Научная статья на тему 'Диагностика состояния химических источников тока методом шумовой спектроскопии'

Диагностика состояния химических источников тока методом шумовой спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
33
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ШУМОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ / NOISE SPECTROSCOPY / ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА / ДИАГНОСТИКА / DIAGNOSTIC / ELECTROCHEMICAL POWER SOUSE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Бобов К.Н., Кубанцев И.С., Луковцев В.П., Петренко Е.М.

Рассмотрена возможность использования шумовой спектроскопии химических источников тока (ХИТ) в качестве независимого метода диагностики их состояния. Разработано аппаратурно-программное обеспечение для регистрации и обработки шумовых характеристик ХИТ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Бобов К.Н., Кубанцев И.С., Луковцев В.П., Петренко Е.М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Диагностика состояния химических источников тока методом шумовой спектроскопии»

ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА МЕТОДОМ

ШУМОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Бобов К.Н.1, Кубанцев И.С.2, Луковцев В.П.3, Петренко Е.М.4 ©

1М.н.с.; 2инж.-исл.; 3зав. лаб, к.т.н.; 4ст.н.с., к.т.н.

ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук

Аннотация

Рассмотрена возможность использования шумовой спектроскопии химических источников тока (ХИТ) в качестве независимого метода диагностики их состояния. Разработано аппаратурно-программное обеспечение для регистрации и обработки шумовых характеристик ХИТ.

Ключевые слова: шумовая спектроскопия, химические источники тока, диагностика. Keywords: noise spectroscopy, diagnostic, electrochemical power souse.

1. Введение

Вопрос оценки текущего состояния ХИТ имеет большое значение с точки зрения возможности их использования в аппаратуре, к которой предъявляются требования высокой надежности. Такая оценка должна, в первую очередь, давать информацию о степени разряженности предполагаемых к применению источников тока. Наибольшие сложности возникают при диагностике ХИТ, разрядные характеристики которых практически не зависят от степени разряженности (например, литий-тионилхлоридные, литий ионные, никель-кадмиевые источники).

Одним из путей решения указанной проблемы является применение спектроскопии электрохимического импеданса, позволяющей оценивать полное внутреннее сопротивление ХИТ, включающее в себя как активные, так и реактивные составляющие, которые имеют вполне определенный физический смысл.

Импедансная спектроскопия позволяет получить в условиях оперативного неразрушающего контроля большое число параметров, каждый из которых, а также их функционально связанные значения, могут быть использованы как корреляторы степени разряженности ХИТ [1-3].

Дальнейшее развитие методики диагностирования состояния источников тока целесообразно провести в области шумовой спектроскопии. Привлечение этого независимого метода позволит значительно повысить достоверность получаемых результатов и с большей точностью определить степень разряженности ХИТ.

К преимуществам метода, основанного на регистрации шумов, следует отнести то, что он является пассивным, то есть проведение соответствующих измерений не предполагает какого-либо возмущения электрохимической системы внешними воздействиями и может использоваться для неразрушающего контроля исследуемых объектов.

2. Регистрация и обработка электрохимических шумов ХИТ.

В качестве объекта исследования рассматривали литиевые ХИТ (ЛХИТ), в частности, литий-тионилхлоридные элементы, которые в настоящее время широко используются в качестве источников автономного электропитания.

Электрохимические шумы ЛХИТ обусловлены характерными процессами активации и пассивации при работе как литиевого анода, так и пористого углеродного катода. По мере разряда и саморазряда меняется состояние и состав обоих электродов, меняется степень микро- и макрогетерогенности, локальной или общей запассивированности электродов, что отражается на флуктуациях напряжения.

© Бобов К.Н., Кубанцев И.С., Луковцев В.П., Петренко Е.М., 2016 г.

Так, на поверхности катода формируется и растет пленка нерастворимых продуктов электрохимического процесса, в основном хлорида лития и серы. Указанные продукты блокируют поверхность углеродного катода и забивают его поры. Неравномерность распределения продуктов реакции вызывает флуктуации потенциала катода, вносящие вклад в электрохимические шумы ЛХИТ.

Растворяющийся в ходе разряда литиевый анод также претерпевает изменения, связанные как с трансформацией пассивной пленки, так и с неравномерностью растворения лития. Это в той или иной степени сказывается на внутреннем сопротивлении разряжаемого элемента и на потенциале литиевого электрода.

Указанные явления на разных стадиях разряда могут быть разными, что должно отражаться на шумовых характеристиках.

Для исследования электрохимических шумов ЛХИТ разработано устройство, в котором учтена необходимость регистрации малых сигналов, уровень которых сравним с фундаментальными джонсоновскими шумами. Также учтено наличие большого уровня постоянной составляющей напряжения ЛХИТ (более 3,6 В), существенно подавляющего предельно малые шумовые сигналы (менее ± 1 мкВ). Это устройство, помимо высокой чувствительности, не требует компенсации постоянной составляющей шумовых сигналов. То есть, исключается влияние шумов, неизбежное при использовании любого компенсатора.

Разработанное программное обеспечение позволяет, наряду с необходимыми функциями задания-измерения параметров эксперимента, построить для каждого типа ХИТ калибровочную кривую, представляющую собой зависимость информативной характеристики от степени разряженности элемента.

В основных узлах устройства регистрации и обработки электрохимических шумов ХИТ используются интегральные микросхемы фирмы Analog Device. Эти узлы включают в себя малошумящий, 24-х разрядный аналогоцифровой преобразователь, USB блок преобразования сигналов и передачи их в ПК.

Внешний вид устройства представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид устройства

Пример калибровочной кривой, построенной на основании оценки степени разряженности литиевых ХИТ фирмы Tadiran (SL-2780) представлен на рисунке 2.

степень разряженности, % Рис. 2. Пример калибровочной кривой для ЛХИТ 8Ь-2780

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 16-29-09375).

Заключение

Установлено, что шумовая спектроскопия может быть использована для диагностики состояния (степени разряженности) ХИТ.

Разработанное аппаратурно-программное обеспечение позволяет проводить регистрацию малых шумовых сигналов (менее ± 1мкВ) на уровне постоянной составляющей напряжения ЛХИТ более 3,6 В без компенсации, а также осуществлять обработку полученных результатов и построение калибровочных кривых. На примере ЛХИТ БЬ-2780 показана монотонность зависимости спектральной плотности шума источника от степени его разряженности.

Литература

1. Петренко, Е. М. Оценка состояния литиевых химических источников тока методом импедансной спектроскопии / Е.М. Петренко, А.В. Дрибинский, В.П. Луковцев, А.Л. Клюев // Электрохимическая энергетика. - Саратов, 2010. - Т. 10, № 3. - С. 128-132.

2. Патент на изобретение №2295139 от 21.04.2005 А.В Дрибинский, В.П.Луковцев, Е.М.Максимов, З.А. Ротенберг

3. Луковцев, В. П. Оценка степени разряженности тионилхлоридно-литиевых источников тока по их импедансным характеристикам / В.П. Луковцев, З.А. Ротенберг, А.В. Дрибинский, Е.М. Максимов, В Н. Урьев // Электрохимия. 2005. Т. 41, № 10. С. 1234-1238.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.