МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ В ЖГУТАХ И КАБЕЛЯХ
MULTI-CHANNEL DEVICE FOR MEASUREMENT OF INSULATION RESISTANCE IN BUNDLES AND CABLES

Многоканальное устройство для измерения сопротивления изоляции в жгутах и кабелях.
Устройство относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования преимущественно в автоматизированных системах контроля, диагностики и управления технологическими процессами, а также может быть использовано в автономном режиме с выдачей информации на индикаторы.
Контроль изоляции и измерение ее сопротивления для гальванически изолированных от корпуса (земли) цепей были всегда актуальными задачами. Актуальна также и задача контроля изоляции между гальванически изолированными от земли цепями, особенно между проходящими в одном жгуте или кабеле, где велика вероятность нарушения изоляции именно между цепями, приводящая к возможности поражения человека электрическим током или к нарушению работы устройств, подключенных к этим цепям.
Известно устройство для измерения сопротивления изоляции (патент RU 2230332 G01R 27/16, опубликован 10.06.2004), содержащее L входных резисторов, М измерительных конденсаторов, несколько мультиплексоров и демультиплексоров, дифференциальный усилитель, аналоговое запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, узел индикации, блок вычисления результатов и тд., однако такое устройство имеет очень сложную схему, применимо для измерения сопротивления изоляции только цепей постоянного тока, принцип работы основан на измерении нелинейных процессов заряда-разряда конденсаторов (что не может дать высокую точность), устройство не применимо для измерения сопротивления изоляции между изолированными цепями по принципу «каждой с каждой».
Известно устройство для измерения электрического сопротивления изоляции (патент RU 2348939 G01R 27/18, опубликован 10.03.2009), предназначенное для автоматизированных систем контроля в электрических жгутах и кабелях, содержащее блок формирования тестового сигнала на основе ЦАП, конденсатор накачки, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления процессом накачки, блок вычисления постоянной времени, блок измерений и тд., однако такое устройство также имеет сложную схему, применимо для измерения сопротивления изоляции только цепей постоянного тока, принцип работы основан на измерении нелинейных процессов заряда-разряда конденсаторов (что не может дать высокую точность), устройство не применимо для измерения сопротивления изоляции между изолированными цепями по принципу «каждой с каждой».
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого технического решения является измеритель сопротивления изоляции (патент на полезную модель RU 100631 G01R 27/16, опубликован 20.12.2010), содержащий входную цепь, блок управления, блок измерений, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный блок, блок цифровой индикации результатов измерений и режимов работы, блок кнопочной клавиатуры, блок интерфейса, блок сигнализации, многоканальный блок коммутации входных цепей.
Недостатками прототипа являются:
- формирователь измерительного напряжения для обеспечения точности измерений должен иметь строго фиксированные параметры, изменяемые во времени по определенным законам (переполюсовка, кратное изменение напряжения), что усложняет устройство;
- устройство не применимо для измерения сопротивления изоляции между изолированными цепями по принципу «каждой с каждой».
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что известное устройство, содержащее N входных точных резисторов, первые выводы которых образуют входы устройства, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, к средней точке питания которых подключен первый полюс нестабилизированного источника измерительного напряжения постоянного тока и резистор, являющийся токовым шунтом, вторым выводом соединенный со входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу микропроцессорного элемента, соединенного с источником измерительного напряжения, с блоком цифровой индикации результатов измерений и режимов работы, с блоком кнопочной клавиатуры, с блоком интерфейса, с блоком сигнализации и с управляющими входами блока коммутации, при этом, входы второго аналого-цифрового преобразователя, через делитель соединены с полюсами источника измерительного напряжения, а выход - с входом микропроцессорного элемента, а блок коммутации, с целью реализации измерения сопротивления изоляции каждой цепи как относительно «земли», так и относительно других контролируемых цепей, а также реализации функции переполюсовки тока утечки источника напряжения контролируемой цепи, протекающего через токовый шунт, содержит N управляемых микропроцессорным элементом коммутирующих узлов, имеющих в своем составе по два коммутирующих элемента, выходы которых первыми контактами объединены и подключены ко второму выводу одного из N входных резисторов, а вторые контакты первого коммутирующего элемента соединены со вторым полюсом источника измерительного напряжения, а второго - с входом первого аналого-цифрового преобразователя, при этом, с целью контроля метрологической характеристики в процессе эксплуатации, один из коммутирующих узлов предназначен для поочередного включения двух точных резисторов между вторым полюсом источника измерительного напряжения и входом первого аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что с целью сокращения управляющих входов за счет использования третьего состояния выхода микропроцессорного элемента коммутирующие узлы содержат в своем составе по три транзистора, эмиттеры которых соединены с общим проводом источника питания, базы первого и второго транзисторов через ограничительные резисторы соединены с управляющим входом узла, при этом база первого транзистора через резистор подключена к шине питания, а второго - через резистор к общему проводу, коллектор первого транзистора соединен с базой третьего и, через резистор, с шиной питания, а коммутирующие элементы являются коллекторными нагрузками второго и третьего транзисторов.
Техническим результатом является упрощение блока коммутации за счет использования третьего состояния выходов микропроцессорного элемента.
