Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может быть использовано в любой отрасли промышленности для исследования и контроля качества электропроводящих материалов, тканей, сред, структур и обладающих внутренней электропроводностью устройств.
Известны способы измерений электрических характеристик электропроводящих объектов, заключающиеся в проведении некоторого числа серий прохождения электрического тока для некоторого количества электропроводящих объектов (химических источников тока), каждая из которых (серий) представляет некоторую совокупность последовательных во времени прохождений электрического тока различной силы через каждый электропроводящий объект, чередующихся с паузами восстановления электропроводящих объектов, измерении напряжений на каждом электропроводящем объекте в каждой паузе непосредственно перед началом каждого прохождения электрического тока, измерении напряжений на каждом электропроводящем объекте непосредственно перед прекращением каждого прохождения электрического тока, обработке результатов измерений и получении электрических характеристик электропроводящих объектов /1 5/.
Наиболее близкий заявленному способу способ, представленный в работе /3/.
Известны устройства для измерений электрических характеристик химических источников тока, содержащие блок исследуемых объектов, блок схем коммутации токовых и измерительных цепей, позволяющих осуществлять электрическое соединение каждого исследуемого объекта из блока исследуемых объектов с токовой нагрузкой из блока токовой нагрузки для осуществления прохождения электрического тока через исследуемый объект, и позволяющий осуществлять электрическое подсоединение каждого исследуемого объекта к измерительному выходу устройства для измерения напряжения на исследуемом объекте, блок управления, позволяющий осуществлять коммутации, предусмотренные блоком схем коммутации, а заданной временной последовательности /4 7/. Наиболее близкое заявленному устройству устройство, защищенное пат. США N 4290021 /6/.
Известные способы измерений не обеспечивают достаточно высокой плотности информации (информации в единицу времени). Даже в наиболее близком заявляемому способу /3/ не используются периоды восстановления исследуемых объектов непосредственно после прекращения прохождения электрического тока для получения информации, измерения в процессе прохождения электрического тока - однократны, лишь непосредственно перед прекращением соответствующего прохождения электрического тока. Кроме того, в качестве источника возбуждения прохождения электрического тока через исследуемые объекты используются только э. д.с. самых исследуемых объектов (источников тока), что ограничивает класс объектов, для которых этот способ измерений может быть применен.
Известные устройства не предоставляет возможности для технически простой и в то же самое время автоматизированной процедуры реализации заявленного способы. Тем более не существует измерительного стенда, использующего минимальные технические средства, например, всего один измерительный прибор и один набор токовых нагрузок, позволяющего автоматизированно реализовать заявленный способ одновременно для некоторой совокупности исследуемых объектов, требующих различных диапазонов измерений, или для более широкого круга исследуемых объектов, например, трехэлектродных экспериментальных ячеек или объектов не имеющих собственной э.д.с.
Целью группы изобретений является повышение эффективности способа за счет получения дополнительной информации практически без увеличения общего времени, затрачиваемого на применение способа, создание простого измерительного устройства, использующего минимальные технические средства и позволяющего реализовать автоматизировано заявленный способ одновременно для некоторой совокупности исследуемых объектов и увеличить круг различных исследуемых объектов, для которых он может быть автоматизировано реализован.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерений электрических характеристик электропроводящих объектов (исследуемых объектов, обладающих внутренней электропроводностью), заключающемся в проведении некоторого числа серий (типично от одной до десяти) прохождения электрического тока для некоторого количества электропроводящих объектов, каждая из которых (серий) представляет собой некоторую (типично от пяти до тридцати) совокупность последовательных по времени прохождений электрического тока различной силы через каждый электропроводящий объект, чередующихся с паузами восстановления электропроводящих объектов, измерении напряжений на каждом электропроводящем объекте в каждой паузе непосредственно перед началом каждого прохождения электрического тока, измерении напряжений на каждом электропроводящем объекте непосредственно перед прекращением каждого прохождения электрического тока, обработке результатов измерений и получении электрических характеристик электропроводящих объектов, при проведении серий прохождения электрического тока через электропроводящие объекты проводят некоторое число измерений напряжений на каждом электропроводящем объекте в различные моменты времени в процессе каждого прохождения электрического тока или каждой паузы (преимущественно непосредственно после прекращения каждого прохождения электрического тока).
