Содержание к диссертации
Введение
1 Измерение сопротивления изоляции кабеля 10
1.1 Общие представления об изоляции кабеля 10
1.2 Помехи, возникающие при измерении больших сопротивлений 17
1.3 Классификация методов измерения сопротивления изоляции 19
1.4 Метод вольтметра-амперметра 20
1.5 Метод непосредственной оценки 23
1.5.1 Электромеханические омметры 23
1.5.2 Метод стабилизированного тока в цепи делителя 26
1.5.3 Метод преобразования сопротивления в напряжение 28
1.6 Мостовые методы измерения сопротивления 34
1.7 Метод преобразования сопротивления в интервал времени 37
1.8 Приборы, метод измерения которых неизвестен 42
1.9 Выводы по главе 43
1.10 Постановка задачи 44
2 Исследование и разработка схемотехнических методов защиты преобразователей больших сопротивлений от помех 45
2.1 Виды помех, воздействующих на тераомметры 45
2.2 Исследование воздействия электрической емкости при измерении больших сопротивлений 46
2.2.1 Теоретическое исследование воздействия электрической емкости при измерении больших сопротивлений 46
2.2.2 Экспериментальное исследование воздействия электрической емкости при измерении больших сопротивлений 54
2.3 Оптимизация по быстродействию преобразователей больших
сопротивлений при работе с объектами, имеющими большую емкость 57
2.3.1 Увеличение быстродействия методом введения в инвертирующий операционный усилитель дополнительного образцового резистора 57
2.3.2 Увеличение быстродействия методом введения ключевого элемента в инвертирующий операционный усилитель 61
2.3.3 Экспериментальное исследование методов увеличения быстродействия преобразователей больших сопротивлений при работе с объектами, имеющими большую емкость 65
2.4 Исследование влияния низкочастотных помех 67
2.4.1 Недостатки существующих методов защиты от низкочастотных помех 67
2.4.2 Анализ помехозащищенности преобразователя больших сопротивлений с интегратором в первом каскаде 72
2.4.3 Экспериментальное исследование схемотехнических методов защиты от низкочастотных помех 76
2.5 Выводы 84
3 Разработка и испытания тераомметра для контроля изоляции кабелей ... 87
3.1 Структурная схема тераомметра 87
3.2 Преобразователь сопротивления в напряжение 90
3.3 Линеаризатор и отсчетное устройство тераомметра 95
3.4 Анализ погрешностей измерителя 99
3.5 Разработка конструкции измерителя 101
3.6 Производственные испытания прибора 104
3.7 Выводы по главе 107
Заключение 108
Литература 110
- Помехи, возникающие при измерении больших сопротивлений
- Метод преобразования сопротивления в интервал времени
- Исследование воздействия электрической емкости при измерении больших сопротивлений
- Преобразователь сопротивления в напряжение
Введение к работе
Актуальность работы. Кабельные изделия (кабели, провода, шнуры) являются одними из наиболее широко используемых элементов электротехники и электроники. Контроль качества кабельных изделий производится по многим электрическим и механическим параметрам, и, в том числе, по сопротивлению изоляции.
Основной частью приборов (тераомметров) для измерения сопротивления изоляции являются преобразователи больших сопротивлений [1,2].
Основными характеристиками тераомметров являются верхний предел измерения, точность, рабочее напряжение и время установления показаний. Как правило, для увеличения точности и верхнего предела приходится увеличивать время измерения и рабочее напряжение. Типовые параметры приборов: 105 ТОм при погрешности измерения 10% (прибор ЕК6-7), 100 ТОм при погрешности измерения 10% (прибор Е6-13А), 100 ТОм при погрешности измерения 15% (прибор Ф507). Для большинства приборов время установления на пределах до 100 ТОм не превышает 30 секунд, а рабочее напряжение 100 -1000 В.
Приведенные параметры, однако, относятся только к режиму измерения чисто активного сопротивления. При исследовании сопротивления изоляции кабелей возникают ненормируемые режимы эксплуатации тераомметра, и параметры прибора (быстродействие и точность) могут отличаться от параметров, приведенных в паспорте на прибор. Основной причиной является большая электрическая емкость кабельных изделий.
