专利名称：智能多功能高压兆欧表的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电力系统中电气设备绝缘电阻、吸收比、极化系数测量的智 能多功能高压兆欧表。
背景技术：
绝缘电阻试验是检验电气设备绝缘的一种最简单、最直接的试验方法，通过绝缘 电阻试验可以有效的检验出电气设备的贯穿性缺陷和普遍性缺陷。高压兆欧表是一种主要 用来测量电力系统、大型电机、电缆和各种电气设备及电路绝缘电阻的可携式电工仪表。但 随着计算机技术的发展，单片机等微处理器的应用已经普及到各种各样的电子产品中，单 片机等微处理器控制的智能化电子测量仪器也被广泛的应用于电力系统中，传统的模拟式 仪器仪表由于自身存在的问题(如需要手摇输出电压不稳定、测试人员存在读数误差、仪 器测量范围较低等原因)，也将逐渐被电子测量仪器所取代。而目前大多数的电子式兆欧表虽然测量精度以及测量方法较为成熟，但其测量功 能比较单一，仅能对电力系统中电气设备的绝缘电阻值进行测量，而不能方便快捷的对电 气设备绝缘的吸收比、极化指数进行准确测量，因此开发研制出一种可以方便快捷对各种 电气设备的绝缘电阻、吸收比、极化指数进行测量的智能化高压数字兆欧表是十分必要和 可行的。
发明内容
为了解决目前兆欧表功能单一，特别是针对因人工读数误差造成不能准确测量被 试设备的吸收比和极化指数的问题等，本发明提供了一种智能多功能高压兆欧表以完善和 解决传统兆欧表所存在的缺陷和不足。本发明的思路就是由高压电源提供测试电压，然后通过I/V转换电路将测试回路 的电流信号转换成电压信号，再通过对该电压信号进行放大、A/D转换等处理后传入单片机 系统分析计算，从而对电力系统各类电气设备的绝缘电阻实现智能化测量。本发明所采用的技术方案如下该智能多功能高压兆欧表，包括高压直流电源模块、DC-DC模块、信号采集电路和 单片机控制处理系统；高压直流电源模块的电压输出正端、信号采集电路、被试设备以及高 压直流电源模块的电压输出负端依次连接组成测试回路，信号采集电路将信号由信号采集 电路的输出端传送至用以完成计算以及显示、语音输出的单片机控制处理系统中，其特点 是所述高压直流电源模块的输出电压由单片机控制处理系统控制多路开关选择分压电阻 调整高压直流电源的驱动电压，从而控制高压直流电源模块的输出电压。所述高压直流电源模块主要由高压直流电源依次与继电器U0、多路开关选择器 U1、分压电阻R1、R2串联组成，其中分压电阻Rl与R2的阻值之比为1 1。所述DC-DC模块由DC-DC 二稳压芯片U5、U6以及开关Si、蓄电池组成；所述二稳 压芯片TO、TO的Vin引脚与开关Sl相连并通过开关Sl连接至蓄电池正极，二稳压芯片TO、U6的GND引脚与蓄电池负极连接。 所述信号采集电路由I/V转换电路、放大电路U2和A/D转换电路组成；通过串联 于回路中的I/V转换电路将测试信号通过I/V转换电路两端输出至放大电路U2中的正、负 输入级，然后由放大电路U2的输出端Vout将信号传输至A/D转换电路中的A/D转换器U4 的AIN+端。 所述单片机控制处理系统由继电器UO、多路开关选择器Ul、A/D转换器U4、键盘控 制电路U7、语音及播放电路U8、IXD液晶显示电路U9和单片机芯片MPU组成；其中继电器 UO接入单片机芯片的P0. 0,U1接入单片机芯片的Ρ0. 2、Ρ0. 1 口，A/D转换器U4接入单片机 芯片的P2. 0至P2. 5 口，键盘控制电路U7接入单片机芯片的P0. 3至P0. 6 口，语音及播放 电路U8接入单片机芯片的P1.0至Pl. 3 口，IXD液晶显示电路U9接入单片机芯片的P5.0 至 P5. 7 以及 P4. 0 至 P4. 3 口。