CZ310496B6 - Zařízení pro měření malých impedancí - Google Patents

Abstract

Ke generátoru (1) paralelně připojená sériová kombinace normálové impedance Rn (2) a testované impedance Ẑ (3) je zapojena na měřicí blok (A). Normálová impedance Rn (2) je přes první přizpůsobovací transformátor (4) a první analogově-digitální převodník (6) propojena s prvním signálovým procesorem (8). Testovaná impedance Ẑ (3) je zapojena obdobně. Výstup (aN1) amplitudy fázoru 1. harmonické složky napětí na normálové impedanci Rn (2) z prvního signálového procesoru (8) je propojen s prvním vstupem první násobičky (11), na jejíž druhý vstup je připojen výstup (az1) amplitudy fázoru 1. harmonické složky napětí na testované impedanci Ẑ (3) z druhého signálového procesoru (9). Výstup (R) velikosti reálné složky testované impedance Ẑ (3) druhé násobičky (12) je propojen s prvním vstupem (s) řídicího časovače (17) a výstup (X) velikosti imaginární složky testované impedance Ẑ (3) třetí násobičky (13) je propojen s druhým vstupem (t) řídicího časovače (17), jehož výstup (x) signálu je propojen s řídicím vstupem generátoru (1). Výstupní port (V) je výstupem zařízení.

Description

Zařízení pro měření malých impedancí

Oblast techniky

Je řešena konstrukce umožňující přesně a při malém zatížení měřicím signálem vyhodnotit komplexní impedanci elektrických obvodů a součástek.

Dosavadní stav techniky

Pro měření komplexní impedance je používáno velké množství různých metod. Pro oblast nižších frekvencí v rozsahu 0<f<100 MHz lze jako nej důležitější uvažovat metody absolutní, metody můstkové, fázorové UI metody a metody s automaticky vyvažovanými můstky, viz pat. 309064.

Absolutní metody vycházejí z určení velikostí napětí, proudů nebo výkonů v jednoduchých elektrických obvodech, ve kterých je zapojena měřená impedance, někdy spolu s nějakou normálovou impedancí, rezistorem. Známy jsou metody tří voltmetrů, tří ampérmetrů a metoda ampérmetru, voltmetru a wattmetru viz Obr.lA, IB a 1C. Impedance je vyhodnocována na $ ... '·' základě trigonometrické analýzy fázorů napětí a proudů v obvodu výpočtem

Nejvíce patrnými nevýhodami těchto metod je velký vliv spotřeby měřicích přístrojů na výsledek měření jejich kmitočtová závislost a malá přesnost, zejména pokud jedna z hodnot napětí U_n a U_x, proudů I_n a Ιχ , nebo velikostí složek měřené komplexní impedance, je výrazně menší než druhá. Existují i modifikace metody umožňující přímé čtení velikosti komplexní impedance a jejich složek na stupnicích ručkových měřicích přístrojů, viz patentový spis č. 80036.

Můstkové metody jsou metody využívající pro měření elektrické obvody zvláštní konstrukce, které při určitých hodnotách svých obvodových prvků vykazují nulový přenos. Tento stav, vyvážení můstku, umožňuje přesné porovnání hodnot jeho obvodových prvků, které principiálně není závislé na amplitudě, často ani frekvenci, budicího signálu a na přesnosti indikačního přístroje. Typické zapojení obecného čtyřramenného impedančního můstku je uvedeno na obr. 2.

V případě vyvážení na nulové napětí indikátoru, tedy do pravé rovnováhy, platí pro impedance jeho ramen vztah

Třebaže možných zapojení můstků je značný počet, v praxi se používá jen několik zapojení, která mají nej výhodnější vlastnosti. Obvykle je požadována kmitočtová nezávislost můstku, vzájemně nezávislé vyvažování pro složky měřené impedance a možnost vyvažování můstku proměnnými rezistory. Nejčastěji používaná zapojení jsou uvedena na obr. 3A až 3D. Pro měření impedance kapacitního charakteru je to můstek Scheringův, Sautyho, pro měření impedancí indukčního charakteru můstek Maxwell-Wienův ,nebo Owenův.

Modifikací těchto zapojení jsou můstky, u kterých jsou měřená a vyvažovači impedance zapojeny ve stejné větvi můstku vyvažované kompenzací, například v zapojení podle obr. 4.

Kompenzační můstek lze použít i k měření impedancí, se kterými můstek v primární podobě nelze vyvážit. V zapojení podle obr. 4 jsou složky měřené impedance určeny jako rozdíly složek impedancí Zi aZ' i se kterými je můstek vyvážen bez zařazené měřené impedance Z_x a se zařazenou měřenou impedancí a měření je možné pro impedanci Z_x s libovolně malými velikostmi složek.

- 1 CZ 310496 B6

Citlivost můstků je malá při měření malých impedancí, když další impedance v můstků mají hodnotu velkou.

Například pro obecný čtyřramenný můstek podle obr. 2, buzený ze zdroje napětí a s nezatěžujícím indikátorem, lze úroveň signálu indikovaného, poblíž stavu vyvážení v diagonále, v závislosti na relativní změně měřené impedance Z_x, vyjádřit vztahy:

Úroveň indikovaného signálu, vzhledem k úrovni budicího signálu, přibližně odpovídá relativní změně měřené impedance, vynásobené ovšem poměrem měřené impedance a impedance v protějším rameni můstku.

Obdobné vlastnosti mají i transformátorové můstky, u kterých je ve funkci přesného děliče napětí, nebo komparátoru proudu, použit transformátor, nebo autotransformátor.

Základní zapojení těchto můstků jsou uvedena na obr. 5A a 5B. Jsou-li N_m a N_n počty závitů napěťového transformátoru a Zn etalonová impedance, platí při vyvážení pro napěťový můstek:

Obdobně, jsou-li N_p a N_q počty závitů proudového transformátoru a Žn etalonová impedance, platí při vyvážení pro proudový můstek:

Nejvíce patrnou nevýhodou všech manuálně vyvažovaných můstků je zdlouhavost měření. Změření jedné hodnoty trvá jednotky minut, ke změření kmitočtové závislosti je třeba čas jednotek hodin.

