СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 2012 года по МПК G01R31/36 

Изобретение относится к автоматизированным системам контроля, предназначенным для задания и измерения тока разряда химического источника тока (ХИТ), измерения напряжения на клеммах химического источника тока, на электровоспламенителях и индикаторе контроля теплового химического источника тока (ТХИТ).

Известен прибор, принципиальная схема которого приведена в статье Б.Степанова в журнале «Радио» №9, 2001 г., стр.42, позволяющий осуществлять измерение параметров аккумуляторов, таких как динамическое внутреннее сопротивление и фактическую емкость при определенном токе разрядки.

Схема прибора содержит один токоразрядный канал, состоящий из операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора с образованием преобразователя напряжение-ток, эмиттер транзистора соединен с первым выводом резистора и с инвертирующим входом операционного усилителя. При этом на неинвертирующий вход операционного усилителя подается напряжение с делителя напряжения, один из выходов которого соединен со вторым выводом резистора в цепи эмиттера и с отрицательным выводом аккумулятора, положительный вывод которого соединен с коллектором транзистора.

Операционный усилитель с подключенным к нему транзистором образуют источник тока, управляемый напряжением. При подаче напряжения на неинвертирующий вход операционного усилителя на его инвертирующем входе и на резисторе в цепи эмиттера будет одинаковое напряжение. Изменяя напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя можно изменять силу тока, протекающего через аккумулятор.

Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком вышеуказанного устройства являются его ограниченные возможности, а именно то, что разряд аккумулятора можно производить только фиксированным током без изменения параметров схемы, что ограничивает его функциональные возможности.

Решаемой технической задачей является создание системы контроля с расширенными функциональными возможностями, которая позволяет осуществлять контроль параметров как ХИТ, так и ТХИТ.

Достигаемым техническим результатом является возможность в автоматизированном режиме задание и измерение тока разряда ХИТ, измерение напряжения на его клеммах, применение дополнительных схем, одна из которых позволяет задействовать ТХИТ, а другая для измерения температуры на его корпусе.

Для достижения технического результата в системе контроля параметров химического источника тока, содержащей один токоразрядный канал, состоящий из первого задающего резистора, операционного усилителя, выход которого соединен с базой силового транзистора, коллектор которого соединен с положительным выводом химического источника тока, новым является то, что дополнительно введены семь токоразрядных каналов, идентичных первому, при этом в каждый токоразрядный канал введен мультиплексор, выходы которого соединены с входами операционного усилителя соответственно, причем первые группы входов мультиплексоров во всех токоразрядных каналах объединены между собой и являются одним из входов системы контроля параметров, а вторые группы входов мультиплексоров соединены во всех токоразрядных каналах с эмиттерами силовых транзисторов, коллекторы которых объединены и подключены к положительному выводу химического источника тока, в токоразрядные каналы с первого по пятый дополнительно введены второй задающий резистор, первый и второй коммутирующие элементы, первые выводы которых объединены между собой и соединены с эмиттером силового транзистора, а вторые выводы соединены с первыми выводами первого и второго задающих резисторов и третьей группой входов мультиплексора, в токоразрядные каналы с шестого по восьмой дополнительно введен коммутирующий элемент, первый вывод которого соединен с эмиттером силового транзистора и со второй группой входов мультиплексора, а второй вывод соединен с первым выводом первого задающего резистора и третьей группой входов мультиплексора, в систему контроля параметров дополнительно введены первый и второй дифференциальные усилители, первый мультиплексор, схема измерения температур, измерительные резисторы и первая группа коммутирующих элементов, первые выводы которых соединены с первыми выводами измерительных резисторов и с первой группой входов первого мультиплексора соответственно, вторая группа входов которого соединена со вторыми выводами измерительных резисторов соответственно, которые объединены между собой и соединены с отрицательным выводом химического источника тока, входы первого дифференциального усилителя подключены к положительному и отрицательному выводам химического источника тока, корпус которого посредством термопары соединен со входом схемы измерения температур, выход которой является одним из выходов системы контроля параметров, а управляющий вход химического источника тока соединен с выходом схемы инициирования теплового химического источника тока, выходы первого мультиплексора соединены со входами второго дифференциального усилителя, при этом выходы первого и второго дифференциальных усилителей являются одними из выходов системы контроля параметров, дополнительно введена схема управления коммутирующими элементами, включающая в себя оптроны, электронные ключи, второй, третий мультиплексоры и программируемую логическую интегральную схему, группа входов которой является одним из входов системы контроля, причем первый выход программируемой логической интегральной схемы соединен со входом схемы инициирования, а второй выход соединен с управляющим входом схемы измерения температур, группа выходов программируемой логической интегральной схемы соединена со входом оптронов, выходы которых соединены с базами электронных ключей, эмиттеры которых заземлены, при этом коллекторы первого и второго ключей соединены с управляющими входами второй группы коммутирующих элементов системы контроля, первые выводы которых соединены с первыми выводами внешних нагрузок, вторые выводы которых объединены и подключены к положительному выводу химического источника тока, управляющие входы третьего мультиплексора соединены с коллекторами третьего и четвертого электронных ключей и управляющими входами первого мультиплексора, входы второго мультиплексора соединены с коллекторами пятого и шестого электронных ключей соответственно и управляющими входами мультиплексора каждого токоразрядного канала, причем управляющие входы вторых коммутирующих элементов всех токоразрядных каналов объединены между собой и соединены с третьим выходом второго мультиплексора, второй выход которого соединен с управляющими входами первого коммутирующего элемента со второго по пятый токоразрядных каналов, управляющий вход первого коммутирующего элемента первого токоразрядного канала соединен с первым выходом второго мультиплексора, входы третьего мультиплексора соединены с управляющими входами коммутирующих элементов соответственно, вторые выводы которых объединены между собой и соединены со вторыми выводами второй группы коммутирующих элементов и вторыми выводами всех задающих резисторов.