本发明的工作原理假设压直流电源输出电压U、测试回路电流I，采样电阻为R(采样电阻电压为Uk)， 被试设备的绝缘电阻值差分放大电路放大倍数为K，经放大后传入单片机的电压测量 信号为Uin，则可根据欧姆定律得U=I(R+R 设备)(1)Ue = IR = Uin/K(2)贝丨JI = Uin/KR(3)R 设备=U/1-R = KU/Uin-R(4)由此，单片机可根据(4)中所示计算出被试设备的绝缘电阻值Ras。本发明装置 具体测试原理如下1)绝缘电阻值的测量①利用本发明装置对被试电气设备进行测量时，首先由测试人员选择测试电压U、 以及需要测试的项目(绝缘电阻值测量)。②然后本装置开始工作，通过I/V转换电路采样到测试回路采样电阻上的电压， 然后通过放大、A/D转换将该电压信号Uin传入单片机中。③当单片机接收A/D转换电路传输的信号Uin时，通过计算程序计算得到被试设备 的绝缘电阻值为R 设备=KU/Uin-R(5)④单片机完成上述步骤后关闭高压电源，然后单片机将数据传送至IXD显示电路 并通过语音播放将数据传送给测试人员。⑤然后单片机通过LCD显示依次提示测试人员是否存储本次测试数据，待测试人 员通过键盘电路选择操作命令后结束本次测量。2)吸收比的测量①利用本发明装置对被试电气设备进行测量时，首先由测试人员选择测试电压U、 以及需要测试的项目(吸收比的测量)。②然后本装置开始工作，通过I/V转换电路采样到测试回路采样电阻上的电压， 然后通过放大、A/D转换将该电压信号Uin传入单片机中。
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③当单片机接收A/D转换电路传输的信号Uin时，按照式(5)计算得到被试设备的 绝缘电阻值并通过LCD显示供测试人员查看，同时，单片机内部计时器对测量时间进行计 时，将测量时间为15s和60s时被试设备绝缘电阻值进行存储，并计算吸收比吸收比=R6。s/R15s(6)④单片机完成上述步骤后关闭高压电源，然后单片机将测量所得吸收比、15s和 60s时被试设备绝缘电阻值传送至LCD显示电路并通过语音播放将数据传送给测试人员。⑤然后单片机通过LCD显示依次提示测试人员是否存储本次测试数据，待测试人 员通过键盘电路选择操作命令后结束本次测量。3)极化指数的测量①利用本发明装置对被试电气设备进行测量时，首先由测试人员选择测试电压U、 以及需要测试的项目(极化指数的测量)。②然后本装置开始工作，通过I/V转换电路采样到测试回路采样电阻上的电压， 然后通过放大、A/D转换将该电压信号Uin传入单片机中。③当单片机接收A/D转换电路传输的信号Uin时，按照式(5)计算得到被试设备的 绝缘电阻值并通过LCD显示供测试人员查看，同时，单片机内部计时器对测量时间进行计 时，将测量时间为Imin和IOmin时被试设备绝缘电阻值进行存储，并计算极化指数极化指数=R10fflin/Rlfflin(7)④单片机完成上述步骤后关闭高压电源，然后单片机将测量所得极化指数、Imin 和IOmin时被试设备绝缘电阻值传送至LCD显示并通过语音播放将数据传送给测试人员。⑤然后单片机通过LCD显示依次提示测试人员是否存储本次测试数据，待测试人 员通过键盘电路选择操作命令后结束本次测量。本发明所达到的有益效果该智能多功能高压兆欧表采用可调式直流高压电源提供相应的测试电压，可对各 种绝缘等级的电气设备的绝缘电阻进行准确测量，并可通过测试人员输入测试电压、测试 项目等测试参数方便快捷测量被试设备的吸收比和极化指数，从而减少传统兆欧表对吸收 比、极化指数测量中的不便和因计时、读数造成的误差，有效地克服以往大多电子式兆欧表 存在的功能单一和可操作性不足的缺点；能对电气设备的绝缘电阻、吸收比、极化指数进行 准确、快捷的测量，实现了智能化操作；另外，该智能多功能高压兆欧表的输出、存储系统能 将测试结果通过液晶显示、语音提示两种方式传输给测试人员，并能将测试结果进行快速 存储，方便测试人员记录数据以及与历史数据进行对比。