陳 勇，郭耀境，鄒向光，浦 龍，劉 焱，孫海雁

(中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

鉛酸蓄電池作為大中型能量存儲(chǔ)設(shè)備，可為船舶、機(jī)車、電力、通信等動(dòng)力設(shè)備提供能源。鉛酸蓄電池電解液是H2SO4水溶液，電解液液位直接影響鉛酸蓄電池的存儲(chǔ)能量和工作安全：液位過高，液體容易溢出，腐蝕其他物體、引起接線端子間短路等；液位過低，極板露出液面，存儲(chǔ)能量減少、降低蓄電池壽命等。

目前，測(cè)量鉛酸蓄電池液位的方法主要是浮球法，該方法既不能連續(xù)測(cè)量液位信號(hào)，也不能實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池對(duì)自身使用的傳感器供電，因此，有很大局限性。

本文利用電容測(cè)量原理、結(jié)合鉛酸蓄電池特點(diǎn)，提出了自供電鉛酸蓄電池液位的測(cè)量方法，該方法既能連續(xù)測(cè)量液位信號(hào)，也能實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池對(duì)自身使用的傳感器供電。該傳感器能夠更好保障鉛酸蓄電池安全、可靠運(yùn)行。

1 工作原理

1.1 鉛酸蓄電池工作原理

鉛酸蓄電池主要由正極板、負(fù)極板、電解液、電池槽、正極接線端子、負(fù)極接線端子組成。正極板活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極板活性物質(zhì)是Pb，電解液密度為1.100～1.300 g/cm3，通過充放電反應(yīng)工作。

放電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池連接負(fù)載，發(fā)生電池作用，正負(fù)兩極均消耗H2SO4，兩極板物質(zhì)變?yōu)镻bSO4和H2O；充電狀態(tài)下，鉛酸蓄電池連接外電源，發(fā)生電解作用，兩極板上的PbSO4通過電極反應(yīng)產(chǎn)生Pb，PbO2和H2SO4。鉛酸蓄電池充放電過程的總化學(xué)方程式[1]為

PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O

1.2 鉛酸蓄電池電解液液位電容測(cè)量原理

管型電容器由兩個(gè)同軸的圓柱面極板構(gòu)成，如圖1。

圖1 管型電容器示意

內(nèi)極板和外極板之間的電容值[2,4]為

(1)

式中CH為極板間電容值，pF；φ1,φ2,H分別為電容器內(nèi)極板直徑、外極板內(nèi)直徑、極板長度，cm；εr為相對(duì)介電常數(shù)。

電解液是導(dǎo)體，如果外極板換為電解液，則電解液與內(nèi)極板構(gòu)成電容器，式(1)仍成立，電解液液位高度H改變時(shí)，電容值CH隨之改變。

1.3 傳感器敏感元件引線引出方法

傳感器敏感元件垂直于液面插入鉛酸蓄電池電解液中，如圖2所示。

圖2 測(cè)量原理示意

內(nèi)極板與電解液構(gòu)成電容器C，負(fù)極接線端子與電解液之間存在0.28～0.42 V[4]的電勢(shì)E，則負(fù)極接線端子與內(nèi)極板引線之間的常態(tài)等效電路如圖3(a)所示。

圖3 測(cè)量原理等效電路

考慮到實(shí)際測(cè)量時(shí)，使用頻率較高交流信號(hào)對(duì)電容器充放電，此時(shí)可認(rèn)為E為通路，則負(fù)極接線端子與內(nèi)極板引線之間的交流等效電路如圖3(b)所示。

由此看出：內(nèi)極板電容值信號(hào)可通過內(nèi)極板引線引出；電解液電容值信號(hào)可通過負(fù)極接線端子引出，有

C=CH+C0

(2)

式中C0為內(nèi)極板底面與電解液之間構(gòu)成的電容值及其他固有電容值，可認(rèn)為是常數(shù)。式(1)代入式(2)，有

(3)

1.4 自供電實(shí)現(xiàn)

根據(jù)電解液電容值信號(hào)可通過負(fù)極接線端子引出的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池對(duì)傳感器自供電，如圖4所示。

圖4 自供電原理示意

鉛酸蓄電池輸出電壓為1.8～2.2 V[4]，通過升壓電路升到3.3 V，供測(cè)量電路使用。負(fù)極接線端子到測(cè)量電路連線在升壓電路內(nèi)部是導(dǎo)通的，可作為電解液電容值信號(hào)到測(cè)量電路的引出線，與電源線公用。

