ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Сысолятин Виктор Юрьевич

УДК 621.791, 66.028

ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ КОНТРОЛЯ

КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИ ПРОТЕКАНИИ ТОКА В

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор А.П. Попов Омск –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ЦЕЛЬ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Применение электрохимических технологий в различных отраслях промышленности………………………………………………………………... 1.2. Химические источники тока и их характеристики………………………. 1.3. Обзор и анализ технических средств, применяемых для исследования электрохимических процессов…………………………………………………. 1.4. Общие вопросы построения цифровых электротехнических комплексов для исследования электрохимических процессов:

1.4.1. Порядок преобразования входных сигналов датчиков и построение структурной схемы системы…………………………………………………… 1.4.2. Основные требования к элементам системы…………………………… 1.4.3. Вопросы построения алгоритмов управляющих программ, определение частоты дискретизации и оценка погрешности……………………………….. 1.5. Цель и задачи исследования……………………………………………….. Выводы …………. …….………………………………………………………...

ГЛАВА 2. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРИНЦИП ИМПУЛЬСНОГО

ИНТЕГРИРОВАНИЯ ТЕКУЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ СИГНАЛА

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТОКА С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ

КОНТРОЛЯ ТЕКУЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

2.1. Принцип квантования по вольт-секундной площади аналогового сигнала с микроконтроллерным управлением. Структурная схема импульсного интегратора с программным управлением……………………………………. 2.2. Принципиальная схема импульсного интегратора с программным управлением, выбор его параметров и оценка погрешности:

2.2.1. Принципиальная схема импульсного интегратора с программным управлением, выбор его параметров………………………………………….. 2.2.2. Оценка предельной относительной погрешности аналогово-цифрового квантования количества электричества…………………………………..…… 2.3. Алгоритм управляющей программы……………………………………… Выводы……………………………………………………………………….…..

ГЛАВА 3. ДОЗИРОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В

УСЛОВИЯХ РЕВЕРСИРОВАНИЯ ТОКА ПРИ ЗАРЯД-РАЗРЯДНЫХ

РЕЖИМАХ РАБОТЫ ХИТ

3.1. Эффективность использования режима деполяризации при заряде …… 3.2. Программное управление режимом заряда ХИТ в условиях реверсирования тока………………………………………………………….…. 3.3. Цифровой контроль и дозирование количества электричества в условиях реверсирования тока……………………………………………………………. 4. Предельная относительная погрешность определения текущего значения количества электричества при реверсировании тока……………………..… Выводы……………………………………………………………………….…

ГЛАВА 4. ВОПРОСЫ КОНТРОЛЯ БАЛАНСА КОЛИЧЕСТВА

ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ХИТ В СИСТЕМЕ

ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

4.1. Режимы работы ХИТ системы энергообеспечения транспортного средства………………………………………………………………………… 4.2. Моделирование процесса разряда ХИТ при электростартерном пуске двигателя внутреннего сгорания …..………………………………………… 4.3. Построение системы контроля текущего баланса количества электричества при эксплуатации ХИТ на транспортном объекте………….. Алгоритм управляющей программы микроконтроллера и его 4.4.

верификация……………………………………………………………………. 4.5. Определение предельной относительной погрешности при контроле баланса количества электричества …………………..…………………….… Выводы…………………………………………………………………………. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………..…… БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………… ПРИЛОЖЕНИЕ /АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ/………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Широкое применение электрохимических технологии в различных отраслях промышленности обуславливает необходимость непрерывного контроля широкого спектра параметров при протекании технологических процессов, что позволяет обеспечить необходимый для них режим работы, а так же оказывать влияние на экономическую эффективность производства. Например, в гальванотехнике для получения плотных мелкозернистых и равномерных по толщине покрытий необходимо применять специальные условия протекания электролиза. В этом случае контролю подвергаются характеристики, имеющие как электрическую, так и неэлектрическую природу.

При соблюдении технологии электрохимического процесса важную роль приобретает контроль электрических характеристик. Так, например, при электрохимическом производстве металлов или газов, а так же в гальваностегии, при осаждении материала на металлические поверхности гальванических покрытий, для управления процессами электролиза возникает потребность в современных автоматических программируемых средствах контроля количества электричества, отданного в нагрузку.

Важнейшим разделом применения электрохимических технологии является производство и эксплуатация химических источников тока. В настоящее время широко распространены технические устройства и приборы различного назначения, которые требуют для своей работы применения химических источников тока (ХИТ). При этом следует отметить, что в реальных условиях практически невозможно обеспечить оптимальные эксплуатационные режимы ХИТ, влияющие на их долговечность. В связи с этим становится весьма актуальным обеспечение надежности устройств и приборов с автономными источниками питания, которыми являются ХИТ, что в свою очередь требует создания специализированных средств цифрового контроля электрических характеристик ХИТ, имеющих важное значение для критических условий эксплуатации.

Работы в направлении исследования информационно-измерительной техники велись отечественными и зарубежными учеными: академиком П.П.

Орнатским, А.П. Альтгаузеном, М.Д. Бершицким, Б.Д. Орловым, А.А.

Чакалевым, Л.В. Глебовым, M. Greitmann, A. Kessler. Большой вклад в исследование электрохимических процессов внесли академик РАН Якоби Б.С., Федотьев Н.П., Алабышев А.Ф., Ротинян А.Л., Вячеславов П.М., Животинский П.Б. В направлении развития теории и практики построения средств цифрового дозирования внесли определенный вклад профессор А.П.

Попов, А.Ю. Власов.

Целью работы является построение цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества в составе систем энергообеспечения с электрохимическими устройствами, позволяющие улучшить их эксплуатационные параметры.

электрохимических устройствах.

Предмет исследования - схемотехника структурных схем, алгоритмы электротехнических комплексов, моделирование и исследование их работы.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

электричества при различных электротехнических технологиях с целью определения возможности их усовершенствования. Рассмотреть общие вопросы построения цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества при протекании тока в электрохимических устройствах.

Обосновать схемотехнику и алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества, основанного на использовании принципа импульсного аналогово-цифрового интегрирования с программным управлением текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока.

Обосновать схемотехнику и алгоритмы функционирования цифрового электротехнического комплекса управления энергообеспечением электрохимических устройств и контроля количества электричества при реверсировании тока.

Сформировать принципы построения цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств с химическими аккумуляторными накопителями и штатными генераторами электрической энергии.

Провести математическое моделирование и исследование режимов работы цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы компьютерного моделирования процессов, базирующихся на теории электрических и магнитных цепей, магнитного поля, компьютерного моделирования функционирования цифровых систем. Основу методологии составляют положения цифровой обработки сигналов, а так же экспериментальных исследований.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием математического аппарата теории электрических и магнитных цепей, CodeVisionAVR), программ симулирования электромагнитных процессов и функционирования цифровых систем (MATLAB, PROTEUS), позволяющих устанавливать работоспособность разрабатываемых управляющих алгоритмов, предлагаемых в работе цифровых комплексов, а так же совпадением результатов компьютерного моделирования и данных, полученных в ходе экспериментальных исследований.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

программным управлением, позволяющего осуществлять контроль баланса количества электричества в цепи ХИТ при его эксплуатации на транспортном объекте в реальном времени, для поддержания оптимального режима эксплуатации;

аналогового сигнала методом алгебраического суммирования вольтсекундных площадей сигнала при использовании однополярного АЦП;

предложен принцип аналогово-цифрового интегрирования текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока с программным управлением импульсным интегратором для измерения количества электричества.

Практическая значимость работы:

предложены структурная схема, алгоритм функционирования и управляющая программа на языке программирования Си цифрового комплекса, которые могут быть использованы при проектировании различных устройств, осуществляющих контроль баланса количества электричества, проходящего через ХИТ, установленных на транспортных и специальных объектах;

предложены структурная и принципиальная схемы аналоговоцифрового интегратора, алгоритм его функционирования и управляющая программа на языке Си, которые могут быть использованы при проектировании различных устройств учета и дозирования количества электричества;

функционирования и управляющая программа на языке программирования Си комплекса управления электрохимическими процессами и осуществления дозирования количества электричества в условиях реверсирования тока, которые могут быть использованы при проектировании различного технологического, учебного или научного оборудования.

Основные положения, выносимые на защиту:

электротехнического комплекса контроля количества электричества, основанного на использовании принципа импульсного аналогово-цифрового интегрирования с программным управлением текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока.

2. Схемотехника, структура, алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса управления энергообеспечением электрохимических устройств и контроля количества электричества при реверсировании тока.

