Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока

Изобретение относится к области электроизмерительной техники. Техническим результатом является уменьшение погрешности, сокращение времени измерения электрической емкости ХИТ и упрощение конструкции устройства. Устройство содержит измеряемый химический источник тока (ХИТ) (1), ключи (2, 4 и 5) на замыкание цепи, конденсатор (3) известной емкости, первое аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) (6), делитель (7) напряжения с коэффициентом деления k₇=0,95 и делитель (8) напряжения с коэффициентом деления k₈=0,5, компаратор (9), ждущий генератор пилообразного линейно-нарастающего напряжения (ГПН) (10), управляемое АЗУ (11), делитель напряжения с регулируемым коэффициентом деления (12), согласующий усилитель (13), первый формирователь импульсов (14), блок индикации (15), введены ключ (16) на замыкание цепи, блок (17) запуска ГПН (10), блок смещения (18), дифференциальный усилитель (ДУ) (19), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (20), импульсный автогенератор (21) и формирователи импульсов (22, 23 и 24), соединенные соответственно. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерения остаточной электрической емкости ХИТ как в стационарных, так и в полевых условия.

Известно устройство для определения остаточной емкости кислотной свинцовой аккумуляторной батареи (АКБ) (а.с. №1619360, Н01М 10/48, БИ №1, 1991 г.), где АКБ подключают к тестовой нагрузке и, измеряя напряжение на АКБ до подключения нагрузки Е и с ней U_н, вычисляют коэффициент степени разряженности k по следующей формуле:

где E_max - максимальное ЭДС АКБ,

U_min - минимально допустимое напряжение на АКБ при разряде.

Затем, по определенной раннее зависимости

определяют остаточную емкость АКБ.

Известное устройство обладает недостатками. Во-первых, здесь требуются большие энергетические затраты, т.к. АКБ нагружается на очень малое нагрузочное(тестовое) сопротивление, т.е. если АКБ будет частично разряжена, то после такой проверки возможен полный разряд, что является недопустимым для АКБ, т.к. после такой процедуры они не подлежат восстановлению. Во-вторых, нагрузочное сопротивление нужно включать на очень малое время, т.к. иначе произойдет разряд АКБ и возможен выход из строя нагрузочного(тестового) сопротивления из-за перегрева. В-третьих, в расчетной формуле(1) значения E_max и U_min имеют определенные зоны допусков и поэтому расчеты по формулам 1 и 2 вызывают некоторую неопределенность. И в-четвертых, как известно [1], внутреннее сопротивление АКБ имеет сложный характер и величина его и, соответственно, внутреннее падение напряжения на АКБ будут находиться в зависимости от нагрузки. Поэтому величина U_н также будет иметь неопределенное значение.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения остаточной электрической емкости химических источников тока (ХИТ),описанное в патенте России №2214025 (БИ №28, 2003 г.). В известном устройстве, реализованном по алгоритму, представленному следующей формулой:

где

Q_хит - остаточная емкость измеряемого источника тока, А·ч;

С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф;

U - напряжение на измеряемом источнике тока, В;

t_зар - время заряда конденсатора от измеряемого источника, с;

k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого химического источника тока,

и содержащем измеряемый химический источник тока (ХИТ) 1, один полюс которого (минус) соединен с общей шиной устройства, ключ 2 на замыкание цепи, ключ 3 на размыкание цепи, причем ключи 2 и 3 работают синхронно, входы которых соединены со вторым полюсом (положительным) измеряемого ХИТ, конденсатор 4 известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной, а вторая - с выходом ключа 2, ключ на замыкание 5, работающий синхронно с ключами 2 и 3, вход которого соединен со входами ключей 2 и 3, аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) 6 (первый пиковый детектор), вход которого соединен с выходом ключа 5, делитель 7 напряжения с коэффициентом деления k₇=0,95 и делитель 8 напряжения с коэффициентом деления k₈=0,5, входы которых соединены с выходом АЗУ 6, компаратор 9, входы которого соединены, соответственно, через согласующие каскады 10 и 11 с выходом ключа 2 и делителя 7, ждущий генератор пилообразного линейно-нарастающего напряжения (ГПН)12, вход которого соединен с выходом ключа 3, управляемое АЗУ 13 (состоит из ключа на размыкание и пикового детектора), вход которого соединен с выходом ГПН 12, а управляющий вход - с выходом компаратора 9, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 14, вход которого соединен с выходом делителя 8, аналоговый делитель напряжений 15, входы которого соединены, соответственно, с выходами управляемого АЗУ 13 и усилителя 14, переключатель 16, индикатор 17, причем первый контакт переключателя соединен с выходом аналогового делителя 15, второй контакт - с выходом АЗУ 6, а третий - со входом индикатора 17, формирователь сигнала сброса 18, ключ 19 и ключ 20 сброса конденсатора 4, причем вход формирователя 18 соединен с выходом ключа 19, вход которого соединен с общей шиной устройства, выход формирователя 18 соединен со входами сброса АЗУ 6, управляемого АЗУ 13, индикатора 17 и ключа 20, вход которого соединен с общей шиной устройства, а выход - с выходом ключа 2, конденсатор 21, выводы которого соединены параллельно с контактами ключа 3, резистор 22, один вывод которого соединен с выходным контактом ключа 3, а второй вывод - с общей шиной устройства.

