Устройство для измерения сопротивления химических источников тока (ХИТ) Российский патент 2023 года по МПК G01R31/36 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерения внутреннего сопротивления химических источников тока (ХИТ) как в стационарных, так и в полевых условиях.

Известен способ и устройство определения внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи (АКБ) (А.С. №1742908 A1, Н01М 10/48, БИ №23, 1992 г.), где измеряют ЭДС и напряжение при фиксированной величине переменного тока со скважностью, равной двум, который формируется за счет наложения на постоянный разрядный ток батареи униполярных прямоугольных импульсов зарядного тока и вычисления сопротивления r₀ по полученным данным по следующей формуле:

где Е - ЭДС АКБ,

U - напряжение на АКБ при разряде,

К_ф - коэффициент формы переменного импульсного тока батареи и частота тока выбирается равной 10 кГц,

L - индуктивность батареи при частоте переменного тока f=10 кГц;

где I_н - расчетный ток нагрузки батареи.

Известный способ обладает недостатками. Во-первых, здесь требуются большие энергетические затраты, т.к. для получения малой погрешности измерения АКБ необходимо нагружать на очень малое нагрузочное сопротивление (для получения существенной разницы между ЭДС и напряжением при нагрузке (Е-U)), что является нежелательным. Во-вторых, нагрузочное сопротивление нужно включать на очень малое время, т.к. иначе произойдет разряд АКБ и возможен выход из строя нагрузочного сопротивления из-за перегрева. В-третьих, согласно формулы (1, 2), для расчета r₀ необходимо знать значение индуктивности L АКБ, что требует проведения дополнительных измерений. И в-четвертых, как известно [1, 2], внутреннее сопротивление АКБ имеет сложный характер и включает в себя непосредственно внутреннее сопротивление АКБ r₀ и поляризационное сопротивление r_п, которые проявляются при различных токах заряда или разряда [1], а известный способ позволяет определить только r₀, т.е. является функционально ограниченным.

Известен еще устройство, реализованное по способу измерения сопротивления короткого замыкания ХИТ, описанное в А.С.N 1568117 (Н01М 10/48,БИ N20,1990 г.), где измеряют ЭДС ХИТ, конденсаторную нагрузку предварительно заряжают от дополнительного источника обратной по отношению к ХИТ полярностью и в процессе разряда ХИТ на нагрузку в момент времени, когда напряжение на выводах ХИТ равно нулю, измеряют ток разряда и определяют сопротивление короткого замыкания как частное от деления ЭДС на величину измеренного тока разряда. Этот способ, также как и предыдущий, позволяет определить только r₀, т.е. является

функционально ограниченным и трудоемким, т.к. требуется предварительный заряд конденсатора источником напряжения обратной полярности.

Известно еще устройство, реализованное по способу измерения сопротивления короткого замыкания ХИТ, описанный в А.С. СССР №547878(Н 01 М 10/48,БИ N 7, 1977 г.). В известном способе путем разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку фиксируют изменение напряжения на ней и строят кривую зависимости этого напряжения от времени и, далее, выбирая на кривой любую точку до значения напряжения равного 0.8 Ехит, по координатам этой точки вычисляют сопротивление К3. Однако указанный известный способ позволяет определить только r₀, т.е. также является функционально ограниченным и довольно трудоемким и долговременным, несмотря на то, что максимальное время процесса заряда конденсатора составляет доли секунды. Кроме того, известный способ имеет ограничения по выбору рабочей точки на кривой (U_o/Е<0.8), что не является оптимальным.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения сопротивления химических источников тока, описанное патенте RU №2328012 (G01R 31/36, БИ №18, 2008 г.). В известном способе путем измерения напряжения на источнике, разряда его на конденсаторную нагрузку а процессе разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку измеряют время заряда конденсатора в трех точках, например 0,25; 0,9 и 0,95. Далее по кривым заряда, представляющих сумму двух экспонент, выводятся следующие формулы для расчета сопротивлений ХИТ:

где R - суммарное сопротивление ХИТ; r₀ - активное сопротивление ХИТ;

r_п -поляризационное сопротивление ХИТ;

С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф;

t₁ - время фиксации зарядной характеристики на уровне, примерно, 0,22 U_акб, мкс;

t₂ - время достижения зарядной характеристики уровня 0,9 U_акб , мкс;

t₃ - время достижения зарядной характеристики уровня 0,95 U_акб, мкс;

n₁, n₂ и n₃ - значения отношений постоянных времени τ ко времени заряда конденсатора в соответствующие моментам времени t₁, t₂ и t₃, которые рассчитываются по формуле:

где, n=t/τ и имеет размерность [с/ΩФ].