Кроме того, поставленная цель достигается тем, что в заявленное устройство для измерений электрических характеристик электропроводящих объектов, в первом варианте, содержащее блок исследуемых объектов, блок токовой нагрузки, соединенные в последовательную электрическую цепь через схемы коммутации токовой цепи, входящие в блок схем коммутации токовой и измерительной цепей, позволяющий осуществлять электрическое соединение каждого электропроводящего объекта из блока исследуемых объектов с токовой нагрузкой из блока токовой нагрузки для прохождения электрического тока через электропроводящий объект, и позволяющий осуществлять электрическое подсоединение каждого электропроводящего объекта через схемы коммутации измерительной цепи к измерительному выходу для измерения напряжения на каждом электропроводящем объекте, блок управления, соединенный электрически с каждой из схем коммутации блока схем коммутации для управления предусмотренными в них коммутациями в заданной временной последовательности, введены отличия, состоящие в том, что блок исследуемых объектов выполнен с возможностью подключения к нему электрически извне различных электропроводящих объектов для проведения измерений, блок токовой нагрузки выполнен с возможностью подключения к нему электрически извне токовых нагрузок различного типа, включая как чисто резистивные токовые нагрузки, так и токовые нагрузки, обладающие собственным источником электрического напряжения или электрического тока, блок схем коммутации токовых и измерительных цепей выполнен с возможностью осуществления дополнительных функций электрического соединения каждого электропроводящего объекта из блока исследуемых объектов с соответствующей токовой нагрузкой из блока токовой нагрузки и каждого электропроводящего объекта последовательно во времени с каждой из выбранных токовых нагрузок для осуществления прохождения электрического тока через электропроводящие объекты.
В заявленное устройство из измерений электрических характеристик электропроводящих объектов, во втором варианте, содержащее блок исследуемых объектов, блок токовой нагрузки, соединенные в последовательную электрическую цепь через схемы коммутации токовой цепи, входящие в блок коммутации токовой и измерительной цепей, позволяющей осуществлять электрическое соединение каждого электропроводящего объекта из блока исследуемых объектов с токовой нагрузкой из блока токовой нагрузки для прохождения электрического тока через электропроводящий объект, и позволяющий осуществлять электрическое подсоединение каждого электропроводящего объекта к измерительному выходу для измерения напряжения на каждом электропроводящем объекте, блок управления, соединенный электрически с каждой из схем коммутации блока схем коммутации для управления предусмотренными в них коммутациями в заданной временной последовательности, введены отличия, состоящие в том, что кроме отличий первого варианта заявленное устройство дополнительно содержит разъем в измерительной цепи для возможности электрического подключения выходной электрической цепи внешнего источника постоянного напряжения последовательно в измерительную цепь, и содержит в блоке схеме коммутации токовой и измерительной цепей дополнительную схему коммутации в измерительной цепи, для возможности электрического подсоединения или не подсоединения подключенной электрической цепи внешнего источника постоянного напряжения последовательно в измерительную цепь, и схему в измерительной цепи, подсоединенную электрически к дополнительному разъему, для изменения постоянного напряжения, подаваемого в измерительную цепь от внешнего источника постоянного напряжения, при поступлении в эту схему соответствующих инициирующих электрических сигналов из блока генерации информационных и инициирующих сигналов, электрически подсоединенного к этой схеме и к измерительной цепи, для оповещения оператора и генерации инициирующих электрических сигналов, если напряжения, подаваемые в измерительную цепь выходят за пределы установленного для них диапазона.
Кроме того, в частных исполнениях по п. 3 формулы изобретений, изобретение включает в себя средство для измерения напряжения, электрически соединенное с измерительным выходом и блоком генерации информационных и инициирующих сигналов и изменяющее диапазон измерений при поступлении соответствующих сигналов от последнего. В частных исполнениях по п. 2 или п. 3, заявленное устройство включает в себя дополнительные измерительную цепь и измерительный выход (например, разъем) для электрического подключения внешнего средства для измерения токов, протекающих через электропроводящие объекты, или включает в себя интерфейс, связанный электрически с измерительным выходом устройства для возможности вывода результатов измерения на накопитель информации, электрически связанный с интерфейсом, или включает интерфейс, связанный электрически со схемами коммутации токовых и измерительных цепей и с измерительным выходом для возможности подключения устройства к компьютеру для осуществления управления коммутациями, осуществления измерений, обработки результатов измерений, анализа результатов обработки измерений по программе, заложенной в компьютер, и выдачи результатов исследований в различной форме на различные выходные устройства компьютера. В других частных исполнениях заявленного устройства по п. 2 или п. 3 формулы изобретений блок схем коммутации токовых и измерительных цепей выполнен с возможностью осуществления электрического соединения каждого электропроводящего объекта независимо от состояния остальных электропроводящих объектов с каждой из выбранных токовых нагрузок для осуществления прохождения электрического тока через электропроводящий объект или выполнен с возможностью осуществления некоторого количества различных электрических подсоединений каждого электропроводящего объекта к измерительному выходу для измерения напряжений на электропроводящем объекте в заранее предусмотренных местах.
