热电偶温度测量系统中电磁继电器的影响分析

陈栩颖 倪伟

上海海立电器有限公司 上海 201206

0 引言

热电偶是一种常用的温度传感器，能够在极端温度条件下使用。热电偶的结构非常简单，但是应用的理论相对复杂。采用热电偶测量温度的难点是如何处理信号调理的问题，正确使用热电偶可以获得较高的温度测量精度，而使用不当容易出现较大的误差。因此在热电偶的使用中，如何对热电偶测量系统信号调理电路进行设计需要特别予以关注。

在综合性的检测设备中较多选用热电偶作为传感器进行温度测量。比如制冷制热检测领域使用的检测设备，对于温度的测量非常普遍，价格低廉、使用方便的热电偶是通用的一种传感器。热电偶通常与延长线及显示仪表共同组成一组测量系统，用于精确测量不同测量点的温度值。对于新型热电偶研制工艺以及数据采集的仪器设备，国内外均有大量的研究。部分国内外测量测试领域的公司，均有新型热电偶测量及数据采集的研究。但是在热电偶测量系统中增加电器元件后对测量系统精度影响方面的研究则涉猎较少。对于无需同时测量的热电偶温度，通常采用切换、分别测量的方式进行设计；而涉及到几个热电偶共用同一个温度显示仪表时，则需在测试回路中引入电路切换用电器元件以实现分别测量的目的。

通常使用的电路切换元件包括继电器和接触器。两种电器元件本质区别就是承受的载荷不同，电流容量大的是接触器，小的是继电器。通常主回路中用接触器完成切换动作，控制回路用继电器完成切换动作。热电偶测量回路由于电流容量非常小，故选用继电器是比较合适的。电磁继电器是一种常用的低压电器控制元件，被广泛用于各种信号传输和控制电路中。触点接触电阻是评价继电器输出功能最重要的指标之一，国际上一些学者和继电器生产厂家都对继电器接触电阻进行了大量的研究，此类研究涉及基础材料和制作工艺，然而对于电子继电器用于热电偶测量回路的研究鲜有涉及。

本次在设计制作压缩机的噪声振动测试的负荷设备时，选用了若干高精度调节计，用于测量制冷系统中不同位置的温度值。为节省费用，以及便于电器柜面板设计简洁、易于观测，该系统设计了两套制冷系统，并使两套制冷系统采用一套测量系统，对于无需同时测量的热电偶温度，采用切换、分别测量的方式进行设计。这样就涉及到几个热电偶共用同一个温度显示仪表的问题，在测试回路中，需引入电路切换用电器元件以实现分别测量的目的。测量回路中增加了电磁继电器。

在热电偶测试回路中增加电磁继电器，对信号调理电路的设计会产生影响，本文就该使用范畴进行调查研究，并给出一套合适的电路设计方案。

1 热电偶测量原理和继电器工作原理

1.1 热电偶测量原理

热电偶是温度类测试仪表中常用的测温元件，它的工作原理是两种材质（即不同电子密度）的导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，闭合回路中会有电流产生，两端形成电动势（即热电动势），这是通常所称的塞贝克效应。这种现象也被称为热电现象，电动势表现为热电势，其与所测量的温度有对应的函数关系，利用此函数关系就可量测出所需要的温度值。

1.1.1 热电偶参考结点补偿[1]

热电偶的实质是两根不同材质的金属导线A和B制成，在导线的一端有一个相连的接触点，称为测量结点（也被称为热端或工作端）。从绝缘的导线末端连接至测量仪器，C是测量仪器中两根同样的导线，C与A或C与B形成两个结点称为参考结点（也被称为冷端或自由端），图1所示为热电偶测温的原理。

图1 热电偶测温原理

当测量结点所处环境温度为tMJ，参考结点所处环境温度为tRJ时，铜导线末端形成热电势E。热电偶接入测量仪表后，测量仪表获得的电势E为材料A、B的两种导线的测量结点在tMJ、tRJ两个温度下对应的热电势的差值，该值与导线C的接入无关，这就是热电偶接入测量仪表进行温度测量的原理——热电偶中间导体定律。

1.1.2 补偿导线的使用[1]

