CN109752595A - 无线分离式智能绝缘电阻测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线分离式智能绝缘电阻测试仪，该绝缘电阻测试仪将高压发生、测量部分与显示、按键操作部分独立成两个模块，即高压发生与测试控制模块和数值显示与操作模块，相互之间通过蓝牙通讯，在结构上两个模块既可以拼接在一起作为一整台仪器本地操作，也可以分开远程操控绝缘电阻测试，确保测试人员安全。测试仪的数值显示与操作模块通过USB连接PC，可将测试数据传输到PC软件，也可接收PC软件的测试指令。高压调节部分使用纯数字智能化调压，摒弃传统的机械档位切换方式，提升输出电压调节的灵活性，使得分离式远距离操作得以实现；测量部分采用锂电池供电。防爆材质的便携式外机箱结构，方便携带，适合于野外恶劣环境作业。

Description

无线分离式智能绝缘电阻测试仪

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及一种无线分离式智能绝缘电阻测试仪。

背景技术

绝缘电阻测试仪从最早的手摇式兆欧表发展到数字绝缘电阻测试仪，产品都是单独的一整台测试仪器，仪器本身包含高压发生、测量、显示、按键操作等部分，由于在测试过程中仪器对外输出高达2500V高压，所以测试过程中经常发生意外触电情况。大部分绝缘电阻测试仪不带通讯功能，每次的测试结果都需要依靠查看屏幕数据，手工记录，不方便。目前大部分数字绝缘电阻测试仪采用干电池供电，少部分采用铅酸蓄电池供电，干电池续航能力差，蓄电池比较笨重。目前大部分数字绝缘电阻测试仪不方便携带，不适合于野外恶劣环境作业。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种无线分离式智能绝缘电阻测试仪。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种无线分离式智能绝缘电阻测试仪，所述的测试仪包括绝缘电阻测量模块和手持操作与显示终端，以上两者之间采用蓝牙的方式通信连接，其中，所述的绝缘电阻测量模块设置在PP合金防爆防尘机箱内，包括开关电源、电池充放电管理单元、锂电池组、内置高精度ADC的测量与控制电路、第一蓝牙通讯电路与天线、高压发生器、信号调理电路，

所述的开关电源、电池充放电管理单元、锂电池组依次顺序连接，220VAC交流电接入所述的开关电源，所述的开关电源把AC220V转换为直流17V，通过所述的电池充放电管理单元给所述的锂电池组充电；

所述的电池充放电管理单元分别与所述的测量与控制电路、第一蓝牙通讯电路与天线、高压发生器连接；

所述的测量与控制电路和第一蓝牙通讯电路与天线双向连接，所述的测量与控制电路分别与高压发生器、信号调理电路连接，所述的高压发生器和信号调理电路分别与测量输出端子连接，所述的信号调理电路用于对测量信号进行采样以及放大；

所述的测量输出端子用于测量电阻的两端；

所述的手持操作与显示终端包括主控CPU以及分别与主控CPU连接的电池升压电路、LCD驱动与显示电路、第二蓝牙通讯电路与天线、USB接口、操作按键；

所述的LCD驱动与显示电路采用LCD进行显示，显示内容包括设置过程中的菜单和选项显示、测量过程中的高压告警和测量电阻显示、通讯过程中的参数设置与显示、产品信息二维码；

所述的操作按键作为输入部分，用于设置输出电压、切换测量模式、记录和查阅测量历史信息。

进一步地，所述的高压发生器用于产生测试激励所需要的直流电压，分为4个等级，分别为500V、1000V、1500V、2500V，通过设置在机箱上的高压等级选择切换旋钮进行选择。

进一步地，所述的高压发生器采用反激升压拓扑和输出倍压整流的双级级联结构，使用电流型PWM控制芯片UC384x，x取值为1、2、3、4或5，不同的数字代表不同细分功能的同系列控制器，为输出过流和短路提供保护。

进一步地，所述的高压发生器采用电流型反馈控制，包括电压反馈和对电感电流的逐周期检测，实现电压电流双环控制。

进一步地，所述的测量与控制电路中使用测量增益档位切换电路，该测量增益档位切换电路为8档位放大电路，不同的档位对应着不同的增益，在启动测试后，测量与控制电路中主控芯片根据ADC转换电压的大小，切换放大倍数。

进一步地，所述的测量与控制电路中采用内置24位ADC的增强型51单片机C8051F350作为主控芯片，主控芯片通过蓝牙通讯电路接收手持操作与显示终端的测试配置参数与测试指令，控制高压发生器按照设置等级输出直流高压，直流高压激励被测设备，通过采样，信号放大后输入主控芯片内部的高精度ADC进行模拟数字转换，主控芯片读取数字化的值，经过算法计算处理得到被测设备的绝缘电阻值，并通过蓝牙通讯电路把绝缘电阻值发送给手持操作显示终端。

