СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИСПРАВНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ N СЕКЦИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ОДНОТИПНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01R31/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при контроле исправности солнечных батарей (СБ) на стартовой позиции, когда невозможно раскрытие панелей и определение целостности групп солнечных элементов (СЭ) внешним осмотром, либо контроль по току освещенной СБ обычным способом.

Известны способ и устройство для контроля исправности СБ (Контрольно-измерительная установка КИУ 17Н697. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЖЦПИ411242.001ТО, 1990).

Это устройство, принятое в качестве прототипа, содержит управляемый источник (регулятор-стабилизатор тока), в цепь нагрузки которого подключается контролируемая СБ, измеритель тока (шунт), два масштабирующих измерительных усилителя, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) соответственно тока и напряжения и электронный термометр, причем измеритель тока включен последовательно в цепь СБ между общей шиной и шиной для подключения СБ, другая потенциальная шина СБ подключается к управляемому источнику, выход измерителя тока присоединен к входу первого масштабирующего измерительного усилителя, вход второго масштабирующего измерительного усилителя присоединен к потенциальной шине для подключения СБ, выходы масштабирующих измерительных усилителей присоединены к входам АЦП соответственно тока и напряжения, а выходы АЦП и электронного термометра присоединены к шине данных специализированного вычислительного устройства (микропроцессора), определяющего по заданному допуску критериального параметра наличие дефектов в контролируемой панели СБ.

Указанное устройство в процессе работы реализует способ контроля исправности СБ по ее прямой темновой вольт-амперной характеристике (ПТВАХ), заключающийся в измерении падения напряжения на исправной СБ в первом замере (на предприятии-изготовителе) при протекании по ней тока известной величины и сравнении этого значения с падением напряжения при таком же токе во втором замере на стартовой позиции, причем критериальным параметром (параметром, по которому определяется исправность СБ) служит разница указанных напряжений в первом и втором замерах.

Таким образом, способ как последовательность операций, разнесенных по времени и месту осуществления, и устройство опираются на однозначное соответствие между световой ВАХ и ПТВАХ. Появившиеся на этапе транспортировки и установки на носитель локальные дефекты типа "обрыв" обнаруживаются при сопоставлении результатов двух замеров.

Для объективности оценки методических недостатков способа-прототипа и вытекающих из них недостатков схемотехнической реализации устройства приведен анализ установки КИУ17Н697, опирающийся на изображенные на фиг. 1 световые ВАХ и ПТВАХ для разных температур, поскольку они в первом и втором замерах неизбежно отличаются и являются дестабилизирующими факторами, непосредственно влияющими на достоверность оценки исправности СБ. Критерием исправности служит отклонение напряжения или тока от измеренной или вычисленной величины, если оно укладывается в допуск и если при этом другой параметр - ток или напряжение соответственно - точно определены и постоянны. Так как в устройстве-прототипе критериальным параметром является напряжение, то это и определяет сравнительно малую достоверность контроля.

На фиг. 1 в первом октанте изображены световые ВАХ: исправной панели - ВАХ₁ и с локальными дефектами типа "обрыв" ВАХ₂ для разных температур t₁^o и t₂^o, где t₁^o - температура при первом измерении; t₂^o - температура при втором измерении (на стартовой позиции). Дефекты приводят к уменьшению тока короткого замыкания на величину Δ I_св(t₁^o) и Δ I_св(t₂^o) соответственно. (На фиг. 1 Δ I_св сильно увеличена - реальный допуск значительно меньше). Допустим, что t₁^o > t₂^o (именно этот случай обычно имеет место). В четвертом октанте изображены ПТВАХ₁, причем ПТВАХ₂ - дефектной панели - сдвинется вправо по оси абсцисс на некоторую величину ΔU_т относительно ПТВАХ₁ бездефектной панели, на которой при таком же темновом токе I_т падение напряжения отобразится величиной U_тв(t₂^о). Из-за неизбежного отличия температур t₁^o и t₂^oнапряжение, с которым осуществляется сравнение, не измеряется непосредственно, а вычисляется U_тв(t₂^o) по результатам первого измерения на исправной СБ при известных I_т и U_т(t₁^o) по зависимости U = f(t) и t₂^oи уже потом сравнивается с измеренной величиной U_т(t₂^o). Для этого значения I_т и U_т(t₁^о) записываются в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое транспортируется вместе с изделием на стартовую позицию.

