устройство измерения сопротивления изоляции

Формула изобретения

Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей постоянного тока, находящихся под напряжением, содержащее первый мультиплексор, пара входов которого подключена к соответствующим проводам сети, а выход к блоку коммутации измерительных конденсаторов, выходы которого присоединены к входам М измерительных конденсаторов и через соответствующие ключи к входам М разрядных резисторов, выходы которых, как и выходы измерительных конденсаторов, соединены с корпусом, второй мультиплексор, одна пара входов которого подключена к соответствующим проводам сети, а другая пара его входов подключена соответственно один вход к объединенным входам пары резисторов делителя, выход каждого из них соединен с соответствующим проводом сети, другой вход к шине корпуса, блок измерения, входы которого соединены с выходами второго мультиплексора, блок управления, узел индикации результатов, шину "Пуск", причем выходы блока управления соединены с соответствующими управляющими входами двух мультиплексоров, узла индикации, блока коммутации измерительных конденсаторов, управляющими входами и выходами блока измерения, отличающееся тем, что в него введены буферный усилитель, первый ключ, второй ключ, компаратор, восстановительный конденсатор, ограничительный резистор, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом буферного усилителя и с первым входом компаратора, второй вход компаратора соединен с шиной корпуса объекта и со вторым контактом второго ключа, восстановительный конденсатор одной обкладкой соединен с первым контактом ограничительного резистора, а другой обкладкой соединен со вторым контактом первого ключа и с первым контактом второго ключа, второй контакт ограничительного резистора соединен с отрицательной шиной, выход буферного усилителя соединен с первым контактом первого ключа, причем выходы блока управления соединены с соответствующими управляющими входами цифроаналогового преобразователя, первого ключа, второго ключа и с выходом компаратора.

Описание изобретения к патенту

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, авторское свидетельство №744339, 1980 г. Устройство измерения сопротивления изоляции содержит измерительный мост, в состав которого входят сопротивления изоляции контролируемых шин, цифроуправляемый резистор, источник питания линии, источник компенсационного напряжения, а также схему сравнения, блок управления, коммутатор и цифровой индикатор, цифроуправляемый резистор одним выводом соединен через нормально разомкнутый контакт первой группы и нормально замкнутый контакт второй группы коммутатора соответственно с плюсом и минусом источника компенсационного напряжения, другим выводом - с входом схемы сравнения и землей, а управляющим выводом - через блок управления с выходом схемы сравнения, второй вход которой соединен через нормально замкнутый контакт третьей группы коммутатора с нормально замкнутым контактом первой и минусом источника питания линии, плюс которого соединен с нормально разомкнутыми контактами второй и третьей групп коммутатора.

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

Причинами, препятствующими получению технического результата, являются является большой цикл измерения и наличие влияния на измеряемую цепь путем подключения измерительных резисторов.

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.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство патент №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 прототипа, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие первого мультиплексора, блока коммутации измерительных конденсаторов, М измерительных конденсаторов, М ключей, коммутирующих измерительные конденсаторы и разрядные резисторы, М разрядных резисторов, второго мультиплексора пары резисторов делителя, шины корпуса, блока измерения, блока управления, узла индикации результатов, шины «Пуск».

Причинами, препятствующими получению технического результата, являются относительно большое время восстановления потенциала корпуса до его первоначального значения после отключения конденсатора известной емкости и увеличение погрешности измерения в случае, если подключение следующего конденсатора известной емкости происходит до того, когда потенциал корпуса восстановит свое первоначальное значение.

Задачей заявляемого изобретения является создание быстродействующего устройства для измерения изоляции электрических сетей (в том числе и на корпус), находящихся под напряжением, имеющего минимальное время между циклами измерения.

