Диагностика химических источников тока- Обзор

ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Рассмотрены пути повышения достоверности оценки степени разряженности первичных химических источников тока в результате использования не применявшихся ранее акустических методических подходов, а также комплексирования и совместной интерпретации данных акустической, импедансной и шумовой спектроскопии.

Диагностика электрохимических объектов, в том числе оценка состояния (разряженности) химических источников тока

Предлагается повысить достоверность диагностики ХИТ путём разработки новых методов акустической спектроскопии. В настоящей работе рассмотрены методические подходы к диагностике электрохимических объектов на основе акустической спектроскопии. Полученные результаты могут интерпретироваться совместно с результатами импедансных и шумовых методов диагностики.

Следует отметить, что проведение подобных исследований позволит детально рассмотреть физико-химические процессы, протекающие в источниках тока, и оценить их влияние на текущее состояние тестируемой электрохимической системы, определяемое, в первую очередь, степенью разряжен-ности первичных ХИТ.

Не вызывает сомнений тот факт, что в процессе разряжения ХИТ происходят изменения его физико-химической структуры, химического состава входящих в электрохимическую систему компонентов, механических и электрических характеристик. Этот процесс влияет на массоперенос и перераспределение масс. Перечисленные изменения могут быть обнаружены в результате анализа соответствующих (акустических и электрических) откликов на акустические воздействия, а также путём исследования внутренней структуры тестируемого объекта с использованием ультразвуковой дефектоскопии. Совместное рассмотрение результатов импедансной и шумовой спектроскопии до и после акустических воздействий также должно повысить надёжность и достоверность диагностики ХИТ. Помимо этого можно предположить, что в процессе разряда изменяются параметры акустической эмиссии, которые можно зарегистрировать и также использовать в процессе оценки состояния ХИТ. Разрабатываемые подходы также могут быть использованы для отбраковки первичных ХИТ.

Целями предлагаемого анализа результатов акустической спектроскопии электрохимических объектов являются формулирование основных направлений исследований, поиск подходов к разработке конструктивных схем и способов регистрации результатов, создание эффективных методов обработки данных.

В работе также рассматриваются вопросы применения ранее разработанных методов энергетического анализа акустических волновых полей, дифракционной томографии с управляемым облучением и эмиссионной томографии.

Описываемые подходы и технические решения носят априорный характер и будут уточняться и совершенствоваться в процессе дальнейших исследований и интерпретации полученных экспериментальных результатов.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

1. Анализ спектров откликов ХИТ на акустическое (механическое) импульсное воздействие

Первичный химический источник тока как механическая и электрическая система характеризуется собственной резонансной кривой, амплитудно-частотной характеристикой и набором механических и электрических параметров. В процессе разряжения ХИТ эти показатели чутко реагируют на изменения его физико-химической структуры, на перераспределение масс и могут использоваться для оценки состояния источника.

Результаты экспериментальных исследований, включая регистрацию акустических и электрических переходных процессов после импульсных воздействий, послужат основой для выработки способов обработки данных, которые ориентированы на выделение характерных сигналов и интегральных параметров, пригодных для классификации ХИТ по степени разряженности.

Для реализации данного подхода в процессе дальнейших исследований должны

быть разработаны и опробованы различные конструктивные решения, включающие в том числе регистрацию и анализ кривых напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) источника тока.

Анализ подобных графиков показывает, что во многих случаях кривые НРЦ искажаются низкочастотным трендом разного характера и высоким уровнем наводок электрической сети.

Для получения стабильных экспериментальных результатов должны быть разработаны необходимые методические и алгоритмические приёмы для подавления указанных аддитивных помех.

Результаты экспериментальных исследований, включая регистрацию акустических и электрических переходных процессов после импульсных воздействий, послужат основой для выработки способов обработки данных.

2. Анализ влияния акустических (ультразвуковых) монохроматических воздействий на изменение электрических характеристик ХИТ (включая параметры импе-дансной и шумовой спектроскопии)

Под воздействием излучателя гармонического сигнала в испытуемом образце формируется стационарное волновое поле на частоте излучения. Характер распределения регистрируемых амплитуд и фаз монохроматического сигнала будет определяться структурой исследуемого объекта. Вектор из п значений измеряемых параметров волнового поля (амплитуд и фаз) может быть использован для оценки внутреннего состояния объекта.

