CN111458634A - 一种手持式电力设备继电器在线测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种手持式电力设备继电器在线测试仪及测试方法，包括继电器本体，继电器本体包括主控单元，主控单元上分别连接显示单元、数据下载单元和电池电量检测单元；所述的主控单元通过隔离单元分别连接采集单元、供电单元、按键单元、蜂鸣器等外设。本发明采用了ARM作为测试核心处理器，摒弃传统的由继电器与接触器搭成的测量电路，创新的测试方法能够动态监测和预报工作状态中的继电器的故障状态，并能够实现测试曲线的在线显示或离线分析。装置供电采用锂电池供电手持式结构，实现在线分析继电器的故障情况和原因,利于继电器故障的及时判断。

Description

一种手持式电力设备继电器在线测试仪及测试方法

技术领域

本发明涉及在线测试技术领域，特别涉及一种手持式电力设备继电器在线测试仪及测试方法。

背景技术

电磁式继电器作为一种基础元器件广泛应用于汽车安全自动控制系统、机器生产设备、家用电器产品、轨道交通电气设备等控制领域，是电力系统中的重要执行元件,起着电路控制系统的信号切换和开关的作用。电磁继电器的质量直接影响着控制系统的精度、可靠性和安全性，因此定期对其电气特性进行检测具有重要的意义。特别是在飞机和军用设备上的继电器，继电器对整个电子系统的正常运行与安全起着至关重要的作用。因此这些对安全性高的行业部门对电磁继电器的可靠性要求相当高，出厂前的质量检测也严格。因此新设计、研制出来的新型号的电磁继电器必须按照国家的标准和指标进行验证，看性能是否达标。其中电磁继电器在出厂时对其测试试验，是检测电磁继电器可靠性的重要步骤，电磁继电器的时间参数和动作参数是继电器出厂试验的重要参数。继电器在出厂检验过程中能够测试出其是否具有缺陷，是否满足设计要求，以便改进设计方案。

电磁继电器属于低压电器，它的测试和试验是保证继电器质量和可靠性的重要手段。电磁继电器的性能是由机械参数(触点开局、超程、触头压力等)和电气参数(吸合电压、释放电压、线圈电阻、触头接触电阻、动作时间和绝缘电阻等)来决定的，测试系统可以通过测试其机械参数和电气参数来确定其性能好坏。但是现在的电磁继电器不像其它低压电器一样，是可以直接测试和试验的。

现在的电磁继电器多为密封电磁继电器，其机械参数在电磁继电器装配完成以后是无法测试的，传统对电磁继电器触点机械参数测试的方法必须对电磁继电器的外壳拆除，进行破坏性的试验，拆卸的电磁继电器就不能再使用了。因电磁继电器触点的时间参数是可以进行测试的，触点时间参数又能够反映出触点机械参数，而触点机械参数直接影响到触点接触是否良好。如果触点接触不良，那么电磁继电器的可靠性就差。所以触点时间参数也是保证继电器质量特性的重要参数之一。

现有的继电器离线检测方法和手段是采用继电器和接触器以及电秒表等元件和设备搭成的测量电路,存在的技术缺陷有：

1.传统测量装置体积大、不易搬移且人为误差较大,从而导致测量准确度低工作效率不高的结果,不适于定期批量的全面检查的问题。

2.查阅资料，目前市场电磁式继电器的测试方法老旧，采用传统的离线检测，对于瞬时发生的继电器故障无法有效分析。

针对现有的继电器检测方法和手段的不足，开发一种手持式继电器在线测试仪及测试方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种手持式电力设备继电器在线测试仪及测试方法，一方面能够实时动态测量和监测常用继电器的工作参数和状态参数，另一方面能够动态监测和预报工作状态中的继电器的故障状态，进一步地，新的测试方法还能实现测试曲线的在线显示或离线分析功能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种手持式电力设备继电器在线测试仪，包括主控单元，主控单元分别连接显示单元、数据下载单元和电池电量检测单元；

所述的主控单元通过隔离单元分别连接采集单元、按键单元和蜂鸣器；

所述的各单元通过供电电源供电。

所述的主控单元采用ARM STM32处理器作为主控元件。

所述的主控单元包括模数转换器ADC和数字信号处理芯片DSP，所述的采集单元为ACQ采集单元，其用16bit的AD来实现模拟量的采集功能，采集单元外接测试接线笔。

所述的隔离单元为CPF隔离单元，CPF隔离单元用于实现采集单元信号与主控单元的隔离，将采集单元中的模拟量电信号通过隔离单元转化为数字量信号再传输给主控单元。

所述的数据下载单元为ATO数据下载单元，ATO数据下载单元选择通用的USB继电器触点工作状态检测接口，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯功能。