На чертеже представлена блок-схема устройства. Устройство содержит: блок 1 исследуемых объектов (БИО), изображенный для случая выполнения, при котором подключаемые извне новые исследуемые (электропроводящие) объекты (ИО) могут быть в виде двух или трехэлектродных ячеек, два электрода предназначены для прохождения электрического тока через исследуемый объект и измерения напряжения на нем, третий для измерения дополнительного, представляющего интерес, напряжения; блок токовой нагрузки (БТН), включающий набор 2 резистивных токовых нагрузок, схему 3 коммутации для возможности электрического соединения ИО с подключенной извне токовой нагрузкой, которая может быть как чисто резистивной, так и содержащей источник тока или источник напряжения, разъем 4 для электрического подключения извне к БТН токовой нагрузки, чисто резистивной или содержащей источник напряжения или источник тока; измерительный выход устройства (ИВ) 5, для подключения извне измерительного прибора; схему 6 коммутации из блока схем коммутации токовых и измерительных цепей (БСК) для электрического соединения каждого ИО с соответствующей токовой нагрузкой, схему 7 коммутации из блока БСК для электрического соединения каждого ИО последовательно во времени с каждой из выбранных токовых нагрузок, схему 8 коммутации из блока БСК, осуществляющую электрическое подсоединение каждого ИО к ИВ для измерения напряжения на ИО, эта схема, как и БИО, изображена для случая, когда возможно осуществление измерений основного и дополнительного напряжений на ИО (обобщение на многоэлектродный случай тривиально); блок 9 управления (БУ), осуществляющий коммутации, предусмотренные блоком БСК, в заданной временной последовательности. Схема коммутации 10 для электрического подсоединения дополнительной измерительной цепи и измерительный выход 11 для электрического подключения внешнего средства для измерения электрических токов, протекающих через электропроводящие объекты, входят в состав устройства в случае частного исполнения по п. 5 формулы изобретений.
В случае варианта заявленного устройства по п. 3 устройство дополнительно содержит блок 12 генерации информационных и инициирующих сигналов (БИС), электрически подсоединенный параллельно к измерительной цепи заявленного устройства, для оповещения оператора к генерации инициирующих электрических сигналов, если напряжения, подаваемые в измерительную цепь выходят за пределы установленного для них диапазона, и вместо непосредственного соединения одной из ветвей измерительной цепи с измерительным выходом 5 в эту ветвь дополнительно включены: разъем 13 для возможности электрического подключения выходной электрической цепи внешнего источника постоянного напряжения последовательно в измерительную цепь устройства, делитель 14 напряжения на постоянных сопротивлениях, схема 15 коммутации для измерения постоянного напряжения, подаваемого в измерительную цепь от внешнего источника постоянного напряжения при поступлении в эту схему соответствующих инициирующих электрических сигналов из блока 12 генерации информационных и инициирующих сигналов, и схема 16 коммутации, управляемая БУ и осуществляющая выбор режима измерения: с использованием источника постоянного напряжения в измерительной цепи заявленного устройства и без использования.
В случае частного исполнения заявленного устройства по п. 8 формулы изобретения, устройство дополнительно содержит интерфейс 17 (ИФ) и накопитель 18 информации.
Отличительные элементы частного исполнения устройств, заявленных в пунктах 4, 6, 9 формулы изобретения, не изображены на чертеже. Принципиальная возможность осуществления устройств в этих частных исполнениях ясна из возможности осуществления устройства, заявленного в п. 3. В случае частного исполнения устройства по п. 6 формулы изобретений, вместо схемы 6 коммутации должна быть, например, своя, независимая схема коммутации для каждого из исследуемых объектов, управляемая блоком управления БУ и связывающая электрически по команде из БУ каждый из исследуемых объектов независимо с каждой из токовых нагрузок БТН. В случае частного исполнения устройства по п. 9 формулы изобретения, интерфейс 17 (ИФ) должен быть связан со схемами коммутации токовых и измерительных цепей 3, 6, 7, 8, 10 и 16 электрическими связями, аналогичными тем, которыми связан БУ 9 с этими схемами.