Например, для значений времени заряда до уровней U_акб 0,22; 0,9 и 0,95 n будут иметь соответствующие значения 0,25; 2,3 и 3. При этом формулы (3) и (4) будут иметь вид:

Далее производятся расчеты составляющих сопротивлений исследуемого ХИТ.

Целью предлагаемого изобретения является сокращение времени измерения и упрощение процесса измерения сопротивления ХИТ и его составляющих.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве реализующим работу по уравнениям (3, 4, 5) и содержащем испытуемый химический источник тока (ХИТ) 1, один полюс которого (минус) соединен с общей шиной устройства, ключ 2 на замыкание цепи, конденсатор 3 известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной, а вторая с выходом ключа 3, введены ключ 4 на замыкание цепи, вход которого соединен с положительной пластиной ХИТ 1, ключ 5 на замыкание цепи для разряда конденсатора 3 после завершения процесса измерения, вход которого соединен с выходом ключа 2 и пластиной конденсатора 3, а выход с общей шиной, ключи 6 и 7 на размыкание цепи, причем ключ 4 и 6 работают синхронно, ключи 8,9 и 10 на размыкание цепи, первый пиковый детектор 11, вход ключа 7 соединен со входом ключа 2 и входом первого пикового детектора 11, делитель напряжения 12 с коэффициентами деления 0.22; 0.9 и 0,95,

согласующий 13 каскад вход которого соединен со входом конденсатора 3 и входом ключа 5, введены компараторы 14, 15 и 16, первые входы которых соединены соответственно с выходами делителя 12, вторые входы компараторов соединены с выходом согласующего каскада 13, выходы компараторов 14, 15 и 16 соединены соответственно с управляющими входами ключей 8, 9 и 10, введены пиковые детекторы 17, 18 и 19, входы которых соединены соответственно с выходами ключей 8, 9 и 10 регулируемый усилитель 20, вход которого соединен с выходом пикового детектора 17, дифференциальный усилитель 21 с регулируемым усилением, входы которого соединены соответственно с выходами пиковых детекторов 18 и 19, введен дифференциальный усилитель 22, входы которого соединены соответственно с выходами усилителя 20 и усилителя 21, конденсатор 23, выводы которого соединены параллельно с контактами ключа 6, резистор 24, один вывод которого соединен с выходом ключа 6, а второй - с общей шиной устройства, ждущий генератор нарастающего пилообразного напряжения (ГПН) 25, выход которого соединен со входами ключей 8,9 и 10, ключ 26 с нормально разомкнутыми контактами, формирователь 27 сигнала сброса, вход которого соединен со входом ключа 26, выход которого соединен с общей шиной устройства, выход формирователя 27 соединен со входами сброса пиковых детекторов 11, 17, 18 и 19, и управляющими входами ключей 2, 5 и 7, переключатель 28, входы которого соединены с выходами усилителей 20, 21 и 22, блок индикатора 29, вход которого соединен с выходом переключателя 28.

На фиг. 1 изображена блок схема устройства для измерения сопротивлений R, r₀ и r_п химического источника тока.

Схема включает испытываемый источник тока 1, ключи 2, 4 и 5 на замыкание цепи, ключ 6 на размыкание, конденсатор 3 известной емкости, первый пиковый детектор 110, делитель напряжения 12 с тремя коэффициентами деления(0,25; 0,9 и 0,95), компараторы 14, 15 и 16, ключи 8, 9 и 10 на размыкание, пиковые детектора 17, 18 и 19, согласующий каскад 13, генератор нарастающего пилообразного напряжения (ГПН) 25 в ждущем режиме, усилитель 20 с регулируемым коэффициентом усиления, дифференциальный усилитель 21 с регулируемым

коэффициентом усиления, дифференциальный усилитель 22, формирователь 27 сигнала сброса, ключи 5 и 26 на замыкание, конденсатор 22 и резистор 23, переключатель 28 и блок индикатора 29.