3. Схемотехника, структура, алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств с химическими аккумуляторными накопителями и штатными генераторами электрической энергии с применением принципа цифрового интегрирования двуполярного аналогового сигнала датчика тока при использовании однополярного АЦП.

Реализация результатов работы. На предприятии ООО «ОМИКС» (г.

Омск) (сфера деятельности: разработка диагностического оборудования для объектов железнодорожного транспорта) при разработке цифрового комплекса контроля баланса количества электричества в системах аккумуляторными накопителями энергии были использованы предложенные автором структурная схема и управляющая программа.

В ФГБОУ ВПО «Омский Государственный Технический Университет»

(г. Омск) были использованы разработанные автором алгоритмы управляющих программ при выполнении дипломных проектов. Также для проведения исследований по теме диссертации были разработаны и изготовлены:

- опытный образец цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при разряде ХИТ до определенного уровня напряжения;

опытный образец цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при работе ХИТ в режиме: заряда-пауза-разрядпауза, позволяющий задавать требуемые временные интервалы каждой из фаз;

позволяющего контролировать количество электричества, энергию, пиковое экстремального режима разряда.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Омский регион месторождение возможностей» – Омск, 2011 г., общероссийской научнотехнической конференции «Броня 2012» – Омск, 2012 г., а также на научных семинарах кафедры «Теоретическая и общая электротехника» ФГБОУ ВПО «Омский Государственный Технический Университет».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК, получен 1 патент на полезную модель, получены 4 свидетельства о регистрации электронного ресурса.

Структура диссертационной работы. Материалы диссертационной работы изложены в 4 главах. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и поставлены задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены структура диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор существующих средств контроля количества электричества в различных областях электрохимии.

Отмечена необходимость совершенствования этих средств путем разработки новых цифровых программируемых измерительных приборов, обладающих более расширенными функциональными возможностями, в том числе способных выполнять функции дозирования количества электричества в различных режимах работы электрохимической системы. Рассмотрены общие вопросы построения цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества с программным управлением, в том числе структурные схемы, которые лежат в основе построения рассматриваемых комплексов, алгоритма вычисления количества электричества, а так же возникающие при цифровом способе измерений погрешности. Проведен аналитический обзор элементной базы, необходимой при практической реализации рассматриваемых цифровых комплексов.

Во второй главе рассмотрен вопрос о применении принципа квантования интегральных значений измеряемой величины по вольтсекундной площади с программным управлением. Представлено обоснование выбора схемы микроконтроллерной системы аналогово-цифрового интегрирования текущего аналогового сигнала датчика. Рассмотрен порядок расчета параметров интегратора, а также проведена оценка предельной относительной погрешности. Рассмотрен алгоритм управляющей программы.

В третьей главе рассмотрен вопрос построения системы дозирования количества электричества в условиях реверсирования тока, включающей блок управления и измерительный блок. Обоснован состав структурной схемы блоков, представлены их принципиальные схемы и блок-схемы алгоритмов управляющих программ, определена оценка предельной относительной погрешности.

В четвертой главе рассмотрены режимы работы ХИТ, входящего в систему энергообеспечения транспортного объекта, обоснована необходимость в создании специальной системы контроля баланса количества электричества. Проведено моделирование процесса разряда ХИТ в режиме электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания при различных условиях. Рассмотрены вопросы построения системы контроля текущего баланса количества электричества при эксплуатации ХИТ на транспортном объекте, представлена структурная схема, рассматриваемой системы. Приведена структурная схема блока, позволяющего выполнять интегрирование разнополярного сигнала с использованием однополярного АЦП. Обоснован алгоритм управляющей программы системы, приведена его блок-схема. Рассмотрен порядок определения частоты дискретизации, а также проведен расчет значения предельной относительной погрешности.

В заключении сделаны общие выводы по результатам исследований в рамках диссертационной работы. В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы.

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ОБЩИЕ

ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

[5,7,13,15,38,77,106,110,144]. К основным направлениям ЭХТ можно отнести:

электрохимическую энергетику, электрохимическую металлургию, производство изделий и инструмента в машиностроении и приборостроении, защиту от коррозии объектов техники, электрохимическую сенсорику, электрохимические технологии в здравоохранении и др.

Рассмотрим основные направления развития технологий в этой области.

1.1. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ В

РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Процессы, основанные на применении электрохимических реакций, являются базой технологий, используемых при получении многих неорганических веществ, металлов, металлических сплавов, обработке промышленности говорит тот факт, что получение некоторых веществ возможно только с помощью электролиза, например, таких металлов как никель, натрий. С помощью электролитических процессов производят очистку многих металлов: меди, серебра, золота и многих других [5,37,106].

Широко применяется нанесение гальванических покрытий из драгоценных металлов на различные предметы в декоративных целях, а также для защиты от коррозии.

Применяемые технологические приемы достаточно разнообразны.

Получение изделий может осуществляться способом формирования [35,95,144,147] с помощью катодного осаждения металла с использованием форм или путем анодного растворения металлических заготовок в камерах специальных станков обработки.

Известные примеры применения катодного осаждения и анодной обработки охватывают широкий размерный диапазон, как заготовок, так и формируемых при электролизе субстанций. Так, в приборостроении нашла контролируются размерами в микрометровом и наноразмерном диапазонах.

Примером может служить процесс производства электроосажденных матриц для тиражирования голографических изображений. В этом случае параметры микрорельефа, получаемого электроосаждением металла, измеряются десятками нанометров.

изготовления изделий, в основном, из высокопрочных материалов, механическая обработка которых затруднена или сопряжена с большим износом инструмента.

Существуют также прецеденты, когда аналоги электрохимической обработки неизвестны [13,34,77,110]. Это, в частности, может иметь место при весьма сложных геометрических характеристиках изделий.

Анодное растворение металлов в технологии машиностроения и в приборостроении применяют также для удаления дефектов механической обработки- снятия грата (заусенцев), возникающих в процессе механической обработки резанием (сверлении, фрезеровании, точении, протягивании и т.д.) Электрохимические технологии продолжают динамично развиваться в приобретает вопрос использования современных средств контроля и исследования электрохимических процессов.

Одной из таких отраслей является электрохимическая энергетика, которая охватывает вопросы устройства, генерации и аккумулирования электрической энергии с помощью электрохимических методов [5].

Процессы аккумулирования электрической энергии осуществляются в электрохимических элементах или ячейках в ходе окислительновосстановительных реакций [148].

Электрохимические ячейки подразделяются на гальванические и топливные элементы, электролизные, комбинированные и сепараторные ячейки, а так же аккумуляторы.

Рассмотрим основные вопросы, связанные с режимами работы химических источников тока.

1.2.ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Области применения ХИТ достаточно широки. Как правило, основным предназначением ХИТ является обеспечение электрической энергией потребителей, работающих в автономном режиме. В ряде случаев обеспечение энергией потребителей с помощью ХИТ является наиболее рациональным решением, а нередко и единственно возможным способом.

классификации ХИТ по различным признакам [16].

Среди многочисленных электрохимических систем наибольшее распространение получили свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА).

Несмотря на ряд недостатков СКА, к которым следует отнести: зависимость емкости аккумулятора от температуры и тока разряда, выделение токсичных веществ при определенных условиях, ограниченный срок эксплуатации, большую массу и габариты, значительное газовыделение при протекании химических реакций в процессе заряда и разряда, на их долю приходится не менее 85% от общего объема вторичных источников тока [16].

Для решения задач, поставленных в работе, кратко рассмотрим процессы, происходящие в свинцово-кислотном аккумуляторе.

Основой работы ХИТ является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя [36]. В процессе взаимодействия при разряде окислитель, восстанавливаясь, присоединяет, а восстановитель, окисляясь, отдает электроны.

положительного электрода, выполненного из двуокиси свинца РbО2 и отрицательного электрода, состоящего из губчатого свинца Рb, помещенных в сосуд с электролитом, представляющего собой 25-30 -% водный раствор серной кислоты (H2SО4+H2О).

В результате химической реакции, погруженные в электролит электроды, приобретают соответствующий электрический заряд. Потенциалы электродов относительно электролита связаны с его концентрацией.

электродов относительно электролита принимают значения порядка1 =-0, В для отрицательного и2=+1,68 В для положительного электродов. В результате ЭДС аккумулятора принимает значение порядка Е = 1,68 - (-0,35) = 2,03 В.

