УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА
DEVICE FOR MEASUREMENT OF RESIDUAL CAPACITANCE OF CHEMICAL CURRENT SOURCE

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля электрической емкости аккумуляторной батареи или химического источника тока (ХИТ).
Известны устройства для измерения электрической емкости ХИТ, например с помощью нагрузочной вилки. Эти устройства невозможно использовать в автоматическом режиме, они не позволяют получать точное значения электрической емкости ХИТ, сам процесс измерения предполагает расход значительного количество заряда ХИТ.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится "Устройство для измерения электрической емкости химических источников тока", описанное в патенте Украины № 86409, опубл. в бюл. № 8 от 27.04.09, МПК (2009) G01R 31/36, G01R 27/26, Н01М 10/48 (2009.01), заявка № а200611285 от 26.10.2006, которое содержит заряжаемый конденсатор, электронные ключи для заряда и разряда этого конденсатора, устройство выборки-хранения, делитель напряжения, компаратор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), микропроцессор, индикатор и кнопку пуска.
В этом устройстве одна пластина конденсатора известной емкости соединена с общей шиной, а вторая - с выходом электронного ключа заряда, вход которого подключен и контролируемому ХИТ. При этом эта же пластина конденсатора подсоединена к первому входу компаратора. Вход управления ключа заряда подключен к микропроцессору. Вход устройства выборки-хранения подсоединен к ХИТ, а его выход к входу преобразования АЦП и ко входу делителя напряжения с коэффициентом деления k=0,95, выход которого подсоединен к второму входу компаратора. Вход управления устройства выборки-хранения подсоединен к микропроцессору. Выход компаратора подсоединен к микропроцессору. Электронный ключ разряда соединен параллельно конденсатору. Вход управления ключа разряда подключен к микропроцессору. Опорный вход АЦП соединен с выходом ЦАП, вход которого соединен с выходом микропроцессора. Выход АЦП соединен с микропроцессором. К микропроцессору подсоединены также блок индикации и кнопка пуска.
При замыкании ключа заряда контролируют процесс заряда конденсатора от ХИТ и при этом измеряют время его заряда. При достижении напряжения на конденсаторе величины 0,95 от напряжения аккумулятора или его электродвижущей силы, которое запоминается в устройстве выборки-хранения, процесс измерения времени заканчивают и измеряют остаточную емкость ХИТ а ампер-часах по следующей формуле:
где С - значение емкости заряжаемого конденсатора, Ф;
0
Е - напряжение на измеряемом источнике тока или его ЭДС, В;
ch
0
t - время заряда конденсатора от измеряемого источника до величины 0,95E, с;
cоm
t - время, компенсирующее увеличения времени заряда конденсатора за счет конечного значения сопротивлений подводящих проводов и входного коммутатора (определяется экспериментально), с;
-1
k - некоторый эмпирический коэффициент, устанавливаемый для каждого типа химического источника тока (для кислотных и щелочных негерметичных ХИТ k=2,2), с.
Предлагаемое устройство содержит ряд недостатков. Во-первых, устройство состоит из большого числа компонентов, что в свою очередь отражается на громоздкости и сложности конструкции. Во-вторых, устройство для измерения остаточной емкости ХИТ представляет собой моноблок, который соединяется с измеряемым ХИТ с помощью проводов, которые вносят погрешность в измерения, связанные с их омическим сопротивлением. К тому же подключение к клеммам аккумулятора обеспечивается, например, с помощью зажимов типа "крокодил", не обеспечивающих хорошего контакта, что так же уменьшает точность измерений. В-третьих, по той причине, что нельзя использовать длинные соединительные провода, оператор электрокара вынужден проводить измерения остаточной емкости аккумуляторной батареи открывая капот, что весьма неудобно в процессе эксплуатации.
