УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2009 года по МПК G01R27/16 

Предлагаемое изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности к автоматизированным системам контроля электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей, находящихся под напряжением постоянного тока, и может быть использовано при контроле сопротивления изоляции электрических цепей электро- и радиотехнических изделий.

Известно устройство для измерения электрического сопротивления изоляции [1], содержащее измерительный мост, цифроуправляемый резистор, источник питания линии, источник компенсационного напряжения, схему сравнения, блок управления, коммутатор, цифровой индикатор.

Недостаток этого устройства состоит в длительном цикле измерения и влиянии на измеряемую цепь подключения измерительных резисторов.

Известно устройство для измерения электрического сопротивления изоляции [2], содержащее узел делителей напряжения, первый и второй мультиплексоры, дифференциальный усилитель, аналоговое запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления результатов, измерительные конденсаторы, ключи, блок управления.

Недостаток этого устройства состоит в сложности проводимых измерений (требуется регистрация переходных процессов, проведение сложных вычислений), и, как следствие, это устройство обладает низкой точностью измерений.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство [3], содержащее шину измерения, выходную шину, первый делитель напряжения, выполненный на первом и втором резисторах, последовательно соединенные ключ и третий резистор, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, при этом первый вход мультиплексора соединен с выходом первого делителя напряжения, подключенного к нулевой и потенциальной шине питания, первый выход блока управления соединен с входом управления мультиплексора, второй выход блока управления соединен с входом управления ключа, сигнальный вход которого подключен к корпусу, третий выход блока управления соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй вывод третьего резистора соединен с нулевой шиной питания.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно обладает низким быстродействием вследствие заряда емкостей, изменение потенциалов которых определяет значение измеряемого сопротивления изоляции, токами утечки, задаваемыми этими сопротивлениями.

Задача изобретения - повышение быстродействия. Особенно этот параметр имеет решающее значение в системах, содержащих разнообразную аппаратуру, устанавливаемую в отсеках изделия, например, космического аппарата, для которого связь шин источника питания с корпусом недопустима. Поэтому при испытаниях аппаратуры ведется постоянный контроль сопротивления связи (утечки) между корпусом изделия и шинами питания. Непредусмотренная связь между корпусом изделия и шинами питания может возникать кратковременно в каком-нибудь приборе при его функционировании. В этом случае процедура определения сопротивления утечки должна выполняться оперативно и обеспечивать выявление возможных, даже кратковременных, непредусмотренных связей между корпусом изделия и шинами питания.

Решение этой задачи достигается тем, что в устройство для измерения электрического сопротивления изоляции, содержащее шину измерения, выходную шину, первый делитель напряжения, выполненный на первом и втором резисторах, последовательно соединенные ключ и третий резистор, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, при этом первый вход мультиплексора соединен с выходом первого делителя напряжения, подключенного к нулевой и потенциальной шине питания, первый выход блока управления соединен с входом управления мультиплексора, второй выход блока управления соединен с входом управления ключа, сигнальный вход которого подключен к корпусу, третий выход блока управления соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй вывод третьего резистора соединен с нулевой шиной питания, дополнительно введен второй делитель напряжения, выполненный на четвертом и пятом резисторах, при этом мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и блок управления соединены последовательно, второй вход мультиплексора соединен с корпусом и выходом второго делителя напряжения, подключенного к потенциальной и нулевой шине, соединенной с шиной измерения, информационный выход блока управления подключен к выходной шине.

На чертеже приведена блок-схема устройства для измерения электрического сопротивления изоляции. На этой схеме: 1 - первый резистор, 2 - второй резистор, 3 - третий резистор, 4 - четвертый резистор, 5 - пятый резистор, 6 - ключ, 7 - мультиплексор, 8 - аналого-цифровой преобразователь, 9 - блок управления, 10 - выходная шина, 11 - шина измерения (нулевая шина питания), 12 - потенциальная шина питания, 13 - корпус, 14 и 15 - соответственно первый и второй делители напряжения.