Технический результат достигается за счет применения в устройстве первого мультиплексора, пара входов которого подключена к соответствующим проводам сети, а выход - к блоку коммутации измерительных конденсаторов, выходы которого присоединены к входам М измерительных конденсаторов и через соответствующие ключи к входам М разрядных резисторов, выходы которых, как и выходы измерительных конденсаторов, соединены с корпусом, второго мультиплексора, одна пара входов которого подключена к соответствующим проводам сети, а другая пара его входов подключена соответственно, один вход - к объединенным входам пары резисторов делителя, выход каждого из них соединен с соответствующим проводом сети, другой вход - к шине корпуса, блока измерения, входы которого соединены с выходами второго мультиплексора, блока управления, узла индикации результатов, шины «Пуск», причем выходы блока управления соединены с соответствующими управляющими входами двух мультиплексоров, узла индикации, блока коммутации измерительных конденсаторов, управляющими входами и выходами блока измерения, а также за счет того, что в устройство введены буферный усилитель, первый ключ, второй ключ, компаратор, восстановительный конденсатор, ограничительный резистор, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом буферного усилителя и с первым входом компаратора, второй вход компаратора соединен с шиной корпуса объекта и с вторым контактом второго ключа, восстановительный конденсатор одной обкладкой соединен с первым контактом ограничительного резистора, а другой обкладкой соединен вторым контактом первого ключа и с первым контактом второго ключа, второй контакт ограничительного резистора соединен с отрицательной шиной, выход буферного усилителя соединен с первым контактом первого ключа, причем выходы блока управления соединены с соответствующими управляющими входами цифроаналогового преобразователя, первого ключа, второго ключа и с выходом компаратора.

Поставленная задача достигается путем слежения за потенциалом корпуса до момента подключения конденсатора известной емкости, запоминания этого потенциала в момент реконфигурации измеряемой цепи с помощью дополнительного конденсатора и оценки по виду переходного процесса измеряемых параметров, а затем восстановления потенциала корпуса до запомненного значения.

Суть изобретения заключается в том, что потенциал корпуса до начала реконфигурации цепей измеряется и запоминается, затем для измерения сопротивления утечки между одним из проводов и корпусом подключают измерительный конденсатор известной емкости (в дальнейшем все рассуждения приведены для случая измерения по отношению к корпусу), в результате чего происходит перераспределение зарядов между емкостями утечки и измерительной емкостью. По параметрам переходного процесса вычисляют значения сопротивлений утечки и емкостей утечки. С учетом измеренной емкости утечки на корпус подается напряжение с цифроуправляемого источника напряжения, причем потенциал корпуса постоянно сравнивается с значением запомненным ранее. Как только потенциал корпуса достигнет запомненного значения, источник напряжения отключается (потенциал корпуса восстанавливают до запомненного значения).

На фигуре 1 приведена эквивалентная схема измерения, а на фигуре 2 - переходной процесс, возникающий в результате коммутации измерительных конденсаторов.

На схеме (фиг.1) приняты следующие обозначения:

Е - источник напряжения в контролируемой цепи,

R₁, R ₂ - сопротивления изоляции первого и второго участков цепи по отношению к корпусу,

C₁, C₂ - емкости утечки первого и второго проводов шины по отношению к корпусу,

С_ИЗМ - измерительный конденсатор известной емкости,

S₁, S₂ - ключи для соответствующей коммутации С₀,

R_P - разрядный резистор,

U_упр1, U_упр2 - сигналы управления ключами S₁ и S₂, соответственно,

R_д1 , Р_д2 - сопротивления делителя, обеспечивающие потенциал сравнения,

U_k - разность потенциалов между точкой сравнения и шиной корпуса.

Переходной процесс (фиг.2) описывается выражением:

Измеряется величина скачка U_CK=(U ₀-U_H)

Далее определяется постоянная времени :

С учетом того, что U_H (где U _Н - потенциал точки К до коммутации) определяется соотношением между R₁ и R₂:

сопротивления утечки вычисляются по формулам:

а суммарная емкость утечки C=C₁+C ₂ - по формуле:

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

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

2 - переключатель полярности MS₁;

3 - переключатель измерительного входа MS₂ дифференциального усилителя, обеспечивающий цепь для измерения либо напряжения между положительным и отрицательным проводом шины, либо между корпусом и шиной срединного потенциала;

4 - блок измерения, который включает в себя аналого-цифровой преобразователь АЦП, блок вычисления результатов измерения БВР;

5 - цифроаналоговый преобразователь, ЦАП;

6 - блок коммутации измерительных конденсаторов для подключения одного из М конденсаторов (формирует цифроуправляемый конденсатор);

7 - буферный усилитель;

8 - первый ключ подключения буферного усилителя к восстановительному конденсатору 12;

