專利名稱：智能多功能高壓兆歐表的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于電力系統中電氣設備絕緣電阻、吸收比、極化系數測量 的智能多功能高壓兆歐表。
背景技術：
絕緣電阻試驗是檢驗電氣設備絕緣的一種最簡單、最直接的試驗方法，通過絕緣 電阻試驗可以有效的檢驗出電氣設備的貫穿性缺陷和普遍性缺陷。高壓兆歐表是一種主要 用來測量電力系統、大型電機、電纜和各種電氣設備及電路絕緣電阻的可攜式電工儀表。但 隨著計算機技術的發展，單片機等微處理器的應用已經普及到各種各樣的電子產品中，單 片機等微處理器控制的智能化電子測量儀器也被廣泛的應用于電力系統中，傳統的模擬式 儀器儀表由于自身存在的問題(如需要手搖輸出電壓不穩定、測試人員存在讀數誤差、儀 器測量范圍較低等原因)，也將逐漸被電子測量儀器所取代。而目前大多數的電子式兆歐表雖然測量精度以及測量方法較為成熟，但其測量功 能比較單一，僅能對電力系統中電氣設備的絕緣電阻值進行測量，而不能方便快捷的對電 氣設備絕緣的吸收比、極化指數進行準確測量，因此開發研制出一種可以方便快捷對各種 電氣設備的絕緣電阻、吸收比、極化指數進行測量的智能化高壓數字兆歐表是十分必要和 可行的。
發明內容為了解決目前兆歐表功能單一，特別是針對因人工讀數誤差造成不能準確測量被 試設備的吸收比和極化指數的問題等，本實用新型提供了一種智能多功能高壓兆歐表以完 善和解決傳統兆歐表所存在的缺陷和不足。本實用新型的思路就是由高壓電源提供測試電壓，然后通過I/V轉換電路將測試 回路的電流信號轉換成電壓信號，再通過對該電壓信號進行放大、A/D轉換等處理后傳入單 片機系統分析計算，從而對電力系統各類電氣設備的絕緣電阻實現智能化測量。本實用新型所采用的技術方案如下該智能多功能高壓兆歐表，包括高壓直流電源模塊、DC-DC模塊、信號采集電路和 單片機控制處理系統；高壓直流電源模塊的電壓輸出正端、信號采集電路、被試設備以及高 壓直流電源模塊的電壓輸出負端依次連接組成測試回路，信號采集電路將信號由信號采集 電路的輸出端傳送至用以完成計算以及顯示、語音輸出的單片機控制處理系統中，其特點 是所述高壓直流電源模塊的輸出電壓由單片機控制處理系統控制多路開關選擇分壓電阻 調整高壓直流電源的驅動電壓，從而控制高壓直流電源模塊的輸出電壓。所述高壓直流電源模塊主要由高壓直流電源依次與繼電器U0、多路開關選擇器 U1、分壓電阻R1、R2串聯組成，其中分壓電阻Rl與R2的阻值之比為1 1。所述DC-DC模塊由DC-DC 二穩壓芯片U5、U6以及開關Si、蓄電池組成；所述二穩 壓芯片TO、TO的Vin引腳與開關Sl相連并通過開關Sl連接至蓄電池正極，二穩壓芯片TO、U6的GND引腳與蓄電池負極連接。 所述信號采集電路由I/V轉換電路、放大電路U2和A/D轉換電路組成；通過串聯 于回路中的I/V轉換電路將測試信號通過I/V轉換電路兩端輸出至放大電路U2中的正、負 輸入級，然后由放大電路U2的輸出端Vout將信號傳輸至A/D轉換電路中的A/D轉換器U4 的AIN+端。 所述單片機控制處理系統由繼電器UO、多路開關選擇器Ul、A/D轉換器U4、鍵盤控 制電路U7、語音及播放電路U8、IXD液晶顯示電路U9和單片機芯片MPU組成；其中繼電器 UO接入單片機芯片的P0. 0,U1接入單片機芯片的Ρ0. 2、Ρ0. 1 口，A/D轉換器U4接入單片機 芯片的P2. 0至P2. 5 口，鍵盤控制電路U7接入單片機芯片的P0. 3至P0. 6 口，語音及播放 電路U8接入單片機芯片的P1.0至Pl. 3 口，IXD液晶顯示電路U9接入單片機芯片的P5.0 至 P5. 7 以及 P4. 0 至 P4. 3 口。