Устройство для определения параметров свинцового аккумулятора

 

Устройство предназначено для определения напряжения, плотности, уровня и температуры электролита, остаточной емкости и диагностического параметра свинцового аккумулятора, позволяющего оценивать сопротивление диффузии электролита и устанавливать время проведения профилактических мероприятий (перезаряда или лечебного цикла). Устройство содержит блок обработки результатов измерений с оперативной памятью, памятью программ и энергонезависимой памятью с электрическим стиранием, измеритель уровня электролита, цифровой вольтметр с аналого-цифровым преобразователем, интерфейсным блоком, модулем гальванической развязки и блоком питания. При этом ЭВМ выполнена вычисляющей остаточную емкость и диагностический параметр аккумулятора по полученным авторами формулам. Техническим результатом является снижение габаритов устройства и повышение точности определения состояния аккумулятора. 3 ил., 1 табл.

Известно устройство для определения параметров аккумулятора, называемое нагрузочной вилкой [1], содержащее вольтметр, набор резисторов разного номинала, кнопку для включения нагрузочного резистора в цепь, контактные ножки и рукоятку.

Основными недостатками данного устройства являются малая точность в определении степени заряженности аккумулятора, а также отсутствие возможности определять диагностический параметр, который характеризует сопротивление диффузии электролита и по которому можно устанавливать срок проведения профилактических мероприятий с аккумулятором, например перезаряда или лечебного цикла. Своевременное проведение таких мероприятий позволяет увеличить срок службы аккумулятора.

Известна также "Система диагностирования свинцовой аккумуляторной батареи" [2], принятая за прототип, которая позволяет определять параметры свинцовых аккумуляторов батареи, в том числе и степень их разряженности, если предварительно были определены начальные значения электрической емкости аккумулятора, а в процессе разряда постоянно подсчитывалась отдаваемая каждым аккумулятором электрическая емкость.

Основными недостатками данной системы являются сложность конструкции, значительные масса и габариты, невозможность определять степень заряженности аккумулятора, если последний не был постоянно подключен к системе и, следовательно, контролировался ею, система не предусматривает определение диагностического параметра аккумулятора, по которому можно устанавливать срок проведения профилактических мероприятий с аккумулятором (перезаряд, лечебный цикл и др.), а также осуществлять отбор аккумуляторов с близкими диагностическими параметрами для компоновки батареи, что увеличивает срок службы аккумуляторов и аккумуляторных батарей.

Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков.

Цель достигается тем, что в отличие от прототипа, вместо постоянно установленных в каждом элементе аккумуляторной батареи четырех датчиков температуры использован известный датчик уровня жидкости (электролита), устанавливаемый при измерении внутрь аккумулятора над блоком пластин и состоящий из вертикально расположенного протяженного терморезистора, длина которого равна диапазону изменения уровня электролита в аккумуляторе, вдоль которого перемещается свободная поверхность электролита при изменении его уровня, и двух других терморезисторов, один из которых прикреплен к нижнему, а другой к верхнему концу протяженного терморезистора, вместо двух аналого-цифровых преобразователей применен цифровой вольтметр, имеющий аналого-цифровой преобразователь, интерфейсный блок, модуль гальванической развязки и блок питания, при этом электрические линии связи от разнополярных зажимов аккумулятора и клемм терморезисторов датчика уровня электролита выполнены с возможностью подключения при измерении через пульт дистанционного управления к входу цифрового вольтметра, выход которого соединен с информационным входом блока обработки результатов измерения, а адресные входы блока обработки результатов измерения подключены к соответствующим клеммам переключателя, установленного на пульте дистанционного управления, в блоке обработки результатов измерения дополнительно предусмотрена энергонезависимая память с электрическим стиранием для сохранения необходимой информации при переключении устройства с одного аккумулятора на другой, а блок обработки результатов измерения выполнен вычисляющим остаточную емкость и диагностический параметр по предложенным авторами формулам, что позволяет устанавливать срок проведения перезаряда или лечебного цикла для аккумулятора, а также осуществлять отбор аккумуляторов для компоновки батареи.

На фиг. 1 проведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема пульта дистанционного управления; на фиг. 3 - структурная схема пульта электронно-вычислительной машины (ЭВМ).

