數字絕緣電阻測試儀的設計與實現

謝一菁

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數字絕緣電阻測試儀的設計與實現

謝一菁

（漳州職業技術學院電子工程系，福建漳州 363000）

傳統數字萬用表、絕緣電阻表均為不同的測量儀器，提出一種數字絕緣電阻表測試儀的設計方案，將這兩種儀器合并為一種手持式儀表，本測試儀具有智能化和功能多的特點，并且具有性能完善、測量精準、易于攜帶等優點，是一款具有廣泛用途的新型手持式測量儀器。

數字測量；手持式測試儀；數字萬用表；絕緣電阻表

絕緣電阻測試儀主要用于測量電力設備的絕緣電阻，計算其吸收比或極化指數，判斷設備絕緣是否合格，然后決定是否電力設備絕緣性能試驗和耐壓試驗，為后續試驗提供安全保障。這種儀表是電工和電氣維修人員及科研人員必備儀器。如果能開發出一種具有電參數測量、絕緣電阻測量測試功能為一體的便攜式多功能測試儀表，那它既可以更好地滿足用戶的需求，對電力設備和家庭用電設備的安全也提供更有力的測試保障[1]，同時也更符合當前倡導的節能和環保的消費趨勢，因而具有極大的市場發展空間。

數字絕緣電阻表測試儀集成絕緣電阻測試和數字萬用表為一體，設計成具有智能化、多功能的特點和容量大、抗干擾強、測試精準、操作簡單、便于攜帶等優點，是一款應用廣泛的新型手持式測量儀器。

1總體設計方案

本測試儀核心部分采用一只智能化數字萬用表專用集成電路ES51921和一只高性能微控制器MSP430F2111相結合，完成對項目的不同性質物理量（電壓、電流、電阻和時間）的測量，然后經過兩個單片機之間的雙向通信，將所測得的結果由一個液晶顯示器（LCD）顯示出來。ES51921是一只數字萬用表專用高性能、低功耗、33/4位帶微處理器的模/數變換器（ADC+MCU），它可以實現數字萬用表的全部測量和顯示功能，并可對電壓信號進行測量，同時具有數據雙向傳輸功能，作為實現數字智能化測量的控制核心[2]。MSP430F2111是美國德州生產的一款高性能的微控制器[3]，作為計時器即使微秒級也能輕易做到，它可以實現RCD分斷時間的測量和泄露電流的控制以及對絕緣測試DC-DC轉換的控制。其工作原理如圖1。

圖1 工作原理圖

2 絕緣電阻數字化測量的研究及線路設計

絕緣體將通電導體與大地相互分離，它必須具備足夠高的電阻，才能確保導體和大地間的導電電流非常小。理想的絕緣電阻應無窮大且無導電電流。但實際上，在通電導體和大地間仍有微小電流通過，即為泄漏電流，該電流一般由導體電流、電容電流、表面泄漏電流三個部分組成[2]。所以在設計電路時要使用直流高壓，這樣可以避免當測量工作存在有不良絕緣或者低電壓時無法察覺的一些潛在性故障。絕緣測試時使用的電壓通常高于回路中使用電壓。

傳統的絕緣測試儀表是兆歐表也叫“搖表”，是由手搖發電機產生的高壓施加在被測物體上，通過測量流經被測物體的電流來測量其絕緣電阻，其操作麻煩、精度低[3]。要實現絕緣電阻測量的數字化，首先必須實現測量的電子化，所以手搖發電機產生的測試高壓必須由電池供電電壓轉換為直流高壓替代。本項目的絕緣測量方案如圖2所示，利用先進高效PWM的DC-DC轉換技術將電池電壓轉換為測試電壓，電路里還設置電流電壓轉換器，電流電壓轉換器將測試電壓施加于被測物上而產生的電流轉換為相應的電壓值，然后送入模數轉換器轉換為數字二進制編碼并經微處理器計算和處理，由LCD顯示器顯示出相應的電阻值[4]。