（1）补偿导线原理

热电偶的补偿导线是一对与所配对热电偶在特定温度范围具有相同温度对应曲线的绝缘导线，用于延长热电偶导线，接入测量仪表，补偿其与热电偶导线结点温度变化所带来的测量误差。在补偿导线的工作温度范围内，使用补偿导线对热电偶进行延长，类似将热电偶的参考结点移到测试仪表附近，可以减小参考结点受测量结点所处温度场的影响。

（2）补偿导线使用注意事项

使用补偿导线常规遇到的问题点包括：（a）补偿导线极性接反；（b）补偿导线与热电偶分度号不对应；（c）抗干扰处理。这三点错误是可以在设计使用中予以避免的。在实际使用中，热电偶导线与补偿导线之间常常需要电连接器进行连接，而不同的电连接器接触处的材质与热电偶或补偿导线不同，由于这个原因会引入误差。继电器作为电路中的开关电器在热电偶测试回路中同样作为电连接器考虑。由于接入继电器造成的接触电阻的增大会对整个测量系统的测试偏差和测试精度都有较大的影响。

1.2 继电器工作原理

1.2.1 继电器的结构

继电器是开关电器的一种，在控制电路中使用非常多。继电器由四部分构成，分别是线圈、磁路、反力弹簧和触点。线圈的用途在于其通电后产生的电磁吸力能够带动磁路的衔铁吸合，并使得触点产生变位动作。

反力弹簧的作用就是为衔铁提供与动作方向相反的斥力，当线圈断电后能帮助衔铁和触点复位。触点由常闭触点和常开触点构成，用于对外执行控制输出。线圈的电路接通后，常闭触点打开而常开触点闭合，线圈断电释放后，常闭触点和常开触点均复位为初始状态，常开触点打开而常闭触点闭合。继电器结构如图2所示。

图2 继电器结构

1.2.2 电磁继电器的接触电阻

电磁继电器的触点是继电器功能实现最重要的部分，电磁继电器触点的接触电阻通常在几毫欧到几十毫欧范围内，接触电阻越小联通性能越好。当电磁继电器出现劣化或者故障时，接触电阻值会增加到几百至上千欧，严重时完全不通[2]。

接触电阻是继电器的关键参数之一，会影响到继电器回路中相连控制的电子设备的性能稳定性和可靠性。较小及稳定的接触电阻有利于提高继电器的可靠性、失效等级，从而更好发挥回路中通断的作用[3]。

2 热电偶温度测量回路中电磁继电器的使用影响

本次研究使用的检测设备为压缩机测试用制冷负荷设备，为实现柜体工艺布局简洁和成本节约的目的，在热电偶温度测量系统中增加电磁继电器，利用电磁继电器切换测量回路，实现用同一个仪表分别测量制冷系统中四个不同位置的温度。

2.1 热电偶温度测量系统问题表现

检测设备的热电偶温度测量回路如图3所示，充分利用继电器常闭和常开端子的通断功能，实现分别测量的需求。

图3 热电偶测试回路设计

回路中选用三个继电器CRS、CRSA、CRSB用于切换测试回路，实现在四个热电偶传感器不同时间段分别进行温度测试的需求。设备经过一段时间的使用，对温度测试系统进行系统计量，数据如表1所示。从表1观察，温度显示明显超出仪表精度±0.1%FS±1 digit。

表1 设备温度测量系统数据偏差单位：℃

2.2 数据偏差调查分析

根据热电偶测量的特点及补偿导线使用，分别对影响检测结果的几个方面进行调查，排除仪表精度、补偿导线极性接反、补偿导线与热电偶分度号不对应、抗干扰处理等影响因素，偏差的主要原因集中在电连接器的接触电阻产生的影响。

回路中选择欧姆龙MY2N-GS微型功率继电器，该款继电器是一款成熟使用的产品，广泛应用于各类控制工作电路中。该款继电器的说明资料显示，其电阻值在100 mΩ以下。

电磁继电器在使用过程中会多次通断，通断回数是否会对电磁力和弹簧机械反力造成影响，从而影响触点间的接触电阻，继而影响到热电偶测量系统的测试精度，需要我们通过进一步的试验进行验证。

3 试验设计验证及结果分析

3.1 试验设计

3.1.1 建立一套继电器通断寿命运转系统

为确认继电器长期通断运转后触点接触电阻的变化，及接触电阻变化对温度测量系统造成的影响，搭建一套自动通断的继电器通断动作寿命试验系统[4]。该系统包括：24 V供电电源、ON/OFF时间设定器、通断电控制继电器、回数计，以及可以同时对7个继电器进行持续通断电。电路图如图4所示。