Устройство для определения параметров свинцового аккумулятора содержит известный датчик уровня жидкости (электролита) 1, позволяющий также определять температуру электролита и температуру воздуха над электролитом [3], пульт дистанционного управления (ДУ) 2, цифровой вольтметр 3, электронный блок обработки результатов измерения (ЭВМ) 4 и пульт ЭВМ 5. На пульте ДУ 2 установлены переключатель измеряемых параметров 7, эталонный резистор R₄, используемый для определения величины тока, проходящего через терморезисторные датчики уровня электролита R₁- R₃, ограничивающие резисторы R₅ и R₆, обеспечивающие взрывопожаробезопасность устройства, кнопка начала замера 8, на пульте ЭВМ 5 установлены семизарядное цифровое десятичное табло 9, кнопка дачи команды на запоминание индицированной величины 10, декадные переключатели 11 для набора номера аккумулятора, параметры которого определяют, кнопка начала расчета параметра 12, переключатель 13, устанавливающий момент определения параметров (после заряда или после разряда аккумулятора), наборное поле параметра 14, кнопка сброса набранного параметра 15, кнопка ввода набранного параметра в память 16, переключатель параметров на индикацию и набор 17, переключатель ввода информации, полученной расчетом или набором в энергонезависимую память с электрическим стиранием (ЭСЗУ) 18, питание устройства осуществляется от сети переменного тока, цифровой вольтметр имеет аналого-цифровой преобразователь (АЦП), модуль гальванической развязки, интерфейсный блок и свой блок питания, свой блок питания имеет и ЭВМ.

Устройство для определения параметров свинцового аккумулятора работает следующим образом.

После подачи питания на устройство от сети вводят в ЭВМ 4 исходную информацию (режим I), для чего на пульте ЭВМ 5 переключателями 11 набирают номер аккумулятора, параметры которого будут определяться, переключатель 18 устанавливают в положение "Инф.", подключают пульт ДУ к аккумулятору, номер которого набран на пульте ЭВМ 5, на пульте ДУ 2 переключатель 7 поочередно устанавливают в положение а, б, в, г, каждый раз после установки переключателя 7 в соответствующее положение нажимают кнопку 8, при этом соответствующее падение напряжения через резисторы R₅ и R₆ поступает на вход АЦП цифрового вольтметра 3, преобразуется в цифровой код и подается на первый, информационный, вход ЭВМ, одновременно на второй, адресный вход ЭВМ через переключатель 7 поступает код измеряемого параметра, после каждого нажатия кнопки 8 измеренные величины последовательно фиксируются в оперативной памяти (ОЗУ).

Для расчета определяемого параметра (режим II): на пульте ЭВМ устанавливают переключатель 13 в соответствующее положение, на пульте ЭВМ 5 нажимают кнопку 12, на пульте ЭВМ 5 устанавливают переключатель 17 в соответствующее положение ( U, t, h, C, d, ДП) и наблюдают величину параметра на табло 9, при этом напряжение аккумулятора измеряется с помощью цифрового вольтметра 3, температура электролита определяется с помощью терморезистора R₃, уровень электролита определяется с помощью терморезисторов R₁, R₂, R₃ [3] по формуле где R_h - полное сопротивление протяженного терморезистора R₂; r₀ - погонное (на единицу длины) сопротивление протяженного терморезистора R₂ при температуре t₀; h - полная длина протяженного терморезистора R₂; H - длина погруженной в электролит части протяженного терморезистора, по которой определяется уровень электролита; α - температурный коэффициент сопротивления для протяженного терморезистора R₂; t₀ - температура, при которой взято (получено) значение r₀; t₁ - температура воздушной среды над электролитом, измеряемая терморезистором R₁; t₂ - температура электролита, измеряемая терморезистором R₃;
плотность электролита определяется по формуле по установившейся ЭДС аккумулятора и температуре электролита [4] приведением измеренной установившейся ЭДС аккумулятора при температуре электролита t₂ к температуре 25^oC, используя известный температурный коэффициент ЭДС [5], равный 0,00136 В/^oC, и табулированную зависимость установившейся ЭДС аккумулятора от плотности электролита при 25^oC [4] , степень заряженности свинцового аккумулятора (остаточная емкость) определяется по формуле
C_ост= 100-0,228994-1,23952Δd+0,0024526(Δd)², (1)
где C_ост - остаточная емкость аккумулятора в процентах от начальной емкости полностью заряженного аккумулятора;
приращение плотности электролита на момент измерения по отношению к начальной плотности электролита полностью заряженного аккумулятора, вычисленное при 20^oC, %;
начальная плотность электролита полностью заряженного аккумулятора при 20^oC, кг/л;
плотность электролита на момент измерения при 20^oC, кг/л.

Формула (1) получена на ЭВМ с помощью аппроксимационной подпрограммы с использованием данных таблицы, где приведены результаты расчета используемой электрической емкости аккумулятора, для которого известны начальная масса электролита в полностью заряженном состоянии M_н, начальная плотность электролита в полностью заряженном состоянии при 20^oC, начальная электрическая емкость в полностью заряженном состоянии C_н.