进一步地，所述的手持操作与显示终端采用2节一次性电池进行供电，电池通过电池升压电路升压到5V供给LCD驱动与显示电路及USB接口，通过稳压芯片稳压到3.3V给主控CPU与蓝牙通讯电路供电。

进一步地，所述的主控CPU采用高性能、低功耗Cortex-M0处理器STM32L073RBT6。

进一步地，所述的第一蓝牙通讯电路与天线和所述的第二蓝牙通讯电路与天线中采用CSR1010主控IC，支持蓝牙4.1标准规范。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、分离式远距离操作，避免触电，提升安全性；

采用分离式的设计，控制显示部分与高压测量部分分离，测试人员可以在10米以外使用控制显示模块执行高压输出和绝缘电阻测量，这种非直接接触的远离式操作高压部件，确保了测试人员的人身安全，避免了意外触电危险。

2)、分离式结构，实现与PC实时通信和记录，避免高压对普通设备和PC的影响；

传统的绝缘电阻表，即使有PC通信功能，也需要在停止测量的情况下才能连接PC进行数据读取。本发明的分离式结构，控制显示模块可以通过USB连接PC，实时记录测量数据，不需要手工记录；同时也可以通过PC控制高压测量部分进行绝缘电阻测试，避免高压对普通设备和PC的影响，方便与其它系统集成。

3)、数字化的高压输出电压调节，可以更灵活的调压；

相较于传统的机械选档调压，本发明使用纯数字控制的智能调压，通过调节输出反馈电压基准即可调节输出电压。在必要情况下，连续的改变反馈基准电压，甚至可以连续的调节输出电压，输出电压不再限定在某几个电压档位，大大增强了产品的灵活性和应用范围。

4)、使用可循环的充放电锂电池，提升续航能力，降低环境污染

采用锂电池供电，续航能力较干电池有很大的提高，同时锂电池支持反复充电，干电池一次淘汰，污染环境。

5)、独特便携的防爆机箱应用

手提式的防爆的外机箱，便于携带、抗震防水性能较好，更适合野外恶劣环境作业，使用范围更广。

附图说明

图1是本发明公开的无线分离式智能绝缘电阻测试仪的组成结构图；

图2是本发明中绝缘电阻测量模块的原理结构图；

图3(a)是本发明中高压发生器的电路结构图；

图3(b)是本发明中高压发生器的高压发生、高压调节等效框图；

图4(a)是本发明中测量增益档位切换电路的结构图；

图4(b)是本发明中档位切换等效图；

图5是本发明中手持操作与显示终端的原理结构图；

图6是本发明中电池升压电路的结构图；

附图中，1---PP合金防爆防尘机箱，2---第一蓝牙通讯电路与天线，3---测量与控制电路，4---测试输出端子，5---高压等级选择切换旋钮，6---锂电池组，7---USB接口，8---第二蓝牙通讯电路与天线，9---LCD显示屏，10---电池，11---操作按键。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种无线分离式智能绝缘电阻测试仪。如附图1所示，无线分离式绝缘电阻测试仪由2个部分组成，即绝缘电阻测量模块、手持操作与显示终端。

其中手持操作与显示终端可以放入绝缘电阻测量模块机箱内部，拼接成一台完整仪器本地使用，也可以把手持操作与显示终端拿出来，通过蓝牙的方式远程控制绝缘电阻测量模块进行绝缘电阻测试试验。两个模块之间没有直接的电气连接，而是采用蓝牙的方式通信。

一、绝缘电阻测量模块

绝缘电阻测量模块设置在PP合金防爆防尘机箱内，由开关电源、电池充放电管理单元、锂电池组、内置高精度ADC的测量与控制电路、第一蓝牙通讯电路与天线、高压发生器、信号调理电路构成。原理框图如图2所示。

如果绝缘电阻测量模块插上220V AC交流电，那么开关电源把AC220V转换为直流17V，通过电池充放电管理单元给锂电池组充电，同时给测试仪供电，如果拔掉AC220电源，那么电池充放电管理单元自动切换到锂电池组供电。

锂电池组采用2并3串锂电池结构，电压12.6V，容量4400mAH以上，平均续航时间达到20小时。电池充放电管理单元采用专用锂电池管理芯片，同时设计了电池过放保护电路。