Таким образом, основным недостатком известного способа является большая вероятность ложной оценки исправности СБ, вытекающая из высокой чувствительности ПТВАХ к температуре, требующая вычисления с высокой точностью U_т(t₂^o) и обусловленная необходимостью прецизионной установки значения I_т, а реально выполнимое устройство - сложное и дорогостоящее.

В измерительной технике применяется дифференциальный метод, позволяющий выделить малый разностный сигнал и одновременно скомпенсировать влияние дестабилизирующих факторов - в нашем случае температуры. Применение дифференциального метода для контроля исправности СБ целесообразно, поскольку на современных космических аппаратах (КА) СБ состоит из нескольких однотипных секций. Сравнивая попарно критериальные параметры n-й и (n+1)-й секций при одновременном их подключении, можно полностью скомпенсировать влияние температуры. Однако устройство, реализующее дифференциальный метод, когда в качестве критериального параметра принята разность падений напряжений на n-й и (n+1)-й СБ, должно содержать два прецизионных управляемых стабилизатора, допуск на отличие токов которых должен быть заведомо меньше допуска на измерительную часть устройства. При сложности практического исполнения таких стабилизаторов достоверность контроля продолжает оставаться неудовлетворительной.

Целью изобретения является повышение точности контроля исправности СБ за счет регистрации менее критичных к дестабилизирующим факторам параметров, а также за счет взаимной компенсации температурного дрейфа напряжений контролируемых панелей СБ.

Цель достигается тем, что в способе контроля исправности СБ по ПТВАХ, заключающемся в измерении критериального параметра на исправной СБ, последующем измерении этого же параметра на стартовой позиции и их сравнении, в качестве критериального параметра используют разность токов, протекающих по n-й и (n+1)-й секциям СБ при одновременном их подключении к общему источнику напряжения.

Цель достигается также тем, что в устройство для контроля исправности солнечной батареи, содержащее специализированное вычислительное устройство, электронный термометр, аналого-цифровой преобразователь, масштабирующий усилитель, источник питания, измеритель тока, клемму для подключения солнечной батареи, введены второй измеритель тока, вторая и третья клеммы для подключения солнечной батареи, второй аналого-цифровой преобразователь, первые, второй и третий ключи, блок управления источником питания, конденсаторная батарея и два блока управления ключами.

Предложенный способ контроля, при котором оценка исправности СБ производится по разности токов, как сравнительно мало критичных к температуре параметров, при одновременном подключении секций к общему источнику напряжения, позволяет за счет высокой чувствительности обеспечить требуемую точность контроля.

На фиг. 1 изображено семейство световых и соответствующих им темновых ВАХ для разных температур, поясняющее способ; на фиг. 2 - блок-схема устройства, реализующего этот способ.

Для двух однотипных панелей СБ с напряжением холостого хода U_xx(t₁^o) световой ВАХ₁(t₁^o) исправной панели на фиг. 1 в октанте I соответствует ПТВАХ₁(t₁^o) в октанте IV, а панели с дефектами типа "обрыв", приводящими к снижению (I_кз(t₁^o) на величину ΔI_св(t₁^o) световой ВАХ₂(t₁^o) - соответствует ПТВАХ₂(t₁^o). Как видно из графиков, дефекты приводят к сдвигу ПТВАХ вправо на сравнительно малую величину ΔU по сравнению со снижением светового тока на величину Δ I_св. Поскольку ПТВАХ как исправных, так и панелей с дефектами всегда выходят из начала координат, то участок кривой, используемый для выявления дефектов СБ по ПТВАХ, соответствует световой ВАХ, где напряжение U ≈ U_ххсв. Крутизна ПТВАХ на этом участке и определяет чувствительность контроля S[A/B] = Δ I/ Δ U предложенного способа, в отличие от Δ U/Δ I - в случае прототипа.

