устройство для измерения электрической емкости химических источников тока

Формула изобретения

Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока, реализующее алгоритм:

Q_хит =CU/(2t_зарk),

где Q_хит - остаточная емкость измеряемого источника тока, Ач;

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) 1, один полюс которого (минус) соединен с общей шиной устройства, ключ 2 на замыкание цепи, вход которого соединен со вторым полюсом (положительным) измеряемого ХИТ, конденсатор 3 известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной, а вторая - с выходом ключа 2, ключ 4 на замыкание, соединенный параллельно конденсатору 3, ключ на замыкание 5, вход которого соединен со входом ключа 2, аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) 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 АЗУ 6, компаратор 9, входы которого соединены соответственно с выходом ключа 2 и делителя 7, делитель напряжения с регулируемым коэффициентом деления 10, вход которого соединен с выходом делителя 8, первый формирователь импульсов 11, блок индикации 12, отличающееся тем, что введены ключ 13 на переключение цепи, на первый вход которого подается положительное напряжение питания, второй соединен с общей шиной, а управляющий вход соединен с управляющим входом ключа 2, блок смещения 14, дифференциальный усилитель (ДУ) 15, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16, счетчик 17 со схемой управления 18, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 19, ждущий генератор (ЖГ) 20, причем выход ГТИ 19 соединен со счетным входом счетчика 17 и входом запуска ЖГ 20, вход запуска-остановки счетчика 17 соединен с выходом схемы управления 18, первый вход которой соединен с выходом ключа 13, а второй вход соединен с выходом компаратора 9, выход счетчика 17 соединен со входом ЦАП 16, выход которого соединен с неинвертирующим входом ДУ 15, а инвертирующий вход ДУ 15 соединен с выходом блока смещения 14, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 21, вход которого соединен с выходом делителя 10, опорный вход соединен с выходом ДУ15, а выход соединен со входом блока индикации 12, второй 22, третий 23 и четвертый 24 формирователи импульсов, причем выход ЖГ 20 соединен с управляющим входом ключа 5 и входом формирователя импульсов 24, выход которого соединен со входами управления ключей 2 и 13, вход формирователя 11 соединен с выходом компаратора 9, а выход - со входом формирователя импульсов 23, выход которого соединен со входом управления АЦП 21 и входом формирователя 22, выход которого соединен со входом обнуления счетчика 17 и входами сброса АЗУ 6 и ключа 4 сброса конденсатора 3.

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.

Известно устройство для определения остаточной емкости кислотной свинцовой аккумуляторной батареи (АКБ) (а.с. СССР № 1619360, Н01М 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:

где Е_max - максимальное ЭДС АКБ,

U_min - минимально допустимое напряжение на АКБ при разряде.

Затем по определенной раннее зависимости

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_max и U_min имеют определенные зоны допусков и поэтому расчеты по формулам 1 и 2 вызывают некоторую неопределенность. И в-четвертых, как известно, 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 устройство для измерения остаточной электрической емкости ХИТ (патент России № 2214025 (БИ № 28, 2003 г.)), реализованное по алгоритму, представленному следующей формулой:

где Q_хит - остаточная 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 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) измеряемого ХИТ, конденсатор 4 известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной, а вторая - с выходом ключа 2, ключ на замыкание 5, работающий синхронно с ключами 2 и 3, вход которого соединен со входами ключей 2 и 3, аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) 6 (первый пиковый детектор), вход которого соединен с выходом ключа 5, делитель 7 напряжения с коэффициентом деления k ₇=0,95 и делитель 8 напряжения с коэффициентом деления k₈=0,5, входы которых соединены с выходом АЗУ 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, управляемое АЗУ 13 (состоит из ключа на размыкание и пикового детектора), вход которого соединен с выходом ГПН 12, а управляющий вход - с выходом компаратора 9, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 14, вход которого соединен с выходом делителя 8, аналоговый делитель напряжений 15, входы которого соединены соответственно с выходами управляемого АЗУ 13 и усилителя 14, переключатель 16, индикатор 17, причем первый контакт переключателя соединен с выходом аналогового делителя 15, второй контакт - с выходом АЗУ 6, а третий - со входом индикатора 17, формирователь сигнала сброса 18, ключ 19 и ключ 20 сброса конденсатора 4, причем вход формирователя 18 соединен с выходом ключа 19, вход которого соединен с общей шиной устройства, выход формирователя 18 соединен со входами сброса АЗУ 6, управляемого АЗУ 13, индикатора 17 и ключа 20, вход которого соединен с общей шиной устройства, а выход - с выходом ключа 2, конденсатор 21, выводы которого соединены параллельно с контактами ключа 3, резистор 22, один вывод которого соединен с выходным контактом ключа 3, а второй вывод - с общей шиной устройства.

