УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
DEVICE FOR MEASURING INSULATION RESISTANCE

Изобретение относится к области измерения электрических величин, а именно электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивления изоляции кабелей, конденсаторов и других объектов.
Известно устройство для измерения сопротивления изоляции и постоянной времени конденсатора [SU 330402 А, МПК G01R27/00, опубл. 22.11.1972], содержащее операционный интегрирующий усилитель с конденсатором в цепи обратной связи, источник постоянного напряжения и измеритель времени. Один ключ включен на входе усилителя, а другой ключ – в цепи обратной связи параллельно конденсатору обратной связи, причем оба ключа сблокированы между собой.
Известно устройство для измерения сопротивления изоляции [Измерения в электронике. Справочник. / Под ред. Кузнецова В.А.– М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.196],содержащее источник опорного напряжения, операционный усилитель, в цепь обратной связи которого включен образцовый резистор, измеряемый резистор, подключенный к источнику опорного напряжения и к инвертирующему входу операционного усилителя, причем неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим проводом схемы.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является тераомметр для контроля изоляции кабелей [Исследование, разработка и применение методов защиты от помех преобразователей больших сопротивлений, применяемых при контроле изоляции кабельных изделий: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : спец. 05.11.13 / Е. В. Якимов; Томский политехнический университет; науч. рук. В. К. Жуков. — Защищена 02.03.2004 г. — Томск: 2003 – C.88], содержащий источник опорного напряжения, измеряемое сопротивление изоляции, преобразователь сопротивления в напряжение, инвертор полярности напряжения, выход которого соединен со входом первого канала аналого-цифрового преобразователя. Вход масштабного преобразователя присоединен к источнику опорного напряжения, а выход ко входу второго канала аналого-цифрового преобразователя. Устройство управления соединено с двумя ключами, регистровой памятью и с двумя счетчиками импульсов. Первый вывод первого ключа подключен к общему проводу устройства, а второй – к первому выводу измеряемого сопротивления изоляции. Первый вывод второго ключа присоединен к второму выводу измеряемого сопротивления изоляции и к входу преобразователя сопротивления в напряжения. Второй вывод второго ключа подключен к общему проводу устройства. Выход преобразователя сопротивления в напряжение соединен со входом инвертора полярности напряжения. К входам первого и второго счетчиков импульсов подключен генератор. Выход первого счетчика импульсов соединен с первым цифровым индикатором, а выход второго счетчика импульсов подключен к устройству управления. Выход аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу регистровой памяти, выход которой связан с вторым цифровым индикатором.
Недостатком устройства является плохое подавление помех низкой частоты (десятые доли – единицы Гц), вследствие чего наблюдается дополнительная погрешность измерения.
Технический результат предложенного изобретения заключается в повышении точности результатов измерений.
Устройство для измерения сопротивления изоляции, также как в прототипе, содержит источник опорного напряжения, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор.
Согласно изобретению выход источника опорного напряжения предназначен для подключения к одному выводу измеряемого сопротивления изоляции, а инвертирующий вход первого операционного усилителя предназначен для подключения к второму выводу измеряемого сопротивления изоляции. Один вывод первого конденсатора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Второй вывод первого конденсатора связан с выходом операционного усилителя и входом первого фильтра низких частот. Один вывод первого образцового резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Второй вывод первого образцового резистора подключен к выходу первого фильтра низких частот. Антенна подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя. Один вывод второго конденсатора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод второго конденсатора связан с выходом второго операционного усилителя и входом второго фильтра низких частот. Один вывод второго образцового резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод второго образцового резистора связан с выходом второго фильтра низких частот. Выходы первого и второго фильтров низких частот соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с микроконтроллером, к которому подключен индикатор. Источник опорного напряжения, первый и второй операционные усилители, первый и второй фильтры низких частот соединены с общим проводом.
Предлагаемое устройство за счет повышения помехоустойчивости к низкочастотным электрическим полям обеспечивает увеличение точности результатов измерений сопротивления изоляции.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для измерения сопротивления изоляции.
На фиг. 2 представлена зависимость падения напряжения на измеряемом сопротивлении изоляции (1 ТОм) от времени при определении сопротивления изоляции устройством-прототипом
На фиг. 3 представлена зависимость падения напряжения на измеряемом сопротивлении изоляции (1 ТОм) от времени при определении сопротивления изоляции предлагаемым устройством.
Устройство для измерения сопротивления изоляции содержит источник опорного напряжения 1,к которому подключен вывод измеряемого сопротивления изоляции 2,второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя3.Один вывод конденсатора 4 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя3, а второй вывод – с выходом операционного усилителя3 и входом первого фильтра низких частот5 (ФНЧ1).Один вывод первого образцового резистора6 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя3, а второй вывод – с выходом фильтра низких частот5 (ФНЧ1).
Антенна7 подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя 8. Один вывод второго конденсатора9 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя8, а второй вывод – с выходом второго операционного усилителя8 и входом второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2).Один вывод второго образцового резистора 11 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя8, а второй вывод – с выходом второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2).Выходы первого фильтра низких частот 5(ФНЧ1) и второго фильтра низких частот 10(ФНЧ2) соединены со входами аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП), выход которого соединен с микроконтроллером 13 (МК), к которому подключен индикатор 14 (Инд).
