CN1049736C

CN1049736C - 数字兆欧表

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Publication number: CN1049736C
Application number: CN 91112652
Authority: CN
Inventors: 胡学军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-30
Filing date: 1991-12-30
Publication date: 2000-02-23
Anticipated expiration: 2006-12-30
Also published as: CN1074043A

Abstract

本发明涉及测量各种电气设备、绝缘材料的绝缘电阻值的数字兆欧表，其采用I/V、V/R变换，数字显示被测物的绝缘电阻值，内接或外接直流电源工作，整机可提供多值直流高压，测量范围为0.1MΩ-200,000MΩ、分辨率为0.001MΩ、0.01MΩ、0.1MΩ、1MΩ、10MΩ、量程自动选择，本发明结构简单、调试方便造价低，适用面广，可以取代传统的绝缘摇表和高阻表。

Description

本发明涉及一种测量电气设备、绝缘材料的绝缘电阻值的检测装置，特别是一种数字兆欧表。

目前，检测电气设备、绝缘材料绝缘性能的装置有兆欧计、高阻表或者手摇(发电机)式的麦格表俗称摇表，它们应用流比计原理，采用磁电式微安电流表，用指针显示测量结果。这类用指针显示测量结果的装置，因装置放置倾角及读数视角的影响，使测量值有较大的误差，而且在检定中还要考虑中值电阻、电压，开路电压等指标因素，因此，实际使用时，工作量大。在某些情况下，常要求测量装置提供多种测量电压，单个的摇表是不能满足要求的，这也给测量工作带来了不便。至于测量精度，指针式的表头显示的最小刻度一般为0.1MΩ，这样就难以保证绝缘电阻的分辩率在0.1MΩ以下的测量时的数量精度，为改变这种情况，国内外正在研制检测绝缘性能的数字显示测量装置，有的产品和构想已公诸于世。如中国专利CN861059996A公开了一种自选量程高压数字式兆欧表就是其中的一例。该装置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。这种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、输出系统组成，其中直流高压电源可以根据被测对象不同要求提供500V、1000V、2500V、5000V、10000V、15000V等不同的高压，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和被测取样电压。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。V/R变换器采用双积分A/D变换大规模集成模块构成双积分除法器。这种装置的优点是能提供多种直流高压以满足不同的测量要求，采用移动小数点进行量程的自动切换，不需要对测量范围进行预置。电路中采用了双支路压比取样及有源滤波措施，对直流高压电源要求较低，另外显示直观，减轻了测量人员的劳动强度。但是这种数字兆欧表的测量取样是经两条取样支路，同时分压取样，使整机固有的误差就很难消除，这样测量的动态范围就受到限制，特别是测量下限不容易做得很低，测量精度不可能做到很高。

本发明的目的是，提出一种造价较低、测量范围覆盖宽、测量精度和分辨率有可靠保证的新的数字兆欧表，以克服现有兆欧表整机固有误差难以消除，测量的动态范围受到限制，测量下限不容易做到很低，测量精度不可能做到很高的不足。

本发明的技术解决方案是，采用直流供电电路，多值直流高压稳压电源，衰减控制电路，运算电路及输出显示电路，其中，多值直流高压稳压电源可提供500V、1000V、2000V、2500V、5000V等不同高压，其特征在于，采用了电流输入电路、I/V转换电路，直流供电电路与多值直流高压稳压电源、电流输入电路、运算电路相连，多值直流高压稳压电源与电流输入电路配接，电流输入电路与I/V转换电路相接，I/V转换电路与衰减控制电路相接，衰减控制电路分别与运算电路和输出显示电路相连，运算电路和输出显示电路相接。多值直流高压稳压电源还可以提供50V、100V、250V的不同直流高压。本发明的基本构思是将被测物在给定的额定电压下流过的电流，经电流输入电路、I/V转换电路变成相应的电压，再将得到的电压经衰减控制电路，运算电路作除法运算，其结果再经输出显示电路进行V/R变换而得到绝缘电阻值，根据这种构思，其测量步骤是：

a、将直流高压直接作用于被测物Rx，即接在多值直流高压稳压电源的输出端与电流输入电路的输入端之间的被测物Rx上将有电流流过，这个电流值Ix与多值直流高压稳压电源提供的额定电压Eo和被测物的绝缘电阻值Rx相关，即Ix＝Eo/Rx。

b、该电流经电流输入电路后由I/V转换电路转换成相应电压，因I/V转换电路实际上是一级比例衰减器，这样其输出电压可表示为(Eo/Rx)·R_F，即：EoR_F/Rx。

