Рассказываем как способ подключения прибора к АКБ влияет на измеренные значения.
Как упоминалось в первой статье, существует ряд факторов, которые могут повлиять на измерение импеданса. Сравнение результатов без учёта этих факторов приведёт к неверной интерпретации.
Например, невозможно сравнить показания, если для подключения аккумулятора к измерительному прибору используются две клеммы, а не четыре. Мы объясним почему.
Чтобы разобраться в различиях показаний измерительных приборов, необходимо понимать принцип четырёхточечного подключения, также известного как подключение по Кельвину, и мы рассмотрим его тоже.
Величина импеданса АКБ
Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают очень низким сопротивлением, а значит, способны выдавать большие токи. Отсюда и большой ток короткого замыкания, указанный в технических характеристиках аккумулятора, например, 2500 А для аккумулятора 12 В 80 Ач.
Два примера импеданса для типичных АКБ в режиме ожидания при температуре +25 °C:
- HRL 12-75X (VRLA AGM 12В / 75Aч) = 0,0052 Ом (5,2 мОм)
- 2SLA800 (VRLA AGM 2В / 820Aч) = 0,000206 Ом (0.206 мОм)
Чтобы получить представление о величине сопротивления, давайте сопоставим типичное сопротивление аккумулятора с сопротивлением медного провода сечением 1,5 мм² (0,0115 Ом/м). Эквивалентная длина провода для сопротивлений упомянутых АКБ составляет 452 мм и 18 мм.
Как видите, сопротивление батареи невелико, что затрудняет измерение и может привести к ошибкам.
Измерения
Для получения результатов было использовано следующее оборудование.
- Тестер АКБ. Чаще всего, в полевых условиях мы используем Midtronics CellUltra 6000, но в данном случае, для наглядности был использован Hioki BT3554 из-за особенности конструкции его измерительных щупов.
- Два полностью заряженных аккумулятора VRLA AGM 12 В 200Ач с номинальным (паспортным) внутренним сопротивлением 2,5мОм. В эксплуатации около двух лет.
- Луженые латунные «батарейные» клеммные лепестки ГОСТ 22376-77. Нередко их называют клеммными метками.
Был проведён ряд измерений с использованием различных типов соединений между тестером аккумуляторов и аккумулятором, и результаты приведены в таблице ниже.
Каждое измерение было повторено 5 раз и взято среднее значение. Если результат измерения отличался от среднего более чем на 5% он браковался как невалидный и измерение повторялось.
Фотографии и подробная информация о соединениях приведены далее.
Как видите, показания для одной и той же батареи сильно различаются в зависимости от способа подключения.
Соединения по Кельвину
Чтобы измерить импеданс аккумулятора, к нему прикладывают тестовый сигнал и измеряют его реакцию на напряжение.
Но стоит помнить, что сопротивление измерительных проводов имеет тот же порядок, что и сопротивление аккумулятора, поскольку длина измерительных проводов между аккумулятором и измерительным прибором обычно больше метра.
Например:
Общее сопротивление измерительных проводов составляет 2,0 мОм, а сопротивление батареи — 2,5 мОм. Погрешность, вносимая сопротивлением измерительных проводов, существенна по сравнению с сопротивлением батареи; в идеале сопротивление измерительных проводов должно быть равно 0 мОм, чтобы оно не оказывало никакого влияния, но это невозможно. Поэтому для точного измерения низкого сопротивления или низкого импеданса требуется метод измерения, который снижает влияние сопротивления измерительных проводов. Этого можно добиться с помощью четырёхпроводного соединения, также известного как соединение Кельвина.
Ниже приведена схема всех основных компонентов устройства для измерения импеданса, подключённого к батарее с помощью 4-проводного соединения.
На приведённой выше схеме видно, что цепи тестового сигнала и измерительного сигнала разделены. Ток тестового сигнала проходит только через провода тестового сигнала и аккумулятор. Благодаря разделению сопротивление проводов тестового сигнала не влияет на измерение.
В измерительной цепи протекает небольшой ток, который в данном случае можно считать равным нулю. Поскольку ток не протекает, на сопротивлении измерительного провода не возникает падения напряжения (закон Ома: U=R*I), поэтому вольтметр показывает напряжение только на сопротивлении батареи (сопротивление АКБ * ток тестового сигнала). Таким образом, влияние сопротивления измерительного провода практически устранено.
Как видите, четырёхпроводная методика позволяет учитывать сопротивление в тестовой цепи, не влияя на точность измерения. Эта методика не является уникальной для измерения аккумуляторов и широко используется в других приборах.
Дополнительное сопротивление
Показания аккумулятора, снятые при разных типах подключения, имеют широкий диапазон значений, даже если это один и тот же аккумулятор.