9 - восстановительный конденсатор;

10 - ограничительный резистор;

11 - второй ключ подключения восстановительного конденсатора к корпусу системы;

12 - компаратор;

13₁÷13_m - ключи K₁÷К _m;

14₁÷14_m - разрядные резисторы R_p1÷R_pm;

15₁ ÷15_m - измерительные конденсаторы C₁ ÷С_m;

16 - Блок управления(БУ);

17 ₁ и 17₂ - пара резисторов делителя R₁ и R₂;

18₁ и 18₂ - пара проводов шин F₁ и F₂;

19 - шина "Пуск";

20 - шина корпуса объекта;

21 - блок индикации;

A₁, A₂ - сигналы управления ключами 8 и 11 соответственно.

Выходы узла 1 делителей подключены, соответственно, к входам переключателя полярности MS₁ 2 и к входам переключателя измерительных входов блока измерения 4 мультиплексора MS₂ 3. К выходу узла делителей 1, соединенному с отрицательной шиной 18₂, подключен также второй контакт ограничительного резистора 10. Ко второй паре входов мультиплексора MS₂ 3 подключены средняя точка и шина корпуса объекта 20. Выход мультиплексора MS ₁ 2 соединен с входом блока коммутации измерительных конденсаторов 6, два выхода мультиплексора MS₂ 3 соединены с входами блока измерения 4. Выход ЦАП 5 соединен с входом буферного усилителя 7 и с одним из двух входов компаратора 12. Второй вход компаратора 12 соединен с шиной корпуса объекта 20 и с контактом 2 второго ключа 11. Восстановительный конденсатор 9 соединен одной обкладкой соединен с первым контактом ограничительного резистора 10, а другой обкладкой соединен с вторым контактом первого ключа 8 и с первым контактом второго ключа 11. Выход буферного усилителя буферного усилителя 7 соединен с первым контактом первого ключа 8.

Выходы блока коммутации измерительных конденсаторов 6 соединены с входами соответствующих измерительных конденсаторов 15₁...15_m и через ключи 13₁...13 _m к входам разрядных резисторов 14₁...14 _m. Выходы резисторов 14₁...14_m и конденсаторов 15₁...15_m подключены к шине корпуса объекта 20. В узле деления 1 к входным шинам 18₁ и 18₂ подключены, соответственно, последовательно соединенные резисторы 17₁ и 17₂. Выходы блока управления БУ 16 подсоединены к соответствующим управляющим входам следующих узлов: MS₁ 2, MS₂ 3, блоку измерения 4, ЦАП 5, блоку измерительных конденсаторов 6, первому ключу 8 и второму ключу 11. Ко входу БУ 16 подключена шина "ПУСК" 19, блок измерения 4 и выход компаратора 12.

Устройство работает по алгоритму определяемому БУ 16. Укрупненная блок-схема алгоритма приведена на фигуре 4, где приняты следующие обозначения:

1 - "начало работы";

2 - измерение потенциала корпуса U_k;

3 - сохранение оцифрованного значения потенциала корпуса в памяти БУ;

4 - занесение сохраненного в оцифрованном виде U_k в ЦАП;

5 - заряд восстановительного конденсатора до величины напряжения питания;

6 - m=0 (приведение счетчиком номеров измерительных конденсаторов m);

7 - m _i+1:=m_i+1;

8 - подключение измерительной емкости С_ИЗ к корпусу;

9 - измерение U_СК ;

10 - U_СК U_{CK МИН}, где U_{CK МИН} - минимальный скачок Uk, достаточный для обеспечения требуемой чувствительности измерений;

11 - m_i M, где М - количество измерительных конденсаторов;

12 - установлен флаг пониженной точности, выход за пределы диапазона измерения;

13 - измерение параметров переходного процесса t₁, t₂, U₁, U₂, расчет R_ут и С_ут;

14 - индикация результатов;

15 - подключение восстановительного конденсатора к корпусу;

16 - сравнение поданного на один из входов компаратора сохраненного напряжения корпуса с поданным на другой вход текущим значением напряжения корпуса;

17 - проверка Uк_тек=Uк _зап, где Uк_тек - текущее значение напряжения корпуса, Uк_зап - запомненное напряжение корпуса;

18 - отключение восстановительного конденсатора от корпуса;

19 - проверка наличия команды "STOP";

20 - конец.

