自供電鉛酸蓄電池液位傳感器設(shè)計

陳 勇，郭耀境，鄒向光，浦 龍，劉 焱，孫海雁

(中國電子科技集團公司 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設(shè)備，可為船舶、機車、電力、通信等動力設(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，存儲能量減少、降低蓄電池壽命等。

目前，測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)測量液位信號，也不能實現(xiàn)鉛酸蓄電池對自身使用的傳感器供電，因此，有很大局限性。

本文利用電容測量原理、結(jié)合鉛酸蓄電池特點，提出了自供電鉛酸蓄電池液位的測量方法，該方法既能連續(xù)測量液位信號，也能實現(xiàn)鉛酸蓄電池對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、負極板、電解液、電池槽、正極接線端子、負極接線端子組成。正極板活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負極板活性物質(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，鉛酸蓄電池連接負載，發(fā)生電池作用，正負兩極均消耗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量原理

管型電容器由兩個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，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 測量原理示意

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

圖3 測量原理等效電路

考慮到實際測量時，使用頻率較高交流信號對電容器充放電，此時可認為E為通路，則負極接線端子與內(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)極板電容值信號可通過內(nèi)極板引線引出；電解液電容值信號可通過負極接線端子引出，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，可認為是常數(shù)。式(1)代入式(2)，有

(3)

1.4 自供電實現(xiàn)

根據(jù)電解液電容值信號可通過負極接線端子引出的特點，可實現(xiàn)鉛酸蓄電池對傳感器自供電，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，供測量電路使用。負極接線端子到測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到測量電路的引出線，與電源線公用。

2 自供電鉛酸蓄電池液位傳感器設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

自供電鉛酸蓄電池液位傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求為體積小、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輸出。

2.2 測量電路及溫度補償電路設(shè)計

測量電路包括信號采集電路和數(shù)據(jù)處理電路，信號采集電路和數(shù)據(jù)處理電路中又含有溫度補償電路。溫度補償電路設(shè)計與實際測量電路及元件參數(shù)相同電路，在單片機程序設(shè)計時，兩電路輸出經(jīng)除法運算，結(jié)果作為自變量計算出液位。

1)信號采集電路

信號采集電路采用雙555定時器ICM7556，組成2個多諧振蕩器，如圖6所示。

圖6 信號采集電路原理

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

(4)

由Cj,Rj1,Rj2和另一個555定時器組成另一路多諧振蕩器，溫度補償,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)，并可通過標定得出。fL，fj可由單片機采樣得到，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，單片機由升壓電路供電，信號fL，fj直接輸入單片機，經(jīng)單片機處理后，成為液位信號，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)點是傳感器完全由鉛酸蓄電池供電。圖7(b)中，單片機由后續(xù)電路供電，信號fL，fj經(jīng)過光電耦合器輸入單片機，經(jīng)單片機處理后，變成液位信號，直接通過RS—232接口傳輸?shù)胶罄m(xù)電路，優(yōu)點是節(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。

2.3 程序設(shè)計

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 驗

實驗用自供電鉛酸蓄電池液位傳感器量程為0～80 mm,分別測試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行實驗。

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

實驗結(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,液位測量準確度優(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。利用溫度補償電路輸出頻率與實際測量電路輸出頻率比值作為計算液位的自變量，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，對大中型鉛酸蓄電池影響可忽略不計，可廣泛應(yīng)用于船舶、機車、電力、通信等行業(yè)。

[1] 王元委，陳 勇，李芳明，等.基于γ射線的蓄電池密度探測器[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(2)：127-130.

[2] 齊立峰，劉智敏，徐興燁，等.一種電容式液位傳感器的設(shè)計[J].華東科技：學(xué)術(shù)版，2012(9)：25-26.

[3] 張精華，祁 欣，張 魏.蓄電池液位傳感器[J].傳感器技術(shù)，2003，22(3)：51-53.

[4] 徐曼珍.新型蓄電池原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2004：21-29.

[5] 李一封，吳振陸，樊海紅.電容式液位傳感器的設(shè)計[J].廣東海洋大學(xué)學(xué)報，2015，35(1)：90-93.