CN1005652B - 自选量程高压数字兆欧表 - Google Patents

Abstract

一种自选量程高压数字兆欧表本发明属于高压电气绝缘性能检测装置，采用压比计原理，利用双支路取样压比电路，选用双积分Ａ／Ｄ变换大规模集成模块构成Ｖ／Ｒ变换器，用数字显示被测阻值。该装置可交直流供电，直流电压源范围很宽，高压可达１５，０００Ｖ，可准确测试电气设备的绝缘电阻及吸收比，精确度可达０．１％（±１个字）测量范围为２０ＭΩ～２００，０００ＭΩ，稍加改动，可测１，０００，０００ＭΩ以上。该装置结构简单，调试方便，造价较低，适应性广。

Description

自选量程高压数字兆欧表

本发明属于高压电气、绝缘材料的检测装置

目前检测电气设备、电缆及各种材料的绝缘性能及绝缘吸收比，所采用的高阻表，兆欧计或摇表，几乎都是用流比计原理，采用磁电系指针式读数。美国希伯公司（HIPORONICS）生产的5000v/100000MΩ高阻表及日本协立公司（KYORITSU）生产的3121型和3122型5000V/100000MΩ高阻表均属磁电系仪表，后者已由中国宁夏电子仪器厂引进投产。指针式仪表读数准确度因人而异，测量误差较大，使用很不方便，尤其对吸收比测量相当困难。按有关规程：在高压接通瞬间开始，分别测出60秒的瞬时值R60为绝缘电阻，而R60和15秒的瞬时值R15之比，即R60/R15定义为吸收比。用现有指针式仪表测量绝缘电阻及吸收比，至少需要三个密切配合，协调一致才能进行测量，若稍有疏忽，就可能造成仪表损坏，而且由于计时、读数及刻度非线性等诸因素影响，造成的测量误差甚大，不能反映被测对象的真实绝缘性能。

近年来国外已在探讨数字式高阻计，不过一般都是采用由被测物和参考电阻相串联的单一取样支路。在参考电阻上获得取样电压，经A/D变换后，再由计算机运算得出结果（如JP59-5969），或者在单支路中取出两个电压，利用双积分（双斜率）A/D变换的方法进行测量，有两种不同的双斜率积分方式，可以做出数字欧姆计或数字电导仪（如US4，217，543）。但是由于采用单支路取样，积分电压直接从被测物上取得，受A/D变换器或积分器输入电平的限制，用上述方法制造的数字欧姆计，加在被测物上的电压只能达数伏至十几伏，无法测量高压下的绝缘电阻，且最高测量范围只限于20MΩ以内;对于数字电导仪，由于同样的原因，无法测量高压状态下的绝缘电导，且测量结果不直观，需作倒数运算。

针对上述情况，本发明的任务在于改进现有技术所存在的不足，用数字显示精确测量被测物绝缘电阻及吸收比，并适于高压大范围的测量，提供一种新的高阻测试装置。

本发明的基本构思是采用双支路压比计原理。由两条串并联电阻网络构成双支路取样压比电路进行取样，分别得到两个取样电压经双积分除法V/R变换进行高阻测量，其测量步骤为：

a.将直流高压施加于双支路取样压比电路上，分别取得基准取样电压Vp和被测取样电压Vx，送至双积分除法器输入端，

b.在时钟信号控制下，在确定时间内对基准取样电压（Vp）进行正向积分，在该时间内通过的钟脉冲数为N1，

c.对被测取样电压（Vx）作反向积分，在该反向积分时间内通过的钟脉冲数为N2，

d.由压比电路，因Rx＞＞Rs，所说被测取样电压Vx与被测物阻值Rx成反比，即Rx∞l/Vx。由双积分可知，反向积分所得钟脉冲数N2与被测电压Vx成反比，即Vx∞l/N2，因此反向积分所得钟脉冲数N2与被测物阻值Rx成正比，写成关系式为Rx∞N2/NlVp，完成V/R变换，达到测试被测物的目的。