Краткое описание чертежей
На рисунке 1 приведена структурная схема многоканального устройства для измерения сопротивления изоляции в жгутах и кабелях, где: 1 - первый аналого-цифровой преобразователь; 2 -средняя точка питания аналого-цифрового преобразователя; 3 -источник измерительного напряжения; 4 - микропроцессорный элемент; 5 - блок цифровой индикации; 6 - блок кнопочной клавиатуры; 7 - блок интерфейса; 8 - блок сигнализации; 9 - второй аналого-цифровой преобразователь; 10 - блок коммутации; 11 - коммутирующие узлы; 12 - коммутирующие элементы; 13 - контакты коммутирующих элементов; Ril-RiN - N входных точных резисторов; Rш - резистор токового шунта; Rd1, Rd2 - делитель напряжения.
На рисунке 2 приведена схема коммутирующего узла, где: VT1-VT3 - первый, второй и третий транзисторы; R1-R5 - резисторы; P1, Р2 - первый и второй коммутирующие элементы.
Устройство, представленное на рисунке 1, работает под управлением микропроцессорного элемента (4) по заложенной в него программе. После включения питания, в исходном состоянии, выходы микропроцессорного элемента, управляющие коммутирующими узлами (11), находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии и ни один из входных резисторов (Ri1-RiN), первым выводом подключенных к одному из проводов контролируемых цепей, не подключен к измерительным входам устройства, которыми являются вход первого аналого-цифрового преобразователя (1) и второй полюс источника измерительного напряжения (3). Перед началом каждого измерения устройство производит контроль метрологической характеристики измерительного канала поочередным подключением двух встроенных эталонных резисторов (с номиналами, соответствующими верхней и нижней части диапазона измерений) к измерительным входам. При этом, микропроцессорный элемент выдачей "0"("1") на вход соответствующего коммутирующего узла подключает первый (второй) резистор и выдает разрешающий сигнал на преобразователь источника измерительного напряжения. Затем делает выдержку времени для окончания переходных процессов после включения источника (3) и разрешает работу АЦП 1 и 9, делением напряжения по данным АЦП 9 на ток по данным АЦП 1 вычисляет значения сопротивлений и выключает источник (3). При отклонении измеренных значений от записанного в памяти калибровочного значения производится расчет поправочных коэффициентов для дальнейших измерений, а в случае превышения установленной нормы отклонения - формирует и передает через блок интерфейса 7 в автоматизированную систему признак превышения погрешности измерения в старшей или младшей части диапазона измерения или выдает его на блок индикации при работе в автономном режиме. Далее начинается процесс измерения именно сопротивления изоляции между очередными цепями. Его отличие состоит в том, что измерение производится в два этапа: на первом микропроцессорный элемент выдачей "О" на первый и "1" на второй коммутирующие узлы подключает контролируемые цепи к измерительным входам, а на втором этапе - меняет их местами, выдавая соответственно "1" и "0". После этого микропроцессорный элемент производит усреднение напряжения (АЦП 9) и тока (АЦП 1) по данным двух этапов (при суммировании результатов измерений двух этапов ток утечки источника напряжения контролируемой цепи, протекающий через токовый шунт, взаимно вычитается), вычисляет сопротивление всей цепи и вычитает из результата значения сопротивлений входных резисторов и резистора шунта, получая тем самым значение сопротивления изоляции. Результат, с признаком соответствия (не соответствия) норме для данных цепей, передается в автоматизированную систему или в блок индикации, а при заниженном сопротивлении - и в блок сигнализации. Далее процесс повторяется для других цепей.
Если устройство работает в составе автоматизированной системы, то на верхнем уровне может быть предусмотрено хранение конфигураций (карт) измерений, а также норм предельных значений сопротивления изоляции для каждой цепи. Возможность работы по определенным конфигурациям предусмотрена в программе микропроцессорного элемента с целью сокращения общего цикла измерений, поскольку нет необходимости измерять сопротивление изоляции между цепями находящихся в разных кабелях, а только в пределах группы цепей одного кабеля (жгута). При этом, измерение относительно «земли» производится всегда.
Работа коммутирующих узлов 11 поясняется схемой на рисунке 2. Для получения трех состояниями выходов двух коммутирующих элементов ("оба выключены", "включен только первый", "включен только второй") с помощью одного выхода микропроцессорного элемента необходимо соблюдение двух условий при расчете резисторов схемы:
б
U*R1/ (R1+R3)<U
б
U*(R1+R2+R4)/(R1+R2+R3+R4)>U,
б
Где: U - напряжение питания, U - напряжение отпирания базы транзистора VT1.
Иными словами - напряжение делителей, образованных соответствующими резисторами в точке подключения к базе транзистора VT1 (не)должно превышать напряжение отпирания базы.
Таким образом, при логическом нуле на входе коммутирующего узла включен первый коммутирующий элемент, при - "1" - второй, а при отключенном входе (выход микропроцессорного элемента в третьем состоянии) оба выключены. Такое техническое решение в два раза сокращает требуемое число управляющих выходов микропроцессорного элемента.
Предлагаемое изобретение использовано в ООО «НПП»Югпромавтоматизация» при разработке модулей ИМСИ, которые в настоящее время вводятся в опытную эксплуатацию в составе автоматизированной системы АДК-СЦБ на станциях Зеледеево и Бадаложный Красноярской железной дороги. Модули сертифицированы как средство измерения в составе комплекса ИВК-ТДМ (Свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.C.34.004.A №36399).