2.3 Баллистический гальванометр
Измерение количества электричества, кратковременно протекающего в цепи, осуществляют с помощью баллистического гальванометра, а измерение количества электричества, длительно протекающего в цепи, - с помощью интегрирующих устройств - счетчиков количества электричества, называемых также счетчиками ампер-часов.
Баллистический гальванометр предназначен для измерения количества электричества, проходящего через цепь при кратковременных импульсах тока. Подвижной частью прибора является прямоугольная рамка с намотанной на неё тонкой изолированной проволкой, подвешенная на упругой нити между полюсами магнита, где она может совершать вращательные колебания.
Баллистический гальванометр отличается от обычного тем, что момент инерции J его подвижной части специально увеличен. Достигается это тем, что к раме гальванометра прикрепляют полый цилиндр из мягкого железа. Увеличивая момент инерции рамки, этот цилиндр сильно увеличивает период собственных крутильных колебаний рамки.
На рамку с током в магнитном поле действует момент сил
М=[pxB],
где p =I•S - магнитный момент рамки, S - площадь рамки, B - индукция магнитного поля, в которое помещена рамка, I=dq/dt - сила тока, dq - количество заряда, прошедшего через рамку за время dt.
Этот момент сил придает угловое ускорение рамке
Е=dw/dt
Из уравнения динамики вращательного движения
M=J•E,
или
dq/dt•S•B=J•dw/dt
следует, что dq=dw•J/S/B, или
w=q•S•B/J.
Это означает, что заряд, быстро прошедший через гальванометр дает толчок рамке и придает ей угловую скоростью w, пропорциональную этому заряду. Далее возникают колебания, в которых кинетическая энергия Jw²/2 переходит в энергию упругой деформации kα²/2, где k - коэффициент кручения упругой нити, на которой укреплена рамка.
Отсюда видно, что угол отклонения пропорционален начальной угловой скорости, а значит и полному заряду, прошедшему через рамку:
α=w(J/k)½=q•S•B/(J•k)½
q=α•(J•k)½/SB
Таким образом баллистическим гальванометром можно измерить заряд, прошедший через рамку гальванометра.
2.4 Счетчик ампер-часов
Измерение количества электричества, израсходованного в цепи постоянного тока, производится счетчиками ампер-часов. Применяются магнитоэлектрические и электролитические счет чики.
3. Пример измерения количества электричества при техническом обслуживании и ремонте автомобилей.
Количество электричества используется в аккамуляторной батарее автомобиля.
Аккумулятоpная батаpея, устройство и эксплуатация:
1 – отpицательная пластина;
2 – сепаpатоp;
3 – положительная пластина;
4 – пpедохpанительная сетка;
5 – баpетка;
6 – штыpь;
7 – моноблок;
8 – уплотнительная мастика;
9 – положительный вывод;
10 – пpобка наливного отвеpстия;
11 – межэлементная пеpемычка;
12 – кpышка;
13 – отpицательный вывод.
Если при наружном осмотре батареи обнаружено подтекание электролита через трещины в стенках корпуса, в крышках или в заливочной мастике, то батарея должна быть снята с автомобиля и направлена в ремонт.
Очистка батареи от загрязнений, окислов и электролита производится ветошью, смоченной в 10%-ном растворе нашатырного спирта или кальцинированной соды. Наконечники проводов после очистки смазываются тонким слоем технического вазелина или маслом для двигателя и плотно закрепите на выводных штырях батареи.
Уровень электролита должен быть на 10–15 мм выше пластин.
Понижение уровня электролита во время эксплуатации обычно происходит за счет испарения воды, поэтому для пополнения электролита в аккумуляторную батарею дистиллированную воду. Применение водопроводной воды запрещается, так как в ней имеются примеси (хлор, железо и др.), которые разрушают батарею.
Автомобильная аккумуляторная батарея предназначена для электроснабжения стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания и других потребителей электроэнергии при неработающем генераторе или недостатке развиваемой им мощности. Работая параллельно с генераторной установкой, батарея устраняет перегрузки генератора и возможные перенапряжения в системе электрооборудования в случае нарушения регулировки или при выходе из строя регулятора напряжения, сглаживает пульсации напряжения генератора, а также обеспечивает питание всех потребителей в случае отказа генератора и возможность дальнейшего движения автомобиля за счет резервной емкости.
Наиболее мощным потребителем энергии аккумуляторной батареи является электростартер. В зависимости от мощности стартера и условий пуска двигателя сила тока стартерного режима разряда может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. Сила тока стартерного режима разряда резко возрастает при эксплуатации автомобилей в зимний период (пуск холодного двигателя).
Батарея на автомобиле входит в состав не только системы электростартерного пуска, но и других систем электрического и электронного оборудования.
После разряда на пуск двигателя, и питание других потребителей батарея подзаряжается от генераторной установки. Частое чередование режимов разряда и заряда (циклирование) - одна из характерных особенностей работы батарей на автомобилях.
При большом разнообразии выпускаемых моделей автомобилей и климатических условий их эксплуатации, в массовом производстве батарей наряду с определением оптимальных экономических параметров должное внимание уделяется их унификации, повышению надежности и сроков службы. Надежность и срок службы аккумуляторных батарей находятся в прямой зависимости от технического уровня их конструкций и условий работы на автомобиле.
Обычно аккумуляторные батареи на автомобилях после пуска двигателя работают в режиме подзаряда и сконструированы таким образом, чтобы развивать достаточную мощность в кратковременном стартерном режиме разряда при низких температурах.
Аккумуляторная батарея накапливает электрический заряд путем обратимых химических реакций. В результате разряда батареи образуется сульфат свинца, который имеет большое сопротивление примерно десятки Мегаом. При заряде он разрушается, разлагаясь на губчатый свинец, серную кислоту и др. При глубоких разрядах или хронических недозарядах области прерытые сульфатом свинца увеличиваются, образуя сплошную корку, которая блокирует доступ электролита к активной части материала. Уменьшается колличество вещества способного вступать в реакцию, уменьшается реальная ёмкость аккумуляторной батареи. Для десульфатизации необходимо производить длительный заряд (12-24 часа) малыми токами. В процессе заряда химические реакции начинают затрагивать сульфат свинца лежащий на краях засульфатированных областей, их размер уменьшается и ёмкость батареи восстанавливается. При использовании неавтоматизированных устройств для заряда аккумуляторных батарей происходит выкипание электролита. Зарядные устройства ОРИОН контролируют напряжение на аккумуляторе и отдают ровно столько тока, сколько батарея способна взять.
При разряде и заряде аккумулятор отдает во внешнюю цепь или получает от зарядного устройства определенное количество электричества.
Количество электричества, отдаваемое аккумуляторной батареей в пределах допустимого разряда, называют разрядной емкостью:
Ср = Iр*tp
Зарядная емкость:
Сз=Iз*tз
где tз - продолжительность заряда.
Разрядная емкость зависит от количества заложенных в аккумуляторе активных материалов и степени их использования. Количество активных материалов в стартерных аккумуляторных батареях даже при номинальных разрядных токах в 2-3 раза превышает теоретически необходимое. Полное использование заложенных в батареи активных материалов невозможно, так как обеднение электролита в порах и резкое снижение напряжения происходит раньше, чем израсходуются внутренние слои пористых активных веществ электродов и серная кислота электролита в моноблоке.
Коэффициент использования активных материалов свинцового аккумулятора зависит от условий разряда. Его снижение происходит при увеличении плотности разрядного тока и понижении температуры. При длительных режимах разряда свинцовых аккумуляторов в течение 20-50 ч использование активных материалов составляет 50-60%, тогда как при коротких стартерных разрядах - 5-10%. С увеличением электропроводности электролита, пористости активных веществ, с уменьшением толщины электродов и плотности тока использование активных материалов выше.
При равных значениях начальной и конечной пористости лучше используется активное вещество положительных электродов.
При высоких плотностях активного вещества имеют место неравномерное распределение поляризации по толщине электродов и замедление процесса поступления серной кислоты в зоны реакции. Вследствие закупорки пор сульфатом свинца, разрядный процесс протекает в основном на наружной поверхности электродов, где плотность тока может быть более, чем в 10 раз выше ее значения в толще активного вещества.
Неполное (на 60-65%) использование активных, веществ при малых плотностях разрядного тока связано с изоляцией отдельных участков пористого вещества электродов сульфатом свинца и, как следствие, отсутствием единого электронопроводящего каркаса электрода.
В аккумуляторах, предназначенных для работы в стартерных режимах разряда, использование активных материалов и отдача по емкости могут быть повышены за счет снижения толщины электродов.
Список использованных источников:
Куликовский В.Л., Купер В.Я «Методы и средства измерений: Учебное пособие для ВУЗов» -М.:Энергоатомиздат, 1988-448с.
Соловьев В.А., Яхонтова В.Е. «Основы измерительной техники»-Л.: Издательство Ленинградского университета,1980.