Способ измерения электрической емкости химических источников тока
Использование: в электроизмерительной технике. Технический результат заключается в сокращении времени измерения и упрощении процесса измерения. Согласно изобретению способ измерения электрической емкости химических источников тока (ХИТ) заключается в процессе разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку, измерении времени заряда конденсатора и расчете электрической емкости измеряемого химического источника тока по формуле Qэл = CU/(2tзap
k), где Qэл - электрическая емкость измеряемого источника тока, А
ч; С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф; U - напряжение на измеряемом источнике тока. В; tзар - время заряда конденсатора от измеряемого источника тока, С; k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого ХИТ. 1 ил., 3 табл.
Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерения остаточной электрической емкости ХИТ как в стационарных, так и в полевых условиях.
Известен способ определения остаточной емкости кислотной свинцовой аккумуляторной батареи (АКБ) (а.с. N 1619360, H 01 M 10/48, БИ N 1, 1991 г.), где АКБ подключают к тестовой нагрузке и, измеряя напряжение на АКБ до подключения нагрузки E и с ней Uн, вычисляют коэффициент степени разряженности k по следующей формуле: k = (Emax - E)/(Uн - Umin), (1) где Emax - максимальное ЭДС АКБ, Umin - минимальное допустимое напряжение на АКБ при разряде. Затем, по определенной раннее зависимости Qост = f(k), (2) определяют остаточную емкость АКБ. Известный способ обладает недостатками. Во-первых, здесь требуются большие энергетические затраты, т.к. АКБ нагружается на очень малое нагрузочное (тестовое) сопротивление, т.е. если АКБ будет частично разряжена, то после такой проверки возможен полный разряд, что является недопустимым для АКБ, т. к. после такой процедуры они не подлежат восстановлению. Во-вторых, нагрузочное сопротивление нужно включать на очень малое время, т.к. иначе произойдет разряд АКБ и возможен выход из строя нагрузочного (тестового) сопротивления из-за перегрева. В-третьих, в расчетной формуле (1) значения Emax и Umin имеют определенные зоны допусков и поэтому расчеты по формулам 1 и 2 вызывают некоторую неопределенность. И в-четвертых, как известно [1], внутреннее сопротивление АКБ имеет сложный характер и величина его и, соответственно, внутреннее падение напряжения на АКБ будут находиться в зависимости от нагрузки. Поэтому величина Uн также будет иметь неопределенное значение. Известен еще импульсный способ для измерения остаточной емкости ХИТ, описанный в а.с. N 1718305 (H 01 M 10/48, БИ N 9, 1992 г.), где АКБ зондируют импульсами длительностью от 10-3 до 103 с в зависимости от остаточной емкости батареи, измеряют зависимость тока от времени и по раннее установленной зависимости определяется остаточная емкость ХИТ. Этот способ является неоперативным, т.к. продолжительность времени измерения может доходить до 1000 с, т. е около 17 мин (для длительностей импульса около 103 с). И, кроме того, известный способ является для реализации аппаратуроемким, т.к. требует применения специальных генераторов с регулируемой длительностью импульса и регулируемой амплитудой. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения сопротивления короткого замыкания (КЗ) ХИТ, описанный в а. с. N 547878 (H 01 M 10/48, БИ N 7, 1977 г.). В известном способе путем разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку фиксируют изменение напряжения наней и строят кривую зависимости этого напряжения от времени, и, далее, выбирая на кривой любую точку до значения напряжения, равного 0,8Eхит, по координатам этой точки вычисляют сопротивление К3. Однако указанный способ не предназначен для измерения электрической емкости ХИТ и является довольно трудоемким и долговременным, несмотря на то, что максимальное время процесса заряда конденсатора составляет доли секунды. Кроме того, известный способ имеет ограничения по выбору рабочей точки на кривой (Uc/E![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Qэл = n
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Значение емкости Qk определяется, как известно [2], следующим выражением:
Qk = C
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где C - фарадеевская емкость конденсатора;
U - напряжение на измеряемом источнике тока. Исходя из формул (4) и (5), запишем:
Qэл = n
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где Qэл - [Кл] или [A