Надёжность диагностики состояния ХИТ может быть повышена путём анализа и совместной интерпретации данных импе-дансной и шумовой спектроскопии и других электрических показателей до и после акустических воздействий. Будут проанализированы и разработаны различные конструктивные схемы, в том числе иммерсионные (погружение объекта в жидкую среду)

Пример записи напряжения разомкнутой цепи: а — полная длительность записи НРЦ (340 с), виден характер низкочастотного тренда записи, примерный размах тренда 0.02 В; б — фрагмент записи НРЦ длительностью 0.3 с вблизи отметки 150 с, можно оценить характер шума НРЦ, примерный размах случайных

колебаний составляет 0.0000025 В

3. Контроль акустический эмиссии

4. Применение ультразвуковой импульсной дефектоскопии для диагностики ХИТ

Ультразвуковая дефектоскопия основана на излучении и приёме коротких ультразвуковых импульсов. О состоянии объекта судят путём оценки времён прихода импульсов, отражённых от внутренних неод-нородностей. В данном случае можно использовать ультразвуковой дефектоскоп типа УД2-П (НПЦ «Кропус», г. Ногинск, Россия).

5. Применение импульсной ультразвуковой дефектоскопии ХИТ с использованием пространственных систем излучения и приёма сигналов

В основе алгоритма лежит представление о многоканальной записи как о совокупности реализаций случайного процесса с неизвестными корреляционными свойствами, на которые наложены самые общие ограничения. Эта совокупность может содержать или не содержать аддитивного регулярного сигнала конечной длительности и неизвестной формы. Запись на к-м канале имеет вид

Ук = / (?) + Ь (?),

Отношение сигнал/помеха понимается как отношение средних мощностей сигнала и помехи. Если момент регистрации сигнала неизвестен, а длительность его ограничена

во времени интервалом Тс, следует определять отношение сигнал/помеха во временном окне (/ — Тс/2, ? — Тс/2), скользящем по временной трассе. Для известных сигналов и помех, заданных дискретными временными рядами, это отношение имеет вид

С Z f 2(tn + tnAt)

£ D(tn + tnAt)

Таким образом, энергетический анализ основан на раздельном вычислении оценок средних мощностей сигнала Рс(0 и помехи Рп(0 в скользящем временном окне по экспериментальному материалу. Многоканальная запись предоставляет естественную возможность оценки этих величин как параметров случайного процесса у(0, заданного совокупностью К реализаций.

Состоятельными и асимптотически несмещёнными оценками средних мощностей сигнала и помехи для случайного процесса уь(0 будут случайные функции вида

In(tn, Tn) =

(1 — K)K • Tn .

J^yk (tn + iAt)

bi(t) = ^y1(tn + iAt),

где К — число реализации (каналов), по которому вычисляются оценки средних мощностей. Оценка отношения сигнал-помеха

для К реализаций случайного процесса имеет вид

р, , Рс(п Тс)

р(п = —.

Р п(/п, Тп)

Функция р(?п) в каждый момент времени оценивает соотношение регулярной и случайной компонент зарегистрированного случайного процесса как отношение средней мощности регулярного сигнала в окне

(П — Тс/2, 1п + Тс/2)

к средней мощности помех в окне

(1п — Тп/2, п + Тп/2).

Как правило, эти окна различны. Величина Тс должна быть согласована с ожидаемой длительностью сигнала, а величина Тп должна быть достаточна для получения устойчивых оценок мощности помехи и в то же время не настолько велика, чтобы компенсировать систематические изменения уровня помех по времени.

T = 6 ms

T = 32 ms

T = 80 ms

Yv4″^ А/Л —- v1.0 1.1 1.2

Влияние размера скользящего временного окна на оценки p(tn): a — трассы p(tn), вычисленные для различных интервалов осреднения (6, 32, 80 мс) по 12-канальной записи, б — сумма 12 каналов

Оценки отношения сигнал/помеха используются не только для обнаружения слабых сигналов по многоканальным данным, но и для решения многих других задач (синтез оптимальных адаптивных фильтров типа винеровских, в эмиссионной и дифракционной томографии, при построении и анализе многоступенчатых систем обработки данных, синтезе и выборе критериев распознавания и т. д.). Оценки вида р(?п) обладают более высокой помехоустойчивостью и разрешающей способностью по сравнению с простой суммой трасс

Для развития методов акустической спектроскопии предполагается использовать аппарат энергетического анализа волновых полей, адаптивной фильтрации, эмиссионной и дифракционной томографии.