信号调理电路用于对测量信号进行采样以及放大。

高压发生器主要用于产生测试激励所需要的直流电压，分为4个等级，分别为500V、1000V、1500V、2500V，通过设置在PP合金防爆防尘机箱上的高压等级选择切换旋钮进行选择。本实施例中高压发生器采用反激升压拓扑和输出倍压整流的双级级联结构，相较于传统的手动操作机械旋钮切换绕组方式，可以实现更加智能和数字化的输出电压控制。如图3(a)所示，该高压发生器采用创新型的电流型反激拓扑，该电流型反激拓扑在传统UC3845典型拓扑的基础上作了优化，UC3845典型非隔离拓扑，使用内部基准，只能输出正电压，本发明输出的500～2500V为负电压，因此该创新型反激拓扑，保留了UC3845的PWM电流控制功能，摒弃了UC3845的内部基准和内部误差放大器，外扩了外部误差放大器使得拓扑结构可以输出负压，外扩了外部可调基准，使得在不改变电压反馈网络的情况下，通过调整外部基准电压实现调整输出500～2500V高压的目的，实现了智能MCU控制的电压调节。使用先进的电流型PWM控制芯片UC3845，为输出过流和短路提供更加快捷的保护，同时确保了高压输出的稳定可靠，保证后续的测量精度。

如图3(b)所示，高压发生器采用电流型反激拓扑，使用电流型PWM控制芯片UC3845，但不仅仅限于该型号，也包含与之类似功能的PWM控制器UC384x，x取值为1、2、3、4或5，不同的数字代表不同细分功能的同系列控制器，为输出过流和短路提供保护。常规的反馈控制有电压型和电流型两大类模式，电压型对输入电压变化响应慢、电压调整率差、不易控制磁芯饱和。电流型是在电压型的基础上增加了电流反馈的控制环节，除了包含电压反馈外，对电感电流的逐周期检测，实现电压电流双环控制，极大规避了电压型反馈的缺点。

由于绝缘电阻测量范围非常宽从0.5MΩ到100GΩ，测量输出电压从500V到2500V，如何确保测量精度。测量与控制电路中使用了巧妙的测量增益档位切换电路，该测量增益档位切换电路为8档位放大电路，不同的档位对应着不同的增益，在启动测试后，主控芯片根据ADC转换电压的大小，灵活的切换放大倍数，使得ADC端口的信号在最佳的范围，确保了测量的准确性。如图4(a)所示，测量增益档位切换电路使用了高性能的模拟开关芯片，高性能模拟开关降低了器件内阻、漏电流等对放大电路增益的影响，保证的增益准确性。如图4(b)所示，增益档位切换电路等效于图中的反向放大电路，为保证测量准确性，对不同大小的信号执行不同的放大倍数，使得被采样信号Voadc保持在最佳采样区间，图中所示，高性能模拟开关芯片等效于档位切换开关SW1、SW2…SW8，通过SWx选择不同的反馈放大电阻Rfx，以获得不同的放大倍数。

测量与控制电路中采用内置24位ADC的增强型51单片机C8051F350作为主控芯片，主控芯片通过蓝牙通讯电路接收手持操作与显示终端的测试配置参数与测试指令，控制高压发生器按照设置等级输出直流高压，直流高压激励被测设备，通过采样，信号放大后输入主控CPU内部的高精度ADC进行模拟数字转换，主控CPU读取数字化的值，经过算法计算处理得到被测设备的绝缘电阻值，并通过蓝牙通讯电路把绝缘电阻值发送给手持操作显示终端。

蓝牙通讯电路采用美国高通高性能CSR1010主控IC，支持蓝牙4.1标准规范。

二、手持操作与显示终端

手持操作与显示终端部分主要包括电池升压电路、主控CPU、LCD驱动与显示电路、第二蓝牙通讯电路与天线、USB接口等功能电路，原理框图如图5所示。

由于手持操作与显示终端功耗很低，采用2节CR123A一次性电池进行供电，电池通过电池升压电路升压到5V供给LCD驱动与显示电路及USB接口，通过稳压芯片稳压到3.3V给主控CPU与蓝牙通讯电路供电。电池升压电路的电路图如图6所示。

主控CPU采用高性能、低功耗Cortex-M0处理器STM32L073RBT6，该单片机在满足性能要求的同时，具有极低的功耗，可以大大提升电池的续航时间。

LCD驱动与显示电路中显示部分使用LCD，显示内容具有更大的灵活性和丰富性：设置过程中的菜单和选项显示、测量过程中的高压告警和测量电阻显示、通讯过程中的参数设置与显示、产品信息二维码。

