Повышение точности измерения объемного сопротивления изоляции кабельно-жгутовых изделий радиоэлектронной аппаратуры с помощью линейного резистивного сенсора на основе интегрального аналогового вычислителя

Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА), устанавливаемая на борту воздушных летательных и космических аппаратов или использующаяся в составе систем автоматического управления ГТД и бортовыми механизмами, представляет собой сложный комплекс наукоемких изделий, функционирование которых, как правило, невозможно без взаимной связи друг с другом. Такая связь осуществляется на основе разнообразных кабельно-жгутовых изделий (КЖИ), имеющих сложную структуру, значительную протяженность и большое количество проводных соединений, в т.ч. выполненных непосредственно на контактах разъемов.

Неисправность (отсутствие предусмотренных соединений, наличие непредусмотренных соединений) или выход за допустимые пределы параметров кабельного изделия (сопротивления проводов, сопротивления изоляции, емкости, индуктивности проводника и т.п.) могут стать причиной неудовлетворительной работы бортового радиотехнического комплекса.

Сопротивление изоляции КЖИ РЭА, как правило, находится в диапазоне 50…200 МОм, и при его измерении необходимо учитывать целый комплекс влияющих факторов, искажающих достоверность получаемых результатов: наличие объемного и поверхностного сопротивлений, влияние температуры, влажности и других факторов.

Т.к. для измерения сопротивления изоляции КЖИ используются большие напряжения (100…1000 в), то приходится считаться с возможностью прохождения тока утечки по двум потенциальным путям: через объем испытуемого материала и по поверхности испытуемого материала. При измерении сопротивления изоляции кабеля могут возникнуть большие погрешности, вследствие того что прибор может измерять следующие токи утечки – рис. 1:

а) ток I_V, идущий от жилы КЖИ к его внешней оболочке через объем изоляции и обусловленный объемным сопротивлением изоляции КЖИ – характеризует сопротивление изоляции;

б) ток I_S, идущий от жилы кабеля к его оболочке по поверхности изолирующего слоя и обусловленный поверхностным сопротивлением – зависит не только от свойств изолирующего материала КЖИ, но и от состояния его поверхности.

Рис. 1. Особенность измерения больших сопротивлений на основе резистивного

токового сенсора

Для устранения влияния поверхностей проводимости при измерении сопротивления изоляции на изолирующий слой накладывается охранное кольцо. В этом случае ток I_S будет проходить мимо измерительного прибора и не внесет погрешности в результаты измерения. При измерении больших сопротивлений следует также обращать серьезное внимание на изоляцию самой измерительной установки, так как в противном случае через измеритель будет проходить ток, обусловенный сопротивлением изоляции самой установки, что повлечет за собой соответствующую погрешность измерения, поэтому рекомендуется применять экранирование или перед измерением производить проверку изоляции измерительной установки.

В настоящее время измерение сопротивления осуществляют на основе цифровых систем сбора и обработки информации, использующих в своем составе АЦП с 12-ю или 14-ю разрядами, при этом для линеаризации датчика используют различные программные способы. Вместе с тем, сопротивление изоляции КЖИ, как уже отмечалось выше, находится в значительном диапазоне, при этом нелинейность датчика будет настолько значительной, что использование программных методов линеаризации будет крайне затруднительным, независимо от количества разрешенных уровней АЦП – рис. 2.

Известный способ линеаризации характеристики резистивного датчика в широком диапазоне сопротивлений заключается в использовании усилителя, в т.ч. дифференциального в обратную связь которого включается измеряемое сопротивление R_ИЗМ, а на входе устанавливается компенсирующее сопротивление R_КОМП – рис.3.

а) б)

Рис. 2. Выходные характеристики резистивного датчика для измерения сопротивления изоляции в диапазоне от 1 до 200 МОм: а) в линейном масштабе; б) в логарифмическом масштабе

Однако такой способ дает хорошие результаты только при измерениях единичных сопротивлений, т.е. отсутствии коммутации. В реальных условиях, автоматизация измерений сопротивлений изоляции КЖИ, содержащего до 60 и более проводных соединений, требует такого же количества коммутационного оборудования, а счетом необходимости анализа целостности изделия, реальное количество коммутационных элементов удваивается из-за необходимости контроля электрических соединений, выполненных непосредственно на контактах разъемов.

В автоматизированных системам контроля КЖИ в качестве коммутационных элементов возможно использование как электрических, так и оптоэлектронных реле. Использование последних предпочтительней в связи с отсутствием дребезга контактов, исключением их подгорания, большей надежностью и быстродействием, меньшим потреблением энергии, меньшими массогабаритными показателями. Однако любым оптоэлектронных реле присущ существенный недостаток, а именно, наличие тока утечки, т.е. конечное значение сопротивления в закрытом состоянии R_OFF. Значение этого сопротивления колеблется в диапазоне от 100 МОм до 10 ГОм. При наличии нескольких десятков коммутационных каналов эти сопротивления образуют параллельное включение, в результате чего происходит резкое снижение линейности характеристики датчика и, как следствие, потеря точности измерения.

Для устранения этого недостатка, с учетом указанных выше требований к процессу измерения изоляции предлагается аппаратный способ линеаризации выходного сигнала с резистивного датчика на основе дифференциального усилителя и интегрального делителя с возможностью программного управления шкалой выходного информационного сигнала, подвергающегося дальнейшей оцифровке. Обобщенная структурная схема резистивного интегрального датчика показана на рис. 4.