Однако указанное устройство измерения электрической емкости ХИТ обладает недостатком, заключающимся в том, что процесс измерения не автоматизирован, что увеличивает время измерения и делает процесс измерения неоперативным. Кроме того, при измерении емкости ХИТ, имеющих Q>10 А·ч, устройство имеет дополнительную погрешность измерения, которая определяется конечным суммарным значением сопротивлений подводящих концов и коммутирующего устройства, а также соизмеримостью этого сопротивления с внутренним сопротивлением ХИТ. Так, например, если проходное сопротивление коммутатора будет равно R_ком=1·10^-3 Ом (IRFC3603), а сопротивления подводящих концов R_k1=R_k2=0,5·10^-3 Ом и С=5000 мкФ, то постоянная времени заряда конденсатора τ_зар увеличится на дополнительную постоянную времени, равную:

τ_доп=[(1+0,5+0,5)·10^-3·5000·10^-6]=10 мкс.

Теоретическое время заряда конденсатора t_зар, рассчитанное по формуле (3) для негерметичных кислотных аккумуляторов (k=2) в зависимости от емкости Q_хит, будет иметь значения, представленные в таблице. Увеличение этого времени за счет дополнительного сопротивления подводящих концов и проходного сопротивления коммутатора на 30 мкс (измерение производится на уровне 3τ_зар=t_зар) дает дополнительную погрешность измерения σ_доп, приведенную также в таблице.

Qхит, А·ч	7	20	44	60	80	100
tзар, мкс	2143	750	341	250	188	150
σдоп, %	1,4	3,8	8,1	10,7	14	16,6

Кроме того, наличие аналогового делителя напряжений 16 также увеличивает погрешность измерения и усложняет устройство.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности, сокращение времени измерения электрической емкости ХИТ и упрощение конструкции устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство содержащее измеряемый химический источник тока (ХИТ) 1, один полюс которого (минус) соединен с общей шиной устройства, ключ 2 на замыкание цепи, вход которого соединен со вторым полюсом (положительным) измеряемого ХИТ, конденсатор 3 известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной, а вторая - с выходом ключа 2, ключ 4 на замыкание, соединенный параллельно конденсатору 3, ключ на замыкание 5, вход которого соединен со входом ключа 2, первое АЗУ 6, вход которого соединен с выходом ключа 5, делитель 7 напряжения с коэффициентом деления k₇=0,95 и делитель 8 напряжения с коэффициентом деления k₈=0,5, входы которых соединены с выходом АЗУ 6, компаратор 9, входы которого соединены, соответственно, с выходом ключа 2 и делителя 7, ждущий генератор пилообразного линейно-нарастающего напряжения (ГПН)10, управляемое АЗУ 11, вход которого соединен с выходом ГПН 10, а управляющий вход - с выходом компаратора 9, делитель напряжения с регулируемым коэффициентом деления 12, вход которого соединен с выходов делителя 8 через согласующий усилитель 13 с коэффициентом передачи k₁₃=1, первый формирователь импульсов 14, блок индикации 15, введены ключ 16 на замыкание цепи, на вход которого подается положительное напряжения питания, а управляющий вход соединен с управляющим входом ключа 2, блок 17 запуска ГПН 10, вход которого соединен с выходом ключа 16, а выход соединен со входом запуска ГПН 10, блок смещения 18, дифференциальный усилитель (ДУ) 19, причем первый вход ДУ 19 соединен с выходом управляемого АЗУ 11, а второй вход соединен с выходом блока смещения 18, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 20, вход которого соединен с выходом делителя 12, опорный вход соединен с выходом ДУ19, а выход соединен со входом блока индикации 15, импульсный автогенератор 21 и формирователь импульсов 22, причем выход генератора 21 соединен с управляющим входом ключа 5 и входом формирователя импульсов 22, выход которого соединен со входами управления ключей 2 и 16, формирователи импульсов 23 и 24, причем вход формирователя 23 соединен с выходом компаратора 9 и входом управления управляемого АЗУ 11, а выход формирователя 23 соединен со входом формирователя 24, выход которого соединен со входом запуска АЦП 20 и входом формирователя 14, выход которого соединен со входами сброса АЗУ 6, управляемого АЗУ 11 и ключа 4 сброса конденсатора 3.

