способ измерения электрической емкости химических источников тока

Классы МПК:H01M10/48 аккумуляторы, комбинированные с устройствами для измерения, испытания или индикации, например для индикации уровня или плотности электролита
G01R31/36 устройства для испытания электрических характеристик аккумуляторов или электрических батарей, например мощности или заряда
G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных 
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Косюк Виктор Иванович (UA)
Приоритеты:
подача заявки:
1999-11-24
публикация патента:

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 Qэл = Cспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044U/(2tзapспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044k), где Qэл - электрическая емкость измеряемого источника тока, Аспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч; С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф; U - напряжение на измеряемом источнике тока. В; tзар - время заряда конденсатора от измеряемого источника тока, С; k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого ХИТ. 1 ил., 3 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

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

Qэл = C способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 U/(2tзар способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 k),

где Qэл - электрическая емкость измеряемого источника тока, А способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 ч;

С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф;

U - напряжение на измеряемом источнике тока, В;

tзар - время заряда конденсатора от измеряемого источника тока, с;

k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого химического источника тока.
Оцените обзор о мебели для кухни на сайте

Описание изобретения к патенту

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 Uн, вычисляют коэффициент степени разряженности k по следующей формуле:

k = (Emax - E)/(Uн - Umin), (1)

где Emax - максимальное ЭДС АКБ,

Umin - минимальное допустимое напряжение на АКБ при разряде.

Затем, по определенной раннее зависимости

Qост = 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 Emax и Umin 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 Uн 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 0,8Eхит, 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 способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 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 Qэл 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 Qэл измеряемого источника тока можно представить в виде суммы n-го количества одинаковых малых емкостей и записать в следующем виде:

Qэл = n способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 Qk + Qост, (3)

где Qk - количество электричества, накопленное конденсатором во время его заряда или электрическая емкость накопительного конденсатора;

n - целое положительное число;

Qост - оставшаяся часть электрической емкости измеряемого источника тока, причем Qост < Qk.

При значениях Qэл >> Qk величиной Qост можно пренебречь и тогда формулу (3) запишем в виде:

Qэл = n способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 Qk. (4)

Значение емкости Qk определяется, как известно [2], следующим выражением:

Qk = C способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 U/2, (5)

где C - фарадеевская емкость конденсатора;

U - напряжение на измеряемом источнике тока.

Исходя из формул (4) и (5), запишем:

Qэл = n способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 C способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 U/2, (6)

где Qэл - [Кл] или [Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044c];

C - [A способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 c/B];

U - [B].

Т. к. электрическую емкость Qэл ХИТ принято выражать в Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч, то выражение (6) запишем в следующем виде:

Qэл способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 3600 = n способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 Qk = nспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044Cспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044U/2. (7)

Тогда из выражения (7) получим:

n = 3600 способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 2 способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 Qэл/(Cспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044U) (8)

или

n = 3600 - Qэл/Qk. (9)

Определим число n для ХИТ с электрической емкостью Qэл1=55 Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч (U=12 В) и Qэл2 = 38 мА способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 ч (U=1,5 В) при разряде их на конденсатор, имеющий емкость C = 5000 мкФ. Тогда, согласно ф-ле (5), имеем:

Qk1 = 0,005 способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 12/2 = 0,03 [Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044c].

Qk2 = 0,005 способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 1,5/2 = 0,00375 [Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044c].

По формуле (9) рассчитаем число n для каждого из приведенных значений ХИТ:

n1 = 55способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 21720443600/0,03 = 6600000,

n2 = 0,038 способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 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 способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 Qэл/(3600 способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 Qk) = Qэл/Qk, (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 tед = 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.:

tзар = tед/N, [c] (11)

или, учитывая (10), получим:

tзар = tед/N = tед/Qэл/Qk= tед способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 C способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 U/ 2Qэл[c/(Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч)/(Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч)]. (12)

Как показали проведенные исследования и практические измерения, число N действительно является величиной, обратно пропорциональной времени заряда tзар накопительного конденсатора, и тогда, исходя из (12), запишем:

Qэл = tед/tзар = tед способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 C способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 U/2tзар, [Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч], (13)

или, для упрощения, опуская единицу времени tед и учитывая ее лишь в размерности, запишем:

Qэл=Qk/tзар = C способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 U/2tзар, [Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч]. (13а)

При проведении измерений Qэл 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 Uхит или 0,9Uхит. 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:

Qэл = C способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 U/(2tзар способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 k), [Aспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч], (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 Uхит k=2).

