基于γ射线的蓄电池密度探测器设计

王元委，陈 勇，李芳明，姜崇杰

（中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

蓄电池是一种以放电方式输出电能，以充电方式吸收、恢复电能的电源，蓄电池作为大、中型能量存储系统，可为汽车、船舶等动力设备提供重要的能源支持［1～3］。电动车辆的使用，可以有效改善因汽车尾气排放引起的城市污染问题［4，5］。同时，随着供电系统、推进电机、变频技术、微电子技术和信息技术等的迅猛发展，船舶电力推进技术开始得到实际应用。尤其是常规潜艇，蓄电池的存余电量直接关系到潜艇的续航能力，因此，蓄电池存余电量的测量是一项十分重要的工作。电解液密度是反映铅酸蓄电池状态的一个重要参数，蓄电池的存余电量与电解液密度具有线性关系，即通过电解液密度可测算出存余电量［6～9］。

目前，测量蓄电池电解液密度的最常用的方法有:音叉传感器测量法、放射性同位素测量法、线阵CCD（charge coupled device）测量法和超声波测量法等。依据蓄电池密度监测器的使用环境和测量精度需求，本文提出一种利用低能γ射线穿透吸收原理，采用放射性同位素测量法设计的基于γ射线的蓄电池密度监测器，能够快速、准确、在线测量出蓄电池电解液密度，是提高铅酸蓄电池的使用效益、工作寿命和可靠性，保障其处于最佳工作状态的重要手段。

1 工作原理

1.1 铅酸蓄电池工作原理

铅酸蓄电池的正极活性物质是PbO2，负极活性物质是粉状金属 Pb，电解液使用密度为1.20～1.30 g/cm3的H2SO4水溶液电解质，通过充放电反应进行工作［9］。铅酸蓄电池的工作方式分为充电状态和放电状态2种，分别对应不同的化学反应，且与H2SO4的密度有关联关系。

放电状态下，蓄电池连接负载，发生电池作用，正负两极均消耗H2SO4，两极板物质变为PbSO4，硫酸密度降低，电极反应化学方程式如下

充电状态下，蓄电池连接外电源，发生电解作用，两极板上的PbSO4通过电极反应产生H2SO4，H2SO4的密度增加，电极反应化学方程式如下

铅蓄电池充放电过程的总化学方程式为

1.2 γ射线电解液密度测量原理

γ射线与物质的相互作用包括光电效应、康普顿散射效应以及电子对生成效应等。低能γ射线只具有光电效应和康普顿散射效应，且光电效应占主要作用。当γ射线与物质相互作用时，原子壳层轨道电子吸收γ射线的全部能量后，转变为光电子，此时发生光电效应。光电效应截面与物质的原子序数Z4呈比例。康普顿散射效应为γ射线与物质相互作用时，原子壳层轨道电子吸收部分γ射线能量，并以一定角度发射出去。γ射线损失部分能量后，传播方向发生改变。由于γ射线与物质的相互作用导致部分γ射线被吸收，穿透的γ射线强度减弱。

铅酸蓄电池电解液为浓度为30% ～40%的H2SO4水溶液，在充放电过程中，其密度不断发生变化。放电状态下，蓄电池正负两极消耗H2SO4，电解液密度下降;充电状态下，正负两极生成H2SO4，电解液密度升高。铅酸蓄电池电解液中，S为重物质，H和O为轻物质。电解液密度较低时，重物质含量较少，轻物质含量较多，穿透的γ射线强度较强;电解液密度较高时，重物质含量较多，轻物质含量较少，穿透的γ射线强度较弱。依据穿透的γ射线强度即可测量铅酸蓄电池电解液的密度。

1.3 铅酸蓄电池电解液密度解析式及其线性化

低能γ射线穿透物质时，穿透强度按指数规律衰减，即

式中I0和I分别为γ射线穿透物质前后的强度;ρ为被测物质的密度;d为γ射线穿透物质的路径长度;μ为物质的质量吸收系数，与γ射线能量Er和物质成分有关，Er和物质成分确定后，μ视作常数。由式（1）两端取对数，并整理可得