Společnou nevýhodou všech transformátorových můstků je velmi obtížná konstrukce širokopásmového transformátoru, zejména má-li můstek pracovat v oblasti frekvencí řádu desítek Hz, nebo nižších, kde je funkce transformátoru ovlivňována zvýšením magnetické indukce ve feromagnetickém jádře a nelinearitou feromagnetika.

Fázorové metody vycházejí z určení velikosti měřené impedance podle poměru napětí na svorkách měřené impedance a proudu, který jí prochází. Udržuje-li se jedna z veličin konstantní, stačí měřit druhou veličinu. Fázový úhel měřené impedance se určuje podle fázového posunu mezi napětím a proudem.

Nejjednodušší měřicí obvod je zobrazen na obr. 6. Skládá se z měřené impedance ', zdroje signálu GEN a fázorového voltmetru *''·< a ampérmetru A. Základní zapojení je modifikováno s cílem minimalizovat nežádoucí vliv parazitních vazeb a zatížení měřicího obvodu měřicími přístroji na měření.

-2 CZ 310496 B6

Voltmetr může být připojen přímo paralelně k měřené impedanci. V případě zanedbatelného vlivu úbytku napětí na ampérmetru je voltmetr připojen paralelně ke generátoru na společnou zemní sběrnici s ním.

Ampérmetr je obvykle realizován bočníkovým odporem a voltmetrem, měřicím transformátorem, bočníkovým odporem a voltmetrem na sekundárním vinutí měřicího transformátoru nebo normálovým odporem, kompenzačním operačním zesilovačem a voltmetrem, který je připojen opět na společnou zemní sběrnici.

Takový obvod je označován jako automaticky vyvažovaný můstek s elektrickou zpětnou vazbou nebo můstek s transimpendančním zesilovačem.

Proud procházející měřenou impedancí je vyrovnáván proudem procházejícím odporem R_r, který je řízen napětím na výstupu zesilovače. Napětí na uzlu propojujícím měřenou impedanci a odpor Rr vůči společné zemní sběrnici je udržováno na minimální hodnotě s chybou úměrnou převrácené hodnotě zesílení, respektive poměru signál/šum S/N na výstupu zesilovače.

Další příklad známého zapojení je na obr. 7, Zde lze hledanou impedanci Zx určit přímo z poměru fázorů U_x a U_r

Citlivost a přesnost měření je rozhodujícím způsobem určena přesností stanovení vektorového poměru U_x/ U_r. Přesnost měření dále odpovídá odchylce reálné impedance odporu R_r od hodnoty uvažované ve výpočtu.

Citlivost a přesnost měření měřicích systémů pracujících s výše uvedeným principem závisí na absolutní hodnotě měřené impedance, na frekvenci měření, i na úrovni signálu, se kterou je měření prováděno.

Systémy fungují velmi dobře při měření lineárních impedancí u kterých není nelinearitou omezována úroveň měřicího signálu, impedancí, které jsou souměřitelné s impedancí vyvažovacího odporu R_r a v oblasti kmitočtů, kde jsou k dispozici operační zesilovače s vysokým zesílením a minimálním fázovým posuvem a kde se při zpracování signálů rozhodujícím způsobem neuplatňuje 1/fšum.

Velmi dobrá přesnost přibližně 0,05% pro přibližně 1<|Z|< 10⁶ Ω a l^-2<f< 10⁵ Hz se zhoršuje až na hodnoty horší než 10 %, zejména pro nízké impedance a při nízkých frekvencích - pro |Z|< 10² Ω af<0,l Hz.

Automatické můstky se servomechanickým vyvažováním jsou nejpřesnější měřiče impedance nebo komparátory impedance. Principem měřicího obvodu odpovídají tyto můstky běžným manuálně vyvažovaným můstkům, jejichž ruční vyvažování je nahrazeno vyvažováním servomechanickým. Tímto způsobem se zabývá stať Automatic Bridge Balance and Measurement of Resistance Using Microcontroler, Saubhik Panda, Anirban Kar, Bivash Mondal, Electrical Engineering, Heritage Institute of Technology, Kolkata, Volume V, Issue IV, April 2016 IJLTEMAS ISSN 2278 - 2540 www.ijltemas.in Page 14.

Výstupní napětí můstku z jeho diagonály, zobrazované u ručně vyvažovaných můstků jejich indikátorem, je vyhodnocováno vektorovým voltmetrem, kde se rozkládá na dvě ortogonální složky. Jejich další zpracování je, v současné době prakticky výhradně, prováděno číslicovým řídicím systémem, ve kterém jsou na jejich základě generovány řídicí signály pro akční členy řídicího systému, viz Manual k prezentaci Title Fully automatic capacitance and loss factor tan δ

-3 CZ 310496 B6 measuring instrument, Type 2816 / Type 2816a a Type 2818 / Type 2818a.

Casto používaným konstrukčním principem můstku se servomechanickým vyvažováním je transformátorový můstek používající automaticky řízený transformátor nebo autotransformátor jako nastavitelný indukční dělič.

Nejlepší systémy tohoto druhu jsou používány jako zařízení metrologických laboratoří, viz dokument A reconfigurable four terminal-pair digitally assisted and fully digital impedance ratio bridge , Jan Kučera, Jakub Kováč, I2MTC PAPER NO: 15703249671.

Tyto systémy dosahují citlivost 0,01 ppm a přesnost 1 ppm, běžná laboratorní zařízení dosahují citlivost několik ppm a přesnost 0,05% v měřicích rozsazích impedancí přibližně 1<|Ζ|<10⁷Ω, většinou na pevně stanovených měřicích frekvencích. Specifickou vlastností můstků je jejich zdlouhavé vyvažování trvající několik sekund.

