Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока

 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерения остаточной электрической емкости химических источников тока (ХИТ) как в стационарных, так и в полевых условиях. Технический результат заключается в сокращении времени измерения и упрощении настройки и процесса измерения электрической емкости ХИТ. Для этого устройство содержит измеряемый ХИТ, первый и второй ключи на замыкание цепи, первый и второй ключи на размыкание цепи, конденсатор известной емкости, первый и второй пиковые детекторы, делитель напряжения с коэффициентом деления к₇=0,95 и делитель напряжения с коэффициентом деления к₈= 0,5, компаратор, первый и второй согласующие каскады, ждущий генератор пилообразного линейно нарастающего напряжения, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, аналоговый делитель напряжений, переключатель, индикатор, формирователь сигнала сброса, первый и второй ключи сброса конденсатора известной емкости и резистор. 1 ил.

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

Известно устройство для определения остаточной емкости кислотной свинцовой аккумуляторной батареи (АКБ) (а.с. 1619360, Н 01 М 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: k = (E_max - E)/(U_н - U_min), (1) где E_max - максимальное ЭДС АКБ, U_min - минимально допустимое напряжение на АКБ при разряде.

Затем по определенной раннее зависимости Q_ост = f(k) (2) 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 Е_mах 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 способ измерения электрической емкости химических источников тока (ХИТ), описанный в заявке на патент России (приоритет от 01.12.1999 г., рег. 99124862/09). В известном способе путем измерения напряжения на источнике, разряда его на конденсаторную нагрузку, 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), (3) 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.

Однако указанный способ измерения электрической емкости ХИТ обладает недостатком, заключающимся в том, что, в конечном итоге, приходится делать расчеты по известной формуле (3), что значительно увеличивает время измерения и делает процесс измерения не оперативным. Кроме того, приходится проводить предварительное измерение напряжения на ХИТ, а также настраивать таймер или запоминающий осциллограф, применяемые в качестве запоминающего и индикаторного устройств. Целью предлагаемого изобретения является сокращение времени измерения и упрощение настройки и процесса измерения электрической емкости ХИТ.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, реализованном по алгоритму, представленному формулой (3), и содержащем испытуемый 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) исследуемого ХИТ, конденсатор 4 известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной, а вторая - с выходом ключа 2, введены ключ на замыкание 5, работающий синхронно с ключами 2 и 3, вход которого соединен со входами ключей 2 и 3, первый пиковый детектор 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 первого пикового детектора 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, ключ на размыкание 13, вход которого соединен с выходом ГПН 12, а управляющий вход - с выходом компаратора 9, второй пиковый детектор 14, вход которого соединен с выходом ключа 13, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 15, вход которого соединен с выходом делителя 8, аналоговый делитель напряжений 16, входы которого соединены соответственно с выходами второго пикового детектора 14 и усилителя 15, переключатель 17, индикатор 18, причем первый контакт переключателя соединен с выходом аналогового делителя 16, второй контакт - с выходом первого пикового детектора 6, а третий - со входом индикатора 18, формирователь сигнала сброса 19, ключ 20 и ключ сброса 21 конденсатора 4, причем вход формирователя 19 соединен с выходом ключа 20, вход которого соединен с общей шиной устройства, выход формирователя 19 соединен со входами сброса первого пикового детектора 6, второго пикового детектора 14, индикатора 18 и ключа 21, вход которого соединен с общей шиной устройства, а выход - с выходом ключа 2, конденсатор 22, выводы которого соединены параллельно с контактами ключа 3, резистор 23, один вывод которого соединен с выходным контактом ключа 3, а второй вывод - с общей шиной устройства.

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

Схема включает испытуемый источник тока 1, ключ 2 на замыкание цепи, ключ 3 на размыкание цепи, ключ 5 на замыкание, конденсатор 4 известной емкости, первый пиковый детектор 6, делитель 7 напряжения с коэффициентом деления k₇=0,95, делитель 8 напряжения с коэффициентом деления k₈=0,5, компаратор 9 с согласующими каскадами 10 и 11 на входах, генератор пилообразного линейно нарастающего напряжения (ГПН) 12 в ждущем режиме, ключ на размыкание 13, второй пиковый детектор 14, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 15, аналоговый делитель напряжений 16, переключатель 17 вида измерений, индикатор 18, формирователь сигнала сброса 19, ключи сброса 20 и 21, конденсатор 22 и резистор 23. Причем сопротивление соединительных проводов, ключа 2 в замкнутом состоянии и токосъемников должно быть минимально возможным (примерно на порядок меньше внутреннего сопротивления измеряемого источника тока).