Введение в систему контроля параметров ХИТ дополнительных токоразрядных каналов позволяет задавать длительный ток разряда аккумулятора до 10 ампер. Применение измерительных резисторов необходимо для измерения и контроля реального тока разряда аккумулятора. Использование схемы инициирования позволяет производить активацию тепловых химических источников тока, а схема измерения температур необходима для измерения температур на корпусе ТХИТ. За счет введения цепей подключения внешних пассивных нагрузок можно производить разряд аккумулятора при подключении этих нагрузок. Новая совокупность существенных признаков позволяет расширить функциональные возможности заявляемой системы контроля.

На фиг.1, 2 приведены схемы заявляемой системы контроля параметров ХИТ.

Система контроля параметров ХИТ содержит (см. фиг.1 и 2) токоразрядные каналы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, каждый из которых содержит мультиплексор 9, 10, 11, выход которого соединен со входом операционного усилителя 12, 13, 14. Выход каждого усилителя 12, 13, 14 соединен с базой силового транзистора 15, 16, 17, коллектор которого соединен с положительным выводом химического источника тока 18. Первые группы входов мультиплексоров 9, 10, 11 токоразрядных каналов 1, 2, 6 объединены между собой и являются одним из входов системы контроля параметров химического источника тока. Вторая группа входов мультиплексоров 9, 10, 11 токоразрядных каналов 1, 2, 6 соединена с эмиттерами силовых транзисторов 15, 16, 17, коллекторы которых объединены и подключены к положительному выводу химического источника тока 18. В токоразрядные каналы 1, 2 введены задающие резисторы 19, 20, 21 и 22 и коммутирующие элементы 23, 24, 25 и 26. В токоразрядный канал 6 введен задающий резистор 27 и коммутирующий элемент 28. Первые выводы коммутирующих элементов 23, 24 объединены между собой и соединены с эмиттером силового транзистора 15 и со второй группой входов мультиплексора 9. Первые выводы коммутирующих элементов 25, 26 объединены между собой и соединены с эмиттером силового транзистора 16 и со второй группой входов мультиплексора 10. Первый вывод коммутирующего элемента 28 соединен с эмиттером силового транзистора 17 и со второй группой входов мультиплексора 11. Вторые выводы коммутирующих элементов 23, 24 соединены с первыми выводами задающих резисторов 19 и 20 соответственно, и с третьей группой входов мультиплексора 9. Вторые выводы коммутирующих элементов 25, 26 соединены с первыми выводами задающих резисторов 21 и 22 соответственно, и с третьей группой входов мультиплексора 10. Второй вывод коммутирующего элемента 28 соединен с первым выводом задающего резистора 27 и с третьей группой входов мультиплексора 11. Первый дифференциальный усилитель 29, второй дифференциальнй усилитель 30, первый мультиплексор 31, схема измерения температур 32, измерительные резисторы 33, 34, 35 и 36, первая группа коммутирующих элементов 37, 38, 39 и 40. Первые выводы измерительных резисторов 33, 34, 35 и 36 соединены с первыми выводами коммутирующих элементов 37, 38, 39 и 40 и соединены, соответственно, с первой группой входов мультиплексора 31, вторая группа входов которого соединена, соответственно, со вторыми выводами измерительных резисторов 33, 34, 35 и 36, которые объединены между собой и соединены с отрицательным выводом химического источника тока 18. Выходы мультиплексора 31 соединены с входами второго дифференциального усилителя 30. Выходы дифференциальных усилителей 29 и 30 являются выходами системы контроля параметров. Входы дифференциального усилителя 29 соединены с положительным и отрицательным выводами химического источника тока 18, управляющий вход которого соединен с выходом схемы инициирования теплового