Měření frekvenčních závislostí malých impedancí řádu jednotek ιηΩ v širokých frekvenčních rozsazích až l'²<f<10⁵ Hz všemi výše uvedenými měřicími systémy je velmi komplikované. Impedance |Z| řádu jednotek ηιΩ se nacházejí na okraji rozsahů měřicích přístrojů nebo v měřicích rozsazích vůbec nejsou.

Moderní dostupné číslicové laboratorní měřicí přístroje pro měření ve frekvenčním rozsahu přibližně do 100 kHz jsou konstruovány jako automaticky vyvažované můstky s elektrickou zpětnou vazbou. Vykazují dobrou přesnost přibližné 0,05% pro přibližně 1<|Ζ|<10⁶Ω a citlivost několik desítek ppm, jež se zhoršují až na přesnost horší než 10 % a citlivost několik desetin %, zejména pro nízké impedance a při nízkých frekvencích - pro |Z|< 10^-2Ω a f<0,1 Hz.

Situace je u systémů zvláště patrná zejména u systémů při provádění elektrochemické impedanční spektroskopii EIS akumulátorů, kde je sledována frekvenční závislost impedance řádu πιΩ ve frekvenčním rozsahu 10^-2 až 10⁴ Hz a u nelineárních dvojpólů při svorkovém napětí nepřevyšujícím několik mV.

Měření frekvenčních závislostí impedancí řádu ηιΩ, ve frekvenčním rozsahu 10^-2 až 10⁴ Hz a u nelineárních dvojpólů při svorkovém napětí nepřevyšujícím několik mV je typické při elektrochemické impedanční spektroskopii akumulátorů. Tato metoda měření je široce používaná pro nedestruktivní analýzu a diagnostiku akumulátorů, viz článek Electrical Characterization of Li-Ion Battery Modules for Second-Life Applications, autoři Daniel Kehl, Torben Jennert, Frank Lienesch and Michael Kurrat. Z naměřené závislosti baterie impedance na frekvenci, je možné určit parametry ekvivalentního elektrického obvodu baterie a hledané parametry stav nabití SOC a stav zdraví SOH bez vybíjení baterie.

Praktickou použitelnost tohoto postupu ale často komplikuje malá přesnost testu a jeho zdlouhavost, jak bylo uvedeno v příspěvku Novel online fitting algorithm for impedance-based State estimation of Li-ion Batteries, Conference Paper October 2019, DOI: 10.1109/IECON.2019.8927338. Podle změn odpovídajících jednotkám % naměřených středních hodnot jsou vyhodnocovány změny hledaných parametrů o desítky %

Testy prováděné současnými nejpřesnějšími systémy trvají několik desítek minut, dosahují přesnost měření impedance 1 až 2 % a umožňují vyhodnotit parametry akumulátoru (R, X) s přesností 5 až 10 %. Nízká přesnost a zdlouhavost tohoto měřicího postupu jsou nej závažnějšími nedostatky tohoto postupu, který prakticky vylučuje jeho použití pro servisní kontrolu mnohočlánkových baterií s kapacitou řádu stovek Ah.

-4 CZ 310496 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro měření malých impedancí podle předkládaného návrhu. Zařízení obsahuje generátor měřicího signálu, normálovou impedanci R_n. testovanou impedanci Z a měřicí blok. Podstatou nového řešení je nové vytvoření měřicího bloku. Ke generátoru je paralelně připojená sériová kombinace normálové impedance R_n a testované impedance Z. Paralelně k normálové impedanci R_n je připojeno primární vinutí prvního pasivního přizpůsobovacího transformátoru, jehož sekundární vinutí je propojeno se vstupem prvního analogově-digitálního převodníku, jehož digitální výstup je propojený se vstupem prvního signálového procesoru. Obdobně je paralelně k testované impedanci Z připojeno primární vinutí druhého pasivního přizpůsobovacího transformátoru, jehož sekundární vinutí je propojeno se vstupem druhého analogově-digitálního převodníku, jehož digitální výstup je propojen se vstupem druhého signálového procesoru. První a druhý pasivní přizpůsobovací transformátor jsou shodné a jejich převodní poměry jsou řádu desítek až stovek. Výstup amplitudy fázoru 1. harmonické složky napětí na normálové impedanci z prvního signálového procesoru je propojen přes blok výpočtu |R.Nn|/aNi, kde |RNn| je velikost normálové impedance na měřicí frekvenci s prvním vstupem první násobičky. Na její druhý vstup je připojen výstup amplitudy fázoru 1. harmonické složky napětí na testované impedanci z druhého signálového procesoru. Výstup první násobičky je propojen s prvním vstupem druhé a třetí násobičky. Výstup argumentu fázoru 1. harmonické složky napětí na normálové impedanci z prvního signálového procesoru je propojen s prvním vstupem sčítačky. Na její druhý vstup je připojen výstup argumentu fázoru 1. harmonické složky napětí na testované impedanci z druhého signálového procesoru a její třetí vstup je vstupem konstantní hodnoty na měřicí frekvenci reprezentující fázovou odchylku normálové impedance od reálné hodnoty. Výstup sčítačky je propojen jednak se vstupem statického funkčního generátoru sinu, jehož výstup je propojen s druhým vstupem třetí násobičky a jednak se vstupem statického funkčního generátoru cosinu, jehož výstup je propojen s druhým vstupem druhé násobičky. Výstup velikosti reálné složky testované impedance druhé násobičky je propojen s prvním vstupem řídicího časovače a výstup velikosti imaginární složky testované impedance třetí násobičky je propojen s druhým vstupem řídicího časovače. Výstup signálu řídicího časovače je propojen s řídicím vstupem generátoru. Výstup frekvence a výstupní kód systému vytvořený konvertováním signálů z prvního a druhého vstupu řídicího časovače je propojen s výstupním portem a je výstupem zařízení.

Nej významnější výhodou tohoto řešení je vyšší dosažitelná přesnost měření a rychlejší měření ve srovnání s běžně užívanými metodami, zejména při měření nelineárních objektů s impedancemi řádu jednotek ιηΩ. při napětí několik mV a v oblasti nízkých frekvencí.

