Устройство для измерения сопротивления изоляции

Авторы патента:

Гольдштейн Александр Ефремович (RU)

Ермошин Николай Иванович (RU)

Якимов Евгений Валерьевич (RU)

G01R31/02 - испытание электрической аппаратуры, линий и элементов на короткое замыкание, обрыв, утечку или неправильное соединение

G01R27/18 - для измерения сопротивления на землю

G01R27/02 - для измерения активного, реактивного и полного сопротивления или других производных от них характеристик, двухполюсника, например постоянной времени (для измерения только фазового угла G01R 25/00)

Владельцы патента RU 2698505:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области измерения электрических величин, а именно к электроизмерительной технике, и может быть использовано для измерения сопротивления изоляции кабелей, конденсаторов и других объектов. Устройство для измерения сопротивления изоляции содержит источник опорного напряжения, к которому подключен один вывод измеряемого сопротивления изоляции, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Один вывод первого конденсатора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Второй вывод первого конденсатора связан с выходом операционного усилителя и входом первого фильтра низких частот. Один вывод первого образцового резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Второй вывод первого образцового резистора подключен к выходу первого фильтра низких частот. Антенна подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя. Один вывод второго конденсатора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод второго конденсатора связан с выходом второго операционного усилителя и входом второго фильтра низких частот. Один вывод второго образцового резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод второго образцового резистора связан с выходом второго фильтра низких частот. Выходы первого и второго фильтров низких частот соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с микроконтроллером, к которому подключен индикатор. Источник опорного напряжения, первый и второй операционные усилители, первый и второй фильтры низких частот соединены с общим проводом. Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает повышение точности измерения сопротивления изоляции вследствие подавления помех низкой частоты. 3 ил.

Изобретение относится к области измерения электрических величин, а именно электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивления изоляции кабелей, конденсаторов и других объектов.

Известно устройство для измерения сопротивления изоляции и постоянной времени конденсатора [SU 330402 А, МПК G01R27/00, опубл. 22.11.1972], содержащее операционный интегрирующий усилитель с конденсатором в цепи обратной связи, источник постоянного напряжения и измеритель времени. Один ключ включен на входе усилителя, а другой ключ – в цепи обратной связи параллельно конденсатору обратной связи, причем оба ключа сблокированы между собой.

Известно устройство для измерения сопротивления изоляции [Измерения в электронике. Справочник. / Под ред. Кузнецова В.А.– М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.196],содержащее источник опорного напряжения, операционный усилитель, в цепь обратной связи которого включен образцовый резистор, измеряемый резистор, подключенный к источнику опорного напряжения и к инвертирующему входу операционного усилителя, причем неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим проводом схемы.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является тераомметр для контроля изоляции кабелей [Исследование, разработка и применение методов защиты от помех преобразователей больших сопротивлений, применяемых при контроле изоляции кабельных изделий: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : спец. 05.11.13 / Е. В. Якимов; Томский политехнический университет; науч. рук. В. К. Жуков. — Защищена 02.03.2004 г. — Томск: 2003 – C.88], содержащий источник опорного напряжения, измеряемое сопротивление изоляции, преобразователь сопротивления в напряжение, инвертор полярности напряжения, выход которого соединен со входом первого канала аналого-цифрового преобразователя. Вход масштабного преобразователя присоединен к источнику опорного напряжения, а выход ко входу второго канала аналого-цифрового преобразователя. Устройство управления соединено с двумя ключами, регистровой памятью и с двумя счетчиками импульсов. Первый вывод первого ключа подключен к общему проводу устройства, а второй – к первому выводу измеряемого сопротивления изоляции. Первый вывод второго ключа присоединен к второму выводу измеряемого сопротивления изоляции и к входу преобразователя сопротивления в напряжения. Второй вывод второго ключа подключен к общему проводу устройства. Выход преобразователя сопротивления в напряжение соединен со входом инвертора полярности напряжения. К входам первого и второго счетчиков импульсов подключен генератор. Выход первого счетчика импульсов соединен с первым цифровым индикатором, а выход второго счетчика импульсов подключен к устройству управления. Выход аналого-цифрового преобразователя подключен ко входу регистровой памяти, выход которой связан с вторым цифровым индикатором.

Недостатком устройства является плохое подавление помех низкой частоты (десятые доли – единицы Гц), вследствие чего наблюдается дополнительная погрешность измерения.

Технический результат предложенного изобретения заключается в повышении точности результатов измерений.

Устройство для измерения сопротивления изоляции, также как в прототипе, содержит источник опорного напряжения, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор.