Если температура при втором измерении -t₂^o меньше, чем при первом -t₁^o, то характеристики сдвинутся по оси абсцисс вправо на одну и ту же величину у исправной и дефектной панелей, чем полностью компенсируется влияние температуры, а разница за счет дефектов типа "обрыв" сохраняется неизменной. Этому соответствуют ПТВАХ₁(t₂^o) исправной панели и ПТВАХ₂(t₂^o) - дефектной. При параллельном подключении исправной и дефектной панелей к источнику напряжения с U = U_c (сопротивление измерителей тока - шунтов - по сравнению с внутренним сопротивлением СБ пренебрежимо мало и одинаково), по ним потекут темновые токи: (I_1т - по исправной и I_2т - по дефектной.

Δ I_т практически не зависит от точности установки токов I_1т и I_2т, что и определяет некритичность метода к значению напряжения, до которого заряжается конденсаторная батарея - U_c(t). Достаточная точность установки U_c ± 3-5% , и она не используется в процессе вычисления для определения величины критериального параметра.

Устройство работает следующим образом. В режиме "Запись" перед первым измерением в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) микропроцессора 1 (МП) вводятся значения N_пос - количество последовательно соединенных СЭ в батарее, ток короткого замыкания при стандартной освещенности и тип СЭ - кремниевые или арсенид-галлиевые. Встроенный электронный термометр 2 измеряет температуру окружающей среды t₁^o, которая также записывается в ОЗУ. По этим значениям МП1 вычисляет U_т(t₁^o) и величину емкости, которая определяется из условия, что при разряде темновым током I_т = I_кз его уменьшение за время преобразования АЦП не превысит величину младшего разряда. После этих вычислений МП1 через блок 3 управления конденсаторной батареей набирает из конденсаторов 4 первыми ключами 5 требуемую емкость, которая заряжается до напряжения U_c(t^o) от источника питания 6 через второй ключ 7 (его исходное состояние изображено на фиг. 2). По мере заряда конденсаторов напряжение U_c увеличивается и при достижении вычисленного значения U_c = U_c(t^o) коды, соответствующие вычисленному МП напряжению, и на выходе АЦП 8 напряжения совпадают и через блок управления 9 источник 6 выключается. МП1 через блок 10 переключает ключ 7, в результате чего заряженная конденсаторная батарея оказывается нагруженной затененными СБ 11 и 12, соединенными параллельно. Сигнал, пропорциональный разности токов с выходов измерителей 13 и 14 тока, поступает на прямой и инверсный входы масштабирующего усилителя и АЦП 15 тока (на фиг. 2 они объединены) и записывается во внешнее постоянное запоминающее устройство ПЗУ 16. За время одного разряда конденсаторов регистpиpуется 4-6 значений Δ I и используется для статистической обработки с целью повышения достоверности контроля.

Третий ключ 17 и балластный резистор R_δ предназначены для разряда конденсаторов после измерений.

После сравнения, например, панелей 1 и 2 и записи их критериальных параметров в ПЗУ 16 сравнивают аналогичным образом панели 2 и 3 и т. д. После измерений всех панелей и записи параметров в ПЗУ его отстыковывают от устройства и транспортируют вместе с изделием.

В режиме контроля на стартовой позиции ПЗУ 16 подключают к аналогичному устройству, и весь алгоритм работы повторяется автоматически с той лишь разницей, что МП1 осуществляет сравнение записанных в ПЗУ данных со значениями контрольных замеров и, в зависимости от допустимого отклонения критериального параметра Δ I, определяет исправность СБ непосредственно перед запуском КА.

