鉛酸蓄電池密度測量傳感器研究

曹訓(xùn)訓(xùn)，段智高

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鉛酸蓄電池密度測量傳感器研究

曹訓(xùn)訓(xùn)，段智高

（武漢長海電力推進(jìn)和化學(xué)電源有限公司，武漢 430064）

研究船用鉛酸蓄電池電解液密度測量方法，分析了力學(xué)密度傳感器、振動管式密度傳感器、聲學(xué)量密度傳感器、光學(xué)量密度傳感器等測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

振動管 聲學(xué) 光學(xué)

0 引言

鉛酸蓄電池是許多艦船的動力源或應(yīng)急電源，蓄電池的電壓、電解液密度、安時容量等參數(shù)直接影響到艦船的可靠運(yùn)行。蓄電池工作狀態(tài)是否正常，什么狀態(tài)充電，什么狀態(tài)添加蒸餾水，電解液的密度值，溫度值等都需要準(zhǔn)確測量。一般情況下，上述數(shù)值都需要人工利用標(biāo)準(zhǔn)儀器儀表來測量，測量的速度慢、精度低，且不方便，可能對測量人員身體造成傷害。為了減輕工作量，提高工作效率，保護(hù)人身安全，研制生產(chǎn)合適的鉛酸蓄電池檢測系統(tǒng)至關(guān)重要。

密度傳感器是鉛酸蓄電池檢測系統(tǒng)的最重要部分，目前各行業(yè)按電解液密度的測量原理密度測量傳感器主要分為以下幾種：力學(xué)密度傳感器、振動管式密度傳感器、聲學(xué)密度傳感器、光學(xué)密度傳感器等。

1 力學(xué)懸臂梁密度傳感器

力學(xué)量密度傳感器測量液體密度是利用阿基米德原理，即物體完全浸沒在液體中所受的浮力與液體密度成正比關(guān)系，通過測定物體所受的浮力能夠計算出液體的密度。典型懸臂梁密度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，浸沒在電解液中的浮球所受重力與浮力的合力作用于懸臂梁應(yīng)變片，電解液密度的變化會導(dǎo)致應(yīng)變片受力的變化，應(yīng)變片將力信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)胶罄m(xù)信號處理單元，通過信號處理換算將電解液密度值計算出來，最終傳輸?shù)絻x表或其它終端進(jìn)行顯示。

懸臂梁的應(yīng)變程度受浮力、重力及環(huán)境載體（蓄電池電解液）加速度的共同影響，當(dāng)這種密度傳感器安裝在運(yùn)動載體上（如：艦船）時，懸臂梁的應(yīng)力也會產(chǎn)生額外變化，因此，其測量精度將會受到載體加速度的影響，即與靜態(tài)相比其測量精度將會降低；另一方面，當(dāng)被測液體內(nèi)部出現(xiàn)某種流動（比喻蓄電池充電時），懸臂梁的應(yīng)力也會產(chǎn)生額外變化，這同樣會影響其動態(tài)測量精度。其次，這種測量原理的傳感器懸線和懸梁無法與被測電解液隔離，液體中的一些物質(zhì)會在虹吸的作用下貼附其上，進(jìn)而改變了浮力和懸臂梁的整體彈性模量，最終使傳感器的測量精度下降。貼附物雜質(zhì)的清理工作費(fèi)時費(fèi)力，技術(shù)復(fù)雜，甚至需要重新安裝，一般情況下此類工作需要返廠由專業(yè)人員進(jìn)行。這些缺陷導(dǎo)致船員現(xiàn)場無法維護(hù)，傳感器長期穩(wěn)定工作性能差。以上原因說明懸臂梁式液體密度傳感器的動態(tài)性能先天不足，而且長期工作穩(wěn)定性差，維護(hù)不便，這些弱點(diǎn)已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中顯露出來。

2 U型振動管式密度傳感器

U型管式密度傳感器一般采用溫度屬性及彈性較好的石英玻璃制成雙U型振動管，其工作原理是利用電子反饋系統(tǒng)將其維持在諧振狀態(tài)，當(dāng)被測液體吸進(jìn)U型振動管后，振動管的共振頻率發(fā)生變化。如果液體密度增大，振動頻率會降低；如果液體密度減小，振動頻率會升高。校準(zhǔn)后，諧振頻率與管內(nèi)液體密度之間有確定的關(guān)系。因此通過測定振動管的共振頻率，即可算出待測液體的密度。雙U型振動管結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[1]。

圖2 雙U型振動管式密度傳感器示意圖

該密度傳感器主要有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：1）測量精度高；2）儀器體積小，重量輕，便于攜帶；3）可測量實(shí)際密度，相對密度或濃度；4）具有溫度測量及溫度補(bǔ)償功能。

由于蓄電池鉛酸電解液的特殊環(huán)境，U型管式密度傳感器工作一段時間后會吸進(jìn)電解液雜質(zhì)，雜質(zhì)會對吸管造成堵塞，使得傳感器長期工作穩(wěn)定性差，同時需要定期清洗雜質(zhì)，且現(xiàn)場維護(hù)不便。其次，U型振動管工藝生產(chǎn)精度要求較高，使用要求較高的場合需要從國外進(jìn)口專用相關(guān)元器件。然而，國防裝備對進(jìn)口元器件的使用有一定的比例限制。上述這些缺陷嚴(yán)重限制了U型振動管式密度傳感器的應(yīng)用發(fā)展。

3 超聲波密度傳感器

超聲波液體密度測量原理是利用超聲波在被測液體中的發(fā)生與接收來進(jìn)行液體密度測量。超聲波在被測液體中是以縱波的形式傳播的機(jī)械波，一般頻率高于 20 kHz，其傳播速度公式為