Исходя из вышеизложенного, определим теоретическое время заряда накопительного конденсатора для известной электрической емкости химического источника тока:

tзар = C способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 U способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044/(2Qэл способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 k), [c] (15)

или

tзар = Qk/(Qэл способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 k), [c]. (16)

Из формул (15) и (16), для Qэл1 = 55 A способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч и Qэл2 = 38 мАспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч получим:

tзар1 = 1/(1833,33способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 21720442) = 0,000272727 с способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 273 мкс,

tзар2 = 1/(10,13способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 21720442) = 0,049358341 с способ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044 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 мАспособ измерения электрической емкости химических   источников тока, патент № 2172044ч 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.

Класс H01M10/48 аккумуляторы, комбинированные с устройствами для измерения, испытания или индикации, например для индикации уровня или плотности электролита

устройство подзарядки аккумуляторных батарей гибридного автомобиля -  патент 2524352 (27.07.2014)
устройство для измерения электрической емкости химических источников тока -  патент 2496191 (20.10.2013)
способ определения периодичности технического обслуживания аккумуляторной батареи -  патент 2492558 (10.09.2013)
аккумуляторная батарея и содержащий ее электрический прибор -  патент 2488932 (27.07.2013)
устройство контроля уровня электролита и заряженности аккумулятора -  патент 2488199 (20.07.2013)
способ автоматического контроля технического состояния элементов параллельной аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления -  патент 2485639 (20.06.2013)
элемент аккумуляторной батареи и устройство мониторинга для батареи в сборе -  патент 2474026 (27.01.2013)
многоканальный комплекс испытательного оборудования аккумуляторных батарей -  патент 2419923 (27.05.2011)
устройство электропитания носимых радиостанций -  патент 2417489 (27.04.2011)
транспортное средство с электроприводом, способ оценки состояния заряда и машиночитаемый носитель хранения данных с сохраненной программой для осуществления способа оценки состояния заряда -  патент 2416142 (10.04.2011)

Класс G01R31/36 устройства для испытания электрических характеристик аккумуляторов или электрических батарей, например мощности или заряда

устройство оценки состояния аккумулятора и способ оценки состояния аккумулятора -  патент 2524050 (27.07.2014)
устройство для контроля и зарядки выбранной группы элементов батареи -  патент 2506603 (10.02.2014)
способ определения периодичности технического обслуживания аккумуляторной батареи -  патент 2492558 (10.09.2013)
устройство оценки состояния батареи и способ оценки состояния батареи -  патент 2491566 (27.08.2013)
устройство мониторинга напряжения аккумулятора -  патент 2484491 (10.06.2013)
автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования -  патент 2474832 (10.02.2013)
способ автоматического контроля технического состояния элементов последовательной аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления -  патент 2470314 (20.12.2012)
способ определения остаточного ресурса литиевого тионил хлоридного первичного элемента питания -  патент 2467340 (20.11.2012)
способ оценки технического состояния и отбраковки аккумуляторов в аккумуляторных батареях -  патент 2466418 (10.11.2012)
управление быстрым зарядом и питанием выполненного с батарейным питанием измерителя аналитов в текучей среде -  патент 2465811 (10.11.2012)

Класс G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных 

резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров материалов -  патент 2529417 (27.09.2014)
устройство для измерения свойства диэлектрического материала -  патент 2528130 (10.09.2014)
микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста уитстона методом широтно-импульсной модуляции -  патент 2515309 (10.05.2014)
способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ -  патент 2509315 (10.03.2014)
микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления в двоичный код с генератором, управляемым напряжением -  патент 2502076 (20.12.2013)
способ определения коэффициента потерь tg диэлектриков -  патент 2501028 (10.12.2013)
микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по эдс самоиндукции -  патент 2498327 (10.11.2013)
способ определения сопротивления и индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора напряжения -  патент 2491559 (27.08.2013)
сканирующий измеритель параметров cg-двухполюсников -  патент 2488130 (20.07.2013)
способ и устройство для емкостного обнаружения объектов -  патент 2486530 (27.06.2013)
Наверх