химического источника тока 41, вход которой соединен с выходом программируемой логической интегральной схемы 42, группа входов которой является одним из входов системы контроля. Корпус теплового химического источника тока 18 посредством термопары соединен с входом схемы измерения температур 32, управляющий вход которой соединен со вторым выходом программируемой логической интегральной схемы 42, а выход схемы измерения температур 32 является одним из выходов системы контроля параметров химических источников тока. Схема управления коммутирующими элементами включает в себя оптроны 43, электронные ключи 44, 45, 46, 47, 48 и 49, второй мультиплексор 50, третий мультиплексор 51 и программируемую логическую интегральную схему 42, группа выходов которой соединена с входом оптронов 43, выходы которых соединены с базами электронных ключей 44, 45, 46, 47, 48 и 49, эмиттеры которых заземлены. Выходы электронных ключей 48 и 49 соединены с управляющими входами второй группы коммутирующих элементов 52 и 53 соответственно, первые выводы которых соединены с первыми выводами внешних нагрузок 54 и 55 соответственно, вторые выводы которых объединены и подключены к положительному выводу химического источника тока 18. Управляющие входы второго мультиплексора 50 соединены с выходами электронных ключей 44, 45 и управляющими входами мультиплексоров 9, 10, 11 каждого токоразрядного канала. Управляющий вход коммутирующего элемента 23 токоразрядного канала 1 соединен с первым выходом второго мультиплексора 50, второй выход которого соединен с управляющим входом коммутирующего элемента 25 токоразрядного канала 2. Управляющие входы коммутирующих элементов 24, 26 и 28 объединены между собой и соединены с третьим выходом второго мультиплексора 50. Выходы электронных ключей 46 и 47 соединены с управляющими входами первого мультиплексора 31 и третьего мультиплексора 51, входы которого соединены, соответственно, с управляющими входами коммутирующих элементов 37, 38, 39 и 40, вторые выводы которых объединены между собой и соединены со вторыми выводами коммутирующих элементов 52, 53 и вторыми выводами задающих резисторов 19, 20, 21, 22 и 27.

Система контроля параметров осуществляет задание и измерение тока разряда ХИТ, измерение напряжения на химическом источнике тока, коммутацию цепей задействования тепловых химических источников тока, измерение температуры на корпусе теплового химического источника тока.

Система содержит восемь «токоразрядных каналов» стабилизации тока. Каждый «токоразрядный канал» построен по схеме повторителя напряжения, выполненном на операционном усилителе с силовым транзистором на выходе, нагруженном на задающий резистор через коммутирующее устройство с малым сопротивлением во включенном состоянии.

Требуемый динамический диапазон 0,015…15 А стабилизации токов разряда ХИТ разбит на три диапазона для достижения требуемой погрешности измерений.

При разряде ХИТ стабилизированным током в диапазоне значений 0,015…0,150 ампер задействуется «токоразрядный канал 1», при разряде током 0,150…1,5 ампер происходит параллельное включение четырех «токоразрядных каналов 2, 3, 4, 5», при разряде током 1,5…15 ампер происходит параллельное включение всех восьми «токоразрядных каналов».

В общем случае для всех «токоразрядных каналов» (см. фиг.1 и 2) подаваемое управляющее напряжение U_вх обеспечивает протекание через нагрузочный резистор тока разряда ХИТ. При задействовании нескольких параллельных «токоразрядных каналов» общий ток разряда ХИТ равен сумме токов на каждом канале. При разряде ХИТ через внешнюю нагрузку от ХИТ отбирается дополнительный ток. В этом случае ток разряда ХИТ равен сумме токов, заданных управляющим напряжением U_вх и током разряда через внешнюю нагрузку.

