超高絕緣電阻測量儀用附加誤差電流非對稱補(bǔ)償裝置及方法與流程

本發(fā)明涉及一種絕緣電阻測量裝置及方法，尤其涉及一種超高絕緣電阻測量儀用附加誤差電流的補(bǔ)償裝置及方法。

背景技術(shù)：

絕緣電阻測量是電氣安規(guī)測量的重要內(nèi)容，絕緣電阻測量一般是通過對被測元件兩端施加測試電壓U_s，測量流經(jīng)被測元件上的電流I_s，再根據(jù)公式R＝U_s/I_s實(shí)現(xiàn)電阻的間接測量。超高絕緣電阻測量儀是測量量值在10¹²Ω以上電阻的測量裝置，傳統(tǒng)的超高阻測量依賴于提升測試電壓，如5kV、10kV或更高，其目的是保證流經(jīng)被測元件的電流在nA或uA以上。這種測量方案在如低壓高絕緣薄膜電容器這類難以施加100V以上高電壓的絕緣性能測試應(yīng)用中難以適用，如何實(shí)現(xiàn)低壓下超高絕緣電阻測量已成為現(xiàn)代電氣安規(guī)測量領(lǐng)域的一個難題。

超高絕緣電阻測量的本質(zhì)是檢測流經(jīng)被測元件的電流I_s。但是，實(shí)際流入被測元件的電流不僅包括有效泄漏電流，還包括測量環(huán)路的附加誤差電流。在低測試電壓條件下，超高絕緣電阻元件的有效泄漏電流一般為pA級，甚至為小于1pA的亞pA級，此時(shí)有效泄漏電流量值低至與附加誤差電流相近，測量誤差顯著增加，以至難以滿足實(shí)際測量準(zhǔn)確度需求；因此在低壓超高絕緣電阻測量應(yīng)用中，附加誤差電流是擴(kuò)展絕緣電阻測量范圍、提高穩(wěn)定性和一致性的重要制約瓶頸。

超高絕緣電阻測量儀測量環(huán)路的附加誤差電流主要來自測量電路本身的本底泄漏電流、夾具電氣網(wǎng)路分布參數(shù)引起的泄漏電流、夾具與被測元件觸點(diǎn)熱電勢和引線電纜摩擦電引起的附加電流等，總附加誤差電流常常大于10pA以上。如對于高絕緣的低壓薄膜電容器，其絕緣電阻常常大于1TΩ，而測試條件常常在10V以下，此時(shí)有效的泄漏電流僅為10pA，而測量環(huán)路的附加誤差電流幅度已接近或超過被測薄膜電容本身的泄漏電流，如何消除或抑制背景電流的誤差影響是準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵。

目前商品化絕緣電阻測試儀通過在輸入電流檢測端施加一路補(bǔ)償電流源進(jìn)行附加誤差電流補(bǔ)償，該方法在nA以上電流檢測時(shí)有很好的補(bǔ)償效果，但當(dāng)附加誤差電流低于nA時(shí)，因補(bǔ)償電流源輸出電流的信噪比低，難以滿足微誤差電流的補(bǔ)償需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明采用雙路非對稱互補(bǔ)電流源進(jìn)行附加誤差電流補(bǔ)償，當(dāng)附加誤差電流微小的時(shí)候，通過兩路高信噪比電流源輸出信號相減形成補(bǔ)償電流，解決微小附加誤差電流的精確補(bǔ)償問題，以顯著提高超高絕緣電阻測量分辨率、量程和一致性。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種超高絕緣電阻測量儀用附加誤差電流非對稱補(bǔ)償裝置，包括輸出信號源V_S、繼電器開關(guān)K₁、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓測量電路、控制器和兩路互補(bǔ)的非對稱雙極性精密可調(diào)電壓源；

所述電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括運(yùn)算放大器A和電阻R_F，電阻R_F的兩端分別連接運(yùn)算放大器A的反向輸入端和輸出端，運(yùn)算放大器A的正向輸入端接地；

所述兩路互補(bǔ)的非對稱雙極性精密可調(diào)電壓源包括可調(diào)電壓源V_C1和可調(diào)電壓源V_C2，可調(diào)電壓源V_C1的輸出信號經(jīng)精密電阻器R_C1提供給運(yùn)算放大器A的反向輸入端，可調(diào)電壓源V_C2的輸出信號經(jīng)精密電阻器R_C2提供給運(yùn)算放大器A的反向輸入端；

