ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2015, том 51, № 5, с. 517-519
УДК 541.13
ПРИБОРЫ УЧЕТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ НА ИНТЕГРАТОРАХ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ НА ОСНОВЕ СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКОВ © 2015 г. И. А. Горбунов1, Ф. А. Карамов
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева (КАИ), Казань, Россия Поступила в редакцию 18.07.2014 г.
В работе рассмотрены варианты создания устройств измерения и обеспечения учета потребления электрической энергии и определения интегрального показателя световой энергии на основе суперионных проводников. Экспериментально установлено, что схема измерения количества потребленного электричества и освещенности за определенный временной интервал работает практически без потребления энергии для питания самих измерительных устройств. Проведенные работы показали простоту построения и реализации подобных измерительных преобразователей.
Ключевые слова: суперионные проводники, интегрирующие элементы, интеграторы дискретного действия, измерительные устройства, авансовое потребление
Б01: 10.7868/80424857015050059
ВВЕДЕНИЕ
Достижения в области электроники и ионики твердого тела показывают перспективность использования суперионных или ионно-электрон-ных проводников при построении элементов функциональной электроники, таких как элементы аналоговой памяти, интегрирующие элементы, структуры с распределенными параметрами, резервные источники питания, датчики измерительных систем и т.д. [1—6]. Исследование возможности использования интегрирующих элементов на основе суперионных проводников - интеграторов дискретного действия (ИДД) [1] при разработке новых методов измерения и контроля параметров различных физических процессов и создание устройств для реализации этих методов является актуальной задачей.
Рассмотрено применение интегрирующих элементов на основе суперионных проводников — интеграторов дискретного действия при разработке новых методов измерения и контроля параметров различных физических процессов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Интегратор на основе суперионного проводника постоянного состава представляет собой трехслойную структуру:
Ме1|суперионный проводник Ме+ |Ме2,
1 Адрес автора для переписки: IAGorbunov@kai.ru (И.А. Горбунов).
где Ме1 и Ме2 — электроды. Первый электрод является поляризуемым для суперионного проводника, а второй — Ме2 — является обратимым электродным материалом. Принцип действия интегратора дискретного действия основан на электрохимическом накоплении [1] (или удалении) заданного количества электроактивного вещества на поверхности поляризуемого электрода током записи — и считывании записанной информации током считывания — /к противоположной полярности.
Характеристика выходного напряжения Е от физической величины т активного датчика имеет вид
Е (?) = кт(г), (1)
где к — коэффициент пропорциональности, ? — время.
Совмещение активного датчика и интегратора дискретного действия позволяет получить измерительное устройство (рис. 1), в котором ток записи Т^О за определенное время записи % интегрируется по входной физической величине, хранит ее значение и, при необходимости, считывается.
Заряд интегратора дискретного действия О в этом случае пропорционален интегралу изменения физической величины:
т т т
О = [^) Л = - [Е ^) л = - ¡т ^) (2)
0 0 0
518
R
ГОРБУНОВ, КАРАМОВ
m(t)
Т
E(t)
ИДД
Рис. 1. Функциональная схема определения интегрального показателя физической величины. Обозначения: 1 — активный датчик, m(t) — физическое воздействие, E(t) — напряжение, R — токозадающее сопротивление, ИДД — интегратор дискретного действия, Iw(t) — ток записи.
В основе построения систем измерения использовались явления э.д.с. индукции и фотоэффекта в запирающем слое [2—6].
На рис. 2 приведена функциональная схема устройства измерения и учета электрической энергии, где ток записи Iпропорционален входной физической величине (э. д. с. индукции). Этот ток интегрируется за определенное время записи.
В процессе работы устройства с ИДД, включенного в режим считывания, снимается заряд пропорциональный интегралу потребленного количества электроэнергии:
Qr =
j lR(t)dt = J
Ш
R
dt =
(3)
= j kmIm(t)dt = km j Im(t)dt,
I t
где и — индукционное напряжение на разомкнутых концах датчика тока, кт — коэффициент пропорциональности при э. д. с. индукции, 1т — измеряемый ток нагрузки за время интегрирования т.
По окончании рабочего вещества на блокирующем электроде ИДД увеличивается падение напряжения на его выводах, срабатывает пороговое устройство, и далее контактами исполнительного устройства разрывается цепь подачи электроэнергии потребителю. Возобновление подачи электроэнергии возможно при последующей оплате потребителем необходимого и заведомо известного ее значения, которое задается пропорционально емкости нового подключаемого ИДД. Особенности использования индукционного датчика тока и экспериментальные данные применения устройств учета электрической энергии подробно были рассмотрены в [2—4].