В исходном состоянии шины двухпроводной сети подключены ко входу устройства. По команде БУ16 MS₂ 3 подключает к измерительным входам блока 4 пару проводов измеряемой шины, который производит измерение разности потенциалов между проводами шины Е и заносит результат преобразования в БУ16. После измерения напряжения между проводами пары первой шины MS₂ 3 переключает измерительные входы блока 4 к средней точке А (см. фиг.3) и шине корпуса 20, а блок 4 измеряет разность потенциалов U_H между ними. В БУ16 проводится оценка уровня U _H, и, если он в пределах допустимого U_{H доп} (это определяется соотношением R₁, R₂ и R_1,2доп), то его значение запоминается и по соответствующей команде БУ16 заносит в ЦАП 5 напряжение, соответствующее напряжению питания. Первый ключ 8 замыкается и через буферный усилитель 7 восстановительный конденсатор 9 заряжается до напряжения питания, затем первый ключ 8 размыкается и на выходе ЦАП 5 БУ 16 устанавливает напряжение, равное запомненному ранее потенциалу U_H . Затем БУ 16 переводит устройство в режим измерения R_1,2 с помощью измерительных конденсаторов. Для этого с помощью MS ₁ 2, с учетом значения потенциала корпуса U_H , к необходимой полярности шин 18₁ либо 18₂ (противоположной знаку потенциала U_H) при помощи блока 6, находящегося под управлением БУ16 поочередно подключаются измерительные конденсаторы, например, в порядке возрастания номинала. При этом перед подключением очередного конденсатора 15_i ключом 13_i отключается разрядный резистор 14 _i. Проводятся измерения переходного процесса потенциала корпуса по отношению к потенциалу сравнения шины. В БУ 16 выполняется сравнение U_CK c U_{CK МИН} (начальный скачек связан с перераспределением заряда между C_1i , C_2i и С₀). Если U_CK U_{CK МИН}, то это означает, что получен переходной процесс, измерение параметров которого в соответствии с графиком на фиг.2, и вычисления R₁ и R₂ по формулам (1), (2) и (3) обеспечит требуемую точность результата. Если емкости утечки шины столь велики, что емкость максимального измерительного конденсатора недостаточно для обеспечения скачка соответствующей величины, то расчет R_i и С_i ведется по фактическому переходному процессу. Результаты вычисления параметров утечки R_1i, R_2i и С и в первом случае (когда подключение измерительного С обеспечивает требуемую точность), и во втором - выводятся на узел индикации результата.

Затем второй ключ 11 замыкается восстановительный конденсатор 9 разряжается на корпус через ограничительный резистор 10, начинается процесс восстановления потенциала корпуса. Это изменяющееся напряжение поступает на один из входов компаратора 12, на другой вход с выхода ЦАП 5 поступает запомненный ранее первоначальный потенциал корпуса. Как только потенциалы сравнятся, компаратор подает сигнал в БУ 16, который немедленно размыкает второй ключ 11. И на корпусе устанавливается первоначальный потенциал.

После этого, если не поступила команда STOP, процесс контроля шин начинается заново.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет измерять параметры утечки контролируемых двухпроводных сетей при наличии больших емкостей утечки за более короткие сроки, чем аналог, так как сокращается период восстановления потенциала корпуса после цикла измерения.

По вопросу внедрения устройства получены определенные результаты. На базе НКБ «Миус» ТРТУ разработан на начальном этапе действующий макетный образец, а затем и образцы, выпускаемые малой серией. В данном случае устройство разработано как часть измерительного комплекса поставляемого в РКК «Энергия».

Рассматривается возможность использования устройства в качестве самостоятельного автономного измерительного прибора, сопрягаемого с переносным компьютером. Это значительно расширит сферу его возможного применения, так как позволит применять его не только в стационарных измерительных комплексах, но и сделать его инструментом электрика на производствах различной степени сложности, в которых работает большое количество механизмов и важно определить, какой из них имеет утечку на корпус, превышающую допустимые пределы.

Работа устройства как вместе со стендом-имитатором, так и в составе измерительного комплекса на реальном объекте на РКК "Энергия" показали правильность расчетов и его работоспособность.