В основу изобретения поставлена задача увеличения точности, упрощения конструкции, улучшение эксплуатационных свойств устройства измерения остаточной емкости ХИТ. Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее электронные ключи заряда и разряда конденсатора, устройство выборки-хранения, конденсатор известной емкости, делитель напряжения, индикатор, пульт управления, отличающегося тем, что измеритель остаточной емкости разделен на два блока, при этом один блок содержит ключ заряда и конденсатор известной емкости, причем этот блок размещен под капотом автомобиля и подключен к клеммам ХИТ непосредственно посредством винтового соединения проводами минимальной длины и максимального сечения, обеспечивающими надежный и постоянный контакт этого блока с ХИТ, при этом второй блок размещают в кабине водителя или в помещении оператора, при этом второй блок содержит остальные элементы схемы, при этом во второй блок дополнительно вводят микроконтроллер со встроенными модулями аналого-цифрового преобразователя, широтно-импульсной модуляции, аналогового компаратора, при этом во второй блок дополнительно вводят фильтр нижних частот, при этом первый и второй блоки соединены между собой четырехжильным кабелем произвольной длины, при этом в первом блоке минусовой вывод ХИТ соединен с общим проводом и с первой обкладкой конденсатора известной емкости, а плюсовой вывод ХИТ соединен с первым выводом электронного ключа заряда конденсатора, второй вывод которого соединен со второй обкладкой конденсатора, при этом первый выход микроконтроллера соединен с управляющим входом электронного ключа заряда конденсатора, при этом второй выход микроконтроллера соединен с управляющим входом устройства выборки-хранения, вход которого подсоединен плюсовому выводу контролируемого ХИТ, а его выход соединен с входом делителя напряжения и первым входом микроконтроллера, являющегося входом преобразования встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя, при этом выход делителя напряжения соединен со вторым входом микроконтроллера, являющегося первым входом встроенного в микроконтроллер аналогового компаратора, при этом второй вывод электронного ключа заряда конденсатора соединен с первым выводом электронного ключа разряда конденсатора и третьим входом микроконтроллера, являющегося вторым входом встроенного в микроконтроллер компаратора, при этом второй вывод электронного ключа разряда конденсатора соединен с общим проводом, при этом вход управления электронного ключа разряда конденсатора соединен с третьим выходом микроконтроллера, при этом к четвертому входу микроконтроллера подключен пуль управления, при этом к четвертому выходу микроконтроллера, являющегося выходом встроенного в микроконтроллер модуля широтно-импульсной модуляции, подключен вход фильтра нижних частот, при этом выход фильтра нижних частот соединен с пятым входом микроконтроллера, являющегося входом опорного напряжения встроенного в микроконтроллер модуля аналого-цифрового преобразователя, при этом пятый выход микроконтроллера соединен с блоком индикации.
Сравнение предлагаемого устройства с уже известными устройствами и прототипом показывает, что заявляемое устройство проявляет новые признаки. Во-первых, достигнуто упрощение конструкции устройства, обусловленное исключением из неё ряда компонентов, при этом используются встроенные в микроконтроллер модули. Во-вторых, повышена точность измерения, обеспеченная непосредственным подключением к ХИТ электронного ключа заряда конденсатора и самого конденсатора проводами минимальной длины и максимального сечения. При этом подсоединение этой цепи к ХИТ выполняется стационарно с использованием винтовых соединений, что повышает надежность контакта. В-третьих, эксплуатационные свойства устройства существенно улучшены. Это обусловлено тем, что измеритель разделен на два блока, при этом первый блок размещен под капотом автомобиля или в любом другом аккумуляторном отсеке эксплуатируемого оборудования, а второй блок размещен в кабине водителя автомобиля или в любом другом помещении оператора. При этом первый блок содержит конденсатор известной емкости и электронный ключ заряда, которые подключены к клеммам ХИТ максимально короткими проводами максимально возможного сечения. При этом второй блок содержит все остальные элементы измерителя и соединение этих двух блоков осуществлено по четырехжильному кабелю произвольной длины. При этом эксплуатационные свойства устройства улучшены за счет того, что первый блок подключен к контролируемому ХИТ непосредственно и стационарно, а второй блок размещен в кабине водителя или оператора на произвольном удалении от первого блока. Для измерения электрической емкости ХИТ оператору не требуется предпринимать дополнительных действий по подключению измерителя к самому ХИТ. Процесс контроля остаточной емкости ХИТ можно вести перманентно на протяжении всего цикла эксплуатации ХИТ и с высокой точностью.
