富液式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、通信等設(shè)備提供能源。電解液液位直接影響蓄電池的存儲(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。其中, 酸性蓄電池電解液為硫酸 (H2SO4) 水溶液[1], 堿性蓄電池電解液為氫氧化鉀 (KOH) 和氫氧化鈉 (Na OH) [1]。目前, 測(cè)量蓄電池液位的方法主要是浮球法, 該方法是安裝式的, 并且只能測(cè)量液位的***高點(diǎn)和較低點(diǎn), 無法隨身攜帶, 亦無法連續(xù)測(cè)量液位信號(hào)。

  本文利用電容測(cè)量原理、提出電容式蓄電池液位計(jì)的測(cè)量方法, 該方法能連續(xù)測(cè)量液位信號(hào), 便于攜帶, 且廉價(jià)、可批量生產(chǎn)。該產(chǎn)品能更好保護(hù)蓄電池安全、可靠運(yùn)行。

  電容式蓄電池液位計(jì)采用電容測(cè)量原理, 敏感元件主要由內(nèi)極板、絕緣套、屏蔽管構(gòu)成。敏感元件垂直于液面插入電解液, 插入深度為H, 如圖1所示。

  圖中, 1為內(nèi)極板直徑, cm;2為絕緣套外徑, cm;3為屏蔽管內(nèi)徑, cm;L為測(cè)量區(qū)長度, cm, 量程由L決定。屏蔽管與電解液是電導(dǎo)通, 可看作一體。安裝區(qū)的內(nèi)極板與屏蔽管構(gòu)成寄生電容C1, 內(nèi)極板底面與電解液構(gòu)成寄生電容C2, C1, C2為常數(shù)。內(nèi)極板柱面與電解液構(gòu)成電容[2,3]CH (p F)

式中εr2為絕緣套的相對(duì)介電常數(shù)。

測(cè)量區(qū)未插入電解液部分, 內(nèi)極板與屏蔽管構(gòu)成電容, 電介質(zhì)有空氣、絕緣套兩種, 空氣部分的電容為C3 (p F) , 絕緣套部分的電容為C4 (p F) 。

式中εr1為空氣的相對(duì)介電常數(shù)。

敏感元件簡化前等效電路如圖2 (a) 所示。

令總寄生電容為C0, 則

由于C1, C2均為常數(shù), 則C0亦為常數(shù)。

令測(cè)量區(qū)未插入電解液部分總電容為C5, 有

簡化后等效電路如圖2 (b) 所示。令敏感元件總電容為C, 有

式 (1) ~式 (4) 代入式 (5) , 有

由于C0, εr1, εr2, 1, 2, 3, L均為常數(shù), 則H和C呈線性關(guān)系。

電容式蓄電池液位計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求為體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶、耐酸堿腐蝕。依據(jù)以上要求, 電容式蓄電池液位計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電容式蓄電池液位計(jì)由敏感元件、電路、液晶顯示器組成。敏感元件內(nèi)極板選用紫銅、絕緣套選用聚四氟乙烯、屏蔽管為碳, 外殼、絕緣尺選用ABS塑料, 電源選用9 V疊層電池。1, 2, 3, L, H選取適當(dāng)值, 使C0約為5 p F, 電容變化量約為25 p F。

考慮到廉價(jià)、便于批量生產(chǎn), 計(jì)算單元采用模/數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換器ICL7106, 零點(diǎn)、滿量程調(diào)整采用電位器。電路包括采集電路、整形及積分電路、差分及顯示電路。

采集電路、整形及積分電路中含有溫度補(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)相同的電路, 在差分及顯示電路中, 兩電路輸出經(jīng)減法運(yùn)算, 結(jié)果作為自變量計(jì)算出液位。

1) 采集電路

采集電路采用雙555定時(shí)器ICM556, 組成2個(gè)多諧振蕩器, 如圖4所示。

由C, Cl, Rl1, Rl2和一個(gè)555定時(shí)器組成一路多諧振蕩器, 采集液位電容信號(hào), 輸出頻率[2,4]為fl, 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

2) 整形及積分電路

多諧振蕩器輸出信號(hào)的頻率和脈寬都隨電容變化而變化, 通過整形使脈寬不變, 然后積分, 如圖5所示。

由Rl3, Cl1和一個(gè)555組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器, 用于整形采集信號(hào);由Rj3, Cj1和另一個(gè)555組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器, 用于整形溫度補(bǔ)償信號(hào)。取Rl3=Rj3, Cl1=Cj1, 整形后, 采集路和溫度補(bǔ)償路的頻率不變, 脈沖的脈寬、幅值均相等。令其脈寬[4]為Tw, 幅值為Uo, 則

由Rl4和Cl2組成積分電路, 用于積分采集信號(hào), 積分結(jié)果[5]為Vl, 有

實(shí)際使用時(shí), 常采用兩級(jí)以上積分電路, 同時(shí)可與Cj2并聯(lián)電位器, 用于調(diào)整零點(diǎn)。

3) 差分及顯示電路

顯示采用液晶顯示器, 差分采用ICL7106, 如圖6所示。

實(shí)際使用時(shí), 可在R1和R2之間加電位器, 用于調(diào)整滿量程。ICL7106把INC+端與INC-端電壓差值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換, 然后顯示。令I(lǐng)NC+端與INC-端的電壓差值為Vs, 則

Rj3, Rl4=Rj4, 并將式 (7) ~式 (9) , 代入式 (10) , 有

如圖7所示, 當(dāng)Cl=220 p F, C在5~25 p F范圍內(nèi)變化時(shí), C與近似呈線性關(guān)系, 即C與Vs近似呈線性關(guān)系, 也就是H與Vs近似呈線性關(guān)系。

去掉溫度補(bǔ)償路電路, 采集路電路保持不變, ICL7106的INC+端由固定電壓輸入, 如圖8所示。

令I(lǐng)NC+端的電壓為Ud, 則

將式 (7) ~式 (9) 代入式 (12) , 有

如圖9所示, 當(dāng)Cl=220 p F, C在5~25 p F范圍內(nèi)變化時(shí), C與近似呈線性關(guān)系。由于Ud亦為常數(shù), 則C與Vs近似呈線性關(guān)系, 也就是H與Vs近似呈線性關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)用電容式蓄電池液位計(jì)量程為0~80 mm, 電解液為H2SO4水溶液, 分別在5, 20, 35, 50℃溫度下, 同時(shí)分別測(cè)試0, 20, 40, 60, 80 mm處。

有溫度補(bǔ)償和無溫度補(bǔ)償時(shí), 電容式蓄電池液位計(jì)的***大誤差如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在5~50℃范圍內(nèi), 有溫度補(bǔ)償時(shí), 電容式蓄電池液位計(jì)準(zhǔn)確度優(yōu)于±3 mm;無溫度補(bǔ)償時(shí), 電容式蓄電池液位計(jì)準(zhǔn)確度優(yōu)于±6 mm。

電容式蓄電池液位計(jì)能夠方便地測(cè)量蓄電池液位。按該方法生產(chǎn)的產(chǎn)品, 既適用于電解液的液位測(cè)量, 也適用于電導(dǎo)率在200μS/cm以上所有液體的液位測(cè)量。

利用溫度補(bǔ)償電路輸出與實(shí)際測(cè)量電路輸出的差值作為計(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, 提高了液位計(jì)的準(zhǔn)確度。電容式蓄電池液位計(jì)耐酸堿腐蝕、電池供電、便于攜帶、廉價(jià), 可廣泛應(yīng)用于蓄電池研制、使用及維修, 同時(shí)也可應(yīng)用于汽車修理, 實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)合。