上面所说压比计原理，即所说的两条取样支路R1+R2和Rx+Rs的中节点电位相对保持不变，消除了电源波动及纹波干扰，提高了稳定性。

为实现上述高压绝缘电阻的测试，采用如下技术措施，制得自选量程高压数字兆欧表。该兆欧表由直流高压电源，输入电路，控制电路，V/R变换器，时钟发生器，输出系统构成。其中直流高压电源可根据被测对象不同要求提供500V，1000V，2500V，5000V，10000V，15000V等不同高压。输入电路由双支路取样压比电路和有源低通滤波器组成，从压比取样电路中取得基准取样电压Vp和被测取样电压Vx，分别经滤波器消除低频纹波后，再将被测取样电压加到控制电路中。该控制电路包括自动量程选择电路，移位逻辑电路和启控电路。由量程选择电路根据被测取样电压大小，给出相应衰减量，由比较器输出相关的逻辑信号（“0”或“1”）加到移位逻辑电路中，根据该电路的逻辑功能去控制显示器的小数点移位，达到量程自动切换。同时经量程选择电路衰减后的被测电压信号，一路送至V/R变换器的反向积分输入端（Vr端），一路送至启控电路，该电路是由被测电压开启的无稳态振荡电路，主要产生三种信号：（1）周期为15秒取样保持信号，其取样时间为1秒，保持时间为14秒，该信号加到V/R变换器的取样保持端（R/H）;（2）计时电路的启动信号，保证测量和计时同步，实现测量的每一个周期准确为15秒;（3）蜂鸣器的音响信号，使蜂鸣器每隔15秒发出一次提示记录的声响。从低通滤波器输出的基准取样电压，送至V/R变换器正向积分输入端（INHI端）进行双积分除法运算。该V/R变换器是选用双积分A/D变换大规模集成模块（5G7135或类似器件）构成双积分除法器。合理电路参数，在取样保持信号及时钟信号控制下，该除法器输出的数字量即代表了被测物的绝缘阻值，经译码器及位驱动器送至数字显示器，直观地读出被测物的绝缘阻值。

本发明完全摆脱了现有磁电系指针式仪表的缺点及国外已有数字仪表的不足。选用国内外通用型大规模集成电路，造价较低指标先进，测量精确度可达0.1%（±1个字），测量范围在20MΩ-200，000MΩ间，稍加改动可测1，000，000MΩ以上，由于具备取样保持及音响信号，只需一人即可准确测出被测物的绝缘阻值及吸收比（R60/R15）。本兆欧表配备交直流供电系统，适用于室内外不同测试场合及环境，直流高压电源能满足不同规程的测试要求，采取移动小数点进行量程自动切换，无需对被测范围进行予置（估计），由于双支路压比取样及有源滤波，对直流高压电源要求较低，提高了工作稳定性。该兆欧表是电气绝缘材料，电气设备及计量检测等部门广泛使用的测量装置。

下面结合附图详细描述本发明的实施例。图1为高压数字兆欧表总框图，图中1为直流高压电源，其中E，G，L为外部接线端子，“E”接地端子，“G”屏蔽端子，“L”线路端子，被测物（Rx）接在E，L间。2为双支路取样压比电路，3，4为有源低通滤波器，5为自动量程选择电路，6为移位逻辑电路，7为启控电路，8为V/R变换器，9为时钟发生器，10为位驱动器，11为译码器，12为计时电路，13为蜂鸣器，14为数字显示器。

图2为双支路取样压比电路[2]，由基准取样支路[R1+R2]和被测取样支路[Rx+Rs]并联构成的电阻网络。其中由固定电阻R1和R2串联构成基准取样支路，在节点P与屏蔽端G（R2上）间输出基准取样电压Vp，由被测物（以Rx表示）和固定电阻Rs串联构成被测取样支路，在节点（即线路端子L）与屏蔽端G（Rs上）间输出被测取样电压Vx。然后，将两支路并联接于E-G间，该压比电路在高压情况下，通常须满足R1＞＞R2，Rx＞＞Rs。

图3为有源低通滤波器[3，4]，是RC二阶低通滤波网络，主要消除电网波动及纹波干扰，降低电源造价，提高仪表工作稳定性。因双支路取样，共有两组滤波电路，其中运算放大器A1或A2，可选用5G7650（或ICL7650）。

