專利名稱：數字地阻儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量各種接地裝置的接地電阻值的檢測裝置，特別是一種數字地阻儀。
目前，檢測接地裝置的接地電阻值的儀表，主要是接地測試搖表，如北京電表廠生產的ZC-8，它采用電流電壓法進行測量，該裝置用手搖發電機產生測試用的交變電流、該交變電流在被測阻上產生的交變電壓經電位測試極取回表內，再與同一電流經表內互感器得到的交變電壓進行比較，應用相敏檢波原理，通過調節磁電式電流表指針平衡的方式，從指示刻度上讀取測量結果，由于儀表放置的傾角不同及觀察平衡指針視角的影響，以及操作人員搖動搖表時的晃動，使得測量讀取值有較大誤差。尤其是當被測試區域存在雜散地電流，或者測試中的輔助接地電阻阻值發生變化時，將嚴重影響測量結果的準確性，在這種情況下，測量的最大累積誤差(用等級指數表示)達400%，顯然，這樣的誤差量是不適應工程及維護工作的需要的。
本發明的目的，就是針對上述現有技術的不足，提出一種新的數字地阻儀。
本發明的技術解決方案是，其特征在于，采用了供電電路，方波交變脈動恒流源、高阻輸入緩沖器、帶阻濾波器、開關同步檢測器、低通濾波器、A/D轉換器，供電電路與多值直流穩壓源相連，多值直流穩壓源與多值脈動電壓源和方波交變脈動恒流源配接，高阻輸入緩沖器與帶阻濾波器和檢波器配接，檢波器與A/D轉換器配接，帶阻濾波器與開關同步檢測器相連，f。振蕩器分別與多值脈動電壓源和開關同步檢測器相連，開關同步檢測器與低通濾波器相連，低通濾波器與A/D轉換器配接，A/D轉換器與顯示器相接。高阻輸入緩沖器的輸入端配有電位探針。
其特征在于，方波交變脈動恒流源是提供幅值為10mA、1mA、0.1mA(或其它幅值)的多值脈動恒流源，其配有電流輸出極。
其特征在于，低通濾波器通過轉換開關與A/D轉換器配接。
本發明的基本構思是，從一個電流極經過被測接地裝置向大地注入測試電流，該測試電流具有一固定頻率的交變脈動電流，再從另一電極回到本發明所提出的測量裝置中，由于該電流在流經被測接地裝置的接地電阻上會產生相應的交變脈動電壓，這一電壓被取回測量裝置后，經高阻輸入緩沖器送到帶阻濾波器，濾除50Hz工頻干擾，再以與交變脈動恒流相同的開關頻率去控制相關的模擬開關，對取回有用的脈動電壓進行開關同步檢波，檢波后的電信號經低通濾波器濾除與測量裝置工作測試頻率不同的雜亂干擾信號，確保同頻差出的直流電壓通過，最后將這一與被測接地裝置接地電阻阻值成正比的直流電壓送進A/D轉換器，從數字顯示器上直接讀出所測接地電阻阻值。
根據這種構思，其測量步驟為a、由本發明的電流極送出一個頻率為f。的交變脈動電流I。，這一電流的正負幅值、寬度相等且為恒定值，它在被測接地裝置的接地電阻RE上產生一個電壓U。＝I。.RE。
b、經本發明的電位輸入極將地電位探針處的電壓取回本發明內，濾除50Hz工頻信號后，在頻率f。的控制下進行開關檢測。由于取入的電壓是U。和其它各種頻率的雜散電壓組合而成的電信號，因而以f。為開關頻率檢出的電信號UI中將會含有各種雜散電壓的相應成份，UI＝UD+UA。
其中UD是直流信號，它是U。在頻率f。下差出的直流成份的電信號，顯然UD的大小正比于I。和RE，UA為非f。頻率的雜散電壓檢出信號，其頻率為f。+fX1，f。-fX1，f。+fX2，f。-fX2…f。+fXn，f。-fXn(fX1～fXn為工頻及其它各種頻率)，其幅度正比于電位探針處地電壓中相應頻率的電壓值。
c、將UX加到低通濾波器的輸入端，設定低通濾波器截止頻率fL遠低于UX頻率中的最低頻率，因而在低通濾波器的輸出端將得到的是一個直流電壓KUD(K為低通濾波器的傳輸系數)，顯然這個電壓的大小僅取決于I。和RE的值，由于I。的幅度為定值，于是就得到了一個其值僅與RE相關且成線性的電壓，即UC＝CRE(C＝K·I。)。
d、將Uc送入A/D轉換器，從數字顯示器上直接讀取RE的值。