На фиг.1 изображена электрическая схема для измерения остаточной электрической емкости химического источника тока.

Схема включает измеряемый источник тока 1, ключи 2, 4, 5 и 16 на замыкание цепи, конденсатор 3 известной емкости, АЗУ 6, делитель 7 напряжения с коэффициентом деления k₇=0.95, делитель 8 напряжения с коэффициентом деления k₈=0.5, компаратор 9, генератор пилообразного линейно-нарастающего напряжения (ГПН)10 в ждущем режиме, управляемое АЗУ 11, делитель с регулируемым коэффициентом деления 12 с согласующим усилителем 13, формирователь импульса сброса 14, блок индикации 15, блок 17 запуска ГПН 10, источник напряжения смещения 18, блок вычитания 19, АЦП 20, импульсный автогенератор 21, формирователь 22 импульсов запуска ключей 2 и 16, формирователь 23 и формирователь 24 запуска АЦП 20. Причем сопротивление соединительных проводов, ключа 2 в замкнутом состоянии и токосъемников должно быть минимально возможным.

Предложенное устройство работает следующим образом. Автогенератор 21 вырабатывает импульсы длительностью, примерно, 5 мс и частотой следования, примерно, 4 Гц (т.е. со скважностью 50). При подсоединении измеряемого ХИТ 1 к устройству через ключ 5, который открывается импульсами с генератора 21, напряжение ХИТ запоминается в АЗУ 6, которое подается на входы делителей напряжения 7 и 8, имеющих коэффициенты передачи соответственно k₇=0,95 и k₈=0,5. Т.е. на выходе делителя 8 напряжение будет иметь вид:

Напряжение с выхода делителя 7, как опорное напряжение, подается на второй вход компаратора 9. Выходной сигнал с генератора 21 подается также на вход формирователя 22, который формирует импульс по заднему фронту выходного импульса генератора 21 длительностью, примерно равной 10 мс (определяется необходимым временем заряда конденсатора 3), управляющий ключами 2 и 16. Ключи 2 и 16 работают синхронно. При замыкании ключа 2 заряжается конденсатор 3 известной емкости, а при замыкании ключа 16 положительное напряжение питания подается на вход формирователя запуска ГПН, с выхода которого линейно нарастающее напряжение подается на вход второго управляемого АЗУ 11. При достижении на конденсаторе 3 напряжения, равного уровню 0,95Е_хит на выходе компаратора 9, первый вход которого соединен с пластиной конденсатора 3, возникает положительный перепад напряжения, который переводит управляемое АЗУ 11 в режим запоминания. Постоянное запомненное напряжение на выходе АЗУ 11 будет пропорционально времени заряда конденсатора 3 до необходимого уровня U_хит (в данном случае 0,95). Т.е. ГПН10, АЗУ 11 и компаратор 9 являются элементами преобразователя время-напряжение с коэффициентом преобразования, например, 1 мВ/мкс. Напряжение с выхода АЗУ 11 подается на первый вход вычитающего устройства 19, на второй вход которого подается напряжение с источника напряжения смещения 18. Напряжение на выходе вычитающего устройства 19 будет пропорционально t_зар и имеет вид:

где U₁₈ - напряжение смещения, пропорциональное дополнительному времени заряда конденсатора 3, обусловленное конечным значением сопротивлений подводящих проводов и ключа 2. В приведенном выше примере U₁₈=30 мВ. U₁₄ при указанном выше коэффициенте преобразования 1 мВ/мкс будет составлять, например, для t_зар=280 мкс 280 мВ и тогда U₁₉=250 мВ.