所述的按键单元用于实现菜单选择和确认功能，满足继电器在线测试仪的人机对话功能。

所述的蜂鸣器由主控单元控制，结合信号灯共同实现测试结果的声光报警提示功能。

所述的电池电量检测单元用于实时监测电池的电压、电流、充放电状况及剩余电量等参数状态的功能。

所述的测试仪本体上部设置的显示单元，位于测试仪本体表面设置有蜂鸣器、供电单元和按键单元，位于测试仪本体两侧设置有采集单元，测试仪本体底部设置有电池电量检测单元。

一种手持式电力设备继电器在线测试仪的测试方法：当第一个按键单元的按键按下时，数字信号处理芯片DSP控制16位的模数转换器ADC进行转换，这时模数转换器ADC对直流电磁继电器的触点电压通过采集单元进行采集，通过采集的触点电压能够判断出直流电磁继电器的触点是否动作，如果采集到的触点电压小于设定的阈值时，数字信号处理芯片DSP控制模数转换器ADC，使模数转换器ADC的输出电压逐渐增大，增大后的电压通过运放进行电压放大，使电路有足够的能量来驱动直流电磁继电器；

当驱动电压增加到一定的数值时，直流电磁继电器开始动作，直流电磁继电器触点断开，这时把采样点的电压拉高，模数转换器ADC采集到一个高电平，此时模数转换器ADC输出后经过运放放大的电压值就为直流电磁继电器的吸合电压，该电压可以通过模数转换器ADC的输出电压求出，并在显示单元的液晶上进行。

所述的模数转换器ADC型号为TLV5618。

本发明的有益效果：

1.测试结果准确。手持式继电器在线测试仪，采用STM32处理器作为ARM(主控单元)的主控元件,通过隔离单将模拟量与数字量隔离，采集单元采集数据经过ARM(主控单元)进行处理计算，构建精确的测量/测试电路，测试结果通过继电器在线测试仪上的液晶显示屏进行显示。对比传统的使用继电器和接触器以及电秒表等元件和设备搭成的测量电路的测试值，测试结果的精确度大幅提升。

2.测试方法简单。手持式在线测试仪器采用了ARM(主控单元)作为测试核心处理器，替换了传统的由继电器和接触器搭成的测量电路，体积成倍缩小，不再使用传统测量电路，测试流程简化，使用测试接线笔接触继电器的线圈两端即可完成测试。

3.实现在线测试。手持式在线测试仪器采用了隔离单元实现采集单元信号与主控单元的隔离作用。数字信号处理芯片DSP控制16位的数模转换器TLV5618进行转换，模数转换器ADC对直流电磁继电器的触点电压通过采集单元进行采集，采集单元中的模拟量电信号均通过隔离单元转化为数字量信号再传输给主控单元(ARM)，轻松实现继电器在线测试。

4.提升继电器检测频率和检测水平。手持式在线测试仪器改变了传统测试方法中交流电源供电方式，采用锂电池供电手持式结构，简化操作流程，降低了人力成本测试难度，利于测试仪推广和测试方法的掌握，提升继电器检测频率和检测水平，保证继电器的运行质量，提升控制系统的精度、可靠性和安全性。

研发的难易程度：

1.改变传统测试方法，实现继电器状态测试。传统的电磁继电器触点机械参数测试的方法为破坏性的试验，不利于测试工作的推广。本发明从新的角度，从测试电磁继电器触点时间参数的角度重新探讨电磁继电器性能新的测量方式。

2.本申请首次将ARM(主控单元)与继电器测试的数据处理相结合，突破继电器测试仪的重量瓶颈，轻松实现手持式测试仪的概念，在一定意义上改变测试方法，提升继电器检测频率和检测水平。

3.人性化考虑，多方面提升人机对话友好性。利用显示单元用于实现测试仪测试选项、测试结果的展示，为继电器在线测试仪实现人机对话功能提供硬件支持。数据下载单元采用通用的USB接口，实现对实测数据进行实时LCD显示，同时包含SD卡存储功能，SD卡数据还可以通过上位机进行离线回放数据。

4.本次研发中仪器的功能原理、图纸设计均为自主完成，最终确定方案，采购备件组装成品进行现场测试及结果验证，研发过程较为困难。

附图说明

图1为本发明外部结构示意图。

图2为本发明的系统框架示意图。

图3为本发明的软件、硬件设计示意图。

图4为本发明的上位机界面的功能流程示意图。

图5为本发明的下位机界面的功能流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种手持式电力设备继电器在线测试仪，主要以主控单元是测试仪的核心，其中，所述的主控单元分别连接显示单元、供电单元、电池电量检测单元、数据下载单元和隔离单元，又通过隔离单元分别连接采集单元、供电单元、按键单元和蜂鸣器等外设。

