УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА Российский патент 2008 года по МПК G01R31/36 H01M10/48 

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 измерения электрической емкости химических источников тока (ХИТ), описанное в патенте России №2214025 (БИ №28, 2003 г.). В известном устройстве реализованном по алгоритму, представленному следующей формулой:

где Q_эл - электрическая емкость измеряемого источника тока, А·ч;

С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф;

U_ХИТ - 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 содержащем измеряемый химический источник тока (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 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, через согласующие каскады 10 и 11 с выходом ключа 2 и делителя 7, ждущий генератор пилообразного линейно-нарастающего напряжения (ГПН) 12, вход которого соединены 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 не оперативным. 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 С=5000 мкФ, то постоянная времени заряда конденсатора τ_зар увеличится на дополнительную постоянную времени, равную:

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

Теоретическое время заряда конденсатора τ_зар, рассчитанное по формуле (1) для негерметичных кислотных аккумуляторов (k=2), в зависимости от емкости Q_хит будет иметь значения, представленные в таблице 1. Увеличение этого времени за счет дополнительного сопротивления подводящих концов и проходного сопротивления коммутатора на 30 мкс (измерение производится на уровне 3τ_зар=t_зар) дает дополнительную погрешность измерения σ_доп, приведенную также в таблице 1.

Таблица 1.Q_хит, А·ч720446080100t_зар, мкс2143750341250188150σ_доп, %1,43,88,110,71416,6

Кроме того, аналоговая обработка сигналов в известном устройстве также увеличивает погрешность измерения за счет дрейфов нулей аналоговых микросхем и усложняет процесс регулировки устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения электрической емкости химических источников тока (ХИТ), описанное в патенте России №2248073 (БИ №14, 2005 г.). В известном устройстве, реализованном также по алгоритму (1) и содержащем измеряемый химический источник тока (ХИТ) 1, один полюс которого (минус) соединен с общей шиной устройства, и 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 на замыкание 4, вход которого соединен с положительным полюсом исследуемого ХИТ, ключ 5 разряда конденсатора 3, вход которого соединен с первой пластиной конденсатора 3, а выход - с общей шиной устройства, переключатель 6, первый вход которого соединен с выходом ключа 2, а второй вход - с выходом ключа 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, вход которого соединен с выходом переключателя 6, микроконтроллер, содержащий микропроцессор (МП) 8 с блоком памяти программ(БПП) 9 и блоком памяти данных (БПД) 10, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 11, таймер 12 и порт ввода-вывода (ПВВ) 13, соединенных соответственно, причем входная шина МП 8 соединена с выходной шиной АЦП 7, первый выход ГТИ 11 соединен со входом запуска АЦП 7, а второй - со вторым входом БПП 9, шина вход-выход таймера 12 соединена с соответствующей шиной МП 8, входная шина ПВВ 13 соединена с выходной шиной МП 8, блок индикации 14, входная шина которого соединена с первой выходной шиной ПВВ 13, входы управления ключами 2, 3, 5 и переключателя 6 соединены с соответствующими выходами ПВВ 13, ключ 15 запуска начала измерения, вход которого через ПВВ 13 соединен со входом запуска МП 8, а выход - с общей шиной устройства, переключатель 16 вида измерения, два выхода которого соединены с соответствующими входами управления ПВВ 13.

В указанном устройстве измерения электрической емкости ХИТ сигналы обрабатываются цифровым способом и поэтому исключены погрешности, присущие аналоговым средствам обработки сигналов (дрейф нулевого уровня, напряжение смещения т.д.). Однако это устройство обладает недостатками, заключающимся в том, что устройство имеет дополнительную погрешность измерения, которая определяется конечным суммарным значением сопротивлений подводящих концов и коммутирующего устройства, а также соизмеримостью сопротивления с внутренним сопротивлением ХИТ, как и предыдущее устройство (описанное в патенте России №2214025, БИ №28, 2003 г.). Кроме того, известное устройство имеет большую погрешность измерения при измерении ХИТ большой емкости (Q>200 А·ч), когда время заряда конденсатора становится очень малым. Например, при С4=5000 мкФ, U=2 В и Q=2000 А·ч, время заряда составит около 12 мкс. Что значительно меньше, чем быстродействие широко распространенных типов АЦП - 100 мкс. Увеличение значения емкости конденсатора приведет к увеличению весогабаритных характеристик устройства или, если применять электролитические конденсаторы большой емкости, к изменению параметров в течение времени.

