一種智能絕緣電阻測試儀設(shè)計(jì)

作者/欒麗麗，吉林經(jīng)濟(jì)貿(mào)易學(xué)校

一種智能絕緣電阻測試儀設(shè)計(jì)

作者/欒麗麗，吉林經(jīng)濟(jì)貿(mào)易學(xué)校

電氣設(shè)備容易出現(xiàn)電氣絕緣問題，所以還要采用科學(xué)且便利的方法完成設(shè)備絕緣電阻的定期測試。基于這種認(rèn)識，本文采用雙支路比較測量法和ARM7微處理器完成了一種智能絕緣電阻測試儀的設(shè)計(jì)，對其測量原理、結(jié)構(gòu)組成和各模塊設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了探討。從測試結(jié)果來看，該儀器測量精度較高，且具有操作便利、數(shù)據(jù)自動存儲等優(yōu)點(diǎn)。

絕緣電阻；智能測試儀；反饋控制

引言

在電氣安全檢測方面，需要通過絕緣電阻測試確定電氣設(shè)備的絕緣性能是否符合要求，以確保設(shè)備運(yùn)行的安全性。而就目前來看，采用傳統(tǒng)絕緣電阻測試設(shè)備容易出現(xiàn)誤差大和測量范圍小等問題，并且需要人工進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的記錄，將給設(shè)備測試帶來諸多困擾。針對這一問題，還應(yīng)加強(qiáng)智能絕緣電阻測試儀的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)絕緣電阻的精確測量，繼而為電氣檢測工作的開展提供便利。

1.智能絕緣電阻測試儀的測量原理

從測量原理上來看，絕緣電阻需要利用高壓直流電源提供測試信號。如果采用手持式測試儀，將遇到高壓源持續(xù)時間段的情況，輸出的直流高壓信號具有較大的波動性，將導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)[1]。針對這一情況，在進(jìn)行智能絕緣電阻測試儀設(shè)計(jì)時，可以采用雙支路比較測量法完成電阻測試。具體來講，就是利用標(biāo)準(zhǔn)電阻與待測電阻進(jìn)行比較，以確認(rèn)待測電阻的阻值[2]。在實(shí)際測試時，假設(shè)待測絕緣電阻為Rx，其待測端分壓電阻設(shè)為R0，標(biāo)準(zhǔn)電阻的側(cè)分壓電阻分別為R1和R2，標(biāo)準(zhǔn)側(cè)分壓電壓設(shè)為Ur，待測分壓電壓設(shè)定為U0，電路輸出高壓為Es，可以得到式（1）、（2）。

由這兩個式子可知，AD轉(zhuǎn)換器的輸出可以利用式（3）計(jì)算。式中，D=2n–1，n指的是AD的位數(shù)。

分析式（3）可以發(fā)現(xiàn)，采用該種測量方法，由于測量值與Es無關(guān)，所以能夠使電橋供電不穩(wěn)的問題得到解決。同時，由于Rx遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R0，R1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R2，所以能夠得到式（4）。

2.智能絕緣電阻測試儀的設(shè)計(jì)分析

■2.1 測試儀結(jié)構(gòu)組成

結(jié)合上述絕緣電阻測試原理，在設(shè)計(jì)智能絕緣電阻測試儀時，還要實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，即使系統(tǒng)由高壓產(chǎn)生模塊、測試模塊、微處理器模塊、通信模塊等多個模塊構(gòu)成。系統(tǒng)基本組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)上電后，其核心處理器ARM7將產(chǎn)生PWM開關(guān)信號，以實(shí)現(xiàn)對開關(guān)三極管的控制，利用高壓產(chǎn)生模塊提供5000V高壓。經(jīng)過測量模塊，則能得到經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的兩路分壓信號，然后利用微處理器實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)處理，得到待測電阻值[3]。利用LCD顯示器，儀器則能完成測量數(shù)據(jù)顯示。利用FALSH，則能實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)存儲而利用通信串口模塊，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信。此外，利用反饋控制模塊，系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載測量范圍變化實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