所述的主控单元是继电器在线测试仪的大脑，是整个测试仪器的核心，主控单元采用主流的ARM STM32处理器作为主控元件,通过它构建精确的测量/测试电路，含采用16bit的AD模拟量采集电路、数模转换器TLV5618和模数转换器ADC转换回路、线圈微电阻测量电路、触点开断监测电路等，实现对实测数据进行实时显示和SD卡存储，SD卡数据还可以通过上位机实现离线回放数据功能。

所述的数据下载单元为ATO数据下载单元，ATO数据下载单元选择通用的USB继电器触点工作状态检测接口，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯功能。

所述的隔离单元为CPF隔离单元，CPF隔离单元用于实现采集单元信号与主控单元的隔离，实现将采集单元中的模拟量电信号通过隔离单元转化为数字量信号再传输给主控单元功能。

所述的继电器本体包括上部设置的显示单元，位于继电器本体表面设置有蜂鸣器和按键单元，位于继电器本体两侧设置有采集单元，继电器本体底部设置有电池电量检测单元。

所述的显示单元用于实现测试仪测试选项、测试结果的展示功能，为继电器在线测试仪实现人机对话功能提供硬件支持。

所述的按键单元用于实现菜单选择和确认功能，满足继电器在线测试仪的人机对话功能。

所述的蜂鸣器由主控单元控制，结合信号灯共同实现测试结果的声光报警提示功能。

所述的电池电量检测单元用于实时监测电池的电压、电流、充放电状况及剩余电量等参数的监控功能。

所述的供电单元用于实现对整个装置供电功能。装置供电采用锂电池供电，突破继电器测试仪的重量瓶颈，轻松实现测试仪的手持式概念。

1、硬件部分

继电器在线测试仪利用主控单元(ARM)对高精度、快速的AD转换器实现线圈电压的精确监控，对线圈电阻的实时测量；并实现对触点状态的动态监控，编制相应的采集程序、监控程序、测量程序，显示程序、通信程序。能够实时显示继电器的工作电压、线圈电阻、触点状态时间及相应波形图表，能够将实测数据存储到SD卡，测试结果可通过计算机显示、记录，最终达到继电器状态在线监测的目的。

继电器在线测试仪外观组成：显示屏、报警器、键盘、测试端口(4个)、电池接口。(如图1)

继电器在线测试仪功能实现主要包括主控单元(ARM)、采集单元、隔离单元、显示单元、数据下载单元、供电单元、按键单元、蜂鸣器等外设、电池电量检测单元。(如图2)

所述的主控单元(ARM)：是整个测试仪器的核心，主控单元采用主流的STM32处理器作为主控元件,通过它构建精确的测量/测试电路，含采用16bit的AD模拟量采集电路、数模转换器TLV5618和模数转换器ADC转换回路、线圈微电阻测量电路、触点开断监测电路等，实现对实测数据实时显示和SD卡存储，SD卡数据还可以通过上位机实现离线回放数据功能。

所述的采集单元：采集单元是采用16bit的AD来实现模拟量的采集功能，采集单元1主要负责完成线圈电压量和线圈电阻检测采集，采集单元2负责实时完成触点工作状态检测的数据采集。

所述的隔离单元：采集单元中的继电器线圈电压量、线圈电阻检测和继电器触点工作状态检测状态的电信号通过隔离单元的转化为数字信号传给主控单元(ARM)前，完成了采集单元信号与主控单元的隔离作用。

所述的数据下载单元：数据下载单元采用通用的USB接口，实现对实测数据进行实时LCD显示，同时包含SD卡存储功能，SD卡数据还可以通过上位机进行离线回放数据。

所述的供电单元、按键单元、蜂鸣器等外设：供电单元、按键单元采用主流的硅胶按压式触点，实现菜单选择和确认功能，满足继电器在线测试仪的人机对话。蜂鸣器由主控单元(ARM)控制，结合信号灯共同实现测试结果的声光报警，提示操作人员观测测试结果。

所述的电池电量检测：电池电量检测通过智能锂电池监测芯片，可实时监测电池的电压、电流、充放电状况及剩余电量等参数,并可以把这些数据储存起来,提供给至主控单元(ARM)作相应处理。当电池的电压低于设定阈值，在人机对话屏幕上设定的图案发生变化，提醒操作人员更换新电池。

2.软件部分

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言的开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