- Батарея 1: от 2710 до 3393 мкОм
- Батарея 2: от 2790 до 3295 мкОм
Разброс значений обусловлен различными способами подключения измерительного прибора к батарее. Наиболее точные показания получаются при подключении к батарее с помощью четырёх контактов; наименее точные — при подключении измерительного прибора к болту.
Ниже приведена электрическая модель, которая показывает появление дополнительного сопротивления на пути тока, например, болта, шайбы/гайки, клеммы аккумулятора и т. д.
Когда в измерительный контур, по которому проходит ток тестового сигнала, вводится дополнительное сопротивление, оно становится частью измерения и, следовательно, измеренные значения возрастают.
Портативный измерительный прибор против постоянного мониторинга
Наиболее точные показания были получены при 4-проводном подключении с использованием четырёх измерительных лепестков. Такой тип подключения возможен при использовании постоянного мониторинга, но не очень удобен для портативного прибора.
При использовании многоточечного подхода щупы для портативного прибора могут создавать кельвиновское соединение, но расстояние между точкой измерения и точкой подачи сигнала невелико и постоянно, поэтому подключение к четырем клеммам аккумулятора невозможно.
Примеры измерительных щупов для подключения по Кельвину (4 провода) приведены ниже.
На рисунках выше вы видите, что у измерительного зонда есть два остроконечных щупа, прокалывающих оксидный слой, разделенных изоляцией. Таким образом, тестовый сигнал и измерительные цепи разделены.
Сведения о подключении
№4 Соединение измерительным жгутом проводов, подключенных к четырем лепесткам на двух батарейных клеммах
Несколько слов о подключении №4 в таблице выше.
Тестовый сигнал подаётся с помощью больших зажимов «крокодил» на фото, а сигнальный сигнал — с помощью зажимов поменьше. Оба сигнала подключаются с лепесткам на клеммах АКБ.
Этот результат очень похож на результат при подключении 3 и обеспечивает сопоставимые значения при подключении портативного датчика и постоянного монитора батареи. Таким образом, это рекомендуемые точки подключения при сравнении результатов измерений портативного датчика и постоянного мониторинга системы в «боевых» условиях.
!!! На своих объектах для упрощения регулярных измерений в ходе плановых ТО ИБП и обеспечения их валидности, мы, как правило, используем измерительные лепестки. Благо, в Санкт-Петербурге есть производства, которые до сих пор выпускают всю номенклатуру наконечников и лепестков (клеммных меток) для АКБ. В случае монтажа систем мониторинга АКБ, использование лепестков полагаем обязательным.
# 5 Соединение с четырьмя клеммами и четырьмя лепестками
В системах оперативного постоянного тока (СОПТ) широкое распространение получили АКБ, имеющие более одной пары клемм, что позволяет строить более отказоустойчивые системы и снижать сопротивление соединений и перемычек по сравнению с системами, построенными на АКБ с одной парой клемм. Пример банка АКБ с более чем одной клеммой на полюс на фото (не наше - взято из открытых источников)
К сожалению, в нашем распоряжении для проведения тестовых измерений не оказалось стационарных АКБ, имеющих более одной пары клемм, поэтому рисунок ниже, иллюстрирующий соединения для измерений таких АКБ пришлось сгенерировать.
Тестовый сигнал подаётся через большие зажимы типа «крокодил» на одну пару клемм батареи, а измерительный сигнал подключается к другой паре клемм. Оба сигнала подключаются с помощью лепестков на клеммах батареи.
Такое подключение обеспечивает самые низкие и точные показания для аккумулятора, поскольку в измерительной цепи нет дополнительного сопротивления, но такой способ подключения подходит только для систем постоянного мониторинга аккумуляторов.
Ниже приведена электрическая модель четырёхконтактного соединения. На модели видно, что ток тестового сигнала не проходит по цепи A-2, поэтому дополнительное сопротивление в цепях A-1 и A-2 не влияет на измерение импеданса.
Краткие выводы
Из результатов измерений видно, что расположение датчика очень важно, так как оно сильно влияет на показания.
Значение показаний также сильно зависит от типа подключения. При измерении на батарее с несколькими выводами измеренное значение зависит от количества выводов, используемых при измерении.
Невозможно сравнить результаты, получаемые портативным прибором, использующим два контакта на батарее, с постоянным мониторингом батареи, использующим четыре контакта на батарее, даже если они используют один и тот же тестовый сигнал/метод.
При сравнении полученных измерений импеданса необходимо проявлять осторожность и понимание.
Чтобы подробнее ознакомиться с темой измерения импеданса АКБ, изучите другие статьи из этой серии