多通道絕緣電阻測試儀的研制

葉健 胡琪 解佳鵬 鄭強

(第七一五研究所，杭州，310012)

隨著聲吶裝備的發(fā)展，換能器基陣的規(guī)模日趨增大，路數(shù)以上百計。絕緣電阻是判斷換能器性能好壞的一個重要指標(biāo)，由于長時間的海水浸泡及自然老化，換能器兩極之間及換能器對機殼之間的絕緣電阻會逐漸下降，當(dāng)絕緣電阻下降到一定值時，換能器本身性能乃至聲吶設(shè)備的性能都會受到影響。所以，對換能器絕緣電阻的測量是日常維護的一項重要工作。使用傳統(tǒng)兆歐表需逐個測量，且讀數(shù)不準(zhǔn)確，往往還需2人配合，一人測量，一人記錄，工作量較大。傳統(tǒng)測量方法已不能滿足日常維護工作的需要，多通道絕緣電阻測試儀（以下簡稱測試儀）可滿足此測量工作的需求。

1 系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

測量絕緣電阻的方法通常采用惠斯登電橋法[1]。采用電橋比率法，既可提高測量精度，又能降低高壓波動對測量結(jié)果的影響，電橋比率法的原理見文獻(xiàn)[2]。本測試儀采用電橋比率法，在絕緣系統(tǒng)上施加直流高壓，然后通過采樣網(wǎng)絡(luò)，輸出合適的采樣電壓，利用高性能微處理器來控制測量并計算出絕緣電阻值。測試儀還采用了繼電器陣列設(shè)計多路切換電路，來實現(xiàn)對多通道的巡回檢測。

1.2 主要功能

測試儀可以完成以下功能：（1）單路絕緣電阻檢測功能，可選用500 V或1000 V兩檔測試電壓進(jìn)行測量；（2）多路自動檢測功能，能實現(xiàn)一次性12路通道絕緣電阻的自動巡回測量；（3）能在顯示屏上同時顯示測量結(jié)果，并保留測量結(jié)果值至下一次測量或關(guān)機；（4）當(dāng)絕緣電阻值小于100 kΩ時，進(jìn)行蜂鳴報警。

1.3 系統(tǒng)組成框圖

測試儀系統(tǒng)由DC-DC高壓電源產(chǎn)生模塊、絕緣電阻檢測電路、單路/多路測量切換電路、MCU信號處理電路（含 AD采樣轉(zhuǎn)換）、顯示模塊等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 多通道絕緣電阻測試儀系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 DC-DC高壓電源模塊電路

測試高壓的電壓波動會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。因此，高壓電源的設(shè)計要求穩(wěn)壓，波動小。本設(shè)計采用半波并聯(lián)倍壓電路，并采用推挽電路形式，將12 V直流電源轉(zhuǎn)換為固定頻率的方波，經(jīng)過變壓器升壓后，再倍壓整流，產(chǎn)生1000 V直流高壓。經(jīng)測試，輸出直流電壓的精度可達(dá)±3%。DC-DC高壓電源電路的電路圖如圖2。

2.2 測量電路

根據(jù)電橋比率法測量原理，得到兩個電壓值，參考電壓Ur和采樣電壓U0分別送入單片機自帶的AD轉(zhuǎn)換器，AD的參考電壓利用其內(nèi)部參考電壓，R1、R2及Rm，R0的選值要考慮AD的輸入范圍及其參考電壓的電壓值。C8051F120自帶12位AD轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部參考電壓 2.4 V，AD輸入信號范圍0～2.4 V。當(dāng)外部待測電路短路，待測電阻Rx為0時，U0將得到最大值，為了保證AD的正常使用，需將此值限制在2.4 V以內(nèi)。取Rm為1 MΩ，R0為2 kΩ，當(dāng)測試高壓為1000 V時，外部短路情況下，U0=2 V。試驗證明，Rm的合理取值可以有效的保護后級的AD轉(zhuǎn)換電路。為了減小高頻干擾，可以在Ur和U0取值處對地并聯(lián)兩個濾波電容，對測量的穩(wěn)定度有所提高。測量電路原理圖見圖3。