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 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 на замыкание 4, соединенный параллельно конденсатору 3, АЗУ 5, вход которого соединен со входом ключа 2, компаратор 6, первый вход которого соединен с выходом ключа 2, делитель напряжения 7 с коэффициентом деления k=0,95, вход которого соединен с выходом АЗУ 5, а выход - со вторым входом компаратора 6, АЦП 8, вход которого соединен с выходом АЗУ 5, микроконтроллер (МК) 9, первый вход которого соединен с выходом компаратора 6, второй вход соединен с выходом АЦП 8, а первый и второй выходы которого соединены, соответственно, со входами управления ключей 2 и 4, блок индикации 10, вход которого соединен с третьим выходом МК9, ключ запуска начала измерения 11, вход которого соединен с четвертым выходом МК 9, а выход - с общей шиной устройства, введен цифроаналоговый преобразователь 12, вход которого соединен с пятым выходом МК 9, а выход - с опорным входом АЦП 8, алгоритм обработки сигнала в МК 9 представлен следующей формулой:

где Q_эл - электрическая емкость измеряемого источника тока, А·ч;

С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф;

U_ХИТ - напряжение на измеряемом источнике тока, В;

t_зар - время заряда конденсатора от измеряемого источника, с;

t_ком - время компенсации увеличения времени заряда конденсатора за счет конечного значения сопротивлений подводящих проводов и входного коммутатора;

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

На чертеже изображена электрическая схема для измерения электрической емкости химического источника тока.

Схема включает измеряемый химический источник тока 1, ключ 2 на замыкание цепи, конденсатор 3 известной емкости, ключ 4 сброса заряда конденсатора 3, АЗУ 5, компаратор 6, делитель напряжения 7 с коэффициентом k=0,95, АЦП 8, микроконтроллер 9, блок индикации 10, ключ запуска 11, ЦАП 12. Причем, сопротивление соединительных проводов, ключа 2 в замкнутом состоянии и токосъемников должно быть минимально возможным (примерно, на порядок меньше внутреннего сопротивления измеряемого источника тока).

Предложенное устройство работает следующим образом. После подсоединения измеряемого ХИТ 1 к устройству кратковременным нажатием ключа 11 запускается МК 9 и программа последовательности управления ключами 2 и 4. Напряжение ХИТ подается на вход АЗУ 5 и запоминается. С выхода АЗУ 5 напряжение подается на вход делителя напряжения 7 и на вход АЦП 8. Затем замыкается ключ 2 и МК 9 начинает отсчитывать время заряда. Через ключ 2 заряжается конденсатор 3. В процессе нарастания напряжения заряда на конденсаторе от измеряемого ХИТ это напряжение, подаваемое на первый вход компаратора 6, сравнивается с напряжением, запомненным в АЗУ 5 и подаваемым через делитель 7 на второй вход компаратора 6. При достижении напряжением заряда уровня 0,95 от U_ХИТ срабатывает компаратор 6 и МК 9 останавливается, фиксирует время t_зар заряда конденсатора 3. Т.к. в МК 9 вводится фиксированное значение времени компенсации t_ком за счет конечного сопротивления подводящих проводов и проходного сопротивления ключа 2, то на выходе ЦАП 12 формируется аналоговый сигнал следующего вида:

где k_ЦАП - коэффициент преобразования ЦАП 12, В/с.

