УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF ELECTRICAL INSULATION RESISTANCE

Предлагаемое изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности к автоматизированным системам контроля электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей, находящихся под напряжением постоянного тока, и может быть использовано при контроле сопротивления изоляции электрических цепей электро- и радиотехнических изделий.
Известно устройство для измерения электрического сопротивления изоляции [1], содержащее измерительный мост, цифроуправляемый резистор, источник питания линии, источник компенсационного напряжения, схему сравнения, блок управления, коммутатор, цифровой индикатор.
Недостаток этого устройства состоит в длительном цикле измерения и влиянии на измеряемую цепь подключения измерительных резисторов.
Известно устройство для измерения электрического сопротивления изоляции [2], содержащее узел делителей напряжения, первый и второй мультиплексоры, дифференциальный усилитель, аналоговое запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления результатов, измерительные конденсаторы, ключи, блок управления.
Недостаток этого устройства состоит в сложности проводимых измерений (требуется регистрация переходных процессов, проведение сложных вычислений), и, как следствие, это устройство обладает низкой точностью измерений.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство [3], содержащее шину измерения, выходную шину, первый делитель напряжения, выполненный на первом и втором резисторах, последовательно соединенные ключ и третий резистор, мультиплексор, аналого-цифровой  преобразователь и блок управления, при этом первый вход мультиплексора соединен с выходом первого делителя напряжения, подключенного к нулевой и потенциальной шине питания, первый выход блока управления соединен с входом управления мультиплексора, второй выход блока управления соединен с входом управления ключа, сигнальный вход которого подключен к корпусу, третий выход блока управления соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй вывод третьего резистора соединен с нулевой шиной питания.
Недостаток этого устройства состоит в том, что оно обладает низким быстродействием вследствие заряда емкостей, изменение потенциалов которых определяет значение измеряемого сопротивления изоляции, токами утечки, задаваемыми этими сопротивлениями.
Задача изобретения - повышение быстродействия. Особенно этот параметр имеет решающее значение в системах, содержащих разнообразную аппаратуру, устанавливаемую в отсеках изделия, например, космического аппарата, для которого связь шин источника питания с корпусом недопустима. Поэтому при испытаниях аппаратуры ведется постоянный контроль сопротивления связи (утечки) между корпусом изделия и шинами питания. Непредусмотренная связь между корпусом изделия и шинами питания может возникать кратковременно в каком-нибудь приборе при его функционировании. В этом случае процедура определения сопротивления утечки должна выполняться оперативно и обеспечивать выявление возможных, даже кратковременных, непредусмотренных связей между корпусом изделия и шинами питания.
Решение этой задачи достигается тем, что в устройство для измерения электрического сопротивления изоляции, содержащее шину измерения, выходную шину, первый делитель напряжения, выполненный на первом и втором резисторах, последовательно соединенные ключ и третий резистор, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, при этом первый вход мультиплексора соединен с выходом первого делителя напряжения, подключенного к нулевой и потенциальной шине питания, первый выход блока управления соединен с входом управления мультиплексора, второй выход блока управления соединен с входом управления ключа, сигнальный вход которого подключен к корпусу, третий выход блока управления соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй вывод третьего резистора соединен с нулевой шиной питания, дополнительно введен второй делитель напряжения, выполненный на четвертом и пятом резисторах, при этом мультиплексор, аналого-цифровой  преобразователь и блок управления соединены последовательно, второй вход мультиплексора соединен с корпусом и выходом второго делителя напряжения, подключенного к потенциальной и нулевой шине, соединенной с шиной измерения, информационный выход блока управления подключен к выходной шине.
На чертеже приведена блок-схема устройства для измерения электрического сопротивления изоляции. На этой схеме: 1 - первый резистор, 2 - второй резистор, 3 - третий резистор, 4 - четвертый резистор, 5 - пятый резистор, 6 - ключ, 7 - мультиплексор, 8 - аналого-цифровой преобразователь, 9 - блок управления, 10 - выходная шина, 11 - шина измерения (нулевая шина питания), 12 - потенциальная шина питания, 13 - корпус, 14 и 15 - соответственно первый и второй делители напряжения.
Первый делитель напряжения 14, выполненный на первом 1 и втором 2 резисторах, подключен к нулевой 11 и потенциальной 12 шине питания, второй делитель напряжения 15, выполненный на четвертом 4 и пятом 5 резисторах, подключен также к нулевой 11 и потенциальной 12 шине питания. Выход первого делителя напряжения 14 соединен с первым входом мультиплексора 7, выход второго делителя напряжения 15 соединен со вторым входом мультиплексора 7, сигнальным входом ключа 6 и корпусом 13. Ключ 6 и третий резистор 3 соединены последовательно. Второй вывод третьего резистора 3 соединен с нулевой шиной питания 11. Мультиплексор 7, аналого-цифровой преобразователь 8 и блок управления 9 также соединены последовательно. Первый выход блока управления 9 соединен с входом управления мультиплексора 7, второй выход блока управления 9 соединен с входом управления ключа 6, третий выход блока управления 9 соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 8. Информационный выход блока управления 9 подключен к выходной шине 10.