本發明的優點在于，它完全擺脫了現在接地搖表的結構模式，采用了交變脈動恒流技術，使得用于測試的電流值保持穩定，且去掉人力作功產生測試電流的陳舊方式，使裝置體積小操作方便，本發明設有高阻輸入緩沖器，大大降低了電位極輔助接地電阻的改變引起的測量誤差，采用了50Hz的帶阻濾波器，能使50Hz工頻干擾信號衰減40db以上，從而提高了裝置的信噪比和測量精度，同頻開關檢測使得整機抗干擾能力進一步加強，A/D轉換后的測量結果可通過顯示器直接讀取，避免了人為的視覺誤差。本發明使用的主要電路器件均采用通用型的大中規模集成電路，電路性能穩定可靠，在0.1～2000的范圍內分辨率可達到0.001、0.01、0.1、1，且相對誤差不超過3%，本發明可使用電池供電，具有便攜功能，綜上所述，本發明是取代傳統接地測試搖表的較為理想的測量裝置。
圖1，本發明總體電路方框2，本發明的多值脈動電壓源的電原理3，本發明的方波交變脈動恒流源的電原理4，本發明的高阻輸入緩沖器的電原理5，本發明的另一種形式的高阻輸入緩沖器的電原理6，本發明的帶阻濾波器的電原理7，本發明的開關同步檢測器電原理8，本發明的低通濾波器的電原理9，本發明的基本結構示意10，本發明的基本結構示意圖的后視11，本發明的基本結構示意圖的后視圖A-A的剖視12，本發明的基本結構示意圖的后視圖的B-B向剖視圖下面根據附圖描述
具體實施例方式如圖1所示，本發明由方波交變脈動恒流源1，多值脈動電壓源2，多值直流穩壓源3，直流供電電路4、高阻輸入緩沖器5、帶阻濾波器6、開關同步檢測器7、低通濾波器8、A/D轉換器9、顯示器10，f。振蕩器12組成。直流供電電路4采用9伏電源，供給全機工作使用，多值直流穩壓源3與直流供電電路4配接，多值直流穩壓源3的輸出端分別與多值脈動電壓源2和方波交變脈動恒流源1配接，提供不同的工作直流穩壓，多值脈動電壓源2連接方波交變脈動恒流源1，提供交變恒流所需的脈動電壓，f。振蕩器12與多值脈動電壓源2和開關同步檢測器7配接，分別向兩單元電路提供同頻控制信號。高阻輸入緩沖器5分別與帶阻濾波器6、檢波器11配接，帶阻濾波器6與開關同步檢測器7配接，開關同步檢測器7與低通濾波器8相接，低通濾波器8和檢波器11通過轉換開關K與分別與A/D轉換器9配接，A/D轉換器9接數字顯示器10。測量接地極地電阻阻值所需的測試電流由方波交變脈動恒流源1的輸出端即電流極C端送出，從另一電極E(或C2)流回機內，它在地電位極至接地點之間的大地內產生的相應電壓，從E(或C2)、P端(P1、P2端)取回機內，經高阻輸入緩沖器5之后送到帶阻濾波器6和檢波器11，檢波器11用于對工頻地電壓的檢波，其值送入A/D轉換器9轉換成工頻地電壓值。帶阻濾波器6濾除50Hz工頻后，將有用的測試信號送入開關同步檢測器7，并在頻率f。的控制下被檢出，檢出的信號再送低通濾波器8，濾除交流信號后，其有用的直流信號被送入A/D轉換器9，從數字顯示器10中即可直讀被測地電阻阻值。
如圖2所示，多值脈動電壓源2由電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，模擬門G1、G2、反相放大器A1，電流源A2，選擇開關8和三極管T1、T2組成，R1一端接模擬門G1的輸入端D，R1的另一端與R3和A1的反相端相接，A1的同相端通過R2接機器地，R3的另一端接板相放大器A1的輸出端即模擬門G2的輸入端，模擬門G1的控制端G1′，模擬門G2的控制端G2′受開關信號的控制，模擬門G1、G2的輸出端同接R4，R4的另一端接A2的同相輸入端，在A2的同相輸入端及機器地之間接有電容C1，在A2的反相輸入端接有開關S，通過開關S選擇不同的接地電阻RS1…RSn，三極管T1、T2的基極同接在A2的輸出端，R5、R6同接在T1的集電極，R7、R8同接在T2的集電極，R5、R6分接電源+V1、+V2、R7、R8分接電源-V1、-V2，T1、T2兩管的發射極相接于A2的反相輸入端。