本申请基于Labview软件和高精度的数据采集，编制USB采集程序，完成对SD卡数据的回放与处理，对多种常用继电器的主要特性如：触点状态、工作电压、线圈电阻的测试数据进行回放，可以通过液晶在线显示图形或通过上位机软件Labview离线回放数据并绘制相应的测试曲线。继电器在线测试仪装置的软件、硬件设计框图如图3所示。

继电器的上位机界面有这几方面的作用，一是选择所测试继电器的类型并同时打开和数据库系统管理软件的连接，读取相应参数表中的数据显示在列表框中；二是单击打开串口按钮建立和下位机串口的连接，同时设置串口通信的一些参数；三是单击不同的开始测试按钮，测试相应的参数，完成后下位机把数据发送给上位机显示在编辑框中，同时判断参数是否合格。功能流程框图如图4所示。

下位机程序的设计采用串口中断服务程序进行设计，在中断服务程序里进行不同参数测试指令的判断，然后执行相应程序代码，得到数据后在通过串口发送给上位机。完成一次测试后退出中断，进行等待下一次测试指令。在程序开始后首先进行系统初始化工作，包括STM32的IO口输出不同的电平让集成切换网络处于等待状态GPIO、USART、ADC等端口的初始化工作都是在程序运行开始阶段完成的。下位机软件设计流程图如图5所示。

本发明提供的一种手持式继电器在线测试仪及测试方法，可以进行线式实时监测功能，检测运行中继电器的工作状态，可通过检测运行中继电器的工作状态，监测线圈的工作电压、触点的开关状态，检测线圈的电阻值和触点的接触电阻，从而在线即分析出继电器的故障原因的手持式在线测试仪器。实时监测线圈的工作电压、触点的开关状态，检测线圈的电阻值和触点的接触电阻，自动绘制出继电器的吸合、返回的动作特性曲线等参数，从而可在线即可分析出继电器的故障情况和原因。通过构建精确的测量/测试电路，完成对多种常用继电器的主要特性如：触点状态、工作电压、线圈电阻进行自动测试与监控，并能够将这些参数存储到SD卡中，可以通过液晶在线显示图形或通过上位机软件Labview离线回放数据并绘制相应的测试曲线。

3.理论测试部分

所述的仪器测试实现过程包含开始、系统初始化、继电器类型、连接数据库、打开串口、开始测试、吸合电压、释放电压、吸合时间、释放时间、线圈电阻、触点电阻、显示数据、数据合格、红绿灯显示、结束。其中仪器开始测试后进行系统初始化；对继电器类型校验直到校验通过后才可以连接数据库；打开串口直到通过开始测试；测试的数据含吸合电压、释放电压、吸合时间、释放时间、线圈电阻和触点电阻，直到测试过程全部通过后显示单元显示数据；测试数据合格则显示绿灯，反之则显示红灯，测试过程结束。具体参考图3。

所述的仪器硬件测试部分包括电磁继电器的线圈采样信号、隔离调理、16位AD、CPU ARM、SD卡、蜂鸣器、后台显示；线圈采样信号包含线圈电压信号、线圈电流信号、触点电压信号、触点电流信号、电池电压信号、电池电流信号；后台显示包含线圈电压显示、线圈电流显示、线圈电阻显示、触点状态显示、电池状态显示、曲线显示。硬件测试过程：通过对电磁继电器的线圈同步采样的信号，进行隔离单元的隔离转化为16位AD数字信号发送给主控单元CPU ARM，再通过计算后由后台显示线圈电压、线圈电流、线圈电阻、触点状态、电池状态、曲线等数据，实现对实测数据进行实时的显示和SD卡存储，SD卡数据另一方面通过上位机进行离线回放数据。

所述的仪器软件测试过程包含开始、初始化变量、循环主程序、是否有串口中断、读取上位机测试指令、执行相关程序模块、测试成功向上位机发送数据。其中仪器开始后初始化变量，循环主程序后检查是否有串口中断，直到通过后读取上位机测试指令，执行相应的程序模块，测试成功后向上位机发送数据，测试过程结束。

4.实际测试论证

继电器的电压测试：当第一个按键单元的按键按下时，数字信号处理芯片DSP控制16位的数模转换器TLV5618进行转换，这时模数转换器ADC对直流电磁继电器的触点电压通过采集单元进行采集，通过采集的触点电压能够判断出直流电磁继电器的触点是否动作，如果采集到的触点电压小于设定的阈值时，数字信号处理芯片DSP控制TLV5618，使模数转换器ADC的输出电压逐渐增大，增大后的电压通过运放进行电压放大，使电路有足够的能量来驱动直流电磁继电器；