Кроме того, существенную проблему представляет обеспечение защиты преобразователей больших сопротивлений от внешних помех частотой 50 Гц [3]. Решением данной проблемы, как правило, является экранирование объекта исследования, но для кабелей данное решение не всегда допустимо и удобно.
Анализ технической литературы показал, что данным вопросам уделяется недостаточно внимания. Настоящая работа несет задачу восполнить данные пробелы в области контроля сопротивления изоляции кабелей.
Таким образом, целью диссертационной работы является изучение влияния электрической емкости кабеля и низкочастотных помех на динамические характеристики и погрешность прибора, измеряющего сопротивление изоляции, и разработка методов уменьшения влияния данных факторов. На защиту выносятся следующие положения: схема преобразователя сопротивления тераомметра на основе инвертирующего усилителя с дополнительным образцовым резистором; схема преобразователя сопротивления тераомметра на основе инвертирующего усилителя с ключевым элементом на входе; схема преобразователя сопротивления тераомметра на основе инвертирующего усилителя с интегратором в первом каскаде и ФНЧ во втором; схема защищенного от помех тераомметра для измерения сопротивления изоляции кабеля.
Диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям влияния емкости кабеля и помех переменного тока частотой 50 Гц на динамические характеристики и погрешность преобразователей сопротивления тераомметров, применяемых для контроля сопротивления изоляции кабельных изделий. Научная новизна работы состоит в следующем: проведено исследование влияния электрической емкости кабелей при измерении сопротивления их изоляции различными типами приборов; предложены и экспериментально исследованы методы повышения быстродействия тераомметра при контроле сопротивления изоляции кабелей; проведено экспериментальное исследование влияния внешних помех промышленной частоты при измерении сопротивления изоляции; проведен анализ методов защиты от помех промышленной частоты при измерении сопротивления изоляции; разработан и внедрен на кабельном производстве образец многодиапазонного тераомметра для контроля сопротивления изоляции кабелей.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработаны, изготовлены и настроены два разнотипных варианта многодиапазонных тераомметров, один из тераомметров предназначен для контроля сопротивления изоляции кабелей, а второй использовался при научных исследованиях студентов; результаты и методика теоретических и экспериментальных исследований влияния электрической емкости кабелей и внешних помех неременного тока, могут быть использованы разработчиками тераомметров при создании новых приборов.
Автор диссертации Якимов Е.В. лично и непосредственно выполнил следующие работы: провел теоретическое моделирование и экспериментальную проверку динамики работы преобразователей больших сопротивлений при измерении сопротивления изоляции кабелей; разработал, провел теоретическое исследование и экспериментальную проверку методов увеличения быстродействия тераомметров при измерении сопротивления изоляции кабелей; провел экспериментальное исследование влияния помех переменного тока на преобразователи больших сопротивлений; выполнил эксперимент по анализу параметров преобразователя сопротивления, сочетающего защиту от помех и высокое быстродействие; - разработал электрические схемы и конструкции экспериментальных образцов тераомметров, выполнил их монтаж и настройку.
Все выводы, полученные в результате математического моделирования, проверены и подтверждены путем экспериментальных исследований. Основные научные результаты достаточно полно отражены в опубликованных работах [4-11]. Получены патент на изобретение и свидетельство на полезную модель [8, 9] (Приложения 1 и 2).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
8-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - Москва, МЭИ (ТУ), 2002;
4-ой Международной научно-практической конференции студентов, ас-пиранов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, ТПУ, 1998;
5-ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, ТПУ, 1999;
8-ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, ТПУ, 2002;
9-ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, ТПУ, 2003.
Неоднократно выступал на заседаниях научно-методического семинара кафедры информационно-измерительной техники Томского политехнического университета.
В первой главе диссертационной работы приводится описание объекта контроля (кабельных изделий) и обзор существующих методов и средств из- мерения больших сопротивлений. По итогам обзора ставится задача дальнейших исследований, и намечаются методы решения поставленных задач.