图4 控制回路电路图

3.1.2 量测系统

测量系统由接触电阻测试用的HIOKI3540微电阻仪、提供计量级稳定热源的FLUKE 9142干式温度校验仪、横河MV1000多点无纸记录仪组成。

3.1.3 试验设计

7个样品，以通断电2000回为一个周期进行量测，测试数据包括热电偶测量系统的温度显示值，每个继电器的常开和常闭触点在闭合后的接触电阻值。

干体式温度校验器设置为60℃的标准温度，无纸记录仪记录各通道温度示值。

3.2 试验结果数据分析

在继电器通断寿命运转检测过程中，每隔2000回通断记录一次。分别记录7个电磁继电器的各个触点的接触电阻。同时记录各个配置不同继电器型式的测量系统的温度值。

由于在实际使用中1年的通断回数不会超过4000次，本次试验按照10年的使用寿命，通断回数40000次作为最后的通断目标次数进行记录。

根据上述说明记录的数据，进行如下分析。

3.2.1 接触电阻

在继电器通断寿命运转检测过程中，记录各个继电器的常开和常闭触点的接触电阻值。数据显示新品继电器经过2000回通断寿命后，陆续表现为常闭触点的接触电阻的稳定性变差，波动大，且没有明显的规律性。统计过程中的全部常开和常闭触点在闭合时的接触电阻，平均值和标准偏差对比如表2所示，显示出明显的不同。如图5所示两种端子接触电阻状态差异极大。

表2 常闭端子闭合和常开端子闭合的不同接触电阻

图5 常闭/常开触点接触电阻异

从图5可以看出，经过长期通断电寿命运转，继电器的常闭端子闭合时接触电阻的平均值远大于常开端子闭合时的接触电阻平均值，且接触电阻呈现不稳定状态。而常开端子的接触电阻相对稳定，基本保持了新品时的状态，偶尔有略大的情况。长期通断运转后两种类型端子差异非常明显。

3.2.2 温度示值分析

每通断2000回后记录不同状态温度测量系统的温度显示值。

干体式温度校验器设置为60℃的标准温度。从表3温度测量系统的实测数据显示中，可以明显看出通道9（接入6#继电器的常闭端子测量系统）出现明显的数据波动。在测量记录过程中6#继电器开停18000回后，6#继电器的2个常闭端子接入的热电偶温度测量系统出现温度数据波动情况，造成通道9的测量系统在整个测量周期中与标准60℃偏差达到-2.7℃，由于数据波动巨大，数据的标准偏差也达到了9.8℃，呈现出非常不稳定的状态，该通道在后期已无法进行正常测试。其现象同样表现为通道9测量系统中接入的6#继电器的2个常开通道的接触电阻数据，在周期量测后期同步表现出异常波动的现象，状态显示出异常不稳定的变化，从而严重影响回路中温度的测量。

表3 各通道温度平均值、与标准值偏差、标准偏差单位：℃

为了比对不同测量系统的差异，去除过程中出现异常的通道9（6#继电器常闭）温度测量回路的数据，比对4种不同的测量系统。其中，通道1～通道4为“2个继电器”接入的测量系统；通道5、7、11为“1个继电器常闭端子”接入的测量系统；通道6、8、10、12为“1个继电器常开端子”接入的测量系统；通道13为“无继电器”接入的测量系统。数据如表4所示，比对如图6所示。

表4 统计不同继电器接入状态的差异单位：℃

从图6可以看出，显示数据系统偏差的测量平均值偏差和显示测量数据波动的标准偏差在不同型式的测量系统均有不同的体现。测量系统中不接入继电器的系统设置型式为最优，次之为接入1个继电器的常开端子，再次为接入1个继电器的常闭端子，最差的是2个继电器接入的情况。

图6 测量系统不同继电器接入状态温度示值差异比对

3.2.3 温度稳定情况

在经过长期寿命开停运转后，不同类型的测量系统表现出类似的数据显示状态。监控继电器通断电切换后的测量温度数据变化，随着测量时间加长，温度测量系统的显示值变化如图7所示。

