устройство непрерывного контроля электрических характеристик аккумулятора

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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");

- 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 U ₁₀=k₁₂U .

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 +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 U ₄ и U₁₀. Следовательно, U₁₈=k ₁₈(U_A(k₄-k₁₀)+k_I I).

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 U=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.