МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
MULTICHANNEL INSULATION RESISTANCE METER

Многоканальный измеритель сопротивления изоляции двухпроводных сетей, находящихся под напряжением постоянного тока, относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к устройствам измерения и контроля электрического сопротивления изоляции и автоматизированным системам контроля, и применяется при контроле сопротивления изоляции электрических цепей электро- и радиотехнических систем и изделий.
Контроль изоляции и измерение ее сопротивления для гальванически изолированных от земли (корпуса) цепей были всегда актуальными задачами, особенно в таких отраслях как железнодорожная автоматика, судовая электрика, энергообеспечение на космических кораблях, где подавляющее большинство электрических цепей гальванически изолировано от земли (корпуса).
Известно устройство для измерения и контроля эквивалентного сопротивления изоляции изолированных от земли силовых электрических сетей постоянного тока (патент №2403580, Бюл. №31 от 10.11.2010 г.), которое содержит генератор импульсов с переключающимся ключом на выходе, два устройства выборки и хранения аналогового сигнала, резистивный делитель постоянного напряжения, компаратор с первым и вторым входами, усилитель мощности и реле с переключающейся группой контактов на выходе, омметр и декодирующая резистивная матрица. Суть работы которого состоит в том, что сначала измеряют напряжение относительно земли одного полюса контролируемой сети постоянного тока, затем шунтируют этот же полюс относительно земли (корпуса) резистором, при чем шунтирующий резистор изменяют по величине таким образом, чтобы напряжение этого полюса относительно земли уменьшилось ровно в два раза по сравнению с величиной напряжения этого полюса относительно земли до шунтирования, после чего шунтирующий резистор отключают и измеряют его величину, которая будет численно равна эквивалентному сопротивлению контролируемой сети постоянного тока.
Недостатком его является то, что оно не обеспечивает требуемого быстродействия при наличии больших емкостей между контролируемыми шинами и корпусом изделия, особенно когда количество контролируемых шин более двух. При этом в процессе измерения потенциал корпуса по отношению к контролируемым шинам меняется в два раза, что может привести к сбоям в отдельных узлах контролируемой системы.
Известно устройство для измерения сопротивления изоляции цепей постоянного тока (патент №2503964, Бюл. №20 от 20.07.2013 г.), которое содержит микропроцессорный элемент, к входам/выходам последовательного интерфейса которого подключен блок приема/передачи измерительной и диагностической информации, к входу питания аналоговой части - прецизионный элемент стабилизации напряжения, к входам аналого-цифрового преобразования - выходы двух измерительных каналов, а два выхода соединены с входами узла коммутации, средние точки двух независимых групп переключающих контактов исполнительных элементов которых подключены к дифференциальным входам первого измерительного канала, по одному контакту из группы соединено с шиной заземления, а другие подключены к полюсам контролируемой цепи, с которыми соединены и дифференциальные входы второго измерительного канала. Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что первым измерительным каналом с известным входным сопротивлением производят поочередное измерение напряжений между каждым полюсом контролируемой цепи и шиной заземления, вторым измерительным каналом одновременно измеряют напряжение контролируемой цепи, при этом, после каждого подключения делают определенную выдержку времени для завершения переходных коммутационных процессов, и в интервале, кратном периоду наиболее вероятной помехи, производят по "n" измерений с вычислением отношения напряжения на полюсе к напряжению контролируемой цепи, а общее сопротивление изоляции вычисляют по соответствующей формуле.
Недостатком его является то, что это медленнодействующее устройство, пригодное для измерения и контроля цепей, в которых мала емкостная составляющая комплексного сопротивления изоляции, тем более оно не эффективно при контроле большого количества цепей. Устройство не применимо к системам блоки, которых чувствительны к высокому уровню помех между контролируемыми шинами и корпусом.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие шины корпуса, блока измерения, блока индикации результатов, шины «Пуск», цифроаналогового преобразователя.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство измерения сопротивления изоляции (патент №2289142, 2006 г.). Суть изобретения заключается в том, что до начала измерения запоминается потенциал корпуса, затем параллельно к измеряемой цепи подключается конденсатор известного номинала, измеряется постоянная времени переходного процесса и, с учетом измеренных начального и конечного значений напряжений, в контролируемых точках определяются параметры изоляции цепи. Далее с учетом измеренной емкости утечки на корпус подается напряжение с цифроуправляемого источника напряжения до тех пор, пока потенциал корпуса не восстановится до запомненного значения.
Признаками, прототипа совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие шины корпуса, измерительных конденсаторов, блока измерения, шины «Пуск», аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, блока вычисления результата, двух переключателей и блока синхронизации.