Работа варианта устройства, заявленного в п. 2 формулы изобретений, реализующего заявленный способ измерений, происходит следующим образом. Исследуемые объекты электрически подключают к БИО. В БТН 2, 3, 4 заменяют или электрически подключают к нему необходимые токовые нагрузки. При необходимости к разъему 4 электрически подключают только выходную электрическую цепь требуемого источника или тока. К измерительному выходу 5 электрически подключают необходимый измерительный прибор. Устанавливают необходимые величины напряжений и тока в выходных электрических цепях подключенных к БТН источников напряжений и тока. Устанавливают режим работы устройства (времена срабатывания таймеров) в БУ 9 в соответствии с выбранной временной последовательностью прохождений электрического тока различной силы через исследуемые (электропроводящие) объекты (ИО) и временной последовательностью измерений в процессе прохождений электрического тока и пауз между ними.
Работа устройства состоит в последовательности осуществлений двух основных независимых процедур: процедуры собственно измерения и процедуры прохождения тока через ИО. 0выбор определенной временной последовательности прохождений электрического тока различной силы через каждый ИО определяет токовую циклограмму, на которой реализуется процедура собственно измерений в заявленном способе.
Процедура прохождения электрического тока через ИО заключается в следующем. Управляемая блоком БУ 9 схема коммутации 3 переводит блок БТН (2, 3, 4) на время прохождения электрического тока через один из ИО в одно из двух состояний: с токовыми нагрузками без источника напряжения или тока или с токовыми нагрузками, включающими источник напряжения или источник тока. Затем управляемая блоком БУ 9 схема коммутации 7 соединяет электрически на некоторое время один из ИО с одной из токовых нагрузок для осуществления прохождения электрического тока через ИО. Схема коммутации 7, блок токовых нагрузок БТН и блок управления БУ наиболее просто и автоматизировано реализуют необходимый в заявленном способе режим последовательного по времени прохождения электрического тока каждой величины (из допускаемых блоком токовых нагрузок) через каждый ИО. Устройство допускает возможность и одновременного прохождения электрического тока через несколько или все ИО. Это осуществляется с помощью коммутационной схемы 6, соединяющей электрически каждый из ИО с соответствующей токовой нагрузкой.
При реализации процедуры собственно измерения напряжения управляемая блоком БУ 9 схема коммутации 8 в заданные моменты времени после начала прохождения электрического тока или начала паузы подсоединяет электрически на некоторое время один из ИО к измерительному выходу 5 для измерения напряжения на ИО измерительным прибором.
Работа варианта устройства, заявленного в п.3 формулы изобретений, реализующего заявленный способ изобретений, отличается только в процедуре собственно измерения. При подготовке устройства к работе дополнительно ( по отношению к подготовке устройства по п. 2) к разъему 13 электрически подключают выходную электрическую цепь необходимого источника напряжения. В делителе напряжения 14, при необходимости, заменяют сопротивления. В БИС 12 устанавливают необходимый предел диапазона измерений напряжения и характер информационных и инициирующих сигналов, которые выдает БИС, если напряжение в измерительной цепи выходит за предел установленного для него диапазона. При установке режима работы устройства учитывают, что при осуществлении измерений напряжений на ИО электрическое подсоединение ИО к измерительному выходу 5 происходит в два этапа. Вначале с помощью схемы коммутации 8, а затем с помощью схемы коммутации 16 через некоторое время, необходимое для срабатывания блока БИС 12 и схемы коммутации 15. При использовании устройства в полуавтоматизированном режиме измерений измерение диапазона измерений и величины постоянного напряжения, подаваемого в устройство от внешнего источника постоянного напряжения производит оператор по сигналу БИС 12.