本實用新型的工作原理假設壓直流電源輸出電壓U、測試回路電流I，采樣電阻為R(采樣電阻電壓為UR)， 被試設備的絕緣電阻值R設備，差分放大電路放大倍數為K，經放大后傳入單片機的電壓測 量信號為Uin，則可根據歐姆定律得U=I(R+R 設備)(1)Ue = Ie = Uin/K(2)貝丨JI = Uin/KR(3)R 設備=U/1-R = KU/Uin-R (4)由此，單片機可根據⑷中所示計算出被試設備的絕緣電阻值R試品。本實用新 型的具體測試原理如下1)絕緣電阻值的測量①利用本實用新型裝置對被試電氣設備進行測量時，首先由測試人員選擇測試電 壓U、以及需要測試的項目(絕緣電阻值測量)。②然后本裝置開始工作，通過I/V轉換電路采樣到測試回路采樣電阻上的電壓， 然后通過放大、A/D轉換將該電壓信號Uin傳入單片機中。③當單片機接收A/D轉換電路傳輸的信號Uin時，通過計算程序計算得到被試設備 的絕緣電阻值為R 設備=KU/Uin-R (5)④單片機完成上述步驟后關閉高壓電源，然后單片機將數據傳送至IXD顯示電路 并通過語音播放將數據傳送給測試人員。⑤然后單片機通過LCD顯示依次提示測試人員是否存儲本次測試數據，待測試人 員通過鍵盤電路選擇操作命令后結束本次測量。2)吸收比的測量①利用本實用新型裝置對被試電氣設備進行測量時，首先由測試人員選擇測試電 壓U、以及需要測試的項目(吸收比的測量)。②然后本裝置開始工作，通過I/V轉換電路采樣到測試回路采樣電阻上的電壓， 然后通過放大、A/D轉換將該電壓信號Uin傳入單片機中。[0030]③當單片機接收A/D轉換電路傳輸的信號Uin時，按照式(5)計算得到被試設備的 絕緣電阻值并通過LCD顯示供測試人員查看，同時，單片機內部計時器對測量時間進行計 時，將測量時間為1 和60s時被試設備絕緣電阻值進行存儲，并計算吸收比吸收比=&。s/Rlfe(6)④單片機完成上述步驟后關閉高壓電源，然后單片機將測量所得吸收比、1 和 60s時被試設備絕緣電阻值傳送至LCD顯示電路并通過語音播放將數據傳送給測試人員。⑤然后單片機通過LCD顯示依次提示測試人員是否存儲本次測試數據，待測試人 員通過鍵盤電路選擇操作命令后結束本次測量。3)極化指數的測量①利用本實用新型裝置對被試電氣設備進行測量時，首先由測試人員選擇測試電 壓U、以及需要測試的項目(極化指數的測量)。②然后本裝置開始工作，通過I/V轉換電路采樣到測試回路采樣電阻上的電壓， 然后通過放大、A/D轉換將該電壓信號Uin傳入單片機中。③當單片機接收A/D轉換電路傳輸的信號Uin時，按照式(5)計算得到被試設備的 絕緣電阻值并通過LCD顯示供測試人員查看，同時，單片機內部計時器對測量時間進行計 時，將測量時間為Imin和IOmin時被試設備絕緣電阻值進行存儲，并計算極化指數極化指數=R10fflin/Rlfflin(7)④單片機完成上述步驟后關閉高壓電源，然后單片機將測量所得極化指數、Imin 和IOmin時被試設備絕緣電阻值傳送至LCD顯示并通過語音播放將數據傳送給測試人員。⑤然后單片機通過LCD顯示依次提示測試人員是否存儲本次測試數據，待測試人 員通過鍵盤電路選擇操作命令后結束本次測量。本實用新型所達到的有益效果該智能多功能高壓兆歐表采用可調式直流高壓電源提供相應的測試電壓，可對各 種絕緣等級的電氣設備的絕緣電阻進行準確測量，并可通過測試人員輸入測試電壓、測試 項目等測試參數方便快捷測量被試設備的吸收比和極化指數，從而減少傳統兆歐表對吸收 比、極化指數測量中的不便和因計時、讀數造成的誤差，有效地克服以往大多電子式兆歐表 存在的功能單一和可操作性不足的缺點；能對電氣設備的絕緣電阻、吸收比、極化指數進行 準確、快捷的測量，實現了智能化操作；另外，該智能多功能高壓兆歐表的輸出、存儲系統能 將測試結果通過液晶顯示、語音提示兩種方式傳輸給測試人員，并能將測試結果進行快速 存儲，方便測試人員記錄數據以及與歷史數據進行對比。該智能多功能高壓兆歐表具有體積小、攜帶方便，測量原理簡單、適用范圍廣、操 作安全、數據處理能力直觀、數據精確度高等優點，更適合于現場工作，且抗干擾能力強，實 現了智能化測量，具有較高的推廣應用價值。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細地說明
