便攜式安規(guī)綜合測試智能校準(zhǔn)裝置研發(fā)

歐陽柏添，蒙立光，陳惠珍

(廣東省江門市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所，廣東 江門 529000)

0 引 言

安規(guī)綜合測試儀通常是指具備對電氣強(qiáng)度、泄漏電流、接地導(dǎo)通電阻、絕緣電阻等安全參數(shù)進(jìn)行綜合測試的集成化儀器。根據(jù)JJG 795-2016《耐電壓測試儀檢定規(guī)程》[1]、JJG 1005-2005《電子式絕緣電阻表檢定規(guī)程》[2]、JJG 984-2004《泄漏電流測試儀檢定規(guī)程》[3]和JJG 843-2007《接地導(dǎo)通電阻測試儀檢定規(guī)程》[4]的要求，對安規(guī)綜合測試儀校準(zhǔn)需進(jìn)行電氣強(qiáng)度、泄漏電流、接地導(dǎo)通電阻、絕緣電阻等多項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)。莫華榮等[5-6]研究了單功能安規(guī)儀測試功能的校準(zhǔn)，如接地導(dǎo)通電阻測試儀校準(zhǔn)、耐電壓測試儀校準(zhǔn)；龐彬等[7]設(shè)計(jì)分壓電路，能通過驅(qū)動電路進(jìn)行電氣強(qiáng)度校準(zhǔn)模塊、泄漏電流校準(zhǔn)模塊、接地導(dǎo)通電阻校準(zhǔn)模塊和絕緣電阻校準(zhǔn)模塊的切換，實(shí)現(xiàn)不同功能的安規(guī)儀校準(zhǔn)，但功能、負(fù)載檔位少，未能實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的自動記錄；曹敏等[8-13]研究儀器儀表的自動化校準(zhǔn)及測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)與測試過程自動化與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動采集，但未見對安規(guī)儀多功能自動校準(zhǔn)的報(bào)道。

由于安規(guī)綜合測試儀校準(zhǔn)項(xiàng)目多，需進(jìn)行電氣強(qiáng)度、接地導(dǎo)通電阻、絕緣電阻、泄漏電流等功能校準(zhǔn)，且國內(nèi)外安規(guī)設(shè)備校準(zhǔn)裝置測試過程需要由人工接線，手工切換電路，難以自動智能進(jìn)行多項(xiàng)校準(zhǔn)任務(wù)。為此，本文研制一套便攜式安規(guī)綜合測試智能校準(zhǔn)裝置，依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用需求集電氣強(qiáng)度、絕緣電阻、接地導(dǎo)通電阻和泄漏電流測試功能于一體，設(shè)置多項(xiàng)校準(zhǔn)值預(yù)置檔位，將能實(shí)現(xiàn)全自動校準(zhǔn)與全過程數(shù)據(jù)記錄，提高校準(zhǔn)可溯源性。

1 安規(guī)綜合測試智能校準(zhǔn)裝置原理與需求

安規(guī)綜合測試儀的種類繁多、功能各異、性能指標(biāo)各不相同。為確保校準(zhǔn)裝置能滿足設(shè)計(jì)需求，分析市場上典型安規(guī)綜合測試儀技術(shù)參數(shù)，包括MN4255 AM安全性能綜合測試儀、AN9640B安全性能綜合測試儀、BH-DJT-801電機(jī)綜合測試系統(tǒng)、AN96951 M定子綜合測試儀、KY-DZ-04定子綜合測試臺等安規(guī)綜合測試儀等，獲得校準(zhǔn)裝置的測量范圍、準(zhǔn)確度等級與安規(guī)綜合測試儀技術(shù)參數(shù)對比如表1所示。

對安規(guī)儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)裝置模擬安規(guī)儀的測試對象接入安規(guī)儀：進(jìn)行絕緣電阻校準(zhǔn)時(shí)，安規(guī)儀輸出高壓進(jìn)入校準(zhǔn)裝置內(nèi)部定值高壓高值電阻，比較安規(guī)儀顯示的電阻值與校準(zhǔn)裝置內(nèi)部定值高壓高值電阻值；進(jìn)行接地導(dǎo)通電阻校準(zhǔn)時(shí)，安規(guī)儀輸出的電流接入校準(zhǔn)裝置內(nèi)部定值精密電阻，比較安規(guī)儀顯示的電阻值與校準(zhǔn)裝置內(nèi)部定值精密電阻值；進(jìn)行電氣強(qiáng)度與泄漏電流校準(zhǔn)時(shí)，安規(guī)儀輸出的電流或電壓接入校準(zhǔn)裝置，比較安規(guī)儀顯示的電流或電壓值與校準(zhǔn)裝置顯示的電流或電壓值。安規(guī)儀校準(zhǔn)常選取校準(zhǔn)范圍內(nèi)常用固定校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，故安規(guī)綜合測試智能校準(zhǔn)裝置的主要需求有：