Напряжение и ЭДС являются характеристиками, зависящими от внутренних свойств вступающих в реакцию веществ, то есть от их природы, а не от их количества. Различные ХИТ, выполненные на основе одной и той же электрохимической системы при одинаковых условиях будут иметь равное значение разности потенциалов между электродами, независимо от массы и геометрических размеров электродов.

Численно зависимость ЭДС от плотности электролита для СКА достаточно точно может быть представлена следующим выражением [130], полученного в результате экспериментальных исследований:

где - плотность электролита при температуре +15С.

электролита. Она определяет потенциал пластин, сопротивление и вязкость электролита, влияет на его способность, проникать в глубокие слои активного вещества пластин. Оптимальное значение плотности электролита составляет 1,285 г/см3.

Для свинцово-кислотных аккумуляторов, в которых значение плотности электролита при температуре +15С колеблется в пределах 1, 1,31 г/см3, ЭДС соответственно изменяется в пределах 1,93 2,15 В.

Изменение ЭДС от температуры очень незначительно, порядка 0,04 В на каждые 100С, и им можно пренебречь.

В ходе разряда ХИТ на обоих электродах происходит образование одного и того же продукта – сульфата свинца PbSО4, вследствие восстановления двуокиси свинца РbО2на положительном электроде и окисления губчатого свинца Рb на отрицательном. При этом уменьшается содержание серной кислоты в электролите, вследствие чего происходит снижение плотности электролита. Процесс образования сульфата свинца прекращается по мере израсходования реагентов, вступающих в электрохимическую реакцию.

При прохождении зарядного тока химические процессы проходят в обратном направлении: сульфат свинца (PbSО4) положительного электрода превращается в двуокись свинца (РbО2), сульфат свинца отрицательного электрода в металлический свинец (Рb) в виде рыхлой губчатой массы. В результате заряда повышается плотность электролита, вследствие чего происходит возрастание ЭДС (Е). По мере израсходования PbSО4, подводимая электрическая энергия, будет затрачена на разложение молекул воды на ионы водорода и кислорода, с последующим образованием молекул этих веществ, о чем свидетельствует обильное газовыделение.

Поскольку в случаях как заряда, так и разряда изменяется плотность электролита, то на практике по величине плотности судят о значении остаточной емкости аккумулятора. Так, в период разряда уменьшение плотности электролита на 0,01 г/см3 соответствует снижению остаточной емкости аккумулятора (отдаваемого аккумулятором количества электричества) на 5-6%.

Однако, в связи с тем, что в последнее время все чаще используются необслуживаемые аккумуляторы с гелеевым электролитом, то определение значения остаточной емкости ХИТ методом контроля плотности электролита не всегда реализуемо на практике, поэтому наиболее универсальным способом определения качественного состояния ХИТ является контроль его электрических характеристик.

Рассмотрим основные электрические характеристики СКА.

В процессе заряда СКА напряжение на его электродах определяется выражением [148]:

а при разряде:

где Uз - напряжение батареи при заряде; Uр - напряжение батареи при разряде; Iз - сила тока при заряде; Iр - сила тока при разряде; Еп - ЭДС поляризации; rб - внутреннее омическое сопротивление батареи.

Как видно из (1.2) и (1.3), внутреннее падение напряжения (Uвн = Еп + Iбrб) зависит от величины тока, протекающего через батареюIб, внутреннего омического сопротивления батареи и от изменения величины электродных потенциалов под действием протекающего тока, так называемой ЭДС поляризации.

Полное сопротивление аккумуляторной батареи представляет собой в основном сумму омического сопротивления и сопротивления поляризации.

электродов, электролита, сепараторов, межэлементных соединений и полюсных выводов.

геометрических размеров, пористости и состояния активного вещества, конструкции решетки, электрического контакта между решеткой и активным веществом. При этом сопротивления губчатого свинца и решетки отрицательных пластин мало отличаются друг от друга, а сопротивление перекиси свинца положительной пластины значительно их превышает (приблизительно в 104 раз).

По мере разряда свинцово-кислотной аккумуляторной батареи выделяющийся сульфат свинца, являясь плохим проводником, значительно повышает сопротивление пластин. В то же время, отлагаясь внутри пор, сульфат свинца уменьшает их сечение и затрудняет тем самым диффузию кислоты в поры. Все это приводит к двукратному и даже трехкратному повышению сопротивления аккумуляторной батареи в конце разряда [123].

По мере заряда сопротивление батареи уменьшается и достигает первоначального значения.

Большое влияние на внутреннее сопротивление ХИТ оказывает сопротивление электролита, которое существенно зависит от его температуры и концентрации. С понижением температуры сопротивление электролита увеличивается, достигая бесконечно большой величины при замерзании. Минимальное сопротивление электролит имеет при плотности = 1,225 г/см3 и температуре +15С, повышение или снижение плотности повышает его сопротивление.

Сопротивление сепараторов зависит от их пористости и толщины, является постоянным и не зависит от внешних условий.

электрической характеристикой ХИТ и зависит от ряда факторов: величины тока разряда, времени разряда, температуры разряда, а также состояния активной массы. Контролируя изменение внутреннего сопротивления rб при разряде в различных условиях, возникает возможность определения состояния активной массы ХИТ.

Кроме того, значение внутреннего сопротивления влияет на величину максимально допустимого разрядного тока Iб. По сравнению с другими типами электрохимических систем свинцово-кислотные аккумуляторные батареи имеют сравнительно малое внутреннее сопротивление, обеспечивающее получение больших токов (до 500 - 2000 А) при разрядах в кратковременных режимах. Это качество является одним из определяющих факторов, обусловивших их широкое применение в качестве стартерных батарей.

Таким образом, согласно выражению (2) при известных значениях падения напряжения на внутреннем сопротивлении при разряде на номинальное сопротивление нагрузки, при заданном токе разряда, позволяет определить внутреннее сопротивление ХИТ, и тем самым оценить его качественное состояние.

При прохождении электрического тока через границу раздела сред электрод-электролит происходит изменение электрического потенциала электрода. Это явление называется поляризацией электрода. Поляризация оказывает негативное воздействие на эффективность электрохимических реакций, что снижает энергетические показатели ХИТ. Вследствие воздействия поляризации снижается емкость ХИТ при разряде, а также возникают дополнительные затраты энергии при его заряде.

Поляризация возникает из-за следующих явлений [130]:

- при протекании тока изменяются величины зарядов на поверхности электродов и в электролите, т. е. в двойном электрическом слое, и соответственно меняются электродные потенциалы;

- при прохождении тока у электродов изменяется концентрация электролита, это также вызывает соответствующие изменения электродных потенциалов.

На значение сопротивления поляризации оказывает влияние в основном величина тока, протекающего через электрохимическую систему.

В момент прекращения протекания тока через электрохимическую систему оба эти явления исчезают, и потенциалы электродов приобретают первоначальные значения.

Для борьбы с поляризацией в различных областях электрохимии применяют электролиз в нестационарных режимах – на токах сложной временной формы, обусловленных резким изменением их по величине и по направлению (реверсирование) Например, при гальваническом осталивании деталей [77] применяется асимметричный реверсивный режим, в котором используется импульсный ток с крутыми фронтами.

В ходе проведения многочисленных исследовании авторами получены результаты повышения КПД электротехнологических установок [35,40,63] вследствие применения разнополярного режима заряда. Для выполнения технологии данного вида заряда необходимо соблюсти определенные соотношения амплитуд и длительностей фаз зарядного и разрядного импульсов.

В этих условиях становится актуальным исследование влияния стратегий заряда на эксплуатационные характеристики ХИТ, например, на изменение емкости ХИТ, подверженных сульфатации.

Одной из важных характеристик, определяющей способность ХИТ обеспечивать потребители энергией в течение определенного времени, является его емкость, или количество электричества, которое вырабатывает ХИТ при разряде до определенного уровня напряжения на его электродах.

Емкость ХИТ является экстенсивной характеристикой, то есть пропорциональной количеству и качеству реагентов, участвующих в реакции.

С течением времени происходит старение активной массы электродов, их сульфатация, что уменьшает количество активных веществ, тем самым снижая емкость аккумуляторной батареи.

Исследование электрических характеристик позволяют оценить качественное состояние ХИТ, целесообразность его использования для обеспечения энергией потребителей в тех или иных условиях.

В настоящее время проверка стартерных аккумуляторных батарей на соответствие требованиям по электрическим параметрам и режимам эксплуатации осуществляется согласно ГОСТ 959-2002.