圖2 DC-DC高壓電源電路的電路圖

圖3 測量電路原理圖

根據(jù)電橋比率法原理，由于引入了基準(zhǔn)參考電壓Ur，電源電勢ES對測量結(jié)果的影響已經(jīng)消除。待測電阻Rx的計算公式可由下式得到：

2.3 單路/多路測量切換電路

多路切換電路實現(xiàn)的功能是對被測的 12路通道進(jìn)行自動巡回檢測。由單片機控制切換碼，經(jīng)過譯碼器74HC4514后，輸出13個信號分別控制繼電器的切換。13個小型高壓繼電器組成繼電器陣列，其中12個繼電器切換正端，1個繼電器切換負(fù)端。負(fù)端在多路測量過程中并不進(jìn)行切換，僅在單路測量和多路測量模式下進(jìn)行切換。經(jīng)過切換電路可以實現(xiàn)單路測量和多路測量的完全切換。實測單路測量僅需約3 s，多路測量12路通道巡回一輪僅需約40 s。切換電路原理圖如圖4。

圖4 單路/多路測量切換電路原理圖

2.4 顯示模塊

測試儀的顯示屏尺寸為94.5 mm ×59.0 mm，從節(jié)電方面考慮，僅在測試過程中點亮白色背光，測試完畢背光消去。由于本測試儀具有保留顯示的功能，在測試完畢后，仍可讀取測量數(shù)值。且此液晶屏在不點亮背光的情況下，依靠自然光線或普通燈光，仍可以清晰讀取屏幕，此節(jié)電設(shè)計即不影響測量，又可延長儀器的使用時間。液晶屏與單片機之間的連接也非常簡單，提供+3.3 V電源，與單片機之間為串口通訊，只需4根連線即可控制屏幕的顯示。

3 測試結(jié)果分析

通過測量高阻值電阻，與數(shù)字兆歐表VC60D+測量結(jié)果及三用表FLUKE179測量結(jié)果進(jìn)行比對，對測試儀的準(zhǔn)確度和線性度進(jìn)行測試，測量結(jié)果見表 1。由于高阻值電阻本身的精度為±5%，誤差較大，精度值是與數(shù)字兆歐表VC60D+的測量結(jié)果進(jìn)行比對和計算得出的?？梢园l(fā)現(xiàn)，三用表對兆歐及以上的電阻值測量精度較差，數(shù)字兆歐表VC60D+對高阻值絕緣電阻的測量較準(zhǔn)確，但對6 M以下絕緣電阻無法測量。本測試儀的精度高，較低電阻的測量也很準(zhǔn)確。

表1 實驗測量結(jié)果

4 結(jié)束語

多通道絕緣電阻測試儀是一種智能多功能測試儀，在性能指標(biāo)上與換能器日常測量維護所需的要求相當(dāng)：量程為1 kΩ～300 MΩ，無論在小電阻還是大電阻，其準(zhǔn)確度都能滿足要求；能實現(xiàn)12路通道一次性自動巡回測量，并將測量結(jié)果保留顯示，方便使用過程中對數(shù)據(jù)的記錄；具有低絕緣電阻（<100 kΩ）蜂鳴報警功能；使用蓄電池供電，方便攜帶，使用簡單。具備檢測電池電量功能，提供電量不足顯示報警，非常適合基陣的日常維護檢測。

[1]程運安, 吳永忠, 魏臻, 等. 電橋法電纜絕緣測試儀的設(shè)計及精度分析[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,30(9).

[2]翟月華, 胡恩華, 畢向偉. 一種新型智能絕緣測試裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J].鐵道通信信號, 2007,43(2).