表1 技術(shù)參數(shù)對比表

1) 多功能。通過使用PLC線路切換模塊，切換不同校準(zhǔn)功能模塊不同校準(zhǔn)點(diǎn)的線路接法，實(shí)現(xiàn)多功能校準(zhǔn)、多檔位校準(zhǔn)。該模塊可由PLC與繼電器組成，可提高裝置的穩(wěn)定性。

2) 多檔位。校準(zhǔn)裝置各功能校準(zhǔn)模塊具有多個(gè)定值精密電阻，通過切換不同阻值電阻，能實(shí)現(xiàn)一鍵切換不同檔位校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)安規(guī)儀全面快速校準(zhǔn)。

3) 自動化。PLC線路切換模塊能由上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動控制，實(shí)現(xiàn)多功能自動化校準(zhǔn)。

4) 數(shù)據(jù)可溯源。數(shù)字電表校準(zhǔn)數(shù)據(jù)需進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理、存儲，并在測試結(jié)束后，給出測試結(jié)果與生成測試報(bào)表。

2 安規(guī)綜合測試智能校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 校準(zhǔn)裝置的功能結(jié)構(gòu)框架

圖1為安規(guī)綜合測試智能校準(zhǔn)裝置架構(gòu)，包括上位機(jī)、PLC線路切換模塊、功能校準(zhǔn)模塊、數(shù)字電流表[14-15]。

上位機(jī)提供人機(jī)交互界面，連接并控制PLC線路切換模塊和數(shù)字電表；PLC控制各功能校準(zhǔn)模塊的分壓電阻繼電器，使被測安規(guī)儀的輸出測試信號接入各功能校準(zhǔn)模塊的不同分壓電阻；數(shù)字電流表分別與各功能校準(zhǔn)模塊和上位機(jī)連接，以測量電流值并傳輸至上位機(jī)。

2.2 校準(zhǔn)裝置的功能結(jié)構(gòu)框架

圖2為功能校準(zhǔn)模塊硬件電路圖，包括電氣強(qiáng)度校準(zhǔn)模塊、絕緣電阻校準(zhǔn)模塊、接地導(dǎo)通電阻校準(zhǔn)模塊與泄漏電流校準(zhǔn)模塊。

圖1 安規(guī)綜合測試智能校準(zhǔn)裝置架構(gòu)

1）電氣強(qiáng)度校準(zhǔn)模塊。電氣強(qiáng)度測量模塊包括高精度高壓分壓電路與擊穿報(bào)警電流測量電路。圖3為高精度高壓分壓電路，其中R1、R3分別為高值、低值負(fù)載電阻；R2、R4分別為一次、二次采樣電阻。R1=999 MΩ、R2=2 MΩ、R3=1.8 MΩ、R4=0.2 MΩ，分壓比例K為

圖4為擊穿報(bào)警電流測量電路。通過PLC切換繼電器開關(guān)，將被校安規(guī)綜合測試儀高壓輸出到不同的負(fù)載電阻，從而獲得預(yù)定電流值，校準(zhǔn)安規(guī)儀測得的電流與校準(zhǔn)裝置所輸出電流值，完成安規(guī)儀的多檔位電氣強(qiáng)度校準(zhǔn)。

2）接地導(dǎo)通電阻校準(zhǔn)模塊。圖5為接地導(dǎo)通電阻測量電路，接地導(dǎo)通電阻測量模式有四線制、兩線制2種校準(zhǔn)方法。

四線制測量時(shí)，閉合KM17，電位端固定接于P0、P1端子，電流端固定接于 C0、C1端子，閉合KM19～KM24之一，可改變校準(zhǔn)裝置內(nèi)部接地導(dǎo)通電阻輸出值大小。兩線制測量時(shí)，電流端在C0、C1端子間移動。如校準(zhǔn)電流時(shí)，閉合KM18、KM21，電流從R23兩端輸入。

3）泄漏電流校準(zhǔn)模塊。圖6為泄漏電流測試電路，以常用243 V為測試電壓，分0.2～10 mA共6個(gè)量程。

4）絕緣電阻校準(zhǔn)模塊。圖7為絕緣電阻輸出電路，絕緣電阻輸出電阻值范圍為1～1 000 MΩ。通過PLC切換繼電器開關(guān)，將被校安規(guī)綜合測試儀高壓輸出到不同負(fù)載電阻，比較安規(guī)儀測得電阻與校準(zhǔn)裝置所選絕緣電阻值，完成安規(guī)儀多檔位絕緣電阻校準(zhǔn)。

圖2 硬件電路圖

圖3 高精度高壓分壓電路

圖4 擊穿報(bào)警電流測量電路

圖5 接地導(dǎo)通電阻測量電路

圖6 泄漏電流測試電路

2.3 綜合測試軟件設(shè)計(jì)

安規(guī)綜合測試智能校準(zhǔn)軟件開發(fā)平臺為LabVIEW。圖8為校準(zhǔn)軟件功能結(jié)構(gòu)框圖，其中系統(tǒng)初始化模塊用于裝置各模塊的完整性驗(yàn)證及建立通信連接，完成校準(zhǔn)項(xiàng)目與校準(zhǔn)點(diǎn)選擇；PLC功能控制模塊用于控制裝置PLC，以將線路切換至不同校準(zhǔn)功能與校準(zhǔn)點(diǎn)所需線路；電參數(shù)測量模塊采集校準(zhǔn)過程數(shù)字電表的實(shí)測電參數(shù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊將采集的電參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與存儲，并進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果分析。