圖1是本實用新型高壓兆歐表裝置原理圖；圖2是本實用新型中的DC-DC模塊電路原理圖；圖3是本實用新型中的高壓直流電源模塊電路原理圖；[0048]圖4是本實用新型中的信號采集電路電路原理圖；圖5是本實用新型中的單片機及其控制電路電路原理圖。
具體實施方式
圖1為高壓兆歐表裝置原理圖，本實用新型智能多功能高壓兆歐表主要由高壓直 流電源模塊、信號采集電路、單片機及其控制電路組成；高壓直流電源模塊由蓄電池通過 DC-DC模塊轉換后與高壓直流電源連接；高壓直流電源依次與I/V轉換電路、被試設備組成 測試回路；I/V轉換電路將信號依次通過差分放大電路、A/D轉換電路傳送至單片機；單片 機及其控制電路由鍵盤控制電路、語音及播放電路、LCD液晶顯示電路、單片機芯片如圖5 所示連接組成。當測試人員將裝置開關電源開關Sl (圖2中DC-DC模塊中所述Sl開關) 閉合時，系統開始初始化，由測試人員選擇測試電壓、項目后裝置開始進行測試，單片機通 過控制高壓直流電源模塊控制高壓直流電源驅動電壓從而調整其輸出電壓，由高壓直流電 源模塊提供測試電壓，由ΙΛ轉換電路、被試設備、高壓直流電源依次組成了測試回路，并 由I/V轉換電路將對采樣電阻上的電壓信號UR進行采樣，然后將該UR信號傳輸至差分放 大電路進行放大處理，然后經放大處理后的信號為KUR，該信號被傳送至A/D轉換電路中進 行數模轉化，信號KUR經過轉換后變為KU' κ，并由A/D電路將該信號傳送至單片機中，單 片機接收KU' κ后，對其進行計算，最終得出測試設備的絕緣電阻值R，并傳送至LCD和語 音驅動電路進行IXD顯示和語音播放。圖2為DC-DC電源模塊電路原理圖，由蓄電池、開關S1、U5、TO兩片DC-DC芯片組 成，其中12V蓄電池的正極分別依次與開關Si、U5的Vin引腳、TOVin引腳相連，而12V蓄 電池的負極與TO、U6的GND相連，由U5的+Vout輸出+5V電壓，TO的-Vout輸出-5V電壓， U6的+Vout輸出+MV電壓；U5為MV轉+5V、-5V的DC-DC穩壓芯片，U6為MV轉+24V的 DC-DC穩壓芯片。當裝置啟動開關Sl閉合時，24V蓄電池開始給U5、TO供電，當TO的Vin 和GND之間接入MV的電壓時，U5的+Vout端向外提供+5V(以下部分均以VCC代替+5V 電源端)的電壓，-Vout端向外提供_5V(以下部分均VEE代替-5V電源端)的工作電壓； 同理當U5的Vin和GND之間接入24V的電壓時，U6的+Vout向外提供+24V(24V相對GND 端)的電壓；采用DC-DC芯片后可將蓄電池的MV電源轉變為穩定的+5V、-5V和+24V電 壓，為整個裝置的電子元件提供可靠的工作電壓，并具有很強的干擾能力；當Sl開斷時，整 個裝置便關閉。圖3為高壓直流電源模塊電路原理圖，該電路由繼電器開關U0、多路開關選擇器 U1、分壓電阻R1、R2以及高壓直流電源依次串聯組成，且Rl與R2的阻值大小之比為1 1。 當測試開始時，單片機PO. O向UO發送高電平信號后UO閉合(單片機PO. O向UO發送低電 平信號則繼電器開斷)使通路LO與通路Ll導通；然后PO. 1與PO. 2向Ul發送選路導通信 號，當PO. 1 = 0，PO. 2 = O時，選擇通路Ll與通路L2導通，此時高壓直流電源的Vin與G 兩端電壓為MV，此時高壓直流電源輸出電壓為5000V ；當PO. 1 = 0，PO. 2 = 1時，通路Ll 與通路L3導通，Vin與G兩端電壓為12V，此時高壓直流電源輸出電壓為2500V ；通過該模 塊可由單片機PO. O、PO. 1、PO. 2對高壓直流電源進行開、關、以及輸出電壓的控制。