Пристрій виміру залишкової ємкості хімічного джерела струму

Реферат: Пристрій виміру залишкової ємкості хімічного джерела струму належить до області вимірювальної техніки і може використовуватися для перманентного контролю акумуляторної батареї або хімічного джерела струму (ХДС), які використовуються в автомобілях, електромобілях, складських електрокарах і в інших побутових приладах. Пристрій виміру залишкової ємкості ХДС складається з конденсатора відомої ємкості, електронних керованих ключів заряду і розряду, пристрою вибірки-зберігання, дільника напруги, мікроконтролера з вбудованими модулями аналого-цифрового перетворювача, широтно-імпульсної модуляції та аналогового компаратора, пульта управління, фільтра нижніх частот, індикатора, на який виводиться залишкова ємкість ХДС. Технічним результатом винаходу є збільшення точності, спрощення конструкції. UA 101381 C2 (12) UA 101381 C2 UA 101381 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області техніки електровимірювання і може бути використаний для контролю електричної ємкості акумуляторної батареї або хімічного джерела струму (ХДС). Відомі пристрої для виміру електричної ємкості ХДС, наприклад з допомогою вилки навантаження. Ці пристрої неможливо використовувати у автоматичному режимі, вони не дозволяють отримувати точне значення електричної ємкості ХДС, сам процес виміру передбачає витрати значної кількості заряду ХДС. Найбільш близьким до даного винаходу є "Пристрій для вимірювання електричної ємкості хімічних джерел струму", описаний у патенті України № 86409, опубл. у Бюл. № 8 від 27.04.09, МПК (2009) G01R 31/36, G01R 27/26, Н01М 10/48 (2009.01), Заявка № а200611285 від 26.10.2006, яке містить конденсатор, що заряджається, електронні ключі для заряду і розряду цього конденсатора, пристрій вибірки-зберігання, дільник напруги, компаратор, аналогоцифровий перетворювач (АЦП). У цьому пристрої одна пластина конденсатора відомої ємкості з'єднана із загальною шиною, а друга – з виходом електронного ключа заряду, вхід якого приєднаний до контрольованого ХДС. При цьому ця ж пластина конденсатора приєднана до першого входу компаратора. Вхід управління ключа заряду приєднаний до мікропроцесора. Вхід пристрою вибірки-зберігання приєднаний до ХДС, а його вихід до входу перетворення АЦП і до входу дільника напруги з коефіцієнтом ділення к=0,95, вихід якого приєднаний до другого входу компаратора. Вхід управління пристрою вибірки-зберігання приєднаний до мікропроцесора. Вихід компаратора приєднаний до мікропроцесора. Електронний ключ розряду з'єднаний паралельно конденсатору. Вхід управління ключа розряду приєднаний до мікропроцесора. Опорний вхід АЦП з'єднаний з виходом цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), вхід якого з'єднаний з виходом мікропроцесора. Вихід АЦП з'єднаний з мікропроцесором. До мікропроцесора приєднані також блок індикації і кнопка пуску. При замиканні ключа заряду контролюють процес заряду конденсатора від ХДС і при цьому вимірюють час його заряду. Досягнувши напруги на конденсаторі величини 0,95 від напруги акумулятора або його електрорушійної сили (ЕРС), яка запам'ятовується в пристрої вибіркизберігання, процес виміру часу закінчують і вимірюють залишкову ємкість ХДС у ампер-годинах по наступній формулі: , Q=C UCCS/(tch – tcom)2k, (1) де С – значення ємкості конденсатора, що заряджається, Ф; Е0 – напруга на вимірюваному джерелі струму або його ЕРС, В; tch – час заряду конденсатора від вимірюваного джерела до величини 0,95 E 0, с; tcom – час, компенсуючий збільшення часу заряду конденсатора за рахунок кінцевого значення опорів дротів, що підводять, і вхідного комутатора (визначається експериментально), с; k – деякий емпіричний коефіцієнт, що встановлюється для кожного типу хімічного джерела -1 струму (для кислотних і лужних негерметичних ХДС k=2,2), с . Пропонований пристрій містить ряд недоліків. По-перше, пристрій складається з великого числа компонентів, що у свою чергу відбивається на громіздкості, і складність конструкції. Подруге, пристрій для виміру залишкової