Рис. 4. Обобщенная структурная схема резистивного интегрального датчика

Датчик представляет собой резистивный делитель с общим сопротивлением 10 кОм и соотношением R/19R, обеспечивающий при возбуждении датчика напряжением постоянным напряжением Uвозб = 100 В получение информационного напряжения &#;U_Rизм от 250 мкВ до 5 В в диапазоне измеряемых сопротивлений от 0 до 200 МОм.

Компьютерная модель датчика представлена на рис. 5.

Рис. 5. Компьютерная модель резистивного интегрального датчика объемного сопротивления

изоляции

В качестве интегрального одноквадрантного делителя выбрана специализированная микросхема ACU AD538 (аналоговое вычислительное устройство) компании Analog Devices, осуществляющая вычисление ряда математических функций, в том числе операции деления, с точностью 0,25% полной шкалы – рис.6. Дополнительным преимуществом данного вычислительного устройства является возможность возведения в степень выходного напряжения. Показатель степени варьируется в диапазоне от 1 до 5.

Незначительное сопротивление резистивного датчика по отношению к измеряемому сопротивлению изоляции позволяет получить более точное значение тока утечки, участвующее в последующих расчетах сопротивления изоляции.

Использование дифференциального усилителя с входом на полевых транзисторах, коэффициентом K_U = 2, низким уровнем токов утечки и смещения и значительным коэффициентов усиления с разомкнутой обратной связью позволяет получить существенное подавление синфазных помех и обеспечить необходимый уровень выходного напряжения U_Y, подаваемого на вход Y интегрального делителя.

На второй вход делителя – вход X – подается напряжение U_X = 10 мВ. В результате на выходе датчика формируется линейно изменяющееся напряжение в диапазоне 0…U_МАКС, масштаб которого – от 1 до 10 – задается аналогичным напряжением, подаваемым на вход Z интегрального делителя – рис. 7:

.

Рис. 7. Выходная характеристика резистивного интегрального сенсора для измерения объемного сопротивления изоляции в диапазоне от 1 до 200 МОм при отсутствии коммутационных каналов

При использовании коммутируемых каналов линейность сенсора нарушается, однако применении степенной функции возвращает характеристику к линейному виду. Выбор показателя степени определяется количеством коммутационных каналов и значением сопротивления утечки используемых электронных ключей.

Результаты компьютерного моделирования различных количественных вариантов коммутационных каналов при вариации показателя степени в разрешенном диапазоне от 1 до 5 для двух видов оптоэлектронных ключей с сопротивлениями утечки R_OFF = 250 МОм и R_OFF = 250 ГОм соответственно в диапазоне измеряемых сопротивлений от 10 до 200 МОм представлены на рис. 8.

m = 127 R_OFF =250 МОм m = 50 R_OFF =10 ГОм

m = 50 R_OFF =250 МОм m = 50 R_OFF =10 ГОм

m = 10 R_OFF =250 МОм m = 10 R_OFF =10 ГОм

Рис. 8. Результаты моделирования выходной характеристики резистивного сенсора для двух

видов оптоэлектронных ключей при вариации количества коммутационных каналов m в диапазоне измеряемых сопротивлений от 10 до 200 МОм

Использование данного резистивного сенсора позволяет расширить границы измерения сопротивлений, сдвигая их в более низкоомную область. При этом результаты линеаризации «инверсны» по отношению к полученным ранее – рис. 9.

m = 127 R_OFF =250 МОм m = 50 R_OFF =10 ГОм

m = 50 R_OFF =250 МОм m = 50 R_OFF =10 ГОм

m = 10 R_OFF =250 МОм m = 10 R_OFF =10 ГОм

Рис. 9. Результаты моделирования выходной характеристики резистивного сенсора для двух

видов оптоэлектронных ключей при вариации количества коммутационных каналов m в диапазоне измеряемых сопротивлений от 1 до 100 кОм

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. при измерении больших сопротивлений (выше 1 МОм) повышение показателя степени повышает линейность характеристики датчика и точность получаемых результатов независимо. Значение показателя степени зависит от количества коммутационных каналов;

2. при измерении относительно малых сопротивлений (менее 1 МОм) уменьшение показателя степени повышает линейность характеристики датчика и точность получаемых результатов независимо. Значение показателя степени практически не зависит от количества коммутационных каналов.

В заключении следует отметить, что использование оптоэлектронных реле со значением R_OFF =250 МОм позволяет не только получить выигрыш в конструкторском исполнении и плотности упаковки компонентов на печатной плате, но и существенно снизить стоимость коммутационных элементов, а именно, от 5 раз и более.

Литература:

1. Ануфрик М.С., Зеленцова О.А. ,Печаткин А.В. Автоматизация испытаний жгутовых соединений для аэрокосмического оборудования. Сборник материалов НТК «Решетневские чтения», Часть 1СГАУ им. М.Ф. Решетнева, г. Красноярск, 2009, с.241

2. Зеленцова О.А. Смирнов Д.А. Автоматизация и информатизация процессов испытаний жгутовых соединений бортового электронного оборудования. Сборник трудов XVI Международной НПК студентов и молодых ученых “Современные техника и технологии” СТТ-2010, Том 1, Томск, Россия, с. 200-202

3. Кузнецов А.В., Свербеева Н.С., Сорокин А.А. Линейный резистивный сенсор для измерения объемного сопротивления изоляции кабельно-жгутовых изделий радиоэлектронной аппаратуры на основе интегрального делителя. Материалы молодёжной научной конференции с международным участием «Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе», МФТИ, Москва, 2011, с. 81-82