c、运算电路对I/V转换电路的输出电压作除法运算，即以Vc²除以EoR_F/Rx得到结果电压Vo，即Vo＝Vc²Rx/(EoR^F)，令Vc²/EoR_F＝K，则Vo＝KRx，由此可以看出结果电压值Vo与Rx成为线性关系。

d、结果电压值Vo送入输出显示电路中的A/D转换器进行V/R转换，直接显示Rx之值。

本发明的优点在于，完全摆脱了现有的磁电式指针读数式兆欧表的模式，并克服了现有的数字兆欧表的不足，主要电路器件采用国内外通用型的中大规模集成电路，造价较低，测量范围覆盖宽，测量精度和分辩率有可靠的保证，在0.1-200,000MΩ范围内，分辨率可以达到0.001MΩ、0.01MΩ、0.1MΩ、1MΩ、10MΩ，且自动选定，如加大高压驱动功率，改变I/V转换电路中的R_F之值，其测量下限可以达到0.01MΩ，采用直流供电，使用干电池，整机可以做成便携式结构，体积小，使用方便，本发明可以代替传统的绝缘摇表和高阻表，广泛用于电气绝缘测试的各种行业和部门，是一种较好的更新换代的绝缘电阻检测装置。

图1，本发明的电路方框图；

图2，本发明的电流输入电路原理图；

图3，本发明的I/V转换电路原理图；

图4，本发明的衰减控制电路原理图；

图5，本发明的运算电路原理图；

图6，本发明的基本结构示意图；

图7，本发明的基本结构示意图的后视图；

图8，本发明的基本结构示意图的后视图的A-A向剖视图；

图9，本发明的基本结构示意图的后视图的B-B向剖视图；

下面根据附图详细描述本发明的实施例。

如图1所示，本发明由多值直流高压稳压电源1，直流供电电路2，直流输入电路3，I/V转换电路4，衰减控制电路5，运算电路6，输出显示电路7组成，多值直流稳压电源1接有高压选择开关S1和高压取样电阻Rs1、Rs2，高压取样电阻Rs1、Rs2与高压选择开关S1串接，高压取样电阻Rs1、Rs2的一端均接机器地。根据多值直流高压稳压电源1提供的直流高压的多少来选择取样电阻多少和高压选择开关的支路开关的多少。在多值直流高压稳压电源1的输出端E与高压选择开关S1之间接有一稳压取样电阻s。直流供电电路2分别与多值直流高压稳压电源1、电流输入电路3、运算电路6相接，电流输入电路3的L端接被测物Rx，电流输入电路3的J端接多值直流高压稳压电源1、电流输入电路3的A端接I/V转换电路4，I/V转换电路4的B端接衰减控制电路5，衰减控制电路5的C端接运算电路6，衰减控制电路的P端接输出显示电路7，运算电路6的D端接输出显示电路7。多值直流高压稳压电源1的输出端E是高压正极输出端，同时也是“接地端子”。输出端E对机器地稳压。多值直流高压稳压电路1有参考电压V_RO，V_RO是一个与运算电路6所需常量电压Vc正相关的电压。多值直流高压稳压电源1可以提供50V、100V、250V、500V、1000V、2000V、2500V、5000V等不同额定电压，通过高压选择开关S₁来实现。各电压的取样电阻Rs1、Rs2、Rsn之比与输出各种电压的反比值相等，如Rs/(50V)/Rs(100V)＝100V/50V，输出显示电路由A/D转换器、数字显示器及小数点控制器组成，A/D转换器可以选择ICL7106或ICL7129，小数点控制器采用CD4070实现。电流输入电路3的L端为“线路端子”，G为“屏蔽端子”，被测物Rx接在多值直流高压稳压电源1的输出端E和电流输入电路3的L端之间。由于E端对机器地稳压，因此E、L端之间的电压值即额定电压值。

如图2所示，电流输入电路3由R1、R2、L1、C1及T1、T2组成，R1、L1串接于L端与A端之间，构成被测物Rx流过的电流的传输通道。T1的发射极与L端和R1相接，T1的集电极与基极同接在J端，使三极管T1的b-e结反相偏置，三极管1系一般三极管，在允许的耗散功率和极限电流内e-b结反向击穿后呈稳压特性。R2一端接T1的基极，另一端接T2的基极和电容C1，C1与T2的发射极均接机器地，T2的集电极接K端，K端与直流供电路2相接，通常使R1＜＜Rxmin，L1为短路防护元件也兼作高频衰减元件。电流输入电路3输出的保护信号分为两路，一路延时关闭高压，从K端输出，一路即时高压限流，从J端通过。R2、C1组成时延电路。