其中A1為1∶1反相放大器，其輸出電壓為-VR，VR、-VR經G1、G2模擬門，在G1′、G2′開關信號的控制下送到A2的同相輸入端，A2是一級電流源，經開關S選擇A2反相端不同的接地電阻可得到流經T1、T2的不同電流值，這一電流在T1、T2的集電極交替產生所需的穩幅電壓。R5＝R7，R6＝R8，從而在T1、T2的集電極獲得對稱的交替脈動電壓。經開關S選擇的不同的RS值可得到不同的脈動電壓值，R4、C1構成延時電路從而使VR、-VR經過G1、G2，通過R4、C1延時再送到A2的同相輸入端，減慢了A2輸出電流過零的變化率，滿足T1、T2的導通有一個足夠的時間間隔，R5、R6、R7、R8與正負V1、V2配接。
如圖3所示，方波交變脈動恒流源1，由A3、A4、T3、T4、R9、R10組成，A3、A4的同相輸入端A、B分別接T1、T2管的集電極，反相輸入端分別接T3、T4管的發射極，A3、A4的輸出端分別接T3、T4管的基極，T3、T4管的集電極相連構成輸出端C，R9接在T3管的發射極與+V1之間，R10接在T4管的發射極與-V1之間。隨著A、B點交替脈動電壓的變化，T3、T4管交替導通截止，輸出端C為方波交變脈動恒流源1的一個電流輸出極，另一個電極即為機器地E，(若在四電極的機型中將取名為C2，電流的幅值僅與A、B點電壓幅值和R9、R10的阻值有關。V2的絕對值大于V1，使得T1截止期內集電極電位高于+V1，T2截止期內其集電極電位低于-V1，以保證T3、T4管的交替通斷。
如圖4所示的高阻輸入緩沖器5為一種三測試電極的機型電路，僅為一級運放器組成的跟隨器，有一個輸入端P，和一個輸出端F，該運放器可采用CA3140一類的通用器件，由于跟隨器的采用，使P點的輸入阻抗高達1011以上，從而極大地降低了電位測試極輔助接地電阻的改變而引起的測量誤差。
如圖5所示的高阻輸入緩沖器5是一種四測電極的機型電路，由兩個獨立跟隨器A7和A8與一個差動放大器A9配接組成。有兩個輸入極P、P2，一個輸出極F。
如圖6所示的帶阻濾波器6，它是一個典型的RC雙T網絡結構，中心頻率50Hz，在中心頻率上的衰減可達40dB以上，這樣能提高了被測信號的信噪比。
如圖7所示，開關同步檢測器7由A10、A11、A12，G3，G4，R17、R18、R19、R20、R21、R22，C2、C3組成，A10及相應元件組成低通放大器，限制高次諧波干擾的幅度，頻率由R18與C2的乘積決定，A11及相應電阻構成1∶1的反相放大器，A10、A11的輸出分別加到模擬開關G3、G4的一個輸入端，G3、G4的另一輸出端并接后再經R22、C3至A12輸出，在G3′、G4′開關信號的控制下完成開關同步檢波，由于A11為1∶1反相器，A10以前的累積屬移誤差也可以在C3上消除。R22、C3同時構成一階低通。由儀器輸出的方波交變脈動電流在被測地電阻上產生的方波交變脈動電壓與干擾信號一同進入機內，濾除工頻50Hz干擾后加在H點，經A10作同相放大后，一路直接送到模擬門G3的輸入端，一路又經A11作1∶1的反相后送到模擬門G4的輸入端，G3′、G4′為開關控制端，其頻率與方波交變脈動電流的頻率是同一頻率，且G3′、G4′的信號是反相的，這樣，在G3、G4模擬門輸出端，除同頻信號被檢成直流信號外，其余一切非同頻信號都變成交變信號，經R22，C3一次平滑濾波，由A12輸出。C2，R18構成一階低通，以抑制高次諧波干擾信號的幅度。其中G3、G4可用CD4066模擬門。
如圖8所示，低通濾波器8由R23、R24、R25、R26，C4、C5，A13組成，它的截止頻率由R24，R25，C4，C5決定，直流放大倍數由R24/R23決定，A13可采用CA3140一類運算放大器。
值得一提的是，G1′、G2′、G3′、G4′的開關控制信號是同一頻率、相差固定的脈沖信號，其中G1′與G2′反相，G3′與G4′反相，頻率為310Hz-610Hz之間的固定頻率。