Первый делитель напряжения 14, выполненный на первом 1 и втором 2 резисторах, подключен к нулевой 11 и потенциальной 12 шине питания, второй делитель напряжения 15, выполненный на четвертом 4 и пятом 5 резисторах, подключен также к нулевой 11 и потенциальной 12 шине питания. Выход первого делителя напряжения 14 соединен с первым входом мультиплексора 7, выход второго делителя напряжения 15 соединен со вторым входом мультиплексора 7, сигнальным входом ключа 6 и корпусом 13. Ключ 6 и третий резистор 3 соединены последовательно. Второй вывод третьего резистора 3 соединен с нулевой шиной питания 11. Мультиплексор 7, аналого-цифровой преобразователь 8 и блок управления 9 также соединены последовательно. Первый выход блока управления 9 соединен с входом управления мультиплексора 7, второй выход блока управления 9 соединен с входом управления ключа 6, третий выход блока управления 9 соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 8. Информационный выход блока управления 9 подключен к выходной шине 10.

Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции работает следующим образом. Пусть первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4 и пятый 5 резисторы имеют одинаковое сопротивление R₀. Предположим, что между корпусом 13 и нулевой шиной питания 11 существует сопротивление утечки (изоляции) R_X, а между корпусом 13 и потенциальной шиной питания 12 - сопротивление утечки (изоляции) R_у. Будем производить измерения U₁ между нулевой шиной питания 11 и выходом второго делителя напряжения 15 и измерения U₂ между нулевой шиной питания 11 и выходом первого делителя напряжения 14. Будем предполагать также, что при формировании блоком управления 9 первого выходного сигнала V₁=0 мультиплексор 7 подключает выход первого делителя напряжения 14 к входу аналого-цифрового преобразователя 8, а при формировании блоком управления 9 первого выходного сигнала V₁=1 мультиплексор 7 подключает выход второго делителя напряжения 15 к входу аналого-цифрового преобразователя 8, при формировании блоком управления 9 второго выходного сигнала V₂=0 ключ 6 разомкнут, а при формировании блоком управления 9 второго выходного сигнала V₂=1 ключ 6 замкнут и он подключает выход второго делителя напряжения 15 к третьему резистору 3, при формировании блоком управления 9 третьего выходного сигнала V₃=1 осуществляется запуск аналого-цифрового преобразователя 8, результат преобразования которого фиксируется блоком управления 9.

Пусть блок управления 9 формирует первый выходной сигнал V₁=0, а затем третий выходной сигнал V₃=1. В этом случае аналого-цифровым преобразователем 8 будет зафиксировано напряжение U₂ на выходе первого делителя напряжения 14. Если напряжение источника питания равно U_П, то напряжения U₂ и U_П связаны соотношением (1)

Пусть далее блок управления 9 формирует первый выходной сигнал V₁=1, второй выходной сигнал V₂=0, а затем третий выходной V₃=1. В этом случае аналого-цифровым преобразователем 8 будет зафиксировано напряжение U₁ на выходе второго делителя напряжения 15 при разомкнутом ключе 6. Пусть это напряжение равно U₁₁. Напряжения U₁₁ и U_П связаны соотношением (2)

Пусть далее блок управления 9 формирует первый выходной сигнал V₁=1, второй выходной сигнал V₂=1, а затем третий выходной V₃=1. В этом случае аналого-цифровым преобразователем 8 будет зафиксировано напряжение U₁ на выходе второго делителя напряжения 15 при замкнутом ключе 6. Пусть это напряжение равно U₁₂. Напряжения U₁₂ и U_П связаны соотношением (3)

Из соотношений (1), (2) и (3) можно определить сопротивления утечки (изоляции) R_X и R_У.

Таким образом, производя измерения напряжения U₂ на выходе первого делителя 14, напряжения U₁₁ на выходе второго делителя 15 при разомкнутом ключе 6 и напряжения U₁₂ на выходе второго делителя 15 при замкнутом ключе 6, мы можем определить сопротивление утечки (изоляции) R_X между корпусом 13 и нулевой шиной питания 11 и сопротивление утечки (изоляции) R_У между корпусом 13 и потенциальной шиной питания 12.

Определение сопротивления утечки (изоляции) R_X и R_У в соответствии с соотношениями (4) и (5) представляет несложную процедуру и выполняется блоком управления 9. Результат определения сопротивления утечки (изоляции) R_Х и R_У транслируется на выходную шину 10.