Во второй главе проводится анализ влияния помех переменного тока частотой 50 Гц и электрической емкости кабеля при измерении больших сопротивлений. Рассматриваются методы защиты преобразователей больших сопротивлений от помех переменного тока и устранения влияния электрической емкости кабеля. Основной упор сделан при этом на схемотехнические методы, как наиболее оптимальные для универсальных измерительных приборов.
В третьей главе дается описание реализованных технических решений, полученных по результатам теоретических и экспериментальных исследований, приводятся результаты испытаний разработанного прибора на производстве.
Помехи, возникающие при измерении больших сопротивлений
Проблема помехоустойчивости является одной из основных для измерителей больших сопротивлений, и кабельных тераомметров, в частности. Воздействие помех промышленной частоты 50 Гц вызывает погрешности измерения, а в случае превышения некоторого критического уровня нарушает нормальную работу прибора. При этом происходит смещение уровня постоянной составляющей выходного сигнала, вызванное искажением синусоидальной формы помехи, то есть когда уровень полезного сигнала и сигнала помехи стремится превысить максимальное выходное напряжение. Как правило, решением проблемы может служить экранирование объеюа исследования, но в ряде случаев его сложно выполнить [3, 20]. IU=6.613B :- Um=5 В t,c U(t), В A і:--м- E "" і- і UOL U0=7B о о7«м о ( «is о Л] 2о Лі б 0 02 1)024 о o2S о Л? 2 о Л V oiij Рис. 1.6. Искажение полезного сигнала постоянного тока в тераомметре при воздействии помех, ограничиваемых уровнем питания преобразователей Е - уровень питания (Е=10 В); U0 - полезный сигнал (U0=7 В); Un = Um sin(2 я fп -і) -сигнал помехи частотой fn=50 Гц (U,„=5 В); и,,Ск - искаженное значение информационного сигнала (U„CK=6.613 В); Um Е - U0 - условие искажения сигнала. Поиск теоретического метода оптимизации параметров преобразователей сопротивления для тераомметров, при котором приборы не подвержены влиянию внешних помех, остается нерешенной задачей. Кроме того, нет количественной оценки уровня помех, воздействующих на измерительные приборы типа тераомметров. При использовании тераомметров для контроля сопротивления изоляции кабелей возникает еще одна проблема - устранение влияния большой емкости исследуемого объекта, так как при этом либо излишне возрастает время измерения, либо прибор входит в неустойчивый режим работы.
Практически в единственной работе [21] по данной тематике, рассматриваются причины возникновения помех промышленной частоты и структурные методы защиты от них. При этом рассматриваются тераомметры, выполненные на основе измерителей тока [22] и содержащие устройства, фильтрующие помехи, непосредственно в первичном преобразователе. Но четкого вывода о том, какая из рассмотренных схем наиболее рациональна, сделать нельзя. Варианты схем помехоустойчивых тераомметров приведены также в [23, 24].
В соответствии с вышеизложенным анализ проблемы помехоустойчивости тераомметров для кабелей можно разделить на две части: анализ влияния помех низкой частоты (промышленной частоты 50 Гц) и анализ влияния электрической емкости кабеля на показания прибора.
В настоящее время известно пять основных методов измерения электрического сопротивления: 1. метод косвенного измерения (метод вольтметра-амперметра); 2. метод непосредственной оценки; 3. мостовой метод; 4. метод преобразования сопротивления в интервал времени; 5. резонансный метод. Для измерения больших сопротивлений применяются первые четыре метода, при этом измерение производится либо на постоянном токе, либо с использованием низкочастотной части спектра. Резонансный метод для измерения больших сопротивлений не используется и применяется, в основном, в высокочастотных измерителях, так как в области низких частот резонансные явления проявляются менее резко, а при измерении больших сопротивлений с повышением частоты сильнее сказываются паразитные параметры элементов (в основном, влияние оказывают паразитные емкости, шунтирующие большое сопротивление [1]).