Предложенное устройство работает следующим образом. При подключение испытуемого ХИТ 1 к устройству через ключи 4, 7 напряжение ХИТ фиксируется на выходе пикового детектора ПД 11, которое подается на вход делителя напряжения 12, имеющего три выхода с коэффициентами передачи 0,25, 0,9 и 0.95, т.е. на выходах делителя 11 будут напряжения:

Напряжения с выхода делителя 12, как опорные напряжения, подаются, соответственно, на вторые входы компараторов 14, 15 и 16. Ключи 4 и 6 управляются вручную (например, от возвратной кнопки «Измерение» на панели устройства) и работают синхронно. При размыкании ключа 6, возникающий при этом на его выходе отрицательный перепад напряжения запускает ГПН 25 и замыкает ключ 2. Линейно нарастающее напряжение с выхода ГПН 25 подается на входы пиковых детекторов 17, 18 и 19 через замкнутые контакты соответствующих ключей 8, 9 и 10. Одновременно с замыканием ключа 2 происходит заряд конденсатора 3. При достижении на конденсаторе 3 напряжений, равных по уровням значений(б) срабатывают последовательно соответствующие компараторы 14, 15 и 16 на выходах которых формируется положительный перепад напряжений, который закрывает соответственно ключи 8, 9 и 10. Постоянные запомненные напряжения на выходах ПД 17,18 и 19 будут пропорциональны времени заряда конденсатора 3 до необходимых уровней (6). Т.е. ГПН 25, компараторы 14, 15 и 16, ПД 17,18 и 19 являются преобразователями время-напряжение с коэффициентом преобразования, например, 1 мВ/мкс. Напряжение с выхода ПД 17 подается на вход усилителя 20. Коэффициент усиления усилителя 20 рассчитывается по следующей формуле:

где С - численное значение электрической емкости конденсатора 3 в млФ.

Если, например, конденсатор 3 имеет емкость 5 млФ, то K₂₀=80 и выходное напряжение усилителя 20 составит 480 мВ. Причем у усилителя 20 имеется небольшая регулировка для подстройки коэффициента усиления под конкретное значение емкости конденсатора 3 в пределах ±20%. Если время t₁ составит 6 мкс, а коэффициент преобразования ГПН составляет 1 мВ/мкс, то

Напряжение с выхода усилителя 20 пропорциональное значению r₀ подается на первый вход переключателя 28 и первый вход дифференциального усилителя 22. Напряжения с выходов ПД 18 и 19 подаются на входы усилителя 21. Коэффициент усиления усилителя 21 рассчитывается по следующей формуле:

У усилителя 21 также имеется небольшая регулировка для подстройки коэффициента усиления под конкретное значение емкости конденсатора 3 в пределах ±20%. При принятых выше значениях конденсатора 3 и коэффициентах n₂ и n₃ будем иметь значение K₂₁=28,57.

Если время t₂ и будут иметь соответствующие значения 640 мкВ и 360 мкВ, то разница в 280 мкВ на выходе усилителя 20 будет напряжение U₂₁=8000мВ. Напряжение с выхода усилителя 21 пропорциональное значению R подается на второй вход усилителя 22 и второй вход переключателя 28. С выхода усилителя 22 напряжение пропорциональное значению r_п подается на третий вход переключателя 28. С выхода переключателя 27 напряжения подаются на вход блока индикации 28.

Замыканием ручного ключа (например, кнопка «Сброс») на общую шину устройства на выходе формирователя 27 формируется импульс сброса, который обнуляет значения напряжений пиковых детекторов 11, 17, 18 и 19, также разряжает с помощью ключа 5 конденсатор 3 и размыкается ключ 7.

На фиг. 2-5 представлены реальные характеристики и рассчитанные значения составляющих значений сопротивлений ХИТ.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

1. А.Е. Зорохович и др. "Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей", М, "Энергия",1975, 208 с.

2. А.М. Вайлов и Ф.И. Эйгель "Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей", М, "Связь", 1975, с.4-87.

3. Я.Б. Зельдович, И.М. Яглом. "Высшая математика для начинающих физиков и техников", М, "Наука510", 1982, с.

4. В.В. Романов, Ю.М. Хашев "Химические источники тока", М. "Советское радио", 1978, 264 с.

