一種智能絕緣電阻測試儀設計

作者/欒麗麗，吉林經(jīng)濟貿(mào)易學校

一種智能絕緣電阻測試儀設計

作者/欒麗麗，吉林經(jīng)濟貿(mào)易學校

電氣設備容易出現(xiàn)電氣絕緣問題，所以還要采用科學且便利的方法完成設備絕緣電阻的定期測試?；谶@種認識，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計，對其測量原理、結構組成和各模塊設計問題進行了探討。從測試結果來看，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。

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備的絕緣性能是否符合要求，以確保設備運行的安全性。而就目前來看，采用傳統(tǒng)絕緣電阻測試設備容易出現(xiàn)誤差大和測量范圍小等問題，并且需要人工進行測量數(shù)據(jù)的記錄，將給設備測試帶來諸多困擾。針對這一問題，還應加強智能絕緣電阻測試儀的設計，以實現(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，將導致測量結果不準[1]。針對這一情況，在進行智能絕緣電阻測試儀設計時，可以采用雙支路比較測量法完成電阻測試。具體來講，就是利用標準電阻與待測電阻進行比較，以確認待測電阻的阻值[2]。在實際測試時，假設待測絕緣電阻為Rx，其待測端分壓電阻設為R0，標準電阻的側分壓電阻分別為R1和R2，標準側分壓電壓設為Ur，待測分壓電壓設定為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轉換器的輸出可以利用式（3）計算。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，所以能夠使電橋供電不穩(wěn)的問題得到解決。同時，由于Rx遠遠大于R0，R1遠遠大于R2，所以能夠得到式（4）。

2.智能絕緣電阻測試儀的設計分析

■2.1 測試儀結構組成

結合上述絕緣電阻測試原理，在設計智能絕緣電阻測試儀時，還要實現(xiàn)模塊化設計，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開關信號，以實現(xiàn)對開關三極管的控制，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轉換的兩路分壓信號，然后利用微處理器實現(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)可以實現(xiàn)與PC機通信。此外，利用反饋控制模塊，系統(tǒng)可以根據(jù)負載測量范圍變化實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

圖1 系統(tǒng)基本組成框圖

■2.2 測試儀各模塊設計

2.2.1 高壓產(chǎn)生模塊設計

在系統(tǒng)高壓產(chǎn)生模塊設計上，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)過開關三極管斬波后進入變壓器，然后通過由多個電容和二極管構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處在負半周的情況下，VD1將處在導通狀態(tài)，VD2則為截止狀態(tài)，所以VD1中有電流通過，能夠為CH1供電，使其

電壓接近e2峰值的在e2處在正半周的情況下，VD將處在導通狀態(tài)，VD1則為截止狀態(tài)，所以VD2中有電流通過，能夠為CH6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 測量模塊設計

在測量模塊設計上，將使用AD7705作為A/D轉換器，其擁有兩個差分輸入通道。并且能夠提供16位無丟失代碼，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)校準、增益編程和自校準。由于AD為16位，所以由式（4）計算可以得到式（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，進而導致信號采樣無法實現(xiàn)同步。針對這一情況，系統(tǒng)采用AD7705的REF端進行U0接入，并采用模擬輸入AIN1端進行Ur接入。通過將一路信號作為基準電壓，并將另一路當做是采樣電壓，則能使信號比值保持同步，消除波動性影響。在實際進行電路連接時，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)，以加強電路限流保護。

2.2.3 通信模塊設計

在通信模塊設計上，在將系統(tǒng)與PC機連接時，還要采用USB串口。為加強串口通信控制，則要使用CP2102芯片將RS232轉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，能夠為上位機和下位機通信提供橋接器，以確保通信順利進行。

3.結論

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

＊ [1]袁開鴻,陳新喜,魏麗君.基于STM32的機車絕緣電阻測試儀的研究與設計[J].儀表技術與傳感器,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計[J].科技視界,2012,(29):100+112.