干体式温度校验器设置为60℃的标准温度，从图7可以看出2个继电器加入温度测量系统，在常开/常闭触点闭合的不同组合情况下，实测温度显示值随着时间推移，在60℃左右呈现不规律的变化，稳定情况较差；1个继电器常闭触点闭合接入温度测量系统，随着闭合时间的推移温度逐步稳定，可以在10分钟后逐步到达60℃，但是稳定的时间非常长；1个继电器常开触点闭合接入温度测量系统，温度在较短时间即到达稳定值60℃。而未有继电器接入的情况，温度数据在1 s内即可达到稳定的60℃。

图7 测量系统不同继电器接入状态温度稳定情况比对

3.3 测量不确定度评估及比较

参考CNAS-GL007-2020电器领域测量不确定度的评估指南，附录A：（资料性附录）电器域测量不确定度案例，A1温度（热电偶法）不确定度评估的指导方法进行本次测量系统不确定度的评估。

3.3.1 测量不确定度评估[7]

（1）标准不确定度[5]

测量重复性u1；

MV1000无纸记录仪的校准u2；

热电偶的检定u3[6]；

干体式温度校验器的校准u4；

热电偶的固定u5。

（2）合成标准不确定度

（3）扩展标准不确定度

取k=2计算扩展不确定度：

3.3.2 测量不确定度评估结果及对比

评估几种继电器接入的热电偶温度测量系统的不确定度（去除发生异常的6#继电器常开触点），评估结果见表5、图8。

表5 各个测量系统不确定度评估单位：℃

图8不确定评估的结果显示，热电偶测量系统中接入一个继电器的常开触点与未接入继电器的回路不确定度的表现差异不大，测量不确定度基本在1℃以内；热电偶测量系统中接入一个继电器的常闭触点测量不确定度有明显增加，测量不确定度在1℃～1.5℃；热电偶测量系统中接入两个继电器的不同触点组合，对不确定度会产生不一样的影响，影响程度将进一步增加，测量不确定度为1.3℃～2.3℃。

图8 各个测量系统扩展不确定度比对

4 结论

根据本次测量系统的影响因素分析及试验验证的数据分析，研究结论如下：

（1）本文研究的这一类型的微型功率电子继电器常闭触点和常开触点随着通断回数的增加，触点接触电阻变化趋势有明显差异，常开触点接触电阻的稳定性远好于常闭触点。

（2）研究分析的这类常用电子继电器常闭触点在继电器使用寿命4万次的过程中失效的风险高于常开触点，失效后的继电器会出现接触电阻的极大波动变化。在热电偶测量系统接入常闭触点进行回路通断时需谨慎选择使用。

（3）由于电子继电器的常闭触点和常开触点接触电阻在长期通断寿命后的不同表现状态，热电偶温度测量系统中继电器的增加会影响到热电偶测量系统的测试精度，随着增加的触点增多，精度的影响范围扩大。系统误差和不确定度均有不同程度的表现差异。本次研究优异程度：

最优：测量系统中无继电器接入，不确定度U＜1℃；

次之：测量系统中接入1个继电器常开触点，不确定度U＜1℃；

再次之：测量系统中接入1个继电器常闭触点，1℃＜不确定度U＜1.5℃；

最差：测量系统中接入2个继电器的不同触点组合，1.3℃＜不确定度U＜2.5℃。

（4）基于上述研究结论，建议在热电偶温度测试回路中做如下设计：

热电偶延长线直接接入测量仪器，回路中尽量不增加继电器切换；

如基于测量电路的设计考虑必需使用继电器的情况下，仅使用一个继电器对应切换，且仅使用继电器常开触点作为热电偶切换；

在使用过程中需根据使用情况，定期检查继电器的状况，必要情况下测量继电器触点的接触电阻，随时进行期间更新，避免测量数据的偏差；

定期对测量系统进行系统校准，使用修正因子对检测数据进行修正。

（5）本文研究结论后，调整了压缩机测试负荷设备的热电偶温度测量系统的设计，为满足分别测试需求保留切换用继电器，但更改为仅接入一个继电器常开触点作为切换。

（6）本次研究有广谱的应用参考，适用于其他对回路中对接触电阻值非常敏感的测量系统，比如微电阻测量系统，如需使用电子继电器进行系统切换时，可参考上述结论设计测量系统的电路。