Výhodou nového řešení je, že operační zesilovače, běžně používané jako vstupní zesilovače v obou napěťových snímacích větvích měřiče impedance jsou nahrazeny pasivními přizpůsobovacími transformátory a obě napěťové snímací větve měřicího systému jsou konstruovány jak ekvivalentní obvody. Přizpůsobovací transformátory s převodními poměry řádu desítek až stovek, jsou primárním vinutím připojeny paralelně k normálovému rezistoru nebo měřené impedanci a sekundárními vinutími propojeny se vstupními svorkami analogovědigitálních převodníků. V situaci, která nastává při měření malých impedancí o velikosti menší než přibližně 1 Ω, kdy vnitřní odpor zdroje signálu, jenž je připojen na vstup převodníku, zůstává nadále malý vůči šumovému odporu vstupní brány převodníku i po transformaci a rozhodující pro celkovou úroveň šumu na vstupu zůstává zdroj ekvivalentního šumového napětí, zlepšuje přizpůsobovací transformátor poměr signál/šum na vstupu v poměru přibližně rovném svému napěťovému transformačnímu poměru.

Výhodou tohoto zapojení je, že transformací impedance snižuje šumové nepřizpůsobení mezi měřenou impedancí a připojeným vstupním zesilovačem měřicího přístroje. Následkem toho zvýšen je i odstup signál/šum na vstupu měřiče impedance a zvýšena přesnost měření přibližně o řád.

-5 CZ 310496 B6

Další výhodou je, že pro všechny nezanedbané složky aproximací signálů UnU) a Uz(_tn) je provedena zpětná rekonstrukce signálů, které jsou porovnány s reálnými daty a podle chyby aproximace je dále vyhodnocován odstup signál/šum měření.

Výhodné je také provedení, v němž je řídicí časovač měřicího systému doplněn programovatelnou jednotkou, která podle svého programu řídí frekvenci budicího generátoru, zapisuje a předává na výstupní bránu V nebo zapisovač naměřené hodnoty a umožňuje tak automatizaci proměřování impedančních spekter.

Ve výhodném provedení je základní zapojení rozšířeno o oddělovač stejnosměrné složky zařazený před měřicí blok. Na generátor je v tomto případě připojen vstup výkonového zesilovače, jehož výstupní port je propojen jednak s proudovými svorkami testované impedance a jednak přes první oddělovací kondenzátor a omezovači rezistor s proudovými svorkami normálové impedance. Na napěťové svorky testované impedance a na napěťové svorky normálové impedance je připojen před měřicí blok oddělovač stejnosměrné složky, který tvoří dva ekvivalentní oddělovací obvody, obvod vyhodnocení napětí na normálové impedanci a obvod vyhodnocení napětí na testované impedanci umožňující přenos měřicího signálu oběma měřicími větvemi od měřené impedance a normálové impedance k vyhodnocovacím obvodům bez pronikání stejnosměrného napětí.

U obvodu vyhodnocení napětí na testované impedanci je k první napěťové svorce testované impedance připojena jedna svorka druhého oddělovacího kondenzátoru, jehož druhá svorka je připojena k prvnímu přepínacímu kontaktu relé, k jehož rozpínací straně je jednou svorkou připojen první nabíjecí rezistor. Druhá svorka prvního nabíjecího rezistoru je propojena s druhou napěťovou svorkou testované impedance, mezi níž a spínací stranu přepínacího kontaktu relé jsou připojeny antiparaleleně spojené omezovači diody, které jsou paralelně připojeny k první svorce ke druhé svorce primárního vinutí druhého pasivního přizpůsobovacího transformátoru měřicího bloku.

U obvodu vyhodnocení napětí na normálové impedanci je jedna napěťová svorka normálové impedance propojena s první svorkou sérioparalelní čtveřice oddělovacích kondenzátorů, která je střední svorkou propojena přes druhý nabíjecí rezistor s druhou napěťovou svorkou testované impedance. Druhou svorkou je tato čtveřice propojena s druhým přepínacím kontaktem relé, k jehož rozpínací straně je jednou svorkou připojen třetí nabíjecí rezistor. Druhá svorka třetího nabíjecího rezistoru je propojena s druhou napěťovou svorkou normálové impedance, mezi níž a spínací stranu přepínacího kontaktu relé jsou připojeny antiparaleleně spojené omezovači diody. Tyto omezovači diody jsou paralelně připojeny ke svorkám primárního vinutí prvního pasivního přizpůsobovacího transformátoru měřicího bloku. Na třetí vstup řídicího časovače je připojen výstup spínače. Výstup spínacího signálu je propojen s cívkou relé.

V této úpravě zařízení umožňuje měření impedancí majících mezi svorkami konstantní stejnosměrné napětí, například akumulátorového článku.

Oddělovač stejnosměrné složky dále umožňuje bezpečně řídit i přechodný děj, ke kterému dochází při připojování měřicího systému k měřenému objektu pod napětím.

Objasnění výkresů

Na přiložených výkresech jsou na obr. 1A až 1C, obr. 2, obr. 3A až 3D, obr. 4, obr. 5A, 5B, obr. 6 a obr. 7 uvedeny příklady známých zapojení zařízení pro měření malých impedancí, tedy se jedná o ilustraci dosavadního stavu techniky. Zařízení pro měření malých impedancí podle předkládaného řešení je v základní variantě uvedeno na obr. 8. obr. 9 znázorňuje variantu pro měření impedancí, které mají mezi svorkami stejnosměrné napětí, a to pro přehlednost s

-6 CZ 310496 B6 vyznačením měřicího bloku jen jako obdélník. Celkové schéma této varianty měřiče impedance akumulátoru s rozkresleným měřicím blokem je na obr. 10. Na obr. 11 jsou uvedeny průběhy signálů na branách řídicího časovače varianty podle obr. 10 při provádění elektrochemické impedanční spektroskopie EIS akumulátoru.

