Устройство непрерывного контроля электрических характеристик аккумулятора

Устройство непрерывного контроля электрических характеристик аккумулятора предназначено для контроля работоспособности стационарных аккумуляторных батарей. Устройство содержит датчик с излучающими и приемными пьезоэлектрическими преобразователями, источник высокочастотного напряжения и вычислительное устройство. Датчик состоит из двухканального акустического тракта, первый канал которого состоит из пары излучатель-приемник, разделенной звукопроводом из магнитострикционного материала и имеющего форму контура, внутреннее пространство которого заполняется электролитом. Второй канал образует звукопровод в форме контура, охватывающего внешнюю поверхность звукопровода первого акустического канала и выполненного из такого же материала, и расположенные на торцах звукопровода излучатель и приемник. Структурная схема вычислительного устройства состоит из блока измерения тока в электролите аккумулятора, блока оценки состояния аккумулятора и блока измерения электрических характеристик аккумулятора. Технический результат: уменьшение методической составляющей погрешности измерения электрических характеристик за счет использования в качестве информационного признака плотности тока, протекающего через электролит; непрерывность и многофункциональность контроля: контроль напряжения разомкнутой цепи, напряжения замкнутой цепи, электрического сопротивления электролита, разрядной емкости аккумулятора; уменьшение инструментальной составляющей погрешности при использования схемы компенсации изменения свойств пьезоэлектрических преобразователей и магнитострикционных звукопроводов акустических каналов. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для контроля работоспособности аккумуляторов.

Известен электрический прибор [С.А.Спектор. Электрические измерения физических величин. Ленинград, Энергоатомиздат, 1987] для определения концентрации раствора, содержащий источник излучения, оптический тракт, датчик, оптоэлектронный преобразователь и вычислительное устройство.

К недостатком такого устройства относится существенная погрешность измерения плотности электролита при установке датчика в аккумуляторе, обусловленная загрязнением оптического тракта, появлением пузырей газа при разряде, изменением температуры.

Известно устройство [Б.А.Агрант, М.Н.Дубрович и др. Основы физики и техники ультразвука. М., "Высшая школа", 1987], измеряющее концентрацию раствора путем определения параметров ультразвуковой волны, проходящей через него. Технология формирования информационного сигнала и элементный состав таких устройств наиболее близки к предлагаемому (прототип).

В прототипе используется импульсный источник высокочастотного напряжения, датчик, состоящий из излучающего и приемного пьезоэлектрических преобразователей, и вычислительное устройство. Излученный акустический импульс, проходя через контролируемое вещество, поступает в приемный пьезоэлектрический преобразователь. Временное запаздывание принятого импульса по отношению к излученному, пропорциональное скорости ультразвука в веществе, представляет собой информационный сигнал. В вычислительном устройстве реализуется эмпирическая зависимость скорости ультразвука от концентрации плотности раствора.

Основной недостаток прототипа заключаются в существенной погрешности измерения электрических характеристик аккумулятора. Указанная погрешность определяется следующими факторами:

1. Наличие значительной методической составляющей погрешности. Действительно, известно [В.Л.Киреев. Курс физической химии. М., "Химия", 1975; В.Н.Варыпаев, М.А.Дасоян, В.А.Никольский. Химические источники тока. М., "Высшая школа", 1990], что плотность электролита является косвенной оценкой электрических характеристик аккумуляторов:

U_рц - напряжение на клеммах аккумуляторов при "разорванной цепи";

U_п - напряжение его при наличии нагрузки;

R_i - внутреннее сопротивление аккумулятора, определяемое сопротивлениями всех компонентов внутренней электрической цепи;

q - разрядная емкость аккумулятора.

Поэтому применяемая в практике оценка состояния аккумулятора в целом лишь по одной из характеристик, а именно по удельной электропроводности, является недостаточной. Кроме того, зависимость электропроводности от концентрации имеет неоднозначный характер и существенно зависит от температуры электролита;

2. Большая инструментальная погрешность измерения скорости ультразвука в рабочей зоне аккумулятора. Действительно, при измерениях скорости ультразвука (С) используется зависимость

где L - расстояние между излучателем и приемником ("база");

τ - величина временного запаздывания.

Ошибка измерения скорости обратно пропорциональна базе

.