所述輸出信號源V_S用于產(chǎn)生激勵電壓U_S，輸出信號源V_S通過繼電器開關(guān)K₁連接被測元件DUT的一端，被測元件DUT的另一端連接運(yùn)算放大器A的反向輸入端，運(yùn)算放大器A的輸出端接電壓測量電路的輸入端，電壓測量電路的輸出端接控制器的輸入端，控制器產(chǎn)生兩路控制信號分別提供給可調(diào)電壓源V_C1和可調(diào)電壓源V_C2。

優(yōu)選的，所述可調(diào)電壓源V_C1和可調(diào)電壓源V_C2均為16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，控制器產(chǎn)生的兩路控制信號分別對兩個16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，形成兩個可調(diào)電源。優(yōu)選的，所述精密電阻器R_C1的阻值為1GΩ，精密電阻器R_C2的阻值為10GΩ，可調(diào)電壓源V_C1與精密電阻器R_C1串聯(lián)形成第一路補(bǔ)償電流源，可調(diào)電壓源V_C2與精密電阻器R_C2串聯(lián)形成第二路補(bǔ)償電流源，第一路補(bǔ)償電流源和第二路補(bǔ)償電流源的分辨率比例系數(shù)為10:1。

該裝置首先通過輸出信號源V_S、繼電器開關(guān)K₁、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓測量電路和控制器建立超高絕緣電阻測量系統(tǒng)，兩路互補(bǔ)的非對稱雙極性精密可調(diào)電壓源與被測元件的低壓側(cè)并聯(lián)接入電流電壓轉(zhuǎn)換電路前端；然后在每次實(shí)際被測元件測量之前，根據(jù)誤差電流補(bǔ)償調(diào)節(jié)算法控制非對稱雙極性精密可調(diào)電壓源，測量附加誤差電流，當(dāng)附加誤差電流小于一個閾值表明調(diào)節(jié)完成，該閾值取決與系統(tǒng)的分辨率和測量精度；最后，在實(shí)際測量時(shí)，根據(jù)絕緣電阻測量算法，修正實(shí)際流經(jīng)被測元件的泄漏電流和被測元件的絕緣電阻阻值。

所述裝置的超高絕緣電阻測量儀用附加誤差電流非對稱補(bǔ)償方法包括如下步驟：

(1)設(shè)定激勵電壓U_S＝0，并斷開繼電器開關(guān)K₁；

(2)控制可調(diào)電壓源V_C1和可調(diào)電壓源V_C2的輸出均為0V，記錄電壓測量電路的輸出值為V_e，再由I_e0＝V_e/R_F計(jì)算得到初始附加誤差電流I_e0；

(3)對初始附加誤差電流I_e0進(jìn)行判斷：若|I_e0|＞100pA，設(shè)置可調(diào)電壓源V_C1的輸出值為I_e0×R_C1，再利用PI調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源V_C2，直至流入電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的附加誤差電流|I_e(t)|≤I_th；若|I_e0|≤100pA，設(shè)置可調(diào)電壓源V_C1的輸出值為100pA×R_C1，再利用PI調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源V_C2，直至流入電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的附加誤差電流|I_e(t)|≤I_th；其中，I_th為設(shè)定閾值；

(4)根據(jù)電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出值V_a(即電壓測量電路的輸入值)計(jì)算補(bǔ)償后的剩余附加誤差電流I_a＝V_a/R_F；

(5)閉合繼電器開關(guān)K₁，設(shè)定激勵電壓U_S，記錄電壓測量電路的輸出值為V_x，再由I_total＝V_x/R_F計(jì)算得到流入電流電壓轉(zhuǎn)換電路的總電流I_total，根據(jù)公式計(jì)算消除附加誤差電流后的實(shí)際流入被測元件的有效泄漏電流I＝I_total-I_a和絕緣電阻值R＝V_x/(I_total-I_a)。

有益效果：本發(fā)明提供的超高絕緣電阻測量儀用附加誤差電流非對稱補(bǔ)償裝置及方法，采用最小分辨率0.01pA、最大補(bǔ)償電流50nA的雙極性補(bǔ)償電流源，用來補(bǔ)償附加誤差電流，將附加誤差電流減小到足夠??；該方法能夠快速準(zhǔn)確地解決微小附加誤差電流的精確補(bǔ)償問題，顯著提高超高絕緣電阻測量分辨率、量程和一致性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的原理框圖；

