Способ измерения электрической емкости химических источников тока

 

Использование: в электроизмерительной технике. Технический результат заключается в сокращении времени измерения и упрощении процесса измерения. Согласно изобретению способ измерения электрической емкости химических источников тока (ХИТ) заключается в процессе разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку, измерении времени заряда конденсатора и расчете электрической емкости измеряемого химического источника тока по формуле Q_эл = C•U/(2t_зap•k), 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 тока, С; k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого ХИТ. 1 ил., 3 табл.

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

Известен способ определения остаточной емкости кислотной свинцовой аккумуляторной батареи (АКБ) (а.с. N 1619360, H 01 M 10/48, БИ N 1, 1991 г.), где АКБ подключают к тестовой нагрузке и, измеряя напряжение на АКБ до подключения нагрузки E и с ней U_н, вычисляют коэффициент степени разряженности k по следующей формуле: k = (E_max - E)/(U_н - U_min), (1) где E_max - максимальное ЭДС АКБ, U_min - минимальное допустимое напряжение на АКБ при разряде.

Затем, по определенной раннее зависимости Q_ост = f(k), (2) определяют остаточную емкость АКБ.

Известный способ 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.

Известен еще импульсный способ для измерения остаточной емкости ХИТ, описанный в а.с. N 1718305 (H 01 M 10/48, БИ N 9, 1992 г.), где АКБ зондируют импульсами длительностью от 10^-3 до 10³ с в зависимости от остаточной емкости батареи, измеряют зависимость тока от времени и по раннее установленной зависимости определяется остаточная емкость ХИТ. Этот способ является неоперативным, т.к. продолжительность времени измерения может доходить до 1000 с, т. е около 17 мин (для длительностей импульса около 10³ с). И, кроме того, известный способ является для реализации аппаратуроемким, т.к. требует применения специальных генераторов с регулируемой длительностью импульса и регулируемой амплитудой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения сопротивления короткого замыкания (КЗ) ХИТ, описанный в а. с. N 547878 (H 01 M 10/48, БИ N 7, 1977 г.). В известном способе путем разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку фиксируют изменение напряжения наней и строят кривую зависимости этого напряжения от времени, и, далее, выбирая на кривой любую точку до значения напряжения, равного 0,8E_хит, по координатам этой точки вычисляют сопротивление К3.

Однако указанный способ не предназначен для измерения электрической емкости ХИТ и является довольно трудоемким и долговременным, несмотря на то, что максимальное время процесса заряда конденсатора составляет доли секунды. Кроме того, известный способ имеет ограничения по выбору рабочей точки на кривой (Uc/E ≅ 0,8), что не всегда является оптимальным с точки зрения измерения остаточной емкости ХИТ.

Целью предлагаемого изобретения является сокращение времени измерения и упрощение процесса измерения электрической емкости ХИТ.

Поставленная цель достигается тем, что в процессе разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку фиксируют время заряда конденсатора до напряжения источника и по определенной зависимости вычисляют электрическую емкость Q_эл ХИТ.

На чертеже изображена электрическая схема для измерения электрической емкости химического источника тока.

Схема включает испытуемый источник тока 1, ключ 2 на замыкание цепи, конденсатор 3 известной емкости, вольтметр постоянного тока 4, ключ 5 на размыкание цепи и устройство 6 измерения времени заряда конденсатора (осциллограф, таймер и пр.).

Соединительные провода ключей 2 и 5 и ХИТ 1 с устройством 6 измерения времени заряда конденсатора необходимы для синхронизации процесса измерения времени.

Сопротивление соединительных проводов, ключа 2 в замкнутом состоянии и токосъемников должно быть минимально возможным (примерно на порядок меньше внутреннего сопротивления измеряемого источника тока).

Электрическую емкость Q_эл измеряемого источника тока можно представить в виде суммы n-го количества одинаковых малых емкостей и записать в следующем виде: Q_эл = n • Q_k + Q_ост, (3) где Q_k - количество электричества, накопленное конденсатором во время его заряда или электрическая емкость накопительного конденсатора; n - целое положительное число; Q_ост - оставшаяся часть электрической емкости измеряемого источника тока, причем Q_ост < Q_k.

При значениях Q_эл >> Q_k величиной Q_ост можно пренебречь и тогда формулу (3) запишем в виде:
Q_эл = n • Q_k. (4)
Значение емкости Q_k определяется, как известно [2], следующим выражением:
Q_k = C • U/2, (5)
где C - фарадеевская емкость конденсатора;
U - напряжение на измеряемом источнике тока.

Исходя из формул (4) и (5), запишем:
Q_эл = n • C • U/2, (6)
где Q_эл - [Кл] или [A•c];
C - [A • c/B];
U - [B].

Т. к. электрическую емкость Q_эл ХИТ принято выражать в A•ч, то выражение (6) запишем в следующем виде:
Q_эл • 3600 = n • Q_k = n•C•U/2. (7)
Тогда из выражения (7) получим:
n = 3600 • 2 • Q_эл/(C•U) (8)
или
n = 3600 - Q_эл/Q_k. (9)
Определим число n для ХИТ с электрической емкостью Q_эл1=55 A•ч (U=12 В) и Q_эл2 = 38 мА • ч (U=1,5 В) при разряде их на конденсатор, имеющий емкость C = 5000 мкФ. Тогда, согласно ф-ле (5), имеем:
Q_k1 = 0,005 • 12/2 = 0,03 [A•c].

