一种高绝缘电阻测试仪的设计

秦德满，李 勇，吴长雷，丁俊超，浦 黎

（中广核核电运营有限公司 广东 深圳 518124）

一种高绝缘电阻测试仪的设计

秦德满，李 勇，吴长雷，丁俊超，浦 黎

（中广核核电运营有限公司 广东 深圳 518124）

绝缘电阻测试仪是电工测试的重要仪表，目前国内的高绝缘值电阻测量仪表设计还是空白。本文提出了一款基于微电流检测的绝缘电阻测试仪的设计方案。该方案将电阻的检测范围提升到TΩ，并且具有良好的准确性和实时性。

绝缘电阻，电流，微处理器，绝缘仪

绝缘电阻是电工测量的一个重要电气参数，目前该参数的测量仪表主要为摇表和兆欧表。该类仪表由于结构简单，性能稳定而被广泛应用，但是量程范围一般小于1GΩ。该类仪表主要是测量采样电阻上的分压来反推被测电阻值的，采样电阻以及前置放大器的输入阻抗及放大倍数影响了电阻测量的量程和准确性。在一些测量更高绝缘电阻的场合，该类仪表无法满足。文中设计一款可以在500 V时测量到1TΩ的绝缘电阻测量仪表。该仪表通过测量流过被测电阻的电流来计算绝缘电阻，该方法摆脱了采样电阻的局限，大大提升了绝缘电阻的测量范围。电压；EEPROM存储校准信息及参数信息；校准电路自动修正电流放大回路的偏差；温湿度模块监视设备的温度和湿度情况，在湿度过高和温度过高时微处理器禁止高压输出；人机接口提供便利的人机操作界面。

图1 系统硬件结构图Fig.1 Hardware architecture of system

1 系统设计

本方案包括硬件设计和软件设计2个部分。硬件设计包括高压模块的设计、检测回路的设计以及人机接口等部分；软件设计主要包括自检软件、校准软件、测试软件和滤波算法等。系统正常工作时软件控制高压模块输出高压、采集高压值和电流值并对其滤波、将滤波后的数据计算出修正后的数据、再根据伏安法计算出电阻值。

2 硬件设计

绝缘电阻测试仪结构图如图1所示，直流高压电源产生绝缘测试所需的高压；高压通过被测电阻后变成电流信号；电流放大器将微弱电流放大至A/D转换器可以采集的信号范围；微控制器根据采集到直流高压值和电流值计算出绝缘电阻值；A/D转换器自身带的电压基准为校准电路提供参考

系统正常运行时，微控制根据人机接口的输入信息控制高压模块的高压输出值；通过A/D转换器读取高压的输出值以及电流值；根据EEPROM中的修正数据对高压值和电流值进行修正；通过修正后的电压值和电流值计算出绝缘电阻值。

2.1 微控制器

本设计采用ATMEL公司的ATMEGA64作为微处理器。该处理器为RISC结构，具有64KB程序存储器、4KB数据存储器、2KBEEPROM、53个IO端口并且具有丰富的外设接口。该处理器的最高运行频率为16 MHz，最高具有16MIPS的处理能力，可以在线编程并具有JTAG接口用于仿真。

2.2 直流高压电源

直流高压电源为测试电路提供高压源。为了通过程序灵活的控制高压电源的输出，采用微处理器的PWM端口控制开关管的通断、通过A/D采集高压电源的输出、根据A/D采集值与设定值之间的偏差设置PWM输出的占空比。

直流高压电源模块的电路图如图2所示，高压模块的供电电源为12 V、变压器的线圈匝数比为1:250，初级线圈为4圈，次级线圈为1 000圈、PWM_HV为PWM信号的输入端口、HV_OUTPUT为高压输出端口、HV_AD为高压输出的反馈信号，送往A/D采集。

图2 直流高压电源电路Fig.2 Circuit of DC high voltage power supply

微处理器的PWM的时钟为8 MHz，计数周期为256，PWM的信号频率为31.25 kHz。变压器的次级线圈采用的漆包线较细，绝缘层较薄，为了防止匝间击穿，每100圈缠绕一层聚乙烯薄膜。高压输出回路的器件需要选用高耐压值的器件，器件的布局及电路的布局中尽量避免直角或者锐角，防止尖端放电，并远离容易受干扰的电路。

2.3 电流放大器

本设计的目标为500 V高压时，可以检测1TΩ的绝缘电阻。为此我们选用AD549作为前置电流放大器，系统检测电流值低至0.5 nA。AD549为静电计运算放大器，具有极低的漏电流250 fA，常用于微弱电流的前置放大。

前置电流放大器的电路图如图3所示，经过运算放大器将电流信号放大成电压信号。电压与电流的对应关系为。三组MOSFET构成模拟开关，每次只选择一个反馈电阻。不同输入电流下MOSFET的状态、反馈电阻以及输出电压的数值之间的关系如表1所示。

