數(shù)字絕緣電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝一菁

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數(shù)字絕緣電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝一菁

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建漳州 363000）

傳統(tǒng)數(shù)字萬(wàn)用表、絕緣電阻表均為不同的測(cè)量?jī)x器，提出一種數(shù)字絕緣電阻表測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案，將這兩種儀器合并為一種手持式儀表，本測(cè)試儀具有智能化和功能多的特點(diǎn)，并且具有性能完善、測(cè)量精準(zhǔn)、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，是一款具有廣泛用途的新型手持式測(cè)量?jī)x器。

數(shù)字測(cè)量；手持式測(cè)試儀；數(shù)字萬(wàn)用表；絕緣電阻表

絕緣電阻測(cè)試儀主要用于測(cè)量電力設(shè)備的絕緣電阻，計(jì)算其吸收比或極化指數(shù)，判斷設(shè)備絕緣是否合格，然后決定是否電力設(shè)備絕緣性能試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)，為后續(xù)試驗(yàn)提供安全保障。這種儀表是電工和電氣維修人員及科研人員必備儀器。如果能開(kāi)發(fā)出一種具有電參數(shù)測(cè)量、絕緣電阻測(cè)量測(cè)試功能為一體的便攜式多功能測(cè)試儀表，那它既可以更好地滿足用戶的需求，對(duì)電力設(shè)備和家庭用電設(shè)備的安全也提供更有力的測(cè)試保障[1]，同時(shí)也更符合當(dāng)前倡導(dǎo)的節(jié)能和環(huán)保的消費(fèi)趨勢(shì)，因而具有極大的市場(chǎng)發(fā)展空間。

數(shù)字絕緣電阻表測(cè)試儀集成絕緣電阻測(cè)試和數(shù)字萬(wàn)用表為一體，設(shè)計(jì)成具有智能化、多功能的特點(diǎn)和容量大、抗干擾強(qiáng)、測(cè)試精準(zhǔn)、操作簡(jiǎn)單、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，是一款應(yīng)用廣泛的新型手持式測(cè)量?jī)x器。

1總體設(shè)計(jì)方案

本測(cè)試儀核心部分采用一只智能化數(shù)字萬(wàn)用表專用集成電路ES51921和一只高性能微控制器MSP430F2111相結(jié)合，完成對(duì)項(xiàng)目的不同性質(zhì)物理量（電壓、電流、電阻和時(shí)間）的測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)單片機(jī)之間的雙向通信，將所測(cè)得的結(jié)果由一個(gè)液晶顯示器（LCD）顯示出來(lái)。ES51921是一只數(shù)字萬(wàn)用表專用高性能、低功耗、33/4位帶微處理器的模/數(shù)變換器（ADC+MCU），它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字萬(wàn)用表的全部測(cè)量和顯示功能，并可對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)具有數(shù)據(jù)雙向傳輸功能，作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字智能化測(cè)量的控制核心[2]。MSP430F2111是美國(guó)德州生產(chǎn)的一款高性能的微控制器[3]，作為計(jì)時(shí)器即使微秒級(jí)也能輕易做到，它可以實(shí)現(xiàn)RCD分?jǐn)鄷r(shí)間的測(cè)量和泄露電流的控制以及對(duì)絕緣測(cè)試DC-DC轉(zhuǎn)換的控制。其工作原理如圖1。

圖1 工作原理圖

2 絕緣電阻數(shù)字化測(cè)量的研究及線路設(shè)計(jì)

絕緣體將通電導(dǎo)體與大地相互分離，它必須具備足夠高的電阻，才能確保導(dǎo)體和大地間的導(dǎo)電電流非常小。理想的絕緣電阻應(yīng)無(wú)窮大且無(wú)導(dǎo)電電流。但實(shí)際上，在通電導(dǎo)體和大地間仍有微小電流通過(guò)，即為泄漏電流，該電流一般由導(dǎo)體電流、電容電流、表面泄漏電流三個(gè)部分組成[2]。所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)要使用直流高壓，這樣可以避免當(dāng)測(cè)量工作存在有不良絕緣或者低電壓時(shí)無(wú)法察覺(jué)的一些潛在性故障。絕緣測(cè)試時(shí)使用的電壓通常高于回路中使用電壓。

