Спосіб оцінки струму саморозряду хімічних джерел струму

Спосіб оцінки струму саморозряду хімічних джерел струму, при якому вимірюють у загальному спектрі електрохімічних шумів розімкненого ланцюга рівень потужності електрохімічних шумів 3 25388 ХДС є наслідком повільних хаотичних процесів, які протікають в електродах та електроліті, наприклад, переміщення домішкових центрів з глибини електроліту на поверхню електроду або зникнення їх з поверхні, хаотична зміна опору високоомного зовнішнього шару електроліту, флуктуації роботи виходу електронів з катода і т.д. [див. Коневский Л.С., Графов Б.М., Аста фьев М.Г. Электрохимические шумы как инструмент диагностики электролитов для литиевых аккумуляторов - Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики: материалы VI Международной конф. / Под ред. И.А. Казаринова. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2005, С.163-164]. Тому інтегральна потужність низькочастотних шумів у великій мірі відображає процеси старіння, а не сам струм саморозряду. В результаті оцінка струму саморозряду цим способом залишається маловірогідною, а часу вимірювання витрачається багато для статистичного усереднення низькочастотних шумів. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий спосіб оцінки струму саморозряду ХДС, в якому введення нових операцій та алгоритмів обробки шумових сигналів, забезпечило б підвищення точності оцінки струму саморозряду ненавантажених ХДС за мінімальний час вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб оцінки струму саморозряду хімічних джерел струму, при якому вимірюють у загальному спектрі електрохімічних шумів розімкненого ланцюгу рівень потужності електрохімічних шумів джерела струму, згідно з корисною моделлю, із загального спектру електрохімічних шумів виділяють у заданій смузі частот шумовий стр ум дробового характеру, перетворюють його в шумову напругу, яку поділяють на дві різнополярні шумові напруги, підсилюють кожну з них незалежним підсилювачем, перемножують підсилені шумові напруги разом із власними шумами підсилювачів, і інтегрують одержану напругу та вимірюють його постійну складову, по якій оцінюють значення струму саморозряду. Введення операції виділення із спектра електрохімічних шумів в заданій смузі частот дробового шумового струм у, резонансне перетворення його в шумову напругу дозволяє одержати шумовий сигнал, пропорційний флуктуаціям кількості іонних носіїв заряду, потрапляючих на електроди ХДС внаслідок побічних реакцій, який функціонально зв'язаний з середнім значенням струму саморозряду ХДС. Розподіл шумової напруги на дві різнополярних напруги та підсилення їх двома незалежними підсилювачами забезпечує підсилення напруг дробових шумів в адитивній суміші з власними некорельованими шумами підсилювачів. Перемноження підсилених напруг з некорельованими шумами та подальше інтегрування дає можливість стримати вплив некорельованих шумів підсилювачів та одержати квадрат напруги тільки дробового шуму ХДС. Вимірювання постійної складової шумової квадратованої напруги дає інформацію (оцінку) про середнє значення струму саморозряду, який викликає дробовий шум у розімкнутому ланцюзі ХДС при проходженні його з 4 електроліту в кожний з електродів. Таким чином, введення вказаних операцій забезпечує підвищення точності оцінки внутрішнього струм у саморозряду ненавантажених ХДС по дробовим шумам на його виході за мінімальний час нагляду. На кресленні представлена функціональна схема пристрою для здійснення пропонуємого способу. До ненавантаженого ХДС 1 через конденсатори 2 і 3 підключена первинна обмотка трансформатора 4, вторинна обмотка якого в