葉健 胡琪 解佳鵬 鄭強(qiáng)

(第七一五研究所，杭州，310012)

隨著聲吶裝備的發(fā)展，換能器基陣的規(guī)模日趨增大，路數(shù)以上百計(jì)。絕緣電阻是判斷換能器性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，由于長(zhǎng)時(shí)間的海水浸泡及自然老化，換能器兩極之間及換能器對(duì)機(jī)殼之間的絕緣電阻會(huì)逐漸下降，當(dāng)絕緣電阻下降到一定值時(shí)，換能器本身性能乃至聲吶設(shè)備的性能都會(huì)受到影響。所以，對(duì)換能器絕緣電阻的測(cè)量是日常維護(hù)的一項(xiàng)重要工作。使用傳統(tǒng)兆歐表需逐個(gè)測(cè)量，且讀數(shù)不準(zhǔn)確，往往還需2人配合，一人測(cè)量，一人記錄，工作量較大。傳統(tǒng)測(cè)量方法已不能滿(mǎn)足日常維護(hù)工作的需要，多通道絕緣電阻測(cè)試儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)試儀）可滿(mǎn)足此測(cè)量工作的需求。

1 系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

測(cè)量絕緣電阻的方法通常采用惠斯登電橋法[1]。采用電橋比率法，既可提高測(cè)量精度，又能降低高壓波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，電橋比率法的原理見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。本測(cè)試儀采用電橋比率法，在絕緣系統(tǒng)上施加直流高壓，然后通過(guò)采樣網(wǎng)絡(luò)，輸出合適的采樣電壓，利用高性能微處理器來(lái)控制測(cè)量并計(jì)算出絕緣電阻值。測(cè)試儀還采用了繼電器陣列設(shè)計(jì)多路切換電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道的巡回檢測(cè)。

1.2 主要功能

測(cè)試儀可以完成以下功能：（1）單路絕緣電阻檢測(cè)功能，可選用500 V或1000 V兩檔測(cè)試電壓進(jìn)行測(cè)量；（2）多路自動(dòng)檢測(cè)功能，能實(shí)現(xiàn)一次性12路通道絕緣電阻的自動(dòng)巡回測(cè)量；（3）能在顯示屏上同時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，并保留測(cè)量結(jié)果值至下一次測(cè)量或關(guān)機(jī)；（4）當(dāng)絕緣電阻值小于100 kΩ時(shí)，進(jìn)行蜂鳴報(bào)警。

1.3 系統(tǒng)組成框圖

測(cè)試儀系統(tǒng)由DC-DC高壓電源產(chǎn)生模塊、絕緣電阻檢測(cè)電路、單路/多路測(cè)量切換電路、MCU信號(hào)處理電路（含 AD采樣轉(zhuǎn)換）、顯示模塊等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 多通道絕緣電阻測(cè)試儀系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 DC-DC高壓電源模塊電路

測(cè)試高壓的電壓波動(dòng)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。因此，高壓電源的設(shè)計(jì)要求穩(wěn)壓，波動(dòng)小。本設(shè)計(jì)采用半波并聯(lián)倍壓電路，并采用推挽電路形式，將12 V直流電源轉(zhuǎn)換為固定頻率的方波，經(jīng)過(guò)變壓器升壓后，再倍壓整流，產(chǎn)生1000 V直流高壓。經(jīng)測(cè)試，輸出直流電壓的精度可達(dá)±3%。DC-DC高壓電源電路的電路圖如圖2。

2.2 測(cè)量電路

根據(jù)電橋比率法測(cè)量原理，得到兩個(gè)電壓值，參考電壓Ur和采樣電壓U0分別送入單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換器，AD的參考電壓利用其內(nèi)部參考電壓，R1、R2及Rm，R0的選值要考慮AD的輸入范圍及其參考電壓的電壓值。C8051F120自帶12位AD轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部參考電壓 2.4 V，AD輸入信號(hào)范圍0～2.4 V。當(dāng)外部待測(cè)電路短路，待測(cè)電阻Rx為0時(shí)，U0將得到最大值，為了保證AD的正常使用，需將此值限制在2.4 V以?xún)?nèi)。取Rm為1 MΩ，R0為2 kΩ，當(dāng)測(cè)試高壓為1000 V時(shí)，外部短路情況下，U0=2 V。試驗(yàn)證明，Rm的合理取值可以有效的保護(hù)后級(jí)的AD轉(zhuǎn)換電路。為了減小高頻干擾，可以在Ur和U0取值處對(duì)地并聯(lián)兩個(gè)濾波電容，對(duì)測(cè)量的穩(wěn)定度有所提高。測(cè)量電路原理圖見(jiàn)圖3。