按照圖1，圖2，圖3，圖4，(或圖5)，圖6，圖7給出的輸入輸出端點的相同符號將上述電路聯接起來，就構成了本發明推薦的實施例的總體電路圖，按照這個總體電路原理圖足以再現本發明。
如圖9，圖10，圖11，圖12所示，根據本發明的技術解決方案提出的總體電路原理圖(如前圖1～7所示)給出的本發明基本結構，將直流供電電路4，多值直流穩壓源3，多值脈動電壓源2，方波交變脈動恒流源1，高阻輸入緩沖器5，帶阻濾波器6，開關同步檢測器7，低濾波器8，A/D轉換器9，顯示器10，f。振蕩器12，檢波器11裝入機殼13中，外殼13上裝有量程選擇開關15，電源開關16，電流啟動開關23，外接直流電源插孔24，電流指示燈22，E極插孔17，P極插孔18，C極插孔19，數字顯示窗21，銘牌20，量程開關15即開關S、K，它是一個多檔開關，可分別選擇上限量程為2、20、200和地電壓測試(0～19.99V)，E、P、C極插孔分別與電路的E、P、C端點相連，外殼13由上蓋35、下蓋32組成，通過螺釘25、37連為一體。外殼13系塑壓件，下蓋32上有電池盒26，電池盒26上有電池盒蓋27，從電池盒26中有電源饋線28、30引出，通過插件29、31與電路板36相接，電路板36固定安裝在外殼13內，上蓋35，下蓋32內表面均裝有屏蔽罩28，電路板36上的機器地通過導電彈片34與下蓋32上的屏蔽罩28連接，電路板36上安裝有電路1～12的各種元器件。電路板36設計合理。各種元器件均為通用型，顯示器采用3 1/2 位液晶顯示屏，直流供電電源為9V，選用6節5號電池或通過外接直流電源插孔24外接直流電源供電。
本發明的基本測試工作情況是根據被測接地裝置的情況，設置一個輔助電流極C，一個輔助電位極P，用導線將被測地極連到儀表的E極插孔17，輔助電流極C連到儀表的C極插孔19，輔助電位極P連到電位極插孔18，接通電源用量程開關選定適當量程，啟動電流，電流指示燈23明亮后，方波交變脈動恒流就由E饋入大地，從C流回儀表，并在E、P間產生相應的方波交變電壓，由于電流幅度恒定，所以方波電壓的幅度僅與被測地電阻阻值相關，且成正比，E、P間的這一方波電壓連同干擾地電壓一道從E、P端取入機內，經濾波、開關同步檢測，再濾波后，得到一個直流電源UC＝CRE(C＝KI。，I。為電流幅值)，將電壓UC送到A/D轉換器9的輸入端并適當選定A/D轉換器9(ICL7106)的參考電壓可從數字顯示器10(液晶屏)上直讀出被測接地裝置的接地電阻值，由于采用了高阻輸入緩沖器5，極大地降低了電位測試極輔助接地電阻的變化對測試值準確度的影響，同時又因為多值直流穩壓源3的輸出電壓V1的絕對值滿足下列關系式V1＞V。+Ic(rmax+Rcmax)+VS其中V。為最大允許干擾電壓值，rmax為最大被測接地電阻值Rcmax為最大電流極輔助接地電阻值，VS為T1、T2三極管飽和壓降
Ic1為脈動恒流幅值。
從而能夠保證在允許的最大地電壓范圍內的干擾電壓不會對測試造成影響。
經試驗表明，本發明的測量結果大大優于現有的接地電阻測試裝置的準確度和精度，可以說，本發明的確是替代傳統地搖表的理想接地測試裝置。
權利要求
1.數字地阻儀，其特征在于采用供電電路(4)、方波交變脈動恒流源(1)、高阻輸入緩沖器(5)、帶阻濾波器(6)、開關同步檢測器(7)、低通濾器(8)、A/D轉換器(9)，其中，直流供電電路(4)與多值直流穩壓源(3)相連，多值直流穩壓源(3)與多值脈動電壓源(2)和方波交變脈動恒流源(1)相連，高阻輸入緩沖器(5)與帶阻濾波器(6)和檢波器(11)相連，帶阻濾波器(6)與開關同步檢測器(7)相連，開關同步檢測器(7)與低通濾波器(8)相連，低通濾波器(8)經轉換開關K與A/D轉換器(9)相連，A/D轉換器(9)與數字顯示器(10)相接，f。振蕩器(12)與多值脈動電壓源(2)和開關同步檢測器(7)配接。