该智能多功能高压兆欧表具有体积小、携带方便，测量原理简单、适用范围广、操 作安全、数据处理能力直观、数据精确度高等优点，更适合于现场工作，且抗干扰能力强，实 现了智能化测量，具有较高的推广应用价值。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细地说明图1是本发明高压兆欧表装置原理图；图2是本发明中的DC-DC模块电路原理图；图3是本发明中的高压直流电源模块电路原理图4是本发明中的信号采集电路电路原理图；图5是本发明中的单片机及其控制电路电路原理图。
具体实施例方式图1为高压兆欧表装置原理图，本发明智能多功能高压兆欧表主要由高压直流电 源模块、信号采集电路、单片机及其控制电路组成；高压直流电源模块由蓄电池通过DC-DC 模块转换后与高压直流电源连接；高压直流电源依次与ΙΛ转换电路、被试设备组成测试 回路；I/V转换电路将信号依次通过差分放大电路、A/D转换电路传送至单片机；单片机及 其控制电路由键盘控制电路、语音及播放电路、LCD液晶显示电路、单片机芯片如图5所示 连接组成。当测试人员将装置开关电源开关Sl (图2中DC-DC模块中所述Sl开关)闭合 时，系统开始初始化，由测试人员选择测试电压、项目后装置开始进行测试，单片机通过控 制高压直流电源模块控制高压直流电源驱动电压从而调整其输出电压，由高压直流电源模 块提供测试电压，由I/V转换电路、被试设备、高压直流电源依次组成了测试回路，并由I/V 转换电路将对采样电阻上的电压信号UR进行采样，然后将该UR信号传输至差分放大电路 进行放大处理，然后经放大处理后的信号为KUR，该信号被传送至A/D转换电路中进行数模 转化，信号KUR经过转换后变为KU' κ，并由A/D电路将该信号传送至单片机中，单片机接收 KU' κ后，对其进行计算，最终得出测试设备的绝缘电阻值R，并传送至LCD和语音驱动电路 进行IXD显示和语音播放。图2为DC-DC电源模块电路原理图，由蓄电池、开关S1、U5、TO两片DC-DC芯片组 成，其中12V蓄电池的正极分别依次与开关Si、U5的Vin引脚、TOVin引脚相连，而12V蓄 电池的负极与TO、U6的GND相连，由U5的+Vout输出+5V电压，TO的-Vout输出-5V电压， U6的+Vout输出+24V电压；U5为24V转+5V、_5V的DC-DC稳压芯片，U6为24V转+24V的 DC-DC稳压芯片。当装置启动开关Sl闭合时，24V蓄电池开始给U5、TO供电，当TO的Vin 和GND之间接入24V的电压时，U5的+Vout端向外提供+5V(以下部分均以VCC代替+5V 电源端)的电压，-Vout端向外提供_5V(以下部分均VEE代替-5V电源端)的工作电压； 同理当U5的Vin和GND之间接入24V的电压时，U6的+Vout向外提供+24V(24V相对GND 端)的电压；采用DC-DC芯片后可将蓄电池的24V电源转变为稳定的+5V、-5V和+24V电 压，为整个装置的电子元件提供可靠的工作电压，并具有很强的干扰能力；当Sl开断时，整 个装置便关闭。图3为高压直流电源模块电路原理图，该电路由继电器开关U0、多路开关选择器 U1、分压电阻R1、R2以及高压直流电源依次串联组成，且Rl与R2的阻值大小之比为1 1。 当测试开始时，单片机PO. O向UO发送高电平信号后UO闭合(单片机PO. O向UO发送低电 平信号则继电器开断)使通路LO与通路Ll导通；然后PO. 1与PO. 2向Ul发送选路导通信 号，当PO. 1 = 0，PO. 2 = O时，选择通路Ll与通路L2导通，此时高压直流电源的Vin与G 两端电压为24V，此时高压直流电源输出电压为5000V ；当PO. 1 = 0，PO. 2 = 1时，通路Ll 与通路L3导通，Vin与G两端电压为12V，此时高压直流电源输出电压为2500V ；通过该模 块可由单片机PO. O、PO. 1、PO. 2对高压直流电源进行开、关、以及输出电压的控制。图4为信号采集电路电路原理图，其包括I/V转换电路、放大电路、A/D转换电路 组成；其中Ι/ν转换电路由R3构成；放大电路由差分放大器U2构成；电压基准芯片U3与
