基于MSP430的絕緣電阻測量系統設計

蔣久芳

摘 要

目前，對電氣設備的絕緣電阻測試的儀表主要是機械式的兆歐表，該類型的兆歐表測試電壓單一、量程低、精度低。本系統以單片機為控制核心，控制高壓穩壓源模塊根據絕緣電阻的阻值輸出相對應的高壓值，高壓加在被測電阻和采樣標準電阻上，通過A/D轉換將采樣電阻的電壓轉換成數字量，然后送給單片機處理并讓液晶顯示測量結果。通過實際測試驗證，該絕緣電阻測試儀具有較高的測量范圍和測量精度。

關鍵詞

絕緣電阻;兆歐表;單片機

中圖分類號： TM934? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.016

Abstract

At present，the instruments for testing the insulation resistance of electrical equipment are mainly mechanical megohmmeters.This type of megohmmeter has a single test voltage，low range and low accuracy.This system uses the single chip microcomputer as the control core，and controls the high voltage regulator source module to output high voltages of different gears according to the insulation resistance.Converted into digital quantity，and then sent to the single-chip microcomputer for processing and let the LCD display the measurement results.Through actual test verification，the insulation resistance tester has a higher measurement range and measurement accuracy.

Key Words

Insulation resistance;Megohmmeter;Single chip microcomputer

1 緒論

電氣設備主要是由絕緣材料、導電材料等構成的[1]。隨著社會的進步和科學技術的發展，電氣設備在各個領域中扮演著重要的角色，其絕緣性的好壞往往決定整個電氣設備的壽命，當其絕緣性受到破壞時，可能會導致設備不能正常工作、甚至引起火災、人員傷亡等嚴重后果，嚴重損壞企業的經濟利益和威脅工作人員的人身安全。因此，為了更加準確可靠的測量電氣設備的絕緣性的好壞，及時發現絕緣性隱患從而避免事故的發生，必須不斷研究先進的絕緣電阻檢測技術，開發出測量范圍更廣的、精度更高的絕緣電阻測試儀，這具有極其重要的意義[2][3]。

絕緣電阻是由絕緣物質組成的電阻，絕緣物質在強度大的電壓下，可能會使其被擊穿從而喪失絕緣性。因此，電氣設備的絕緣選擇必須要與電壓等級相配合以及與使用環境相適應，以保證絕緣的安全作用[4][5]。絕緣電阻在高壓的作用下，此時絕緣電阻可能會產生泄漏電流、吸收電流和電容充電電流[6]。吸收電流和電容充電電流會隨著時間會逐漸消失，然而，漏電電流則會一直存在。因為漏電電流一直存在，所以要想測量絕緣電阻的大小，必須測量漏電電流的大小。絕緣電阻是對電氣設備的最基本的絕緣指標，測量出來的電阻的大小，直接關系著設備的安全性，或者設備使用者的安全性[7][8]。

2 系統硬件設計

本系統的設計方案是以單片機MSP430為控制核心，控制高壓穩壓源模塊根據絕緣電阻的阻值輸出相對應的高壓值，高壓加在被測電阻和采樣標準電阻上，通過A/D轉換將采樣電阻的電壓轉換成數字量，然后送給單片機處理并讓液晶顯示測量的數據結果。其系統的總體框圖如圖1所示。

2.1 高頻高壓穩壓源的設計

高頻高壓穩壓源模塊是絕緣性測試中重要的模塊之一，如圖2所示為高頻高壓穩壓源原理框圖。主要包含以下幾個模塊。

（1）PWM控制電路，根據絕緣性測試的需要形成相應的、具有一定占空比的脈沖波。

（2）功率驅動電路與高頻變壓器，利用場效應管的開關特性，將電能從變壓器的原線圈傳到副線圈。

（3）倍壓整流電路，將變壓器副線圈上的交流電壓轉換為直流電壓。

（4）輸出電壓反饋電路，將輸出電壓反饋給PWM形成與控制電路從而調節脈沖的占空比使系統輸出穩定的高的直流電壓。

2.2 電阻分壓電路

如圖3為電阻分壓電路，其中電阻R116、R116_1、R117、R 117_1、R118、R118_1為標準的采樣電阻，他們分別與被測絕緣電阻進行串聯，從而實現電阻分壓。因為ADS1110最大的輸入電壓為-2.048V至+2.048V，所以采樣電阻上的采樣電壓的范圍為10mV-2V。

2.3 信號采集電路

本文設計的絕緣電阻測試儀最大測量阻值為5GΩ，最大的測試電壓是1000V，那么最小的測試電流為20μA。為了滿足采樣電路的需要，則系統中的最大采樣電阻為10mV/20μA =50kΩ，所以采樣電阻的阻值分別為0.5kΩ、5kΩ、50kΩ，并且為了提高系統的精度用兩個電阻并聯得出采樣電阻的阻值。信號采集電路如圖4所示。

2.4 A/D轉換電路

如圖5為ADS1110的電路原理圖，采樣電壓首先經過電壓跟隨器，才進入ADS1110的電壓輸入端，這是因為ADS1110內部的可編程增益放大器的輸入阻抗很低，采樣電壓直接接入 ADS1110的電壓輸入端時，這會增大A/D轉換的轉換誤差。因此，采樣電壓經過具有高輸入阻抗的電壓跟隨器，可以減少轉換誤差從而提高測量精度。

3 絕緣性的測試與分析

本系統進行絕緣電阻測量校準時，主要使用了校準儀器ZX79F型兆歐表標準電阻器。它所能承受最大的測試電壓為5000V、量程為100Ω～100GΩ、精度為0.5%，而本文設計的絕緣電阻測試儀的最大輸出的測試電壓為1000V、測量范圍為10MΩ～5GΩ、精度為5%，所以它可以作為本系統進行絕緣行測試的校準儀器。通過對ZX79F型兆歐表標準電阻器上的電阻進行測量來驗證本系統的絕緣性測試性能是否符合要求本文最初的設計指標。它的測量數據如表1所示：

由表1可知，本系統的測量結果相對誤差在2%以內。存在誤差的原因主要有：

（1）系統設計的高頻高壓穩壓源輸出的電壓不夠穩定。

（2）系統使用的采樣電阻的精度不夠高。

（3）ZX79F型兆歐表標準電阻器中的電阻本身就存在誤差。為了減少誤差，應該使用更高精度的標準儀器，同時優化系統的硬件設計和軟件設計。

4 結論

對電氣設備進行絕緣電阻值測量是檢查電氣設備是否存在缺陷，為電氣設備的正運行和工作人員的人身安全提供了可靠的保證。本系統以MSP430F437為控制核心，搭建絕緣電阻測試儀硬件平臺，實現對絕緣電阻10MΩ～5GΩ的測量，并且測量誤差在2%之內，與傳統的兆歐表相比，該絕緣電阻測試儀具有自動化測量、精度高、量程廣等優點。

參考文獻

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