多通道绝缘电阻测试仪的研制

叶健 胡琪 解佳鹏 郑强

(第七一五研究所，杭州，310012)

随着声呐装备的发展，换能器基阵的规模日趋增大，路数以上百计。绝缘电阻是判断换能器性能好坏的一个重要指标，由于长时间的海水浸泡及自然老化，换能器两极之间及换能器对机壳之间的绝缘电阻会逐渐下降，当绝缘电阻下降到一定值时，换能器本身性能乃至声呐设备的性能都会受到影响。所以，对换能器绝缘电阻的测量是日常维护的一项重要工作。使用传统兆欧表需逐个测量，且读数不准确，往往还需2人配合，一人测量，一人记录，工作量较大。传统测量方法已不能满足日常维护工作的需要，多通道绝缘电阻测试仪（以下简称测试仪）可满足此测量工作的需求。

1 系统组成

1.1 工作原理

测量绝缘电阻的方法通常采用惠斯登电桥法[1]。采用电桥比率法，既可提高测量精度，又能降低高压波动对测量结果的影响，电桥比率法的原理见文献[2]。本测试仪采用电桥比率法，在绝缘系统上施加直流高压，然后通过采样网络，输出合适的采样电压，利用高性能微处理器来控制测量并计算出绝缘电阻值。测试仪还采用了继电器阵列设计多路切换电路，来实现对多通道的巡回检测。

1.2 主要功能

测试仪可以完成以下功能：（1）单路绝缘电阻检测功能，可选用500 V或1000 V两档测试电压进行测量；（2）多路自动检测功能，能实现一次性12路通道绝缘电阻的自动巡回测量；（3）能在显示屏上同时显示测量结果，并保留测量结果值至下一次测量或关机；（4）当绝缘电阻值小于100 kΩ时，进行蜂鸣报警。

1.3 系统组成框图

测试仪系统由DC-DC高压电源产生模块、绝缘电阻检测电路、单路/多路测量切换电路、MCU信号处理电路（含 AD采样转换）、显示模块等组成。系统组成框图如图1所示。

图1 多通道绝缘电阻测试仪系统框图

2 硬件电路设计

2.1 DC-DC高压电源模块电路

测试高压的电压波动会影响测量结果的准确度和稳定度。因此，高压电源的设计要求稳压，波动小。本设计采用半波并联倍压电路，并采用推挽电路形式，将12 V直流电源转换为固定频率的方波，经过变压器升压后，再倍压整流，产生1000 V直流高压。经测试，输出直流电压的精度可达±3%。DC-DC高压电源电路的电路图如图2。

2.2 测量电路

根据电桥比率法测量原理，得到两个电压值，参考电压Ur和采样电压U0分别送入单片机自带的AD转换器，AD的参考电压利用其内部参考电压，R1、R2及Rm，R0的选值要考虑AD的输入范围及其参考电压的电压值。C8051F120自带12位AD转换器，其内部参考电压 2.4 V，AD输入信号范围0～2.4 V。当外部待测电路短路，待测电阻Rx为0时，U0将得到最大值，为了保证AD的正常使用，需将此值限制在2.4 V以内。取Rm为1 MΩ，R0为2 kΩ，当测试高压为1000 V时，外部短路情况下，U0=2 V。试验证明，Rm的合理取值可以有效的保护后级的AD转换电路。为了减小高频干扰，可以在Ur和U0取值处对地并联两个滤波电容，对测量的稳定度有所提高。测量电路原理图见图3。

图2 DC-DC高压电源电路的电路图

图3 测量电路原理图

根据电桥比率法原理，由于引入了基准参考电压Ur，电源电势ES对测量结果的影响已经消除。待测电阻Rx的计算公式可由下式得到：

2.3 单路/多路测量切换电路

多路切换电路实现的功能是对被测的 12路通道进行自动巡回检测。由单片机控制切换码，经过译码器74HC4514后，输出13个信号分别控制继电器的切换。13个小型高压继电器组成继电器阵列，其中12个继电器切换正端，1个继电器切换负端。负端在多路测量过程中并不进行切换，仅在单路测量和多路测量模式下进行切换。经过切换电路可以实现单路测量和多路测量的完全切换。实测单路测量仅需约3 s，多路测量12路通道巡回一轮仅需约40 s。切换电路原理图如图4。

图4 单路/多路测量切换电路原理图

2.4 显示模块

测试仪的显示屏尺寸为94.5 mm ×59.0 mm，从节电方面考虑，仅在测试过程中点亮白色背光，测试完毕背光消去。由于本测试仪具有保留显示的功能，在测试完毕后，仍可读取测量数值。且此液晶屏在不点亮背光的情况下，依靠自然光线或普通灯光，仍可以清晰读取屏幕，此节电设计即不影响测量，又可延长仪器的使用时间。液晶屏与单片机之间的连接也非常简单，提供+3.3 V电源，与单片机之间为串口通讯，只需4根连线即可控制屏幕的显示。

3 测试结果分析

通过测量高阻值电阻，与数字兆欧表VC60D+测量结果及三用表FLUKE179测量结果进行比对，对测试仪的准确度和线性度进行测试，测量结果见表 1。由于高阻值电阻本身的精度为±5%，误差较大，精度值是与数字兆欧表VC60D+的测量结果进行比对和计算得出的。可以发现，三用表对兆欧及以上的电阻值测量精度较差，数字兆欧表VC60D+对高阻值绝缘电阻的测量较准确，但对6 M以下绝缘电阻无法测量。本测试仪的精度高，较低电阻的测量也很准确。

表1 实验测量结果

4 结束语

多通道绝缘电阻测试仪是一种智能多功能测试仪，在性能指标上与换能器日常测量维护所需的要求相当：量程为1 kΩ～300 MΩ，无论在小电阻还是大电阻，其准确度都能满足要求；能实现12路通道一次性自动巡回测量，并将测量结果保留显示，方便使用过程中对数据的记录；具有低绝缘电阻（<100 kΩ）蜂鸣报警功能；使用蓄电池供电，方便携带，使用简单。具备检测电池电量功能，提供电量不足显示报警，非常适合基阵的日常维护检测。

[1]程运安, 吴永忠, 魏臻, 等. 电桥法电缆绝缘测试仪的设计及精度分析[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版),2007,30(9).

[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).