При испытаниях по определению емкости используются устаревшие методики. Емкость ХИТ определяется согласно выражению[24]:

где С - емкость;

Ip - разрядный ток;

T - время разряда.

Такая методика является трудоемкой и обладает определенной погрешностью, так как в процессе разряда напряжение на клеммах ХИТ непрерывно снижается, что в свою очередь приводит к снижению тока разряда.

Величина напряжения на клеммах аккумулятора, при котором происходит разряд, не контролируется. Ее значение регистрируют лишь на конечном этапе разряда. Таким образом, не учитывается энергия, которую ХИТ выделяет в нагрузку в режиме разряда.

лабораторных условиях, отдельно от системы электрического пуска двигателя транспортного объекта, тем самым не проводятся исследования электрических характеристик ХИТ в основном режиме его работыэлектростартерного пуска.

Использование указанной методики не представляется возможным при экстремальных режимах работы ХИТ, связанных с разрядом на низкоомную нагрузку, каким является электростартерный пуск ДВС.

Этот режим связан с нестационарным характером нагрузки, при этом значения тока разряда и напряжения ХИТ меняются в широких пределах, и поэтому требует непрерывного контроля[54,88,150].

Так же не учитывается то обстоятельство, что при использовании ХИТ в системе электростартерного пуска, в начальный момент времени сила тока принимает большое значение за короткий промежуток времени, при этом его пиковое значение превышает номинальное в 5-6 раз ( 1000 А и более).

Таким образом, появляется возможность определения состояния ХИТ, установленного на транспортном объекте без вывода его из эксплуатации методом контроля следующих электрических характеристик: ЭДС холостого хода, напряжения на клеммах ХИТ под нагрузкой и величины тока ХИТ в режимах, близких к короткому замыканию, а так же количества электричества, поступившего в ХИТ и отданного им в нагрузку в эксплуатационных режимах.

Для контроля электрохимических технологических процессов, а так же определения характеристик ХИТ применяется специальное оборудование, обзор которого приведен ниже.

ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

Эффективность электрохимических технологий оценивается рядом технологическим процессом, с целью обеспечения качества и избегания дефектов получаемого продукта.

Одной из важных электрических характеристик электрохимического процесса является количество электричества, прошедшего через электрохимическую систему.

Согласно закону Фарадея [5] перенесенная масса выделившегося вещества пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электрохимическую систему. Измерение количества электричества и применение закона Фарадея позволяет определить геометрические размеры изделий, в частности толщину осаждаемых покрытий. Для определения емкости ХИТ измеряют количество электричества, выделенное им при разряде.

В связи с этим возникает необходимость в контроле текущего значения количества электричества Q(t), необходимого для осуществления той или иной химической реакции.

Для измерения количества электричества в настоящее время используются различные приборы, такие как: кулонометры, интеграторы тока, счетчики ампер-часов [1,47,106,133].

Кулонометры - это приборы, предназначенные для измерения количества электричества, прошедшего через электрохимическую систему.

Они представляют собой электролизеры, на рабочих электродах которых, идут электрохимические реакции с образованием определенных продуктов.

Принцип действия данных приборов основан на использовании закона электролиза Фарадея.

По способу определения количества вещества, образующегося на рабочих электродах, различают весовые, объемные и титрационные кулонометры. В качестве примера можно привести весовой серебряный кулонометр. Катод кулонометра представляет собой платиновую чашку, а анод-серебряную пластину или проволоку, помещенную в пористый керамический сосуд или мешок из ткани для предотвращения попадания анодного шлама в катодный осадок. В ходе реакции на катоде происходит выделение серебра, массу которого определяют взвешиванием по завершении реакции. Расчет количества электричества проводится согласно выражению[1]:

где А- атомная масса вещества;

m- масса выделившегося вещества;

z- число электронов, участвующих в химической реакции на катоде.

При использовании объемных кулонометров определяют объем выделившихся в ходе реакции газов:

Qкл где P- атмосферное давление;

P1- давление газов над электролитом, которое принимается равным давлению насыщенного пара при заданной температуре опыта;

V- объем газа;

R- универсальная газовая постоянная;

Т- температура газа, К.

Точность объемных кулонометров снижается ввиду возможной утечки газов. Преимуществом кулонометров данного типа является возможность контроля текущего значения Q(t).

Существуют также титрационные кулонометры [47]. Примером служит йодный титрационный кулонометр. Он представляет собой Нобразный стеклянный сосуд, с разделенными катодной и анодной камерами, наполненными раствором иодида калия. Оба электрода выполнены из платины. В ходе реакции образуются молекулы йода, которые выделяются в электролит. Для определения количества электричества после завершения реакции электролит титрируется тиосульфатом натрия. При этом в качестве индикатора используется раствор крахмала. Количество электричества определяется согласно выражению:

где V-объем раствора тиосульфата натрия, затраченного на титрирование I2, мл;

С- нормальная концентрация раствора реагента.

чувствительность, трудоемкость расчетов, необходимость использования дополнительного оборудования. Кроме того, в качестве информационного параметра об измеряемой величине количества электричества выступает неэлектрическая величина (масса вещества), которая не может быть представлена в качестве электрического сигнала для последующей обработки.

Существует способ измерения количества электричества путем преобразования числа количества заряда в число квантов света [91].

Структурная схема устройства приведена на рис.1.1.

Рис.1.1. Структурная схема квантового кулонометра используется полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод 1, включенный в измеряемую цепь, генерирующий кванты света 2 под действием протекающих через него электронов.

Для регистрации квантов света используется фотоэлектронный умножитель 3, работающий в одноэлектронном режиме, на выходе которого возникают электрические импульсы. Число импульсов подсчитывается с помощью электронного счетчика 4, при этом результат измерения получен в цифровом виде.

Погрешность такого способа измерений определяется статикой отсчетов. Исходя из закона Пуассона, среднеквадратическая погрешность равна корню квадратному из подсчитанного числа отсчетов. При достижении потока квантов определенной величины, которая будет превосходить динамический диапазон счетчика квантов, погрешность измерений приобретает критическое значение.

применяются приборы, которые производят интегрирование тока электролиза [1]. Интегрирование проводится электромеханическими или электронными устройствами.

электричества основано на использовании тахометров с двигателями постоянного тока, скорость вращения которого пропорциональна току электролиза. Например, счетчики ампер-часов типа СА-М640 и СА-М640У.

Якорь этого счетчика подключается к цепи, содержащую исследуемую электрохимическую систему.

В настоящее время для проведения различных аналитических и исследовательских работ широко применяется, разработанное в середине 80-х годов оборудование, в котором используется электронный способ интегрирования. К их числу относятся: кулонометры ЦЛА и К-1, прецизионная установка для кулонометрического анализ ПКУ-01, электролитический интегратор Х-603. Проанализировав характеристики этого оборудования, становится очевидным, что его применение возможно при малых величинах тока электролиза, значение которого находится в диапазоне 10-7 1 А.

В настоящее время, наряду с электролизом при стационарных режимах работы на постоянном, относительно стабильном токе, все чаще применяют электролиз в нестационарных режимах – на токах сложной временной формы, обусловленных резким изменением их по величине и по направлению (реверсирование) [35,40,89]. В связи с этим повышаются требования к используемому, для контроля электрохимических процессов в этих режимах, оборудованию.

В последнее время на некоторых предприятиях электрохимического производства применяются электронные счетчики количества электричества, основанных на использовании полупроводниковых элементов, обладающими лучшими характеристиками по сравнению с приборами, рассмотренными выше. Данный вид приборов построен по принципу квантования по амперсекундной площади, то есть замены текущего значения входного сигнала в последовательность счетных импульсов(частоту) [76,117]. С помощью приборов, построенных по этому принципу, становится возможным контролировать неограниченный по длительности процесс.

Напряжение, пропорциональное току в контролируемой цепи и гальванически не связанное с ней, преобразуется в последовательность импульсов. В счетчике импульсов накапливается число, которое пропорционально количеству электричества, прошедшему по контролируемой цепи. Направление счета, определяемое направлением тока в контролируемой цепи, задается с помощью триггера.

Недостатками, рассматриваемого САЧ, являются отсутствие защиты от сбоев в счетчике импульсов, приводящее к искажению информации, что в некоторых случаях может стать причиной сбоя в работе сложных систем или аварийного режима, а так же низкие функциональные возможности. Модули электронных интегрирующих преобразователей, применяемых в САЧ, выполнены на основе операционных усилителей и других аналоговых элементов, что приводит к нестабильности точностных характеристик от температуры.