ГОСТ 3345-76 регламентирует напряжение при измерении сопротивления изоляции кабельных изделий от 100 до 1000 В. Погрешность измерения не должна превышать 10 % в диапазоне до 10ш Ом, 20 % в диапазоне до 10м Ом, 25 % в диапазоне свыше 1014 Ом [19]. В литературе по кабельным измерениям упоминаются только несколько методов измерения сопротивления изоляции кабельных изделий [14, 18]: - метод сравнения отклонений указателя гальванометра (электромеханическим прибором); - метод измерения по кривой саморазряда; - применение тераомметра на основе потенциометрического метода; - применение тераомметра на основе инвертирующего усилителя. Рассмотрим все известные методы измерения сопротивления изоляции, обращая особое внимание на применимость этих методов для котроля кабельных изделий.
В данном случае погрешность измерения снижается в том случае, если величина измеряемого сопротивления намного больше сопротивления амперметра. Поскольку сопротивление амперметра стремятся понизить до минимума, схема на рис. 1.7.6 применяется для измерения больших сопротивлений. Точность измерения определяется классом точности и вольтметра, и амперметра. Следует отметить, что при рабочем напряжении 100 В на исследуемом резисторе 100 ТОм потребуется амперметр, реагирующий на ток 1 нЛ. Такие амперметры отечественного производства представлены моделями электрометрических универсальных вольтметров В7-29 и В7-30, диапазон измерений которых 0.01 фА - 0.1 мкА и 1 фА - 0.1 мкА соответственно, а относительная погрешность измерения порядка 5% [1].
Модель пикоамперметра 487 снабжена источником калиброванного напряжения, что позволяет использовать пикоамперметр в качестве прибора непосредственной оценки для измерения сопротивления. Напряжение источника может изменяться до 500 В, следовательно пикоамперметр имеет предел измерения сопротивления 50 000 ТОм. Однако применение пикоамперметра, согласно техническому описанию, возможно только при условии экранирования объекта исследования, что не всегда возможно, например, при измерении сопротивления изоляции длинного кабеля в цеховых условиях или при исследовании влажности древесных материалов (досок) кондуктометрическим методом [26].
При измерении сопротивления объектов, имеющих большую емкость, быстродействие метода определяется в основном быстродействием вольтметра и пикоамперметра, поскольку объект подключается к источнику напряжения с низким внутренним сопротивлением, а сопротивление пикоамперметра очень мало. Тем не менее, учитывая, что большинство пикоампертметров выполняется на основе инвертирующего операционного усилителя (ОУ), рис. 1.11, в процессе измерения могут возникать нежелательные переходные процессы, увеличивающие время установления показаний, см. п. 2.2.
Существенными недостатком метода вольтметра-амперметра являются необходимость в дополнительных вычислениях и применение двух разнотипных приборов одновременно, что усложняет автоматизацию измерений.
Метод преобразования сопротивления в интервал времени
Простейший метод преобразования сопротивления в интервал времени основан на апериодическом заряде (разряде) конденсатора. По связь между интервалом времени и сопротивлением в этом случае нелинейная.
Измерение начинается со сброса интегратора и хронометра. Затем подается опорное напряжение Е и производится запуск хронометра. Выходное напряжение подается на компаратор, сравнивающий его с некоторым заданным уровнем. Большое время измерения является существенным недостатком метода при измерении больших сопротивлений (при С0=100 пФ, Rn3=l ТОм, Е=10 В, Лиш.,ч=1 В время измерения ДТ=Ю с; при Яцз Ю ТОм ДТ=100 с). При измерении больших сопротивлений существенное влияние оказывают паразитные емкости между электродами входной цепи, между руками человека и электро дами, между человеком и корпусом прибора. Эти емкости суммируются с образцовой емкостью СО и вызывают погрешность отсчета. Выбирается компромиссное значение емкости, при котором паразитные параметры не оказывают влияния, а время измерения не превышает допустимого по условиям проведения измерений.
Следует отметить, что при исследовании рекламных проспектов, прайс-листов и литературы по приборам, измеряющим большие сопротивления и имеющимся в продаже, приборы типа Щ400 не были встречены.
Вариант устройства по методу перезаряда конденсатора показан на рис. 1.20. Данный метод называют также методом дискретного счета. В такой схеме может быть достигнута высокая точность измерения (до 0.1 - 0.2 %), шкала отсчета линейная. Цифровой код, показываемый на индикаторе прибора, связан с измеряемым сопротивлением выражением [1].