当驱动电压增加到一定的数值时，直流电磁继电器开始动作，直流电磁继电器触点断开，这时把采样点的电压拉高，模数转换器ADC采集到一个高电平，此时模数转换器ADC输出后经过运放放大的电压值就为直流电磁继电器的吸合电压，该电压可以通过模数转换器ADC的输出电压求出，并在显示单元的液晶上进行。

继电器的电阻测试：电磁继电器的线圈电阻是根据两路同步采样的信号，将线圈两端的电压值除以采集得到的电流值所得。具体的实现方法是，因为DA输出的电压可以计算出，第二路采集的线圈电流值也可以得到，两者的比值就是线圈电阻的阻值。

继电器的状态监测：根据继电器的线圈电压和触点两端的电压，即可以判断触点的状态。

对测试结果进行验证，测试数据正确，测试方法简便。该仪器结构简单、该系统体积小，手持式、精度高、使用简单、方便携带等优点。打破传统离线检测继电器测试方式，实现在线测试，极大简化测试流程，便于操作人员快速掌握测试方法，提升继电器检测频率和检测水平，保证继电器的运行质量，提升控制系统的精度、可靠性和安全性。

因此判断该手持式继电器在线测试仪具备进行继电器在线测试能力，可以正式作为继电器在线测试的工具，可广泛用于在汽车安全自动控制系统、机器生产设备、家用电器产品、轨道交通电气设备等控制领域，进行推广。

Claims (10)

1.一种手持式电力设备继电器在线测试仪，其特征在于，包括主控单元，主控单元分别连接显示单元、数据下载单元和电池电量检测单元；

所述的主控单元通过隔离单元分别连接采集单元、按键单元和蜂鸣器；

所述的各单元通过供电电源供电。

2.根据权利要求1所述的一种手持式电力设备继电器在线测试仪，其特征在于，所述的主控单元采用ARM STM32处理器作为主控元件。

3.根据权利要求1所述的一种手持式电力设备继电器在线测试仪，其特征在于，所述的主控单元包括模数转换器ADC和数字信号处理芯片DSP，所述的采集单元为ACQ采集单元，其用16bit的AD来实现模拟量的采集功能，采集单元为测试接线笔。

4.根据权利要求1所述的一种手持式电力设备继电器在线测试仪，其特征在于，所述的隔离单元为CPF隔离单元，CPF隔离单元用于实现采集单元信号与主控单元的隔离，将采集单元中的模拟量电信号通过隔离单元转化为数字量信号再传输给主控单元。

5.根据权利要求1所述的一种手持式电力设备继电器在线测试仪，其特征在于，所述的数据下载单元为ATO数据下载单元，ATO数据下载单元选择通用的USB继电器触点工作状态检测接口，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯功能。

6.根据权利要求1所述的一种手持式电力设备继电器在线测试仪，其特征在于，所述的按键单元用于实现菜单选择和确认功能，满足继电器在线测试仪的人机对话功能。

7.根据权利要求1所述的一种手持式电力设备继电器在线测试仪，其特征在于，所述的蜂鸣器由主控单元控制，结合信号灯共同实现测试结果的声光报警提示功能。

8.根据权利要求1所述的一种手持式电力设备继电器在线测试仪，其特征在于，所述的电池电量检测单元用于实时监测电池的电压、电流、充放电状况及剩余电量等参数状态的功能。

9.根据权利要求1所述的一种手持式电力设备继电器在线测试仪，其特征在于，所述的测试仪本体上部设置的显示单元，位于测试仪本体表面设置有蜂鸣器、供电单元、按键单元，位于测试仪本体两侧设置有采集单元，测试仪本体底部设置有电池电量检测单元。

10.基于权利要求1所述的一种手持式电力设备继电器在线测试仪的测试方法，其特征在于，当第一个按键单元的按键按下时，数字信号处理芯片DSP控制16位的模数转换器ADC进行转换，这时模数转换器ADC对直流电磁继电器的触点电压通过采集单元进行采集，通过采集的触点电压能够判断出直流电磁继电器的触点是否动作，如果采集到的触点电压小于设定的阈值时，数字信号处理芯片DSP控制模数转换器ADC，使模数转换器ADC的输出电压逐渐增大，增大后的电压通过运放进行电压放大，使电路有足够的能量来驱动直流电磁继电器；

当驱动电压增加到一定的数值时，直流电磁继电器开始动作，直流电磁继电器触点断开，这时把采样点的电压拉高，模数转换器ADC采集到一个高电平，此时模数转换器ADC输出后经过运放放大的电压值就为直流电磁继电器的吸合电压，该电压可以通过模数转换器ADC的输出电压求出，并在显示单元的液晶上进行。

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