середній точці заземлена. До потенціальних зажимів вторинної обмотки трансформатора 4 підключені підсилювачі напруг 5 і 6, входи перемножувача 7 з'єднано з виходами підсилювачів напруг 5 і 6. До ви ходу перемножувача 7 через інтегратор 8 підключено аналого-цифровий перетворювач 9, цифровий вихід якого з'єднано з цифровим індикатором 10. Спосіб здійснюється таким чином. Струм саморозряду ХДС 1 має дискретну структур у , тому що кількість іонних носіїв заряду в електроліті в одиницю часу, потрапляючи на катод або анод, флуктую є. При цьому, розкид миттєвих значень струму і саморозряду підлягає гауссовському закону розподілу (i- I ) 2 W (i ) = 1 s 2p 0 e 2 s2 , (1) де I0 - середнє значення струму саморозряду; s 2 - дисперсія флуктуацій струму саморозряду. Флуктуації середнього значення струму саморозряду ХДС і обумовлюють електрохімічний шум дробового характеру, який виникає тільки при протіканні струму через електроліт. При відсутності струму нема дробового шуму, хоча інші електричні шуми присутні (фліккер шум, контактні шуми, теплові шуми та ін.). Спектр дробового шуму ХДС визначається рухомістю іонних носіїв заряду і знаходиться в діапазоні частот від одиниць герц до сотень кілогерц в залежності від типу ХДС і складу його електроліту. Енергетичний спектр S(w) дробового шуму, як відомо, визначається формулою Шоттки: S(w ) = 2eI0Г 2 , (2) де е - заряд електрону; Г 2 - коефіцієнт депресії, який характеризує вплив просторового заряду (концентраційної поляризації), Дисперсія дробового шуму s 2 визначається смугою частот, в якій вимірюється цей шум, та його енергетичним спектром: s 2 = D I2 = 2 eI0Г 2 Df , (3) де DI - флуктуації струм у (випадкові відхилення від середнього значення струму; D f - смуга частот флуктуацій струм у. На первинну обмотку трансформатора 4 від ХДС 1 через конденсатори 2 і 3 надходить шумовий струм. Ємність з конденсаторів 2 і 3 обирається за умови послідовного резонансу з індуктивністю первинної обмотки трансформатора 4. 5 25388 j = 0 , (4) pfC де j 2p fL - комплексний опір індуктивності обмотки трансформатора 4; j - комплексний опір послідовно підключеpfC них конденсаторів 2 і 3, За умовою (4) і рівності ємностей конденсаторів 2 і 3 одержуємо: 1 C = 2 2 , (5) 2p f L де f - резонансна частота, пропорційна частоті релаксації іонних носіїв заряду ХДС. Завдяки резонансу із спектру електрохімічних шумів відділяється відносно високочастотний дробовий шум, викликаний протіканням флуктуючого струму саморозряду через електроліт ХДС. За допомогою трансформатора 4 шумовий струм перетворюється в шумову напругу на його вторинній обмотці. Якщо шумову напругу U1 (t ) первинної обмотки трансформатора подати у комплексному вигляді & U , то на симетричних виходах вторинної обмотки j 2p fL 1 трансформатора 4 формуються дві протифазні напруги: & & U2 = k1U1 , (6) & & U = - k U , (7) 3 2 1 де k1 = k2 - коефіцієнти трансформації по складовим напруги. Напруги (6) і (7) практично надто малі (практично, одиниці або десятки мікровольт) та по рівню сумірні з власними шумами підсилювачів напруги 5 і 6. Тому підсилену на виходах підсилювачів шумову напругу можна подати у вигляді суми комплексних напруг: & & & U4 = k 3 U2 + Uш1 , (8) & & & U =k U +U , (9) 5 ( 4( 3 ) ш2 ) де k 3 = k 4 - коефіцієнти підсилення підсилювачів напруги 5 і 6; & & Uш1 і Uш2 - власні шуми підсилювачів напруги 5 і 6 в комплексному вигляді. Підсилені напруги (8) і (9) перемножуються в перемножувачі 7, а вихідна шумова напруга перемножувача 7 усереднюється в інтеграторі 8. Усереднена напруга являє собою добуток двох комплексних напруг: & & U = mU U , (10) 6 4 5 де m - масштабний