В настоящее время существует большой парк диагностического оборудования ХИТ иностранного производства. Среди них можно выделить анализаторы Celltron Start Plus, Battary Diagnostic Sistem.

Эти цифровые приборы позволяют, как заявляет производитель, без разряда АКБ определить ток холодной прокрутки, напряжение разомкнутой цепи, степень заряженности батареи, напряжение на аккумуляторе при пуске двигателя. Данный прибор контролирует напряжение на АКБ в процессе пуска. Результаты контроля выдаются в виде текстовых сообщений, например «GOOD BATTERY / ХОРОШАЯ БАТАРЕЯ» или «CHARGE & RETEST / ЗАРЯДИТЕ БАТАРЕЮ И ПОВТОРИТЕ ТЕСТ». При этом отсутствует количественная характеристика, позволяющая сделать вывод о том, насколько данная батарея отвечает предъявляемым к стартерным аккумуляторам требованиям.

Принцип действия приборов данного типа основан на обработке сигнала, полученном при кратковременном разряде на нагрузочный резистор, методом ввода поправочного коэффициента, учитывающим температуру разряда. Описание приборов в открытой печати производителем не приводится.

В обслуживании автомобильной техники широко применяются мотортестеры - приборы, предназначенные для диагностики систем автомобиля, включающие в себя, как основу, функции автомобильного осциллографа и компьютеризированный диагностический комплекс «Мотор-тестер МТ10К».

С помощью этого комплекса можно определить ряд характеристик системы пуска, такие как: пусковые обороты, минимальное и среднее напряжение на клеммах ХИТ, силу стартерного тока при установившихся оборотах (при наличии токовых клещей), время запуска.

Исследовательские комплексы этого типа имеют высокую стоимость.

Кроме того, данное оборудование не обеспечивает достаточным объемом данных, необходимых для проведения исследования ХИТ.

Таким образом, становится актуальным вопрос разработки цифровых электротехнических измерительных систем, функциональные возможности которых обеспечат получение достаточного объема информации, характеризующих технологический процесс, и будут обладать высокой надежностью и точностью.

Целью данной работы является проведение исследований по созданию на основе современной программируемой микроконтроллерной техники комплекса средств для исследования электрических характеристик электрохимического процесса, которые могут быть использованы как при электрохимических систем.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Требования, предъявляемые к современному исследовательскому оборудованию [17,54,64], определяют необходимость автоматизации производимых измерений и процедуры обработки результатов, соединяя средства измерения, обработки, отображения и хранения информации в единый автоматизированный цифровой измерительный комплекс.

Появившиеся в середине 70-х годов цифровые приборы со встроенными микропроцессорами, сразу показали ряд преимуществ по сравнению с, существовавшими в то время, аналоговыми средствами измерения.

Применение приборов этого типа позволяет повысить точность и сократить время измерений, осуществлять измерения, находясь на значительном удалении от исследуемого объекта [53,57,82]. Кроме того, цифровые приборы имеют малый вес и габариты. Они позволяют сохранять результаты измерений, а так же осуществлять подключение к другим цифровым автоматизированным приборам посредством применения стандартных интерфейсов, с целью дальнейшей обработки информации.

Для построения структурной схемы цифровой измерительной системы для исследования электрических характеристик при протекании электрохимических процессов необходимо рассмотреть вопросы, связанные с алгоритмом преобразования и обработки входных сигналов для определения исследуемых характеристик.

1.4.1. ПОРЯДОК ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ И

ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ

В ходе обзора технологий применяемых в электрохимии, становится очевидным, что одной из основных характеристик электрохимического процесса является текущее значение количества электричества, прошедшее через электрохимическую систему Q(t). При этом для различных процессов ток электролиза имеет различные амплитудные и частотные характеристики, которые могут изменяться в широких пределах.

В связи с этим важную роль приобретает решение вопроса разработки алгоритма работы и построения структурной схемы системы, позволяющую определять текущее значение Q(t) при различных электрохимических процессах.

В общем случае при непостоянстве тока количество электричества Q(t) определяется выражением [11]:

При цифровом способе измерений значение исследуемой физической величины необходимо преобразовать в аналоговый сигнал [93].

Для измерения количества электричества используется датчик тока, с помощью которого происходит преобразование текущего значения тока i(t) в пропорциональный аналоговый электрический сигнал u(t).

С учетом сказанного выражение (1.8) принимает вид:

где s- коэффициент преобразования датчика.

При цифровом способе интегрированияQ(t) правую часть (1.9) заменяем суммой [136]:

где: t –шаг дискретизации, достаточно малый интервал времени между двумя измерениями мгновенного значения тока, на котором значение тока можно считать неизменным;

ui– значение сигнала u(t)=const на определенном интервале времени ti ;

n – количество выборок значений тока за некоторый промежуток времени.

Таким образом, осуществляется дискретизация сигнала по времени, то есть процедура, состоящая в замене бесчисленного множества мгновенных значений сигнала их конечным множеством, которое содержит информацию о значениях непрерывного сигнала в определенные моменты времени.

Получение дискретного значения сигнала ui происходит в результате преобразования мгновенного значения сигнала u(ti)с помощью АЦП в двоичный код [138].Дискретные значения поступают в процессор, где являются входными данными при выполнении алгоритма вычисления текущего значения количества электричества.

В зависимости от функционального назначения разрабатываемой системы алгоритм управляющей программы должен предусматривать формирование управляющих сигналов, подаваемых на средства индикации или исполнительные устройства. Таким образом, предлагаемая система представляет собой совокупность функционально объединенных вспомогательных средств. Для построения рассматриваемых в работе электротехнических измерительных систем, целесообразно использовать трехуровневую структуру [54,55].

При таком способе построения первый уровень составляют устройства, осуществляющие преобразование измеряемой величины в электрические сигналы. На втором уровне располагаются устройства, осуществляющие сбор, преобразование и обработку данных, поступающих от устройств первого уровня, осуществляющие подачу управляющих сигналов на исполнительные устройства, составляющие третий уровень.

При проектировании следует применить принцип агрегатирования [136,138], то есть, построить их таким образом, что бы они состояли из независимых конструктивно законченных функциональных блоков-модулей.

Применение этого принципа способствует проведению модернизации системы путем наращивания блоков, или использования различной их комбинации.

электротехнической системы контроля текущего значения количества электричества, прошедшего через электрохимическую систему, будет иметь в своем составе следующие блоки (рис.1.2):

Электрохимическая система, являющаяся объектом исследования;

Измерительный преобразователь, преобразующий текущее значение токаi(t) в аналоговый электрический сигналu(t);

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);

Блок обработки сигналов (АЛУ);

Блок регистрации результата(ЖКИ);

Исполнительный блок (ИМ);

Программное обеспечение.

Рис. 1.2. Структурная схема цифрового электротехнической системы для исследования электрических характеристик при протекании электрохимического использоваться для построения рассматриваемой системы, необходимо рассмотреть требования, которым должны отвечать структурные блоки, входящие в ее состав.

1.4.2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕМЕНТАМ СИСТЕМЫ Для измерения электрического тока большой величины требуется использование вспомогательных масштабных преобразователей [111,112], принцип действия которых основан на преобразовании значений тока в электрическую физическую величину (в рассматриваемом случае в напряжение), пропорциональную измеряемому току и доступную для дальнейшего преобразования в двоичный код. В качестве таких преобразователей используются датчики тока.

Выбор датчика тока является важной задачей, решение которой во многом определит метрологические характеристики, разрабатываемой системы. При выборе датчика тока необходимо учитывать следующие требования [100]:

- датчик тока должен обеспечить возможность измерения тока любой формы: постоянного, импульсного;

- выходной сигнал датчика должен быть прямо пропорционален значению тока, что требует линейности функции преобразования;

- датчик тока должен оказывать минимальное воздействие на измеряемую физическую величину.

Наиболее полно, предъявляемым требованиям отвечают датчики, построенные на использовании законов полного тока [23,50].

Бесконтактное измерение электрических токов основывается на однозначной связи тока и создаваемого им в окружающем пространстве магнитного поля.

Система уравнений Максвелла описывает математическую связь тока с характеристиками магнитного и электрического полей в электромагнитных процессах [84,85].

Первое уравнение Максвелла в интегральной форме представлено в виде:

Это уравнение также носит название закона полного тока и формулируется следующим образом: циркуляция вектора напряженности магнитного поля Н по замкнутому контуру l равна сумме токов I, пронизывающих этот контур.

напряженности используется магнитная индукция:

- абсолютная магнитная проницаемость;

- постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума;

- относительное значение магнитной проницаемости среды.