ємкості ХДС являє собою моноблок, який з'єднується з вимірюваним ХДС за допомогою дротів, котрі вносять помилку до вимірів, пов'язаних з їх омічним опором. До того ж підключення до клем акумулятора забезпечується, наприклад, за допомогою затисків типу "крокодил", що не забезпечують міцного контакту, що так само зменшує точність вимірів. По-третє, з тієї причини, що не можна використовувати довгі сполучні дроти, оператор електрокара вимушений проводити виміри залишкової ємкості акумуляторної батареї відкриваючи капот, що вельми незручно в процесі експлуатації. У основу винаходу поставлено задачу збільшення точності, спрощення конструкції, поліпшення експлуатаційних властивостей пристрою виміру залишкової ємкості ХДС. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій, що містить ХДС, електронні ключі заряду і розряду конденсатора, пристрій вибірки-зберігання, конденсатор відомої ємкості, дільник напруги, індикатор, пульт керування, що відрізняється тим, що вимірник залишкової ємкості розділений на два блоки, при цьому один блок містить ключ заряду і конденсатор відомої ємкості, причому цей блок розміщують під капотом автомобіля і підключають до клем ХДС безпосередньо за допомогою гвинтового з'єднання дротами мінімальної довжини і максимального перетину, що забезпечують надійний і постійний контакт цього блока з ХДС, при цьому другий блок розміщують в кабіні водія або в приміщенні оператора, при цьому другий блок містить решту елементів схеми, при цьому в другий блок додатково вводять мікроконтролер із вбудованими модулями аналого-цифрового перетворювача, широтно-імпульсної модуляції, аналогового компаратора, при цьому в другий 1 UA 101381 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 блок додатково вводять фільтр нижніх частот, при цьому перший і другий блоки з'єднані між собою чотирижильним кабелем довільної довжини, при цьому в першому блоці від′ємний вивід ХДС з'єднаний із спільним дротом і з першою обкладинкою конденсатора відомої ємкості, а додатний вивід ХДС з'єднаний із першим виводом електронного ключа заряду конденсатора, другий вивід якого з'єднаний із другої обкладинкою конденсатора, при цьому перший вихід мікроконтролера з'єднаний з управляючим входом електронного ключа заряду конденсатора, при цьому другий вихід мікроконтролера з'єднаний із управляючим входом пристрою вибіркизберігання, вхід якого приєднаний до додатного виводу контрольованого ХДС, а його вихід з'єднаний із входом дільника напруги і першим входом мікроконтролера, що є входом перетворення вбудованого в мікроконтролер аналого-цифрового перетворювача, при цьому вихід дільника напруги з'єднаний із другим входом мікроконтролера, що є першим входом вбудованого в мікроконтролер аналогового компаратора, при цьому другий вивід електронного ключа заряду конденсатора з'єднаний з першим виводом електронного ключа розряду конденсатора і третім входом мікроконтролера, що є другим входом вбудованого в мікроконтролер компаратора, при цьому другий вивід електронного ключа розряду конденсатора з'єднаний з спільним дротом, при цьому вхід управління електронного ключа розряду конденсатора з'єднаний із третім виходом мікроконтролера, при цьому до четвертого входу мікроконтролера підключений пульт керування, при цьому до четвертого виходу мікроконтролера, що є виходом вбудованого в мікроконтролер модуля широтно-імпульсній модуляції, підключений вхід фільтра нижніх частот, при цьому вихід фільтра нижніх частот з'єднаний із п'ятим входом мікроконтролера, що є входом опорної напруги вбудованого в мікроконтролер модуля аналого-цифрового перетворювача, при цьому п'ятий вихід мікроконтролера з'єднаний із блоком індикації. Порівняння пропонованого пристрою з вже відомими пристроями і прототипом показує, що пристрій, що заявляється, проявляє нові властивості. По-перше, досягнуте спрощення конструкції пристрою, обумовлене виключенням з неї ряду компонентів, при цьому використовуються вбудовані в мікроконтролер модулі. По-друге, підвищена точність виміру, забезпечена безпосереднім підключенням до ХДС