Пристрій для вимірювання електричної ємності хімічних джерел струму

УКРАЇНА (19) UA (11) 86409 (13) C2 (51) МПК (2009) G01R 31/36 G01R 27/26 H01M 10/48 (2009.01) МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЄМНОСТІ ХІМІЧНИХ ДЖЕРЕЛ СТРУМУ Винахід ставиться до області електровимірювальної техніки й призначений для виміру залишкової електричної ємності хімічних джерел струму (ХДС) як у стаціонарних, так і в польових умовах. Відомий пристрій для виміру електричної ємності ХДС, описане в патенті України № 70359 (БИ №10, 2004р.). У відомому пристрої реалізованому по алгоритму, представленому наступною формулою: Qэл= С×UХИТ/(2tзар×k), (1) 8, вхід якого з'єднаний з виходом АЗП 5, мікроконтролер (МК) 9, перший вхід якого з'єднаний з виходом компаратора 6, другий вхід з'єднаний з виходом АЦП 8, а перший і другий виходи якого з'єднані, відповідно, із входами керування ключів 2 і 4, блок індикації 10, вхід якого з'єднаний із третім виходом МК 9, ключ запуску початку виміру 11, вхід якого з'єднаний із четвертим виходом МК 9, а вихід - із загальною шиною пристрою, уведений цифро-аналоговий перетворювач 12, вхід якого з'єднаний з п'ятим виходом МК 9, а вихід - з опорним входом АЦП 8, а алгоритм обробки сигналу в МК 9 відповідає наступній формулі: Q ХДС = C × U ХДС /[( t зар - t ком ) × 2k ] , де, Qэл - електрична ємність вимірюваного джерела струму, А*г; С - ємність конденсатора, що заряджає, Ф; UХДС - напруга на вимірюваному джерелі струму, В; tзар - час заряду конденсатора від вимірюваного джерела, с; k - коефіцієнт, що враховує конструктивні й технологічні особливості вимірюваного хімічного джерела струму, і утримуюче вимірюване хімічне (13) 86409 (11) В; t зар - час заряду конденсатора від вимірюваного джерела, с; tком - час компенсації збільшення часу заряду конденсатора за рахунок кінцевого значення опорів проводів, що підводять, і вхідного комутатора, с; k - коефіцієнт, що враховує конструктивні й технологічні особливості вимірюваного хімічного джерела струму. C2 де Q ХДС - електрична ємність вимірюваного джерела струму, А×год.; С - ємність конденсатора, що заряджає, Ф; U ХДС - напруга на вимірюваному джерелі струму, UA (21) a200611285 (22) 26.10.2006 (24) 27.04.2009 (46) 27.04.2009, Бюл.№ 8, 2009 р. (72) КОСЮК ВІКТОР ІВАНОВИЧ, UA, ШИРОКОВ ІГОР БОРИСОВИЧ, UA (73) КОСЮК ВІКТОР ІВАНОВИЧ, UA (56) UA 20359 C2, 15.03.2004 SU 708440, 05.01.1980 SU 1619360 A1, 07.01.1991 RU 2172044 C2, 10.08.1991 RU 2214025 C2, 10.10.2003 RU 2248073 C9, 20.06.2004 EP 0346970 B1, 29.09.1993 US 5294889, 15.03.1994 US 6094052, 25.07.2000 (57) Пристрій для вимірювання електричної ємності хімічних джерел струму (ХДС), який містить вимірюване ХДС 1, один полюс якого (мінус) з'єднаний із загальною шиною пристрою, ключ 2 на замикання ланцюга, вхід якого з'єднаний із другим полюсом (плюс) вимірюваного ХДС, конденсатор 3 відомої ємності, одна пластина якого з'єднана із загальною шиною, а друга - з виходом ключа 2, ключ на замикання 4, приєднаний паралельно конденсатору 3, аналоговий запам'ятовувальний пристрій (АЗП) 5, вхід якого з'єднаний із входом ключа 2, компаратор 6, перший вхід якого з'єднаний з виходом ключа 2, дільник напруги 7 з коефіцієнтом розподілу k = 0,95 , вхід якого з'єднаний з виходом АЗП 5, а вихід - із другим входом компаратора 6, аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 2 (19) 1 3 86409 4 джерело струму 1, один полюс якого (мінус) з'єдз'єднаний із загальною шиною пристрою, вихід наний із загальною шиною пристрою, ключ 2 на формувача 18 з'єднаний із входами скидання АЗП замикання ланцюга, ключ 3 на розмикання ланцюб, керованого АЗП 13, індикатора 17 і ключа 20, га, причому ключі 2 і 3 працюють синхронно, входи вхід якого з'єднаний із загальною шиною прияких з'єднані із другим полюсом (позитивним) вистрою, а вихід - з виходом ключа 2, конденсатор мірюваний ХДС, конденсатор 4 відомі ємності, 21, висновки якого з'єднані