развивающимися являются технологии, на основе которых созданы магнитооптические датчики и датчики, основанные на эффекте Холла.

Рассмотрим принцип работы, преимущества и недостатки этих датчиков.

Действие магнитооптических датчиков тока [9,72] основано на эффекте Фарадея, которое заключается в том, что под воздействием магнитного поля, наблюдается поворот плоскости поляризации света, проходящего через магнитооптическое вещество, на угол f, называемый углом фарадеевского вращения.

свойствами [43,90]:

- позволяют измерять токи порядка 106 ампер;

- имеют гальваническая развязка;

- обладают высоким быстродействием;

- вносят малую погрешность измерений.

Наряду с достоинствами существуют недостатки, ограничивающие их широкое применение, - это сложность технологии производства и, как следствие, высокая стоимость магнитооптических датчиков.

Для измерения тока широко применяют датчики, которые основаны на использовании эффекта Холла [134].

полупроводниковой пластинке или пленке, находящейся в магнитном поле c индукцией, направленном перпендикулярно ее поверхности. При этом сила Лоренца Fл действует перпендикулярно направлению движения носителей заряда и перпендикулярно направлению магнитного поля [95].

В результате электроны отклоняются к одной из продольных граней, благодаря чему она заряжается отрицательно, а противоположна грань положительно. Таким образом, возникает поперечное электрическое поле, которое называют полем Холла с напряженностью Ex.

ЭДС Холла, действующая на измерительных электродах, определяется выражением:

где R- постоянная Холла, зависящая от материала полупроводника;

h-толщина пластины;

I0-продольный ток;

B - индукция магнитного поля;

– угол между нормалью n0, проведенной к пластине, и вектором магнитной индукции.

позиционированием пластины полупроводника относительно проводника с током применяют кольцевой магнитопровод, который выполняет роль концентратора магнитного потока, создаваемого измеряемым током. Сенсор располагается в небольшом воздушном зазоре кольцевого магнитопровода [105]. Применение магнитного сердечника-концентратора, несмотря на усложнение конструкции, позволяет уменьшить методические погрешности до пренебрежимо малых значений. Так как магнитопровод выполнен из высокопроницаемых материалов, то в этом случае ток может быть определен по напряженности поля в воздушном зазоре.

Элементы Холла обладают малой инерционностью. Быстродействие датчика определяется временем пролета носителей заряда через активную область кристалла.

Достоинства датчиков Холла:

- имеет низкое входное сопротивление rвх 0;

- позволяют выполнять измерения тока без разрыва исследуемой цепи;

- позволяют измерять токи любой формы: постоянные, переменные, импульсные.

Недостатками датчиков этого типа являются необходимость использования стабилизированного источника питания, а так же влияние температуры на точность преобразования.

Для построения цифровой измерительной системы необходимо использовать датчик с аналоговым выходом. Выходной сигнал этого датчика u(t) пропорционален индукции магнитного поля, окружающего проводник.

Величина индукции, в свою очередь, пропорциональна измеряемому току i(t), таким образом, сигнал датчика будет определяться:

где sДх - коэффициент пропорциональности датчика Холла.

Для надежной работы датчика Холла необходимо обеспечить ряд требований:

- напряжение питания Un(В), приложенное к входным выводам преобразователя должно быть стабилизировано и не превышать его номинальные значение;

- ток управления I0 (мА), протекающий через преобразователь, находящийся в воздушной среде, не должен вызывать его нагрева выше, чем на 10-150С температуры окружающей среды;

-значение индукции управляющего магнитного поля Вном (Тл) должно преобразования.

В настоящее время одним из лидеров в производстве датчиков тока Холла является фирма Honeywell [73]. В ее ассортименте имеется широкая номенклатура датчиков, позволяющих осуществлять контроль тока различной формы и амплитуды.

экспериментальных исследований и при построении макетных образцов систем, разработанных в ходе работы, в качестве преобразователя тока использовался датчик CSLA2EJ фирмы Honeywell.

Он представляет собой линейный датчик тока открытого типа на базе сенсора SS94A1, расположенного на печатной плате. Сенсор располагается в воздушном зазоре кольцевого магнитопровода.

Для обеспечения температурной стабильности кристалл располагается на изоляционной теплопроводящей пасте.

Технические параметры датчика CSLA2EJ отвечают предъявляемым рассматриваемых систем.

необходимых для выполнения цифрового интегрирования, используется аналогово-цифровой преобразователь, который преобразует мгновенное значение аналогового сигнала в двоичный код [83].

Важную роль при выборе АЦП играет его разрешающая способность, то есть наименьшее изменение сигнала, которое он может обнаружить.

Высокая разрядность АЦП позволяет более точно отображать любое незначительное изменение значения сигнала, при котором происходит изменение самого младшего двоичного разряда U. Значение младшего разряда еще можно назвать шагом квантования, при этом его можно определить согласно выражению [138]:

где n – число бит, используемых для представления дискретного значения сигнала, определяющее разрядность АЦП;

UОП – опорное напряжение АЦП.

максимальный уровень сигнала должны входить в рабочий диапазон АЦП, то есть полярность сигнала должна совпадать с полярностью опорного напряжения АЦП.

Точность результата интегрирования сигнала будет зависеть от частоты дискретизации, которая будет определяться временем, в течении которого АЦП выполняет одно преобразование.

электротехнических устройств, следует вывод о том, что наиболее приемлемым является способ построения цифровой измерительной системы на базе микроконтроллера.

Это обусловлено преимуществами, которые имеют микроконтроллеры по сравнению с устройствами, разработанными на аппаратной логике [82]:

- меньшее энергопотребление;

- упрощенное решение с точки зрения схемотехники;

- возможность изменения функциональных возможностей путем редактирования кода программы без доработки аппаратной части.

Применение микроконтроллера позволяет быстро изменять алгоритм функционирования, использовать энергонезависимую память для хранения настроек при отключении питания, реализовывать вычисление сложных математических функции.

измерения и преобразования аналоговых сигналов, средств управления с возможностями цифровой обработки информации.

На микроконтроллер будут возложены функции обработки аналоговых сигналов, а так же управляющего блока, в связи с этим он должен отвечать следующим критериям:

преобразователь, требования к которому рассмотрены выше;

- обладать достаточной вычислительной мощностью;

- иметь доступные средства отладки.

В результате анализа состояния рынка микроконтроллеров можно характеристикам и соотношению цена/качество подходят микроконтроллеры семейства AVR [29,41].

Микроконтроллеры AVR построены по Гарвардской архитектуре, что подразумевает полное логическое и физическое разделение адресных пространств и информационных шин. Это построение обеспечивает существенное повышение производительности, так как центральный процессор работает одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных.

В AVR-микроконтроллерах используется технология конвейеризации, что позволяет выполнять короткую программу за один машинный цикл, который у микроконтроллеров этого типа составляет один период тактовой частоты, в то время когда у PIC- микроконтроллеров он составляет тактовых колебаний.

Кроме того, архитектурой микроконтроллеров AVR предусмотрен регистровый файл быстрого доступа. Он представляет собой 32 регистра длиной 1 байт, имеющие общее назначения, которые непосредственно связаны с АЛУ процессора. В сочетании с конвейерной обработкой это позволяет выполнять одну операцию в АЛУ за один машинный цикл.

Система команд AVR достаточно развита и насчитывает до различных инструкции, что делает их похожими на CISC процессоры [120].

Например, у PIC контроллеров система команд насчитывает 75 различных инструкции, а у MCS51 она составляет 111. Различают пять групп команд AVR: условного ветвления, безусловного ветвления, арифметические и логические операции, команды пересылки данных, команды работы с битами. Почти все команды имеют фиксированную длину в одно слово ( байт). Это позволяет в большинстве случаев объединять в одной команде код операции и операнды. Также реализована функция аппаратного умножения.

Прогрессивная RISC архитектура в сочетании с наличием регистрового файла и расширенной системы команд позволяет создавать работоспособные программы с эффективным кодом, как по компактности, так и по скорости выполнения [121].

Фирма Atmel предлагает достаточно широкую номенклатуру различных микроконтроллеров, обладающих разнообразной периферией. В качестве управляющего блока выбран микроконтроллер AVR AT Mega 16 [41].