Причинами, препятствующими получению технического результата, являются:
- низкое быстродействие при многоканальном измерении, так как потенциал корпуса может меняться в широких пределах при переходе от одного фидера к другому и, соответственно, требовать в процессе подбора использования различных измерительных конденсаторов и времени измерения; а восстановление потенциала корпуса оказывается не столь действенным;
- высокий уровень помех, вносимый в измеряемую схему в процессе измерения, то есть процесс измерения может оказывать влияние на работоспособность прецизионной радиоэлектронной аппаратуры.
Задачей заявляемого изобретения является создание многоканального устройства для измерения сопротивления изоляции электрических сетей (в том числе и на корпус), находящихся под напряжением, обеспечивающего высокое быстродействие и точность измерения и слабо влияющее на контролируемые цепи.
Это достигается путем того, что использование одного конденсатора для проведения измерения, а другого - для восстановления корпуса позволяет сократить время подготовки к измерению очередного канала, и тем, что имеется возможность задавать граничную величину скачка на шинах фидера в процессе измерения в зависимости от помеховой обстановки и требований бессбойного функционирования аппаратуры, подключенной к контролируемым шинам.
Суть изобретения заключается в том, что (см. фиг. 1) измерительный конденсатор С3 заряжается через замкнутый ключ К2 до значения U, определяемого допустимым уровнем помех для контролируемого фидера с напряжением Е и сопротивлениями и емкостями утечки на корпус его R1 и R2 и С1 и С2. После этого он подключается между шиной и корпусом, и тем самым обеспечивает скачок и переходный процесс по восстановлению потенциала корпуса, по которому определяет значение сопротивлений изоляции шин по отношению к корпусу. Своевременное прерывание переходного процесса и быстрое восстановление потенциала измерительного конденсатора до значения скачка на следующем измеряемом канале обеспечивает высокое быстродействие при многоканальном режиме измерения. Величина скачка Ucк будет определяться соотношением измерительной емкости Си и суммарной емкости Ссум между корпусом и шинами фидера по формуле
где Uм - предельное значение разности между текущим значением потенциала корпуса и тем значением, которое может принять потенциал корпуса при подключении к нему измерительного конденсатора при условии, что емкость между шинами и корпусом будет равна нулю.
Величина сопротивления R2 или R1 между соответствующей шиной и корпусом определяется по формуле
Е - напряжение между шинами фидера;
Uк - потенциал корпуса по отношению к одной из шин фидера;
где τ - постоянная времени переходного процесса восстановления потенциала корпуса после воздействия, вызванного подключением измерительного конденсатора, которая вычисляется по формуле
где U1 и U2 - значения затухающей экспоненты потенциала корпуса, полученные через интервал времени Δt.
Технический результат достигается за счет того, что в многоканальный измеритель сопротивления изоляции содержащий первый переключатель, выход которого подключен ко входу АЦП, два измерительных конденсатора, соединенных с общей точкой измерителя, ЦАП, выход которого через второй переключатель подключен ко второму выводу первого конденсатора, а второй вход этого переключателя и первый вход первого переключателя соединены с шиной корпуса контролируемого изделия, блок вычисления результата, выход которого подключен к выходной шине, блок синхронизации с шиной «Пуск» введены задатчик скачка, блок формирования скачка, второй ЦАП, третий, четвертый и пятый переключатели, аналоговый сумматор, узел выделения максимума сигнала, второй АЦП, блок вычисления постоянной времени затухания сигнала и два мультиплексора, причем входы первого подключены к шинам с положительным потенциалом каждого из N фидеров, а входы второго подключены к шинам с отрицательным потенциалом, выход первого мультиплексора соединен со вторым входом первого переключателя, а выход второго мультиплексора соединен с «общей точкой» измерителя, к которой подключены вход второго АЦП и второй вход первого АЦП, выход которого соединен с первым входом блока формирования сигнала ЦАП, со вторым входом которого соединен задатчик скачка, а выход подключен к входам блока вычисления результата, второго ЦАП и первого ЦАП, выход которого соединен с первым входом третьего переключателя, второй вход которого подключен к первому входу четвертого переключателя и выходу второго ЦАП, а выход соединен с первым входом аналогового сумматора, второй вход которого подключен к шине корпуса контролируемого изделия, с которым через второй вход четвертого переключателя соединен второй вывод второго конденсатора, причем выход аналогового сумматора подключен к первому входу пятого переключателя и через узел выделения максимума сигнала ко второму входу пятого переключателя, выход которого соединен со вторым входом второго АЦП, выход которого подключен ко входу блока вычисления постоянной времени затухания сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока вычисления результата, причем управляющие входы блока синхронизации подключены к соответствующим управляющим входам двух мультиплексоров, пяти переключателей, двух АЦП, двух ЦАП, блока формирования скачка, узла выделения максимума сигнала, блока вычисления постоянной времени затухания сигнала и блока вычисления результата.
Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами проведено моделирование процессов измерения и изготовлен макет устройства. Погрешность измерений эквивалентного сопротивления изоляции не превышала 2% в широком диапазоне изменений сопротивлений и емкостей утечки на корпус.
На фигуре 2 приведена эквивалентная схема подключения N фидеров к входу многоканального измерителя сопротивления изоляции, где:
+F1,+F2 и +Fn - положительные шины фидеров;
-F1, -F2 и -Fn - отрицательные шины фидеров;
Rн1, Rн2 и Rнn - эквивалентные сопротивления нагрузки соответствующего фидера;
R11, R12, R1n, R21, R22 и R2n - эквивалентные сопротивления изоляции соответствующей шины фидера
- корпус изделия,
1
2
n
1
2
n
1, 1, 1; 2, 2, 2 и 3 - входные шины многоканального измерителя.
На схеме между положительной шиной и отрицательной шиной каждого фидера подключен соответствующий резистор нагрузки, а между каждой шиной и корпусом подключен эквивалентный резистор сопротивления изоляции каждой шины от корпуса. К каждой шине и корпусу подключен соответствующий измерительный вход многоканального измерителя.
На фигуре 3 приведена схема многоканального измерителя, которая содержит следующие блоки:
1
2
n
1, 1, 1; - входы подключения положительных шин N фидеров;
1
2
n
2, 2, 2 - входы подключения отрицательных шин N фидеров;
3 - вход подключения корпуса К контролируемого изделия;
4 - первый мультиплексор MS1, обеспечивающий поочередное подключение контролируемых шин фидеров положительной полярности, ко входу первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
5 - второй мультиплексор MS2, обеспечивающий поочередное подключение контролируемых шин фидеров отрицательной полярности к общей точке прибора;
6 - аналоговый сумматор СУМ, обеспечивающий вычитание постоянной составляющей из потенциала корпуса для повышения разрешающей способности тракта измерения;
7 - шина «Пуск», по сигналам с которой осуществляется запуск блока синхронизации и работа устройства в целом;
8 - блок синхронизации БС формирующий в соответствии с алгоритмом работы устройства команды управления, определяющие очередность выполнения операций и функцию, выполняемую соответствующим блоком;
9 - первый переключатель П1, подключающий к измерительному входу АЦП либо положительную шину выбранного фидера, либо шину корпуса;
10 - устройство выделения максимума УВМ, обеспечивающее фиксацию максимального значения скачка, вызванного подключением к корпусу объекта измерительной емкости по отношению к отрицательной шине выбранного фидера;
11 - общая точка измерителя, по отношению к которой проводятся все измерения и формируются все выходные величины;
12 - первый аналого-цифровой преобразователь АЦП1, который измеряет разность потенциалов между шинами выбранного фидера и между корпусом изделия и отрицательной шиной этого же фидера;
13 - задатчик скачка ЗС, который определяет допустимую величину изменения потенциала корпуса по отношению к отрицательной шине выбранного фидера в процессе измерения;
14 - пятый переключатель П5, подключающий к измерительному входу второго АЦП либо выход УВМ10, либо выход сумматора 6;
15 - блок формирования скачка БФС, который формирует для занесения в ЦАП числовой эквивалент величины напряжения, до которого должен быть заряжен соответствующий измерительный конденсатор;
16 - второй аналого-цифровой преобразователь АЦП2, который измеряет амплитуду скачка и переходный процесс установления потенциала корпуса после подключения к корпусу соответствующего измерительного конденсатора;
17 и 18 - первый и второй цифроаналоговые преобразователи ЦАП1 и ЦАП2 для заряда соответствующего конденсатора до заданного напряжения;
19 - блок вычисления «тау» БВТ, который по кривой затухания потенциала корпуса вычисляет величину постоянной времени переходного процесса;
20 - третий переключатель П3, обеспечивающий подключение к входу сумматора соответствующего выхода ЦАП1 или ЦАП2;
21 - блок вычисления результата БВР, который по параметрам переходного процесса и значениям потенциалов фидера и корпуса вычисляет значения сопротивлений изоляции шин фидера;
22 и 23 - второй и четвертый переключатели П2 и П4, обеспечивающие заряд измерительных конденсаторов от соответствующих ЦАПов и подключение их к корпусу контролируемого изделия;
24 - шина «Выход», по которой результаты измерений поступают на внешнее устройство;
25 и 26 - первый и второй измерительные конденсаторы С1 и С2, соответственно.