Схема устройства определения остаточной электрической емкости химического источника тока приведена на рисунке.
Устройство содержит собственно контролируемую аккумуляторную батарею или химический источник тока 1, электронный ключ заряда конденсатора 2, конденсатор известной емкости 3, устройство выборки-хранения 4, электронный ключ разряда конденсатора 5, делитель напряжения 6, микроконтроллер 7 со встроенными модулями аналого-цифрового преобразователя, широтно-импульсной модуляции, компаратора, пульт управления 8, фильтр нижних частот 9, индикатор 10.
При этом измеритель остаточной емкости разделен на два блока, при этом один блок содержит ключ заряда и конденсатор известной емкости, причем этот блок размещают под капотом автомобиля и подключен этот блок к клеммам ХИТ непосредственно посредством винтового соединения проводами минимальной длины и максимального сечения, обеспечивающими надежный и постоянный контакт этого блока с ХИТ, при этом второй блок размещают в кабине водителя или в помещении оператора, при этом второй блок содержит остальные элементы схемы, при этом первый и второй блоки соединены между собой четырехжильным кабелем произвольной длины. При этом в первом блоке минусовой вывод ХИТ 1 соединен с общим проводом и с первой обкладкой конденсатора известной емкости 3, а плюсовой вывод ХИТ соединен с первым выводом электронного ключа заряда конденсатора 2, второй вывод которого соединен со второй обкладкой конденсатора 3, при этом первый выход микроконтроллера 7 соединен с управляющим входом электронного ключа заряда конденсатора 2, при этом второй выход микроконтроллера 7 соединен с управляющим входом устройства выборки-хранения 4, вход которого подсоединен плюсовому выводу контролируемого ХИТ 1, а его выход соединен с входом делителя напряжения 6 и первым входом микроконтроллера 7, являющегося входом преобразования встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя, при этом выход делителя напряжения 6 соединен со вторым входом микроконтроллера 7, являющегося первым входом встроенного в микроконтроллер аналогового компаратора, при этом второй вывод электронного ключа заряда конденсатора 2 соединен с первым выводом электронного ключа разряда конденсатора 5 и третьим входом микроконтроллера 7, являющегося вторым входом встроенного в микроконтроллер компаратора, при этом второй вывод электронного ключа разряда конденсатора 5 соединен с общим проводом, при этом вход управления электронного ключа разряда конденсатора 5 соединен с третьим выходом микроконтроллера 7, при этом к четвертому входу микроконтроллера 7 подключен пуль управления 8, при этом к четвертому выходу микроконтроллера 7, являющегося выходом встроенного в микроконтроллер модуля широтно-импульсной модуляции, подключен вход фильтра нижних частот 9, при этом выход фильтра нижних частот 9 соединен с пятым входом микроконтроллера 7, являющегося входом опорного напряжения встроенного в микроконтроллер 7 модуля аналого-цифрового преобразователя, при этом пятый выход микроконтроллера 7 соединен с блоком индикации 10.