傳統(tǒng)的絕緣測(cè)試儀表是兆歐表也叫“搖表”，是由手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的高壓施加在被測(cè)物體上，通過(guò)測(cè)量流經(jīng)被測(cè)物體的電流來(lái)測(cè)量其絕緣電阻，其操作麻煩、精度低[3]。要實(shí)現(xiàn)絕緣電阻測(cè)量的數(shù)字化，首先必須實(shí)現(xiàn)測(cè)量的電子化，所以手搖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的測(cè)試高壓必須由電池供電電壓轉(zhuǎn)換為直流高壓替代。本項(xiàng)目的絕緣測(cè)量方案如圖2所示，利用先進(jìn)高效PWM的DC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù)將電池電壓轉(zhuǎn)換為測(cè)試電壓，電路里還設(shè)置電流電壓轉(zhuǎn)換器，電流電壓轉(zhuǎn)換器將測(cè)試電壓施加于被測(cè)物上而產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字二進(jìn)制編碼并經(jīng)微處理器計(jì)算和處理，由LCD顯示器顯示出相應(yīng)的電阻值[4]。

圖2 絕緣測(cè)量方案圖

2.1.1 直流電壓變換器（DC-DC變換器）

DC-DC變換器是將電池直流電壓轉(zhuǎn)換為直流高壓，并用它做為測(cè)試電壓，它是電子式絕緣測(cè)量的重要部分[4]。本項(xiàng)目采用脈寬調(diào)制（PWM）型開(kāi)關(guān)電源集成控制器SG3524將電池提供的直流電壓變換為脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)升壓變壓器轉(zhuǎn)化為高壓脈沖，再由倍壓整流電路將高壓脈沖平滑成直流高壓測(cè)試電壓，通過(guò)輸出電壓控制電路調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)其輸出電壓大小[4]。圖3是應(yīng)用SG3524集成電路芯片將電池的直流電壓升壓至直流高壓實(shí)際電路。

圖3 DC9V-DC1000V 升壓轉(zhuǎn)換電路

圖3中SG3524是升壓電路的核心，其第10管腳（Shutdown）是啟動(dòng)控制端，它受來(lái)自MSP430F2111微處理器輸出控制信號(hào)的控制。當(dāng)微處理器輸出啟動(dòng)控制信號(hào)后，開(kāi)關(guān)管Q1得到由SG3524直接提供的脈寬調(diào)制信號(hào)，由Q1將脈寬調(diào)制信號(hào)推動(dòng)升壓變壓器，這樣就可以得到升壓后的高壓脈沖，要得到平滑的直流高壓，還需再由倍壓整流電路形成直流高壓輸出。輸出電壓的頻率是由管腳6外接的振蕩電阻R5、管腳7連接的電容C2共同確定的。要得到穩(wěn)定的輸出電壓，設(shè)計(jì)思路是經(jīng)SG3524第1管腳接入電阻R1、R2，由電阻R1、R2提供取樣電壓，與管腳2的參考電壓進(jìn)行比較，再由脈寬調(diào)制器把SG3524內(nèi)部誤差放大器輸出的電壓脈沖的占空比進(jìn)行改變，從而得到穩(wěn)定的輸出電壓。

由SG3524可知：

開(kāi)關(guān)頻率：f ≈ 1.30/(RT CT) = 1.30/(2*0.02) = 32.5 (kHz)

其中: RT單位為kW，CT單位為F，f單位為kHz

輸出電壓：Vo = 2.5V * (1+R1/R2) = 2.5V *(1+ 2000/10) = 502.5V ≈ 500V

光學(xué)透霧使用透霧鏡頭配合支持透霧的攝像機(jī)組合成的光學(xué)透霧組合，呈現(xiàn)最為明顯的效果，光學(xué)透霧能夠觀察到霧氣后方的景物，具有層次和立體感。