Příklady uskutečnění vynálezu

Základní zapojení zařízení pro měření malých impedancí je uvedeno na obr. 8. Ke generátoru 1 je paralelně připojená sériová kombinace normálové impedance R_n 2 a testované impedance Z 3, které jsou připojeny na měřicí blok A. Paralelně k normálové impedanci R_n 2 je připojeno primární vinutí prvního pasivního přizpůsobovacího transformátoru 4, jehož sekundární vinutí je propojeno se vstupem prvního analogově- digitálního převodníku 6, jehož digitální výstup je propojen se vstupem prvního signálového procesoru 8 měřicího bloku A. Paralelně k testované impedanci Z 3 je připojeno primární vinutí druhého pasivního přizpůsobovacího transformátoru 5, jehož sekundární vinutí je propojeno se vstupem druhého analogově-digitálního převodníku 7, jehož analogový výstup je propojen se vstupem druhého signálového procesoru 9 měřicího bloku A. První pasivní přizpůsobovací transformátor 4 a druhý pasivní přizpůsobovací transformátor 5 jsou shodné a jejich převodní poměry jsou řádu desítek až stovek. Výstup am amplitudy fázoru 1. harmonické složky napětí na normálové impedanci R_n 2 z prvního signálového procesoru 8 je propojen přes blok 10 výpočtu |RNn|/aNi, kde |R_Nn| je velikost normálové impedance na měřicí frekvenci, s prvním vstupem první násobičky 11. na jejíž druhý vstup je připojen výstup a_zi amplitudy fázoru 1. harmonické složky napětí na testované impedanci Z 3 z druhého signálového procesoru 9 a jejíž výstup je propojen s prvním vstupem druhé násobičky 12 a třetí násobičky 13. Výstup cp_Ni argumentu fázoru 1. harmonické složky napětí na normálové impedanci R_n 2 z prvního signálového procesoru 8 je propojen s prvním vstupem sčítačky 14. na jejíž druhý vstup je připojen výstup cp_zi argumentu fázoru 1. harmonické složky napětí na testované impedanci Z 3, z druhého signálového procesoru 9. Třetí vstup sčítačky 14 je vstupem konstantní hodnoty Φι<\_η na měřicí frekvencí reprezentující fázovou odchylku normálové impedance R_N 2 od reálné hodnoty. Výstup sčítačky 14 je propojen jednak se vstupem statického funkčního generátoru 15 sinu, jehož výstup je propojen s druhým vstupem třetí násobičky 13 a jednak se vstupem statického funkčního generátoru 16 cosinu, jehož výstup je propojen s druhým vstupem druhé násobičky 12. Vystup R velikosti reálné složky testované impedance Z 3 druhé násobičky 12 je propojen s prvním vstupem s řídicího časovače 17. Výstup X velikosti imaginární složky testované impedance Z 3 třetí násobičky 13 je propojen s druhým vstupem t řídicího časovače 17. jehož výstup signálu x je propojen s řídicím vstupem generátoru 1. Výstup f frekvence a výstupní kód systému vytvořený konvertováním signálů z prvního vstupu s a z druhého vstupu t řídicího časovače 17 je propojen s výstupním portem V a je zároveň výstupem zařízení.

Výše popsané základní zapojení systému pro měření malých impedancí dle obr. 8 pracuje následujícím způsobem.

Dvojpól představující testovanou impedanci Z 3, jehož komplexní impedance Z je měřena, je zapojen do proudové smyčky a je sledován úbytek napětí na něm. Proud dodávaný generátorem 1 vytváří úbytky napětí na testované impedanci Z 3 a normálové impedanci R_N 2. Napětí na měřené, tedy testované, impedanci Z 3 a napětí na normálové impedanci R_N 2 jsou vyhodnocována dvěma ekvivalentními měřicími obvody.

Obvod vyhodnocení napětí na testované impedanci Z 3 je připojen k jejím napěťovým svorkám prostřednictvím druhého přizpůsobovacího transformátoru 5, který umožňuje snížit poměr impedančního nepřizpůsobení na vstupu druhého analogově-digitálního převodníku 7 a zlepšit tak poměr signál/šum pro zpracovávaný signál v poměru přibližně rovném svému napěťovému transformačnímu poměru.

Obvod vyhodnocení napětí na normálové impedanci R_N 2 je připojen k jejím napěťovým svorkám a dále prostřednictvím prvního přizpůsobovacího transformátoru 4, na vstup prvního analogově

-7 CZ 310496 B6 digitálního převodníku 6.

Obvod vyhodnocení napětí na normálové impedanci R_N 2 je řešen s ohledem na dosažení maximální ekvivalence přenosových funkcí měřicího i normálového obvodu, která vede k vzájemné kompenzaci jejich kmitočtové závislosti *a eliminaci možné příčiny chyby měření

Výstupní číslicové signály z prvního a druhého analogově-digitálního převodníku 6 a 7 jsou vedeny na vstupy prvního a druhého signálového procesoru 8 a 9, kde jsou posloupnosti dat, zobrazující jednu až dvě jejich periody, převedeny do tvaru řad reprezentujících signál v kmitočtové oblasti. Jednotlivé složky Fourierových řad jsou na výstupech prvního, respektive druhého signálového procesoru 8 respektive 9 reprezentovány v polárním tvaru. Podle složek na výstupu prvního signálového procesoru 8 aNi a cpNi a složek azí, cpzi na výstupu druhého signálového procesoru 9, reprezentujících harmonický signál s požadovaným měřicím kmitočtem je výpočtem stanovena hledaná impedance takto:

φ = φ ζι^_Φνι -<Prn

R = [ZJcostp

X = [ZJsintp

Hodnoty aNi, zobrazující amplitudu fázoru 1. harmonické složky napětí na normálové impedanci R_n 2 jsou přiváděny na první vstup bloku 10 výpočtu |RNn|/aNi, kde jsou normovány hodnotou velikosti normálové impedance |R_N|, zapsanou, obvykle jako konstanta, na druhý vstup. Signál z výstupu bloku 10 výpočtu |RNn|/aNi, reprezentující převrácenou hodnotu amplitudy proudu procházejícího proudovou smyčkou, je veden najeden vstup první násobičky 11. na jejíž druhý vstup je veden signál azí z výstupu druhého signálového procesoru 9 zobrazující amplitudu fázoru 1. harmonické složky napětí na měřené impedanci Z 3. Signál z výstupu první násobičky 11 reprezentující velikost |Z| sledované testované impedance Z 3 je dále veden na 1. vstupy druhé násobičky 12 a třetí násobičky 13.