2.根據權利要求1所述數字地阻儀，其特征在于，多值脈動電壓源(2)由R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，C1，A1，A2，G1，G2等組成，其中A1為1∶1反相放大器，其輸出電壓為-VR，VR與-VR經G1、G2模擬門，在G1′、G2′開關信號的控制下送到A2的同相輸入端，A2是一級電流源，經開關S選擇A2反相端不同的接地電阻值，可得到流經T1、T2的不同電流值，這一電流在T1、T2的集電極交替產生所需的穩幅電壓。
3.根據權利要求2所述數字地阻表，其特征在于，VR，-VR經過G1、G2，通過R4，C1延時后送到A2的同相輸入端，以使T1、T2的導通有一個足夠的時間間隔。
4.根據權利要求2所述數字地阻儀，其特征在于，T1集電極有R5接+V1，R6接+V2，T2集電極有R7接-V1，R8接-V2，V2的絕對值大于V1，使得T1截止期內集電極電位高于+V1，T2截止期內其集電極電位低于-V1，以保障T3、T4的交替通斷。
5.根據權利要求1所述數字地阻儀，其特征在于，方波交變脈動恒流源(1)由A3、A4、T3，T4，R9，R10組成，A3，A4的同相輸入端分別接T1，T2的集電極;輸出端分別接T3，T4的基極，反相輸入端分別接T3，T4的發射極，T3，T4的發射極電阻R9，R10分別接+V1和-V1，T3，T4的集電極相連，構成方波交變脈動恒流源(1)的一個電流極C，另一個電流極為機器地E(四電極機型取名C2)。
6.根據權利要求1所述數字地阻儀，其特征在于，三測試極機型的高阻輸入緩沖器(5)由一個跟隨器A5和接在其后的檢波器A6組成，四測試極機型的高阻輸入緩沖器(5)由兩個跟隨器A7，A8和一個差動放大器A9組成。
7.根據權利要求1所述數字地阻儀，其特征在于，帶阻濾波器(6)由普通的RC雙T網絡構成，中心頻率為50Hz。
8.根據權利要求1所述數字地阻儀，其特征在于，開關同步檢測器(7)由A10、A11、A12，G3，G4，R17、R18、R19、R20、R21、R22，C2、C3組成，A10及相應元件組成低通放大器，限制高次諧波干擾的幅度，頻率由R18與C2的乘積決定，A11及相關電阻構成1∶1的反相放大器，A10，A11的輸出分別加到模擬開關G3，G4的一個輸入端，G3，G4的另一輸出端并接后再經R22、C3至A12輸出，在G3′，G4′開關信號的控制下完成開關同步檢波，由于A11為1∶1反相器，A10以前的累積漂移誤差也可在C3上消除，R22，C3同時構成一級低通。
9.根據權利要求2或8所述數字地阻儀，其特征在于，G1′，G2′，G3′，G4′的開關控制信號是同一頻率，相差固定的脈沖信號，其中G1′與G2′反相，G3′與G4′反相，頻率為310Hz～610Hz之間的固定頻率。
10.根據權利要求1所述地阻儀，其特征在于，多值直流穩壓源3的輸出電壓V1的絕對值滿足下列關系式，V1＞V0+Ic(r max+Rc max)+Vs其中V0為最大允許干擾電壓值rmax為最大被測接地電阻值Rc為最大電流極輔助接地電阻值Vs為T1，T2三極管飽和壓降Ic為脈動恒流幅值。
全文摘要
本發明涉及數字地阻儀，其由供電電路、方波交變脈動恒流源、高阻輸入緩沖器、帶阻濾波器、開關同步檢測器、低通濾波器、A/D轉換器、顯示器等組成，方波交變脈動恒流源是可提供幅值為10mA、1mA、0.1mA或其它幅值的多值脈動恒流源。本發明的優點是，完全擺脫了現有接地搖表的結構模式，運用了交變脈動恒流技術，從而保證了測量精度，采用中、大規模集成電路，使裝置體積小、電路性能可靠穩定。
文檔編號G01R27/20GK1075552SQ9211468
公開日1993年8月25日 申請日期1992年12月15日 優先權日1992年12月15日
發明者胡學軍 申請人:胡學軍