2 自供電鉛酸蓄電池液位傳感器設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自供電鉛酸蓄電池液位傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求為體積小、質(zhì)量輕、方便安裝，防酸蝕、防潮濕、防震、抗電磁干擾。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自供電鉛酸蓄電池液位傳感器結(jié)構(gòu)示意

自供電鉛酸蓄電池液位傳感器由敏感元件、測(cè)量電路、升壓電路、外殼等組成，垂直于液面安裝于鉛酸蓄電池頂部。

敏感元件內(nèi)極板為紫銅棒，敏感元件電介質(zhì)為聚四氟乙烯，外殼為ABS塑料，屏蔽盒為碳鋼。電源電連接器用于電源輸入，輸出電連接器用于信號(hào)輸出。

2.2 測(cè)量電路及溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

測(cè)量電路包括信號(hào)采集電路和數(shù)據(jù)處理電路，信號(hào)采集電路和數(shù)據(jù)處理電路中又含有溫度補(bǔ)償電路。溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)與實(shí)際測(cè)量電路及元件參數(shù)相同電路，在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)，兩電路輸出經(jīng)除法運(yùn)算，結(jié)果作為自變量計(jì)算出液位。

1)信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路采用雙555定時(shí)器ICM7556，組成2個(gè)多諧振蕩器，如圖6所示。

圖6 信號(hào)采集電路原理

由C，CL，RL1，RL2和一個(gè)555定時(shí)器組成一路多諧振蕩器，采集液位電容值信號(hào)，輸出頻率[3,5]fL為

(4)

由Cj,Rj1,Rj2和另一個(gè)555定時(shí)器組成另一路多諧振蕩器，溫度補(bǔ)償,輸出頻率為fj

(5)

令式(5)與式(4)的比值為x，有

(6)

取Cl=Cj，RL1=Rj1，RL2=Rj2，并將式(4)、式(5)代入式(6)，有

C=Cjx-Cj

(7)

將式(7)代入式(3)，有

(8)

H=kx-b

(9)

由于φ1，φ2，εr，C0，Cj均為常數(shù)，則k，b亦為常數(shù)，并可通過標(biāo)定得出。fL，fj可由單片機(jī)采樣得到，通過式(6)和式(9)，可得到液位高度。

2)數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)處理電路主要為MSC1210單片機(jī)和光電耦合器。有2種連接方法，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理電路框圖

圖7(a)中，單片機(jī)由升壓電路供電，信號(hào)fL，fj直接輸入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后，成為液位信號(hào)，再經(jīng)過光電耦合器，通過RS—232接口傳輸?shù)胶罄m(xù)電路，優(yōu)點(diǎn)是傳感器完全由鉛酸蓄電池供電。圖7(b)中，單片機(jī)由后續(xù)電路供電，信號(hào)fL，fj經(jīng)過光電耦合器輸入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后，變成液位信號(hào)，直接通過RS—232接口傳輸?shù)胶罄m(xù)電路，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省鉛酸蓄電池電能。2種連接方法采用相同的程序設(shè)計(jì)。

2.3 程序設(shè)計(jì)

自供電鉛酸蓄電池液位傳感器程序包括主程序和中斷服務(wù)程序2部分。主程序的流程如圖8(a)所示,中斷服務(wù)程的流程如圖8(b)所示。

圖8 程序流程

3 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用自供電鉛酸蓄電池液位傳感器量程為0～80 mm,分別測(cè)試0,20,40，60，80 mm處。采用105A·h的鉛酸蓄電池拆裝成單體蓄電池后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

閑置狀態(tài)，電解液密度不同,最大誤差如表1所示。

表1 閑置狀態(tài)

充放電狀態(tài)，充電電流為8 A，放電電流為7 A,最大誤差如表2所示。

表2 充放電狀態(tài) mm

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不論閑置狀態(tài)，還是充放電狀態(tài)，自供電鉛酸蓄電池液位傳感器均能正常工作,液位測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±3 mm。

4 結(jié) 論

自供鉛酸電蓄電池液位傳感器能夠連續(xù)測(cè)量鉛酸蓄電池液位，并利用鉛酸蓄電池電能給自身使用的傳感器供電，極大地方便了使用。利用溫度補(bǔ)償電路輸出頻率與實(shí)際測(cè)量電路輸出頻率比值作為計(jì)算液位的自變量，消除了因半導(dǎo)體器件溫度漂移產(chǎn)生的誤差，提高了傳感器的精度。該傳感器功耗小，對(duì)大中型鉛酸蓄電池影響可忽略不計(jì)，可廣泛應(yīng)用于船舶、機(jī)車、電力、通信等行業(yè)。

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