6A/D转换芯片U4的REF IN+引脚相接以及时钟电路组成A/D转换电路，其中时钟电路由A/ D转换芯片MCLK IN脚与晶振芯片Y1、电容C10、C11以及A/D转换芯片MCLK OUT脚依次串 联组成。图4中U4芯片的各引脚接线如下AIN+接入图4中所述差分放大器输出端Uout， AIN-接地，而接入单片机P2. 0 口，斤接入单片机P2. 1 口，Data_0ut接入单片机P2. 2 口， Data_In接入单片机P2. 3 口，SCLK接入单片机P2. 4 口，；^接入单片机P2. 5 口。I/V转换、放大电路工作原理如下通过在测试回路串联一个采样电阻R3可以将 测试回路中电流信号I转换成电阻R3两端的电压信号Uin+、Uin-(UR = Uin+-Uin-)，并分 别将Uin+、Uin-传送至差分放大器U2的+、_端，此时差分放大器对该信号进行处理后得 到放大后的信号KUR，并由放大器输出口 UOUT将信号KUR传入A/D转换电路中进行数模转 换。A/D转换电路工作原理如下由图4中的Uout传送的数据接入AIN+从而传入U4 中进行A/D转换；当单片机P2. 1 口发出低电平信号时，U4开始工作，接受由单片机P2. 3 口 发送的A/D转换控制信号以及单片机P2. 4 口发送的串行时钟信号，根据控制信号对AIN+ 口数据进行相应的A/D转换，此时改输出变为高电平，待A/D转换完成后，U4通过改向单 片机P2. 0 口发送低电平信号，表示当前A/D转换有效，单片机根据P2. 0 口接收的低电平信 号通过P2. 3 口向U4发送读取控制信号，U4接收到由P2. 3发出的读取控制信号后，由Data_ Out向单片机P2. 2 口发送A/D转换数据，单片机接收完U4传送的A/D转换信号后由P2. 1 口向U4发送高电平信号，使U4停止工作，至此，一次A/D转换工作完成；若单片机读取数据 有误或无法读取到数据时，由单片机的P2. 5 口发出低电平信号控制A/D转换器U4重新初 始化设置，并重复上述步骤进行A/D转换。图5所示为本发明装置的单片机及其控制电路原理图，由UO(为图3中所示继电 器)、Ul (为图3中所示多路开关选择器)、U4 (为图4中所示A/D转换器)、U7 (为键盘控 制电路)、U8 (为语音及播放电路)、U9 (为LCD液晶显示电路)，其中UO接入单片机P0. 0， Ul接入单片机P0. 2、P0. 1 口，U4接入单片机P2. 0至P2. 5 口，U7接入单片机P0. 3至P0. 6 口，U8接入单片机Pl. 0至Pl. 3 口，U9接入单片机P5. 0至P5. 7以及P4. 0至P4. 3 口。其 具体工作原理如下当本发明装置电源开关打开后，测试人员通过U7对测试项目、测试电 压进行操作后，由U7将测试人员的操作指令通过P3. 0 P3. 3 口传输至单片机中，单片机 通过所接收到的数据通过Pl. 0 Pl. 1向Ul传输控制信号选择高压直流电源的输出电压， 然后由P0. 0向UO传输信号使高压直流电源开始工作向外界提供所选择档位的直流高压； 然后由I/V转换电路采集电压信号UR，然后将该UR信号传输至差分放大器U2进行放大处 理，然后经放大处理后的信号为KUR，此时单片机通过控制P2. 0 P2. 5 口的输出量控制A/ D转换器U4工作，使得信号KUR经过模数转换后变为KU' κ，并由A/D电路将该信号传送至 单片机中，单片机对该数据进行计算后，将数据结果传输给U8和U9，从而进行语音播放和 显示输出的功能，然后通过提示测试人员是否进行数据存储；当测试人员选择数据存储后， 单片机将本次测试项目、结果等数据存储在存储器中，方便以后调出查阅，若不进行数据存 储则通过向UO发送数据关闭高压直流电源，等待测试人员进行下一步测试。
