鉛酸蓄電池極板檢測用反極表的設計與實現

朱浩宇

河北保定第一中學，河北保定 071051

0 引言

鉛酸蓄電池是目前大容量電池的主要品種，經過百余年的發展與完善以其成本低、電壓高、原材料豐富、制造工藝簡單而在通訊、交通、電力等部門得到了廣泛應用。結合高中化學我們所學的有關原電池內容，通過到蓄電池廠參觀學習，我了解到有關蓄電池的一些基本知識。

1 蓄電池的工作原理

所謂蓄電池即是貯存化學能量，于必要時放出電能的一種電化學裝置。構成鉛蓄電池的主要成份如下：1）陽極板（二氧化鉛PbO2）→ 活性物質；2）陰極板（海綿狀鉛Pb） → 活性物質；3）電解液（稀硫酸） → 硫酸.H2SO4+ 水 .H2O；4）電池外殼；5）隔離板；6）其它（排氣栓、蓋子等）。

1）放電中的化學變化

蓄電池在連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生如下反應，生成新化合物----硫酸鉛并在兩極間產生2V的電壓。

（陽極） （電解液） （陰極）

PbO2+ 2H2SO4+ Pb → PbSO4+ 2H2O + PbSO4

（放電反應）（二氧化鉛） （硫酸）（海綿狀鉛）

經由放電，硫酸成分從電解液中釋出，放電愈久，硫酸濃度愈稀薄。所消耗之成份與放電量成比例，只要測得電解液中的硫酸濃度，亦即測其比重，即可得知放電量或殘余電量。

2）充電中的化學變化

當給蓄電池外接電源充電時，會發生如下的反應：

（陽極）（電解液）（陰極）

PbSO4+ 2H2O + PbSO4→PbO2+ 2H2SO4+ Pb （充電反應）

（硫酸鉛） （水） （硫酸鉛）

很顯然，由于放電時在陽極板、陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸、鉛及二氧化鉛，因此電池內電解液的濃度逐漸增加，并逐漸恢復到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質已還原到可以再度供電的狀態。

2 反極表在蓄電池裝配中的作用

在蓄電池生產過程中除極板制造外，其裝配過程對蓄電池質量的影響也是非常關鍵的。

綜上所述，在復雜多層土質條件下，不同結構特征的筒型基礎沉貫施工會體現出極其復雜的性態。如何準確預測筒型基礎下沉阻力和合理施加控制下沉力仍然是筒型基礎應用問題的研究熱點，尤其筒型基礎結構型式、尺寸效應和多層復雜土質條件下，筒內外土體滲透率變化規律、吸力施加對筒內土塞響應模式及土塞運動對臨界吸力的提高機理等研究對于筒型基礎施工安全性態控制起著核心作用。

蓄電池裝配流程圖如下：

在整個流程中，裝殼、焊接、熱封為整個過程的關鍵控制過程，而在穿壁焊前的極群檢測就更為關鍵，若接反，罐酸后的輸出電壓只有8V，達不到標準的12V。

極群檢查首先要用萬用表測一下電池有沒有短路，如果測量出的電壓是零或者是接近零則證明電池短路，檢查極群并找出短路的位置進行修理。在檢查沒有短路的情況下，再用萬用表測量極群正負極間電壓是否出現負數，如果要是有的話，證明極性裝反，需顛倒重新裝入電池槽中。需要說明的是：由于極板是干式的，它的電壓非常微弱，一般的電壓表由于靈敏度不夠，常常出現測量誤差而造成質量問題，所以研制靈敏度更高的反極表對蓄電池裝配過程的質量控制具有一定的實用價值。

3 反極表內電路圖設計與實現

反極表要完成檢測任務，必須具備以下兩項基本功能：

1）由于極板間電壓在天氣干燥情況下只有幾微伏，要想測出他們之間電壓大小或極性，反極表必需具有足夠大的放大能力。

2）在正、負極板發生短路時能夠及時測試出來，表計指針不能有任何偏轉。

針對以上要求，本表在電路設計時核心器件決定采用集成運算放大器OP07。該集成芯片是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路，由于它具有非常低的輸入失調電壓，所以在很多應用場合不需要額外的調零措施，簡化了電路設計。同時，OP07 具有輸入偏置電流低和放大倍數高的特點，這種低失調、高放大能力的特性使得OP07 特別適用于測量儀表和放大傳感器的微弱信號等方面。

OP07 芯片引腳功能說明：

1和8 為偏置平衡(調零端)，2 為反向輸入端，3 為正向輸入端，4 為接地端，5 為空腳 ，6 為輸出端，7 為電源正極端。

根據引腳功能說明，我們設計出以下反極表內電路圖：

反極表電路圖

電路原理說明：由于OP07 是一種低噪聲、高穩定的集成電路，在很多應用場合不需要額外的調零措施，因此，為了簡化電路，將1、5、8 腳空置不用，其它管腳根據要求接線，其中7、4 腳接電源正負極，out+、 out-端接測量表頭，in+ 、in-端接測量用表筆。電路中由兩個大電容C1、C2 串聯分壓，構建虛擬地端out- ，這樣可以只用一個9V 疊層電池充當電源即可；R1、R3 構成負反饋放大環節，調整R1、R3 阻值大小比例，使電路可以獲得適當的放大倍數；而R2、R4 是平衡電阻，在輸入為零時，使輸出保持為零，表頭指針不發生偏轉；R5 是限流電阻，防止輸出電流過大而燒毀表頭。

反極表表頭選用靈敏度很高的磁電系儀表表頭，根據高中物理所學知識，知道它是由可動線圈中的電流產生的磁場與固定永久磁鐵磁場相互作用而工作的一類儀表，它廣泛地應用于直流電流和直流電壓的測量。與二極管元件配合，可以用于交流電流與電壓的測量；與變換電路配合，還可以用于功率、頻率、相位等其它電量的測量，還可以用來測量多種非電量，例如溫度，壓力等。

普通的萬用表表頭即是磁電系表頭，我們將報廢的萬用表測量線路拆除，調整游絲使指針指向中間，將焊接好的電路板固定在表盒內，按電路圖要求做必要的線路連接即可。

4 結論

該反極表采用集成電路作為測量線路的核心器件，具有體積小、靈敏度高、維護方便的特點。通過現場工人一段時間的使用，均反映表計工作穩定，性能可靠。現場工人通過表頭指針的正、反偏，很快就能判斷出極板擺放的正確與否，這對于提高產品質量和企業的經濟效益起到非常重要的作用。

[1]朱松然.蓄電池手冊[M].天津：天津大學出版社，2002.

[2]王漢橋.電子技術基礎[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3]賀令輝.電工儀表與測量[M].北京：中國電力出版社，2006.