Следовательно, при малых значениях L ошибка измерения может иметь большую величину;

3. На скорость ультразвука кроме концентрации оказывают влияние другие физико-химические свойства электролита (вязкость, молекулярный вес и др.), наличие пузырей воздуха, что вызывает появление дополнительных погрешностей.

Предлагаемое изобретение направлено на обеспечение непрерывности и повышения точности контроля электрических характеристик аккумулятора.

Технический результат заключается в:

- уменьшении методической составляющей погрешности измерения электрических характеристик за счет использования в качестве информационного признака плотности тока, протекающего через электролит, в то время как в прототипе используется информационный признак - скорость ультразвука, косвенно связанная с электрическими характеристиками электролита;

- непрерывности и многофункциональности контроля: контроль напряжения разомкнутой цепи - U_рц, напряжения замкнутой цепи U_н, электрического сопротивления электролита, g-разрядной емкости аккумулятора;

- уменьшении инструментальной составляющей погрешности за счет использования схемы компенсации изменения свойств пьезоэлектрических преобразователей и магнитострикционных звукопроводов акустических каналов.

Техническая задача осуществляется с помощью устройства непрерывного контроля электрических характеристик аккумулятора, содержащего датчик с двухканальным акустическим трактом, первый канал которого образует одна пара излучатель-приемник с расположенным между ними звукопроводом первого акустического канала, имеющего форму контура и выполненного из магнитострикционного материала, внутренняя поверхность которого расположена в электролите аккумулятора, причем сечение контура расположено перпендикулярно направлению тока в электролите, внешняя поверхность контура охватывается разомкнутым контуром из такого же магнитострикционного материала, образующим звукопровод второго акустического канала, при этом на торцах звукопровода расположены излучатель и приемник второго акустического канала, причем излучатели датчика подключены к выходу источника высокочастотного напряжения, подключенного по питанию к клеммам аккумулятора, а вычислительное устройство включает блок измерения тока в электролите, блок оценки состояния аккумулятора и блок измерения электрических характеристик аккумулятора, причем выходы приемников датчика подключены соответственно к первому и второму входам блока измерения тока в электролите, первым выходом подключенного ко второму входу блока оценки состояния аккумулятора, первый вход которого соединен с первым входом блока измерения электрических характеристик аккумулятора и со вторым выходом блока измерения тока в электролите, третий выход его соединен с третьим входом блока измерения электрических характеристик аккумулятора, при этом второй вход этого блока соединен с выходом блока оценки состояния аккумулятора, третьим входом соединенного с вторым входом блока измерения тока в электролите.

Структурная схема устройства непрерывного контроля электрических характеристик аккумулятора изображена на чертеже.

Устройство непрерывного контроля электрических характеристик аккумулятора состоит из источника высокочастотного напряжения 1, датчика 2 с двухканальным акустическим трактом, первый канал которого образует излучающий пьезоэлектрический преобразователь (излучатель) 3, приемный пьезоэлектрический преобразователь (приемник) 4 и расположенный между ними звукопровод первого акустического канала 5 в форме контура, выполненного из магнитострикционного материала, внутренняя поверхность которого, огражденная защитным слоем 6, образует контактное пространство 7 датчика, причем сечение контура расположено перпендикулярно направлению тока в электролите, внешняя поверхность контура охватывается разомкнутым контуром из такого же магнитострикционного материала, образующим звукопровод 8 второго акустического канала, включающего расположенные на торцах звукопровода излучающий пьезоэлектрический преобразователь (излучатель) 9 и приемный пьезоэлектрический преобразователь (приемник) 10. Акустические каналы помещены в корпус 11. Излучатели датчика подключены к выходу источника высокочастотного напряжения 1, подключенного по питанию к клеммам аккумулятора, а вычислительное устройство 12 включает блок измерения тока в электролите 13, блок оценки состояния аккумулятора 14 и блок измерения электрических характеристик аккумулятора 15, причем выходы приемников датчика подключены соответственно к первому и второму входам блока измерения тока в электролите 13, первым выходом подключенного ко второму входу блока оценки состояния аккумулятора 14, первый вход которого соединен с первым входом блока измерения электрических характеристик аккумулятора 15 и со вторым выходом блока измерения тока в электролите 13, третий выход его соединен с третьим входом блока измерения электрических характеристик аккумулятора 15, при этом второй вход этого блока соединен с выходом блока оценки состояния аккумулятора 14, третьим входом соединенного со вторым входом блока измерения тока в электролите 13.