式（1）和式（2）中的I0也被称为初始计数强度，通常可视为常数。设a=lnI0/μd，b=- μd-1，可得

由此可知，物质密度ρ与γ射线穿透强度I的对数为线性关系。式（3）中的常数a和b为标定常数，通常采用实验标定的方法确定。

当密度的变化范围较小时，I可由该段密度的平均计数强度与变化量ΔI的和替代，代入式（3）可得

由于（Δ）2＜1，将式（4）按级数展开，忽略高次项，可得

令A=a-b+bln，B=，可得

由上可知，密度变化范围较小时，密度ρ与γ射线穿透强度为线性关系。式（3）为密度的通用表达式，式（6）适用于密度变化范围较小的情况。

2 蓄电池密度探测器的设计与实现

2.1 测量装置结构设计

蓄电池密度探测器的结构设计要求为体积小、质量轻、方便安装和使用，防酸蚀、防潮湿、防震、抗冲击、抗电磁干扰、稳定可靠。依据以上要求，基于γ射线的蓄电池密度探测器结构如图1所示。

图1 基于γ射线的蓄电池密度探测器结构图Fig 1 Structure drawing of the accumulator density detector based on γ radial

测量装置由探测装置和测量电路两部分组成，通过螺纹连接在一起，成“L”形。

探测装置固定在蓄电池的上盖开口，横置于蓄电池电解液中，防止沉积物淤积到放射源端面上。探测装置由放射源和闪烁探测器构成，放置于直径较小的ABS塑料筒内，按穿透几何条件布局。放射源位于最前端，闪烁探测器置于放射源后方，相距适当距离，并在两者之间的筒壁上开若干长条形孔洞，便于测量流经的电解液。放射源和闪烁探测器需独立密封，以防H2SO4腐蚀。

测量电路部分装于直径较大的ABS塑料筒内，外漏在蓄电池外面。电源线和信号线通过电连接器分别与供电电源和监控室计算机相连。

2.2 测量电路设计

测量电路包括信号预处理电路和数据处理电路。

1）信号预处理电路

放射源发射的γ射线穿透被测电解液后，被由NaI闪烁晶体和光电倍增管组成的闪烁探测器接收。γ射线入射到晶体后，激发晶体原子产生的荧光被光电倍增管的光阴极接收并转换为光电子。在加速电场的作用下，光电子通过各个倍增极，在光电倍增管的阳极负载上输出负脉冲信号。闪烁探测器的输出信号幅度较小且参差不齐，是一个具有离散性的连续能谱分布，需经核电子学信号预处理电路，才能满足数据处理电路对脉冲信号的极性、幅度、宽度、频率等要求。信号预处理电路框图如图2所示。

图2 信号预处理电路框图Fig 2 Block diagram of signal preprocessing circuit

高压电源采用集成模块组件CC183P—01Y，输出电压200～1100 V连续可调，输出电流0.55 mA。+12 V电源经RC滤波电路后，为高压模块供电。高压电源为感性负载，使用小电阻可限制启动时大电流对高压电源的冲击，滤波电路还可以减小高压电源对其他电路的干扰，起隔离作用。

线性放大器采用仪表运算放大器INA110。放大器的输入信号极性为负，幅度为几十毫伏，线性放大后的输出信号极性为正，幅度约为几伏，仍为连续光谱。甄别成形电路用于滤除放大器输出信号中掺杂的小幅度干扰信号和噪声信号。甄别器采用电压比较器LM111，因输入的脉冲信号离散性很大，甄别阈电压的大小要适当，避免损失有效的小幅度脉冲信号。当脉冲信号幅度小于甄别阈时，甄别器无输出;当脉冲信号幅度大于甄别阈时，甄别器输出等幅脉冲信号。分频器依据数据处理电路计数器的长度选取分频倍率，输出等幅不等宽的TTL电平方波信号，供数据处理电路进行处理。

2）数据处理电路

数据处理电路主要为MSC1210Y5单片机。信号预处理电路传递的与电解液密度相关的脉冲信号，经单片机处理后，经 RS—232接口卡，将密度值传送到计算机中。MSC1210Y5内部集成了温度传感器，通过该传感器的温度数据补偿因温度引起的电解液密度误差。数据处理电路框图如图3所示。