Согласно изобретению выход источника опорного напряжения предназначен для подключения к одному выводу измеряемого сопротивления изоляции, а инвертирующий вход первого операционного усилителя предназначен для подключения к второму выводу измеряемого сопротивления изоляции. Один вывод первого конденсатора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Второй вывод первого конденсатора связан с выходом операционного усилителя и входом первого фильтра низких частот. Один вывод первого образцового резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. Второй вывод первого образцового резистора подключен к выходу первого фильтра низких частот. Антенна подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя. Один вывод второго конденсатора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод второго конденсатора связан с выходом второго операционного усилителя и входом второго фильтра низких частот. Один вывод второго образцового резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод второго образцового резистора связан с выходом второго фильтра низких частот. Выходы первого и второго фильтров низких частот соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с микроконтроллером, к которому подключен индикатор. Источник опорного напряжения, первый и второй операционные усилители, первый и второй фильтры низких частот соединены с общим проводом.

Предлагаемое устройство за счет повышения помехоустойчивости к низкочастотным электрическим полям обеспечивает увеличение точности результатов измерений сопротивления изоляции.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для измерения сопротивления изоляции.

На фиг. 2 представлена зависимость падения напряжения на измеряемом сопротивлении изоляции (1 ТОм) от времени при определении сопротивления изоляции устройством-прототипом

На фиг. 3 представлена зависимость падения напряжения на измеряемом сопротивлении изоляции (1 ТОм) от времени при определении сопротивления изоляции предлагаемым устройством.

Устройство для измерения сопротивления изоляции содержит источник опорного напряжения 1,к которому подключен вывод измеряемого сопротивления изоляции 2,второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя3.Один вывод конденсатора 4 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя3, а второй вывод – с выходом операционного усилителя3 и входом первого фильтра низких частот5 (ФНЧ1).Один вывод первого образцового резистора6 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя3, а второй вывод – с выходом фильтра низких частот5 (ФНЧ1).

Антенна7 подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя 8. Один вывод второго конденсатора9 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя8, а второй вывод – с выходом второго операционного усилителя8 и входом второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2).Один вывод второго образцового резистора 11 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя8, а второй вывод – с выходом второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2).Выходы первого фильтра низких частот 5(ФНЧ1) и второго фильтра низких частот 10(ФНЧ2) соединены со входами аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП), выход которого соединен с микроконтроллером 13 (МК), к которому подключен индикатор 14 (Инд).

Источник опорного напряжения 1, первый операционный усилитель 3, первый фильтр низких частот 5 (ФНЧ1), второй операционный усилитель 8, второй фильтр низких частот 10 (ФНЧ2) соединены с общим проводом устройства.

Источником опорного напряжения 1 может служить стабилизатор напряжения, в котором стабилитрон включен последовательно с балластным резистором, имеющим постоянное сопротивление, и параллельно с нагрузкой [Трейстер Р., Мейо Дж. 44 источника электропитания для любительских электронных устройств: пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1990. -С. 112.].В качестве образцовых резисторов 6 и 11 могут быть использованы прецизионные резисторы в диапазоне от 100 МОм до 100 ГОм с погрешностью не более 2%, а в качестве конденсаторов 4 и 9 – конденсаторы емкостью 50 пФ с погрешностью не более 2%.Операционные усилители 3 и 8 могут быть выполнены в виде интегральной микросхемы операционного усилителя, например AD549.Фильтры низких частот 5(ФНЧ1) и 10(ФНЧ2) можно реализовать в виде двух последовательно соединенных инерционных звеньев первого порядка [Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Изд.2-е – Л.: Энергоатомиздат, 1988. -С. 93].Антенна 7 изготовлена из проводника медной проволоки, и расположена вблизи инвертирующего входа первого операционного усилителя 3.

Устройство работает следующим образом. Источник опорного напряжения 1 и измеряемое сопротивление изоляции 2 образуют искусственный генератор тока. Нагрузкой генератора тока служит образцовый резистор 6, падение напряжения на котором в установившемся режиме равно:

,(1)

где– падение напряжения на измеряемом сопротивлении изоляции;

– измеряемое сопротивление изоляции2;

– сопротивление образцового резистора 6;

– напряжение источника опорного напряжения 1.

Операционный усилитель 3 и конденсатор 4 образуют интегратор, сигнал которого фильтруется от высокочастотной составляющей в первом фильтре низких частот 5 (ФНЧ1), а затем поступает на первый канал аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП).

Антенна 7 улавливает внешнюю помеху, сигнал которой поступает на интегратор, образованный операционным усилителем 8 и конденсатором 9. Далее сигнал фильтруется от высокочастотной составляющей во втором фильтре низких частот 10 (ФНЧ2) и усиливается за счет образцового резистора 11. Затем сигнал поступает на второй канал аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП).