коефіцієнт множного перетворення. Якщо у вираз (10) підставити значення напруг (8) і (9), то одержимо: & & & & & & & & U6 = mk3k 4 U2U3 + U3Uш1 + U2Uш 2 + Uш1Uш 2 , (11) Власні шуми двох незалежних підсилювачів 5 і 6, як було вказано, між собою не корельовані. Тому середнє значення їх добутку дорівнює нулю ( æU U = 0ö . ç & ш1 & ш 2 ÷ è ø ) 6 & & Напруги дробових шумів U2 і U3 також не корельовані з шумами підсилювачів 5, 6 і тому їх добутки також дорівнюють нулю æ U 3Uш1 = 0 ö і ç& & ÷ è ø æ U U = 0 ö . Напруги дробових шумів U і U & & ç & 2 & ш2 ÷ 2 3 è ø корельовано між собою, тому що формуються з & однієї шумової напруги U . В результаті постійна 1 складова напруги на виході інтегратора 8 з урахуванням значення напруг (6) і (7) буде визначатися тільки добутком напруг дробових шумів: U6 = mk12k2k 4 U12 , (12) тобто пропорцій усередненому квадрату шумової напруги. В свою чергу квадрат шумової напруги пропорційний квадрату шумового стр уму () 2 U12 = S2 D I , (13) де S - крутизна резонансного перетворення струму в напругу. Постійна складова квадратованої напруги U6 перетворюється за допомогою аналого - цифрового перетворювача 9 в цифровий сигнал., який надходить до цифрового індикатора 10. З урахуванням виразів (11), (12) цифровий сигнал, який надходить до індикатора 10 (DI) 2 N = mk12k 2k3k 4S 2 () 2 = K DI , (14) q де q - одиниця молодшого розряду аналого цифрового перетворювача 9; S2 - результуючий коефіцієнт q перетворення дисперсії шумового струму в цифровий код. Підставляючи у вираз (14) значення дисперсії шумового струму (3), остаточно одержимо: K = mk12k2k 3k 4 N = 2KeГ 2 Df I0 , (15) де D f - смуга часто т, визначена добротністю резонансного ланцюга з елементів 2, 3 і 4. З одержаного виразу (15) бачимо, що показання індикатора 10 пропорційні середньому значенню струму саморозряду ХДС і не залежать від рівня його низькочастотних шумів і власних шумів підсилювачів. Підвищення точності оцінки струму саморозряду досягається за рахунок вибірковості способу саме до струму дробових шумів ХДС, оскільки при ( ) відсутності струму саморозряду I0 = 0 має місце і нульове показання індикатора навіть при наявності інтенсивних низькочастотних шумів та шумів другого типу. Час нагляду зведено до мінімуму, так як для оцінки струму саморозряду потрібно лише одне поточне вимірювання з усередненням без порівняння з попереднім або наступним вимірюваннями. Дослідження запропонованого способу показали можливість оцінки струму саморозряду ХДС по рівню його дробового шуму без підключення 7 25388 зовнішньої нагрузки і шунтуючи х вимірювальних пристроїв. Так, для літієвих ХДС спектральна густина дробових шумів становитиме і 10-7 - 10-8 В / Гц , що нижче рівня власних шумів навіть сучасних інтегральних операційних підсилювачів. Але ж застосування кореляційної обробки шумових сигналів високочутливою множною мікросхемою, наприклад 525ПС2, і використання інтегральних підсилювачів типу АД8131 з коефіцієнтом підсилення до 60дБ дозволяє фіксувати струм саморозряду навіть порядку долей міліамперу як Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 8 на етапі виготовлення ХДС, так і їх зберігання. Для підвищення перешкодостійкості способу доцільно використовування резонансного ланцюга перетворення шумового струму в шумову напругу з добротністю не менш 100 і резонансною частотою, яка відповідає середній частоті смуги частот релаксацій іонних носіїв заряду. Час інтегрування квадратованих шумів повинен становити не менш 3-5с для забезпечення похибки вимірювання середнього значення струму саморозряду не більше 11,5%. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601