Сравним быстродействие известного [3] и предлагаемого решения. Процедура определения сопротивления утечки (изоляции) R_X и R_У в известном устройстве включает в себя три этапа измерений: 1) измерение напряжения U_К1 между корпусом и выходом делителя при замыкании эталонного резистора R₀ на нулевую шину, 2) измерение напряжения U_К2 между корпусом и выходом делителя при замыкании эталонного резистора R₀ на потенциальную шину, 3) измерение напряжения U_К3 между корпусом и выходом делителя при размыкании эталонного резистора R₀. Предположим, что между корпусом и одной из шин питания (например, нулевой шиной) существует емкость С=10 мкФ. В этом случае заряд емкости С на первом этапе измерений происходит с постоянной времени T₁

Заряд емкости С на втором этапе измерений происходит также с постоянной времени T₁. Заряд емкости С на третьем этапе измерений происходит с постоянной времени Т₂

Длительность измерения Т сопротивления утечки (изоляции) R_X и R_У (быстродействие) в известном устройстве можно оценить в виде

Если, например, R₀=100 кОм, R_X=1 МОм, то длительность измерения Т (быстродействие) известного устройства будет равна 7 сек.

В предлагаемом устройстве процедура измерения сопротивления утечки (изоляции) R_X и R_У состоит также из трех этапов: 1) измерение напряжения U₂ на выходе первого делителя 14, 2) измерение напряжения U₁₁ на выходе второго делителя 15 при разомкнутом ключе 6, 3) измерение напряжения U₁₂ на выходе первого делителя 14 при замкнутом ключе 6. На первом этапе измерение происходит без запаздывания. На втором этапе заряд емкости С происходит с постоянной времени Т₃

На третьем этапе заряд емкости С происходит с постоянной времени Т₄

Длительность измерения T₅ сопротивления утечки (изоляции) R_X и R_У в предлагаемом устройстве можно оценить в виде

В тех же условиях длительность измерения (быстродействие) предлагаемого устройства Т₅=0, 7 сек.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения электрического сопротивления изоляции обладает значительно большим быстродействием по сравнению с быстродействием известного устройства.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные ключи, мультиплексоры, резисторы, аналого-цифровые преобразователи.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №744339, 1980 г., бюллетень изобретений 24.

2. Патент Российской Федерации №2230332, фиг.1, фиг.4, Кл. G01R 27/16, 2004 г.

3. Патент Российской Федерации №2230332, фиг.3, фиг.4, Кл. G01R 27/16, 2004 г.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности к автоматизированным системам контроля электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей, находящихся под напряжением постоянного тока, и может быть использовано при контроле сопротивления изоляции электрических цепей электро- и радиотехнических изделий. Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции содержит первый и второй делители напряжения, ключ, резистор и последовательно соединенные мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок управления. Выходы первого и второго делителей напряжения соединены с ходами мультиплексора, который подключает свой выходной сигнал к входу АЦП. За счет введения второго делителя напряжения, выход которого связан с корпусом, и измерения напряжения на выходе делителей напряжения относительно нулевой шины питания достигается значительное повышение быстродействия при измерении электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей. 1 ил.

Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции, содержащее шину измерения (нулевую шину питания), выходную шину, первый делитель напряжения, выполненный на первом и втором резисторах, последовательно соединенные ключ и третий резистор, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, при этом первый вход мультиплексора соединен с выходом первого делителя напряжения, подключенного к нулевой и потенциальной шине питания, первый выход блока управления соединен с входом управления мультиплексора, второй выход блока управления соединен с входом управления ключа, сигнальный вход которого подключен к корпусу, третий выход блока управления соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй вывод третьего резистора соединен с нулевой шиной питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введен второй делитель напряжения, выполненный на четвертом и пятом резисторах, при этом мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и блок управления соединены последовательно, второй вход мультиплексора соединен с корпусом и выходом второго делителя напряжения, подключенного к потенциальной и нулевой шине, соединенной с шиной измерения, информационный выход блока управления подключен к выходной шине.