Источник опорного напряжения 1, первый операционный усилитель 3, первый фильтр низких частот 5 (ФНЧ1), второй операционный усилитель 8, второй фильтр низких частот 10 (ФНЧ2) соединены с общим проводом устройства.
Источником опорного напряжения 1 может служить стабилизатор напряжения, в котором стабилитрон включен последовательно с балластным резистором, имеющим постоянное сопротивление, и параллельно с нагрузкой [Трейстер Р., Мейо Дж. 44 источника электропитания для любительских электронных устройств: пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1990. -С. 112.].В качестве образцовых резисторов 6 и 11 могут быть использованы прецизионные резисторы в диапазоне от 100 МОм до 100 ГОм с погрешностью не более 2%, а в качестве конденсаторов 4 и 9 – конденсаторы емкостью 50 пФ с погрешностью не более 2%.Операционные усилители 3 и 8 могут быть выполнены в виде интегральной микросхемы операционного усилителя, например AD549.Фильтры низких частот 5(ФНЧ1) и 10(ФНЧ2) можно реализовать в виде двух последовательно соединенных инерционных звеньев первого порядка [Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Изд.2-е – Л.: Энергоатомиздат, 1988. -С. 93].Антенна 7 изготовлена из проводника медной проволоки, и расположена вблизи инвертирующего входа первого операционного усилителя 3.
Устройство работает следующим образом. Источник опорного напряжения 1 и измеряемое сопротивление изоляции 2 образуют искусственный генератор тока. Нагрузкой генератора тока служит образцовый резистор 6, падение напряжения на котором в установившемся режиме равно:
,(1)
где– падение напряжения на измеряемом сопротивлении изоляции;
– измеряемое сопротивление изоляции2;
– сопротивление образцового резистора 6;
– напряжение источника опорного напряжения 1.
Операционный усилитель 3 и конденсатор 4 образуют интегратор, сигнал которого фильтруется от высокочастотной составляющей в первом фильтре низких частот 5 (ФНЧ1), а затем поступает на первый канал аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП).
Антенна 7 улавливает внешнюю помеху, сигнал которой поступает на интегратор, образованный операционным усилителем 8 и конденсатором 9. Далее сигнал фильтруется от высокочастотной составляющей во втором фильтре низких частот 10 (ФНЧ2) и усиливается за счет образцового резистора 11. Затем сигнал поступает на второй канал аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП).
Выходной сигнал первого фильтра низких частот 5 (ФНЧ1) имеет следующий вид:
,(2)
где  – амплитуда напряжения помехи промышленной частоты;
– время;
– частота напряжения помехи промышленной частоты;
– фаза напряжения помехи промышленной частоты;
– амплитуда напряжения низкочастотной помехи;
– частота напряжения низкочастотной помехи;
– фаза напряжения низкочастотной помехи.
Выходной сигнал второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2) содержит информацию только о помехе:
,             (3)
где  –коэффициент, определяющий отношение амплитуды напряжения помехи промышленной частоты первого фильтра низких частот 5 (ФНЧ1) к амплитуде напряжения помехи промышленной частоты второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2);
– коэффициент, определяющий отношение амплитуды напряжения низкочастотной помехи первого фильтра низких частот 5 (ФНЧ1) к амплитуде напряжения низкочастотной помехи второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2);
– амплитуда напряжения помехи промышленной частоты, улавливаемая антенной 7;
– амплитуда напряжения низкочастотной помехи, улавливаемая антенной 7.
Напряжения помех на выходах первого 5 (ФНЧ1) и второго фильтров низких частот 10 (ФНЧ2) имеют одинаковую фазу и частоту, но различную амплитуду, причем на разных пределах измерения сопротивления изоляции коэффициенты  и не являются постоянными. Оцифрованные аналого-цифровым преобразователем 12(АЦП) сигналы поступают в микроконтроллер13 (МК), в котором происходит определение коэффициентов, и вычитание выходного сигнала второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2) (3) из выходного сигнала первого фильтра низких частот 5 (ФНЧ1) (2), в результате чего определяют значение падения напряжения на измеряемом сопротивлении изоляции  и по формуле (1) вычисляют сопротивление изоляции , значение которого выводится на индикатор 14 (Инд.).
Для определения отношения сигнал/шум [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.2. Пер. с англ. – 4-е изд., перераб. и доп. – М: Мир, 1993. – с. 51.]:
,                                                  (4)
где  – эффективное значение напряжения полезного сигнала;
– эффективное значение напряжения шума;
во время измерения изоляцию кабеля КПК-5/18подвергали воздействию электрического поля с частотой напряжения 2 Гц и амплитудой напряжения 300 В, а также присутствовала помеха промышленной частоты (50 Гц). Данным образом производили имитацию помехи.
Согласно (4) отношение сигнал/шум устройства-прототипа при измерении сопротивления изоляции кабеля КПК-5/18 (1ТОм)было равно 11 дБ (фиг. 2), тогда как отношение сигнал/шум предлагаемого устройства составило 29 дБ (фиг. 3).
Таким образом, предлагаемое устройство, обеспечивает лучшую помехоустойчивость при измерении сопротивления изоляции, чем прототип.