0
X
у
1
2
1
1
2
2
3
Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции работает следующим образом. Пусть первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4 и пятый 5 резисторы имеют одинаковое сопротивление R. Предположим, что между корпусом 13 и нулевой шиной питания 11 существует сопротивление утечки (изоляции) R, а между корпусом 13 и потенциальной шиной питания 12 - сопротивление утечки (изоляции) R. Будем производить измерения U между нулевой шиной питания 11 и выходом второго делителя напряжения 15 и измерения U между нулевой шиной питания 11 и выходом первого делителя напряжения 14. Будем предполагать также, что при формировании блоком управления 9 первого выходного сигнала V=0 мультиплексор 7 подключает выход первого делителя напряжения 14 к входу аналого-цифрового преобразователя 8, а при формировании блоком управления 9 первого выходного сигнала V=1 мультиплексор 7 подключает выход второго делителя напряжения 15 к входу аналого-цифрового преобразователя 8, при формировании блоком управления 9 второго выходного сигнала V=0 ключ 6 разомкнут, а при формировании блоком управления 9 второго выходного сигнала V=1 ключ 6 замкнут и он подключает выход второго делителя напряжения 15 к третьему резистору 3, при формировании блоком управления 9 третьего выходного сигнала V=1 осуществляется запуск аналого-цифрового преобразователя 8, результат преобразования которого фиксируется блоком управления 9.
1
3
2
П
2
П
Пусть блок управления 9 формирует первый выходной сигнал V=0, а затем третий выходной сигнал V=1. В этом случае аналого-цифровым преобразователем 8 будет зафиксировано напряжение U на выходе первого делителя напряжения 14. Если напряжение источника питания равно U, то напряжения U и U связаны соотношением (1)
1
2
3
1
11
11
П
Пусть далее блок управления 9 формирует первый выходной сигнал V=1, второй выходной сигнал V=0, а затем третий выходной V=1. В этом случае аналого-цифровым преобразователем 8 будет зафиксировано напряжение U на выходе второго делителя напряжения 15 при разомкнутом ключе 6. Пусть это напряжение равно U. Напряжения U и U связаны соотношением (2)
1
2
3
1
12
12
П
Пусть далее блок управления 9 формирует первый выходной сигнал V=1, второй выходной сигнал V=1, а затем третий выходной V=1. В этом случае аналого-цифровым преобразователем 8 будет зафиксировано напряжение U на выходе второго делителя напряжения 15 при замкнутом ключе 6. Пусть это напряжение равно U. Напряжения U и U связаны соотношением (3)
X
У
Из соотношений (1), (2) и (3) можно определить сопротивления утечки (изоляции) R и R.
2
11
12
X
У
Таким образом, производя измерения напряжения U на выходе первого делителя 14, напряжения U на выходе второго делителя 15 при разомкнутом ключе 6 и напряжения U на выходе второго делителя 15 при замкнутом ключе 6, мы можем определить сопротивление утечки (изоляции) R между корпусом 13 и нулевой шиной питания 11 и сопротивление утечки (изоляции) R между корпусом 13 и потенциальной шиной питания 12.
X
У
Х
У
Определение сопротивления утечки (изоляции) R и R в соответствии с соотношениями (4) и (5) представляет несложную процедуру и выполняется блоком управления 9. Результат определения сопротивления утечки (изоляции) R и R транслируется на выходную шину 10.
X
У
К1
0
К2
0
К3
0
1
Сравним быстродействие известного [3] и предлагаемого решения. Процедура определения сопротивления утечки (изоляции) R и R в известном устройстве включает в себя три этапа измерений: 1) измерение напряжения U между корпусом и выходом делителя при замыкании эталонного резистора R на нулевую шину, 2) измерение напряжения U между корпусом и выходом делителя при замыкании эталонного резистора R на потенциальную шину, 3) измерение напряжения U между корпусом и выходом делителя при размыкании эталонного резистора R. Предположим, что между корпусом и одной из шин питания (например, нулевой шиной) существует емкость С=10 мкФ. В этом случае заряд емкости С на первом этапе измерений происходит с постоянной времени T
1
2
Заряд емкости С на втором этапе измерений происходит также с постоянной времени T. Заряд емкости С на третьем этапе измерений происходит с постоянной времени Т
X
У
Длительность измерения Т сопротивления утечки (изоляции) R и R (быстродействие) в известном устройстве можно оценить в виде
0
X
Если, например, R=100 кОм, R=1 МОм, то длительность измерения Т (быстродействие) известного устройства будет равна 7 сек.
X
У
2
11
12
3
В предлагаемом устройстве процедура измерения сопротивления утечки (изоляции) R и R состоит также из трех этапов: 1) измерение напряжения U на выходе первого делителя 14, 2) измерение напряжения U на выходе второго делителя 15 при разомкнутом ключе 6, 3) измерение напряжения U на выходе первого делителя 14 при замкнутом ключе 6. На первом этапе измерение происходит без запаздывания. На втором этапе заряд емкости С происходит с постоянной времени Т
4
На третьем этапе заряд емкости С происходит с постоянной времени Т
5
X
У
Длительность измерения T сопротивления утечки (изоляции) R и R в предлагаемом устройстве можно оценить в виде
5
В тех же условиях длительность измерения (быстродействие) предлагаемого устройства Т=0, 7 сек.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения электрического сопротивления изоляции обладает значительно большим быстродействием по сравнению с быстродействием известного устройства.
Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные ключи, мультиплексоры, резисторы, аналого-цифровые преобразователи.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №744339, 1980 г., бюллетень изобретений 24.
2. Патент Российской Федерации №2230332, фиг.1, фиг.4, Кл. G01R 27/16, 2004 г.
3. Патент Российской Федерации №2230332, фиг.3, фиг.4, Кл. G01R 27/16, 2004 г.