5. В.С. Баготский, А.М. Скундин "Химические источники тока", М. "Энергоиздат", 1981, 360 с.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники. Сущность заявленного решения заключается в том, что в устройство для измерения внутреннего сопротивления химических источников тока введены второй и третий ключ на размыкание, причем вход второго ключа соединен с выходом первого ключа, а выход с первой пластиной конденсатора известной емкости и входом третьего ключа, выход которого соединен с общей шиной устройства, четвертый и пятый ключи на замыкание цепи, вход четвертого ключа соединен с выходом первого ключа и входом пятого ключа, первый пиковый детектор (ПД), вход которого соединен с выходом пятого ключа, согласующий каскад, вход которого соединен с выходом второго ключа и первой пластиной конденсатора известной емкости, седьмой, восьмой и девятый ключи на замыкание цепи, делитель напряжения с коэффициентами: 0.22; 09 и 0,95, вход которого соединен с выходам первого пикового детектора, третий, четвертый и пятый компараторы, первые входы которых соединены с соответствующими выходами делителя напряжений, генератор пилообразного напряжения (ГПН), выход которого соединен с управляющим входом второго ключа и, соответствующими, вторыми входами третьего, четвертого и пятого компараторов, а выходы компараторов с соответствующими, управляющими входами седьмого, восьмого и девятого ключей, второй, третий и четвертый пиковые детектора, входы которых соединены, соответственно, с выходами седьмого, восьмого и девятого ключей, усилитель, первый и второй дифференциальные усилители (ДУ), коммутатор, причем выход усилителя соединен с первым входом второго ДУ и первых контактом коммутатора, выход первого ДУ соединен со вторым входом второго ДУ и вторым входом коммутатора, выход второго ДУ соединен с третьим входом коммутатора, выход которого соединен со входом блока индикации, второй конденсатор соединенный параллельно четвертому ключу, резистор, первый конец которого соединен со входом ГПН и выходом четвертого ключа, десятый ключ, вход которого соединен с общей шиной устройства, формирователь импульса сброса, вход которого соединен с выходом десятого ключа, а выход с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого ПД, а также входами управления третьим и пятым ключами. Техническим результатом при реализации заявленного решения является сокращение времени измерения и упрощение процесса измерения сопротивления ХИТ и его составляющих. 5 ил.

Устройство для измерения внутреннего сопротивления химических источников тока, содержащее измеряемый химический источник тока (ХИТ), один полюс которого соединен с общей шиной устройства, первый ключ на замыкание цепи, вход которого соединен с положительным полюсом ХИТ, конденсатор известной емкости, одна пластина которого соединена с общей шиной устройства, а вторая - с выходом ключа, отличающееся тем, что в него введены второй и третий ключ на размыкание, причем вход второго ключа соединен с выходом первого ключа, а выход - с первой пластиной конденсатора известной емкости и входом третьего ключа, выход которого соединен с общей шиной устройства, четвертый и пятый ключи на замыкание цепи, вход четвертого ключа соединен с выходом первого ключа и входом пятого ключа, первый пиковый детектор (ПД), вход которого соединен с выходом пятого ключа, согласующий каскад, вход которого соединен с выходом второго ключа и первой пластиной конденсатора известной емкости, седьмой, восьмой и девятый ключи на замыкание цепи, делитель напряжения с коэффициентами: 0.22; 09 и 0,95, вход которого соединен с выходам первого пикового детектора, третий, четвертый и пятый компараторы, первые входы которых соединены с соответствующими выходами делителя напряжений, генератор пилообразного напряжения (ГПН), выход которого соединен с управляющим входом второго ключа и, соответствующими, вторыми входами третьего, четвертого и пятого компараторов, а выходы компараторов с соответствующими управляющими входами седьмого, восьмого и девятого ключей, второй, третий и четвертый пиковые детектора, входы которых соединены, соответственно, с выходами с выходами седьмого, восьмого и девятого ключей, усилитель, первый и второй дифференциальные усилители (ДУ), коммутатор, причем выход усилителя соединен с первым входом второго ДУ и первых контактом коммутатора, выход первого ДУ соединен со вторым входом второго ДУ и вторым входом коммутатора, выход второго ДУ соединен с третьим входом коммутатора, выход которого соединен со входом блока индикации, второй конденсатор соединенный параллельно четвертому ключу, резистор первый конец которого соединен со входом ГПН и выходом четвертого ключа, десятый ключ, вход которого соединен с общей шиной устройства, формирователь импульса сброса, вход которого соединен с выходом десятого ключа, а выход - с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого ПД, а также входами управления третьим и пятым ключами.