如图3所示，I/V转换电路4实际上一级负增益放大器，其中，开关S2分别与电阻R_F1、R_F2串接后与C2并接形成一阶低通滤波器，再与运算放大器A₁的A端和B端相接。采用这个一阶低通滤波器。是为了消除低频干扰，提高仪表的工作稳定性，运算放大器A1的输入端“+”通过一电阻与零电位相接，根据运算放大器的特点，正反向输入端电位应该相同，所以，A端为“虚零”端，且与机器地之间有一固定的电压值。电流输入电路3通过A端与I/V转换电路4相接，这样，L端经电流输入电路3后接I/V转换电路4的“虚零”端，即A端，由于“虚零”端对机器地电压为一固定值，E端对地稳压，使E、L端之间的电压值为额定电压值，保证了整机的测量的基本条件。运算放大器A1可以选用ICL7650或者5G7650。电阻R_F的多少与取样电阻Rs的多少是一一对应的，开关S₂与高压选择开关S₁连动。在I/V转换电路4中，送入的在额定电压值下被测物Rx上流过的电流在R_F上将产生相应的电压降，在这里对应各电压时的R_F值的比值与电压的反比值相等。如R_F(50V)/R_F(100V)＝100V/50V。因此就存在如下一一对应的关系；Rs1/R_F1＝Rs2/R_F2＝…＝R_sn/R_fn。R_F的具体元件分别为RF1、RF2…RFn；Rs的具体元件分别为R_s1、R_s2×R_sn。

如图4所示，衰减控制电路5由四极衰减器，选通模拟门，反相放大器和比较器组成，四级衰减器与选通模拟门配接后连在衰减控制器5的输入端B，输入端B与反相放大器A₂的“-”输入端相连，反相放大器A₂的“+”输入端通过电阻与零电位相接，比较器A₃-A₅的反相端连放大器A₂的输出端，比较器A₃-A₅的输出端分别接有非门，A₃-A₅组成三门限比较器；G1-G4组成选通模拟门，R3-R6组成20dB一步的四级衰减器。由B点馈入的转换的被测电压经A₂的反相放大，送至比较器A₃-A₅与V_R1-V_R3进行比较，其结果是，当被测电压值很小时，A₃输出“1”G1开通，被测电压由B经G1模拟门从C点送入运算电路6，而当被测电压值大于V_R1时，A₃输出“0”，G2开通，被测电压衰减20dB后从C点送入运算电路6，且PT的输出使十分位小数点点亮，依此类推，PH、PK在相应条件下输出信号驱动所控制的小数点点亮，实现自动量程转换。其中G1-G4可以选用CD4066，A₂-A₅选用LM324；非门选用CD4011。

如图5所示，运算电路6是一个典型的模拟乘除法器，由运算放大器A₆、A₇、A₈、A₉、A₁₀，三极管T₃T₄、T₅、T₆及其相关电阻组成，输入端为C，输出端为D，直流偏置电压Vc来自直流供电电路2的一端，A₆-A₁₀可以选用OP07或CA3140一类运算放大器，T₃-T₆选用参数一致的三极管，如对管、四管，D点输出电压Vo直接送入输出显示电路7进行A/D转换，从数字显示器上可以直接读出Rx之值。

按照图1、图2、图3、图4、图5给出的输入、输出端点的相同符号将上述电路联接起来就构成了本发明推荐的实施例的总体电路原理图，按照这个总体电路原理图足以再现本发明。

