，达到一定温度后就可进入降温测试过程。

　　降温过程

　　当realT(实际温度)达到一定温度(downT)后系统进入到降温测试过程，因为此时系统的温度与highT偏差不大，为了保证系统进入lowT～highT范围内以后不出现大的超调，此时就开始用PID算法进行控制。系统的比较理想的降温过程如图3所示。

　　(1)在时间段t4～t5内，控制的温度目标为highT。
　　(2)经过t4～t5时间段内的预备控制调整，当温度下降到highT，即运行进入t5～t6时间段时，系统已经比较稳定，降温速度可以较好地控制到要求0.30℃/min左右。
　　(3)当温度达到lowT后，即降温测试过程已经结束，可以不必进行严格的控制了，只需全功率制冷(关加热器)至室温。如果没有进行过升温测试过程的话，降到较低温度后再进入升温测试过程。

　　测试软件设计

　　计算机测试系统的软件分系统软件和应用软件两大类，系统软件一般由计算机生产商提供，本设备的系统软件采用Microsoft Windows XP操作系统，而应用软件为执行具体任务而编制的用户程序，因控制对象的不同而异，即为完成温度继电器的测试任务并对测试结果进行处理。

　　测试过程中，采样、控制周期，即系统每一段时间要执行一次控制程序，为了测得温度继电器的准确实时动作、回复温度值，在其他时间内都执行端口扫描程序，实时检测继电器的状态，并做出相应的响应和处理。软件设计为5个部分：总控制模块、继电器测试模块、历史数据查询模块、参数设置模块、人工干预模块。

　　总控模块的设计

　　软件系统结构图如图4，该部分程序主要功能：读取系统设置参数、调用各子模块。

　　温度继电器测试模块设计

　　该模块是系统的主要部分，其功能：采样各继电器动作、采样温度传感器温度、计算升温时间、判断超限报警、绘制温度曲线、将测试结果打印并保存到数据库，系统主程序框图如图5。

　　升温过程计算方法

　　要实现图2中比较理想的升温过程温度曲线，采用三阶段升温时间控制方法;升温算法控制程序框图见图6。

　　降温过程计算方法

　　要实现图3中比较理想的降温过程温度曲线，采用二阶段降温时间控制方法;降温算法控制程序框图见图7。

　　历史数据查询模块

　　该模块用于查询保留的测试信息，原保留测试信息保存在ACCESS数据库中，在该数据库中定义了一个数据表和6个字段，定义如下：

　　数据库查询采用ADO方式，用VB SQL语言编写程序。

　　参数设置模块

　　该模块用于设置系统参数，并保存在一个文件中。设置的参数内容有：继电器产品型号、测试类型、动作温度、动作温度偏差、回复温度、回复温度偏差，测试通道选择。参数设置模块程序流程图见图8。

　　系统保护(即报警程序)

　　系统的正常工作范围为50℃～200℃，最大可以达到的工作范围为40℃～220℃，为了保护系统，设定系统进行提醒及报警的温度范围为实际温度小于45℃或大于210℃。保护报警及进入状态判断子程序框图见图9。其中：min 为升温时的最低控温点，high 为降温时的最高控温点。

　　人工干预模块

　　该模块功能是当温度不适合进行测试时，由人工进行干预，使之达到一个合适的温度。提供4种执行功能：开始加热、停止加热、开始降温、停止降温。该模块设计了一个温度监视功能，每5秒钟对温度进行一次测试，并显示在界面上。人工干预温度程序框图见图10。

　　编程及用户界面

　　与传统仪器相比，虚拟仪器自身不带任何仪器面板，利用PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。虚拟仪器系统由用户而非仪器厂商定义;仪器硬件模块化，可重用和重新配置;系统功能、规模可通过修改软件、更换仪器硬件而增减;技术更新速度快，开发维护费用低。在虚拟仪器中，仪器硬件仅起着信号的输入、输出功能，软件才是整个仪器的关键。

　　本系统的编程语言可以选用C语言、C++语言、VB以及VC等语言。因为VB自带很多控件，界面设计比较容易实现，程序代码编制也比较简单、方便，故本测试系统的应用软件采用VB语言来实现。用户界面如图11所示。

　　结论

　　通过实际测试验证，本设备系统完全达到了GJB 1517A—2011《恒温继电器通用规范》中空气测定法要求，实现了温度自动测量、自动控制及温度继电器的自动测试;同时，本设备的研制也代表了温度继电器自动测试的一种发展方向，具有低投入、高性能、易扩展、易操作的优点，是一种通用性很强，具有发展前途的虚拟测试设备。

　　参考文献：
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　　[3]张宇河,金钰.计算机控制技术[M].北京理工大学出版社,1996,4
　　[4]GJB 1517A—2011.恒温继电器通用规范[S]