Предложенное устройство работает следующим образом. При подсоединении испытуемого ХИТ 1 к устройству через ключ 5 напряжение ХИТ фиксируется на выходе пикового детектора ПД6, 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
U₈ = E_хит/2. (4)
Напряжение с выхода делителя 7, как опорное напряжение, подается на второй вход компаратора 9. Ключи 2, 3 и 5 работают синхронно. При замыкании ключа 2 заряжается конденсатор 4 известной емкости и размыкается ключ 3, возникающий при этом на его выходе отрицательный перепад напряжения запускает ГПН 12, и линейно нарастающее напряжение подается на вход второго пикового детектора 14 через замкнутые контакты ключа 13. При достижении на конденсаторе 4 напряжения, равного уровню 0,95 Е_хит, на выходе компаратора 9, первый вход которого соединен через согласующий каскад 10 с пластиной конденсатора 4, возникает положительный перепад напряжения, который закрывает ключ 13. Постоянное запомненное напряжение на выходе второго ПД 14 будет пропорционально времени заряда конденсатора 4 до необходимого уровня Е_хит (в данном случае 0,95). Т.е. ГПН 12, ключ 13, ПД14 являются элементами преобразователя время-напряжение с коэффициентом преобразования, например, 1 мВ/мкс. Напряжение с выхода ПД 14 подается на второй вход аналогового делителя напряжения 16. Напряжение с выхода делителя 8 подается на вход усилителя 15. Коэффициент усиления усилителя 15 рассчитывается по следующей формуле:
K₁₆ = C/k, (5)
где С - численное значение электрической емкости конденсатора 4 в млФ;
k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого химического источника тока.

Т.е, например, если С4=5000 мкФ, а испытуемый ХИТ является кислотным или щелочным негерметичным аккумулятором, то k=2 и K₁₆=2,5. Таким образом, на выходе усилителя 16 напряжение будет иметь вид
U₁₆ = U_хит•C/(2•k). (6)
Напряжение с выхода усилителя 15 подается на первый вход аналогового делителя 16, на выходе которого будет напряжение
U₁₆ = U_хит•C/(2•k•U_пд14), (7)
где U_пд14 - напряжение на выходе второго ПД, пропорциональное t_зap, и при указанном выше коэффициенте преобразования 1 мВ/мкс будет составлять, например, для t_зар=280 мкс, U_пд14=280 мВ,
которое через контакты переключателя 17 подается на вход индикатора 18, который через переключатель 17 подключается также к выходу первого ПД 6 для индикации напряжения на исследуемом ХИТ.

При замыкании контактов переключателя 20 на выходе формирователя 19 сигнала сброса формируется сигнал, обнуляющий первый ПД 6, второй ПД 14, через ключ 21 конденсатор 4 и показания индикатора 18.

Конденсатор 22 и резистор 23 формируют устойчивый импульс запуска ключа 12.

Источники информации
1. Зорохович А.Е. и др. Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей. М., Энергия, 1975, 208 с.

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

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

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

Формула изобретения

Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока, реализующее алгоритм
Q_эл=С•U/(2t_зар•k),
где Q - 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), один полюс которого соединен с общей шиной устройства, первый ключ на замыкание цепи, первый ключ на размыкание цепи, причем первый ключ на замыкание цепи и первый ключ на размыкание цепи работают синхронно, входы которых соединены с другим полюсом измеряемого ХИТ, конденсатор известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной, а вторая - с выходом первого ключа на замыкание цепи, отличающееся тем, что в него введены второй ключ на замыкание цепи, работающий синхронно с первым ключом на замыкание цепи и с первым ключом на размыкание цепи, его вход соединен со входами первого ключа на замыкание цепи и первого ключа на размыкание цепи, первый пиковый детектор, вход которого соединен с выходом второго ключа на замыкание цепи, делитель напряжения с коэффициентом деления к₇=0,95 и делитель напряжения с коэффициентом деления к₈=0,5, входы которых соединены с выходом первого пикового детектора, компаратор, первый и второй входы которого соединены, соответственно, через первый и второй согласующие каскады с выходом первого ключа на замыкание цепи и делителя напряжения с коэффициентом деления к₇= 0,95, ждущий генератор пилообразного линейно нарастающего напряжения, вход которого соединен с выходом первого ключа на размыкание цепи, второй ключ на размыкание цепи, вход которого соединен с выходом ждущего генератора пилообразного линейно нарастающего напряжения, а управляющий вход соединен с выходом компаратора, второй пиковый детектор, вход которого соединен с выходом второго ключа на размыкание цепи, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом делителя напряжения с коэффициентом деления к₈= 0,5, аналоговый делитель напряжений, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и второго пикового детектора, переключатель, индикатор, причем первый контакт переключателя соединен с выходом аналогового делителя напряжений, второй контакт - с выходом первого пикового детектора, а третий - со входом индикатора, формирователь сигнала сброса, первый и второй ключи сброса конденсатора, причем вход формирователя сигнала сброса соединен с выходом первого ключа сброса конденсатора, вход которого соединен с общей шиной устройства, выход формирователя сигнала сброса соединен со входами сброса первого и второго пиковых детекторов и второго ключа сброса конденсатора, вход которого соединен с общей шиной устройства, а выход - с выходом первого ключа на замыкание цепи, конденсатор, выходы которого соединены параллельно со входом и выходом первого ключа на размыкание цепи, резистор, один вывод которого соединен с выходом первого ключа на размыкание цепи, а другой вывод - с общей шиной устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1