При реализации процедуры собственно измерения напряжения для варианта устройства, заявленного в п.3, управляемые блоком БУ 9 схема коммутации 8 и схема коммутации 16 ( через некоторое время после срабатывания схемы коммутации 8) в заданные моменты времени после начала прохождения электрического тока или начала паузы подсоединяют электрически на некоторое время один из ИО к измерительному выходу 5 для измерения напряжения на ИО измерительным прибором и записи (для частного исполнения устройства по п.8 формулы изобретений) значения этого напряжения в накопитель информации 18. За временной интервал между срабатыванием схемы коммутации 8 и срабатыванием схемы коммутации 16 блок БИС 12 сравнивает значение измеряемого на ИО напряжения U с пределами установленного диапазона напряжений, и в случае, если U выходит за эти пределы, выдает информационный сигнал (звуковой, световой) и посылает соответствующий инициирующий сигнал в схему коммутации 15, переводя ее в нужное положение, и посылает информационный сигнал в интерфейс ( в случае устройства по п. 8 или 9) о переводе схемы коммутации 15 в новое положение.
Работа устройств, заявленных в зависимых пунктах 4 9 формулы изобретений, в плане реализации заявленного способа отличается только в процедуре собственно измерений и ясна из уже изложенного.
Данное изобретение позволяет повысить плотность информации (информацию в единицу времени) при проведении измерений, так как проведение измерений в процессе прохождения электрического тока и релаксации при реализации последовательности прохождений электрического тока различной силы через исследуемые (электропроводящие) объекты позволяет практически без увеличения полного времени применения метода получать не только зависимости резистивных характеристик исследуемых объектов от величины силы протекающего через них электрического тока, но и соответствующие зависимости релаксационных характеристик и временную динамику резистивных и релаксационных характеристик исследуемых объектов в процессе прохождения электрического тока и релаксации.
Заявленное устройство представляет собой универсальный и технически простой измерительный стенд, позволяющий реализовать способ автоматизировано для различных циклограмм прохождений электрического тока и измерений. При этом одновременно для некоторой совокупности различных электропроводящих объектов, требующих различных диапазонов измерений. Заявленное устройство расширяет круг исследований и одновременно круг исследуемых объектов, для которых может быть реализован автоматизированно данный способ, за счет возможности электрического подключения к блоку исследуемых объектов извне и проведения исследований объектов, требующих различных диапазонов измерений, например: датчиков параметров исследуемых объектов и экспериментальных ячеек, в частности многоэлектродных, с исследуемыми электропроводящими материалами, средами, структурами и обладающими внутренней электропроводностью устройствами, и за счет того, что блок токовых нагрузок позволяет использовать токовые нагрузки различного типа, и блок схем коммутации токовой и измерительной цепей позволяет осуществление различных циклограмм ток измерение при реализации заявленного способа.
Список литературы:
1. Методы измерений в электрохимии. Т. 1,2. Под ред. Э. Егер и А. Залкинд. Перевод с англ. под ред. Ю. А. Чизмаджева. М.Мир. 1977.
2.Шехтман А.З. Электрохимия. 1991. Т. 27. С.284.
3.Шехтман А.З. Электрохимия 1994. Т 30. c. 690(N5).
4. Сб. работ по химическим источникам тока. Вып. 3. 1968. "Энергия". c. 320 344.
5. Зорохович А. Е. и др. Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей. М. "Энергия". 1975.
6. Theron Jacob J. et al. U. S.Patent 4290021. May 1, 1979. U.S.Cl. 324/429. Publ. Sep. 15, 1981.
7. Froidevaux Jacgues H. U. S. Patent 4204162, Jan. 16, 1978. U.S.Cl. 324/430.
Использование: изобретение может быть использовано в любой отрасли промышленностии для исследования и контроля качества электропроводящих материалов, тканей, сред, структур и обладающих внутренней электропроводностью устройств. Сущность: в способе измерений электрических электропроводящих объектов проводится некоторое число серий прохождения электрического тока для некоторого количества электропроводящих объектов (исследуемых объектов, обладающих внутренней электропроводностью), каждая из которых (серий) представляет собой некоторую совокупность последовательных по времени прохождений электрического тока различной силы через каждый электропроводящий объект, чередующихся с паузами восстановления электропроводящих объектов, измеряют напряжения на каждом электропроводящем объекте в процессе каждой паузы и в процессе каждого прохождения электрического тока, обрабатывают результаты измерений и получают электрических характеристик электропроводящих объектов. В результате повышения эффективность за счет получения дополнительной информации без увеличения общего времени, затрагиваемого на способ. Устройство, реализующее такой способ, значительно проще по отношению к существующим устройствам. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