Однако указанное устройство измерения электрической емкости ХИТ обладает недостатком, заключающимся в том, что процесс измерения не автоматизирован, что увеличивает время измерения и делает процесс измерения неоперативным. Кроме того, при измерении емкости ХИТ, имеющих Q>10 А·ч, устройство имеет дополнительную погрешность измерения, которая определяется конечным суммарным значением сопротивлений подводящих концов и коммутирующего устройства, а также соизмеримостью этого сопротивления с внутренним сопротивлением ХИТ. Так, например, если проходное сопротивление коммутатора будет равно R_ком =1·10^-3 Ом (IRFC3603), а сопротивления подводящих концов R_к1=R_к2=0,5·10^-3 Ом и С4=5000 мкФ, то постоянная времени заряда конденсатора _зар увеличится на дополнительную постоянную времени, равную:

_доп=[(1+0,5+0,5)·10^-3·5000·10 ^-6]=10 мкс

Теоретическое время заряда конденсатора t_зар, рассчитанное по формуле (3) для негерметичных кислотных аккумуляторов (k=2) в зависимости от емкости Q _хит, будет иметь значения, представленные в таблице. Увеличение этого времени за счет дополнительного сопротивления подводящих концов и проходного сопротивления коммутатора на 30 мкс (измерение производится на уровне 3 _зар=t_зар) дает дополнительную погрешность измерения _доп, приведенную также в таблице.

Таблица
Qхит, A·ч	7	20	44	60	80	100
tзар, мкс	2143	750	341	250	188	150
доп, %	1,4	3,8	8,1	10,7	14	16,6

Кроме того, наличие аналогового делителя напряжений 16, также увеличивает погрешность измерения и усложняет устройство, а преобразование времени заряда конденсатора с помощью ждущего генератора пилообразного линейно нарастающего напряжения (ГПН) и управляемого АЗУ, в конечном итоге, вносит большую погрешность в измерение емкости ХИТ.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности, сокращение времени измерения электрической емкости ХИТ и упрощение конструкции устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем измеряемый химический источник тока (ХИТ) 1, один полюс которого (минус) соединен с общей шиной устройства, ключ 2 на замыкание цепи, вход которого соединен со вторым полюсом (положительным) измеряемого ХИТ, конденсатор 3 известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной, а вторая - с выходом ключа 2, ключ 4 на замыкание, соединенный параллельно конденсатору 3, ключ на замыкание 5, вход которого соединен со входом ключа 2, АЗУ 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 АЗУ 6, компаратор 9, входы которого соединены соответственно с выходом ключа 2 и делителя 7, делитель напряжения с регулируемым коэффициентом деления 10, вход которого соединен с выходом делителя 8, первый формирователь импульсов 11, блок индикации 12, введены ключ 13 на переключение цепи, на первый вход которого подается положительное напряжения питания, второй соединен с общей шиной, а управляющий вход соединен с управляющим входом ключа 2, блок смещения 14, дифференциальный усилитель (ДУ) 15, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16, счетчик 17 со схемой управления 18, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 19, ждущий генератор (ЖГ) 20, причем выход ГТИ 19 соединен со счетным входом счетчика 17 и входом запуска ЖГ 20, вход запуска-остановки счетчика 17 соединен с выходом схемы управления 18, первый вход которой соединен с выходом ключа 13, а второй вход соединен с выходом компаратора 9, выход счетчика 17 соединен со входом ЦАП 16, выход которого соединен с неинвертирующим входом ДУ 15, а инвертирующий вход ДУ 15 соединен с выходом блока смещения 14, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 21, вход которого соединен с выходом делителя 10, опорный вход соединен с выходом ДУ15,а выход соединен со входом блока индикации 12, второй 22, третий 23 и четвертый 24 формирователи импульсов, причем выход ЖГ 20 соединен с управляющим входом ключа 5 и входом формирователя импульсов 24, выход которого соединен со входами управления ключей 2 и 13, вход формирователя 11 соединен с выходом компаратора 9, а выход - со входом формирователя импульсов 23, выход которого соединен со входом управления АЦП 21 и входом формирователя 22, выход которого соединен со входом обнуления счетчика 17 и входами сброса АЗУ 6 и ключа 4 сброса конденсатора 3.

На фиг.1 изображена электрическая схема для измерения остаточной электрической емкости химического источника тока.

Схема включает измеряемый источник тока 1, ключи 2, 4, 5 на замыкание цепи и ключ 13 на переключение, конденсатор 3 известной емкости, АЗУ 6, делитель 7 напряжения с коэффициентом деления К₇=0,95, делитель 8 напряжения с коэффициентом деления k₈=0,5, компаратор 9, делитель с регулируемым коэффициентом деления 10, первый формирователь импульса 11, блок индикации 12, источник напряжения смещения 14, ДУ 15, ЦАП 16, счетчик числа импульсов 17 со схемой управления 18 (ИЛИ), ГТИ 19, ЖГ 20, АЦП 21, формирователь импульсов сброса 22, формирователь 23 импульсов запуска АЦП 21, формирователь импульсов 24 запуска ключей 2 и 13. Причем сопротивление соединительных проводов, ключа 2 в замкнутом состоянии и токосъемников должно быть минимально возможным.