2.1.2微電流放大

要測(cè)量高達(dá)2000MW的絕緣電阻，由于采用DC1000V的測(cè)試電壓，其最小測(cè)試電流只有250nA，因此必需選用低漂移、低失調(diào)電壓和高精度的運(yùn)算放大器，所以選用直流運(yùn)用斬波運(yùn)算放大器。

從圖4可以看出，集成運(yùn)算放大器A及反饋電阻Rf組成一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換器（I-V轉(zhuǎn)換），它將電流Io轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vo輸出，Io為被測(cè)絕緣電阻Rx的電流。

圖4電流電壓轉(zhuǎn)換器電路

當(dāng)測(cè)試電壓Vi作用于待測(cè)電阻Rx上時(shí)，根據(jù)運(yùn)算放大器特性，同相端與反相端電位相等，當(dāng)同相端為接地點(diǎn)，電位為零，那么反相端（測(cè)試端-）同樣為零電位，由歐姆定律可得：

Io = Vi/Rx （1）

所以運(yùn)算放大器的輸出電壓：

Vo = -Io * Rf （2）

將（1）代入（2）得：

Vo = -Vi * Rf/Rx （3）

設(shè) k=-Rf 則：

Rx= -Vi * Rf/Vo = k * Vi/Vo （4）

2.1.3絕緣電阻的計(jì)算和顯示

數(shù)字萬(wàn)用表專用集成電路ES51921，其顯示數(shù)值COUNT = 1000* VIN/VREF。由公式（4），我們利用開(kāi)關(guān)將Vi、Vo切換到ES51921的輸入端和參考端，既把絕緣電阻測(cè)試電壓Vi作為ES51921的VIN，將與Rx相關(guān)的電壓Vo當(dāng)成VREF，只要調(diào)節(jié)常數(shù)k，其顯示數(shù)值就直接為Rx，就可以得到絕緣電阻的阻值。這正是利用ES51921智能化數(shù)字萬(wàn)用表專用集成電路對(duì)電壓測(cè)量功能來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣電阻測(cè)量的數(shù)字化。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字萬(wàn)用表、絕緣電阻表均為不同的測(cè)量?jī)x器，將這二種儀器合并為一種手持式儀表，是一種創(chuàng)新。因此，開(kāi)展多功能綜合性測(cè)試儀表的技術(shù)研究，將具有重要的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)意義。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，開(kāi)發(fā)出一種將數(shù)字萬(wàn)用表、絕緣電阻表等多種儀表功能集成為一體的便攜式的新型手持式多功能測(cè)試儀。其用途廣闊，可為電工和電氣維修人員提供一種功能齊全、攜帶方便的測(cè)量工具，具有技術(shù)首創(chuàng)性，具有重大的技術(shù)意義。目前該測(cè)試儀已研制成功，并投入生產(chǎn)。產(chǎn)品經(jīng)漳州市計(jì)量所檢驗(yàn)合格，具體參數(shù)指標(biāo)和精度如表1所示。產(chǎn)品指標(biāo)符合《GB/T13978 數(shù)字多用表通用技術(shù)條件》、《JJG1005-2005 電子式絕緣電阻表檢定規(guī)程》要求，并具有技術(shù)創(chuàng)新性，有較大的技術(shù)意義，也具有較好的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)潛力。

表1 多功能測(cè)試儀參數(shù)測(cè)試結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：季平）

Design and implementation of digital insulation resistance tester

XIE Yi-jing

(Electronic Engineering Department, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000, China)

A digital insulation resistance meter tester design, and designed as a hand-held instrument. The tester has a multi-functional, intelligent features and intuitive display, accurate readings, perfect function, low power consumption, small size, easy to carry, etc., is a widely used new measuring instruments.

digital measurement; tester; digital multimeter; insulation resistance meter

TM934.1

A

1673-1417（2016）03-0007-04 doi:10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2016.03.0002

2016－03－10

謝一菁（1969—），女，福建福州人，副教授，從事電工電子技術(shù)研究。