圖2為附加誤差電流示意圖；

圖3為附加誤差電流補(bǔ)償電流源電原理圖；

圖4為電流電壓轉(zhuǎn)換電原理圖；

圖5為本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，為一種超高絕緣電阻測量儀用附加誤差電流非對稱補(bǔ)償裝置，包括輸出信號源V_S、繼電器開關(guān)K₁、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓測量電路、控制器和兩路互補(bǔ)的非對稱雙極性精密可調(diào)電壓源；兩路互補(bǔ)的非對稱雙極性精密可調(diào)電壓源與被測元件DUT的低壓側(cè)并聯(lián)接入電流電壓轉(zhuǎn)換電路前端；所述可調(diào)電壓源V_C1和可調(diào)電壓源V_C2的輸出范圍均為-5V～+5V，精密電阻器R_C1和精密電阻器R_C2的阻值分別為1GΩ和10GΩ，可調(diào)電壓源V_C1和可調(diào)電壓源V_C2分別經(jīng)過這兩個精密電阻器構(gòu)成分辨率比例系數(shù)為10:1的補(bǔ)償電流源。

如圖2所示，流經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路的電流包括流經(jīng)被測元件DUT的有效電流及附加誤差電流；附加誤差電流主要來自測量電路本身的本底泄漏電流、夾具電氣網(wǎng)路分布參數(shù)引起的泄漏電流、夾具與被測元件觸點(diǎn)熱電勢和引線電纜摩擦電引起的附加電流等，其等效附加電流分別為I_k1和I_k2，總附加誤差電流常常大于10pA以上。

如圖3所示為本發(fā)明的兩路精密可調(diào)電流源產(chǎn)生電路，由微處理器控制16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片DAC8812產(chǎn)生精密電壓源，再分別經(jīng)過R₁₂₀和R₁₂₁構(gòu)成非對稱精密電流源。

如圖4所示為本發(fā)明的電流電壓檢測電路，流經(jīng)被測元件的電流輸入端、兩路補(bǔ)償電流源均并聯(lián)接入到運(yùn)算放大器的反相輸入端，運(yùn)算放大器的反饋電路為根據(jù)不同電流選擇的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，通過繼電器選擇相應(yīng)反饋電阻，繼電器由微處理器控制。

如圖5所示為本發(fā)明的工作流程，包括如下步驟：

(1)設(shè)定激勵電壓U_S＝0，并斷開繼電器開關(guān)K₁；

(2)控制可調(diào)電壓源V_C1和可調(diào)電壓源V_C2的輸出均為0V，記錄電壓測量電路的輸出值為V_e，再由I_e0＝V_e/R_F計(jì)算得到初始附加誤差電流I_e0；

(3)對初始附加誤差電流I_e0進(jìn)行判斷：若|I_e0|＞100pA，設(shè)置可調(diào)電壓源V_C1的輸出值為I_e0×R_C1，再利用PI調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源V_C2，直至流入電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的附加誤差電流|I_e(t)|≤I_th；若|I_e0|≤100pA，設(shè)置可調(diào)電壓源V_C1的輸出值為100pA×R_C1，再利用PI調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源V_C2，直至流入電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的附加誤差電流|I_e(t)|≤I_th；其中，I_th為設(shè)定閾值；

(4)根據(jù)電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出值V_a(即電壓測量電路的輸入值)計(jì)算補(bǔ)償后的剩余附加誤差電流I_a＝V_a/R_F；

(5)閉合繼電器開關(guān)K₁，設(shè)定激勵電壓U_S，記錄電壓測量電路的輸出值為V_x，再由I_total＝V_x/R_F計(jì)算得到流入電流電壓轉(zhuǎn)換電路的總電流I_total，根據(jù)公式計(jì)算消除附加誤差電流后的實(shí)際流入被測元件的有效泄漏電流I＝I_total-I_a和絕緣電阻值R＝V_x/(I_total-I_a)。

本案提供的超高絕緣電阻測量儀用附加誤差電流非對稱補(bǔ)償裝置及方法，可產(chǎn)生最小分辨率0.01pA、最大補(bǔ)償電流50nA的雙極性補(bǔ)償電流源，用用以補(bǔ)償附加誤差電流，將附加誤差電流減小到足夠??；該方法能夠快速準(zhǔn)確地解決微小附加誤差電流的精確補(bǔ)償問題，顯著提高超高絕緣電阻測量分辨率、量程和一致性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。