Hodnoty φ_Νι, zobrazující argument fázoru 1. harmonické složky napětí na normálové impedanci R_n 2 jsou přiváděny na první vstup sčítačky 14. na jejíž druhý vstup je veden signál cpzi z výstupu druhého signálového procesoru 9. Na třetí vstup sčítačky 14 je přiváděna obvykle konstantní hodnota (Prn reprezentující fázovou odchylku normálové impedance R_N 2 od reálné hodnoty. Hodnota <j> z výstupu sčítačky 14 zobrazující argument fázoru Z testované impedance Z 3 je dále veden na vstup statického funkčního generátoru 16 cosinu a na vstup statického funkčního generátoru 15 sinu, z jejichž výstupů jsou odebírány funkční hodnoty cos φ a sin φ vedené na druhé vstupy druhé násobičky 12 a třetí násobičky 13. kde vynásobením s hodnotou reprezentující velikost |Z| sledované měřené impedance Z 3 jsou vypočítávány složky komplexní impedance. Signál R, reprezentující velikost reálné složky testované impedance Z 3, který je výstupním signálem druhé násobičky 12 i výstupním signálem celého obvodu vyhodnocení napětí, je veden na první vstup s řídicího časovače 17. Signál X, reprezentující velikost imaginární složky testované impedance Z 3, který je výstupním signálem třetí násobičky 13 i výstupním signálem celého obvod vyhodnocení napětí, je veden na druhý vstup t řídicího časovače 17. který podle zvoleného algoritmu řídí generátor j. a zabezpečuje odečet hodnot signálů za vstupů. Signály ze vstupů s, t jsou konvertovány na výstupní kód systému a vedeny na jeho výstupní port V.

-8CZ 310496 B6

Principiální uspořádání realizace zařízení pro měření impedancí majících mezi svorkami konstantní stejnosměrné napětí, například akumulátorů, je znázorněno na Obr. 9 se schematicky naznačeným měřicím blokem A a na Obr. 10 s rozkresleným měřicím blokem A.

Konfigurace zařízení dle této modifikace je tvořena proudovým měřicím obvodem s testovaným akumulátorovým článkem, který tvoří testovanou impedanci Z 3, jenž je do proudového měřicího obvodu připojen svými proudovými svorkami, normálovou impedancí R_N 2, jež je do proudového měřicího obvodu připojena též svými proudovými svorkami, omezovacím rezistorem 20, prvním oddělovacím kondenzátorem 19 a výstupním portem výkonového zesilovače 18. který je vstupním portem připojen k budicímu generátoru G L Dále zapojení obsahuje dva ekvivalentní měřicí obvody: obvod vyhodnocení napětí na měřené impedanci a obvod vyhodnocení napětí na normálové impedanci R_N 2.

Obvod vyhodnocení napětí na měřené impedanci je připojen k napěťovým svorkám b, d testovaného akumulátorového článku. Ke svorce b je svojí první svorkou připojen druhý oddělovací kondenzátor 21. který je druhou svorkou připojen k přepínacímu kontaktu prvního přepínacího systému relé Re 22. K jeho rozpínací straně je připojen první svorkou první nabíjecí rezistor 23, připojený druhou svorkou ke svorce d akumulátorového článku tvořícího testovanou impedanci Z 3. Jeho velikost je volena tak, aby byly na únosné hodnoty omezeny nabíjecí a vybíjecí proudy druhého oddělovacího kondenzátoru 21 vznikající při připojování testovaných objektů k měřicím svorkám. Dále jsou svými prvními svorkami ke spínacímu kontaktu prvního přepínacího systému relé Re 22 připojeny antiparalelně spojené první omezovači dioda 24 a druhá omezovači dioda 25 a primární vinutí druhého přizpůsobovacího transformátoru 5 na svorce 2a měřicího bloku A. Svými druhými svorkami jsou tyto omezovači diody 24 a 25 připojeny k primárnímu vinutí prvního přizpůsobovacího transformátoru 5 na svorce 2b měřicího bloku A a k připojeny k svorce d akumulátorového článku.

Obvod vyhodnocení napětí na normálové impedanci R_N 2 je řešen s ohledem na dosažení maximální ekvivalence přenosových funkcí měřicího i normálového obvodu, která vede k vzájemné kompenzaci jejich kmitočtové závislosti '' ^} a eliminaci možné příčiny chyby měření.

Obvod je připojen k napěťovým svorkám normálové impedance R_N 2, jejíž druhá svorka je propojena s první svorkou sérioparalelní čtveřice 26 oddělovacích kondenzátorů C, která je střední svorkou připojena k první svorce druhého nabíjecího rezistoru 27. připojeného druhou svorkou ke svorce d akumulátorového článku Z 3, jehož velikost je volena tak, aby v ustáleném stavu na něm nebyl významný úbytek stejnosměrného napětí a nepřetékal jím významný střídavý proud. Tato čtveřice 26 oddělovacích kondenzátorů je druhou svorkou připojena k přepínacímu kontaktu druhého přepínacího systému relé Re 22, k jehož rozpínací straně je připojen první svorkou třetí nabíjecí rezistor 28. připojený druhou svorkou k první napěťové svorce normálové impedance. Jeho velikost je volena tak, aby byly na únosné hodnoty omezeny nabíjecí a vybíjecí proudy oddělovacích kondenzátorů C sérioparalelní čtveřice 26 vznikající při připojování testovaných objektů k měřicím svorkám. Dále jsou svými prvními svorkami ke spínacímu kontaktu druhého přepínacího systému relé Re 22 připojeny antiparalelně spojené třetí omezovači dioda 29 a čtvrtá omezovači dioda 30 a primární vinutí prvního přizpůsobovacího transformátoru 4 měřicího bloku A. Svými druhými svorkami jsou tyto omezovači diody 29 a 30 připojeny k primárnímu vinutí prvního přizpůsobovacího transformátoru 4 na svorce 1b měřicího bloku A a k první napěťové svorce normálové impedance R_N 2.

