Технические науки/Электротехника и радиоэлектроника

К.т.н Косюк В.И.

ООО УРСП «Электрон-Звезда», Украина

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ

ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА (ХИТ).

Несмотря на широкое и самое разнообразное применение ХИТ, к сожалению, на сегодняшний день отсутствуют способы и устройства эффективного определения и измерения степени заряженности (или разряженности), а также наличия количества электричества (кулонов, А*ч) в ХИТ[1-7], что является важным для продления срока службы аккумуляторных батарей(АКБ) в эксплуатации и выработки гарантированного ресурса. А это, в свою очередь, решает одну из задач по энергоресурсосбережению и сохранению экологии окружающей среды.

Если в автотранспортных устройствах и судах во время движения при исправном генераторе происходит заряд АКБ, то в средствах связи и сигнализации ХИТ не подзаряжаются и поэтому знание их степени заряженности очень важно особенно при экстремальных условиях эксплуатации. Как в автомобиле имеется указатель уровня топлива, так и во всех устройствах и приборах запитываемых от ХИТ необходимо иметь компактный измеритель (указатель) заряженности. Вероятно, основные общие требования предъявляемые к измерителю за-ряженности ХИТ будут следующие:

- универсальность и компактность,

- малое собственное потребление энергии,

- оперативность получения информации о состоянии ХИТ,

- простота в эксплуатации и надежность.

В результате проработки решений по поиску методов построения измерителей заряженности ХИТ был предложен способ [8], удовлетворяющий вышеперечисленным требованиям. Предложенный способ, заключается в том, что в процессе разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку фиксируют время заряда конденсатора до напряжения источника и, по определенной зависимости, вычисляют электрическую емкость Q_эл ХИТ.

На рис.1 изображена электрическая схема для измерения электрической емкости химического источника тока.

Схема включает испытуемый источник тока 1, ключ 2 на замыкание цепи, конденсатор 3 известной емкости, вольтметр постоянного тока 4, ключ 5 на размыкание цепи и устройство 6 измерения времени заряда конденсатора(осциллограф, таймер и пр.).

Через ключ 5 подается сигнал синхронизации на устройство 6 измерения времени заряда конденсатора.

Сопротивление соединительных проводов, ключа 2 в замкнутом состоянии и токосъемников должно быть минимально возможным ( примерно, на порядок меньше внутреннего сопротивления измеряемого ХИТ.

Было доказано[8], что

Q_ХИТ =C·U/(2t_зар·k),[A·ч], (1)

где,Q_эл-электрическая емкость измеряемого источника тока, А*ч;

С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф;

U - напряжение на измеряемом источнике тока, В;

t_зар- время заряда конденсатора от измеряемого источника, с;

k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические

особенности измеряемого химического источника тока.

При проведении измерений Q_ХИТ, 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 от 0,95U_хит до 0,86U_хит. В этих случаях в работу включаются все активные поверхности электродов ХИТ.

Исходя из формулы (1), определим теоретическое время заряда накопительного конденсатора для известной электрической емкости химического источника тока :

t_зар = C·U·/(2Q_ХИТ ·k), [c] (2)

Таким образом, зная значение k для каждого типа ХИТ можно зараннее (теоретически) рассчитать время заряда конденсатора известной емкости и по его отклонению в ту или иную сторону определять степень заряженности или остаточную емкость исследуемого ХИТ.

Для подтверждения вышеизложенного, ниже приведены результаты проведенных измерений.

В табл.1 приведены результаты измерений различных типов ХИТ.

Таблица 1.

Тип ХИТ	СЦ-21	7Д-01	ВАРТА	СТ-55	СТ-55	СТ-55*	СТ-60*	СТ-60
произ.	Россия	Россия	Герма-ния	Болга-рия	Италия	Украи-на	Тур-ция	Польша
U ,В	1,5	9	1,2	12	12	12	12	12
Номин. Q,А·ч	0,038	0,1815	0,75	55	55	55	60	60
Изм.Q, А·ч	0,037	0,202	0,819	48	52	55	61	57

*-новые(свежие) ХИТ

Партия из шести миниатюрных элементов питания LR44 китайского производства по японской технологии с номинальным напряжением 1,5В и электрической емкостью 95 мА·час имела следующие результаты измерений(см. табл.2) :

Таблица 2.

№ п.п.	1	2	3	4	5	6
U , В	1,51	1,53	1,51	1,53	1,52	1,53
Q,мА·ч	43,6	106	42,6	44,2	83,9	38

В табл.3 приведены сравнительные технико-экономические показатели элементов типа AG8 разных фирм-производителей:

Таблица 3.

Производитель (страна,фирма)	Тип ХИТ	Стоимость,$	Номин. емкость,мА·ч	Измер. емкость,мА·ч
ВАРТА,Германия	АЗ8	0,7	38 - 45	14,3
Китай	АЗ8	0,1	38 - 45	22,2

В таблице 4 приведены данные измерения алкалиновых элементов LR03 и LR44 фирмы “VARTA”:

Таблица 4.

Тип элемента	LR03	LR03	LR03	LR03	LR44
Uном, В	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5
Uизм, В	1,57	1,564	1,557	1,563	1,572
Qном, мА·ч	700	700	700	700	95
Qизм, мА·ч	696	599	721	833	90,4

В универсальном устройстве, реализованном на предложенном способе, без изменения номиналов элементов схемы можно измерять ХИТ с емкостями,примерно, от 0,01 до 300 А*ч и с диапазоном измеряемых напряжений U_ХИТ от 0 до 20 В.

Получены обнадеживающие стабильные результаты, причем время измерения с обработкой результатов измерения и индикацией составляет несколько секунд(1-5). Погрешность измерения не превышает d £ 3%.

Примененный способ измерения практически не разряжает измеряемый ХИТ. Так, например, при одном измерении без изменения параметров элементов в зависимости от емкости ХИТ разрядится от 3*10^-5 до 0,03 % от первоначальной емкости.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ

ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА (ХИТ).

5

2 4 6

+ 3

1

1. Измеряемый источник тока(ХИТ).

2. Ключ на замыкание.

3. Конденсатор известной емкости.

4. Вольтметр постоянного тока.

5. Ключ на размыкание.

6. Запоминающий осциллограф или таймер.

Рис.1

ЛИТЕРАТУРА

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.

5.А.с.N 1619360, H 01M 10/48, БИ N 1, 1991 г.

6.А.с.№ 1718305, Н 01М 10/58, БИ № 9, 1992 г.

7.ГОСТ 29284-92 “Источники тока химические первичные. Методы контроля электрических параметров”

8.В.И.Косюк. Способ измерения электрической емкости химических источников тока. Патент России № 2172044 , БИ № 24, 2001 г.