Омметр, реализующий метод дискретного счета В данной схеме используется процесс разряда образцовой емкости через испытуемое сопротивление. Время разряда образцового конденсатора до уровня срабатывания компаратора пропорционально постоянной времени цепи разряда, то есть измеряемому сопротивлению. Порог срабатывания задается резисторами Rl, R2, что позволяет обеспечить выбор пределов измерения и линейность шкалы отсчета.
Па основе метода преобразования сопротивления в интервал времени во ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева была создана установка УБС-1, имеющая диапазон измерения 1 ГОм - 100 ТОм с относительной погрешностью не более 0.5 % [28]. Схема установки показана на рис. 1.21. Схема установки УБС-1 Основным элементом схемы является конденсатор переменной емкости С1, ротор которого приводится в движение специальным электроприводом, не показанным на схеме. Электропривод обеспечивает выбор любой скорости вращения ротора конденсатора в пределах от 0.06 до 2 об/мин. Нулевой указатель должен имеет входное сопротивление не менее 100 ТОм, малую входную емкость и высокую стабильность нулевого положения. Постоянная по напряжению должна быть порядка 1 - 10 мВ на деление. В установке УБС-1 применен струнный электрометр с объективным отсчетом типа СЭ-2. Конденсатор С2 является вспомогательным и предназначен для сглаживания случайных импульсов напряжения (при измерении сопротивлений свыше 100 ГОм роль этого конденсатора выполняет паразитная емкость, шунтирующая нулевой указатель).
Кроме большого времени измерения следует отметить другой недостаток метода - требование поддержания стабильного тока смещения через конденсатор по мере разряда. Обеспечить данное условие при создании автоматического измерительного прибора трудно, поскольку неизвестно заранее измеряемое сопротивление, а, следовательно, и ток смещения. Для обеспечения стабильного тока смещения вместо изменения емкости конденсатора можно также изменять напряжение батареи по пилообразному закону. При этом на выходе генератора напряжения ставят воздушный конденсатор емкостью около 10 пФ [28].
Выше были изложены основные особенности измерения сопротивления изоляции кабелей и существующих на данный момент измерителей больших сопротивлений. По результатам проведенного анализа технической литературы можно сделать следующие выводы. 1. Для контроля сопротивления изоляции кабельных изделий длиной до 100 м требуется прибор, имеющий верхний предел измерения не менее 500 ГОм, точность не хуже 10 %, рабочее напряжение от 100 до 1000 В. 2. В настоящее время существует широкая номенклатура приборов для измерения больших сопротивлений. При этом предел измерения может достигать 100 ТОм (при погрешности измерения 0.5 %), 104 ТОм (при погрешности измерения 20 %). Рабочее напряжение достигает 100 - 1000 В. Однако, приборы имеют следующие недостатки: - многие схемы измерения сопротивления требуют осторожности при работе, в частности для схем на рис. 1.10, 1.11 недопустимо замыкание измерительных клемм накоротко, требуются специальные цепи защиты; - согласно техническим описаниям и инструкциям по эксплуатации измерение сопротивлений свыше 1 ГОм необходимо проводить в специально сконструированной экранирующей камере для устранения влияния внешних помех переменного тока, однако применение экранирующей камеры при контроле параметров некоторых изделий по электрическому сопротивлению не всегда возможно; - отсутствует оценка влияния на показания приборов электрической емкости при исследовании объектов (кабельных изделий), имеющих большое сопротивление, причем емкость кабельных изделий может достигать 0.05 мкФ при длине до 100 м. 1.10 Постановка задачи Задача исследований, проводимых при выполнении данной диссертационной работы, формулируется следующим образом: - оценить влияние низкочастотных помех и электрической емкости на показания приборов при исследовании объектов (кабельных изделий), имеющих большое электрическое сопротивление; - разработать измерительный преобразователь больших сопротивлений, имеющий защиту от внешних помех промышленной частоты и уменьшающий влияние электрической емкости объекта исследований на динамику преобразователя, с учетом анализа существующих методов защиты.
