УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2009 года по МПК G01R27/18 

Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей, находящихся под напряжением постоянного тока, относится к электроизмерительной технике, в частности к автоматизированным системам контроля, и применяется при контроле сопротивления изоляции электрических цепей электро- и радиотехнических изделий.

Известно устройство измерения сопротивления изоляции двухпроводной линии постоянного тока патент №2026561, 1995 г. Сущностью работы устройства является то, что проводятся в выявляемые моменты времени измерения эквивалентного сопротивления изоляции полюсов контролируемой сети по отношению к корпусу, перед каждым из которых проводят балансировку измерительного моста, два плеча которого представляют составляющие сопротивления изоляции, а два других - плечи управляемого резистивного делителя напряжения, причем для каждого измерения в диагональ моста с сигнальным резистором с помощью коммутационного элемента подключают источник напряжения постоянного тока.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие моста двумя плечами которого являются сопротивления утечки.

Причинами, препятствующими получению технического результата, являются низкое быстродействие, которое не позволяет эффективно его использовать в сетях имеющих большие емкости с корпусом, а также отсутствие возможности обеспечения гальванической развязки контролируемых цепей в процессе измерения.

Известно устройство - патент измерения сопротивления изоляции №2230332, 2004 г.

Суть изобретения заключается в том, что параллельно измеряемой цепи подключается конденсатор известного номинала, измеряется постоянная времени переходного процесса и, с учетом измеренных начального и конечного значений напряжений, в контролируемых точках определяются параметры изоляции цепи. При этом обеспечивается гальваническая развязка измеряемой и измерительной цепей.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие пары резисторов делителя, шины корпуса, блока измерения, блока индикации результатов, шины «Пуск».

Причинами, препятствующими получению технического результата, являются относительно большое время восстановления потенциала корпуса до его первоначального значения после окончания цикла измерения, высокая погрешность измерения амплитуды скачка потенциала корпуса при емкостях утечки более 100 мкФ, а также даже при ограничении амплитуды скачка потенциала корпуса возможное влияние процесса измерения на показания прецизионной радиоэлектронной аппаратуры.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство патент №2289142, 2006 г.

Суть изобретения заключается в том, что до начала измерения запоминается потенциал корпуса, затем параллельно измеряемой цепи подключается конденсатор известного номинала, измеряется постоянная времени переходного процесса и, с учетом измеренных начального и конечного значений напряжений, в контролируемых точках определяются параметры изоляции цепи. Далее с учетом измеренной емкости утечки на корпус подается напряжение с цифроуправляемого источника напряжения, до тех пор, пока потенциал корпуса не восстановится до запомненного значения.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие пары резисторов делителя, шины корпуса, блока измерения, блока индикации результатов, шины «Пуск», цифроаналогового преобразователя.

Причинами, препятствующими получению технического результата, являются высокая погрешность измерения амплитуды скачка потенциала корпуса при емкостях утечки более 100 мкФ, а также даже при ограничении амплитуды скачка потенциала корпуса возможное влияние процесса измерения на показания прецизионной радиоэлектронной аппаратуры.

Задачей заявляемого изобретения является создание быстродействующего устройства для измерения сопротивления изоляции электрических сетей (в том числе и на корпус), находящихся под напряжением, обеспечивающего высокую точность измерения и оказывающего в процессе измерения минимальное влияние на исследуемые цепи.

Технический результат достигается за счет применения в устройстве блока формирования сигнала цифроаналогового преобразователя (БФСЦАП), блока обеспечения процесса "накачки" (БОПН) и блока вычисления постоянной времени "накачки" τ_H (БВПВ), мультиплексора одна пара входов которого подключена к соответствующим проводам сети, вторая пара его входов подключена соответственно, один вход к объединенным входам пары резисторов делителя (точка А), выход каждого из них соединен с соответствующим проводом сети, другой вход к шине корпуса, а третья пара входов подключена, соответственно, один вход к выходу дифференциального усилителя, другой вход к объединенным входам пары резисторов делителя (точка А), блока измерения, один выход которого подключен к входам БФСЦАП, БОПН и БВПВ, а другой к входу блока индикации результатов, блока синхронизации, блока индикации результатов, шины «Пуск», причем выходы блока синхронизации соединены с соответствующими входами синхронизации мультиплексора, блока измерения, цифроаналогового преобразователя, БФСЦАП, БОПН и БВПВ, а также за счет того, что в устройство введены, шина корпуса объекта, первый и второй ключи, управляющие входы которых подключены к выходам БОПН, конденсатор "накачки", разрядный резистор, цифроаналоговый преобразователь, вход которого подключен к выходу БФСЦАП, выход цифроаналогового преобразователя соединен с первым контактом второго ключа, второй контакт второго ключа соединен с первым контактом разрядного резистора и с первой обкладкой конденсатора "накачки", которая также соединена с первым входом дифференциального усилителя (ДУ), вторая обкладка конденсатора «накачки» соединена со вторым входом ДУ, с шиной корпуса объекта и с вторым контактом первого ключа, первый контакт которого соединен с вторым контактом разрядного резистора.