权利要求
1.一种智能多功能高压兆欧表，包括高压直流电源模块、DC-DC模块、信号采集电路和 单片机控制处理系统；高压直流电源模块的电压输出正端、信号采集电路、被试设备以及高 压直流电源模块的电压输出负端依次连接组成测试回路，信号采集电路将信号由信号采集 电路的输出端传送至用以完成计算以及显示、语音输出的单片机控制处理系统中，其特征 在于所述高压直流电源模块的输出电压由单片机控制处理系统控制多路开关选择分压电 阻调整高压直流电源的驱动电压，从而控制高压直流电源模块的输出电压。
2.根据权利要求1所述的智能多功能高压兆欧表，其特征在于所述高压直流电源模 块主要由高压直流电源依次与继电器U0、多路开关选择器U1、分压电阻R1、R2串联组成，其 中分压电阻Rl与R2的阻值之比为1 1。
3.根据权利要求1所述的智能多功能高压兆欧表，其特征在于所述DC-DC模块包括 DC-DC 二稳压芯片U5、U6以及开关Si、蓄电池；所述二稳压芯片U5、U6的Vin引脚与开关 Sl相连并通过开关Sl连接至蓄电池正极，二稳压芯片U5、U6的GND引脚与蓄电池负极连 接。
4.根据权利要求1所述的智能多功能高压兆欧表，其特征在于所述信号采集电路包 括I/V转换电路、放大电路U2和A/D转换电路；通过串联于回路中的I/V转换电路将测试 信号通过I/V转换电路两端输出至放大电路U2中的正、负输入级，然后由放大电路U2的输 出端Vout将信号传输至A/D转换电路中的A/D转换器U4的AIN+端。
5.根据权利要求1所述的智能多功能高压兆欧表，其特征在于所述单片机控制处理 系统包括继电器U0、多路开关选择器U1、A/D转换器U4、键盘控制电路U7、语音及播放电路 U8、IXD液晶显示电路U9和单片机芯片MPU ；其中继电器UO接入单片机芯片的PO. 0，多路 开关选择器Ul接入单片机芯片的P0. 2、P0. 1 口，A/D转换器U4接入单片机芯片的P2. 0至 P2. 5 口，键盘控制电路U7接入单片机芯片的P0. 3至P0. 6 口，语音及播放电路U8接入单片 机芯片的Pl. 0至Pl. 3 口，IXD液晶显示电路U9接入单片机芯片的P5. 0至P5. 7以及P4. 0 至 P4. 3 □。
全文摘要
本发明公开了一种智能多功能高压兆欧表，它包括高压直流电源模块、DC-DC模块、信号采集电路、单片机控制处理系统。高压直流电源模块的电压输出正端、信号采集电路、被试设备以及高压直流电源模块的电压输出负端依次连接组成测试回路，信号采集电路将信号由信号采集电路的输出端传送至用以完成计算以及显示、语音输出的单片机控制处理系统中，其特点是高压直流电源模块的输出电压由单片机控制多路开关选择分压电阻调整高压直流电源的驱动电压，从而控制高压直流电源模块的输出电压。本发明解决了目前兆欧表功能单一，特别是因人工读数误差造成不能准确测量被试设备的吸收比和极化指数等问题。适用范围广、数据处理直观、精确度高，实现了智能化测量，有推广应用价值。
文档编号G01R31/12GK102004189SQ20101055170
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者刘卫华, 刘源, 张东, 李景禄, 李青山, 程凤鸣, 陶凤源 申请人:河南省电力公司漯河供电公司, 漯河汇力科技有限公司