Пристрій для випробування хімічних джерел струму

Пристрій для випробування хімічних джерел струму, що містить дві вхідні клеми, подільник напруги, диференційний підсилювач, керований електронний перемикач, загальну заземлену шину, вольтметр та опір навантаження, що підключений до однієї та через перемикач до іншої вхідних 3 38515 31], що містить дві вхідні клеми, подільник напруги, диференційний підсилювач, керований електронний перемикач, загальну заземлену шину, вольтметр та опір навантаження, що підключений до однієї та через перемикач до іншої вхідних клем. Крім того, відомий пристрій містить спеціалізовані інтегральні схеми, одна з яких являє собою інтегральний стабілізатор напруги, друга виконує функції конвертора, а третя призначена для вимірювання напруги ХДС та стр уму, що розряджає його. Завдяки використанню керованого електронного перемикача, випробуваний ХДС періодично розряджається через низькоомний опір. При цьому вимірюють напругу та розрядний струм ХДС, а при розімкненому електронному перемикачеві додатково вимірюється напруга на ненавантаженому ХДС. Вн утрішній опір ХДС визначається за різницею напруг на ненавантаженому та навантаженому джерелах з урахуванням розрядного струму та опору низькоомного каліброваного резистора (сенсора струму). За допомогою відомого пристрою неможливо отримати інформацію про внутрішній опір ненавантаженого ХДС (в режимі НРЛ), також присутня похибка в оцінці напруг ХДС через шунтування вхідного опору інтегральної мікросхеми. В основу корисної моделі покладена задача створити такий пристрій для випробування хімічних джерел струму, в якому шляхом введення нових елементів та зв'язків забезпечилась би можливість виміру напруги та внутрішнього опору ХДС, як при наявності навантаження, так и при його відсутності з високою чутливістю та точністю, що забезпечить отримання достовірної оцінки збереженості та подальшої працездатності ХДС. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для випробування хімічних джерел струму, що містить дві вхідні клеми, подільник напруги, диференційний підсилювач, керований електронний перемикач, загальну заземлену шину, вольтметр та опір навантаження, що підключений до однієї та через перемикач до іншої вхідних клем, згідно з корисною моделлю, введені селективний підсилювач, синхронний детектор, фільтр нижніх частот, індикатор, що з'єднані послідовно, мультивібратор та магазин опорів, підключений між однією вхідною клемою та загальною заземленою шиною, причому подільник напруги підключений між іншою вхідною клемою та загальною заземленою шиною, його вихід з'єднаний з одним входом диференційного підсилювача, інший вхід якого з'єднаний з потенційним входом магазину опорів, а вихід з'єднаний зі входом селективного підсилювача та потенційним входом вольтметра, вихід мультивібратора підключений до керуючого входу електронного ключа, підключеного паралельно входу подільника напруги та до керуючого входу синхронного детектора. Введення в схему пристрою для випробування хімічних джерел струму селективного підсилювача, синхронного детектора, фільтра нижніх частот, індикатора, мультивібратора та магазину опорів і з'єднання їх наступним чином забезпечує можливість вимірювання внутрішнього опору ХДС та його напруги, як при практично відсутньому відборі електричної енергії, так і в режимі відбору елект 4 ричної енергії при номінальному навантажені. В першому випадку, коли перемикач навантаження розімкнутий, змінюють опір магазина опорів при заданому співвідношенні плечей подільника напруги до значення, при якому зникає змінна складова напруги на виході диференційного підсилювача при періодичному перемиканні електричного перемикача. Опір ХДС визначають за значенням опору плечей подільника напруги та магазину опорів. В другому випадку ХДС приєднують до опору навантаження та знову змінюють опір магазину опорів, а при необхідності, і плечей подільника напруги до поновлення нульового показу індикатора, що реєструє наявність змінної складової напруги після її синхронного випрямлення. Опір навантаженого ХДС визначають по нових значеннях опорів елементів, що регулюються. Напругу ХДС в обох випадках визначають за показником вольтметра, що приєднаний до виходу диференційного підсилювача. Введені елементи та зв'язки забезпечують отримання достовірної оцінки збереженості ХДС та його подальшої працездатності. На рисунку зображена електрична функціональна схема пристрою для випробування хімічних джерел струму. Пристрій містить вхідні клеми 1 та 2, до яких приєднують випробуваний ХДС. З клемою 2 з'єднаний подільник напруги 3 з резистивними плечима 4 та 5, з котрих нижнє плече 5 з'єднане з загальною заземленою шиною 6. Паралельно входу подільника напруги 3 підключений керований електронний перемикач 7. Між клемою 1 та загальною заземленою шиною 6 підключено магазин опорів 8. Вихід подільника напруги 3 з'єднаний з одним входом диференційного підсилювача 9, інший вхід якого з'єднаний з потенційним входом магазину опорів 8. До виходу ди ференційного підсилювача 9 підключені послідовно з'єднані селективний підсилювач 10, синхронний детектор 11, фільтр нижніх частот 12 та індикатор 13. Мультивібратор 14 своїм виходом з'єднаний із керуючим входом електронного перемикача 7 та керуючим входом синхронного детектора 11. Вольтметр 15 підключений між виходом диференційного підсилювача 9 та заземленою шиною 6. Опір навантаження 16 через перемикач 17 приєднаний до клем 1 та 2 пристрою. Позицією 18 позначається випробуване хімічне джерело струму, представлене з послідовної схеми з'єднання електрорушійної сили (е.р.с.) Е х та внутрішнього опору Rx. Пристрій для випробування хімічних джерел струму працює наступним чином. До клем 1 та 2 приєднують досліджуваний ХДС 18 з е.р.с. Е х, та внутрішнім опором Rx. При випробуванні ХДС у ненавантаженому стані перемикач 17 розімкнутий. До клем 1 та 2 виявляються підключені тільки послідовний ланцюг з подільника напруги 3 та магазину опорів 8, сумарний опір яких набагато більше (не менше ніж в 50-100 разів) внутрішнього опору ХДС. При розімкненому стані електронного перемикача 7, постійний струм, що тече по послідовному ланцюгу, визначається за формулою: 5 38515 Ex , (1) R x + R1 + R2 + R3 де R1 та R2 - опір плечей 4 та 5 подільника напруги 3; R3 - опір магазину опорів 8. Напруга на виході диференційного підсилювача 9 визначається падінням напруги від струму I1 на елементах 5 та 8: R2 + R3 U1 = K 1 E , (2) R x + R1 + R2 + R3 x де К1 - коефіцієнт підсилювання диференційного підсилювача 9. В замкненому стані електронного ключа 7 шунтується по входу подільник напруги 3, при цьому опір послідовного ланцюга зменшується. У відповідності з цим, постійний струм в послідовному ланцюзі зростає до значення: Ex , (3) I2 = Rx + R3 Через те, що подільник напруги 3 по входу зашунтований, вихідна напруга диференційного підсилювача 9 буде визначатися тільки падінням напруги від струм у на магазині опорів 8. Враховуючи, що вхідний опір диференційного підсилювача 9 набагато більше опору нижнього плеча 5 подільника напруги 3, вихідна напруга диференціального підсилювача 9 приймає значення: I1 = U2 = K 1 R3 E ( 4) R x + R3 x Електронний перемикач 7 керується змінною напругою мультивібратора 14, котрий перемикається з частотою 60-90Гц. Тому, у ви хідній напрузі диференційного підсилювача 9 при нерівності напруг U1 та U2 з'являється змінна складова напруги, що змінюється з частотою перемикання електронного перемикача 7. Амплітуда змінної складової напруги визначається за формулою: U - U1 , (5) U3 = 2 2 З урахуванням формул (2) та (4) маємо: R3 R 2 + R3 E U3 = K 1( ) x , (6) R x + R3 R x + R1 + R2 + R3 2 Змінна напруга (6) підсилюється селективним підсилювачем 10, налагодженим на частоту переключення мультивібратора 14. Підсилена напруга випрямляється синхронним детектором 11, що керується безпосередньо напругою мультивібратора 14. Випрямлена постійна напруга згладжується фільтром нижніх частот 12 та фіксується індикатором 13. Постійна напруга, що відображається на індикаторі: R3 U4 = K 1K 2K 3K 4 ( R x + R3 , (7) R 2 + R3 Ex ) Rx + R1 + R 2 + R3 2 де К2 - коефіцієнт підсилення селективного підсилювача 10; К3 - коефіцієнт випрямлення синхронного детектора 11; 6 К4 - коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот 12. Опір магазина опорів 8 змінюють до значення, при якому індикатор 13 вкаже на нуль. Це відбувається в момент рівності: R3 R2 + R3 = 0 , (8) R x + R3 R x + R1 + R 2 + R 3 Розв'язавши рівняння (8) відносно розшукуваного опору, отримуємо: R Rx = R3 1 , (9) R2 З виразу (9) видно, що вн утрішній опір ХДС однозначно визначається опором магазину опорів 8 та опорами плечей 4 та 5 подільника напруги 3. Через те, що при досягненні умови 8, зникає змінна складова напруги на виході диференційного підсилювача 9, вольтметром 15 вимірюється постійна складова напруги: U + U1 K 1 R3 U5 = K 1 2 = ( 2 2 Rx + R3 , (10) R2 + R 3 )E x Rx + R1 + R 2 + R3 Підставляючи у вираз (10) значення опору R x з формули (9), остаточно отримуємо: R2 U5 = K 1 E , (11) R1 + R 2 x звідки R + R2 Ex = 1 U5 (12) K 1R2 Таким чином, показники вольтметра 15 пропорційні е.р.с. випробуваного ХДС. При цьому коефіцієнт пропорційності визначається встановленими опорами плечей подільника напруги 3 та коефіцієнтом підсилення диференційного підсилювача 9. З виразів (9) та (12) ви ходить, що на результат вимірювання не впливає внутрішній опір випробуваного ХДС, а також нестабільність коефіцієнту підсилення селективного підсилювача, коефіцієнта випрямлення синхронного детектора та коефіцієнта передачі фільтра нижніх частот. Крім того, на результат вимірювання опору ХДС (9) не впливає коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача 9. Це дозволяє у вимірювальному пристрої використовувати підсилювачі та інші елементи електронних схем з високими значеннями коефіцієнтів перетворення, що забезпечує високу чутливість та точність виміру параметрів ХДС в ненавантаженому стані. При замиканні перемикача 17 до випробуваного ХДС підключається низькоомний навантажувальний опір 16. При цьому напруга на клемах 1 та 2 знижується за рахунок падіння напруги від струму навантаження на внутрішньому опорі випробуваного ХДС 18. Змінюється також внутрішній опір ХДС 18 через зростання поляризаційної складової повного опору. Для вимірювання напруги навантаженого ХДС та його внутрішнього опору знову змінюють опір магазину опорів 8 в напрямку, досягнення нульової позначки індикатора 13. При досягненні нульо 7 38515 вої позначки індикатора 13 по вольтметру 15 визначають постійну напругу: R2 U6 = K 1 U , (13) R1 + R 2 H де UH - напруга навантаженого ХДС 18. По встановленому опору магазину опорів 8 визначають еквівалентний внутрішній опір ХДС 18, навантаженого на опір 16: R R xHRH R'x = R'3 1 R2 R xH + RH де R'3 - змінене значення опору магазину опорів 8; RxH - вн утрішній опір навантаженого ХДС 18; RH - опір навантаження 16. Розв'язавши рівняння (13) и (14) відносно розшукуваних величин, отримуємо: R + R2 UH = 1 E , (15) K1R 2 H R xH = R 'x R H R H + R 'x , (16) Комп’ютерна в ерстка О. Рябко 8 Таким чином, введені в схему пристрою елементи та зв'язки забезпечують можливість вимірювання параметрів ХДС у навантаженому стані з високою точністю та чутливістю. Висока чутливість забезпечується декадним магазином опорів, а висока точність - вилученням впливу температурної та часової нестабільностей електронних перетворювачів на результат вимірів. Приклад Пристрій для випробовування свіжо заряджених нікель-кадмієвих або лужних батарей, що тривалий час зберігалися, містить в собі в якості міри, що регулюється, магазин опорів типу Р4830/1 класу точності 0,05/0,00025 на діапазон опорів 0,019,999Ом, а в якості плечей подільника напруги котушку опору вимірювальну типу Р321 класу точності 0,01 з опором 0,1Ом та котушку опору вимірювальну типу Р310 класу точності 0,01 з опором 0,01Ом на струми до 5А. При вказаних параметрах схеми діапазон вимірювальних опорів становить 1...1000мОм з похибкою не більше 0,05%. Похибка вимірювання напруги батарей електронним вольтметром класу 0,2 - не більше 0,5% в діапазоні значень від 1 до 36В. Підписне Тираж 28 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