Поставленная задача достигается за счет фиксации потенциала корпуса до начала измерения, формирования тестового сигнала, отличающегося от запомненного на предельно допустимую величину и подаче тестового воздействия на корпус, осуществляемого через разделительный конденсатор путем многократного подключения последнего к источнику тестового сигнала, далее после отклонения потенциала корпуса от первоначального значения на заданную величину отключения конденсатора «накачки» от корпуса и по параметрам переходного процесса вычисления сопротивления и емкости утечки. А затем восстановления потенциала корпуса до запомненного значения при помощи конденсатора «накачки».

Суть изобретения заключается в том, что потенциалы корпуса и фидера до начала реконфигурации цепей измеряются и запоминаются. Затем оценивается величина, до которой нужно изменить потенциал корпуса, с учетом того, что должно выполняться условие:

где Е_Ф - потенциал фидера, U_K - потенциал корпуса,

U_CK - допустимый скачок напряжения на корпусе.

Если условие выполняется, то скачок осуществляется с тем же знаком, что и потенциал корпуса, если нет, то с противоположным. Это связано с необходимостью осуществлять максимально допустимые изменения потенциала корпуса, не превышая при этом Е_Ф. Далее через емкость «накачки» С_Н к корпусу подключается цифроаналоговый преобразователь, напряжение которого превышает запомненный ранее потенциал корпуса на U_CK В.

При первом подключении потенциал корпуса изменится за счет перераспределения зарядов емкости утечки С_УТ и емкости «накачки» С_Н и последующего разряда емкостей через сопротивление утечки R_УТ. Первое подключение приведет к следующему изменению потенциала корпуса

где τ - постоянная времени цепи разряда.

Через интервал времени Δt₁ измерительная емкость отключается от корпуса и измеряется потенциал, установившийся на С_Н, после первого подключения.

Для последующего цикла "накачки" емкость С_Н разряжается в течение времени Δt₂, через резистор разряда R_раз.

Далее вновь через емкость «накачки» С_Н к корпусу подключается цифроаналоговый преобразователь, напряжение которого превышает запомненный ранее потенциал корпуса на U_CK В.

После каждого подключения происходят приращение потенциала корпуса.

Этот процесс иллюстрируется на фиг.1. Ситуация, приведенная на фиг.1, возникает при малых постоянных времени, обусловленных малыми сопротивлениями утечки на корпус и небольшой емкостью утечки.

На фиг.2 приведена эквивалентная схема измерения.

На схеме (фиг.2) приняты следующие обозначения:

1 - Е₁ - источник напряжения в контролируемой цепи,

2, 3 - R_д1, R_д2 - сопротивления делителя, обеспечивающие потенциал сравнения А,

4, 13 - V₁, V₂ - вольтметры,

5, 6 - R_УТ1, R_УТ2 - сопротивления изоляции первого и второго участков цепи по отношению к корпусу,

7 - корпус,

8, 9 - С_УТ1, С_УТ2 - емкости утечки первого и второго проводов шины по отношению к корпусу,

10, 14 - S₁, S₂, - ключи для соответствующей коммутации,

11 - R_раз - разрядный резистор,

12 - С_Н - конденсатор «накачки» известной емкости,

15, 16 - Е₂, Е₃ - цифроуправляемые источники напряжения,

Е₂=U_k+U_CK, Е₃=U_k-U_CK.

Так как подключение емкости «накачки» осуществляется кратковременно, то формула (2) при t=0 будет

.