В таблице приняты следующие обозначения:
M_к - масса электролита после отдачи аккумулятором электрической емкости C_p;
M₁ - масса израсходованной серной кислоты при отдаче аккумулятором электрической емкости C_p, вычисляемой по формуле M₁ = 0,00366 C_p [6];
M₂ - масса образовавшейся воды при отдаче аккумулятором электрической емкости C_p, вычисляемая по формуле M₂ = 0,000672 C_p [6];
M₃ - масса оставшейся серной кислоты в аккумуляторе после отдачи электрической емкости C_p;
P_к - массовый процент электролита - отношение массы серной кислоты к массе раствора, %;
плотность электролита при отдаче аккумулятором электрической емкости C_p, определяемая по зависимости [7].

Формула (1) обеспечивает среднеквадратичное отклонение от данных таблицы 0,166849% и может быть использована и для других типов свинцовых аккумуляторов, так как она отражает общую для них закономерность, согласно которой при отдаче свинцовых аккумуляторов 1 А·ч электрической емкости расходуется 0,00366 кг серной кислоты и образуется 0,000672 кг воды [6].

Начальную массу электролита первоначально определяют в результате проведения контрольного цикла "заряд - 24 ч стоянки аккумулятора без тока - разряд - 3 ч стоянки аккумулятора без тока" по формуле

где M₁ - масса израсходованной кислоты при разряде, кг;
M₂ - масса образовавшейся воды при разряде, кг;
P_н - массовый процент электролита после заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 24 ч, определяемый по зависимости [7], при этом определяют известным способом [4] и приводят к 20^oC;
P_ки - массовый коэффициент электролита после заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 24 ч, определяемый по зависимости [7] по усредненной плотности электролита

где плотность электролита после заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 3 ч, измеренная по известному способу [4] и приведенная к 20^oC, кг/л;
плотность электролита после заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 3 ч, измеренная денсиметром и приведенная к 20^oC, кг/л.

Измерив после заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 24 ч в контрольном цикле уровень электролита h и определив объем электролита при 20^oC по формуле
а также площадь свободной поверхности электролита путем отбора из аккумулятора определенного объема электролита ΔV и измерением приращения уровня электролита Δh, после чего отобранный электролит опять заливают в аккумулятор, а площадь свободной поверхности электролита S вычисляют по формуле

В дальнейшем начальную массу электролита после заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 24 ч вычисляют по формуле

где объем электролита после заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 24 ч в контрольном цикле, л;
приращение уровня электролита, дм;
уровень электролита после выполнения последнего заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 24 ч, дм;
h - то же после заряда контрольного цикла и стоянки аккумулятора без тока в течение 24 ч, дм;
S - свободная поверхность электролита в аккумуляторе, дм²;
плотность электролита после выполнения последнего заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 24 ч, измеренная известным способом [4] и приведенная к 20^oC, кг/л.

Диагностический параметр D_п вычисляют по формуле

где плотность электролита после выполнения последнего заряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 3 ч, измеренная известным способом [4] и приведенная к 20^oC, кг/л;
плотность электролита, измеренная при тех же условиях , и приведенная к 20^oC, кг/л.

Увеличение диагностического параметра до значения D_п≥0,01 кг/л указывает на значительное увеличение сопротивления диффузии электролита, для уменьшения которого необходимо проводить профилактические мероприятия (перезаряд или лечебный цикл).

Определение степени заряженности свинцового аккумулятора по зависимости (1), а также определение диагностического параметра в прототипе не предусмотрены, поэтому способность предложенного устройства определять степень заряженности любого свинцового аккумулятора по зависимости (1), а также определять установленный нами диагностический параметр являются существенными отличиями предложенного устройства.

Для ввода в ЭСЗУ расчетных контрольных значений (режим III,а) на пульте ЭВМ 5 устанавливают переключатель 18 в положение "расчет"; на пульте ЭВМ 5 нажимают кнопку 10, после чего расчетные данные засылаются в энергонезависимую память для их сохранения при выключении ЭВМ.

Для ввода в ЭСЗУ набранных на наборном поле данных (режим III,б) на пульте ЭВМ 5 устанавливают переключатели 17 и 18 в положение "Набор", на наборном поле 14 пульта ЭВМ 5 набирают параметр, контролируя правильность набора на табло 9, на пульте ЭВМ 5 нажимают кнопку 10, после чего набранный параметр засылается в энергонезависимую память для сохранения при выключении ЭВМ.