Напряжение с выхода делителя 8 подается на вход регулируемого делителя 12 через согласующий усилитель 13. Коэффициент деления делителя 12 рассчитывается по следующей формуле:

где С - численное значение электрической емкости конденсатора 3 в мФ;

k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические

особенности измеряемого химического источника тока.

Т.е., например, если С3=5000 мкФ = 5 мФ, а испытуемый ХИТ является кислотным или щелочным негерметичным аккумулятором, то k=2 и K₁₅=0,25. Таким образом, на выходе делителя 12 напряжение будет иметь вид:

Выходной сигнал с компаратора 9 подается также на вход формирователя 23, выполняющего функцию задержки. Короткий импульс, примерной длительностью 1 мс, с выхода формирователя 23, запускаемый передним фронтом сигнала с выхода компаратора 9, подается на вход формирователя 24. На выходе формирователя 24 формируется импульс по заднему фронту входного сигнала длительностью, примерно, 200 мс, который подается на запуск АЦП 20 и вход формирователя 14 импульса сброса.

Напряжение с выхода делителя 12 подается на вход АЦП 20, на опорный вход которого подается напряжение с выхода вычитающего устройства 19. Как известно [5], выходной код интегрирующего АЦП будет соответствовать напряжению на аналоговом входе, умноженному на определенный коэффициент

где K=1/Uоп.

С учетом (8) выходной код АЦП 20 можно записать в следующем виде:

Если интегрирующий АЦП 20 имеет выход на семисегментный индикатор, то на блоке индикации 15 будут индицироваться цифры, соответствующие измеренной емкости Q_ХИТ.

Формирователь 14 формирует по заднему фронту входного сигнала импульс сброса длительностью, примерно, 30 мс, который замыкает ключ 4 и разряжает конденсатор 3.

На фиг.2 представлены временные диаграммы работы устройства.

Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока, реализующее алгоритм

где Q_эл - электрическая емкость измеряемого источника тока. А·ч;

С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф;

U - напряжение на измеряемом источнике тока, В;

t_зар - время заряда конденсатора от измеряемого источника, с;

k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого химического источника тока,

и содержащее измеряемый химический источник тока (ХИТ) (1), один полюс которого (минус) соединен с общей шиной устройства, ключ (2) на замыкание цепи, вход которого соединен со вторым полюсом (положительным) измеряемого ХИТ, конденсатор (3) известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной, а вторая - с выходом ключа (2), ключ (4) на замыкание, соединенный параллельно конденсатору (3), ключ на замыкание (5), вход которого соединен со входом ключа (2), первое аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) (6), вход которого соединен с выходом ключа (5), делитель (7) напряжения с коэффициентом деления k₇=0,95 и делитель (8) напряжения с коэффициентом деления k₈=0,5, входы которых соединены с выходом АЗУ (6), компаратор (9), входы которого соединены соответственно с выходом ключа (2) и делителя (7), ждущий генератор пилообразного линейно-нарастающего напряжения (ГПН) (10), управляемое АЗУ (11), вход которого соединен с выходом ГПН (10), а управляющий вход - с выходом компаратора (9), делитель напряжения с регулируемым коэффициентом деления (12), вход которого соединен с выходом делителя (8) через согласующий усилитель (13), первый формирователь импульсов (14), блок индикации (15), введены ключ (16) на замыкание цепи, на вход которого подается положительное напряжения питания, а управляющий вход соединен с управляющим входом ключа (2), блок (17) запуска (ГПН) (10), вход которого соединен с выходом ключа (16), а выход соединен с входом запуска ГПН (10), блок смещения (18), дифференциальный усилитель (ДУ) (19), причем первый вход ДУ (19) соединен с выходом управляемого АЗУ (11), а второй вход соединен с выходом блока смещения (18), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (20), вход которого соединен с выходом делителя (12), опорный вход соединен с выходом ДУ(19), а выход соединен со входом блока индикации (15), импульсный автогенератор (21) и формирователь импульсов (22), причем выход автогенератора (21) соединен с управляющим входом ключа (5) и входом формирователя импульсов (22), выход которого соединен со входами управления ключей (2 и 16), формирователи импульсов (23 и 24), причем вход формирователя (23) соединен с выходом компаратора (9) и входом управления управляемого АЗУ (11), а выход формирователя (23) соединен с входом формирователя (24), выход которого соединен со входом запуска АЦП (20) и входом формирователя (14), выход которого соединен со входами сброса АЗУ (6), управляемого АЗУ(11) и ключа (4) сброса конденсатора(3).