Суммарный ток разряда ХИТ создает на одном из подключаемых измерительных резисторов 33, 34, 63, 65 падение напряжения, которое усиливается дифференциальным усилителем 30 и подается на АЦП внешнего устройства. По измеренному значению этого напряжения вычисляется действительный ток разряда ХИТ.

Первый дифференциальный усилитель 29 осуществляет измерение напряжения на ХИТ.

При испытании ТХИТ дополнительно задействуется схема инициирования 41. На корпусе ТХИТ установлена термопара, выход которой соединен с входом схемы измерения температур 32, что позволяет измерить температуру этого корпуса.

Программируемая логическая интегральная схема 69 осуществляет адресацию узлов системы контроля параметров ХИТ: включение всех коммутирующих элементов, коммутацию сигналов мультиплексоров. Оптроны 70 осуществляют гальваническую развязку аналоговой части схемы от цифровой.

При разряде ХИТ малым стабилизированным током разряда (из первого диапазона) происходит следующее.

Цифровой код D0…D7 поступает на вход программируемой логической интегральной схемы 42, с выхода которой сигналы, проходя через оптопары поступают на электронные ключи 44, 45, 46, 47. При этом на выходе электронного ключа 44 появляется уровень напряжения, соответствующий логической единице, на выходе электронных ключей 45, 46, 47 уровень напряжения, соответствующий логическому нулю. Мультиплексор 9, на управляющие входы которого поступают сигналы с электронных ключей 44, 45 коммутирует цепи так, что входное напряжение U_вх подается на неинвертирующий вход операционного усилителя 12, а нагрузочный резистор 19 подключается к инвертирующему входу этого операционного усилителя. Кроме этого на первом выходе второго мультиплексора 50 появляется напряжение, соответствующее логической единице, поступающее на разрешающий вход коммутирующего устройства 23, которое подключает нагрузочный резистор 19 к эмиттеру транзистора 15. Третий мультиплексор 51, на вход которого поступают сигналы с выходов электронных ключей 46 и 47, соответствующие логическому нулю, обеспечивает подключение к его первому входу управляющего напряжения U_упр, в результате чего коммутирующее устройство 37 подключит измерительный резистор 33, т.о. замыкая цепь разряда ХИТ. При этом первый мультиплексор 31, на управляющие входы которого поступают сигналы напряжения с выходов электронных ключей 46, 47, подключит резистор 33 к первому дифференциальному усилителю 30.

При разряде ХИТ стабилизированным током из второго диапазона, цепь разряда ХИТ состоит из четырех параллельно включенных «токоразрядных каналов 2, 3, 4, 5» (в «токоразрядном канале 2» подключается измерительный резистор 21), ХИТ 18 и измерительного резистора 34. При разряде ХИТ стабилизированным током из третьего диапазона цепь разряда ХИТ состоит из восьми параллельно включенных «токоразрядных каналов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8» (в «токоразрядных каналах 1, 2, 8» подключаются измерительные резисторы 20, 22, 27 соответственно) ХИТ 18 и измерительного резистора 35.

Кроме гальваностатического режима разряда ХИТ, описанного выше, в системе контроля параметров имеется возможность производить разряд на внешнюю пассивную нагрузку 54, при подключении которой происходит следующее. Цифровой код D0…D7 подается на программируемую логическую интегральную схему 42, с выхода которой сигнал, пройдя через оптопары 43 включает электронный ключ 48. Далее сигнал напряжения с выхода электронного ключа 48 поступает на управляющий вход коммутирующего элемента 52, который в свою очередь подключает внешнюю нагрузку 54 к цепи всей системы контроля параметров, как показано на фиг.1, 2. Аналогично происходит подключение всех внешних нагрузок. Режим разряда ХИТ на внешнюю нагрузку может применяться как отдельно, так и вместе с гальваностатическим режимом. В связи с этим при подключении низкоомной внешней нагрузки и возникновении тока разряда, большего 15 ампер, происходит включение измерительного резистора 36.