Исследование воздействия электрической емкости при измерении больших сопротивлений
Электрическая емкость, параллельная большому сопротивлению, наиболее заметна при контроле сопротивления изоляции кабеля. Причем постоянная времени таких объектов исследования может доходить до сотен секунд и более. Например, при длине кабеля 100 м его емкость может доходить до 50 нФ, сопротивление изоляции до 500 ГОм, а максимальная постоянная времени до 5000 с [13, 16, 17].
Упрощенная эквивалентная электрическая схема кабеля была представлена на рис. 1.2. Основными параметрами кабеля на низких частотах являются сопротивление изоляции Rio и электрическая емкость изоляции Сцз, которая является при измерении сопротивления изоляции кабеля мешающим (паразитным) фактором, то есть может рассматриваться как один из видов помех.
Учесть влияние электрической емкости Сцз можно, если рассматривать особенности работы конкретного тераомметра. Следует оговорить, что в дальнейшем под временем установления Т ст будет пониматься время, необходимое для установления напряжения, соответствующего значению сопротивления на уровне 95 % (или 105 %) от значения, которое должно установиться по окончании переходного процесса. Для некоторых схем это время совпадает со временем установления напряжения на уровне 95 % (105 %), но в случае, если уравнение преобразования сопротивления в напряжение нелинейное, то производился расчет в программе Mathcad 2000 [40] в соответствии с формулами, приведенными в Приложении 4. Основное моделирование переходных процессов проводилось в пакете программ Oread 9.1 [41].
Для тераомметров, выполненных по схеме на рис. 2.1.а, теоретически время установления показаний определяется быстродействием самого прибора и практически не зависит от электрической емкости кабеля, поскольку к объекту исследования приложено постоянное напряжение от источника с малым выходным сопротивлением RI!I4X. При R11IJX=10 Ом и емкости Qn=100 нФ постоянная времени заряда емкости равна 1-Ю"6 с. На самом деле при внимательном рассмотрении данной схемы можно увидеть, что сравнительно большая емкость Сцз образует дифференциатор напряжения. При подаче на исследуемое сопротивление опорного напряжения на выходе преобразователя будет стремиться установиться большое выходное напряжение, и усилитель войдет в режим насыщения.
При идеальном операционном усилителе (то есть при отсутствии режима насыщения) установление показаний тераомметра по законам электротехники должно происходить за несколько миллисекунд. На практике же тераомметр входит в режим насыщения, и нормальный режим устанавливается в течение продолжительного времени. При этом заряд емкости кабеля происходит через образцовое сопротивление R0 и входное сопротивление операционного усилителя.
В таблице 2.1. приведены результаты моделирования работы тераомметра по схеме на рис. 2.1.а при различных емкостях объекта исследования. При этом Т а() - время установления при питании усилителя ±15 В, Т с1(2) - время установления при питании усилителя ±150 В. Видно, что время установления достигает 1 минуты при емкости Сиз равной 100 нФ и сопротивлении R0, равном 1 ГОм (питание усилителя ±150 В). Измеряемое сопротивление при этом мало влияет на скорость установления показаний и может достигать значений, многократно превышающих образцовое сопротивление.
Время установления показаний зависит от соотношения уровней опорного напряжения и напряжения питания усилителя, причем, сравнивая результаты моделирования, приведенные на рис. 2.2 и в таблице 2.1, можно сделать вывод, что чем больше уровни питания, тем меньше время установления. Например, расчет показал, что время установления уменьшается в 4-5 раз при повышении питания в 10 раз. При опорном напряжении Е=—100 В, емкости кабеля Сцз=Ю0 нФ, образцовом сопротивлении R0=1 ГОм и питании усилителя U„=±150 В время установления будет равно 52.2 с, тогда как при питании U„=±15 В время установления равно 210 с.
Моделирование показало, что при замене источника постоянного опорного напряжения на линейно нарастающее до некоторого уровня опорное напряжение улучшения динамических характеристик прибора не происходит. Результаты расчетов в диссертации не приводятся, поскольку не добавляют полезной информации, которая могла бы помочь при разработке нового прибора.