При считывании информации с ИДД, если необходимо представить ее в виде электрической
Рис. 2. Устройство учета потребления электрической энергии. Обозначения: А1 — индукционный датчик тока, А2 — электрохимический интегратор дискретного действия, А3 — масштабный усилитель, А4 — пороговое устройство, К1 — исполнительное устройство, 1^(0 — ток записи.
энергии (т.е. в ватт-часах), расход этой энергии Ц> определяется с учетом номинального напряжения в сети В связи с изменением напряжения сети возникает погрешность. С учетом колебания сетевого напряжения:
Up = UN ± AU,
(4)
где А и — изменение сетевого напряжения относительно номинального. Значение потребленной энергии будет равно:
Wp = U pI m T.
(5)
Тогда как предложенная система учета расхода электроэнергии, не учитывая изменение напряжения в сети, находит
Wn = UNlmT,
(6)
следовательно, относительная погрешность Е^ при измерениях потребленной энергии устройства учета будет равна
еw =
Wp - Wn Up - Un
WP
Up
±AU UN± AU'
(7)
Работа устройства определения интегрального показателя световой энергии (рис. 3) заключается в записи и последующем считывании с ИДД заряда, пропорционального интегралу потока светового излучения [5—6].
При малом уровне освещенности, фото-э. д. с. иС0 с очень высокой точностью пропорциональна падающему световому потоку, т.е. представляет собой линейную функцию принимаемого фото-
1
ПРИБОРЫ УЧЕТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ НА ИНТЕГРАТОРАХ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ
519
R
Рис. 3. Устройство определения интегрального показателя световой энергии. Обозначения: А1 — электрохимический интегратор дискретного действия, А2 — устройство считывания, ФЭ — фотоприемник.
диодом светового потока, охватывающую 5—6 порядков [7]:
Uco =
(8)
кТ1р = кГБФ
Я ¡0 ? ' где иС0 — напряжение на выводах фотоэлектронного преобразователя (ФЭ), к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, q — заряд электрона, 1Р — фототок ФЭ, 10 — темновой ток ФЭ, S — чувствительность ФЭ, Ф — поток излучения, принимаемого ФЭ.
Согласно формуле (2), получаем зависимость вида
е„ = J /„юл = J Mi dt =
I
kl P (t) R
R
dt = kS J ^t)dt.
(9)
Информация, преобразованная необходимым образом, поступает на ИДД с фотоприемника, работающего в фотогальваническом или фотоволь-таическом режиме, характерном для солнечных батарей [8]. Ширина спектра излучения определяется конструкцией фотоприемника и может лежать в диапазоне длин волн от инфракрасных до ультрафиолетовых. Продолжительность записи
определяется временным интервалом, за который необходимо определить поток световой энергии.
При последующем считывании с ИДД записанной информации фиксируется время считывания. Далее, зная величину потока световой энергии и время считывания, можно найти интегральный показатель световой энергии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показана возможность измерения количества потребленного электричества и освещенности за заданный временной интервал от активных датчиков (фотодиодного и индукционного типов) на интеграторах на основе твердых электролитов. Приведенные выше результаты, а также исследования [2—8] показали сравнительную простоту построения и реализации подобных измерительных преобразователей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Karamov F.A. Superionic Conductors: Heterostruc-tures and Elements of Functional Electronics Based on Them. Viva Books Private Limited. India, 2013. 250 p.
2. Горбунов И.А., Анамов Д.М., Карамов Ф.А. // Электрохимия. 2003. Т. 39. С. 679. [Gorbunov I.A., Anamov D.M., Karamov F.A. // Russ. J. Electrochem. 2003. V. 39. P. 609.]
3. Карамов Ф.А., Хайретдинов Р.М., Горбунов И.А., Анамов Д.М. // Тез. докл. конф. "Фундаментальные проблемы ионики твердого тела". М., Черноголовка: Изд-во ИПХФ РАН, 2004. С. 368.
4. Горбунов И.А., Карамов Ф.А. // Тез. докл. конф. "Фундаментальные проблемы ионики твердого тела". М., Черноголовка: Изд-во ИПХФ РАН, 2006. С. 369.
5. Карамов Ф.А., Горбунов И.А. // Электрохимия 2007. Т. 43. C. 630. [Gorbunov I.A., Karamov F.A. // Russ. J. Electrochem. 2007. V. 43. P. 603.]
6. Горбунов И.А. // Тез. докл. конф. "XVII Туполев-ские чтения: Международная молодежная научная конференция". Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2009. Том IV. С. 338.
7. Аш. Ж., Андре П., Бофрон Ж., Дегут П., Жувено К., Зельбштейн У. Датчики измерительных систем. Кн. 1. М.: Мир, 1992. 480 с.
8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн. 2. М.: Мир, 1984. 456 с.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.