Предложенное устройство работает следующим образом. ГТИ 19 вырабатывает импульсы с частотой, примерно, 1МГц, которые поступают на счетный вход счетчика 17 и вход запуска ЖГ 20. ЖГ 20 вырабатывает импульсы длительностью, примерно, 5 мс и частотой следования, примерно, 4 Гц (т.е. со скважностью 50). При подсоединении измеряемого ХИТ 1 к устройству через ключ 5, который открывается импульсами с ЖГ 20, напряжение ХИТ запоминается в АЗУ 6, 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:

Напряжение с выхода делителя 7 как опорное напряжение подается на второй вход компаратора 9. Выходной сигнал с ЖГ 20 подается также на вход формирователя 23, который формирует импульс по заднему фронту выходного импульса ЖГ 20 длительностью, примерно, равной 10 мс (определяется необходимым временем заряда конденсатора 3), управляющий ключами 2 и 13. Ключи 2 и 13 работают синхронно. При замыкании ключа 2 заряжается конденсатор 3 известной емкости от измеряемого ХИТ, а при переключении ключа 13 первый вход схемы управления подсоединяется к общей шине и при наличии нуля на втором ее входе на выходе будет также ноль, что переведет счетчик в режим счета. При достижении на конденсаторе 3 напряжения, равного уровню 0,95U_хит на выходе компаратора 9, первый вход которого соединен с пластиной конденсатора 3, возникает положительный перепад напряжения, который подается на второй вход схемы 18 и при наличии на ее первом входе нулевого потенциала дает на ее выходе единицу, что переводит счетчик 17 в режим остановки счета. Код с выхода счетчика 17 подается на вход ЦАП 16. Напряжение с выхода ЦАП 16 подается на неинвертирующий вход ДУ 15, на инвертирующий вход которого подается напряжение с источника напряжения смещения 14. Напряжение на выходе ЦАП 16 будет пропорционально времени заряда конденсатора 3 до необходимого уровня U_хит (в данном случае 0,95). Т.е. компаратор 9, схема 18 «ИЛИ», счетчик 17, ГТИ 19 и ЦАП 16 являются элементами преобразователя время-напряжение с коэффициентом преобразования, примерно, 1 мВ/мкс. Напряжение на выходе ДУ 15 будет пропорционально t _зар и имеет вид:

где U₁₄ - напряжение смещения, пропорциональное дополнительному времени заряда конденсатора 3, обусловленное конечным значением сопротивлений подводящих проводов и ключа 2. В приведенном выше примере U₁₄ =30 мВ;

U₁₆ при указанном выше коэффициенте преобразования 1 мВ/мкс будет составлять, например, для t _зар=280 мкс 280 мВ и тогда U₁₅=250 мВ.

Напряжение с выхода делителя 8 подается на вход регулируемого делителя 10, коэффициент деления которого рассчитывается по следующей формуле:

где С - численное значение электрической емкости конденсатора 3 в мФ;

k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого химического источника тока.

Т.е., например, если С3=5000 мкФ=5 мФ, а измеряемый ХИТ является кислотным или щелочным негерметичным аккумулятором, то k=2 и К₁₀=0,25. Таким образом, на выходе делителя 10 напряжение будет иметь вид:

Выходной сигнал с компаратора 9 подается также на вход формирователя 11, выполняющего функцию задержки. Короткий импульс примерной длительностью 1 мс с выхода формирователя 11, запускаемый передним фронтом сигнала с выхода компаратора 9, подается на вход формирователя 23. На выходе формирователя 23 формируется импульс по заднему фронту входного сигнала длительностью, примерно, 200 мс, который подается на запуск АЦП 21 и вход формирователя 22 импульса сброса.

Напряжение с выхода делителя 10 подается на вход АЦП 21, на опорный вход которого подается напряжение с выхода ДУ 15. Как известно, выходной код интегрирующего АЦП будет соответствовать напряжению на аналоговом входе, умноженному на определенный коэффициент:

где K=1/Uоп.

С учетом (8) выходной код АЦП 21 можно записать в следующем виде:

Если интегрирующий АЦП 21 имеет выход на семисегментный индикатор, то на блоке индикации 12 будут индицироваться цифры, соответствующие измеренной емкости Q_хит.

Формирователь 22 формирует по заднему фронту входного сигнала импульс сброса длительностью, примерно, 30 мс, который обнуляет АЗУ 6 и счетчик 18, замыкает ключ 4, разряжая конденсатор 3.

На фиг.2 представлены временные диаграммы работы устройства.