Выходной сигнал первого фильтра низких частот 5 (ФНЧ1) имеет следующий вид:

,(2)

где – амплитуда напряжения помехи промышленной частоты;

– время;

– частота напряжения помехи промышленной частоты;

– фаза напряжения помехи промышленной частоты;

– амплитуда напряжения низкочастотной помехи;

– частота напряжения низкочастотной помехи;

– фаза напряжения низкочастотной помехи.

Выходной сигнал второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2) содержит информацию только о помехе:

, (3)

где –коэффициент, определяющий отношение амплитуды напряжения помехи промышленной частоты первого фильтра низких частот 5 (ФНЧ1) к амплитуде напряжения помехи промышленной частоты второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2);

– коэффициент, определяющий отношение амплитуды напряжения низкочастотной помехи первого фильтра низких частот 5 (ФНЧ1) к амплитуде напряжения низкочастотной помехи второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2);

– амплитуда напряжения помехи промышленной частоты, улавливаемая антенной 7;

– амплитуда напряжения низкочастотной помехи, улавливаемая антенной 7.

Напряжения помех на выходах первого 5 (ФНЧ1) и второго фильтров низких частот 10 (ФНЧ2) имеют одинаковую фазу и частоту, но различную амплитуду, причем на разных пределах измерения сопротивления изоляции коэффициенты и не являются постоянными. Оцифрованные аналого-цифровым преобразователем 12(АЦП) сигналы поступают в микроконтроллер13 (МК), в котором происходит определение коэффициентов, и вычитание выходного сигнала второго фильтра низких частот 10 (ФНЧ2) (3) из выходного сигнала первого фильтра низких частот 5 (ФНЧ1) (2), в результате чего определяют значение падения напряжения на измеряемом сопротивлении изоляции и по формуле (1) вычисляют сопротивление изоляции , значение которого выводится на индикатор 14 (Инд.).

Для определения отношения сигнал/шум [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.2. Пер. с англ. – 4-е изд., перераб. и доп. – М: Мир, 1993. – с. 51.]:

, (4)

где – эффективное значение напряжения полезного сигнала;

– эффективное значение напряжения шума;

во время измерения изоляцию кабеля КПК-5/18подвергали воздействию электрического поля с частотой напряжения 2 Гц и амплитудой напряжения 300 В, а также присутствовала помеха промышленной частоты (50 Гц). Данным образом производили имитацию помехи.

Согласно (4) отношение сигнал/шум устройства-прототипа при измерении сопротивления изоляции кабеля КПК-5/18 (1ТОм)было равно 11 дБ (фиг. 2), тогда как отношение сигнал/шум предлагаемого устройства составило 29 дБ (фиг. 3).

Таким образом, предлагаемое устройство, обеспечивает лучшую помехоустойчивость при измерении сопротивления изоляции, чем прототип.

Устройство для измерения сопротивления изоляции, содержащее источник опорного напряжения, аналого-цифровой преобразователь и индикатор, отличающееся тем, что выход источника опорного напряжения предназначен для подключения к одному выводу измеряемого сопротивления изоляции, а инвертирующий вход первого операционного усилителя – для соединения со вторым выводом измеряемого сопротивления изоляции, один вывод первого конденсатора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вывод первого конденсатора связан с выходом первого операционного усилителя и входом первого фильтра низких частот, один вывод первого образцового резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вывод первого образцового резистора подключен к выходу первого фильтра низких частот, при этом антенна подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя, один вывод второго конденсатора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод второго конденсатора связан с выходом второго операционного усилителя и входом второго фильтра низких частот, один вывод второго образцового резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод второго образцового резистора связан с выходом второго фильтра низких частот, выходы первого и второго фильтров низких частот соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с микроконтроллером, к которому подключен индикатор, причем с общим проводом соединены источник опорного напряжения, первый и второй операционные усилители, первый и второй фильтры низких частот.

Изобретение относится к подаче электроэнергии к электрическим сетям, контактирующим с токоприемниками транспортных средств. Способ мгновенного автоматического повторного включения для выключателей фидеров контактной сети на тяговых подстанциях и постах секционирования, подразумевающий использование цифрового терминала защит фидеров контактной сети постоянного тока, с помощью которого реализуют цикл мгновенного автоматического повторного включения (МАПВ).

Способ контроля протяженных многожильных кабелей // 2694170

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к контролю качества протяженных многожильных кабелей сложных технических систем, включая системы вооружения и военной техники.

Система и способ для мониторинга и управления электрическими устройствами // 2693012

Использование: в области электротехники для мониторинга и управления электрическими устройствами. Технический результат – возможность мониторинга и управления электрическими устройствами при соединении их между собой одним кабелем.