Устройство непрерывного контроля электрических характеристик аккумулятора реализует непрерывный контроль следующих свойств аккумулятора:

R_i - внутреннее сопротивление аккумулятора, определяемое сопротивлениями всех компонентов внутренней электрической цепи. Для измерения величины R_i используется формула

где U_рц - напряжение на клеммах аккумуляторов при "разорванной цепи";

U_п - напряжение его при наличии нагрузки;

I - ток, протекающий в электролите аккумулятора;

g_k=I_kT_k - разрядная емкость аккумулятора при к-м цикле разряда длительностью T_k;

I_k - средний ток в цикле;

- суммарная разрядная емкость аккумулятора.

Реализация указанных формул в устройстве происходит следующим образом. Датчик 2 устанавливают во внутреннем пространстве аккумулятора таким образом, чтобы плоскость сечения звукопровода 5 была перпендикулярна направлению тока в электролите, а контактное пространство 7 было им заполнено.

Питание источника высокочастотного напряжения 1, состоящего из мультивибратора 16 и генератора высокой частоты 17, осуществляется от клемм аккумулятора. В этом случае амплитуда высокочастотного напряжения, подаваемого на излучающие преобразователи 3 и 9, будет пропорциональна напряжению на клеммах аккумулятора U_A и зависит от состояния (режимы - "разомкнутой цепи" или "под нагрузкой"). Пьезоэлектрические преобразователи 3 и 9 преобразуют импульсное высокочастотное напряжение в акустические импульсы, распространяющиеся соответственно в звукопроводах 5 и 8. При этом колебательная скорость акустической волны в звукопроводе 8 будет пропорциональна напряжению U_A. Напряжение U₁₀, вызванное акустической волной на выходе приемного преобразователя 10, определяется выражением [[Б.А.Агрант, М.Н.Дубрович и др. Основы физики и техники ультразвука. М., "Высшая школа", 1987]

U₁₀=kv,

где k - постоянная, зависящая от свойств материала, размеров звукоровода и свойств преобразователя;

v - колебательная скорость акустической волны.

Таким образом, напряжение на выходе преобразователя 10 будет определяться выражением U₁₀=k₁₂U_Λ.

Напряжение на выходе приемного преобразователя 4 первого акустического тракта имеет две составляющие:

- составляющую, определяемую вышеописанным процессом ;

- составляющую , определяемую магнитострикционным эффектом в звукопроводе 5, обусловленным магнитным полем тока, протекающего через электролит в контактном пространстве 7 датчика 2. Величина этой составляющей пропорциональна величине тока 1. Таким образом, U₄=k₄U_Λ+k_iI.

Для формирования информационного сигнала, пропорционального току в электролите, напряжения с выходов преобразователей 4 и 10 подаются на входы блока измерения тока 13, соединенных с входами дифференциального усилителя 18, на выходе U₁₈ которого формируется импульсное напряжение, амплитуда которого пропорциональна разности напряжений U₄ и U₁₀. Следовательно, U₁₈=k₁₈(U_A(k₄-k₁₀)+k_II).

Напряжение U_A определяется состоянием внешней цепи аккумулятора. При разомкнутой цепи U_A=U_рц, при подключенной нагрузке U_A=U_н. При условии k₄≈k₁₀ и подключенной нагрузке выходное напряжение усилителя будет пропорционально току в электролите. Напряжение с выхода усилителя поступает на вход амплитудного детектора 19. Выходное напряжение детектора 19 пропорционально значению тока в аккумуляторе, подключенного к нагрузке.

С целью фиксации подключения аккумулятора к нагрузке напряжение с выхода детектора 19 подается на вход порогового устройства 20. Напряжение на прямом выходе устройства 20 соответствует условию включения нагрузки, а на обратном входе соответствует разомкнутой внешней цепи.