圖4為信號采集電路電路原理圖，其包括I/V轉換電路、放大電路、A/D轉換電路 組成；其中Ι/ν轉換電路由R3構成；放大電路由差分放大器U2構成；電壓基準芯片U3與A/D轉換芯片U4的REF IN+引腳相接以及時鐘電路組成A/D轉換電路，其中時鐘電路由A/ D轉換芯片MCLK IN腳與晶振芯片Y1、電容C10、C11以及A/D轉換芯片MCLK OUT腳依次串 聯組成。圖4中U4芯片的各引腳接線如下AIN+接入圖4中所述差分放大器輸出端Uout， AIN-接地，而接入單片機P2. 0 口，斤接入單片機P2. 1 口，Data_0ut接入單片機P2. 2 口， DataJn接入單片機P2. 3 口，SCLK接入單片機P2. 4 口，；^接入單片機P2. 5 口。I/V轉換、放大電路工作原理如下通過在測試回路串聯一個采樣電阻R3可以將 測試回路中電流信號I轉換成電阻R3兩端的電壓信號Uin+、Uin-(UR = Uin+-Uin-)，并分 別將Uin+、Uin-傳送至差分放大器U2的+、_端，此時差分放大器對該信號進行處理后得 到放大后的信號KUR，并由放大器輸出口 UOUT將信號KUR傳入A/D轉換電路中進行數模轉 換。A/D轉換電路工作原理如下由圖4中的Uout傳送的數據接入AIN+從而傳入U4 中進行A/D轉換；當單片機P2. 1 口發出低電平信號時，U4開始工作，接受由單片機P2. 3 口 發送的A/D轉換控制信號以及單片機P2. 4 口發送的串行時鐘信號，根據控制信號對AIN+ 口數據進行相應的A/D轉換，此時改輸出變為高電平，待A/D轉換完成后，U4通過改向單 片機P2. O 口發送低電平信號，表示當前A/D轉換有效，單片機根據P2. O 口接收的低電平信 號通過P2. 3 口向U4發送讀取控制信號，U4接收到由P2. 3發出的讀取控制信號后，由Data_ Out向單片機P2. 2 口發送A/D轉換數據，單片機接收完U4傳送的A/D轉換信號后由P2. 1 口向U4發送高電平信號，使U4停止工作，至此，一次A/D轉換工作完成；若單片機讀取數據 有誤或無法讀取到數據時，由單片機的P2. 5 口發出低電平信號控制A/D轉換器U4重新初 始化設置，并重復上述步驟進行A/D轉換。圖5所示為本實用新型裝置的單片機及其控制電路原理圖，由UO(為圖3中所示 繼電器)、U1 (為圖3中所示多路開關選擇器)、U4 (為圖4中所示A/D轉換器)、U7 (為鍵盤 控制電路)、U8 (為語音及播放電路)、U9 (為IXD液晶顯示電路)，其中UO接入單片機P0. 0， Ul接入單片機P0. 2、P0. 1 口，U4接入單片機P2. 0至P2. 5 口，U7接入單片機P0. 3至P0. 6 口，U8接入單片機Pl. 0至Pl. 3 口，U9接入單片機P5. 0至P5. 7以及P4. 0至P4. 3 口。其 具體工作原理如下當本實用新型裝置電源開關打開后，測試人員通過U7對測試項目、測 試電壓進行操作后，由U7將測試人員的操作指令通過P3. 0 P3. 3 口傳輸至單片機中，單 片機通過所接收到的數據通過Pl. 0 Pl. 1向Ul傳輸控制信號選擇高壓直流電源的輸出 電壓，然后由P0. 0向UO傳輸信號使高壓直流電源開始工作向外界提供所選擇檔位的直流 高壓；然后由I/V轉換電路采集電壓信號UR，然后將該UR信號傳輸至差分放大器U2進行 放大處理，然后經放大處理后的信號為KUR，此時單片機通過控制P2. 0 P2. 5 口的輸出量 控制A/D轉換器U4工作，使得信號KUR經過模數轉換后變為KU' R，并由A/D電路將該信 號傳送至單片機中，單片機對該數據進行計算后，將數據結果傳輸給U8和U9，從而進行語 音播放和顯示輸出的功能，然后通過提示測試人員是否進行數據存儲；當測試人員選擇數 據存儲后，單片機將本次測試項目、結果等數據存儲在存儲器中，方便以后調出查閱，若不 進行數據存儲則通過向UO發送數據關閉高壓直流電源，等待測試人員進行下一步測試。