електронного ключа заряду конденсатора і самого конденсатора дротами мінімальної довжини і максимального перетину. При цьому під'єднанні цього ланцюга до ХДС виконується стаціонарно з використанням гвинтових з'єднань, що підвищує надійність контакту. По-третє, експлуатаційні властивості пристрою істотно поліпшені. Це обумовлено тим, що вимірник розділений на два блоки, при цьому перший блок розміщений під капотом автомобіля або в будь-якому другом акумуляторному відсіку експлуатованого обладнання, а другий блок розміщений в кабіні водія автомобіля або в будьякому іншому приміщенні оператора. При цьому перший блок містить конденсатор відомої ємкості і електронний ключ заряду, які підключені до клем ХДС максимально короткими дротами максимально можливого перетину. При цьому другий блок містить решту елементів вимірника і з'єднання цих двох блоків здійснено по чотирижильному кабелю довільної довжини. При цьому експлуатаційні властивості пристрою покращилися за рахунок того, що перший блок підключений до контрольованого ХДС безпосередньо і стаціонарно, а другий блок розміщений в кабіні водія або оператора на довільному віддаленні від першого блока. Для виміру електричної ємкості ХДС операторові не потрібно робити додаткових дій з підключення вимірника до самого ХДС. Процес контролю залишкової ємкості ХДС можна вести перманентно впродовж всього циклу експлуатації ХДС і з високою точністю. Схема пристрою виміру залишкової електричної ємкості хімічного джерела струму приведена на фіг. 1. Пристрій містить власне контрольовану акумуляторну батарею або хімічне джерело струму 1, електронний ключ заряду конденсатора 2, конденсатор відомої ємкості 3, пристрій вибіркизберігання 4, електронний ключ розряду конденсатора 5, дільник напруги 6, мікроконтролер 7 із вбудованими модулями аналого-цифрового перетворювача, широтно-імпульсного модулятора, аналогового компаратора, пульт керування 8, фільтр нижніх частот 9, індикатор 10. При цьому вимірник залишкової ємкості розділений на два блоки, при цьому один блок містить ключ заряду і конденсатор відомої ємкості, причому цей блок розміщений під капотом автомобіля і приєднаний до клем ХДС безпосередньо за допомогою гвинтового з'єднання дротами мінімальної довжини і максимального перетину, що забезпечують надійний і постійний контакт цього блока з ХДС, при цьому другий блок розміщують в кабіні водія або в приміщенні оператора, при цьому другий блок містить інші елементи схеми, при цьому перший і другий блоки з'єднані між собою чотирижильним кабелем довільної довжини. При цьому в першому блоці від′ємний вивід ХДС 1 з'єднаний із спільним дротом і з першою обкладинкою конденсатора відомої ємкості 3, а додатний вивід ХДС з'єднаний з першим виводом 2 UA 101381 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 електронного ключа заряду конденсатора 2, другий вивід якого з'єднаний із другої обкладинкою конденсатора 3, при цьому перший вихід мікроконтролера 7 з'єднаний з управляючим входом електронного ключа заряду конденсатора 2, при цьому другий вихід мікроконтролера 7 з'єднаний з управляючим входом пристрою вибірки-зберігання 4, вхід якого приєднаний до додатного виводу контрольованого ХІТ 1, а його вихід з'єднаний з входом дільника напруги 6 і першим входом мікроконтролера 7, що є входом перетворення вбудованого в мікроконтролер аналого-цифрового перетворювача, при цьому вихід дільника напруги 6 з'єднаний із другим входом мікроконтролера 7, що є першим входом вбудованого в мікроконтролер аналогового компаратора, при цьому другий вивід електронного ключа 2 заряду конденсатора 3 з'єднаний з першим виводом електронного ключа 5 розряду конденсатора 3 і третім входом мікроконтролера 7, що є другим входом вбудованого в мікроконтролер компаратора, при цьому другий вивід електронного ключа 5 розряду конденсатора з'єднаний з спільним дротом, при цьому вхід управління електронного ключа 5 розряду конденсатора з'єднаний з третім виходом мікроконтролера 7, при цьому до четвертого входу мікроконтролера 7 підключений пульт керування 8, при цьому до четвертого виходу мікроконтролера 7, що є виходом вбудованого в мікроконтролер модуля широтно-імпульсній модуляції, підключений вхід фільтра нижніх частот 9, при цьому вихід фільтра нижніх частот 9 з'єднаний з п'ятим входом мікроконтролера 7, що є входом опорної напруги вбудованого в мікроконтролер 7 модуля аналого-цифрового перетворювача, при цьому п'ятий вихід мікроконтролера 7 з'єднаний з блоком індикації 10. Працює пристрій таким чином. Процес виміру залишкової ємкості ХДС ініціюється у ручну, натисненням відповідної кнопки пульта керування 8 або автоматично за заданою програмою, розміщеною у мікроконтролері 7. Під час вступу відповідної команди початку виміру, безпосередньо перед процесом заряду конденсатора 3, мікроконтролер 7 подає сигнал управління у вигляді короткого імпульсу на управляючий вхід пристрою вибірки-зберігання 4. При цьому відбувається запам'ятовування значення електрорушійної сили ХДС 1. Вихідна напруга пристрою вибірки-зберігання 4 подається через дільник напруги 6 на один з входів вбудованого в мікроконтролер 7 компаратора і на вхід перетворення вбудованого в мікроконтролер 7 аналого-цифрового перетворювача. Після цього мікроконтролер 7 формує сигнал замикання електронного ключа 2 і конденсатор відомої ємкості 3 починає заряджатися. Одночасно з цим в мікроконтролері запускається таймер, починає відлічувати часовий інтервал заряду конденсатора 3. Напруга з обкладинок конденсатора подається на другий вхід вбудованого в мікроконтролер 7 компаратора. Досягши напруги на обкладинках конденсатора величини 0,9 напруги ХДС, компаратор спрацьовує і мікроконтролер фіксує часовий інтервал tch заряду конденсатора. Далі мікроконтролер 7 вводить поправку tam у цей часовий інтервал, обумовлену кінцевими опорами дротів, що підводять, і прохідного опору ключа 2. Ця поправка вводиться один раз при програмуванні мікроконтролера або може коректуватися обслуговуючим персоналом за допомогою пульта керування і індикатора при введенні системи у експлуатацію. Значення (tch-tcom) вводиться в модуль вбудованого в мікроконтролер 7 широтно-імпульсного модулятора, внаслідок чого на виході модуля широтно-імпульсного модулятора мікроконтролера 7 формується імпульсна послідовність, ширина імпульсів якої прямо пропорційна значенню тимчасового інтервалу (tch-tcom). Вказана імпульсна послідовність подається на вхід фільтра нижніх частот 9, вихід якого з'єднаний з входом опорної напруги вбудованого в мікроконтролер 7 модуля аналого-цифрового перетворювача. Фільтр нижніх частот 9 виділяє постійну складову імпульсної послідовності, внаслідок чого на вході опорної напруги вбудованого в мікроконтролер 7 модуля аналого-цифрового перетворювача формується аналоговий сигнал постійного струму, величина якого рівна UREF=kPWM (tch-tcom), (2) де kPWM – коефіцієнт перетворення модуля широтно-імпульсного модулятора з врахуванням проходження сигналу через фільтр нижніх частот, В/с. Аналого-цифровий перетворювач здійснює перетворення що запам'ятав напругу ХДС з врахуванням опорної напруги модуля, визначуваним вираженням (2). При цьому результат перетворення NADC визначатиметься наступним співвідношенням: NADC=kADCE0/UREF, (3) де kADC – коефіцієнт перетворення модуля аналого-цифрового перетворювача (величина безрозмірна); Е0 – електрорушійна сила ХДС. З обліком (2), отримаємо: NADC=kADCЕ0/[kPWM (tch-tcom)]. (4) По набутому значенню NАDC мікроконтролер виробляє обчислення залишкової ємкості хімічного джерела струму за наступною формулою: Q=CNADC/kCALC, 3 UA 101381 C2 5 10 15 20 або Q = С kADC E0/[kPWM kCALC (tch-tcom)] = С E0/[k(tch-tcom)], (6) де kPWMkCALC/kADC=k – емпіричний коефіцієнт (для кислотних і лужних негерметичних ХДС к = 4,4). З виразів (3) і (4) видно, що математична операція ділення однієї вимірюваної величини (Е0) на іншу вимірювану величину (tch-tcom) виконується безпосередньо в процесі аналого-цифрового перетворення. Ресурси мікроконтролера на виконання цієї операції ділення не витрачаються, що зменшує об'єм необхідної пам'яті мікроконтролера, зменшує погрішність виміру і збільшує швидкодію виконання даної операції. Додаткову операцію ділення С/k = СkADC/(kPWM kCALC) ми приводитимемо до простої операції множення на деякий коефіцієнт, оскільки всі члени, що входять в цей вираз, не змінюють свого значення в процесі експлуатації системи. Обчислене мікроконтролером 7 значення залишкової електричної ємкості ХДС виводиться на блок індикації 10. Після цього мікроконтролер 7 формує сигнал управління електронним ключем розряду 5, виробляючи тим самим його відкриття, у результаті чого відбувається розряд конденсатора 3 і система готова до подальших вимірів. Використання в ланцюзі заряду конденсатора від хімічного джерела струму дротів мінімальної довжини і максимального перетину, а також використовуючи стаціонарне гвинтове підключення до ХДС цього ланцюга заряду конденсатора, дозволяє не враховувати омічний опір дротів цього ланцюга, і величину tcom вводити, виключно беручи до уваги прохідний опір електронного ключа 2. Народногосподарський ефект від використання даного винаходу пов'язаний з появою можливості перманентного контролю електричної ємкості ХДС, що використовуються в автомобілях, електрокарах, системах безперебійного живлення тощо. Використання даного пристрою створює умови для запобігання непередбаченому виходу ХДС з експлуатації. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 Пристрій виміру залишкової електричної ємкості хімічного джерела струму (ХДС), що містить електронні ключі заряду і розряду конденсатора, пристрій вибірки-зберігання, конденсатор відомої ємності, дільник напруги, блок індикації, пульт керування, який відрізняється тим, що додатково містить фільтр нижніх частот та мікроконтролер із вбудованими модулями аналогоцифрового перетворювача, широтно-імпульсної модуляції та аналогового компаратора, при цьому пристрій виміру залишкової ємкості розділений на два блоки, перший блок містить ключ заряду і конденсатор відомої ємкості, причому цей блок розміщено під капотом автомобіля і підключено до клем ХДС безпосередньо за допомогою гвинтового з'єднання дротами мінімально можливої довжини та максимально можливого перетину, другий блок розміщений в кабіні водія або в приміщенні оператора та містить решту елементів схеми, перший і другий блоки з'єднані між собою чотирижильним кабелем довільної довжини, в першому блоці від′ємний вивід ХДС з'єднаний із спільним дротом і з першою обкладинкою конденсатора відомої ємкості, а додатний вивід ХДС з'єднаний із першим виводом електронного ключа заряду конденсатора, другий вивід якого з'єднаний із другою обкладинкою конденсатора, перший вихід мікроконтролера з'єднаний з управляючим входом електронного ключа заряду конденсатора, другий вихід мікроконтролера з'єднаний із управляючим входом пристрою вибірки-зберігання, вхід якого приєднаний до додатного виводу контрольованого ХДС, а його вихід з'єднаний із входом дільника напруги і першим входом мікроконтролера, що є входом перетворення вбудованого в мікроконтролер аналого-цифрового перетворювача, вихід дільника напруги з'єднаний із другим входом мікроконтролера, що є першим входом вбудованого в мікроконтролер аналогового компаратора, другий вивід електронного ключа заряду конденсатора з'єднаний з першим виводом електронного ключа розряду конденсатора і третім входом мікроконтролера, що є другим входом вбудованого в мікроконтролер компаратора, другий вивід електронного ключа розряду конденсатора з'єднаний з спільним дротом, вхід управління електронного ключа розряду конденсатора з'єднаний із третім виходом мікроконтролера, до четвертого входу мікроконтролера підключений пульт керування, до четвертого виходу мікроконтролера, що є виходом вбудованого в мікроконтролер модуля широтно-імпульсної модуляції, підключений вхід фільтра нижніх частот, вихід фільтра нижніх частот з'єднаний із п'ятим входом мікроконтролера, що є входом опорної напруги вбудованого в мікроконтролер модуля аналого-цифрового перетворювача, а п'ятий вихід мікроконтролера з'єднаний із блоком індикації. 4 UA 101381 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5