数字绝缘电阻测试仪的设计与实现

谢一菁



数字绝缘电阻测试仪的设计与实现

谢一菁

（漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州 363000）

传统数字万用表、绝缘电阻表均为不同的测量仪器，提出一种数字绝缘电阻表测试仪的设计方案，将这两种仪器合并为一种手持式仪表，本测试仪具有智能化和功能多的特点，并且具有性能完善、测量精准、易于携带等优点，是一款具有广泛用途的新型手持式测量仪器。

数字测量；手持式测试仪；数字万用表；绝缘电阻表

绝缘电阻测试仪主要用于测量电力设备的绝缘电阻，计算其吸收比或极化指数，判断设备绝缘是否合格，然后决定是否电力设备绝缘性能试验和耐压试验，为后续试验提供安全保障。这种仪表是电工和电气维修人员及科研人员必备仪器。如果能开发出一种具有电参数测量、绝缘电阻测量测试功能为一体的便携式多功能测试仪表，那它既可以更好地满足用户的需求，对电力设备和家庭用电设备的安全也提供更有力的测试保障[1]，同时也更符合当前倡导的节能和环保的消费趋势，因而具有极大的市场发展空间。

数字绝缘电阻表测试仪集成绝缘电阻测试和数字万用表为一体，设计成具有智能化、多功能的特点和容量大、抗干扰强、测试精准、操作简单、便于携带等优点，是一款应用广泛的新型手持式测量仪器。

1总体设计方案

本测试仪核心部分采用一只智能化数字万用表专用集成电路ES51921和一只高性能微控制器MSP430F2111相结合，完成对项目的不同性质物理量（电压、电流、电阻和时间）的测量，然后经过两个单片机之间的双向通信，将所测得的结果由一个液晶显示器（LCD）显示出来。ES51921是一只数字万用表专用高性能、低功耗、33/4位带微处理器的模/数变换器（ADC+MCU），它可以实现数字万用表的全部测量和显示功能，并可对电压信号进行测量，同时具有数据双向传输功能，作为实现数字智能化测量的控制核心[2]。MSP430F2111是美国德州生产的一款高性能的微控制器[3]，作为计时器即使微秒级也能轻易做到，它可以实现RCD分断时间的测量和泄露电流的控制以及对绝缘测试DC-DC转换的控制。其工作原理如图1。

图1 工作原理图

2 绝缘电阻数字化测量的研究及线路设计

绝缘体将通电导体与大地相互分离，它必须具备足够高的电阻，才能确保导体和大地间的导电电流非常小。理想的绝缘电阻应无穷大且无导电电流。但实际上，在通电导体和大地间仍有微小电流通过，即为泄漏电流，该电流一般由导体电流、电容电流、表面泄漏电流三个部分组成[2]。所以在设计电路时要使用直流高压，这样可以避免当测量工作存在有不良绝缘或者低电压时无法察觉的一些潜在性故障。绝缘测试时使用的电压通常高于回路中使用电压。

传统的绝缘测试仪表是兆欧表也叫“摇表”，是由手摇发电机产生的高压施加在被测物体上，通过测量流经被测物体的电流来测量其绝缘电阻，其操作麻烦、精度低[3]。要实现绝缘电阻测量的数字化，首先必须实现测量的电子化，所以手摇发电机产生的测试高压必须由电池供电电压转换为直流高压替代。本项目的绝缘测量方案如图2所示，利用先进高效PWM的DC-DC转换技术将电池电压转换为测试电压，电路里还设置电流电压转换器，电流电压转换器将测试电压施加于被测物上而产生的电流转换为相应的电压值，然后送入模数转换器转换为数字二进制编码并经微处理器计算和处理，由LCD显示器显示出相应的电阻值[4]。

图2 绝缘测量方案图

2.1.1 直流电压变换器（DC-DC变换器）

DC-DC变换器是将电池直流电压转换为直流高压，并用它做为测试电压，它是电子式绝缘测量的重要部分[4]。本项目采用脉宽调制（PWM）型开关电源集成控制器SG3524将电池提供的直流电压变换为脉宽调制信号，经升压变压器转化为高压脉冲，再由倍压整流电路将高压脉冲平滑成直流高压测试电压，通过输出电压控制电路调节脉冲宽度来实现其输出电压大小[4]。图3是应用SG3524集成电路芯片将电池的直流电压升压至直流高压实际电路。