圖1 系統(tǒng)基本組成框圖

■2.2 測試儀各模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 高壓產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)高壓產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)上，還要利用音頻升壓變壓器將電池低壓升壓100倍，使電流經(jīng)過開關(guān)三極管斬波后進(jìn)入變壓器，然后通過由多個電容和二極管構(gòu)成的多倍壓整流電路升壓，使電路輸出直流電壓約為輸入電壓的9倍，使測試高壓源達(dá)到5000V。如圖2所示，為多倍壓整流電路。在該電路中，包含有較多整流電路，如由VD1、CH2、CH6、VD2組成的二倍壓整流電路。分析該電路可以發(fā)現(xiàn)，e2處在負(fù)半周的情況下，VD1將處在導(dǎo)通狀態(tài)，VD2則為截止?fàn)顟B(tài)，所以VD1中有電流通過，能夠?yàn)镃H1供電，使其

電壓接近e2峰值的在e2處在正半周的情況下，VD將處在導(dǎo)通狀態(tài)，VD1則為截止?fàn)顟B(tài)，所以VD2中有電流通過，能夠?yàn)镃H6供電。此時，CH1上電壓將與e2串聯(lián)，使CH6電壓接近e2峰值+，約為2E2。經(jīng)過反復(fù)充電，CH6的電壓將為變壓器電極電壓的2倍。由此推算，CH9輸出電壓為整個電路輸入電壓的9倍。

圖2 多倍壓整流電路

2.2.2 測量模塊設(shè)計(jì)

在測量模塊設(shè)計(jì)上，將使用AD7705作為A/D轉(zhuǎn)換器，其擁有兩個差分輸入通道。并且能夠提供16位無丟失代碼，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)、增益編程和自校準(zhǔn)。由于AD為16位，所以由式（4）計(jì)算可以得到式（5）。

在測量模塊中，采用的測量電路擁有雙支路，得到分壓信號會受到直流高壓瞬間波動性的影響，進(jìn)而導(dǎo)致信號采樣無法實(shí)現(xiàn)同步。針對這一情況，系統(tǒng)采用AD7705的REF端進(jìn)行U0接入，并采用模擬輸入AIN1端進(jìn)行Ur接入。通過將一路信號作為基準(zhǔn)電壓，并將另一路當(dāng)做是采樣電壓，則能使信號比值保持同步，消除波動性影響。在實(shí)際進(jìn)行電路連接時，考慮到待測端直接連接R0兩端容易使AD芯片受高壓損害，還要進(jìn)行30kΩ電阻Rc的串聯(lián)，并將4.7kΩ電阻Ri與測量電橋串聯(lián)，以加強(qiáng)電路限流保護(hù)。

2.2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

在通信模塊設(shè)計(jì)上，在將系統(tǒng)與PC機(jī)連接時，還要采用USB串口。為加強(qiáng)串口通信控制，則要使用CP2102芯片將RS232轉(zhuǎn)USB。而該芯片內(nèi)部有USB收發(fā)器振蕩器、全速功能控制器和異步串行數(shù)據(jù)總線等，能夠?yàn)樯衔粰C(jī)和下位機(jī)通信提供橋接器，以確保通信順利進(jìn)行。

3.結(jié)論

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，采用雙支路比較測量法進(jìn)行絕緣電阻測試，能夠使傳統(tǒng)絕緣電阻測試遇到的測試結(jié)果不準(zhǔn)等問題得到一定程序的解決。而利用RAM7等芯片實(shí)現(xiàn)智能絕緣電阻測試儀設(shè)計(jì)，也可以為絕緣電阻測試提供便利，可以輕松進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的記錄和導(dǎo)出，以滿足絕緣電阻測試需求。

＊ [1]袁開鴻,陳新喜,魏麗君.基于STM32的機(jī)車絕緣電阻測試儀的研究與設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014,(07):40-42+45.

＊ [2]鄭希慧.YYH-1301智能絕緣電阻測試儀研制[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2014,42(07):11-12+16.

＊ [3]劉朋朋.某智能絕緣電阻檢測儀的軟件設(shè)計(jì)[J].科技視界,2012,(29):100+112.