В результате постоянная времени заряда конденсатора, определяемая измеряемым сопротивлением и емкостью объекта (тиз лз Сцз), будет определять время установления выходного сигнала усилителя, которое составит около 3026 с (50.4 мин) при Сю=100 нФ, R0=10 ГОм, R„3=10 ГОм.
Таким образом, применение линейной схемы преобразования сопротивления в напряжение при наличии большой емкости параллельной исследуемому сопротивлению нецелесообразно. Таблица 2.2 Зависимость времени установления показаний тераомметра с линейной шкалой на основе инвертирующего усилителя по схеме на рис. 2.3 от электрической емкости объекта исследования при питании усилителя ±150
При использовании тераомметров, собранных по схеме на рис. 2.4 (по-тенциометрический метод измерения [28]), также как и в тераометрах с обратной шкалой на основе инвертирующего операционного усилителя емкость Сцз образует дифференцирующую цепь. В момент подачи опорного напряжения на исследуемое сопротивление на образцовом резисторе происходит скачок напряжения, а далее емкость заряжается с постоянной времени, определяемой величиной образцового сопротивления R0 и емкости Сиз HE?
Тераомметр на основе потенниометрического метода Если образцовое сопротивление равно R0=1 ГОм, емкость Сцз-Ю0 нФ, измеряемое сопротивление Rio=1000 ГОм, опорное напряжение Е= 100 В, то выходное напряжение U,„,IX=1 В при коэффициенте передачи усилителя равном К=10 должно установиться за время TyCT 3 R0-Cii3=300 с. В действительности в момент подачи опорного напряжения на измеряемое сопротивление произойдет скачок напряжения на входе усилителя, и он войдет в режим насыщения. В результате время установления возрастёт. Моделирование показывает, что время установления будет примерно равно 992 с.
Такой режим работы опасен для усилителя, поскольку при напряжении питания ±15 В (типовое для большинства операционных усилителей) входное напряжение не должно превышать уровней питания. В начальный же момент происходит скачкообразное увеличение напряжения до 100 В, поэтому необходимо предусматривать цепи защиты или уменьшать опорное напряжение.
Преобразователь сопротивления в напряжение
Было проведено также исследование новых схем, предлагаемых впервые в данной работе и обеспечивающих оптимальное сочетание быстродействия и защиту от помех. Полученные результаты были обобщены и синтезированы в одном приборе. То есть была разработана схема преобразователя сопротивления, сочетающая особенности схемы преобразователя, имеющего защиту от помех переменного тока частотой 50 Гц, и преобразователя с наилучшим быстродействием при работе с объектами, имеющими большую электрическую емкость (кабелями).
Поскольку повышение быстродействия методом увеличения напряжения питания усилителя имеет недостаток, заключающийся в том, что требуются цепи защиты входа операционного усилителя, содержащие диоды (при этом возрастает температурная погрешность преобразователя сопротивления). Было решено ограничиться методом введения ключевого элемента, не совмещая его с методом повышения питания.
Увеличение быстродействия методом введения дополнительного образцового резистора менее эффективно при больших емкостях объектов исследования (для кабельных изделий). В Приложении 9 приведена принципиальная электрическая схема прибора, построенного на основе данного метода. Прибор был использован для исследования активного сопротивления датчика влажности порошковых материалов (см. Приложение 10, акт о внедрении результатов работы). В Приложении 11 показан также внешний вид данного прибора. Проектирование тераомметра для контроля изоляции кабелей было произведено таким образом, чтобы прибор соответствовал следующим требованиям: 1. Преобразователь сопротивления в напряжение кабельного тераомметра должен сочетать устойчивость к помехам сети 50 Гц 220 В и приемлемое время установления показаний (не более 1 минуты). Данное требование выполняется использованием результатов 2 главы данной работы. 2. Прибор должен иметь линейную цифровую шкалу, как наиболее удобную для измерительных приборов. Требование выполнено введением в прибор аналоговой схемы линеаризации и аналого-цифрового преобразователя с цифровым индикатором. 3. Поскольку ГОСТ 3345-76 нормирует время с момента подключения напряжения к кабелю до момента отсчета показаний (не ранее 1 ми нуты с момента приложения напряжения), прибор должен быть осна щен секундомером и фиксатором результата измерения по истечении минуты. Требование выполнено использованием цифрового секундомера и регистровой памяти результата измерения. 4. Прибор должен предусматривать автоматическую разрядку кабеля перед проведением измерения и управление моментом подачи изме рительного напряжения на объект исследования. Требование выполнено за счет использования переключателей на основе герконовых реле, управление которыми синхронизировано с показаниями секундомера, встроенного в прибор. 5. Согласно ГОСТ 3345-76 измерительное напряжение должно находиться в пределах от 100 до 1000 В, а погрешность измерения не должна превышать 10 % на пределах до 1010 Ом и 20 % на пределах до Ю140м.