權利要求1.一種智能多功能高壓兆歐表，包括高壓直流電源模塊、DC-DC模塊、信號采集電路和 單片機控制處理系統；高壓直流電源模塊的電壓輸出正端、信號采集電路、被試設備以及高 壓直流電源模塊的電壓輸出負端依次連接組成測試回路，信號采集電路將信號由信號采集 電路的輸出端傳送至用以完成計算以及顯示、語音輸出的單片機控制處理系統中，其特征 在于所述高壓直流電源模塊的輸出電壓由單片機控制處理系統控制多路開關選擇分壓電 阻調整高壓直流電源的驅動電壓，從而控制高壓直流電源模塊的輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的智能多功能高壓兆歐表，其特征在于所述高壓直流電源模 塊主要由高壓直流電源依次與繼電器U0、多路開關選擇器U1、分壓電阻R1、R2串聯組成，其 中分壓電阻Rl與R2的阻值之比為1 1。
3.根據權利要求1所述的智能多功能高壓兆歐表，其特征在于所述DC-DC模塊包括 DC-DC 二穩壓芯片U5、U6以及開關Si、蓄電池；所述二穩壓芯片U5、U6的Vin引腳與開關 Sl相連并通過開關Sl連接至蓄電池正極，二穩壓芯片U5、U6的GND引腳與蓄電池負極連 接。
4.根據權利要求1所述的智能多功能高壓兆歐表，其特征在于所述信號采集電路包 括I/V轉換電路、放大電路U2和A/D轉換電路；通過串聯于回路中的I/V轉換電路將測試 信號通過I/V轉換電路兩端輸出至放大電路U2中的正、負輸入級，然后由放大電路U2的輸 出端Vout將信號傳輸至A/D轉換電路中的A/D轉換器U4的AIN+端。
5.根據權利要求1所述的智能多功能高壓兆歐表，其特征在于所述單片機控制處理 系統包括繼電器U0、多路開關選擇器U1、A/D轉換器U4、鍵盤控制電路U7、語音及播放電路 U8、IXD液晶顯示電路U9和單片機芯片MPU ；其中繼電器UO接入單片機芯片的PO. 0，多路 開關選擇器Ul接入單片機芯片的P0. 2、P0. 1 口，A/D轉換器U4接入單片機芯片的P2. 0至 P2. 5 口，鍵盤控制電路U7接入單片機芯片的P0. 3至P0. 6 口，語音及播放電路U8接入單片 機芯片的Pl. 0至Pl. 3 口，IXD液晶顯示電路U9接入單片機芯片的P5. 0至P5. 7以及P4. 0 至 P4. 3 □。
專利摘要本實用新型公開了一種智能多功能高壓兆歐表，它包括高壓直流電源模塊、DC-DC模塊、信號采集電路、單片機控制處理系統。高壓直流電源模塊的電壓輸出正端、信號采集電路、被試設備以及高壓直流電源模塊的電壓輸出負端依次連接組成測試回路，信號采集電路將信號由信號采集電路的輸出端傳送至用以完成計算以及顯示、語音輸出的單片機控制處理系統中，其特點是高壓直流電源模塊的輸出電壓由單片機控制多路開關選擇分壓電阻調整高壓直流電源的驅動電壓，從而控制高壓直流電源模塊的輸出電壓。本實用新型解決了目前兆歐表功能單一，特別是因人工讀數誤差造成不能準確測量被試設備的吸收比和極化指數等問題。適用范圍廣、數據處理直觀、精確度高，實現了智能化測量，有推廣應用價值。
文檔編號G01R27/02GK201909813SQ20102061603
公開日2011年7月27日 申請日期2010年11月19日 優先權日2010年11月19日
發明者劉衛華, 劉源, 張東, 李景祿, 李青山, 程鳳鳴, 陶鳳源 申請人:河南省電力公司漯河供電公司, 漯河匯力科技有限公司