Это напряжение подается на опорный вход АЦП 8. При этом результат преобразования N_АЦП на выходе АЦП 8 будет связан с величинами U_ХИТ и U_цап следующим соотношением:

где k_ЦАП - коэффициент преобразования АЦП 8

или с учетом (3):

где k₁=k_АЦП/k_ЦАП

В блоке памяти программ МК 6 записана программа, реализующая следующий алгоритм:

или с учетом (5):

где С - численное значение емкости конденсатора 3, записанное в памяти МК 9;

U - напряжение на измеряемом источнике тока, В;

t_зар - время заряда конденсатора от измеряемого источника, с;

t_ком - время, компенсирующее увеличение времени заряда конденсатора за счет конечного значения сопротивлений подводящих проводов и входного коммутатора;

k - коэффициент, устанавливаемый для каждого типа ХИТ и записанный в блоке памяти данных МК 9 как константа (для кислотных и щелочных негерметичных ХИТ k=2).

Значение Q_эл вычисляется МК 9 и выводится на блок индикации 10. После индикации результатов вычисления Q_эл МК 9 дает команду на включение ключа 4 и происходит разряд конденсатора 3.

Таким образом, математическая операция деления выполняется непосредственно на АЦП, что разгружает микроконтроллер, уменьшает погрешность измерения и увеличивает быстродействие выполнения заданной программы. Введение в программу обработки времени компенсации исключает погрешность за счет конечного значения сопротивлений подводящих проводов и входного коммутатора.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники. Технический результат: уменьшение погрешности, сокращение времени измерения, упрощение конструкции. Сущность: устройство содержит два ключа на замыкание, конденсатор известной емкости, АЗУ, делитель напряжения с коэффициентом деления k=0,95, компаратор, АЦП, микроконтроллер (МК), блок индикации, ключ запуска начала измерения, цифроаналоговый преобразователь. Алгоритм обработки сигнала в МК представлен формулой: Q_эл=C·U_ХИТ/[(t_зар-t_ком)·2k], где Q_эл - электрическая емкость измеряемого источника тока, А·ч; С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф; U_ХИТ - напряжение на измеряемом источнике тока, В; t_зар - время заряда конденсатора от измеряемого источника, с; t_ком - время компенсации увеличения времени заряда конденсатора за счет конечного значения сопротивлений подводящих проводов и входного коммутатора; k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого химического источника тока. 1 табл., 1 ил.

Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока (ХИТ) и содержащее измеряемый 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 на замыкание 4, соединенный параллельно конденсатору 3, АЗУ 5, вход которого соединен со входом ключа 2, компаратор 6, первый вход которого соединен с выходом ключа 2, делитель напряжения 7 с коэффициентом деления k=0,95, вход которого соединен с выходом АЗУ 5, а выход - со вторым входом компаратора 6, АЦП 8, вход которого соединен с выходом АЗУ 5, микроконтроллер (МК) 9, первый вход которого соединен с выходом компаратора 6, второй вход соединен с выходом АЦП 8, а первый и второй выходы которого соединены, соответственно, со входами управления ключей 2 и 4, блок индикации 10, вход которого соединен с третьим выходом МК 9, ключ запуска начала измерения 11, вход которого соединен с четвертым выходом МК 9, а выход - с общей шиной устройства, введен цифро-аналоговый преобразователь 12, вход которого соединен с пятым выходом МК 9, а выход - с опорным входом АЦП 8, а алгоритм обработки сигнала в МК 9 представлен следующей формулой:

Q_эл=C·U_ХИТ/[(t_зар-t_зар)·2k],

где Q_эл - электрическая емкость измеряемого источника тока, А·ч;

С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф;

Q_ХИТ - напряжение на измеряемом источнике тока, В;

t_зар - время заряда конденсатора от измеряемого источника, с;

t_ком - время компенсации увеличения времени заряда конденсатора за счет конечного значения сопротивлений подводящих проводов и входного коммутатора;

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