1
n
1
n
Многоканальный измеритель сопротивления изоляции шин питания на корпус изделия содержит ряд блоков, связанных между собой определенным образом (см. фиг. 3). Шины N фидеров с положительным потенциалом 1-1 подключены к первому мультиплексору MS1 4, а шины с отрицательным потенциалом 2-2 - ко второму мультиплексору MS2 5. Корпус 3 контролируемого изделия соединен с первым входом сумматора СУМ 6, с первыми входами первого П1 9, второго П2 22 и четвертого П4 23 переключателей. Шина «Пуск» 7 подключена ко входу блока синхронизации БС 8. Выход первого мультиплексора MS1 4 соединен через второй вход первого переключателя П1 9 с первым входом первого АЦП1 12, выход которого подключен к первому входу БФС15, второй вход которого соединен с выходом задатчика скачка ЗС13, а выход с первым входом БВР 21 и входами первого и второго ЦАП1 17 и ЦАП2 18. Выход ЦАП1 17 подключен к первому входу переключателя П3 20 и через второй вход переключателя П2 22 подключен к первому выводу второго конденсатора С2 26. Выход ЦАП2 18 через второй вход переключателя П4 23 соединен с первым выводом первого конденсатора С1 25 и через второй вход переключателя П3 20 соединен со вторым входом сумматора СУМ 6. Выход СУМ6 подключен к первому входу переключателя П5 14 и ко входу УВМ 10, выход которого через второй вход переключателя П5 14 соединен с первым входом АЦП2 16, второй вход которого подключен к общей точке («землей») измерителя 11, к которой подключены также второй вход АЦП1 12, выход мультиплексора MS2 5 и вторые выводы конденсаторов С1 25 и С2 26. Выход АЦП2 16 соединен со входом БВТ 19, выход которого подключен ко второму входу БВР 21, выход которого соединен с шиной 24. Управляющие входы блока синхронизации БС 8 подключены к соответствующим управляющим входам двух мультиплексоров MS1 4 и MS2 5, пяти переключателей П1 9, П2 22, П3 20, П4 23 и П5 14, двух аналого-цифровых преобразователей АЦП1 12 и АЦП2 16, двух цифроаналоговых преобразователей ЦАП1 17 и ЦАП2 18, блока формирования скачка БФС 15, узла выделения максимума сигнала УВМ 10, блока вычисления постоянной времени затухания сигнала БВТ 19 и блока вычисления результата БВР 21.
Работа многоканального измерителя сопротивления изоляции осуществляется в следующей последовательности. В исходном состоянии шины питания +F1, +F2, +F3, … +Fn и -F1, -F2, -F3, … -Fn, находящиеся под напряжением, и шина корпуса К3 контролируемого изделия подключены к соответствующим входам измерителя (фиг. 2). Мультиплексоры MS1 4 и MS2 5 установлены в положение подключения выхода ко второму контролируемому фидеру, соответственно, положительной и отрицательной шине. Переключатели подключают, соответственно: П1 9 вход АЦП1 12 - к выходу MS1 4, П5 14 вход АЦП2 16 - к выходу сумматора СУМ 6, П3 20 вход СУМ 6 - к выходу ЦАП1 17, П2 22 второй вывод С2 - к выходу ЦАП1 17, П4 23 второй вывод С1 - к выходу ЦАП2 18. В ЗС 13 занесено требуемое значение приращения напряжения на измерительном конденсаторе, обеспечивающее допустимый скачек потенциала корпуса.
По команде на шине ПУСК 7 блок БС 8 для обеспечения алгоритма работы формирует управляющие импульсы на соответствующие блоки. АЦП1 12 измеряет напряжение второго фидера F2. Потом переключатель П1 9 подключает к входу АЦП1 12 шину корпуса К3 и АЦП1 12 измеряет потенциал корпуса по отношению к шинам второго фидера F2. По результатам этих измерений блок БФС 15, с учетом значений скачка из ЗС 13, формирует значение потенциала, которое заносится во второй ЦАП2 18,. АЦП1 12 через П1 9 измеряет напряжение первого фидера F1. Переключатель П1 9 подключает к входу АЦП1 12 шину корпуса К3 и АЦП1 12 измеряет потенциал корпуса по отношению к шинам первого фидера F1. По результатам этих измерений блок БФС 15, с учетом значений скачка из ЗС 13, формирует значение потенциала, которое заносится в первый ЦАП1 17. БС 8 формирует управляющие импульсы для подключения через П 2 и через П 4 выходов ЦАП2 18 и ЦАП1 17 к конденсаторам С2 26 и С1 25, соответственно, которые заряжаются до значений, установленных в ЦАПах подготавливая их к измерению С2 26 в текущем цикле, а С1 25 на следующем цикле. После этого через П3 20 выход ЦАП1 17 подключается ко второму входу СУМ6. На выходе его устанавливается разность, равная предельному значению разности между текущим значением потенциала корпуса и тем значением, которым может стать потенциал корпуса при подключения к нему измерительного конденсатора при условии, что емкость между шинами и корпусом будет равна нулю. Следующим импульсом синхронизации через переключатель П2 22 конденсатор С2 подключается к корпусу К3. На выходе сумматора СУМ6 формируется скачок напряжения, максимальное значение которого фиксируется в УВМ10, а переходный процесс через переключатель П5 измеряется АЦП2 16. Результаты поступают в блок вычисления τ. По команде от БУ8 переключатель П5 подключает выход УВМ10 ко входу АЦП16 и замеренное значение скачка напряжения Uск подается в блок БВ19. В блок БВР21 поступают значения Uск и τ из блока БВ19, а из блока БФС 15 поступают значения Е, Uм и Uк, где по формуле 2 с учетом известных С1 и С2 вычисляется сопротивлений утечки на корпус шин контролируемого фидера.
Для завершения процесса измерения первого фидера в блоке БФС15 формируется значение напряжения, которое должно обеспечить восстановление потенциала корпуса. Оно заносится в ЦАП117, а переключатель П2 22 отключает выход С2 от корпуса и подключает его к выходу ЦАП1 17 для перезаряда. После заряда конденсатора С2 26 переключатель П2 22 подключает его к корпусу К3 и восстанавливает его до значения, которое было у него до начала измерений.
Далее для измерения сопротивления утечки на корпус шин следующего второго фидера, мультиплексоры MS1 4 и MS2 5 вначале подключаются к третьему фидеру и обеспечивают измерение потенциалов шин и корпуса третьего фидера, используя которые БФС формирует значения для занесения их в первый ЦАП1 17, который обеспечит подготовку конденсатора С2 26 для измерения параметров третьего фидера. Потом мультиплексоры MS1 4 и MS2 5 подключаются ко второму фидеру и обеспечивают измерение потенциалов шин и корпуса второго фидера, используя которые БФС формирует значения для занесения их во второй ЦАП2 18. БС 8 формирует управляющие импульсы для подключения через П 2 и через П 4 выходов ЦАП2 18 и ЦАП1 17 к конденсаторам С2 26 и С1 25, соответственно, которые заряжаются до значений, установленных в ЦАПах подготавливая их к измерению теперь С1 25 в текущем цикле, а С2 26 на следующем цикле. Причем, так как С1 25 в предыдущем цикле был заряжен до значения равного предполагаемому скачку потенциала, то дозаяряд его занимает минимальное время. После этого через П3 20 выход ЦАП2 18 подключается ко второму входу СУМ6. На выходе его устанавливается разность, равная предельному значению разности, т.е. Uм. Следующим импульсом синхронизации через переключатель П4 23 конденсатор С1 23 подключается к корпусу К3. На выходе сумматора СУМ6 формируется скачок напряжения и переходный процесс, параметры которого определяются комплексным сопротивлением между шиной корпуса и шинами контролируемого фидера. Измерение характеристик переходного процесса и вычисление сопротивления утечки второго фидера проходит также кА и первого.
Для завершения процесса измерения второго фидера в блоке БФС15 формируется значение напряжения, которое должно обеспечить восстановление потенциала корпуса. Оно заносится в ЦАП2 18, а переключатель П4 23 отключает выход С1 25 от корпуса и подключает его к выходу ЦАП2 18 для перезаряда. После заряда конденсатора С1 25 переключатель П4 23 подключает его к корпусу К3 и восстанавливает его до значения, которое было у него до начала измерений.
Процесс измерения остальных фидеров осуществляется в той же последовательности, что описана выше, где попеременно в роли измерительного используется один конденсатор С1 25 или С1 26, а другой готовится к измерению следующего фидера.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокое быстродействие и точность измерения и высокую достоверность результатов с минимальным внесением помех в контролируемые цепи при многоканальном измерении сопротивлений изоляции шин на корпус.