式（1）中，表示超聲波在液體中的傳播速度，表示液體的密度，是系數(shù)。

超聲波在液體中傳播的衰減度、速度、頻率、相位等會受到被測液體性質(zhì)的影響，因此，可以利用超聲波某些傳播參數(shù)與被測液體的密度之間的關(guān)系來測量液體的密度[2]。式(1)表明：測得超聲波在某液體中的傳播速度v就可以算出該液體的密度ρ，一般情況下，測得超聲波從發(fā)射到接收過程所需要的時間就可計算出其在液體中的傳播速度，這種方法對時間的測量精度要求較高[3]。超聲波式密度測量法測量原理示意圖如圖3所示。

超聲波密度測量法測量精度高，速度快，操作人員無需接觸液體，不會對人體造成傷害，有較好的應(yīng)用空間。但是有以下幾個缺點(diǎn)：1）傳感器受電解液液體雜質(zhì)影響比較大，鉛酸蓄電池使用一段時間后會產(chǎn)生較多雜質(zhì)附著在傳感器上，影響傳感器的測量精度和穩(wěn)定性； 2）傳感器的生產(chǎn)工藝要求較高，其結(jié)構(gòu)也會影響測量精度；3）電解液粘度、寄生電容及電磁干擾會對傳感器有影響。

4 光學(xué)量密度傳感器

大量理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液體密度與光穿過液體的折射率具有線性相關(guān)性，液體密度可以通過測量折射率獲得[4]。光電式密度傳感器測量電解液密度正是利用了折射率與密度之間特定的關(guān)系，可以通過折光計測量出折射率來獲得電解液密度。折光計測量溶液密度是一種比較成熟的技術(shù)法。折射率是物質(zhì)的一種重要的物理參數(shù)，反應(yīng)了物質(zhì)的內(nèi)在基本性質(zhì)。折射率與介質(zhì)本身的信息相關(guān)，外界條件一定下，掌握折射率的變化情況就可以知道物質(zhì)的光學(xué)性能、密度、濃度等物理性質(zhì)。常用光學(xué)密度傳感器示意圖如圖4所示。

圖4 光學(xué)密度傳感器示意圖

光學(xué)密度傳感器的測量精度與所處載體加速度無關(guān)，實(shí)驗(yàn)證明被測液體的流動與涌動對密度測量精度僅僅有萬分之一到萬分之二的影響，與普通用戶千分之五的要求相比這種影響可以忽略不計。其次，光學(xué)密度傳感器工作方式為接觸式，顯著優(yōu)點(diǎn)是直接測量蓄電池內(nèi)部電解液的密度參數(shù)，測量光路通過光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)，全部封閉在傳感器內(nèi)部，光路可以保證穩(wěn)定可控，不受平臺狀態(tài)及液體中復(fù)雜多變的環(huán)境影響，徹底杜絕了電解液中粘附物沿懸線的虹吸作用對敏感器件的影響，即使經(jīng)過一段工作時間后有粘附物粘附在玻璃窗口上也可以很方便的通過擦拭進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)，不影響客戶的長期使用，另外還可以通過添加過濾環(huán)節(jié)等方法延長維護(hù)間隔時間。

5 結(jié)論

某型鉛酸蓄電池16個小時的全充電過程中，四種密度測量傳感器檢測顯示與標(biāo)準(zhǔn)計量儀器DMA35N數(shù)字密度計測量結(jié)果對比如下圖5所示：注：

1）橫軸表示充電時間1至16小時，縱軸表示蓄電池電解液密度值（單位：g/cm3）。

2）I型--：力學(xué)密度傳感器；II型-：U型振動管式密度傳感器；Ⅲ型：超聲波密度傳感器；IV型：光學(xué)密度傳感器。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光學(xué)密度傳感器在動態(tài)測量、長期穩(wěn)定性及可現(xiàn)場維護(hù)性方面的優(yōu)勢是懸臂梁式密度傳感器、U形管式密度傳感器和超聲波密度傳感器不具備的。經(jīng)過精益的工藝生產(chǎn)，光學(xué)密度傳感器密度測量精度可長期維持在千分之三以內(nèi)。

我所研制生產(chǎn)的光電密度傳感器經(jīng)過三個月的實(shí)船使用，經(jīng)歷蓄電池全充電、大電流放電等工況，電解液密度測量精度始終維持在千分之三以內(nèi)。

上述研究分析及實(shí)際應(yīng)用說明在鉛酸蓄電池電解液密度測量應(yīng)用上光學(xué)密度傳感器相比其它類型三種密度傳感器有明顯優(yōu)勢，將具備比較好的應(yīng)用前景。

[1] 密度測量儀器, 美國專利[P]US3523446.

[2] 張欲曉, 樊尚春. 液體密度傳感器.計測技術(shù)[J]. 2006, 26（1）: 1-3, 20.

[3] 姚明林, 陳先中, 張爭. 超聲波液體密度傳感器.傳感器技術(shù)[J]. 2005, 24,（5）, 57-60.

[4] 郁道銀, 談恒英. 工程光學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998, 11: 67-89.

Research on Sensor for Testing Lead-acid Battery Density

Cao Xunxun, Duan Zhigao

(Wuhan Changhai Limited Company of Electric Propulsion and Electrochemical Power Source, Wuhan 430064, China)

TM331

A

1003-4862（2018）01-0016-03

2017-10-15

曹訓(xùn)訓(xùn)（1983-），男，工程師。研究方向：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測控制、蓄電池參數(shù)測量。