Применение предложенного способа и устройства для его осуществления позволяет по сравнению с известными повысить контроль исправности СБ по ПТВАХ, когда раскрытие панелей и внешний осмотр затруднительны. При этом в случае исправной СБ можно обойтись без трудоемкой и длительной операции по замене дефектных (разбитых) групп СЭ, либо провести ремонт СБ, получившей повреждение на этапе транспортировки, и обеспечить тем самым соответствие ее характеристик заданным.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля исправности солнечных батарей (СБ) космических аппаратов на стартовой позиции. Измеряют значение критериального параметра каждой исправной секции СБ при протекании по ней тока, при этом число измерений равно числу секций СБ, сравнивают значения параметров с соответствующими значениями, полученными при втором замере на стартовой позиции, определяют исправность СБ по допуску критериального параметра, в качестве которого используют разность токов, протекающих одновременно по n-й и (n + 4)-й секциям СБ при их попарном подключении к общему источнику питания. Устройство для осуществления способа содержит специализированное вычислительное устройство с постоянным запоминающим устройством, термометр, аналого-цифровые преобразователи, блоки управления ключами, конденсаторную батарею, ключи, источник питания, блок управления источником питания, измерители тока. Использование изобретения позволяет повысить точность контроля СБ. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля исправности солнечной батареи, состоящей из N секций, выполненных из однотипных элементов, по прямым темновым вольт-амперным характеристикам отдельных секций, включающий измерение критериального параметра каждой исправной секции при протекании по ней тока, запоминание значения критериального параметра при первом замере, при этом число измерений равно числу секций солнечной батареи, сравнение значений этих параметров при идентификации с соответствующими значениями, полученными при втором замере на стартовой позиции, при этом исправность солнечной батареи определяют по допуску критериальных параметров, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, в качестве критериального параметра используют разность токов, протекающих одновременно по n-й и (n + 1)-й секциям при их попарном подключении к общему источнику напряжения. 2. Устройство для контроля исправности солнечной батареи, состоящей из N секций, выполненных из однотипных элементов, содержащее специализированное вычислительное устройство, электронный термометр, аналого-цифровой преобразователь, масштабирующий усилитель, источник питания, измеритель тока, включенный между общей шиной и первой клеммой для подключения солнечной батареи, вход масштабирующего усилителя присоединен к выходу первого измерителя тока, выход масштабирующего усилителя присоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, а выходы аналого-цифрового преобразователя и электронного термометра присоединены к шине данных специализированного вычислительного устройства, отличающееся тем, что в него введены второй измеритель тока, вторая и третья клеммы для подключения солнечной батареи, второй аналого-цифровой преобразователь, первые, второй и третий ключи, блок управления источником питания, конденсаторная батарея, два блока управления ключами, при этом первые ключи включены между потенциальными обкладками конденсаторов конденсаторной батареи и потенциальной шиной, соединенной через последовательно соединенные резистор и третий ключ с общей шиной и непосредственно с переключающим контактом второго ключа, нормально замкнутый контакт которого соединен с выходом источника питания и входом второго аналого-цифрового преобразователя, нормально разомкнутый контакт второго ключа соединен с второй клеммой для подключения солнечной батареи, третья клемма для подключения солнечной батареи через второй измеритель тока присоединена к общей шине, выходы первого и второго измерителей тока присоединены соответственно к прямому и инверсному входам масштабирующего усилителя, управляющий вход источника питания присоединен к выходу блока управления источником питания, входы блока управления источником, блоков управления ключами и выход второго аналого-цифрового преобразователя присоединены к шине данных специализированного вычислительного устройства, выход второго блока управления ключами соединен с управляющим входом второго ключа, выходы первого блока управления ключами соединены с управляющими входами первых ключей и третьего ключа.