图3 前置电流放大器电路Fig.3 Circuit of pre current amplifier

表1 反馈网络状态表Tab.1 The status table of feedback network

2.4 模数转换

选用24 bit的ADS1211作为模数转换器件。该器件具有4路差分模数转换通道，并且带有25 ppm/℃的电压基准。选用该器件的第一通道为零点检测、第二通道为5 V满量程电压检测、第三通道为高压值检测、第四通道为放大后的电流检测。

2.5 校准电路

校准电路是一个可控的电流源，该电流源可以产生1 mA、10 μA、10 nA、1 nA四个电流值。该电流值恰好处于量程切换点，可以校准高量程的零点和低量程的满量程值。

2.6 人机接口

采用128X64液晶作为显示界面，配有测试、背光、电压选择等按键便于操作，为了便于与其他系统通信还配有红外串口。

3 软件设计

系统软件根据运行时的状态不同可以分为自检程序、校准软件和测试软件。系统启动时首先执行自检程序，当自检通过后方可进入系统程序，如果自检不通过则显示自检错误信息；在需要对系统进行校准时，运行校准程序，重新校准各量程的零点和满量程点；系统正常运行时执行测试程序，主要完成高压的输出控制、电流的采集并计算测量出来的绝缘电阻值。

图4 模数转换电路Fig.4 Circuit of analog to digital conversion

3.1 自检程序

系统自检时主要检测系统各功能模块的运行情况，在相关模块出现故障时显示报警信息。主要测试内容包括电池电压、高压模块、电流测量回路、AD采样零点及满量程测试。单片机采样自带的AD端口采集电池的电压，当电压低于报警值则显示报警信息；单片机控制高压模块输出20 V的电压值，等待2 s后采集高压的电压值，如果电压值正常则高压模块正常，否则显示高压模块异常信息；单片机控制注入电流测试信号，采集放大后的电流值，如果两个数值满足误差要求则自检通过，否则显示电流放大模块异常信息；单片机控制AD模块采集1、2通道，将采集值作为零点和满量程的测量值。

3.2 校准软件

校准软件执行流程如图5所示，运行该程序后将3个反馈电阻的零点和满量程点的数值做了记录。在得到一个测量值时就可以根据这些数据得到校准后的电流值。

在小于100 nA范围的电流时，反馈电阻为50 MΩ。测得数值，修正后的电流值单位为nA，则两者的关系满足：

在100 nA～10 μA范围的电流时，反馈电阻为500 kΩ。测量值测得数值，修正后的电流值I2单位为nA，则两者的关系满足：

图5 校准流程图Fig.5 Flowchart of calibration

在10 μA～1 mA范围的电流时，反馈电阻为5 kΩ。测量值测得数值，修正后的电流值I3单位为μA，则两者的关系满足：

3.3 测试软件及滤波算法

测试软件主要完成绝缘电阻的测试功能。根据按键的设定值控制高压输出；同时采集高压电压值和电流值；将这两个数值做滤波处理；将滤波后的电流采集值做修正，得到修正后的电流值；根据高压的电压值和修正后的电流值计算绝缘电阻值。

当测量大阻值电阻时，系统采集到的电流信号会含有大量噪声，有用信号甚至被噪声所掩盖。为了提取有用信号，必须将噪声滤除。为此选择卡尔曼滤波器对采集的电流和高压值做处理；当被测电阻阻值足够大时，电阻会呈现一定的电容特性；测量时的环境湿度会影响测量值，而且测量时间对测量结果也有一定的影响。一般将测量时间选择15 s或者60 s。

4 试验结果

使用该仪器在不同的环境湿度下对不同阻值的电阻进行测量。测量结果如表2所示，可以看出测量结果一致性较好，湿度对大阻值电阻的影响比较明显。随着湿度的增加，电阻值会有所降低。由此可以看出该绝缘电阻测试仪表具有良好的准确性和一致性。

表2 电阻测量结果表Tab.2 Results table of resistance measurement

5 结束语

本文从提升电阻测量范围出发，采用测量流过被测电阻的电流的方法来测量绝缘电阻，避免采样电阻分压的局限，大幅度提升绝缘仪表的测量量程。在500 V的测量电压下，将电阻测量值提升到1 TΩ。并通过软件校准，提高各量程测量的准确性。经过实际测试表明，该仪器具有良好的准确性和一致性，具有较高的实际应用价值。

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Design of high insulation resistance tester

QIN De-man,LI Yong,WU Chang-lei,DING Jun-chao,PU Li
（China Nuclear Power Operations Co.Ltd，Shenzhen 518124，China）

Insulation resistance tester is an important instrument of electrical test.At present,there is no high insulation resistance instrument was well designed in our country.One design based on micro current detection was proposed in this paper.This scheme improves the resistance detection range to TΩ,and has good accuracy and real-time.

insulation resistance;current;microprocessor；insulation tester

TN98

A

1674－6236（2015）07-0039-04

2014-07-16 稿件编号：201407128

秦德满(1984—)，男，广东深圳人，工程师。研究方向：智能测量仪表、微弱信号检测技术。