如图6、图7、图8、图9所示，根据本发明的技术解决方案提出的总体电路原理图(如前图1、图2、图3、图4、图5所示)给出本发明的基本结构，将多值电流高压稳压电源1、直流供电电路2、电流输入电路3、I/V转换电路4、衰减控制电路5、运算电路6、输出显示电路7装入带有提手9的外壳8中，外壳8上装有高压选择开关10，电流开关11、高压启动键18、外接直流电源插孔19、高压指示灯17、L端插孔12、G端插孔13、E端插孔14、数字显示窗16、铭牌15，高压选择开关10即是与多值电流稳压电源1配接的高压选择开关S1，它是一个多档开关，可以分别选择100V、250V、500V、1000V的直流高压，变换各档串接的R_s1-R_s4的阻值，还可以分别选择1000V、2000V、2500V、5000V，或者其它数额的额定直流电压。L端插孔12与电流输入电路3的L端相接，G端插孔13与机器地相接，E端插孔14与多值直流高压稳压电源1的输出端E相接。外壳8由上盖30、下盖27组成，通过螺钉20、32连为一体。外壳8系塑压件。下盖27上有电池盒21、电池盒21上有电池盒盖22，从电池盒21中有电源馈线23、25引出，通过插接件24、26与电路板31配接，电路板31固定安装在外壳8内，上盖30、下盖27的内表面均装有屏蔽罩28，电路板31上的G端即保护环，通过导电弹片29与下盖27上的屏蔽罩28连接。电路板31上安装有组成多值直流高压稳压电源1、直流供电电路2、电流输入电路3、I/V转换电路4、衰减控制电路5、运算电路6、输出显示电路7的各种电子元件和电子线路，电路板31设计合理，集成化高，各种电子元件均采用国内外通用型的器件，液晶显示屏采3位半或4位半的数字显示，直流供电电源为9V，选用6节1.5V的干电池或者通过直流输入插孔19外接直流电源供电。

本发明的工作的基本情况是，当被测物Rx接在多值直流高压稳压电源1的高压输出端E与电流输入电路3的输入(线路)端L之间，接通电源，用开关S1选定额定的高压档，启动高压使多值直流高压稳压电源1在被测物Rx上施加一额定电压，这样在被测物Rx上将产生相应的电流Ix，电流Ix经L端流入电流输入电路3，由于多值直流高压稳压电源1的高压输出端E对机器地稳压，而L端的电位又比机器地高一个常量电压，这样E-L间的电位当为额定电压Eo，从E端流出经被测物、L端子流回机器地的电流值为Fo/Rx。这个被测电流Ix将经过电流输入电路3的R1、L1串联支路由输出端A进入I/V转换电路4，当被测物Rx短路、过流或其它原因使得L的电位升高时，三极管T1的e-b结将被反向击穿，使J点向多值直流高压稳压电源1馈送限流信号，同时由R2、C1组成延时电路开通，使T2延迟约1秒钟后导通，从K点向供电电路2发出关闭高压信号，这样做的结果，既不影响容性被测物的正常测试，也能有效地保护装置的本身。尽管测试值Rx+R1，但使R1＜＜Rxmin，测试精度是可以保证的。I/V转换电路4是一级负增益低通放大器，即满足(R_F/Rx)＜＜1的条件。低通的特性在于滤除交流纹波的干扰。被测电流Ix经过I/V转换电路后得到的电压值再被送至衰减控制电路5，衰减控制电路5内相应的比较器A₃-A₅的输出信号G₁′、G₂′、G₃′、G₄′控制衰减器的G1-G4选通模拟门以实现20dB一步，最高达60dB的衰减，并将信号通过C点送至运算电路6，另一路信号PT、PH或PK去控制相应的小数点，实现量程自动选择，得到四种分辨率，由于衰减后加到运算电路6输入端的信号动态范围减小了几个数量级，使得除法运算器制作简单，就容易实现稳定的性能和极好的线性。同时由于运算电路6内采用的常量电压Vc是与多值直流高压稳压电源1的参考电压VRo正相关的电压，从而提高了整机电源的适应性，这样使得本发明在较宽电压范围内都能正常工作。如前述由于运算电路6的输出结果电压值与被测物Rx成线性比例关系，将其送入输出显示电路7中，经A/D转换器(三位半或四位半)后进行V/R转换，由数字显示器显示测试结果，能直观地读取被测物Rx在所施加的额定直流高压下的绝缘电阻值。值得提出的是：运算电路6的运算关系是Vo＝K1 ＝

(取K＝1时)，当Vi＝Eo·RF1Rx时，Vo＝Vc²·Rx/Eo·R_F。这样当Rx为一定值时，要使Vo在工作电源允许的波动范围内稳定，必须保证比值Vc²/Eo的稳定。只要使＝＝，就能够保VcEo的稳定。这在技术上是不难的。为此，对于一定的高压值Eo使参考电压VRo与Vc正相关；就能保证Vo的值的稳定，即Rx的测试值不因工作电源的允许变化而变，这一点也是优于现有技术的。