圖2 絕緣測量方案圖

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換為直流高壓，并用它做為測試電壓，它是電子式絕緣測量的重要部分[4]。本項目采用脈寬調制（PWM）型開關電源集成控制器SG3524將電池提供的直流電壓變換為脈寬調制信號，經升壓變壓器轉化為高壓脈沖，再由倍壓整流電路將高壓脈沖平滑成直流高壓測試電壓，通過輸出電壓控制電路調節脈沖寬度來實現其輸出電壓大小[4]。圖3是應用SG3524集成電路芯片將電池的直流電壓升壓至直流高壓實際電路。

圖3 DC9V-DC1000V 升壓轉換電路

圖3中SG3524是升壓電路的核心，其第10管腳（Shutdown）是啟動控制端，它受來自MSP430F2111微處理器輸出控制信號的控制。當微處理器輸出啟動控制信號后，開關管Q1得到由SG3524直接提供的脈寬調制信號，由Q1將脈寬調制信號推動升壓變壓器，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。要得到穩定的輸出電壓，設計思路是經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的參考電壓進行比較，再由脈寬調制器把SG3524內部誤差放大器輸出的電壓脈沖的占空比進行改變，從而得到穩定的輸出電壓。

由SG3524可知：

開關頻率：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

光學透霧使用透霧鏡頭配合支持透霧的攝像機組合成的光學透霧組合，呈現最為明顯的效果，光學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

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

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

圖4電流電壓轉換器電路

當測試電壓Vi作用于待測電阻Rx上時，根據運算放大器特性，同相端與反相端電位相等，當同相端為接地點，電位為零，那么反相端（測試端-）同樣為零電位，由歐姆定律可得：

Io = Vi/Rx （1）

所以運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 k=-Rf 則：

Rx= -Vi * Rf/Vo = k * Vi/Vo （4）

2.1.3絕緣電阻的計算和顯示

數字萬用表專用集成電路ES51921，其顯示數值COUNT = 1000* VIN/VREF。由公式（4），我們利用開關將Vi、Vo切換到ES51921的輸入端和參考端，既把絕緣電阻測試電壓Vi作為ES51921的VIN，將與Rx相關的電壓Vo當成VREF，只要調節常數k，其顯示數值就直接為Rx，就可以得到絕緣電阻的阻值。這正是利用ES51921智能化數字萬用表專用集成電路對電壓測量功能來實現絕緣電阻測量的數字化。

3 結束語

目前國內的數字萬用表、絕緣電阻表均為不同的測量儀器，將這二種儀器合并為一種手持式儀表，是一種創新。因此，開展多功能綜合性測試儀表的技術研究，將具有重要的經濟和技術意義。通過項目的實施，開發出一種將數字萬用表、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、攜帶方便的測量工具，具有技術首創性，具有重大的技術意義。目前該測試儀已研制成功，并投入生產。產品經漳州市計量所檢驗合格，具體參數指標和精度如表1所示。產品指標符合《GB/T13978 數字多用表通用技術條件》、《JJG1005-2005 電子式絕緣電阻表檢定規程》要求，并具有技術創新性，有較大的技術意義，也具有較好的國內外市場潛力。

表1 多功能測試儀參數測試結果

參考文獻：

[1]高福生, 韓萍, 周玉茹. 低壓電器產品的介電強度和絕緣電阻技術性能分析與測量[J]. 企業標準化, 2008(7): 38-39.

[2] 李瑾, 沈宏, 郭雷宇. 泄漏電流測試與耐壓測試[J]. 品牌與標準化, 2010(6): 24.

[3] 郭剛. 淺談醫用設備的絕緣電阻測量[J]. 中國醫療設備, 2010, 25(5): 52-53.

[4] 曾繁建. 數字式兆歐表[J]. 中國高新技術企業, 2007(3): 87.

（責任編輯：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，從事電工電子技術研究。