Тогда, проводя измерение потенциала конденсатора Сн после отключения его от корпуса, можно вычислить значение С_УТ по формуле

В соответствии с вышеописанным, в дальнейшем определяется значение постоянной времени переходного процесса τ_Н, равное

тогда

при этом

С учетом того, что потенциал корпуса

получаем систему из двух уравнений (6) - (7), решение которой относительно R_УТ1 и R_УТ2 и с учетом (5) дает следующий результат:

,

тогда, подставив R_УТ2, получим

.

На фиг.3 представлена структурная схема устройства, в состав которой входят:

17 - резистивный делитель, обеспечивающий формирование потенциала сравнения шины, содержащий пару резисторов;

18 - дифференциальный усилитель (ДУ);

19 - шина "Пуск";

20 - шина корпуса объекта;

21 - блок синхронизации (БС);

22 - мультиплексор измерительного входа MS, блока измерения обеспечивающий цепь для измерения либо напряжения между положительным и отрицательным проводом шины, либо между корпусом и шиной срединного потенциала (А), либо между выходом дифференциального усилителя и шиной срединного потенциала (А);

23 - блок измерения (БИ), который включает в себя аналого-цифровой преобразователь АЦП, блок вычисления результатов измерения БВР;

24 - блок индикации результатов;

25 - блок формирования сигнала цифроаналогового преобразователя (БФСЦАП),

26 - блок обеспечения процесса "накачки" (БОПН);

27 - блок вычисления постоянной времени "накачки" τ_H (БВПВ);

28 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

11 - R_раз - разрядный резистор;

10 - первый ключ K₁ подключения разрядного резистора R_раз к корпусу системы;

29 - второй ключ К₂ подключения конденсатора "накачки" С_н к цифроаналоговому преобразователю;

12 - С_н - конденсатор "накачки";

2 и 3 - пара резисторов делителя R_Д1 и R_Д2;

30₁ и 30₂ - пара проводов шин F₁ и F2;

K₁, K₂ - сигналы управления ключами 10 и 29 соответственно.

Выходы узла 17 делителя подключены к входам переключателя измерительных входов блока измерения 23 (БИ) мультиплексора MS 22. Ко второй паре входов мультиплексора MS 22 подключены объединенные входы пары резисторов 2 и 3 делителя (средняя точка А) и шина корпуса объекта 20. К третьей паре входов мультиплексора MS 22 подключены выход дифференциального усилителя ДУ 18 и средняя точка А. Два выхода мультиплексора MS 22 соединены с входами блока измерения 23. Первый выход БИ 23 подключен к второму входу блока синхронизации БС 21, второй выход БИ 23 подключен к входам БФСЦАП 25, БОПН 26 и БВПВ 27, а третий к входу блока индикации 24.

Выход БФСЦАП 25 подключен ко входу цифроаналогового преобразователя ЦАП 28. Выход ЦАП 28 соединен с первым контактом второго ключа К₂ 29. Второй контакт К₂ 29 соединен с первым контактом разрядного резистора R_раз 11, с первой обкладкой конденсатора "накачки" С_н 12 и с одним из входов ДУ 18. Другой вход ДУ 18 соединен с второй обкладкой С_н 12, шиной корпуса объекта 20 и вторым контактом первого ключа K₁ 10. Первый контакт первого ключа K₁ 10 соединен с вторым контактом R_раз 11.

В узле деления 17 к входным шинам 30₁ и 30₂ подключены соответственно последовательно соединенные резисторы 2 и 3. Выходы блока синхронизации БС 21 подсоединены к соответствующим входам синхронизации следующих блоков: MS 22, БИ 23, ЦАП 28, БФСЦАП 25, БОПН 26 и БВПВ 27. К двум выходам БОПН 26 подключены входы управления первого ключа 10 и второго ключа 29. К первому входу БС 21 подключена шина "ПУСК" 19.

Устройство работает по алгоритму, определяемому БС 21. Укрупненная блок-схема алгоритма приведена на фиг.4, где приняты следующие обозначения.

1. Начало цикла измерения.

2. Измерение потенциала фидера и корпуса U_К0 и ЕФ.

3. Проверка условия: Е_Ф-U_К0>U_СК, где Е_Ф - потенциал фидера, U_К0 - потенциал корпуса U_СК - допустимый скачок напряжения на корпусе.

4. Установка на выходе цифроаналогового преобразователя

(ЦАП) потенциала U_ЦАП=U_К0+U_СК.

5. Одновременное подключение одной обкладки конденсатора "накачки" С_н к выходу ЦАП, а другой обкладки к корпусу системы.