图4为自动量程选择电路[5]，其中跟随器A3-A5采用5G7650（或ICL7650），逻辑开关GO-G1采用CD4066（或C544），比较器A6-A7采用5G14574（或MC14574）。采用“1403”高精度能隙电源作为比较器的基准电压。由滤波器[3]输出的被测取样电压[Vx]加到量程选择电路[5]输入端[Y点]。如果该被测取样电压[Vx]低于基准电压，则比较器A6-A7不工作，其输出端DP1，DP0均为逻辑“0”，开关G0-G1断开，被测信号没有衰减。如将DP1，DP0逻辑信号送至移位逻辑电路[6]中，由该电路的逻辑功能，确定显示器[14]的DPR（右边）小数点点亮，表示被测物量程范围很大。当被测电压[Vx]超过比较器A7的基准电平，则A7输出为“1”，G0接通，选择R9，R10参数，可使电路给出20dB衰减量，再经移位逻辑电路[6]后，确定DPM（中间点）被点亮，表示量程减少，依此类推。

图5为移位逻辑电路[6]，主要选用5G4081四与门和5G4069六非门做成，满足如下逻辑关系：

DPL＝DP1·DP0

DPR=DP1·DPO

该电路真值表为：

图6为V/R变换器[8]，由双支路取样压比电路知，被测取样电压[Vx]与被测物阻值[Rx]成反比，为便于直读，需要将被测取样电压[Vx]进行除法运算，该功能由V/R变换器完成，但是，在电子技术领域中，要做出高精度模拟除法器，造价很昂贵，为降低产品成本，本发明选用作电压表用的双积分A/D变换大规模集成模块5G7135（或5G14433，ICL7106，7126等）构成双积分除法器，巧妙地将该集成模块通常做电压表使用的信号输入端（INHI）和基准电压端（Vr）对调使用位置，即将该模块的信号输入端（INHI）改作基准取样电压[Vp]正向积分输入端，该模块的基准电压端（Vr）改作被测取样电压[Vx]反向积分输入端。在时钟信号控制下，该V/R变换器最后输出的数字量直接反映出被测物的绝缘阻值，完成V/R变换的除法功能。

图7为启控电路[7]，由被测取样信号开启的无稳态振荡器，只有当被测物和直流高压均接上时，才出现被测信号，由量程选择电路[5]输出一启动信号，经比较器A8，使逻辑开关G2闭合，该振荡电路才开始工作。该电路可由5G7556（或ICM7556）双时基电路构成，可输出三种控制信号，即取样保持信号，其取样时间为1秒，保持时间为14秒的振荡信号送至V/R变换器[8]的R/H端;同时启动计时电路[12]开始计时，给出时间显示;该电路同时还产生一个音频信号，供蜂鸣器[13]使用，使其每隔15秒发出一次声响，作为提醒记录的信号。所用计时电路[12]，可选用LCL102构成。最后测试的结果由显示器[14]读出。

本发明的实施，将各附图中按输入和输出点的相同标号联接起来，即构成本发明的高压数字兆欧表。该装置在环境温度21℃，湿度70%条件下，经计量部门检测结果如下表：

Claims (1)

1、一种用于测量绝缘电阻和吸收比的自选量程高压数字兆欧表，包括直流高压电源[1];与该直流高压电源相连接的输入电路，所述输入电路由（R1+R2）//（Rs+Rx）串并联电阻网络构成的双支路取样电路[2]和有源低通滤波器[3，4]组成，并从该双支路的基准臂（R1+R2）取出基准取样电压Vp，从双支路测量臂（Rs+Rx）取出被测取样电压Vx;所述两个取样信号经控制电路和转换电路[8]变成正比于被测电阻的数字信号送给输出系统;所述输出系统包括与转换电路[8]相连的位驱动器[10]和译码器[11]，它们都与数字显示器[14]相连;还有计时电路[12]和蜂鸣器[13]及向转换电路[8]提供时钟信号的时钟发生器[9]，其特征在于，上述控制电路包括：与输入电路相连接的自动量程选择电路[5]，与该自动量程选择电路[5]相连的有移位逻辑电路[6]，用于移动数字显示器[14]小数点，和启控电路[7]，该启控电路可向计时电路[12]提供一个计时启动信号，及向蜂鸣器[13]提供一个音响控制信号;所说的转换电路[8]是由一块用作除法器的双积分A/D变换大规模集成模块构成的电压/电阻（V/R）变换器，所说的双积分A/D变换器的模块，其常规的信号输入端（INHI）改作基准取样电压（Vp）输入端，其常规的基准电压端（Vr）改作被测取样电压Vx输入端，经双积分A/D变换器除法运算后输出的电阻数字量与被测电阻成正比。

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