数字绝缘电阻测试仪的设计

乔楠楠，任家富，杨旭超

(成都理工大学信息科学与技术学院，成都610059)

0 引言

绝缘电阻测试是电气设备安全检测项目中的一项非常重要的内容。IEC61010对绝缘电阻测试上有着严格的要求［1］。通过对绝缘电阻阻值的测试，可以检测出电气设备绝缘性能的损坏程度，从而确定设备是否可以安全运行。在现有的微机检测系统中，绝缘测试的准确性及易操作性一直是广大用户认为问题最多的测试项目。由于传统的指针式兆欧表测量范围小，误差大，吸收比计算复杂等一系列问题［2］，因此本文设计了基于单片机的数字式绝缘电阻测试仪来解决以上出现的问题。

在电气安全的基本性能测试中，有绝缘电阻，泄漏电流，吸收比等基本指标。这些指标是否标准对电气设备的正常运行以及人身安全起了很大的影响。所以准确测量这些性能指标是非常重要的一项工作。由于单片机的性能高，体积小，抗干扰性好等一些优点，所以本文采用了单片机芯片为基础配合键盘，LCD显示，对数字式的绝缘电阻测试仪的设计原理进行了比较详细的概述。

1 绝缘电阻

绝缘电阻是处于两个导体之间的阻止两个导体之间有效电流形成的绝缘物，当有直流电压作用于绝缘电阻时，此时会在绝缘体中产生充电电流，吸收电流和泄漏电流。在随后的一段时间内，充电电流和吸收电流会随时间变化而逐渐变小，直至消失［3］。而只有泄漏电流与时间无关，它是反映设备实际工作状态的安全电参数之一，也是一个对人体有着直接影响的电参数之一，所以对泄漏电流的准确测量是电气设备安全工作的前提保证，是一项非常重要的工作。绝缘电阻测试就是通过仪器测量电气设备中的泄漏电流，通常测试仪会以电阻值的方式显示以方便判断绝缘电阻的性能是否合格。

2 测试系统原理

该数字绝缘电阻测试仪主要由高压产生电路，采样回路，A/D与D/A转换器，单片机系统回路，LCD，键盘输入等组成。绝缘电阻测试原理框图如图1所示：其中R为被测设备的绝缘电阻，通常为电气设备或电线外壳的电阻。仪器工作时，单片机芯片通过并行I/O得到键盘外部输入的信息，经过计算将信息通过另一并行I/O传送给数模转换器，本文使用应用较为广泛的DAC0832。数字信号经过转换变为模拟信号，然后控制高压直流电源输出与键盘键入信号相对应的高压直流电源。当直流高压作用于被测绝缘电阻时会有泄漏电流产生，这样就会有一个相应的电阻值与被测电阻对应。这时信号采集电路会进行信号采集，得到有效模拟信号后经过模数转换器后将数字信号送单片机，这里使用的模数转换器器为ADC0832。经过单片机处理将测量出的绝缘电阻值在LCD显示。

因为在直流电压施加于绝缘电阻时，刚开始会产生除了泄漏电流之外的充电电流和吸收电流。所以为了减小测试初始充电电流和吸收电流的影响，提高测试的精度，在这里分别采集直流电压施加于绝缘电阻后15秒和60秒后的绝缘电阻值 R15和 R60［4］。而将R60作为绝缘电阻的有效数据。同时还可方便的计算出绝缘电阻的吸收比K=R60/R15。吸收比是与绝缘电阻阻值一样重要的参数，它对反应大型电力变压器局部缺陷较为灵敏，例如变压器油内含有水分、套管及线圈局部弱点或脏污等。绝缘电阻和吸收比均是判断绝缘物是否受潮的灵敏指标。

2.1 按键消抖

单片机中应用的键盘一般是由机械触点构成的，所以当机械触电断开，闭合时，触点将有抖动。这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对于单片机来说，则是完全可以感应到的。因为单片机处理的速度为微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级，这对于单片机来说已经是一个很“漫长”的时间了。所以虽然只按了一次按键，但是单片机却检测到按了多次键，因而往往产生非预期的效果。

在这里为了使单片机能够正确地读出键盘所接I/O口的信息，采用了单片机中常用的软件消抖法［5］。当单片机第一次检测到某口线为低电平时，不是立即认定其对应按键按下，而是延后几十毫秒后再次检测该口线电平。如果仍为低电平，说明该按键确实被按下，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。这样就可以使单片机准确的接受到按键信息。

图1 原理图

2.2 高压直流电源

根据IEC 61010标准及测试的要求，要求在进行绝缘电阻测试时，在绝缘电阻测试的测试回路应分别作用250V、500V、1000V三种直流电压。本系统开关电源的电压为12V。为了得到前面的三种高压标准。通过开关电源控制［6］，控制开关管开通和关断的时间比率，使12 V直流电压变换成占空比为0.5的高频方波后，将此方波加载于升压变压器的原边，就相当于一个峰值12 V的交变方波加在变压器的原边上，之后在次边按匝数比变换为高压方波［7］。由式(1)计算变压器匝数比：

式中，V2输入电压值12V;V1输出电压值 250V、500V、1000V;D为占空比，在此取 D=0.5。由此可计算出三种高压对应的变压比［8］，经变压器变压后得到的高压电源再经过稳压电路就可施加于被测绝缘电阻。

2.3 信号采集

信号采集电路如图2所示。R为被测绝缘电阻，V为高压直流电源，r为采样电阻。当高电压施加于绝缘电阻时，电路回路中会有泄漏电流，因此模数转换器接收的为采样电阻r两端的电压，适当选取r的值［9］。使其两端电压为单片机可接受的电压范围0～5V之间。单片机通过模数转换器得到的r两端的电压值，就可求出被测绝缘电阻的阻值。若V0为r两端电压值。则计算式(2)为：

图2 信号采集电路

3 结束语

该数字式绝缘电阻测试仪完全运用了单片机低功耗、性能高、体积小、抗干扰性强等优点，使得仪器本身具有了操作简便、可移动性强等优点，且满足了IEC61010的要求，对绝缘电阻施加了250V、500V、1000V三种要求的直流高压，达到了对绝缘电阻的精确测量。本测试仪适于在各种电气设备的保养、维修、试验及检定中作绝缘测试，为电气设备的正常工作以及人身安全提供了保障。

［1］何明松，刘桂礼，李东，等.电气安全测试仪中绝缘电阻测试系统设计［J］.北京机械工业学院学报，2005，20(4)：1-4.

［2］翟月华，胡恩华，毕向伟.一种新型智能绝缘测试装置的设计与应用［J］.铁道通信信号，2007，43(2)：16-17.

［3］佘金涛，陆鸿，谢资明，等.新型绝缘电阻测试仪的开发［J］.计量装置及应用，2010，20(3)：32-34.

［4］刘国林，殷贯西.电子测量［M］.北京：机械工业出版社，2003：65-69.

［5］王东锋，王会良，董冠强.单片机C语言应用100例［M］.北京：电子工业出版社，2009：218-219.

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