Zapojení měřicího bloku A je analogické jako u základního zapojení podle obr. 8.

-9CZ 310496 B6

Výše popsané zapojení systému pro měření malých impedancí majících mezi svorkami konstantní stejnosměrné napětí dle obr. 9 a 10 pracuje následujícím způsobem.

Testovanou impedanci Z 3 zde reprezentuje akumulátorový článek, jehož komplexní impedance Z je měřena. Tento akumulátorový článek je zapojen do proudové smyčky tvořené touto testovanou impedanci Z 3, normálovou impedancí R_N 2, omezovacím rezistorem 20, který omezuje maximální proud ve smyčce při připojování nebo odpojování měřených článků i při měření, prvním oddělovacím kondenzátorem 19, který zabraňuje průtoku stejnosměrného proudu smyčkou a výstupním portem výkonového zesilovače 18. který je řízen budicím generátorem G1 a dodává měřicí proud. Proud dodávaný výkonovým zesilovačem 18. vytváří úbytky napětí na testované impedanci Z 3 a normálové impedanci R_N 2. Napětí na měřené, tedy testované, impedanci Z 3 a napětí na normálové impedanci R_N 2 jsou vyhodnocována dvěma ekvivalentními měřicími obvody.

Dále je funkce systému řízena pomocí relé 22. Bez proudu cívky, při sepnutí rozpínacích stran přepínacích kontaktů, obvod řídí nabíjení nebo vybíjení oddělovacích kondenzátorů 19 a 21 při připojování nebo odpojování měřených článků. K článku pod napětím je připojen sériově spojený druhý oddělovací kondenzátor 21 a první nabíjecí rezistor 23. Po připojení probíhá v obvodu přechodný děj, který v čase postupně odezní a druhý oddělovací kondenzátor 21 se nabíjí na svorkové napětí článku. Současné je k článku pod napětím připojena sério-paralelní čtveřice 26 oddělovacích kondenzátorů sériově propojená s druhým nabíjecím rezistorem 27. třetím nabíjecím rezistorem 28 a normálovou impedancí R_N 2. Po připojení probíhá v obvodu přechodný děj, který v čase postupně odezní a čtveřice 26 oddělovacích kondenzátorů se nabíjí na svorkové napětí článku.

Při cívce relé 22 pod proudem, tedy při sepnutí spínacích stran přepínacích kontaktů, obvod umožňuje průchod měřicího střídavého signálu přes malé střídavé impedance druhého oddělovacího kondenzátorů 21 a sério-paralelní čtveřice 26 kondenzátorů z napěťových svorek akumulátorového článku, tedy testované impedance Z 3, i z napěťových svorek normálové impedance R_N 2 na vstupní svorky _l_a. kb, 2a, 2b měřicího bloku A. Signály přiváděné na vstupní svorky la. lb. 2a, 2b měřicího bloku A jsou zpracovávány stejně, jako u základního zapojení podle obr. 8, kde jsou stejně vytvářeny výstupní signály R a X.

V tomto zapojení je dále na vstup x řídicího časovače 17 přiváděn signál ze spínače 31. udávající stav připojení měřeného článku a stav, kdy s ním není manipulováno. Tímto signálem je synchronizován vznik signálu y, který je veden na relé Re 22 a způsobuje jeho sepnutí.

Dále je řídicím časovačem 17 generován řídicí signál f generátoru 1, určující kmitočet jeho výstupního sinusového signálu, eventuálně korigující i amplitudu tohoto signálu, který je z výstupu x řídicího časovače 17 veden na řídicí vstup generátoru 1 a ve formě výstupního kódu systému i na výstupní port V.

Průběhy signálů na branách řídicího časovače 17 během měření impedančního spektra jsou znázorněny na obr. 11. Měření impedančního spektra je startováno signálem z výstupu spínače 31. udávajícím stav připojení měřeného článku obsluhou. Následně, se zpožděním odpovídajícím odeznění přechodných dějů v oddělovacích kondenzátorech 19. 21. a ve čtveřici 26 oddělovacích kondenzátorů, je generován na výstupu y řídicího časovače 17 spínací signál y, který je veden na relé 22 a způsobuje jeho sepnutí. Dále je na výstupu x řídicího časovače 17 generován signál f ovládající generátor 1 minimálně z hlediska frekvence generovaného signálu, ve výhodnějším řešení i fáze a amplitudy signálu, nebo jeho okamžité hodnoty, čímž je minimalizována doba trvání přechodného děje při změně měřicího kmitočtu. Následně, se zpožděním odpovídajícím odeznění přechodného děje v měřicím obvodu, přijímá řídicí časovač 17 na svém prvním vstupu s signál z výstupu R velikosti reálné složky testované impedance impedanci Z 3 a na svém druhém vstupu t výstup X velikosti imaginární složky testované impedance impedance Z 3. Současně jsou tyto signály spolu se signálem f z výstupu x vysílány řídicím časovačem 17 na

- 10CZ 310496 B6 jeho výstupní port V.

Průmyslová využitelnost

Zařízení je určeno pro měření malých impedancí. Jeho rozšířená varianta je s výhodou použitelná pro testování akumulátorů metodou elektrochemická impedanční spektroskopie, umožňující z naměřené závislosti impedance akumulátoru na frekvenci zjistit jeho parametry. Výhodné je jeho použití zejména pro diagnostiku trakčních akumulátorů s kapacitou řádu desítek až stovek Ah, 10 kdy jsou sledovány impedance řádu jednotek mfi.