6. Отключение конденсатора С_н от корпуса системы и ЦАП через время Δt.

7. Проверка условия. Первое подключение С_н?

8. Измерение потенциала между обкладками С_н и вычисление С_УТ

9. Измерение потенциала корпуса.

10. Проверка условия, U_ЦАП-U_К<ε, где ε - допустимая погрешность измерительного воздействия.

11. Разряд конденсатора Сн при помощи разрядного резистора R_раз.

12. Установка на выходе цифроаналогового преобразователя (ЦАП) потенциала V_ЦАП=U_К0-U_СК.

13. Измерение параметров переходного процесса и вычисление τ_Н.

14. Вычисление R_УТ1 и R_УТ2.

15. Индикация результатов измерения.

16. Задается режим восстановления потенциала корпуса.

17. Проверка условия "STOP".

18. Завершение цикла измерения.

В исходном состоянии шины двухпроводной сети подключены к входу устройства, первый ключ K₁10 замкнут, а второй ключ К₂29 разомкнут. По команде БС 21 MS 22 подключает к измерительным входам блока БИ 23 пару проводов измеряемой шины, который производит измерение разности потенциалов Е между ними.

После измерения напряжения между проводами шины MS 22 переключает измерительные входы блока 23 к средней точке А (см. фиг.3) и шине корпуса 20, а блок БИ 23 измеряет разность потенциалов U_K0 между ними и передает данные в цифровом виде в БФСЦАП 25, который вычисляет значение потенциала, до которого нужно изменить потенциал корпуса согласно (1), в соответствии либо с соотношением U_ЦАП=U_К0+U_СК, либо с соотношением U_ЦАП=U_К0-U_СК и затем по сигналу, поступающему с БС 21, БФСЦАП 25 заносит результат вычисления в регистр ЦАП 28, на выходе которого формируется требуемый потенциал. Далее по сигналу с БС 21 блок обеспечения процесса "накачки" 26 отключает ключ K₁10 и через емкость "накачки" С_Н 12, при помощи второго ключа К₂ 29 подключает ЦАП 28, напряжение на выходе которого больше (или меньше) потенциала корпуса на U_СК, к шине корпуса объекта 20. Через интервал времени Δt₁ по сигналу с БС 21 блок обеспечения процесса "накачки" 26 при помощи ключа К₂ 29 отключает С_Н 12 от шины корпуса объекта 20 и инкрементирует переменную m на 1, где m - количество циклов подключений С_Н 12 к шине корпуса объекта 20. Начальное значение переменной m=0. В случае, если это первое подключение С_Н 12 к шине корпуса объекта 20, БИ 23 измеряет потенциал, установившийся на С_Н 12 после первого подключения, путем измерения потенциала на выходе ДУ 18 по отношению к средней точке А. Выход ДУ 18 и средняя точке А подключается к входам БИ 23 по сигналу синхронизации с БС 21 при помощи MS 22. Далее БИ 23 продолжает измерять потенциал корпуса по отношению к средней точке А, проверяя выполнение условия:

Если отклонение U_К от U_ЦАП больше допустимого, то по сигналу с БС 21 БОПН 26 разряжает конденсатор Сн 6 при помощи подключенного ключом K₁10 параллельно ему к шине корпуса объекта 20 разрядного резистора R_раз 11 и повторно подключает его ключом К₂ 29 к выходу ЦАП 28 и инкрементирует переменную m на единицу. Подключение, отключение, разряд и вновь подключение конденсатора С_Н 12 будет происходить до тех пор, пока не выполнится условие (9).

Как только это произойдет, БИ 23 измеряет параметры экспоненциального переходного процесса, происходящего при естественном восстановлении потенциала корпуса после воздействия. БВПВ 27 на основании двух замеров экспоненты U₁(t₁) и U₂(t₂), разделенных во времени интервалом (t₂-t₁), вычисляет постоянную времени τ_Н:

где U_К0 - потенциал шины корпуса до начала цикла измерения, который определяется соотношением между R_УТ1 и R_ут2. Причем второй отчет U₂(t₂) выбирается из текущих измерений экспоненты в μ раз меньше первого: . Значение μ может меняться в диапазоне от 0 до 1 в зависимости от следующих условий: чем больше μ, тем меньше время измерения, и чем меньше μ, тем точнее вычисление τ_H.