操作按键作为输入部分，设置了简洁完善的操作功能，可以快捷的设置输出电压、切换测量模式、记录和查阅测量历史信息。

USB接口作为通信部分，使用STM32L073RBT6内置USB通信单元，无需专用USB芯片，降低产品功耗和简化了产品设计。

蓝牙通讯电路与测量主机相同，都采用美国高通高性能CSR1010主控IC，支持蓝牙4.1标准规范，主控CPU中STM32L073RBT6通过RS232串口和蓝牙通讯电路通信，进而快速与测量主机建立可靠连接，保证测量控制的准确可靠。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线分离式智能绝缘电阻测试仪，其特征在于，所述的测试仪包括绝缘电阻测量模块和手持操作与显示终端，以上两者之间采用蓝牙的方式通信连接，其中，所述的绝缘电阻测量模块设置在PP合金防爆防尘机箱内，包括开关电源、电池充放电管理单元、锂电池组、内置高精度ADC的测量与控制电路、第一蓝牙通讯电路与天线、高压发生器、信号调理电路，

所述的开关电源、电池充放电管理单元、锂电池组依次顺序连接，220V AC交流电接入所述的开关电源，所述的开关电源把AC220V转换为直流17V，通过所述的电池充放电管理单元给所述的锂电池组充电；

所述的电池充放电管理单元分别与所述的测量与控制电路、第一蓝牙通讯电路与天线、高压发生器连接；

所述的测量与控制电路和第一蓝牙通讯电路与天线双向连接，所述的测量与控制电路分别与高压发生器、信号调理电路连接，所述的高压发生器和信号调理电路分别与测量输出端子连接，所述的信号调理电路用于对测量信号进行采样以及放大；

所述的测量输出端子用于测量电阻的两端；

所述的手持操作与显示终端包括主控CPU以及分别与主控CPU连接的电池升压电路、LCD驱动与显示电路、第二蓝牙通讯电路与天线、USB接口、操作按键；

所述的LCD驱动与显示电路采用LCD进行显示，显示内容包括设置过程中的菜单和选项显示、测量过程中的高压告警和测量电阻显示、通讯过程中的参数设置与显示、产品信息二维码；

所述的操作按键作为输入部分，用于设置输出电压、切换测量模式、记录和查阅测量历史信息。

2.根据权利要求1所述的无线分离式智能绝缘电阻测试仪，其特征在于，所述的高压发生器用于产生测试激励所需要的直流电压，分为4个等级，分别为500V、1000V、1500V、2500V，通过设置在机箱上的高压等级选择切换旋钮进行选择。

3.根据权利要求1所述的无线分离式智能绝缘电阻测试仪，其特征在于，所述的高压发生器采用反激升压拓扑和输出倍压整流的双级级联结构，使用电流型PWM控制芯片UC384x，x取值为1、2、3、4或5，不同的数字代表不同细分功能的同系列控制器，为输出过流和短路提供保护。

4.根据权利要求1所述的无线分离式智能绝缘电阻测试仪，其特征在于，所述的高压发生器采用电流型反馈控制，包括电压反馈和对电感电流的逐周期检测，实现电压电流双环控制。

5.根据权利要求1所述的无线分离式智能绝缘电阻测试仪，其特征在于，所述的测量与控制电路中使用测量增益档位切换电路，该测量增益档位切换电路为8档位放大电路，不同的档位对应着不同的增益，在启动测试后，测量与控制电路中主控芯片根据ADC转换电压的大小，切换放大倍数。

6.根据权利要求1所述的无线分离式智能绝缘电阻测试仪，其特征在于，所述的测量与控制电路中采用内置24位ADC的增强型51单片机C8051F350作为主控芯片，主控芯片通过蓝牙通讯电路接收手持操作与显示终端的测试配置参数与测试指令，控制高压发生器按照设置等级输出直流高压，直流高压激励被测设备，通过采样，信号放大后输入主控芯片内部的高精度ADC进行模拟数字转换，主控芯片读取数字化的值，经过算法计算处理得到被测设备的绝缘电阻值，并通过蓝牙通讯电路把绝缘电阻值发送给手持操作显示终端。

7.根据权利要求1所述的无线分离式智能绝缘电阻测试仪，其特征在于，所述的手持操作与显示终端采用2节一次性电池进行供电，电池通过电池升压电路升压到5V供给LCD驱动与显示电路及USB接口，通过稳压芯片稳压到3.3V给主控CPU与蓝牙通讯电路供电。

8.根据权利要求1所述的无线分离式智能绝缘电阻测试仪，其特征在于，所述的主控CPU采用高性能、低功耗Cortex-M0处理器STM32L073RBT6。

9.根据权利要求1所述的无线分离式智能绝缘电阻测试仪，其特征在于，所述的第一蓝牙通讯电路与天线和所述的第二蓝牙通讯电路与天线中采用CSR1010主控IC，支持蓝牙4.1标准规范。