Структурная схема цифрового кабельного тераомметра Тераомметр содержит следующие блоки: ИОН - источник опорного напряжения +100 В; К1, К2 - ключи на основе герконовых реле; УУ - устройство управления тераомметра; Г - генератор импульсов частотой 1 Гц; СТ1 - счетчик импульсов (2 десятичных разряда); СТ2 - счетчик импульсов (делитель частоты на 60); ІДИ 2 - цифровой индикатор секундомера; ПСН - преобразователь сопротивления в напряжение (Ux - выходное напряжение преобразователя); "-1" - инвертор полярности напряжения; МП - масштабный преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь напряжения (Ui, UR - напряжения на измерительном и опорном входах АЦП, N - код на выходе АЦП); Rio - измеряемое сопротивление; РГ - регистровая память; ЦИ 1 - цифровой индикатор измерителя сопротивления. Тераомметр работает следующим образом. Измеряемое сопротивление Rio преобразуется в напряжение Ux при помощи блока ПСН. При этом используется опорное напряжение 100 В, формируемое блоком ИОН. Ключ К1 обеспечивает подачу опорного напряжения на объект исследования и разрядку кабеля перед измерением. Ключ К2 обеспечивает ускоренную зарядку кабеля опорным напряжением при измерении. Напряжение Ux поступает на блок инвертора, выходной сигнал которого подается на вход опорного напряжения UR АЦП. Опорное напряжение 100 В преобразуется с помощью блока МП до уровня, приемлемого АЦП и поступает на вход измеряемого напряжения Ui АЦП. АЦП преобразует отношение измеряемого напряжения к опорному в цифровой код N, который записывается в регистровую память РГ. Выходы регистров подключены к цифровому индикатору ЦИ 1, который показывает значение измеряемого сопротивления. Работой регистров РГ управляет устройство управления УУ, по сигналу которого обеспечивается фиксация результата измерения. Выдача сигналов с устройства управления УУ на различные узлы прибора синхронизирована по времени, поэтому устройство управления обеспечивает запуск встроенного в прибор цифрового секундомера и отслеживает сигнал, соответствующий минутному интервалу. Кроме того, в устройстве управления обеспечивается формирование сигнала для управления ключом К2, который замыкается на несколько секунд при зарядке исследуемого кабеля опорным напряжением перед началом измерения.
Цифровой секундомер реализуется на основе блоков Г, СТ1, СТ2, ЦИ 2. Генератор Г обеспечивает формирование эталонных импульсов частотой 1 Гц. Счетчики СТ1, СТ2 по сигналу устройства управления УУ начинают подсчет числа импульсов генератора Г. При этом счетчик СТ1 содержит два десятичных разряда и обеспечивает максимальное показание времени 99 с после чего происходит сброс и процесс счета продолжается заново. Счетчик СТ2 представляет собой делитель частоты на 60, поэтому первый импульс на его выходе появляется через 60 с после начала работы секундомера. Сигнал счетчика СТ2 поступает в устройство управления УУ, которое прекращает подачу измерительного напряжения на объект RJO и выдает на регистры РГ сигнал фиксации результата измерения.
Рассмотрим подробнее, каким образом устроены блоки ПСЫ, линеаризации и индикации. Блоки секундомера и устройства управления могут быть выполнены на основе стандартных технических решений, поэтому описывать их подробно в данной работе не имеет смысла.