Некоторые функциональные возможности микроконтроллера:

- встроенный двухцикловый перемножитель;

- энергонезависимая память программ и данных;

- 16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти обеспечивает 1000 циклов стирания/записи;

- обеспечен режим одновременного чтения/записи;

- 512 байт EEPROM обеспечивает 100000 циклов стирания/записи;

- 1 Кбайт встроенной SRAM;

- два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один из которых с режимом сравнения;

- один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения;

- счетчик реального времени с отдельным генератором;

-8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь;

- внутренние и внешние источники прерываний;

- 32 программируемые линии ввода/вывода;

-рабочее напряжение лежит в интервале 4,5-5,5В;

- рабочая частота 0-16 МГц.

Для обеспечения стабильности работы микроконтроллера рекомендуется использовать внешний кварцевый генератор.

Для данной платформы имеется большое количество источников литературы по применению, а так же программных продуктов, таких как IAR Code Vision AVR удобных для написания и отладки программ.

Программное обеспечение позволяет создавать программы, как на Ассемблере, так и на языке Си.

Одним из важных свойств, которое повлияло на выбор этого микроконтроллера, является наличие в составе его периферии 10-ти разрядного АЦП. Для построения алгоритма управляющей программы необходимо рассмотреть порядок работы АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь построен по классической схеме последовательного приближения с устройством выборки/хранения (УВХ).

Каждый из восьми аналоговых входов может быть соединен со входом УВХ через аналоговый мультиплексор. Устройство выборки/хранения имеет свой собственный усилитель, обеспечивающий стабильность сигнала в течение всего времени преобразования.

АЦП может работать в двух режимах - однократное преобразование по любому выбранному каналу и циклический опрос всех каналов. Время преобразования устанавливается программно с помощью установки коэффициента деления частоты специального предделителя, входящего в состав блока АЦП, и его значение лежит в диапазоне от13 до 260 мкс.

В качестве внутреннего опорного напряжения может выступать напряжение от внутреннего источника на 2,56 В или внешний источник опорного напряжения, который подключается подключенный к выводу AREF.

Канал аналогового ввода выбирается путем записи бит MUX в регистр ADMUX. В качестве однополярного аналогового входа АЦП может быть выбран один из входов ADC0…ADC7.

АЦП генерирует 10-разрядный результат, который помещается в пару регистров данных АЦП ADCH и ADCL. По умолчанию результат преобразования размещается в младших 10-ти разрядах 16-разрядного слова (выравнивание справа), но может быть опционально размещен в старших 10ти разрядах (выравнивание слева) путем установки бита ADLAR в регистре ADMUX.

АЦП генерирует собственный запрос на прерывание по завершении преобразования. Непрерывное преобразование запускается путем записи ЛОГ.1 в бит запуска преобразования АЦП ADSC.

Абсолютная погрешность рассматриваемого, которая является результатом действия нескольких эффектов: смещения, погрешности усиления, дифференциальной погрешности, нелинейности и погрешности квантования, составляет величину ± 0,5 младшего разряда [41].

АЦП оптимизирован под аналоговые сигналы от источников с выходным сопротивлением не более 10 кОм, при этом время выборки незначительно. Если же используется источник с более высоким выходным сопротивлением, то время выборки будет определяться временем заряда конденсатора выборки-хранения источником аналогового сигнала.

Для отображения необходимой информации в системе используется ЖК-индикатор.

Несмотря на обилие существующих индикаторов со встроенными контроллерами промышленным стандартом является контроллер HD Hitachi. Жидкокристаллический модуль состоит из БИС контроллера управления и ЖК панели. Модуль должен отображать достаточное количество символов для отображения необходимой информации.

Для его подключения используется один из портов микроконтроллера.

Подключение ЖКИ к микроконтроллеру осуществляется с помощью четырехразрядной шины для передачи данных и шины управления. Каждый передаваемый байт передается последовательно двумя тетрадами.

Алгоритм управляющей программы должен обеспечивать ввод необходимой информации, цифровую обработку аналоговых сигналов, обработку полученной информации, вывод результатов на ЖКИ, генерирование управляющих импульсов на исполнительные устройства.

Одним из важных вопросов разработки, рассматриваемых в теме диссертации систем, является вопрос построения алгоритмов управляющих программ.

1.4.3. ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЯЮЩИХ

ПРОГРАММ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ И ОЦЕНКА

ПОГРЕШНОСТИ

Цифровые системы основаны на дискретизации непрерывных сигналов.

При этом они обладают конечными вычислительными ресурсами и объемами памяти.

Для рационального использования ресурсов микроконтроллера алгоритм функционирования управляющих программ при осуществлении цифрового интегрирования следует построить таким образом, что бы общее время интегрирования было разбито на отрезки времени tИ, называемые шагами временного интегрирования, в течение которых будут определяться значения приращения количества электричества Qi.

Тогда текущее значение Q(i) будет определяться выражением:

где n – количество временных интервалов времени tИ.

Значение Q(i) определяется методом алгебраического суммирования, при этом Qi может входить в выражение (16), как с положительным, так и с отрицательным знаком При этом определение Qi может осуществляться, как методом квантования, так и методом дискретизации по времени.

При использовании метода квантования текущее интегральное значение входного сигнала u(t) заменяется суммой элементарных равных по величине площадок (квантов) Qi =const.

Более подробно описание и использование метода квантования при построении рассматриваемых в работе комплексов приведено главе 2.

При использовании метода дискретизации полное время интегрирования разбивается на равные отрезки времени tИ=const, в течение которых значение Qi будет определяться согласно выражению:

где: t –шаг дискретизации, то есть достаточно малый интервал времени между двумя выборками мгновенного значения тока, на котором значение тока можно считать неизменным;

um– дискретное значение сигнала на определенном интервале времени tm ;

k=tД /t– число выборок на интервале tД.

В практике цифрового измерения интегрального значения сигнала широко применяются методы численного интегрирования по обобщенным формулам.

При практической реализации алгоритма цифрового интегрирования для экономии вычислительных ресурсов микроконтроллера могут использоваться формула правых прямоугольников и формула трапеций [39].

Суть метода правых прямоугольников заключается в представлении подынтегральной функции в виде ступенчатой кривой, в соответствии с принципом ступенчатой аппроксимации (рис.1.3). При этом интеграл функции y=f(x) будет представлен в виде суммы прямоугольников с основанием t:

Рис.1.3. Метод интегрирования с использованием формулы правых прямоугольников (Sстi - величина погрешности результата интегрирования) промежуток интегрирования на n равных частей [x0;x1],[x1;x2], …,[xn-1;xn] и к каждому из них применим формулу для нахождения площади трапеции (рис.1.4).

yi=f(xi) в точках xi (i=0,1,2,…,n) получим:

Рис.1.4. Метод интегрирования с использованием формулы трапеции (Sтрi - величина погрешности результата интегрирования методом трапеции) текущего значения Qi, при использовании методов правых прямоугольников и трапеции.

Для этого вычислим значения определенного интеграла для функции изменения тока i(t ) i0 (1 e ) рассматриваемыми способами в зависимости от значения постоянной времени экспоненты, изменяя, таким образом, крутизну нарастания тока (рис.1.5). Проведем интегрирование функции в области t=, близкой к номинальному значению тока.

Рис.1.5. Интегрирование функции методом трапеции; б) методом ступенчатой аппроксимации.

В начале примем значения =1с; t=0,04с; ti=, что соответствует выборкам мгновенного значения тока на этом интервале (=1с).

Тогда значение Qi на интервале времени [ti;ti+t] будет составлять:

Найдем площадь трапеции ti;ti+t;a;b (рис.1.5,а):

Значение функции i(t ) i0 (1 e ) в момент времени ti=+t=1,04c:

Таким образом, значение площади трапеции ti;ti+t;a;b составляет:

использовании метода трапеции:

Аналогично определяем относительную погрешность интегрирования при использовании метода ступенчатой интерполяции:

Площадь прямоугольника ti;ti+t;a;b’ (рис.1.5,б):

Тогда, относительная погрешность интегрирования при использовании метода ступенчатой интерполяции:

В таблице 1.1 приведены значения погрешности интегрирования, рассматриваемых способов, при различных значениях постоянной времени экспоненты и шага дискретизации при ti=.

Как видно из сравнительной оценки относительной погрешности определения Qi для рассматриваемого момента времени, использование интегрирования по методу трапеции обеспечивает меньшую погрешность аппроксимации (порядка в 4 раза).

В связи с вышеизложенным, учитывая сравнительно невысокую скорость изменения тока во времени для электрохимических процессов, при использовать метод трапеции, при этом частота дискретизации, как видно из данных, приведенных в таблице 1, определяется крутизной нарастания интегрируемого сигнала и допустимой погрешностью интегрирования.

