Исследование, разработка и применение методов защиты от помех преобразователей больших сопротивлений, применяемых при контроле изоляции кабельных изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Якимов, Евгений Валерьевич

• Якимов, Евгений Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Якимов, Евгений Валерьевич

Введение.

1 Измерение сопротивления изоляции кабеля.

1.1 Общие представления об изоляции кабеля.

1.2 Помехи, возникающие при измерении больших сопротивлений.

1.3 Классификация методов измерения сопротивления изоляции.

1.4 Метод вольтметра-амперметра.

1.5 Метод непосредственной оценки.

1.5.1 Электромеханические омметры.

1.5.2 Метод стабилизированного тока в цепи делителя.

1.5.3 Метод преобразования сопротивления в напряжение.

1.6 Мостовые методы измерения сопротивления.

1.7 Метод преобразования сопротивления в интервал времени.

1.8 Приборы, метод измерения которых неизвестен.

1.9 Выводы но главе.

1.10 Постановка задачи.

2 Исследование и разработка схемотехнических методов защиты преобразователей больших сопротивлений от помех.

2.1 Виды помех, воздействующих на тераомметры.

2.2 Исследование воздействия электрической емкости при измерении больших сопротивлений.

2.2.1 Теоретическое исследование воздействия электрической емкости при измерении больших сопротивлений.

2.2.2 Экспериментальное исследование воздействия электрической емкости при измерении больших сопротивлений.

2.3 Оптимизация по быстродействию преобразователей больших сопротивлений при работе с объектами, имеющими большую емкость.

2.3.1 Увеличение быстродействия методом введения в инвертирующий операционный усилитель дополнительного образцового резистора.

2.3.2 Увеличение быстродействия методом введения ключевого элемента в инвертирующий операционный усилитель.

2.3.3 Экспериментальное исследование методов увеличения быстродействия преобразователей больших сопротивлений при работе с объектами, имеющими большую емкость.

2.4 Исследование влияния низкочастотных помех.

2.4.1 Недостатки существующих методов защиты от низкочастотных помех.

2.4.2 Анализ помехозащищенности преобразователя больших сопротивлений с интегратором в первом каскаде.

2.4.3 Экспериментальное исследование схемотехнических методов защиты от низкочастотных помех.

2.5 Выводы.

3 Разработка и испытания тераомметра для контроля изоляции кабелей.

3.1 Структурная схема тераомметра.

3.2 Преобразователь сопротивления в напряжение.

3.3 Линеаризатор и отсчетное устройство тераомметра.

3.4 Анализ погрешностей измерителя.

3.5 Разработка конструкции измерителя.

3.6 Производственные испытания прибора.

3.7 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование, разработка и применение методов защиты от помех преобразователей больших сопротивлений, применяемых при контроле изоляции кабельных изделий»

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 переменного 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, ТГ1У, 1999;

8-ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, ТГ1У, 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 измерения 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.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Якимов, Евгений Валерьевич

3.7 Выводы по главе

1. В данной главе приведено описание основных особенностей тераомметра, сочетающего защиту от внешних помех переменного тока и высокое быстродействие при измерении сопротивления изоляции кабелей.

2. Преобразователь больших сопротивлений данного прибора выполнен на основе инвертирующего операционного усилителя с обратной шкалой с ключевым элементом на входе. Операционный усилитель состоит из трех каскадов, причем в первом каскаде стоит интегратор. Схема преобразователя разработана с учетом результатов исследований, изложенных во 2 главе данной работы.

3. Испытания показали соответствие прибора требованиям, предъявляемым к контролю качества изоляции на кабельном производстве.

Заключение

1. Известные схемы преобразователей сопротивления тераомметров имеют низкое быстродействие при работе с объектами, имеющими большую электрическую емкость (кабелями). Например, при образцовом сопротивлении R0=1 ГОм, измеряемом сопротивлении Rn3=100 ГОм, емкости объекта Сиз=Ю0 нФ время установления для схемы на основе инвертирующего операционного усилителя с линейной шкалой будет равно примерно 30 ООО с. В то же время в схеме на основе потенциометрического метода установление происходит за 755 с, а в схеме на основе инвертирующего операционного усилителя с обратной шкалой при питании ±15 В и опорном напряжении 100 В - за 210 с.