圖7 絕緣電阻輸出電路

圖8 綜合校準(zhǔn)軟件功能結(jié)構(gòu)

圖9為校準(zhǔn)軟件主界面，包括測試控制按鈕、校準(zhǔn)設(shè)置與電參數(shù)實(shí)時(shí)顯示界面。圖10為校準(zhǔn)初始化界面，只需選擇所需校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)點(diǎn)，系統(tǒng)即可按照校準(zhǔn)規(guī)范自動對安規(guī)儀進(jìn)行多功能、多檔位校準(zhǔn)。

2.4 自動測試流程

圖11是智能校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)安規(guī)儀流程圖，具體校準(zhǔn)流程為：1）按照接線要求連接被校安規(guī)儀與校準(zhǔn)裝置輸入輸出線路，在上位機(jī)選擇校準(zhǔn)項(xiàng)目與校準(zhǔn)點(diǎn)；2）上位機(jī)控制PLC線路切換模塊，將校準(zhǔn)裝置內(nèi)部校準(zhǔn)功能模塊切換至待測項(xiàng)目校準(zhǔn)點(diǎn)所需電路接線；3）開始校準(zhǔn)，被校安規(guī)儀輸出電壓、電流信號至校準(zhǔn)裝置，輸入被校安規(guī)儀電參數(shù)示值至上位機(jī)；上位機(jī)記錄與顯示校準(zhǔn)裝置測得實(shí)際電參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，校準(zhǔn)安規(guī)儀；4）返回步驟2），進(jìn)行下一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，直至完成該項(xiàng)目所有校準(zhǔn)點(diǎn)校準(zhǔn)；5）返回步驟2），選擇下一個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目，或結(jié)束校準(zhǔn)。

圖9 校準(zhǔn)軟件主界面

圖10 校準(zhǔn)初始化界面

圖11 校準(zhǔn)裝置實(shí)際測試圖

3 試驗(yàn)與分析

使用便攜式安規(guī)綜合測試智能校準(zhǔn)裝置對系列安規(guī)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖11所示。

校準(zhǔn)過程中，裝置能完全按照《耐電壓測試儀檢定規(guī)程》、《電子式絕緣電阻表檢定規(guī)程》、《泄漏電流測試儀檢定規(guī)程》和《接地導(dǎo)通電阻測試儀檢定規(guī)程》要求，對安規(guī)儀進(jìn)行多項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)束后，裝置能根據(jù)所記錄數(shù)據(jù)給出校準(zhǔn)結(jié)果并進(jìn)行分析，如表2～表5所示。

表2 絕緣電阻校準(zhǔn)結(jié)果

表3 接地導(dǎo)通電阻校準(zhǔn)結(jié)果

表4 泄漏電流校準(zhǔn)結(jié)果

表5 電氣強(qiáng)度擊穿報(bào)警電流校準(zhǔn)結(jié)果

可以看出，使用本裝置后，安規(guī)儀校準(zhǔn)過程中線路切換、檔位切換、數(shù)據(jù)記錄、結(jié)果分析均可由裝置按測試規(guī)范自動完成，無需人工操作，提高了測試規(guī)范性與安全性。人工使用其他傳統(tǒng)儀器校準(zhǔn)安規(guī)儀與使用智能校準(zhǔn)裝置自動校準(zhǔn)對比如表6所示。

表6 傳統(tǒng)校準(zhǔn)與本裝置校準(zhǔn)效果對比表

4 結(jié)束語

1）本文通過調(diào)研國內(nèi)外多個(gè)安規(guī)儀校準(zhǔn)需求，研制出集電氣強(qiáng)度、絕緣電阻、接地導(dǎo)通電阻和泄漏電流等安規(guī)測試全功能于一體的綜合校準(zhǔn)裝置，只需一臺校準(zhǔn)裝置便可完成安規(guī)儀多項(xiàng)功能校準(zhǔn)。

2）根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)程及工業(yè)現(xiàn)場校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)多個(gè)安規(guī)測試值預(yù)置檔位，結(jié)合PLC控制，實(shí)現(xiàn)全自動快速精確換擋及多功能、多量程校準(zhǔn)，大大提高校準(zhǔn)效率。

3）設(shè)計(jì)基于LabVIEW虛擬儀器軟件，自動智能校準(zhǔn)安規(guī)測試儀，提升校準(zhǔn)可溯源性與可靠性。

下一步將研究安規(guī)儀校準(zhǔn)裝置的多功能集成、小型化與通用性設(shè)計(jì)，將為安規(guī)測試儀及其他儀器的綜合校準(zhǔn)提供途徑，對其他行業(yè)校準(zhǔn)裝置改造也具備一定的參考、推廣價(jià)值。