Claims (2)

1. Zařízení pro měření malých impedancí obsahující generátor (1) měřicího signálu, normálovou impedanci R_n (2), testovanou impedanci Z (3) a měřicí blok (A), vyznačující se tím, že ke generátoru (1) paralelně připojená sériová kombinace normálové impedance R_n (2) a testované impedance Z (3) je zapojena na měřicí blok (A), kde paralelně k normálové impedanci R_n (2) je připojeno primární vinutí prvního pasivního přizpůsobovacího transformátoru, jehož sekundární vinutí je propojeno se vstupem prvního analogově- digitálního převodníku (6) majícího digitální výstup propojený se vstupem prvního signálového procesoru (8) a paralelně k testované impedanci Z (3) je připojeno primární vinutí druhého pasivního přizpůsobovacího transformátoru, jehož sekundární vinutí je propojeno se vstupem druhého analogově-digitálního převodníku (7), jehož digitální výstup je propojen se vstupem druhého signálového procesoru (9), přičemž první pasivní přizpůsobovací transformátor (4) a druhý pasivní přizpůsobovací transformátor (5) jsou shodné a jejich převodní poměry jsou řádu desítek až stovek, výstup (axi) amplitudy fázoru 1. harmonické složky napětí na normálové impedanci R_n (2) z prvního signálového procesoru (8) je propojen přes blok (10) výpočtu |RNn|/ Hni, kde |R.Nn| je velikost normálové impedance na měřicí frekvenci s prvním vstupem první násobičky (11), na jejíž druhý vstup je připojen výstup (azí) amplitudy fázoru 1. harmonické složky napětí na testované impedanci Z (3) z druhého signálového procesoru (9) a jejíž výstup je propojen s prvním vstupem druhé násobičky (12) a třetí násobičky (13) a dále je výstup (q>Ni) argumentu fázoru 1. harmonické složky napětí na normálové impedanci R_n (2) z prvního signálového procesoru (8) propojen s prvním vstupem sčítačky (14), najejíž druhý vstup je připojen výstup (cpzi) argumentu fázoru 1. harmonické složky napětí na testované impedanci Z (3) z druhého signálového procesoru (9) a jejíž třetí vstup je vstupem konstantní hodnoty (cpRNn) na měřicí frekvenci reprezentující fázovou odchylku normálové impedance R_n (2) od reálné hodnoty, kde výstup sčítačky (14) je propojen jednak se vstupem statického funkčního generátoru (15) sinu, jehož výstup je propojen s druhým vstupem třetí násobičky (13) a jednak se vstupem statického funkčního generátoru (16) cosinu, jehož výstup je propojen s druhým vstupem druhé násobičky (12), přičemž výstup (R) velikosti reálné složky testované impedance Z (3) druhé násobičky (12) je propojen s prvním vstupem (s) řídicího časovače (17) a výstup (X) velikosti imaginární složky testované impedance Z (3) třetí násobičky (13) je propojen s druhým vstupem (t) řídicího časovače (17), jehož výstup (x) signálu je propojen s řídicím vstupem generátoru (1), přičemž výstup (f) frekvence a výstupní kód systému vytvořený konvertováním signálů z prvního vstupu (s) a z druhého vstupu (t) řídicího časovače (17) je propojen s výstupním portem (V) a je výstupem zařízení.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro měření impedancí majících mezi svorkami konstantní stejnosměrné napětí je na generátor (1) připojen vstup výkonového zesilovače (18), jehož výstupní port je propojen jednak s proudovými svorkami (a, c) testované impedance Z (3) ajednak přes první oddělovací kondenzátor (19) a omezovači rezistor (20) s proudovými svorkami normálové impedance R_n (2), kde na napěťové svorky testované impedance Z (3) a na napěťové svorky normálové impedance R_n (2) je připojen před měřicí blok (A), oddělovač (B) stejnosměrné složky, který tvoří dva ekvivalentní měřicí obvody, a to obvod vyhodnocení napětí na normálové impedanci R_n (2) a obvod vyhodnocení napětí na testované impedanci Z (3), kde u obvodu vyhodnocení napětí na testované impedanci Z (3) je k první napěťové svorce (b) testované impedance Z (3) připojena jedna svorka druhého oddělovacího kondenzátoru (21), jehož druhá svorka je připojena k prvnímu přepínacímu kontaktu relé (22), k jehož rozpínací straně je jednou svorkou připojen první nabíjecí rezistor (23), jehož druhá svorka je propojena s druhou napěťovou svorkou (d) testované impedance Z (3) mezi níž a spínací stranu přepínacího kontaktu relé (22) jsou připojeny antiparaleleně spojené omezovači diody, první omezovači dioda (24) a druhá omezovači dioda (25), které jsou paralelně připojeny k první svorce (2a) a ke druhé svorce (2b) primárního vinutí druhého pasivního přizpůsobovacího transformátoru (5) měřicího bloku (A) a u obvodu vyhodnocení napětí na normálové impedanci R_n (2) je jedna napěťová svorka normálové impedance Rn (2) propojena s první svorkou sérioparalelní čtveřice (26) oddělovacích kondenzátorů (C), která je střední svorkou propojena přes druhý nabíjecí rezistor (27) s druhou napěťovou svorkou (d) testované impedance Z (3) a druhou svorkou je propojena s druhým přepínacím kontaktem relé (22), k jehož rozpínací straně je jednou svorkou připojen třetí nabíjecí rezistor (28), jehož druhá svorka je propojena s druhou napěťovou svorkou normálové impedance R_n (2), mezi níž a spínací stranu

- 12CZ 310496 B6 přepínacího kontaktu relé (22) jsou připojeny antiparaleleně spojené omezovači diody, třetí omezovači dioda (29) a čtvrtá omezovači dioda (30), které jsou paralelně připojeny ke svorkám (la, 1b) primárního vinutí prvního pasivního přizpůsobovacího transformátoru (4) měřicího bloku (A), přičemž na třetí vstup řídicího časovače (17) je připojen výstup (z) řídicího spínače (31) a jeho 5 výstup (y) spínacího signálu je propojen s cívkou relé (22).