ch
com
ch
com
ch
com
Работает устройство следующим образом. Процесс измерения остаточной емкости ХИТ инициируется вручную, нажатием соответствующей кнопки пульта управления 8 или автоматически по заданной программе, размещенной в микроконтроллере 7. При поступлении соответствующей команды начала измерения, непосредственно перед процессом заряда конденсатора 3, микроконтроллер 7 подает сигнал управления в виде короткого импульса на управляющий вход устройства выборки-хранения 4. При этом происходит запоминание значения электродвижущей силы ХИТ 1. Выходное напряжение устройства выборки-хранения 4 подается через делитель напряжения 6 на один из входов встроенного в микроконтроллер 7 компаратора и на вход преобразования встроенного в микроконтроллер 7 аналого-цифрового преобразователя. После этого микроконтроллер 7 формирует сигнал замыкания электронного ключа 2, и конденсатор известной емкости 3 начинает заряжаться. Одновременно с этим в микроконтроллере запускается таймер, начинающий отсчитывать временной интервал заряда конденсатора 3. Напряжение с обкладок конденсатора подается на второй вход встроенного в микроконтроллер 7 компаратора. При достижении напряжения на обкладках конденсатора величины 0,9 напряжения ХИТ компаратор срабатывает, и микроконтроллер фиксирует временной интервал t заряда конденсатора. Далее микроконтроллер 7 вводит поправку t в этот временной интервал, обусловленную конечными сопротивлениями подводящих проводов и проходного сопротивления ключа 2. Эта поправка вводится единожды при программировании микроконтроллера или может корректироваться обслуживающим персоналом с помощью пульта управления и индикатора при вводе системы в эксплуатацию. Значение (t-t) вводится в модуль встроенного в микроконтроллер 7 широтно-импульсного модулятора, в результате чего выходе модуля широтно-импульсного модулятора микроконтроллера 7 формируется импульсная последовательность, ширина импульсов которой прямо пропорциональна значению временного интервала (t-t). Указанная импульсная последовательность подается на вход фильтра нижних частот 9, выход которого соединен со входом опорного напряжения встроенного в микроконтроллер 7 модуля аналого-цифрового преобразователя. Фильтр нижних частот 9 выделяет постоянную составляющую импульсной последовательности, в результате чего на входе опорного напряжения встроенного в микроконтроллер 7 модуля аналого-цифрового преобразователя формируется аналоговый сигнал постоянного тока, величина которого равна
PWM
где k - коэффициент преобразования модуля широтно-импульсного модулятора с учетом прохождения сигнала через фильтр нижних частот, В/с.
ADC
Аналого-цифровой преобразователь осуществляет преобразование запомненного напряжения ХИТ с учетом опорного напряжения модуля, определяемым выражением (2). При этом результат преобразования N будет определяться следующим
ADC
где k - коэффициент преобразования модуля аналого-цифрового преобразователя (величина безразмерная); Е0 - электродвижущая сила ХИТ. С учетом (2), получим:
ADC
По полученному значению N микроконтроллер производит вычисление остаточной емкости химического источника тока по следующей формуле:
или
PWM
CALC
ADC
где kk/k=k - эмпирический коэффициент (для кислотных и щелочных негерметичных ХИТ k=4,4).
0
ch
com
ADC
PWM
CALC
Из выражений (3) и (4) видно, что математическая операция деления одной измеряемой величины (Е) на другую измеряемую величину (t-t) выполняется непосредственно в процессе аналого-цифрового преобразования. Ресурсы микроконтроллера на выполнение этой операции деления не тратятся, что уменьшает объем требуемой памяти микроконтроллера, уменьшает погрешность измерения и увеличивает быстродействие выполнения данной операции. Дополнительную операцию деления С/k=Ck/(k k) мы будем приводить к простой операции умножения на некоторый коэффициент, поскольку все члены, входящие в это выражение не изменяют своего значения в процессе эксплуатации системы.
Вычисленное микроконтроллером 7 значение остаточной электрической емкости ХИТ выводится на блок индикации 10. После этого микроконтроллер 7 формирует сигнал управления электронным ключом разряда 5, производя тем самым его открывание, в результате чего происходит разряд конденсатора 3 и система готова к последующим измерениям.
com
Использование в цепи заряда конденсатора от химического источника тока проводов минимальной длины и максимального сечения, а также используя стационарное винтовое подключение к ХИТ этой цепи заряда конденсатора, позволяет не учитывать омическое сопротивление проводов этой цепи, и величину t вводить, исключительно беря во внимание проходное сопротивление электронного ключа 2.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности перманентного контроля электрической емкости ХИТ используемых в автомобилях, электрокарах, системах бесперебойного питания, во многих других бытовых и промышленных применениях. Использование данного устройства предотвратит непредвиденный выход ХИТ из строя.