图3 DC9V-DC1000V 升压转换电路

图3中SG3524是升压电路的核心，其第10管脚（Shutdown）是启动控制端，它受来自MSP430F2111微处理器输出控制信号的控制。当微处理器输出启动控制信号后，开关管Q1得到由SG3524直接提供的脉宽调制信号，由Q1将脉宽调制信号推动升压变压器，这样就可以得到升压后的高压脉冲，要得到平滑的直流高压，还需再由倍压整流电路形成直流高压输出。输出电压的频率是由管脚6外接的振荡电阻R5、管脚7连接的电容C2共同确定的。要得到稳定的输出电压，设计思路是经SG3524第1管脚接入电阻R1、R2，由电阻R1、R2提供取样电压，与管脚2的参考电压进行比较，再由脉宽调制器把SG3524内部误差放大器输出的电压脉冲的占空比进行改变，从而得到稳定的输出电压。

由SG3524可知：

开关频率：f ≈ 1.30/(RT CT) = 1.30/(2*0.02) = 32.5 (kHz)

其中: RT单位为kW，CT单位为F，f单位为kHz

输出电压：Vo = 2.5V * (1+R1/R2) = 2.5V *(1+ 2000/10) = 502.5V ≈ 500V

光学透雾使用透雾镜头配合支持透雾的摄像机组合成的光学透雾组合，呈现最为明显的效果，光学透雾能够观察到雾气后方的景物，具有层次和立体感。

2.1.2微电流放大

要测量高达2000MW的绝缘电阻，由于采用DC1000V的测试电压，其最小测试电流只有250nA，因此必需选用低漂移、低失调电压和高精度的运算放大器，所以选用直流运用斩波运算放大器。

从图4可以看出，集成运算放大器A及反馈电阻Rf组成一个电流电压转换器（I-V转换），它将电流Io转换为电压信号Vo输出，Io为被测绝缘电阻Rx的电流。

图4电流电压转换器电路

当测试电压Vi作用于待测电阻Rx上时，根据运算放大器特性，同相端与反相端电位相等，当同相端为接地点，电位为零，那么反相端（测试端-）同样为零电位，由欧姆定律可得：

Io = Vi/Rx （1）

所以运算放大器的输出电压：

Vo = -Io * Rf （2）

将（1）代入（2）得：

Vo = -Vi * Rf/Rx （3）

设 k=-Rf 则：

Rx= -Vi * Rf/Vo = k * Vi/Vo （4）

2.1.3绝缘电阻的计算和显示

数字万用表专用集成电路ES51921，其显示数值COUNT = 1000* VIN/VREF。由公式（4），我们利用开关将Vi、Vo切换到ES51921的输入端和参考端，既把绝缘电阻测试电压Vi作为ES51921的VIN，将与Rx相关的电压Vo当成VREF，只要调节常数k，其显示数值就直接为Rx，就可以得到绝缘电阻的阻值。这正是利用ES51921智能化数字万用表专用集成电路对电压测量功能来实现绝缘电阻测量的数字化。

3 结束语

目前国内的数字万用表、绝缘电阻表均为不同的测量仪器，将这二种仪器合并为一种手持式仪表，是一种创新。因此，开展多功能综合性测试仪表的技术研究，将具有重要的经济和技术意义。通过项目的实施，开发出一种将数字万用表、绝缘电阻表等多种仪表功能集成为一体的便携式的新型手持式多功能测试仪。其用途广阔，可为电工和电气维修人员提供一种功能齐全、携带方便的测量工具，具有技术首创性，具有重大的技术意义。目前该测试仪已研制成功，并投入生产。产品经漳州市计量所检验合格，具体参数指标和精度如表1所示。产品指标符合《GB/T13978 数字多用表通用技术条件》、《JJG1005-2005 电子式绝缘电阻表检定规程》要求，并具有技术创新性，有较大的技术意义，也具有较好的国内外市场潜力。

表1 多功能测试仪参数测试结果

参考文献：

[1]高福生, 韩萍, 周玉茹. 低压电器产品的介电强度和绝缘电阻技术性能分析与测量[J]. 企业标准化, 2008(7): 38-39.

[2] 李瑾, 沈宏, 郭雷宇. 泄漏电流测试与耐压测试[J]. 品牌与标准化, 2010(6): 24.

[3] 郭刚. 浅谈医用设备的绝缘电阻测量[J]. 中国医疗设备, 2010, 25(5): 52-53.

[4] 曾繁建. 数字式兆欧表[J]. 中国高新技术企业, 2007(3): 87.

（责任编辑：季平）

Design and implementation of digital insulation resistance tester

XIE Yi-jing

(Electronic Engineering Department, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000, China)

A digital insulation resistance meter tester design, and designed as a hand-held instrument. The tester has a multi-functional, intelligent features and intuitive display, accurate readings, perfect function, low power consumption, small size, easy to carry, etc., is a widely used new measuring instruments.

digital measurement; tester; digital multimeter; insulation resistance meter

TM934.1

A

1673-1417（2016）03-0007-04 doi:10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2016.03.0002

2016－03－10

谢一菁（1969—），女，福建福州人，副教授，从事电工电子技术研究。