Q_k2 = 0,005 • 1,5/2 = 0,00375 [A•c].

По формуле (9) рассчитаем число n для каждого из приведенных значений ХИТ:
n1 = 55•3600/0,03 = 6600000,
n2 = 0,038 • 3600/0,00375 = 36480.

Т. е. , такое число выборок можно сделать непрерывно для каждого из приведенных ХИТ с помощью конденсатора известной емкости (например, 5000 мкФ), чтобы их полностью разрядить.

Тогда, число возможных зарядов накопительного конденсатора или непрерывных выборок заряда N с исследуемого ХИТ в единицу времени (за 1 с) определится как:
N = 3600 • Q_эл/(3600 • Q_k) = Q_эл/Q_k, (10)
и для ХИТ известной емкости получим:
N1 = 55/0.03 = 1833,3;
N2 = 0,038/0,00375 = 10,13.

Т.е., такое число выборок можно сделать для каждого из приведенных ХИТ с помощью конденсатора известной емкости (5000 мкФ) за единицу времени t_ед = 1 с.

Если нам известно число возможных непрерывных выборок заряда для определенных ХИТ в единицу времени, то можно определить и время заряда конденсатора за одну выборку с учетом электрической емкости ХИТ, т.е.:
t_зар = t_ед/N, [c] (11)
или, учитывая (10), получим:
t_зар = t_ед/N = t_ед/Q_эл/Q_k= t_ед • C • U/ 2Q_эл[c/(A•ч)/(A•ч)]. (12)
Как показали проведенные исследования и практические измерения, число N действительно является величиной, обратно пропорциональной времени заряда t_зар накопительного конденсатора, и тогда, исходя из (12), запишем:
Q_эл = t_ед/t_зар = t_ед • C • U/2t_зар, [A•ч], (13)
или, для упрощения, опуская единицу времени t_ед и учитывая ее лишь в размерности, запишем:
Q_эл=Q_k/t_зар = C • U/2t_зар, [A•ч]. (13а)
При проведении измерений Q_эл определение полного времени заряда накопительного конденсатора из-за экспоненциального характера зарядной кривой на ее конечном этапе связано с большими погрешностями измерения. Поэтому, с точки зрения уменьшения погрешности измерения, удобно измерять время заряда конденсатора не до полного значения напряжения ХИТ, а до некоторого его уровня, например 0,95 U_хит или 0,9U_хит. Практически были опробованы следующие уровни: 0,95; 0,9; 0,86; 0,8; 0,7; 0,63; 0,5. Лучшие результаты были получены при уровнях от 0,95 до 0,86, т.к. при этих уровнях в ХИТ в работу включаются все активные поверхности электродов. Поэтому, для практических расчетов формула (13а) будет иметь следующий вид:
Q_эл = C • U/(2t_зар • k), [A•ч], (14)
где k - коэффициент, устанавливаемый для каждого типа ХИТ, т.к. он определяется применяемыми материалами при изготовлении источников тока, его конструктивными и технологическими параметрами, а также уровнем заряда накопительного конденсатора (для миниатюрных элементов и кислотных негерметичных аккумуляторов при уровне заряда 0,95 U_хит k=2).

Исходя из вышеизложенного, определим теоретическое время заряда накопительного конденсатора для известной электрической емкости химического источника тока:
t_зар = C • U •/(2Q_эл • k), [c] (15)
или
t_зар = Q_k/(Q_эл • k), [c]. (16)
Из формул (15) и (16), для Q_эл1 = 55 A •ч и Q_эл2 = 38 мА•ч получим:
t_зар1 = 1/(1833,33•2) = 0,000272727 с ≈ 273 мкс,
t_зар2 = 1/(10,13•2) = 0,049358341 с ≈ 49,35 мс.

Таким образом, зная значение k для каждого типа ХИТ, можно заранее (теоретически) рассчитать время заряда конденсатора известной емкости и по его отклонению в ту или иную сторону определять степень заряженности или остаточную емкость исследуемого ХИТ.

Для подтверждения вышеизложенного ниже приведены результаты проведенных измерений. Партия из шести миниатюрных элементов питания (А76 LR44) китайского производства по японской технологии с номинальным напряжением 1,5 В и электрической емкостью 50 мА•ч имела результаты измерений, представленные в табл. 1.

В табл. 2 приведены результаты измерений различных типов ХИТ.

В табл. 3 приведены сравнительные технико-экономические показатели элементов типа AG8 разных фирм-производителей:
Источники информации
1. А.Е. Зорохович и др. "Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей", М.: "Энергия", 1975, 208 с.

2. А. М. Вайлов и Ф.И. Эйгель "Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей", М., "Связь", 1975, с. 4-87.

3. В.В. Романов, Ю.М. Хашев "Химические источники тока", М.: "Советское радио", 1978, 264 с.

4. В. С. Баготский, А. М. Скундин "Химические источники тока", М.: "Энергоиздат", 1981, 360 с.

Формула изобретения

Способ измерения электрической емкости химических источников тока путем измерения напряжения на источнике, разряда его на конденсаторную нагрузку и вычисления измеряемого параметра, отличающийся тем, что в процессе разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку измеряют время заряда конденсатора и рассчитывают электрическую емкость измеряемого химического источника тока по формуле
Q_эл = C • U/(2t_зар • k),
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 тока, с;
k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого химического источника тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3