2. Схема преобразователя сопротивления тераомметра на основе инвертирующего усилителя с обратной шкалой обеспечивает большее быстродействие при увеличении напряжения питания. Например, время установления уменьшается в 4-5 раз при повышении питания в 10 раз. При опорном напряжении равном -100 В, емкости кабеля Сцз=Ю0 нФ, образцовом сопротивлении R0=1 ГОм и питании усилителя ±150 В время установления будет равно 52.2 с, тогда как при питании ±15 В время установления равно 210 с.

3. Схема преобразователя сопротивления тераомметра на основе инвертирующего усилителя с дополнительным образцовым резистором, рис. 2.6 позволяет обеспечить примерно одинаковое быстродействие со схемой на основе потенциометрического метода, однако не имеет опасных режимов, при которых возможен выход из строя входного усилителя. Нет необходимости разрабатывать цепи защиты усилителя. Увеличение быстродействия методом введения дополнительного образцового резистора мало эффективно при больших емкостях объектов исследования (для кабельных изделий).

4. Схема преобразователя сопротивления тераомметра на основе инвертирующего усилителя с ключевым элементом обеспечивает наилучшее быстродействие. Причем время установления практически не зависит от параметров объекта измерения (емкости и сопротивления), а также от сопротивления образцового резистора. При замыкании ключа на 2 с теоретически обеспечивается время установления не более 2.8 с. При экспериментальном исследовании время установления не превышало 10 с (при времени замыкания ключа 3 с).

5. Известные схемы преобразователей сопротивления тераомметров не обеспечивают требуемой защиты от помех переменного тока частотой 50 Гц, то есть степень подавления помех и быстродействие схем не соответствуют предъявляемым требованиям.

6. Наилучшее сочетание быстродействия и ослабления помех переменного тока частотой 50 Гц имеет схема преобразователя сопротивления тераомметра на основе инвертирующего усилителя с интегратором в первом каскаде и ФНЧ во втором. При этом емкость конденсатора, входящего в состав интегратора, должна находиться в диапазоне от 500 до 3000 пФ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Якимов, Евгений Валерьевич, 2003 год

1. Брейдо И.Я. Ламповые усилители сигналов постоянного тока. М.-Л.: Гос-энергоиздат, 1961. - 88 с.

2. Патент России №2205413. G 01 R 27/00. Преобразователь активного сопротивления в постоянное напряжение. / Якимов Е.В., Жуков В.К., Миляев Д.В.

3. Якимов Е.В., Жуков В.К. Помехоустойчивость тераомметров на основе измерителей тока. // Измерительная техника. 2003. - №4. - С. 35-39.

4. П.Якимов Е.В. Особенности применения преобразователя сопротивления в напряжение на основе операционного усилителя с дополнительным образцовым сопротивлением. / Деп. в ВИНИТИ №2242-В2002 от 24.12.02. 25 с.

5. Кранихфельд Л.И., Рязанов И.Б. Теория, расчет и конструирование кабелей и проводов. Учебник для техникумов. М.: Высшая школа, 1972. - 384 с.

6. Белоруссов Н.И. Электрические кабели и провода (теоретические основы кабелей и проводов, их расчет и конструкции). М.: Энергия, 1971. - 512 с.

7. Городецкий С.С., Лакерник P.M. Испытания кабелей и проводов. Уч. пособие для техникумов. М.: Энергия, 1971. - 272 с.

8. Сорочкин Н.Х., Чудаков П.И., Шарле Д.Л. Сборник задач но расчету и конструированию кабелей и проводов. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 96 с.

9. Белоруссов Н.И. и др. Электрические кабели, провода и шнуры: справочник. -5-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 536 с.

10. Белоруссов Н.И. и др. Электрические кабели, провода и шнуры: справочник. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979. - 416 с.