Устройство контроля электрических цепей сложных технических изделий // 2692114

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. Устройство содержит портативный компьютер с введенными в его память частными таблицами электрических соединений объекта контроля и программой управления процессом контроля электрических цепей с использованием частных таблиц электрических соединений.

Устройство для дистанционного отключения поврежденного участка электрической цепи // 2691738

Использование: в области электротехники и электроэнергетики для управления электрическими сетями при аварийных ситуациях. Техническим результатом является повышение надежности функционирования отключающего аппарата и упрощение процедуры его воздействия на исполнительный механизм.

Устройство мониторинга состояния кабеля // 2690515

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прогнозирования времени короткого замыкания силового кабеля определением сопротивления его изоляции.

Устройство автоматизации поста секционирования контактной сети переменного тока на разъединителях // 2690225

Изобретение относится к устройствам электроснабжения железнодорожного транспорта, и в частности, к электроснабжению постов секционирования контактной сети переменного тока.

Способ контроля системы электрообогрева промышленных объектов // 2690087

Изобретение относится к средствам контроля параметров промышленных объектов - трубопроводов, цистерн и других полых промышленных объектов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности.

Автоматизированное устройство контроля протяженных многожильных кабелей // 2688946

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к устройствам и способам контроля электрических цепей протяженных многожильных кабелей, используемых для соединения удаленных друг от друга автономных составных частей сложных технических систем (СТС), включая системы вооружений и военной техники.

Способ мониторинга в режиме реального времени рабочего состояния емкостного датчика // 2686522

Изобретение относится к способу мониторинга в режиме реального времени рабочего состояния емкостного датчика. Оно находит свое применение, представляющее особый интерес, но не единственное, в измерении хода лопаток в ротационной машине или в турбомашине, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель самолета или, например, турбина электрогенератора.

Способ измерения сопротивления изоляционного покрытия трубопровода // 2697009

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для оценки сопротивления изоляционного покрытия подземных трубопроводов в процессе их электрометрического обследования.

Мобильный комплекс для измерения электрических параметров земли для заземляющих устройств электроустановок // 2675075

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к строительству воздушных линий электропередачи и заземляющих устройств. Мобильный комплекс для измерения электрических параметров земли для заземляющих устройств электроустановок содержит буровую машину с металлической рамой, на которой расположена кабина, механизм для погружения, винтовой анкер в виде штока с буровой головкой, измерительный элемент.

Способ диагностики состояния цепей заземления на рельсы опор контактной сети // 2671590

Изобретение относится к области диагностики на железнодорожном транспорте для проверки состояния цепей заземления. В способе измеряют падение напряжения на отрезке рельса такой же длины с другой стороны от места подключения к рельсу цепи заземления.

Способ контроля сопротивлений изоляции электрической сети постоянного тока и устройство для его осуществления // 2670722

Группа изобретений относится к электроизмерительной технике и релейной защите изолированных систем электроснабжения, в частности к электробезопасности процесса зарядки тяговых батарей электромобиля.

Способ для измерения сопротивления изоляции в незаземленной электрической сети постоянного тока и для локализации замыкания на землю и двухполюсное устройство ввода тока // 2666803

Изобретение относится к измерению сопротивления изоляции в незаземленной электрической сети постоянного тока и локализации замыкания на землю. Сущность: двухполюсное устройство (12) ввода тока включают между отрицательным выводом (2) сети и заземляющим выводом (8) или между заземляющим выводом (8) и положительным выводом (3) сети.

Способ оценки импеданса электрической связи с землей, способ оценки и соответствующая система питания // 2657867

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение возможности оценивать импеданс провода заземления нескольких электрических установок, подключенных к одной сети без дополнительных токов утечки.

Устройство для контроля и измерения сопротивления изоляции // 2654917

Изобретение относится к электрическим измерениям, а именно к измерениям сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение быстродействия и расширение функциональной возможности.

Комплекс мониторинга систем постоянного оперативного тока // 2653699

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей комплекса.

Способ автоматического контроля изоляции источников постоянного тока относительно корпуса и относительно друг друга и устройство для его реализации // 2647218

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к автоматизированным системам контроля, и применяется для контроля сопротивления изоляции шин питания гальванически развязанных источников постоянного тока относительно корпуса и между собой.

Способ и устройство контроля изоляции системы электроснабжения с изолированной нейтралью // 2644626

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля сопротивления изоляции многофазных разветвленных сетей переменного тока с изолированной нейтралью, находящихся под напряжением.

Способ определения параметров полного сопротивления двухполюсника и устройство для его осуществления // 2698072

Изобретения относятся к электроизмерительной технике, а именно к измерению активного, реактивного и полного сопротивления двухполюсника, и могут быть использованы для измерения параметров пассивных электрических цепей.