Устройство для определения параметров свинцового аккумулятора может быть выполнено на следующих элементах:
цифровой вольтметр В7 - 46,
ЭВМ, например, на основе "Электроника 1840" со следующими видами запоминающих устройств: память программ (ПЗУ) ≈ 16 Кбайт, оперативная память (ОЗУ) ≈ 2 Кбайта, энергонезависимая память с электрическим стиранием (ЭСЗУ) ≈ 2 Кбайта.

эталонный резистор R₄=50 Ом, типа С5-29,
ограничивающие резисторы R₅=R₆≈100 кОм.

терморезисторы R₁=R₂=R₃≈50 Ом [3].

Устройство для определения параметров свинцового аккумулятора в отличие от прототипа позволяет существенно уменьшить массу и габариты устройства и выполнять его переносным, вычислять диагностический параметр, используемый для своевременного определения необходимости проведения профилактических мероприятий (перезаряда, лечебного цикла), а также для компоновки аккумуляторных батарей элементами с близкими диагностическими параметрами, что увеличивает срок службы аккумуляторов и аккумуляторных батарей, определять степень разряженности свинцового аккумулятора при подключении его к устройству только на время измерения, не требуя для этого его постоянного подключения и контроля.

Литература
1. Притулюк В. А. Химические источники тока в авиации. М.: Воениздат, 1978, с. 40.

2. А.С. СССР N 1783479: "Система диагностирования свинцовой аккумуляторной батареи" (Ю.П. Найденко, Ю.В. Скачков, Ю.В. Малахов, М.Д. Маслаков, А. П. Рыбкин, А.П. Батин, С.П. Юдилевич) - Опубл. 23.12.92. Бюл. N 47.

3. А.С. СССР N 1672228: "Устройство для измерения уровня жидкости " (Ю. П. Найденко, М.Д. Маслаков, Ю.В. Скачков) - Опубл. 23.08.91. Бюл. N 31.

4. А. С. N 1777190. Способ определения плотности электролита свинцового аккумулятора (Ю.П. Найденко, М.Д. Маслаков, Ю.В. Скачков) - Опубл. 23.11.92. Бюл. N 43.

5. Досоян М.А., Агуф И.А. Современная теория свинцового аккумулятора. Л. : Энергия, 1975.

6. Устинов П. И. Стационарные аккумуляторные установки. М.: Энергия, 1970, с.272-273.

7. Справочник химика, том 3. М.-Л., 1964, с.522.

Формула изобретения

Устройство для определения параметров свинцового аккумулятора, содержащее блок обработки результатов измерения с оперативной памятью и памятью программ (ЭВМ), отличающееся тем, что оно снабжено датчиком уровня жидкости, устанавливаемым внутрь аккумулятора над блоком пластин и состоящим из вертикально расположенного протяженного терморезистора, длина которого равна диапазону изменения уровня электролита в аккумуляторе, вдоль которого перемещается свободная поверхность электролита при изменении его уровня, и двух других терморезисторов, один из которых прикреплен к нижнему, а другой к верхнему концам протяженного терморезистора, цифровым вольтметром, имеющим аналого-цифровой преобразователь, интерфейсный блок, модуль гальванической развязки и блок питания, при этом электрические линии связи от разнополярных зажимов аккумулятора и клемм терморезисторов датчика уровня электролита выполнены с возможностью последовательного подключения через пульт дистанционного управления к входу цифрового вольтметра, выход которого соединен с информационным входом блока обработки результатов измерения, а адресные входы блока обработки результатов измерения подключены к соответствующим клеммам переключателя, установленного на пульте дистанционного управления, в блоке обработки результатов измерения, кроме памяти программ в оперативной памяти, дополнительно предусмотрена энергонезависимая память с электрическим стиранием, при этом ЭВМ выполнена вычисляющей остаточную емкость аккумулятора по формуле
C_ост = 100-0,228994-1,23952Δd+0,0024526(Δd)²,
где С_ост - остаточная емкость аккумулятора в процентах от начальной емкости полностью заряженного аккумулятора;
приращение плотности электролита на момент измерения по отношению к начальной плотности электролита заряженного аккумулятора, вычисленное при 20^oС, %;
начальная плотность электролита полностью заряженного аккумулятора при 20^oС, кг/л;
плотность электролита на момент измерения при 20^oС, кг/л,
а диагностический параметр D_п вычисляют по формуле

где плотность электролита после выполненного последнего разряда и стоянки аккумулятора без тока в течение 3 ч, измеренная по установившейся ЭДС и температуре электролита и приведенная к 20^oС, кг/л;
плотность электролита, измеренная при тех же условиях денсиметром и приведенная к 20^oС, кг/л.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4