11. Холодный С.Д., Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов. -М.: Энергоатомиздат, 1991. -200 с.

12. ГОСТ 3345-76. Кабели, провода, шнуры. Метод определения электрического сопротивления изоляции. М.: Изд-во стандартов, 1982. - 6 с.

13. Пасковатый О.И. Электрические помехи в системах промышленной автоматики. М.: Энергия, 1973. - 102 с.

14. Ансо М.Х. Помехоустойчивый тераомметр. // Приборы и техника эксперимента. 1983. - №4. - С. 158-160.

15. Илкжович A.M. Техника электрометрии. М.: Энергия, 1976. - 399 с.

16. Антоненко В.И. Термостабильный электрометрический измеритель постоянного тока на операционном усилителе К544УД1 А. // Приборы и техника эксперимента. 1990. - №6. - С. 115 - 117.

17. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Пер. с англ. В 3 т. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - Т.2. - 371 с.

18. Computer-based measurement products. 2000/01 Full-line product catalog. Keithley Instruments, Inc. Cleveland, 1999. - 672 p.

19. Берлинер M.A. Измерения влажности. Изд. 2-е - M.: Энергия, 1973. - 400 с.

20. Минин Г.П. Мегомметр. Изд. 2-е, доп. - M.-JI.: Энергия, 1966. - 49 с.

21. Грибанов Ю.И. Измерение слабых токов, зарядов и больших сопротивлений. M.-J1.: Гоэнергоиздат, 1962. - 80 с.

22. Шкурин Г.П. Справочник по электро- и электронно-измерительным приборам. М.: Воениздат, 1972. - 448 с.

23. Шкурин Г.П. Справочник по новым электроизмерительным приборам. -М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1964. 414 с.

24. Тераомметр Ф507. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

25. Тераомметр Е6-3. Краткое техническое описание и инструкция к использованию. Изд. 3-е. - Таллин: завод "Пунане РЭТ", 1962. - 19 с.

26. Илкжович A.M. Средства поверки электрометрической аппаратуры. М.: Издательство стандартов, 1978. - 175 с.

27. Омметр Щ306/1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

28. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -Изд. 2-е. J1.: Энергоатомиздат, 1988. - 304 с.

29. Мост постоянного тока Р4052. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

30. Бадинтер Е.Я. и др. Кишиневский научно-исследовательский институт электроприборостроения. Продукция кишиневского НПО "Микропровод". // Приборы и системы управления. 1991. -№11. - С. 37-38.

31. Мост постоянного тока измерительный Р4053. Паспорт ЗМЧ.454.012 ПС. -Кишинев: Тимпул, 1987. 28 с.

32. Мардин В.В. Справочник по электронным измерительным приборам. М.: Связь, 1978.-416 с.

33. Дьяконов В. Mathcad 2000. Учебный курс. М.: Питер, 2000. - 592 с.

34. Разевиг В.Д. Система проектирования Oread 9.2. М.: Солон-Р, 2001. - 528 с.

35. А.с. №330402, G 01 R 27/00. Устройство для измерения сопротивления изоляции и постоянной времени конденсатора. / Эпштейн СЛ.

36. Тераомметр Е6-13А. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1985.

37. Игловский И.Г., Владимиров Г.В. Слаботочные электрические реле: справочник. М.: КубК-а, 1996. - 560 с.

38. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник. / Под ред. С.В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.

39. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

40. Ultralow input bias current operational amplifier AD549. Analog Devices, Inc., 2002.- 16 p.

41. Полонников Д.Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216 с.

42. Интегральные схемы. Операционные усилители. Справочник. Т.1 М.: Физматлит, 1993. - 240 с.

43. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике: уч. пособие для студентов втузов. -5-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1988. - 527 с.

44. Акимов Н.Н. и др. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: справочник. Мн.: Беларусь, 1994. -591 с.

45. Общетехнический справочник. / Под ред. Скороходова Е.А. Изд. 4-е. -М.: Машиностроение, 1990. -496 с.эсрсртссШсшт фщщештщпхзяшжг »