При цифровом интегрировании методом дискретизации по времени важную роль приобретает решение задачи определения шага дискретизации.

При обработке любой непрерывный аналоговый сигнал может быть представлен с достаточной точностью конечным числом отсчетов (выборок).

Для восстановления аналоговых сигналов широко используется теорема В.А. Котельникова [132]. Суть данной теоремы заключается в том, что любой непрерывный сигнал, в спектре которого не содержится частот выше fmax (fmax – наивысшая частота конечного спектра), полностью определяется последовательностью своих мгновенных значений, отсчитанных через интервалы времени Т=1/2 fmax.

Из изложенного выше следует, что в области медленно изменяющихся сигналов, ограниченных во времени, восстановить реальный сигнал по дискретным значениям в соответствии с теоремой Котельникова можно только приблизительно, то есть она не реализуема для восстановления аналоговых нестационарных сигналов.

Рассматриваемые в работе электрохимические процессы приближаются по скорости изменения во времени к квазистатическим. В связи с этим определение частоты дискретизации согласно теореме Котельникова является нецелесообразным.

В настоящее время так же широко используются другие способы определения частоты дискретизации. Известен способ адаптивной дискретизации, но применение этого метода в условиях многократного повторения сигнала [137].

В рассматриваемом случае более рационально использовать принцип определения частоты дискретизации по величине предельно допустимого значения среднеквадратической ошибки (дискретизации по критерию наибольшего отклонения), который рассмотрен в работе [127].

При цифровом интегрировании с использованием метода трапеции погрешность дискретизации будет складываться из двух составляющих погрешности квантования и погрешности, связанной с интенсивностью изменения сигнала во времени:

где - погрешность квантования;

- погрешность, связанная с изменением сигнала во времени.

Оценим значение шага дискретизации по величине погрешности, связанной с изменением сигнала во времени.

Для уменьшения погрешности, связанной с изменением сигнала во времени, необходимо идти по пути увеличения частоты дискретизации. Это можно показать следующим образом.

Пусть на участке [ti ; ti+t] (рис.1.5) сигнал ux(t), пропорциональный току i(t), имеет максимальную скорость изменения во времени u’x(t) на всем интервале интегрирования.

При оценке погрешности будем исходить из того, что нам известно значение максимальной скорости изменения входного сигнала, а так же величина U- шаг квантования.

В этом случае за время дискретизации t, предположим, произойдет изменение сигнала на величину ui в несколько раз превышающую U, например в 10 раз.

Определим теперь интервал времени t дискретизации, выражая производную входного сигнала через конечные значения ui и t.

определяется следующим образом:

где ui- приращение входного сигнала на интервале времени t.

Тогда при известной относительной погрешности максимальной скорости изменения сигнала u’xmax и значения сигнала в этот момент времени шаг дискретизации t можно определить следующим образом:

а частоту дискретизации Fдис:

Проведем оценку t при допускаемом значении u’x и ux=10 U.

Пусть u’x=100 В/с, U=0,0048В (что соответствует Uоп=5В при разрядности АЦП n=10), тогда t = 0,000408 с.

С увеличением крутизны нарастания сигнала, как следует из (1.32), для уменьшения погрешности, связанной с изменением сигнала во времени, необходимо повышать частоту дискретизации.

погрешности квантования от различных факторов.

Погрешность квантования возникает при округлении точного значения аналогового сигнала до дискретного значения, определяемого разрешающей способностью аналого-цифрового преобразователя, то есть зависит от его разрядности.

Предположим, что используется n-разрядный АЦП. Тогда величина кванта, определяющая разрешающую способность АЦП, будет определяться согласно выражению (1.31).

Максимальная абсолютная погрешность квантования, возникающая при работе компаратора, входящего в состав АЦП, при одноканальном преобразовании будет равна, как известно, величине бита младшего разряда, равную U.

Текущая относительная погрешность квантования будет определяться выражением:

где uxi- уровень входного сигнала.

погрешность квантования максимальна.

Пусть разрядность АЦП n=10, опорное напряжение Uоп=5В, тогда в соответствии с изложенным выше:

На практике входные сигналы могут иметь произвольную форму, при этом мгновенные значения сигнала принимают случайный характер. В данных условиях определение погрешности квантования может быть осуществлено программным способом.

определяется, как:

а среднее значение погрешности определим следующим образом:

запишем в виде:

погрешностей квантования необходимо иметь множество значений 1i, возникающих на протяжении всего интервала времени действия сигнала.

Если длительность процесса достаточно велика (порядка нескольких часов), то количества выборок будет довольно большим. Хранение такого экономическим затратам.

способом. Для этого необходимо общее время действия сигнала разделить на малые интервалы времени, в течение которых определяются средние значения погрешности 1:

где N- число выборок мгновенных значений сигнала на малом интервале времени;um- мгновенное значение сигнала.

Далее необходимо производить суммирование полученных значений 1i и 1i :

где N’- число малых временных интервалов.

Тогда выражения (1.35) и (1.36) примут вид:

Для количественной оценки и наглядности процесса формирования погрешности квантования будем полагать, что входной сигнал определяется некоторыми детерминированными функциями.

В начале проведем оценку погрешности квантования при обработке сигнала, изменяющемуся во времени, например, по синусоидальному закону, при этом период синусоиды много больше периода дискретизации Тсигн>>Тдискр, т.е.

Огибающая дискретные значения входной величины будет изменяться ступенчатой, предполагая, что время каждой ступени равно t и в этом интервале напряжение остается неизменным, что допустимо при достаточно высокой частоте дискретизации.

квантования в ходе изменения сигнала в течении первой четверти периода синусоиды, считая что рассматриваемый процесс протекает за времяt=T/4, что позволяет оценить степень влияния на нее уровня сигнала.

Текущее значение относительной погрешности квантования дискретных значении можно записать в виде:

k- количество отсчетов АЦП за период;

kT/4i1, где kT/4- число отсчетов за четверть периода Т.

Период дискретизации t определяется временем преобразования сигнала. Так, например, для десятиразрядного АЦП последовательного приближения (микроконтроллеры AVR) при тактовой частоте 125 кГц в режиме непрерывного преобразования t=104·10-6с.

Совокупность дискретных значений относительной погрешности при kT/4i1 можно записать следующим образом:

…………………………… ………………………….....

погрешность квантования будет зависеть от уровня входного сигнала, среднеквадратическое значение погрешности квантования, учитывая, что на каждой четверти периода она будет иметь одно и то же значение:

(1.45) Среднее значение относительной погрешности квантования на интервале T/4 будет равно Значения s1 и 1 в соответствии с (1.45), (1.46) при различных амплитудных значениях входного сигнала представлены в таблице 1.2.

Амплитудное Изложенная выше оценка погрешности квантования применима для случая синусоидально изменяющегося во времени сигнала. Однако, в реальных условиях временная форма однополярного аналогового сигнала (что часто встречается на практике) может иметь другой характер изменения во времени. Например, изменение по экспоненциальному закону с большой постоянной времени, либо в виде колоколообразного однополярного импульса при сравнительно невысокой скорости изменения во времени.

Проведем анализ погрешности при экспоненциальном изменении сигнала во времени экспоненциального сигнала на интервале времени t=3, т.е. за время переходного процесса при этом примем =1с, а шаг дискретизации по времени t равным 104·10-6с, что соответствует частоте дискретизации, определяемой временем преобразования при работе АЦП с частотой 125 кГц.

Тогда величина относительной погрешности квантования текущей во времени определяется следующим образом:

На рис.1.6 изображены графики текущих значений относительной погрешности квантования 1(t), построенные по (1.48), при различных значениях U0.

Рис.1.6. Графики изменения относительной погрешности квантования во времени дискретизации, быстро убывает с течением времени. То есть за время равное 0,01 погрешность снижается до 1,1% при установившемся значении экспоненциального сигнала U0=5В.

квантования экспоненциально нарастающего сигнала, при указанных выше относительной погрешности вычислим следующим образом, используя известные формулы определения среднеквадратическое значение [5]:

Среднее значение относительной погрешности определим согласно выражению:

Результаты расчетных данных приведены в таблице 1.3.

Установившееся Сопоставляя данные таблиц 1 и 2, можно сделать вывод, что при среднеквадратическое и среднее значения погрешности, соответственно, при синусоидальном характере больше, чем при экспоненциальном.

На практике довольно часто форма сигнала представляет собой сигнал с выбросом на переднем фронте, например, при разряде ХИТ на обмотку электромагнита с подвижным сердечником. В этом случае временную форму следующим образом: