Пристрій для визначення температури електроліту хімічних джерел струму

Пристрій для визначення температури електроліту хімічних джерел струму, що містить вхідні клеми, конденсатор та високочастотний двообмотковий трансформатор, первинна обмотка якого з'єднана з конденсатором, а до вторинної підключений диференційний підсилювач, який відрізня 3 елементів та зв’язків забезпечилась би автоматизація процесу виміру температури ХДС, а також підвищення точності вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для визначення температури електроліту хімічних джерел струму, що містить вхідні клеми, конденсатор та високочастотний двообмотковий трансформатор, первинна обмотка якого з’єднана з конденсатором, а до вторинної підключений диференційний підсилювач, згідно з корисною моделлю, введені два розподільних конденсатора, з’єднані між собою два автоматичні перемикачі, другий диференційний підсилювач, перемножувач, та послідовно з’єднані інтегратор, аналогоцифровий перетворювач, мікроконтролер та цифровий індикатор, при цьому логічні виходи мікроконтролера з’єднані з керуючими входами автоматичних перемикачів, входи яких через розподільні конденсатори з’єднані з вхідними клемами, а виходи - з первинною обмоткою високочастотного трансформатора та конденсатором, другий диференційний підсилювач включений паралельно першому, при цьому виходи обох з’єднані з входами перемножувача. Введення в схему пристрою для визначення температури електроліту хімічних джерел струму двох роздільних конденсаторів, двох автоматичних перемикачів, другого диференційного підсилювача, перемножувача, інтегратора, аналогоцифрового перетворювача та мікроконтролера, включених вказаним образом, дозволяє по програмі мікроконтролера автоматично змінювати конфігурацію вимірювальної схеми. При одному положенні автоматичних перемикачів в ланцюгу з конденсатора та високочастотного трансформатора здійснюється режим послідовного резонансу, що відповідає короткому замкненню ХДС по шумах, а при іншому положенні автоматичних перемикачів - режим паралельного резонансу, що відповідає холостому ходу ХДС по шумах. Послідуюче перемноження двох результатів виміру в мікроконтролері та їх аналого-цифрове перетворення дозволяє отримати сигнал в цифровому вигляді, який пропорційний температурі електроліту ХДС та не залежить від його внутрішнього опору. Перетворення резонансних струмів та напруг шумового характеру двома диференційними підсилювачами з послідуючим перемноженням підсилених напруг в перемножувачі та усередненням результату перемноження інтегратором виключає вплив власних шумів підсилювачів на значення дисперсії шумів самого ХДС, яке і містить інформацію про температуру його електроліту. Таким чином, введені елементи та зв’язки в схему пристрою дозволяють повністю автоматизувати процес виміру температури з виключенням впливу внутрішнього опору ХДС, який суттєво змінюється в процесі його розряду, заглушити вплив шумів електронної схеми, що підвищує точність виміру температури електроліту ХДС. На кресленні зображена електрична функціональна схема пристрою для виміру температури електроліту ХДС. Пристрій містить вхідні клеми 1 і 2, розподільні конденсатори 3 та 4, автоматичні перемикачі 5 та 41761 4 6, конденсатор 7 та високочастотний трансформатор 8, первинна обмотка якого 9, а вторинна - 10, диференційні підсилювачі 11 та 12, перемножувач 13, інтегратор 14, аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 15, мікроконтролер 16 та цифровий індикатор 17. Позицією 18 позначений контрольований ХДС, температуру електроліту якого безперервно вимірюють. Вхідна клема 1 пристрою через розподільний конденсатор 3 з’єднана із входом автоматичного перемикача 5, один вихід якого з’єднаний з одним із входів автоматичного перемикача 6. Вихід автоматичного перемикача 6 через конденсатор 7 з’єднаний з одним з кінців первинної обмотки 9 високочастотного трансформатора 8. Інший вихід автоматичного перемикача 5 підключений до точки з’єднання конденсатора 7 та первинної обмотки 9 трансформатора. Вхідна клема 2 через розподільний конденсатор 4 з’єднана з другим входом автоматичного перемикача 6 та іншим кінцем первинної обмотки 9 трансформатора 8. Вторинна обмотка 10 трансформатора 8 з’єднана з входами диференційних підсилювачів 11 та 12, виходи яких підключені до входів перемножувача 13. До виходу перемножувача 13 через інтегратор 14 підключений АЦП 15, цифровий вихід якого з’єднаний з цифровим входом мікроконтролера 16, логічні виходи якого з’єднані з керуючими входами автоматичних перемикачів 5 і 6. До цифрового виходу мікроконтролера 16 підключений цифровий індикатор 17. Пристрій для виміру температури електроліту ХДС працює наступним чином. Вхідні клеми 1 та 2 пристрою з’єднують з випробуваним ХДС 18, в якому через поляризацію електродів в електроліті виникає подвійний електричний шар. За своїми електричними параметрами подвійний шар представляє собою конденсатор з активними (дисипативними) втратами та являє собою джерело теплового шуму з широким частотним спектром. Крім теплового шуму ХДС властиві й низькочастотні шуми, обумовлені флюктуаціями структурних параметрів електродних систем. Для виділення теплового шуму, який несе інформацію про температуру, доцільно використовувати резонансний ланцюг, настроєний на високочастотну частину спектру флюктуацій носіїв струму (йонів). Для цього використовується ємність конденсатора 7 та індуктивність первинної обмотки 9. Конфігурація резонансного контуру визначається положенням автоматичних перемикачів 5 та 6, які керуються логічними сигналами мікроконтролера 16. По програмі, занесеній в пам’ять мікроконтролера 16, спочатку автоматичні перемикачі 5 та 6 встановлені в положення, вказані на креслені. Ці положення забезпечують послідовне включення конденсатора 7 та обмотки 9 відносно джерела шумового струму, яким є ємність з втратами подвійного шару ХДС. В результаті резонансу шумових високочастотних напруг в послідовному колі шумовий струм визначається тільки внутрішнім опором джерела шуму. 5 41761 Згідно з формулою Найквіста середньоквадратичне значення шумового струму визначається виразом: 4kTx Df (1) , Re Z де k - стала Больцмана; Тх - термодинамічна температура електроліту ХДС; Df - ширина смуги частот відокремленого шуму; ReZ - активна складова комплексного опору джерела шуму; Знак „-” означає тимчасове усереднення шумового сигналу, після квадратичного перетворення миттєвих значень. При паралельній схемі заміщення подвійного електричного шару конденсатором з ємністю С0 та опором втрат R0 активна складова комплексного опору tg d R0 , = Re Z = (2) 2 w eC (1 + tg2d ) 1 + (w0R 0C0 ) 0 0 де e - діелектрична проникність електроліту ХДС; tg d - показник активних втрат (d-фазовий кут втрат); w0 - резонансна колова частота. Резонансна частота w0 визначається ємністю конденсатора 7 та індуктивністю обмотки 9 високочастотного трансформатора 8: 1 w0 = , (3) L1C1 де L1 – індуктивність обмотки 9; С1 - ємність конденсатора 7. Смуга частот шумів Df, відокремлюваних резонансним колом L1C1, визначається, в основному, добротністю Q первинної обмотки 9 високочастотного трансформатора 8 на резонансній частоті w0: w L A= 0 1, (4) r1 де r1 - активний опір первинної обмотки 9. Резонансна шумова напруга з первинної обмотки 9 трансформується у вторинну обмотку 10. При використанні високочастотного трансформатора 8 середньоквадратичне значення вихідної напруги I0 = U2 = k1U1 = k1w0L1I0 , де k1 = (5) L2 - коефіцієнт трансформації висоL1 кочастотного трансформатора 8; L2 - індуктивність вторинної обмотки 10 (L2>L1). Шумова напруга (5) підсилюється паралельно підключеними диференційними підсилювачами 11 та 12, вихідні напруги яких між собою перемножуються перемножувачем 13 та усереднюються інтегратором 14. Так як власні шуми диференційних підсилювачів 11 та 12 незалежні та між собою не корельовані, усереднене значення підсилених шумів напруг визначається тільки шумовою напругою (5) високочастотного трансформатора 8: 6 2 2 (6) U3 = k2U2 = k 2k2w2L2I0 , 1 2 0 1 2 2 де I0 - дисперсія шумового струму ХДС 18; k2 - коефіцієнт підсилення диференційних підсилювачів 11 и 12. Усереднена напруга U3 представляє собою постійну напругу, яка перетворюється з допомогою АЦП 15 в цифровий код 2 1 U (7) N1 = 3 = k 2k2w2L2I0 , 1 2 0 1 q q де q - одиниця молодшого розряду АЦП 15. Цифровий код N1 вводиться в мікроконтролер 16, де й запам’ятовується. Далі за командою мікроконтролера 16 автоматичні перемикачі 5 та 6 перемикаються в протилежне положення. При цьому конденсатор 7 вмикається паралельно первинній обмотці 9, і резонансний контур підключається безпосередньо до джерела теплового шуму ХДС 18. Частота резонансу й смуга відокремлюваного шуму при цьому не змінюються. Опір паралельного резонансного контуру різко зростає, що відповідає режиму неробочого ходу для шумів ХДС 18. Для розімкнутого джерела шуму, за формулою Найквіста, вихідне середньоквадратичне значення шумової напруги U0 = 4kTx Df Re Z . (8) Напруга (8) трансформується у вторинний ланцюг високочастотного трансформатора 8. З урахуванням коефіцієнта трансформації k1 вихідна напруга трансформатора 8 (9) U4 = k1U0 . Шумова напруга (9) також підсилюється паралельно підключеними диференційними підсилювачами 11 та 12. Після перемноження підсилених напруг перемножувачем 13 та усереднення перемножених напруг інтегратором 14 формується постійна складова напруги 2 2 (10) U5 = k 2U4 = k2k 2U0 , 1 2 2 2 де U0 - дисперсія шумової напруги ХДС. Постійна напруга (10) перетворюється також за допомогою АЦП 15 в цифровий код U5 1 2 2 2 (11) = k k U0 . q q 1 2 Цифровий код (11) вводиться в пам’ять мікроконтролера 16, де й запам’ятовується. Далі за програмою мікроконтролера 16 відбувається обчислювальна обробка результатів двох вимірів (7) та (11) за алгоритмом, при якому формується цифровий код 1 N3 = N1N2 = k 2k 2w0L1U0I0 . (12) q 1 2 N2 = Підставляючи в вираз (12) середньоквадратичні значення шумової напруги (8) та шумового струму (1), отримаємо код середньоквадратичного значення добутку 7 41761 4 2 2 kk k w L DfTx = S0Tx , (13) q 1 2 0 1 4 де S0 = kk 2k 2w0L1Df - крутість перетворенq 1 2 ня шумових струмів та напруг в температуру [В2/к]. Так як на результат виміру (13) не впливає шумовий опір подвійного шару електроліту, тому калібрування пристрою можна провести за допомогою будь-якого ХДС з відомою температурою електроліту. В процесі калібрування по відомій температурі Т0 отримують цифровий код N0=S0T0. (14) З виразу (14) отримаємо вираз для крутості перетворення N S0 = 0 . (15) T0 Значення крутості перетворення (15) вводять в пам’ять мікроконтролера 16. Тоді результат виміру температури обчислюють через відношення температур: T N4 = x N0 . (16) T0 Результат виміру температури електроліту ХДС 18 в градусах Цельсія виводиться на цифровий індикатор 17: T q x = x N0 - 273 [0 C] . (17) T0 N3 = Комп’ютерна верстка М. Ломалова 8 Завдяки введенню розподільних конденсаторів 3 та 4 виключається шунтування ХДС первинної обмотки трансформатора 8 при паралельному резонансному контурі, що, поряд з виключенням впливу власних шумів диференційних підсилювачів, підвищує точність виміру температури електроліту без безпосереднього контакту з агресивним середовищем. Автоматичне змінення конфігурації резонансного контуру та мікропроцесорна обробка результатів вимірів забезпечує безпосередній відлік температури електроліту ХДС 18 без додаткових переключень елементів схеми. Для виключення впливу низькочастотних шумів ХДС доцільно шумовий струм та шумову напругу теплових шумів вимірювати в частотному діапазоні 200-500кГц в смузі частот 10-20кГц, а змінення конфігурації резонансного кола здійснювати за допомогою магнітокерованих реле (герконів). Виключення впливу внутрішнього опору ХДС на результат виміру температури дозволяє контролювати температуру ХДС як в процесі заряду, так і при робочому розряді. При цьому змінення внутрішнього опору ХДС, зв’язані зі зміненням ємності (заряду) ХДС, практично не впливають на результат виміру температури електроліту (похибка не більше ±0,2¸0,5°С). Час виміру температури ХДС не перевищує кількох секунд, які лімітуються перехідними процесами в резонансних колах. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601