Формирование сигнала, пропорционального U_рц, осуществляется подачей напряжения с выхода приемного преобразователя 10 на третий вход блока оценки состояния 14, на первый и второй входы которого поступают соответственно сигналы с первого и второго выходов блока 13. При наличии напряжения на первом входе блока 14 выходное напряжение детектора 21 вызывает срабатывание ключа 22 и подключение запоминающего устройства 23, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный напряжению U_H. Наличие напряжения на инверсном выходе порогового устройства 20 вызывает замыкание ключа 24 и на запоминающем устройстве 25 формируется сигнал, пропорциональный напряжению U_рц. Сигналы с выходов запоминающих устройств 23 и 25 поступают на входы вычитающего устройства 26, на выходе которого формируется сигнал ΔU=U_рц-U_H, используемый для определения величины R_i в блоке измерения электрических характеристик 15. С этой целью сигнал с выхода блока 14 поступает на второй вход блока 15 и с него на первый вход делителя 27, на второй вход которого поступает сигнал с выхода детектора 19 блока 13, а третий вход соединен с выходом формирователя временных интервалов 28. Выходное напряжение делителя 27 преобразуется индикатором 29 в величину R_i.

Для формирования сигнала, пропорционального длительности К-го цикла работы T_k, в блок 15 включен формирователь временных интервалов 28, срабатывающий по сигналу с прямого выхода порогового устройства 20 блока 13. Выходной сигнал с формирователя 28 поступает на второй вход умножителя 30 и на третий (управляющий) вход делителя 27, что обеспечивает выполнение операции деления только в режиме нагрузки аккумулятора. На первый вход умножителя 30 поступает сигнал с выхода детектора 19 блока 13, поэтому выходное напряжение умножителя будет пропорционально величине g_k=I_kТ_k. Устройство суммирования 31 осуществляет формирование величины суммарной емкости разряда . Индикатор 32 фиксирует величину g.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения подтверждается следующими соображениями. В теории химических источников тока [1, 2] обосновывается определяющее влияние электрических характеристик аккумулятора на его эксплуатационные свойства. Так, например, в работе [В.Н.Варыпаев, М.А.Дасоян, В.А.Никольский. Химические источники тока. М., "Высшая школа", 1990] указывается на то, что изменение плотности разрядного тока вызывает резкое уменьшение емкости аккумулятора, ухудшает электрохимические свойства электродов. Поэтому в отсутствие непрерывного контроля в целях обеспечения надежности электропитания от стационарных аккумуляторных батарей приходится увеличивать периодичность экспресс-контроля, что увеличивает эксплуатационные расходы на их обслуживание.

Кроме того, предлагаемое устройство может служить основой дл построения автоматизированной системы управления эксплуатацией аккумуляторных установок автономных подвижных объектов.

Устройство непрерывного контроля электрических характеристик аккумулятора, содержащее датчик с пьезоэлектрическими излучающими и приемными преобразователями, источник высокочастотного напряжения, вычислительное устройство, отличающееся тем, что датчик содержит двухканальный акустический тракт, первый канал которого образует одна пара излучатель-приемник с расположенным между ними звукопроводом первого акустического канала, имеющего форму контура и выполненного из магнитострикционного материала, внутренняя поверхность которого расположена в электролите аккумулятора, причем сечение контура расположено перпендикулярно направлению тока в электролите, внешняя поверхность контура охватывается разомкнутым контуром из такого же магнитострикционного материала, образующим звукопровод второго акустического канала, при этом на торцах звукопровода расположены излучатель и приемник второго акустического канала, причем излучатели датчика подключены к выходу источника высокочастотного напряжения, подключенного по питанию к клеммам аккумулятора, а вычислительное устройство включает блок измерения тока в электролите, блок оценки состояния аккумулятора и блок измерения электрических характеристик аккумулятора, причем выходы приемников датчика подключены соответственно к первому и второму входам блока измерения тока в электролите, первым выходом подключенного ко второму входу блока оценки состояния аккумулятора, первый вход которого соединен с первым входом блока измерения электрических характеристик аккумулятора и со вторым выходом блока измерения тока в электролите, третий выход его соединен с третьим входом блока измерения электрических характеристик аккумулятора, при этом второй вход этого блока соединен с выходом блока оценки состояния аккумулятора, третьим входом соединенного со вторым входом блока измерения тока в электролите.