Claims

1.数字兆欧表，采用直流供电电路，多值直流高压稳压电源，衰减控制电路、运算电路及输出显示电路，其中多值直流高压稳压电源可提供500V、1000V、2000V、2500V、5000V的不同高压，其特征在于，采用了电流输入电路(3)，I/V转换电路(4)，直流供电电路(2)分别与多值直流高压稳压电源(1)、电流输入电路(3)、运算电路(6)相连，多值直流高压稳压电源(1)与电流输入电路(3)配接，电流输入电路(3)与I/V转换电路(4)相接，I/V转换电路(4)与衰减控制电路(5)相接，衰减控制电路(5)分别与运算电路(6)和输出显示电路(7)相连、运算电路(6)和输出显示电路(7)相接，多值直流高压稳压电源(1)的输出端与电流输入电路(3)的输入端之间串接被测物Rx实现配接，将通过被测物Rx的电流在流经电流输入电路(3)后转换成相应电压的I/V转换电路(4)是一级比例衰减器，运算电路(6)是对I/V转换电路(4)的输出电压作除法运算并使结果电压与被测物Rx绝缘电阻成为线性关系的电路，输出显示电路(7)采用了A/D转换器，其是采用A/D转换器将结果电压值进行V/R变换后直接显示绝缘电阻值的电路。

2.根据权利要求1所述的数字兆欧表，其特征在于，电流输入电路(3)由R₁、R₂、L₁、C₁、T₁、T₂组成，R₁、L₁串接于L端与A端之间构成被测物Rx上流过的电流的传输通道，T₁的发射极与L端和R₁相接，T1的集电极与基极同接在J端，使T₁的b-e结反相偏置，R₂、C₁组成延时电路，R₂一端接T₁的基极，另一端接T₂的基极和电容C₁，C₁的另一端与T₂的发射极均接机器地，T₂的集电极接K端，电流输入电路(3)通过K端与直流供电电路(2)相接，R₁＜＜Rxmin，L₁为短路防护元件兼做高频衰减元件。

3.根据权利要求1所述的数字兆欧表，其特征在于，多值直流高压稳压电源(1)还可以提供50V、100V、250V的不同高压电压，多值直流高压稳压电源(1)有输出高压端E，E端对机器地稳压，电流输入电路(3)有输入端L、I/V转换电路(4)有输入端A，A端为“虚零”端，L端经电流输入电路(3)后接I/V转换电路(4)的“虚零”端，“虚零”端对机器地的电压为一固定值，E、L端之间的电压值即额定电压值。

4.根据权利要求1所述的数字兆欧表，其特征在于，多值直流高压稳压电源(1)有参考电压V_RO，V_RO是一个与运算电路(6)所需的常量电压Vc正相关的电压。

5.根据权利要求2所述的数字兆欧表，其特征在于，电流输入电路(3)采用的三极管T₁是一般三极管，在允许的耗散功率和极限电流内e-b结反向击穿呈稳压特性。

6.根据权利要求2所述的数字兆欧表，其特征在于，电流输入电路(3)输出的保护信号分为两路，一路延时关闭高压，一路即时高压限流。

7.根据权利要求1所述的数字兆欧表，其特征在于，多值直流高压稳压电源(1)与取样电阻Rs、高压选择开关S₁配接，各输出电压的取样电阻之比与相应输出电压的反比值相等，I/V转换电路(4)中各R_F值之比与相应电压的反比值相等，它们之间存在如下关系，Rs1/R_F1＝Rs2/R_F2…＝R_sn/R_fn。

8.根据权利要求1所述的数字兆欧表，其特征在于，多值直流高压稳压电源(1)，直流供电电路(2)、电流输入电路(3)、I/V转换电路(4)、衰减控制电路(5)、运算电路(6)、输出显示电路(7)安装在带有提手(9)的外壳(8)中，外壳(8)系塑压件。

9.根据权利要求3所述的数字兆欧表，其特征在于，外壳(8)上有高压选择开关(10)、电源开关(11)、高压指示灯(17)、高压启动键(18)、外接直流电源插孔(19)、L端插孔(12)、G端插孔(13)、E端插孔(14)、数字显示窗(16)、外壳(8)由上盖(30)、下盖(27)组成，通过螺钉(20)、(32)连为一体，下盖(27)上有电池盒(21)，电池盒(21)上有电池盒盖(22)，电池盒(21)中有电馈线(23)、(25)引出，通过插接件(24)、(26)与电路板(31)配接，电路板(31)固安装在外壳(8)内。

10.根据权利要求8或9所述的数字兆欧表，其特征在于，上盖(30)、下盖(27)的内表面均装有屏蔽罩(28)，电路板(31)上的G端即保护环通过导电弹片(29)与下盖(27)上的屏蔽罩(28)连接。