Блок БВПВ 27 передает полученную величину τ_Н в БИ 23.

Затем блок БИ 23 вычисляет R_УТ1 и R_УТ2 по формулам (3), (4), (5), (6), (7) и эти данные передает в блок индикации результатов 24.

После этого по сигналу БС 21 БФСЦАП 25, используя запомненный первоначальный потенциал корпуса, заносит результат вычисления в регистр ЦАП 28, на выходе которого формируется требуемый потенциал. Далее БОПН 26 при помощи m циклов подключений, отключений, разряда и вновь подключения конденсатора С_Н 12 к выходу ЦАП 28 выполняет режим восстановления первоначального потенциала корпуса. После этого, если не поступила команда STOP, процесс контроля шин начинается заново.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет следующее.

Во-первых, осуществлять более точный выход на максимально возможное отклонение потенциала корпуса, вне зависимости от величины сопротивлений и емкостей утечки.

Во-вторых, нести гораздо меньшие аппаратные затраты, так как можно использовать существенно меньшее количество емкостей путем многократного подключения одной емкости к корпусу, для обеспечения нужного изменения потенциала, вместо подключения набора из n измерительных емкостей. Кроме того, отсутствует необходимость после каждого подключения измерительной емкости из набора восстанавливать прежнее значение потенциала корпуса.

В-третьих, проводить измерение, когда потенциал корпуса прирастает относительно плавно, без больших скачков токов перезаряда емкостей, входящих в цепь измерения, что положительно сказывается на работоспособности системы в целом.

Устройство предназначено для автоматизированных систем контроля изоляции в электрических жгутах и кабелях сетей, находящихся под напряжением постоянного тока. Блок формирования сигнала на выходе ЦАП обеспечивает тестовый сигнал, который через конденсатор накачки воздействует на корпус объекта. Блок обеспечения процесса "накачки", переключая ключи, отклоняет потенциал корпуса от исходного значения на заданную величину. Величина скачка потенциала конденсатора накачки после первого подключения измеряется блоком измерения с помощью дифференциального усилителя. По величине скачка и экспоненциальному переходному процессу восстановления потенциала корпуса блок вычисления постоянной времени и блок измерения вычисляют значения сопротивлений утечки на корпус. Восстановление потенциала корпуса после измерения осуществляется блоком обеспечения процесса "накачки". Точность измерения возрастает за счет того, что во всем диапазоне измерений величина скачка находится в пределах верхней границы шкалы блока измерения. Время измерения существенно сокращено, так как отсутствует необходимость дожидаться установления потенциалов с требуемой точностью после тестового воздействия. 4 ил.

Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей постоянного тока, находящихся под напряжением, содержащее пару объединенных резисторов делителя, выход каждого из них соединен с соответствующим проводом сети, блок измерения, цифроаналоговый преобразователь, шину «Пуск», блок индикации результатов, вход которого подключен к первому выходу блока измерения, и шину корпуса, отличающееся тем, что в него введены мультиплексор, выходы которого соединены с входами блока измерения, первая пара входов подключена к соответствующим проводам сети, вторая пара его входов подключена, соответственно, один вход к объединенным входам пары резисторов делителя, другой вход к шине корпуса, третья пара входов мультиплексора подключена, соответственно, один вход к выходу дифференциального усилителя, другой вход к объединенным входам пары резисторов делителя, блок синхронизации к первому входу которого подключена шина "Пуск", блок обеспечения процесса "накачки", блок вычисления постоянной времени, входы которых соединены со вторым выходом блока измерения, блок формирования сигнала цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к выходу блока измерения, а выход - к входу цифроаналогового преобразователя, первый ключ, второй ключ, дифференциальный усилитель, разрядный резистор, конденсатор "накачки" который одной обкладкой соединен с первым контактом разрядного резистора, вторым контактом второго ключа и первым входом дифференциального усилителя, а второй обкладкой - со вторым входом дифференциального усилителя, шиной корпуса и вторым контактом первого ключа, первый контакт которого подключен ко второму контакту разрядного резистора, первый контакт второго ключа соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, причем второй вход блока синхронизации соединен с третьим выходом блока измерения, а выходы блока синхронизации соединены с соответствующими входами синхронизации мультиплексора, блока измерения, цифроаналогового преобразователя, блока вычисления постоянной времени, блока формирования сигнала цифроаналогового преобразователя и блока обеспечения процесса "накачки", выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей.