ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
INSULATION RESISTANCE METER

Измеритель электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей, находящихся под напряжением постоянного тока, относится к электроизмерительной технике, в частности к автоматизированным системам контроля, и применяется при контроле сопротивления изоляции электрических цепей электро- и радиотехнических изделий.
Известно устройство измерения сопротивления изоляции (патент № 2230332, 2004 г.).
Суть изобретения заключается в том, что параллельно 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. При этом обеспечивается гальваническая развязка измеряемой и измерительной цепей.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие пары резисторов делителя, шины корпуса, блока измерения, блока индикации результатов, шины «Пуск».
Причинами, препятствующими получению технического результата, являются относительно большое время восстановления потенциала корпуса до его первоначального значения после окончания цикла измерения, высокая погрешность измерения амплитуды скачка потенциала корпуса при емкостях утечки более 100 мкФ, а также даже при ограничении амплитуды скачка потенциала корпуса возможное влияние процесса измерения на показания прецизионной радиоэлектронной аппаратуры.
Известно устройство измерения сопротивления изоляции (патент № 2289142, 2006 г.).
Суть изобретения заключается в том, что до начала измерения запоминается потенциал корпуса, затем к параллельно 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 аналога, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие пары резисторов делителя, шины корпуса, блока измерения, блока индикации результатов, шины «Пуск», цифроаналогового преобразователя.
Причинами, препятствующими получению технического результата, являются высокая погрешность измерения амплитуды скачка потенциала корпуса при емкостях утечки более 100 мкФ, а также даже при ограничении амплитуды скачка потенциала корпуса возможное влияние процесса измерения на показания прецизионной радиоэлектронной аппаратуры.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство (патент № 2348939, 2009 г.).
Суть изобретения заключается в том, что блок формирования сигнала на выходе ЦАП обеспечивает тестовый сигнал, который через конденсатор накачки воздействует на корпус. Блок обеспечения процесса "накачки", переключая ключи, отклоняет потенциал корпуса от исходного значения на заданную величину. Величина скачка потенциала конденсатора после первого подключения измеряется блоком измерения с помощью дифференциального усилителя. По величине скачка и экспоненциальному переходному процессу восстановления потенциала корпуса блок вычисления постоянной времени и блок измерения вычисляют значения сопротивлений утечки на корпус.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие блока синхронизации, шины корпуса, блока измерения, блока индикации результатов, шины «Пуск», цифроаналогового преобразователя, мультиплексора, блока формирования серединного потенциала, дифференциального усилителя, конденсатора накачки, разрядного резистора.
Причинами, препятствующими получению технического результата, являются довольно длительный выход на требуемое отклонение потенциала корпуса от первоначального значения в случае, если емкости утечки более 100 мкФ. Кроме этого, негативное влияние на точность результата измерения оказывают токи утечки через сопротивления утечки в моменты разряда емкости накачки разрядным резистором.
Задачей заявляемого изобретения является создание быстродействующего устройства для измерения сопротивления изоляции электрических сетей (в том числе и на корпус), находящихся под напряжением, обеспечивающего высокую точность измерения и оказывающего в процессе измерения минимальное влияние на исследуемые цепи.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве применены усилитель, второй и третий резисторы обратной связи, ограничительный резистор, третий и четвертый ключи, причем первый вход усилителя подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, а второй через резисторы обратной связи соединен с общей шиной измерителя и первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого подключен к первому входу конденсатора, второй вход которого соединен с выходом усилителя и первым входом первого ключа, второй выход которого подключен к общей точке конденсатора и ограничительного резистора, первому входу дифференциального усилителя и первому входу первого резистора, второй выход которого соединен через второй ключ со вторым входом дифференциального усилителя и первым входом третьего ключа, выход которого соединен с шиной корпуса, а выход задатчика опорного потенциала через четвертый ключ соединен с общей шиной измерителя, к которой подключены блок измерения и цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен со вторым выходом блока вычисления, причем пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый выходы блока синхронизации подключены соответственно к управляющему входу третьего ключа, второму входу цифроаналогового преобразователя, управляющим входам первого, четвертого и второго ключей.
Поставленная задача достигается за счет создания схемы перезаряда большой емкости, шунтирующей сопротивление изоляции шин на периоде, управляемом током. Она реализована с помощью усилителя, охваченного обратной связью и работающего в двух режимах: режиме насыщения (ускоренный заряд емкости утечки), когда его ток определяется ограничительным резистором, и линейном режиме (установившийся потенциал на емкости утечки), когда его выходной ток определяется током активной нагрузки. В этом режиме по величине падения напряжения на ограничительном резисторе можно точно оценить значение сопротивления изоляции по отношению к корпусу.
Суть изобретения заключается в том, что к шине корпуса, по отношению к которой измеряется сопротивление изоляции фидеров, находящихся под напряжением постоянного тока, подключают выход усилителя, охваченного обратной связью, потенциал которого выше потенциала корпуса на заранее заданную величину.
Причем между выходом усилителя и точкой обратной связи установлен ограничительный резистор, который в течение первого периода режима насыщения усилителя, когда доминирует емкостная нагрузка, определяет ток заряда емкости утечки.
Эквивалентная схема процесса ускоренного заряда емкости утечки приведена на фигуре 1,
где
E - напряжение выхода усилителя, находящегося в насыщении,
Cp - разделительный конденсатор,
Rt - тестовый резистор,
Rш - шунтирующий резистор,
Ry - сопротивление утечки, представляющее собой параллельное, соединение сопротивлений утечки на корпус от каскадной шины.
Cy - емкость утечки,
K - ключ.
ут
Упрощенное выражение для описания переходного процесса после замыкания ключа K при Cp>>С будет:
где
На фигуре 2 приведен график изменения потенциала корпуса (на емкости и сопротивлении утечки) в процессе измерения,
д
где t1 - время установления потенциала корпуса до напряжения U;
t2 - время измерения и вычисления сопротивления утечки;
к
t3 - время восстановления потенциала корпуса до значения U.
Время t1 определяется по формуле:
ут
yт
На фигуре 3 приведены зависимости времени t1 от С и R.
д
Второй период t2 характеризуется тем, что емкость заряжена до величины заданного перепада U и усилитель находится в линейном режиме.
Эквивалентная схема измерения, соответствующая второму периоду работы усилителя в линейном режиме, приведена на фигуре 4.
т
ут
д
yт
По величине падения напряжения на ограничительном резисторе R определяется ток, протекающий через сопротивление R, и, зная величину скачка U, определяется значение R по формуле:
вых.ус
Так как напряжение на выходе собственно усилителя U растет по закону
нас
y
то, пока оно не достигнет значения U≈Е, возможно проводить измерения R.
На фигуре 5 представлена схема измерителя, в состав которой входят:
1 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
2 - шина корпуса объекта;
3 - первый резистор обратной связи;
4 - общая шина измерителя;
5 - второй резистор обратной связи;
6 - усилитель;
7 - конденсатор, обеспечивающий гальваническую развязку;
8 - первый ключ, который обеспечивает разряд конденсатора 7;
9 - задатчик опорного напряжения, который представляет собой делитель напряжения между шинами фидера +F и -F и обеспечивающий потенциал, по отношению к которому ведутся все прямые измерения,
10 - шина "Пуск";
ш
11 - резистор R, обеспечивающий ускоренный перезаряд емкости утечки на шине корпуса;
т
12 - резистор R, ограничивающий ток поддержания потенциала корпуса на заданном уровне;
13 - второй ключ;
14 - третий ключ;
15 - блок синхронизации (БС);
16 - четвертый ключ;
17 - резистивный делитель, обеспечивающий согласование потенциала корпуса и диапазона измерения блока измерений, содержащий пару резисторов, подключенных между шинами корпуса и общей шиной измерителя;
18 - дифференциальный усилитель (ДУ);
19 - мультиплексор блока измерения;
20 - блок измерения (БИ);
21 - блок вычисления;
22 - блок индикации результатов;
2
3
4
b, b, b - сигналы управления ключами 8 и 14 и 13 соответственно;
1
b - сигналы управления цифроаналоговым преобразователем (ЦАП).
Потенциальный вход ЦАП1 соединен с неинвертирующим входом усилителя 6, к инвертирующему входу которого подключены резисторы обратной связи R3 и R5, а выход усилителя 6 подключен к первым входам разделительного конденсатора С7 и ключа К8, вторые выходы которых объединены и соединены с первым входом дифференциального усилителя ДУ18 и первыми входами резисторов R11 и R12.
Второй вывод резистора R11 через ключ К13 подключен ко вторым выводам резисторов R5 и R12, первому входу ключа К16 и второму входу ДУ18. Второй вывод ключа К16 соединен с входной шиной корпуса и первым резистором R17.1 делителя К17, второй резистор R17.2 которого подключен к "общей" шине измерителя, а выход делителя 17 (точка объединения резисторов 17.1 и 17.2) соединен с первым входом мультиплексора 19, второй вход которого подключен к выходу ДУ18. Третий вход мультиплексора 19 соединен с одной шиной фидера и первым входом задатчика опорного потенциала 9, а четвертый - с другой шиной фидера и вторым входом задатчика опорного потенциала 9, выход которого подключен через ключ К14 к "общей" шине измерителя. Выход мультиплексора 19 соединен с блоком БИ20, выход которого через блок вычислений БВ21 подключен к блоку индикации. Выходы блока синхронизации с первого по девятый соединены соответственно с входами управления ключа К16, мультиплексора 19, блока БИ20, блока вычислений БВ21, индикации 22, ключа 13, ключа 14, ключа 8 и ЦАП1, вход которого подключен ко второму выходу БВ21, а выход соединен с резистором R3 и "общей" шиной измерителя, к которой подключен второй вход блока 20.
Измеритель работает по алгоритму, определенному БС15. Укрупненная блок-схема алгоритма приведена на фигуре 6, где приняты следующие обозначения:
1. Начало работы.
2. Привести схему в исходное состояние.
3. Измерить потенциал первой шины фидера по отношению к опорному потенциалу.
4. Измерить потенциал второй шины фидера по отношению к опорному потенциалу.
5. Вычислить разность потенциалов между шинами фидера.
к
6. Измерить потенциал корпуса U.
7. Определить направление изменения потенциала корпуса по условию:
д
8. Если «нет», т.е. , то U присвоить знак "-".
д
9. Если «да», т.е. , то U присвоить знак "+".
10. Занести в ЦАП значение:
К
где N - цифровой эквивалент потенциала корпуса;
д
N - цифровой эквивалент величины добавки.
11. Подключить выход усилителя к корпусу.
12. Контролировать процесс изменения потенциала корпуса до момента установления нового его значения, для чего:
k
D
13. Проверить условие: ΔU<ΔU.
k
D
где ΔU и ΔU - отклонение потенциала корпуса с добавкой от расчетного и допустимое отклонение потенциала корпуса с добавкой.
14. Отключить форсирующий резистор R11.
15. Измерить падение напряжения на токозадающем резисторе R12.
yт1
yт2
ут
16. Вычислить по соответствующим формулам R и R и С.
17. Подключить резистор R11.
K
18. Занести в ЦАП значение N.
k
K
19. Контролировать процесс изменения потенциала корпуса до момента установления U=U, для чего:
20. Проверить условие:
Kд
где ΔN - допустимое отклонение корпуса от установившегося значения.
yт
21. Занести результаты измерения R в блок индикации R22.
22. Конец.
ЦАП
В исходном состоянии корпус и шины двухпроводной сети подключены к входу измерителя. В ЦАП занесено значение N=0. Ключи К8 и К13 замкнуты, К14 и К16 разомкнуты.
ЦАП
кор
доб
ЦАП1
По приходу сигнала шины "Пуск" БС15 обеспечивает работу в соответствии с алгоритмом. Ключ К14 замыкается и подключает "общую" шину измерителя к опорному потенциалу с блока 9. По первому входу мультиплексора 19 блок 20 производит измерение потенциала первой шины, а по второму входу - потенциала второй шины. По четвертому входу мультиплексора 19 блок 20 измеряет потенциал корпуса. Блок вычислений Б21 проверяет условия (3) и вычисляет значения: N=N±N, которое должно быть занесено в ЦАП. По очередной команде от БС15 в ЦАП заносится код N, аналоговый эквивалент которого в виде напряжения поступает на вход усилителя 6. По сигналу блока 15 ключ 8 размыкается, а ключ 16 замыкается. Так как выход усилителя с обратной связью подключается к корпусу, который представляет для него резистивно-емкостную нагрузку, то, как было сказано выше, блок входит в насыщение и потенциал корпуса меняется в соответствии с формулой (1) током, определяемым параллельно включенными резисторами R11 и R12. По четвертому входу MS19 блок 20 измеряет потенциал корпуса, и блок 21 проверяет условие (4).
ут
Когда потенциал корпуса установится на своем новом значении, то по команде БС15 ключ 13 отключает резистор 11 и с помощью ДУ18 блок 20 через третий вход MS19 измеряет падение напряжения на токовом резисторе R12. Блок вычислений 21 в соответствии с формулой (2) определяет значение Р и устанавливает в ЦАП код, соответствующий потенциалу корпуса. По команде блока 15 ключ К13 переходит в состояние "замкнуть", а на выходе ЦАП1 устанавливается потенциал, равный первоначальному потенциалу корпуса. Блок 21 через блок 20 контролирует потенциал корпуса до момента выполнения условия (5). Когда оно выполняется, блок 21 передает результат вычислений в блок 22 и команду в БС 15 об окончании измерений. Таким образом, измеритель позволяет:
1. Осуществлять процесс изменения потенциала корпуса за короткий интервал времени, но ограниченный, заранее известным током, что исключает влияние процесса измерения на работу приборов, подключенных к фидеру.
2. Измерение исходных величин для расчета сопротивлений утечки ведется в установившемся режиме, что обеспечивает высокую достоверность результатов, так как использует статистическую обработку стационарных процессов в условиях помех.
3. В качестве образцовой величины используется резистор, а не конденсатор, температурная стабильность которого значительно ниже.