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
C - [A
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
U - [B]. Т. к. электрическую емкость Qэл ХИТ принято выражать в A
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Qэл
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Тогда из выражения (7) получим:
n = 3600
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
или
n = 3600 - Qэл/Qk. (9)
Определим число n для ХИТ с электрической емкостью Qэл1=55 A
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Qk1 = 0,005
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
n1 = 55
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
n2 = 0,038
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
N = 3600
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
и для ХИТ известной емкости получим:
N1 = 55/0.03 = 1833,3;
N2 = 0,038/0,00375 = 10,13. Т.е., такое число выборок можно сделать для каждого из приведенных ХИТ с помощью конденсатора известной емкости (5000 мкФ) за единицу времени tед = 1 с. Если нам известно число возможных непрерывных выборок заряда для определенных ХИТ в единицу времени, то можно определить и время заряда конденсатора за одну выборку с учетом электрической емкости ХИТ, т.е.:
tзар = tед/N, [c] (11)
или, учитывая (10), получим:
tзар = tед/N = tед/Qэл/Qk= tед
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Как показали проведенные исследования и практические измерения, число N действительно является величиной, обратно пропорциональной времени заряда tзар накопительного конденсатора, и тогда, исходя из (12), запишем:
Qэл = tед/tзар = tед
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
или, для упрощения, опуская единицу времени tед и учитывая ее лишь в размерности, запишем:
Qэл=Qk/tзар = C
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
При проведении измерений Qэл определение полного времени заряда накопительного конденсатора из-за экспоненциального характера зарядной кривой на ее конечном этапе связано с большими погрешностями измерения. Поэтому, с точки зрения уменьшения погрешности измерения, удобно измерять время заряда конденсатора не до полного значения напряжения ХИТ, а до некоторого его уровня, например 0,95 Uхит или 0,9Uхит. Практически были опробованы следующие уровни: 0,95; 0,9; 0,86; 0,8; 0,7; 0,63; 0,5. Лучшие результаты были получены при уровнях от 0,95 до 0,86, т.к. при этих уровнях в ХИТ в работу включаются все активные поверхности электродов. Поэтому, для практических расчетов формула (13а) будет иметь следующий вид:
Qэл = C
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где k - коэффициент, устанавливаемый для каждого типа ХИТ, т.к. он определяется применяемыми материалами при изготовлении источников тока, его конструктивными и технологическими параметрами, а также уровнем заряда накопительного конденсатора (для миниатюрных элементов и кислотных негерметичных аккумуляторов при уровне заряда 0,95 Uхит k=2). Исходя из вышеизложенного, определим теоретическое время заряда накопительного конденсатора для известной электрической емкости химического источника тока:
tзар = C
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
или
tзар = Qk/(Qэл
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Из формул (15) и (16), для Qэл1 = 55 A
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
tзар1 = 1/(1833,33
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8776.gif)
tзар2 = 1/(10,13
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8776.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Источники информации
1. А.Е. Зорохович и др. "Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей", М.: "Энергия", 1975, 208 с. 2. А. М. Вайлов и Ф.И. Эйгель "Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей", М., "Связь", 1975, с. 4-87. 3. В.В. Романов, Ю.М. Хашев "Химические источники тока", М.: "Советское радио", 1978, 264 с. 4. В. С. Баготский, А. М. Скундин "Химические источники тока", М.: "Энергоиздат", 1981, 360 с.
Формула изобретения
Qэл = C
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
где Qэл - электрическая емкость измеряемого источника тока, А
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф;
U - напряжение на измеряемом источнике тока, В;
tзар - время заряда конденсатора от измеряемого источника тока, с;
k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого химического источника тока.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3