测量电路采用+15 V电源供电，经稳压器和变换器后，生成+12，+5，-5 V电源供其他电路模块使用。

图3 数据处理电路框图Fig 3 Block diagram of data processing circuit

2.3 单片机程序设计

单片机程序通过计数信号预处理电路传递的与电解液密度相关的脉冲信号，通过该数据的平均值计算电解液的密度，利用单片机内部集成的温度传感器测量的温度数据，补偿因温度引起的电解液密度误差，并将处理结果通过RS—232协议在计算机中显示。单片机程序主要包括主程序和定时器中断服务程序2个部分。

主程序用于初始化设置，包括串口波特率设置、定时器中断设置、计数器设置和ADC求和设置等。主程序的流程图如图4所示。

图4 主程序流程图Fig 4 Flow chart of main program

MSC1210Y5具有2个波特率寄存器:T1和T2，其中，T2为专用寄存器。设置UART0的工作方式为异步全双工的通信方式，通过串口转换芯片，将信号转换为TTL电平后，送至计算机。

MSC1210Y5具有2个计数器:T0和T1。放射源在二分频工作状态下，每秒最多有63 000次脉冲，故将T0设为工作方式1，可计数65 536次脉冲信号。初始化时，将T1寄存器的TH0和TL0初值置为0x00。

MSC1210Y5内部ADC，具有4个8位求和移位寄存器。求和/移位寄存器设置为工作方式0，即单片机将数据写入求和寄存器，并与求和寄存器原有数据累加。

在定时器中断服务程序中，依据计数器T0中的数据计算铅酸蓄电池电解液的密度，并利用单片机内部温度传感器数据，补偿因温度引起的密度误差。定时器中断服务程序流程如图5所示。

MSC1210Y5内部包含3个定时器，分别为16位毫秒定时器、8位百毫秒定时器和8位秒中断寄存器。设置毫秒定时器产生1 ms的时钟周期作为百毫秒定时器的输入时钟，并生成100 ms的时钟周期，利用该时钟周期产生500 ms的中断信号。

图5 定时器中断服务程序流程图Fig 5 Flow chart of timer interrupts service program

3 实验

额定容量为105 A·h的铅酸蓄电池，在充放电过程中，使用精度为1%的密度计和基于γ射线的蓄电池密度探测器测量电解液密度，并对正极密度（ρ+）和负极密度（ρ-）进行比较。经计算可知，正负两极测量结果的均方根误差为±0.205%。

3.1 充电过程

充电电源电压为12V，电流约为8A。使用蓄电池密度探测器每隔2 h测量一次正负极电解液密度。由于电解液密度变化范围较小，电解液密度与计数强度采用式（6）的方式处理，测量结果如表1所示。由表可知，正负极电解液密度随充电过程缓慢上升，且负极密度略高于正极密度。

表1 充电过程中电解液密度测量结果Tab 1 Measurement result of electrolyte density in charging process

3.2 放电过程

铅酸蓄电池输出电压为12 V，输出电流为12 A。使用蓄电池密度探测器每隔1 h测量1次正负极电解液密度。电解液密度与计数强度的关系采用式（3）方式处理测量结果如表2所示。由表可知，正负极电解液密度随放电过程逐渐降低，且负极密度略高于正极密度。经计算可知，正负两极测量结果的均方根误差为±0.247%。

表2 放电过程中电解液密度测量结果Tab 2 Measurement result of electrolyte density in discharging process

4 结论

基于γ射线的蓄电池密度探测器是利用低能γ射线穿透吸收原理，采用放射性同位素测量法设计而成。通过测量蓄电池内部电解液密度，测算出蓄电池的存余电量。装置采用独特的“L”形结构，降低了沉积物对精度的影响，利用单片机对数据进行温度补偿与处理，进一步提升了装置的精度并丰富了数据的传输方式。该装置具有体积小、质量轻、耐酸碱、灵敏度高、可靠性强、使用方便、在线探测等优点。经实验测定，其正负两极测量结果的均方根误差可达到±0.205%。可在船舶、电动车辆等领域得到广泛的应用。

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