Для подтверждения практической возможности реализации предлагаемого изобретения был изготовлен и испытан макетный образец системы контроля параметров ХИТ, выполненный по приведенной на фиг.1 и 2. Проведенные испытания подтвердили практическую ценность и работоспособность заявляемой системы.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к автоматизированным системам контроля, и может быть использовано для задания и контроля тока разряда химических источников тока (ХИТ), контроля напряжения на ХИТ, активации теплового ХИТ. Сущность: система контроля содержит восемь токоразрядных каналов, первый и второй дифференциальные усилители, мультиплексоры, первую и вторую группы коммутирующих элементов, измерительные резисторы, схему управления коммутирующими элементами. Технический результат: расширение функциональных возможностей за счет задания и измерения тока разряда ХИТ и напряжения на его клеммах в автоматизированном режиме, возможности задействовать тепловой ХИТ. 2 ил.

Система контроля параметров химического источника тока, содержащая первый токоразрядный канал, состоящий из первого задающего резистора, операционного усилителя, выход которого соединен с базой силового транзистора, коллектор которого соединен с положительным выводом химического источника тока, отличающаяся тем, что дополнительно введены семь токоразрядных каналов, идентичных первому, при этом в каждый токоразрядный канал введен мультиплексор, выходы каждого из которых соединены со входами операционного усилителя соответственно, причем первые группы входов мультиплексоров во всех токоразрядных каналах объединены между собой и являются одним из входов системы контроля параметров, а вторые группы входов мультиплексоров соединены во всех токоразрядных каналах с эмиттерами силовых транзисторов, коллекторы которых объединены и подключены к положительному выводу химического источника тока, в токоразрядные каналы с первого по пятый дополнительно введены второй задающий резистор, первый и второй коммутирующие элементы, первые выводы которых объединены между собой и соединены с эмиттером силового транзистора, а вторые выводы соединены с первыми выводами первого и второго задающих резисторов и третьей группой входов мультиплексора, в токоразрядные каналы с шестого по восьмой дополнительно введен коммутирующий элемент, первый вывод которого соединен с эмиттером силового транзистора и со второй группой входов мультиплексора, а второй вывод соединен с первым выводом первого задающего резистора и третьей группой входов мультиплексора, в систему контроля параметров дополнительно введены первый и второй дифференциальные усилители, первый мультиплексор, первая и вторая группы коммутирующих элементов и измерительные резисторы, первые выводы которых соединены с первыми выводами первой группы коммутирующих элементов и с первым, вторым, третьим и четвертым входами первого мультиплексора соответственно, пятый, шестой, седьмой и восьмой входы которого соединены соответственно со вторыми выводами каждого измерительного резистора, которые объединены между собой и соединены с отрицательным выводом химического источника тока, управляющий вход которого соединен с выходом схемы инициирования теплового химического источника тока, входы первого дифференциального усилителя подключены к положительному и отрицательному выводам химического источника тока, выходы первого мультиплексора соединены с входами второго дифференциального усилителя, при этом выходы первого и второго дифференциальных усилителей являются одними из выходов системы контроля параметров, дополнительно введена схема управления коммутирующими элементами, включающая в себя оптроны, электронные ключи, второй и третий мультиплексоры и программируемую логическую интегральную схему, выход которой соединен со входом схемы инициирования теплового химического источника тока, а группа выходов соединена со входом каждого оптрона, выходы которых соединены с базами электронных ключей, эмиттеры которых заземлены, при этом коллекторы первого и второго ключей соединены с управляющими входами второй группы коммутирующих элементов системы контроля, первые выводы которых соединены с первыми выводами внешних нагрузок, вторые выводы которых объединены и подключены к положительному выводу химического источника тока, управляющие входы третьего мультиплексора соединены с коллекторами третьего и четвертого электронных ключей и управляющими входами входы второго мультиплексора соединены с коллекторами пятого и шестого электронных ключей соответственно и управляющими входами мультиплексора каждого токоразрядного канала, причем управляющие входы вторых коммутирующих элементов всех токоразрядных каналов объединены между собой и соединены с третьим входом второго мультиплексора, второй выход которого соединен с управляющими входами первого коммутирующего элемента со второго по пятый токоразрядных каналов, управляющий вход первого коммутирующего элемента первого токоразрядного канала соединен с первым выходом второго мультиплексора, входы третьего мультиплексора соединены с управляющими входами первой группы коммутирующих элементов соответственно, вторые выводы которых объединены между собой и соединены со вторыми выводами второй группы коммутирующих элементов и вторыми выводами всех задающих резисторов.