паралельно з контакодна пластина якого з'єднана із загальною шиною, тами ключа 3, резистор 22, один висновок якого а друга - з виходом ключа 2, ключ на замикання 5, з'єднаний з вихідним контактом ключа 3, а другий що працює синхронно із ключами 2 і 3, вхід якого висновок - із загальною шиною пристрою. Однак, з'єднаний із входами ключів 2 і 3, аналоговий зазазначене пристрій виміру електричної ємності пам'ятовувальний пристрій (АЗП) 6 (перший пікоХДС має недолік, що полягає в тім, що, процес вий детектор 6), вхід якого з'єднаний з виходом виміру не автоматизований, що збільшує час виміключа 5, дільник 7 напруги з коефіцієнтом розпору й робить процес виміру не оперативним. Крім ділу к7=0,95 і дільник 8 напруги з коефіцієнтом того, при вимірі ємності ХДС, що мають Q>10 А*ч, розподілу k8=0,5, входи яких з'єднані з виходом пристрій має додаткову погрішність виміру, що АЗП 6, компаратор 9, входи якого з'єднано, відповизначається кінцевим сумарним значенням оповідно, через каскади, що погодять, 10 і 11 з вихорів кінців, що підводять, І комутуючого пристрою, а дом ключа 2 і дільники 7, що чекає генератор пилтакож сумірністю цього опору із внутрішнім опором коподібного лінійно-наростаючої напруги (ГПН) 12, ХДС. Так, наприклад, якщо прохідний опір комутавхід якого з'єднані з виходом ключа 3, кероване тора буде дорівнює Rком=1*10-3 Ом (IRFC3603), а АЗП 13 (складається із ключа на розмикання й опору кінців, що підводять, Rk1=Rk2=0,5* 10-3 Ом і піковий детектор) , вхід якого з'єднаний з виходом С=5000мкф, те постійна часу заряду конденсатора ГПН 12, а керуючий вхід- з виходом компаратора tзар збільшиться на додаткову постійну часі рівну: 9, підсилювач із регульованим коефіцієнтом підсиtдоп = [(1+0,5+0,5) *10-3*5000*10-6]=10мкс. лення 14, вхід якого з'єднаний з виходом дільника Теоретичний час заряду конденсатора tap, 8, аналоговий дільник напруг 15, входи якого з'єдрозраховане по формулі (1) для негерметичних нані, відповідно, з виходами керованого АЗП13 і кислотних акумуляторів (k=2) залежно від ємності підсилювача 14, перемикач 16, індикатор 17, приQХДС буде мати значення, представлені в таблиці чому перший контакт перемикача з'єднаний з ви1. Збільшення цього часу за рахунок додаткового ходом аналогового дільника 15, другий контакт - з опору кінців, що підводять, і прохідного опору ковиходом АЗП6, а третій - із входом індикатора 17, мутатора на 30мкс. (вимір виробляється на рівні формувач сигналу скидання 18, ключ 19 і ключ 20 3tзар - tзap) дає додаткову погрішність виміру tзap скидання конденсатора 4, причому вхід формуванаведену також у таблиці 1. ча 18 з'єднаний з виходом ключа 19, вхід якого Таблиця 1 QХДС А*ч tзap, МКС tзap, % 7 2143 1,4 20 750 3,8 Крім того, аналогова обробка сигналів у відомому пристрої також збільшує погрішність виміру за рахунок дрейфів нулів аналогових мікросхем і ускладнює процес регулювання пристрою. Найбільш близьким по технічній сутності до пропонованого винаходу є пристрій для виміру електричної ємності ХДС, описане в патенті Росії №2248073 (БИ №14, 2005р.). У відомому пристрої реалізованому також по алгоритму (1) і утримуюче вимірюване ХДС 1,один полюс якого (мінус) з'єднаний із загальною шиною пристрою, і утримуюче вимірюване хімічне джерело струму ХДС 1, один полюс якого (мінус) з'єднаний із загальною шиною пристрою, ключ 2 на замикання ланцюга, вхід якого з'єднаний із другим полюсом (позитивним) вимірюваний ХДС, конденсатор 3 відомі ємності, одна пластина якого з'єднана із загальною шиною, а друга - з виходом ключа 2, ключ на замикання 4, вхід якого з'єднаний з позитивним полюсом досліджуваний ХДС, ключ 5 розряду конденсатора 3, вхід якого з'єднаний з першою пластиною конденсатора 3, а вихід - із загальною шиною пристрою, перемикач 6 перший вхід якого з'єднаний з виходом ключа 2, а другий вхід - з виходом ключа 4, аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 7, вхід 44 341 8,1 60 250 10,7 80 188 14 100 150 16,6 якого з'єднаний з виходом перемикача 6, мікроконтролер, що містить мікропроцесор (МП) 8 із блоком пам'яті програм (БПП) 9 і блоком пам'яті даних (БПД) 10, генератор тактових імпульсів (ГТІ) 11, таймер 12 і порт вводу-висновку (ПВВ) 13 з'єднаних відповідно, причому вхідна шина МП 8 з'єднана з вихідною шиною АЦП 7, перший вихід ГТІ 11 з'єднаний із входом запуску АЦП 7, а другий - із другим входом БПП 9, шина вхід-вихід таймера 12 з'єднана з відповідною шиною МП 8, вхідна шина ПВВ 13 з'єднана з вихідною шиною МП 8, блок індикації 14, вхідна шина якого з'єднана з першою вихідною шиною ПВВ 13, входи керування ключами 2,3,5 і перемикачі б з'єднані з відповідними виходами ПВВ 13, ключ 15 запуску початку виміру, вхід якого через ПВВ 13 з'єднаний із входом запуску МП 8, а вихід - с загальною шиною пристрою, перемикач 16 виду виміру, два виходи якого з'єднані з відповідними входами керування ПВВ 13. У зазначеному пристрої виміру електричної ємності ХДС сигнали обробляються цифровим способом і тому виключені погрішності властивим аналоговим засобам обробки сигналів (дрейф нульового рівня, напруга зсуву т.д.). Однак, цей пристрій має недоліки , що полягає в тім, що,, при 5 86409 6 стрій має додаткову погрішність виміру, що визнаСхема включає вимірюване хімічне джерело чається кінцевим сумарним значенням опорів кінструму 1, ключ 2 на замикання ланцюга, конденсаців, що підводять, і комутуючого пристрою, а також тор 3 відомі ємності, ключ 4 скидання заряду консумірністю опору із внутрішнім опором ХДС, як і денсатора 3, АЗП 5, компаратор 6, дільник напруги попередній пристрій [описане в патенті Росії 7 з коефіцієнтом k =0,95, АЦП 8, мікроконтролер 9, №2214025, БИ №28, 2003p.]. Крім того, відомий блок індикації 10, ключ запуску 11, ЦАП 12. Припристрій має більшу погрішність виміру при вимір чому, опір сполучних проводів, ключа 2 у замкнуХДС великої ємності (Q >200 А*г), коли час заряду тому стані й струмознімачів повинне бути мінімаконденсатора стає дуже малим. Наприклад, при льно можливим (приблизно, на порядок менше С4= 5000мкф, U= 2 В і Q = 2000 А*г, час заряду внутрішнього опору вимірюваного джерела струскладе близько 12мкс. Що значно менше, ніж му). швидкодія широко розповсюджених типів АЦП Запропонований пристрій працює в такий спо100мкс [7]. Збільшення значення ємності конденсіб. Після приєднання вимірюваного ХДС 1 до присатора приведе до збільшення ваго-габаритних строю короткочасним натисканням ключа 11 запухарактеристик пристрою або, якщо застосовувати скається МК 9 і програма послідовності керування електролітичні конденсатори великої ємності, до ключами 2 і 4. Напруга ХДС подається на вхід АЗП зміни параметрів у перебігу часу. 5 і запам'ятовується. З виходу АЗП 5 напруга поМетою пропонованого винаходу є зменшення дається на вхід дільника напруги 7 і на вхід АЦП 8. погрішності, скорочення часу виміру електричної Потім замикається ключ 2 і МК 9 починає відрахоємності ХДС і спрощення конструкції пристрою. вувати час заряду. Через ключ 2 заряджається Поставлена мета досягається тим, що в приконденсатор 3. У процесі наростання напруги застрої утримуюче вимірюване хімічне джерело ряду на конденсаторі від вимірюваний ХДС, ця струму 1, один полюс якого (мінус) з'єднаний із напруга, що подається на перший вхід компаратозагальною шиною пристрою, ключ 2 на замикання ра 6, рівняється з напругою запам’ятовано в АЗП 5 ланцюга вхід якого з'єднаний із другим полюсом і подаваним через дільник 7 на другий вхід компа(позитивним) вимірюваний ХДС, конденсатор 3 ратора 6. При досягненні напругою заряду рівня відомі ємності, одна пластина якого з'єднана із 0,95 від UХДС спрацьовує компаратор 6 і МК 9 зузагальною шиною, а друга - з виходом ключа 2, пиняється, фіксує час tзар заряду конденсатора 3. ключ на замикання 4, з'єднаний паралельно конТ. к. у МК 9 уводиться фіксоване значення часу денсатору 3, аналоговий запам'ятовувальний прикомпенсації tком за рахунок кінцевого опору провострій (АЗП) 5, вхід якого з'єднаний із входом ключа дів, що підводять, і прохідного опору ключа 2, то 2, компаратор 6, перший вхід якого з'єднаний з на виході ЦАП 12 формується аналоговий сигнал виходом ключа 2, дільник напруги 7 з коефіцієнтом наступного виду: розподілу k=0,95, вхід якого з'єднаний з виходом Uцап = kцап×· (tзар - tком), (3) АЗП 5, а вихід - із другим входом компаратора 6, де kцап- коефіцієнт перетворення ЦАП 12, [В/с] АЦП 8, вхід якого з'єднаний з виходом АЗП 5, мікЦя напруга подається на опорний вхід АЦП 8. роконтролер (МК) 9, перший вхід якого з'єднаний з При цьому результат перетворення ΝАЦП на виході виходом компаратора 6, другий вхід з'єднаний з АЦП 8 буде пов'язаний з величинами UХДС і Uцап виходом АЦП 8, а перший і другий виходи якого наступним співвідношенням: з'єднані, відповідно, із входами керування ключів 2 (4) NАЦП = kАЦП · UХДС/ Uцап, і 4, блок індикації 10, вхід якого з'єднаний із третім де kAЦП - коефіцієнт перетворення АЦП 8 або з виходом МК9, ключ запуску початку виміру 11, вхід обліком (3): якого з'єднаний із четвертим виходом МК 9, а ви(5) NАЦП = k1 · UХДС/[(tзар - tком)] хід - із загальною шиною пристрою, уведений циде k1=kАЦП/kЦAП фро-аналоговий перетворювач 12, вхід якого з'єдУ блоці пам'яті програм МК 6 записана пронаний з п'ятим виходом МК 9, а вихід - з опорним грама, що реалізує наступний алгоритм: входом АЦП 8, алгоритм обробки сигналу в МК 9 (6) QХДС = С·k1 · NАЦП/2k, представлений наступною формулою: або з обліком (5): (2) QХДС=С×UХДС/[(tзар-tком)×2k (7) QХДС = С·UХИТ/[(tзар - tком)·2k де, QХДС- електрична ємність вимірюваного де, С - чисельне значення ємності конденсаджерела струму, А*г; тора 3, записане в пам'яті МК 9; С - ємність конденсатора, що заряджає, Ф; U - напруга на вимірюваному джерелі струму, UХДС - напруга на вимірюваному джерелі струВ; му, В; tзар - час заряду конденсатора від вимірюваноtзар- час заряду конденсатора від вимірюваного го джерела, с; джерела, с; tком- час компенсуюче збільшення часу заряду tком - час компенсації збільшення часу заряду конденсатора за рахунок кінцевого значення опоконденсатора за рахунок кінцевого значення опорів проводів, що підводять, і вхідного комутатора; рів проводів, що підводять, і вхідного комутатора; k - коефіцієнт, установлюваний для кожного k - коефіцієнт, що враховує конструктивні й типу ХДС і записаний у блоці пам'яті даних МК 9 як технологічні особливості вимірюваного хімічного константа (для кислотний і лужних негерметичних джерела струму. ХДС k=2). На Фіг.1 зображена електрична схема для виЗначення QХДС обчислюється МК 9 і виводитьміру електричної ємності хімічного джерела струся на блок індикації 10. Після індикації результатів му. обчислення QХДС, МК 9 дає команду на включення ключа 4 і відбувається розряд конденсатора 3. 7 86409 8 Таким чином, математична операція розподіл 2. А.М.Вайлов и Ф.И.Эйгель "Автоматизация виконується безпосередньо на АЦП, що розвантаконтроля и обслуживания аккумуляторных батажує мікроконтролер, зменшує погрішність виміру й рей",М,"Связь", 1975, с.4-87. збільшує швидкодію виконання заданої програми. 3. В.В.Романов,Ю.М.Хашев "Химические истоВведення в програму обробки часу компенсації чники тока", М."Советское радио", 1978,264с. виключає погрішність за рахунок кінцевого значен4. В.С.Баготский,А.М.Скундин "Химические исня опорів проводів, що підводять, і вхідного комуточники тока", М."Энергоиздат", 1981,360с. татора. 5. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирова2.Науково-технічна література ние, параметры, применение. Б.Г.Федорков, І технічна документація. В.А.Телец. М. «ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ», 1990,320с. 1. А.Е.Зорохович и др."Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей",М,"Энергия",1975, 208с. Комп’ютерна верстка Л. Купенко 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