圖2 DC-DC高壓電源電路的電路圖

圖3 測(cè)量電路原理圖

根據(jù)電橋比率法原理，由于引入了基準(zhǔn)參考電壓Ur，電源電勢(shì)ES對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響已經(jīng)消除。待測(cè)電阻Rx的計(jì)算公式可由下式得到：

2.3 單路/多路測(cè)量切換電路

多路切換電路實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)被測(cè)的 12路通道進(jìn)行自動(dòng)巡回檢測(cè)。由單片機(jī)控制切換碼，經(jīng)過(guò)譯碼器74HC4514后，輸出13個(gè)信號(hào)分別控制繼電器的切換。13個(gè)小型高壓繼電器組成繼電器陣列，其中12個(gè)繼電器切換正端，1個(gè)繼電器切換負(fù)端。負(fù)端在多路測(cè)量過(guò)程中并不進(jìn)行切換，僅在單路測(cè)量和多路測(cè)量模式下進(jìn)行切換。經(jīng)過(guò)切換電路可以實(shí)現(xiàn)單路測(cè)量和多路測(cè)量的完全切換。實(shí)測(cè)單路測(cè)量?jī)H需約3 s，多路測(cè)量12路通道巡回一輪僅需約40 s。切換電路原理圖如圖4。

圖4 單路/多路測(cè)量切換電路原理圖

2.4 顯示模塊

測(cè)試儀的顯示屏尺寸為94.5 mm ×59.0 mm，從節(jié)電方面考慮，僅在測(cè)試過(guò)程中點(diǎn)亮白色背光，測(cè)試完畢背光消去。由于本測(cè)試儀具有保留顯示的功能，在測(cè)試完畢后，仍可讀取測(cè)量數(shù)值。且此液晶屏在不點(diǎn)亮背光的情況下，依靠自然光線(xiàn)或普通燈光，仍可以清晰讀取屏幕，此節(jié)電設(shè)計(jì)即不影響測(cè)量，又可延長(zhǎng)儀器的使用時(shí)間。液晶屏與單片機(jī)之間的連接也非常簡(jiǎn)單，提供+3.3 V電源，與單片機(jī)之間為串口通訊，只需4根連線(xiàn)即可控制屏幕的顯示。

3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)量高阻值電阻，與數(shù)字兆歐表VC60D+測(cè)量結(jié)果及三用表FLUKE179測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，對(duì)測(cè)試儀的準(zhǔn)確度和線(xiàn)性度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 1。由于高阻值電阻本身的精度為±5%，誤差較大，精度值是與數(shù)字兆歐表VC60D+的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和計(jì)算得出的?？梢园l(fā)現(xiàn)，三用表對(duì)兆歐及以上的電阻值測(cè)量精度較差，數(shù)字兆歐表VC60D+對(duì)高阻值絕緣電阻的測(cè)量較準(zhǔn)確，但對(duì)6 M以下絕緣電阻無(wú)法測(cè)量。本測(cè)試儀的精度高，較低電阻的測(cè)量也很準(zhǔn)確。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

多通道絕緣電阻測(cè)試儀是一種智能多功能測(cè)試儀，在性能指標(biāo)上與換能器日常測(cè)量維護(hù)所需的要求相當(dāng)：量程為1 kΩ～300 MΩ，無(wú)論在小電阻還是大電阻，其準(zhǔn)確度都能滿(mǎn)足要求；能實(shí)現(xiàn)12路通道一次性自動(dòng)巡回測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果保留顯示，方便使用過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的記錄；具有低絕緣電阻（<100 kΩ）蜂鳴報(bào)警功能；使用蓄電池供電，方便攜帶，使用簡(jiǎn)單。具備檢測(cè)電池電量功能，提供電量不足顯示報(bào)警，非常適合基陣的日常維護(hù)檢測(cè)。

[1]程運(yùn)安, 吳永忠, 魏臻, 等. 電橋法電纜絕緣測(cè)試儀的設(shè)計(jì)及精度分析[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,30(9).

[2]翟月華, 胡恩華, 畢向偉. 一種新型智能絕緣測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].鐵道通信信號(hào), 2007,43(2).