自供电铅酸蓄电池液位传感器设计

陈 勇，郭耀境，邹向光，浦 龙，刘 焱，孙海雁

(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

铅酸蓄电池作为大中型能量存储设备，可为船舶、机车、电力、通信等动力设备提供能源。铅酸蓄电池电解液是H2SO4水溶液，电解液液位直接影响铅酸蓄电池的存储能量和工作安全：液位过高，液体容易溢出，腐蚀其他物体、引起接线端子间短路等；液位过低，极板露出液面，存储能量减少、降低蓄电池寿命等。

目前，测量铅酸蓄电池液位的方法主要是浮球法，该方法既不能连续测量液位信号，也不能实现铅酸蓄电池对自身使用的传感器供电，因此，有很大局限性。

本文利用电容测量原理、结合铅酸蓄电池特点，提出了自供电铅酸蓄电池液位的测量方法，该方法既能连续测量液位信号，也能实现铅酸蓄电池对自身使用的传感器供电。该传感器能够更好保障铅酸蓄电池安全、可靠运行。

1 工作原理

1.1 铅酸蓄电池工作原理

铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、电解液、电池槽、正极接线端子、负极接线端子组成。正极板活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极板活性物质是Pb，电解液密度为1.100～1.300 g/cm3，通过充放电反应工作。

放电状态下，铅酸蓄电池连接负载，发生电池作用，正负两极均消耗H2SO4，两极板物质变为PbSO4和H2O；充电状态下，铅酸蓄电池连接外电源，发生电解作用，两极板上的PbSO4通过电极反应产生Pb，PbO2和H2SO4。铅酸蓄电池充放电过程的总化学方程式[1]为

PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O

1.2 铅酸蓄电池电解液液位电容测量原理

管型电容器由两个同轴的圆柱面极板构成，如图1。

图1 管型电容器示意

内极板和外极板之间的电容值[2,4]为

(1)

式中CH为极板间电容值，pF；φ1,φ2,H分别为电容器内极板直径、外极板内直径、极板长度，cm；εr为相对介电常数。

电解液是导体，如果外极板换为电解液，则电解液与内极板构成电容器，式(1)仍成立，电解液液位高度H改变时，电容值CH随之改变。

1.3 传感器敏感元件引线引出方法

传感器敏感元件垂直于液面插入铅酸蓄电池电解液中，如图2所示。

图2 测量原理示意

内极板与电解液构成电容器C，负极接线端子与电解液之间存在0.28～0.42 V[4]的电势E，则负极接线端子与内极板引线之间的常态等效电路如图3(a)所示。

图3 测量原理等效电路

考虑到实际测量时，使用频率较高交流信号对电容器充放电，此时可认为E为通路，则负极接线端子与内极板引线之间的交流等效电路如图3(b)所示。

由此看出：内极板电容值信号可通过内极板引线引出；电解液电容值信号可通过负极接线端子引出，有

C=CH+C0

(2)

式中C0为内极板底面与电解液之间构成的电容值及其他固有电容值，可认为是常数。式(1)代入式(2)，有

(3)

1.4 自供电实现

根据电解液电容值信号可通过负极接线端子引出的特点，可实现铅酸蓄电池对传感器自供电，如图4所示。

图4 自供电原理示意

铅酸蓄电池输出电压为1.8～2.2 V[4]，通过升压电路升到3.3 V，供测量电路使用。负极接线端子到测量电路连线在升压电路内部是导通的，可作为电解液电容值信号到测量电路的引出线，与电源线公用。

2 自供电铅酸蓄电池液位传感器设计

2.1 结构设计

自供电铅酸蓄电池液位传感器的结构设计要求为体积小、质量轻、方便安装，防酸蚀、防潮湿、防震、抗电磁干扰。结构如图5所示。

图5 自供电铅酸蓄电池液位传感器结构示意

自供电铅酸蓄电池液位传感器由敏感元件、测量电路、升压电路、外壳等组成，垂直于液面安装于铅酸蓄电池顶部。

敏感元件内极板为紫铜棒，敏感元件电介质为聚四氟乙烯，外壳为ABS塑料，屏蔽盒为碳钢。电源电连接器用于电源输入，输出电连接器用于信号输出。

2.2 测量电路及温度补偿电路设计

测量电路包括信号采集电路和数据处理电路，信号采集电路和数据处理电路中又含有温度补偿电路。温度补偿电路设计与实际测量电路及元件参数相同电路，在单片机程序设计时，两电路输出经除法运算，结果作为自变量计算出液位。

1)信号采集电路

信号采集电路采用双555定时器ICM7556，组成2个多谐振荡器，如图6所示。

图6 信号采集电路原理

由C，CL，RL1，RL2和一个555定时器组成一路多谐振荡器，采集液位电容值信号，输出频率[3,5]fL为

(4)

由Cj,Rj1,Rj2和另一个555定时器组成另一路多谐振荡器，温度补偿,输出频率为fj

(5)

令式(5)与式(4)的比值为x，有

(6)

取Cl=Cj，RL1=Rj1，RL2=Rj2，并将式(4)、式(5)代入式(6)，有

C=Cjx-Cj

(7)

将式(7)代入式(3)，有

(8)

H=kx-b

(9)

由于φ1，φ2，εr，C0，Cj均为常数，则k，b亦为常数，并可通过标定得出。fL，fj可由单片机采样得到，通过式(6)和式(9)，可得到液位高度。

2)数据处理电路

数据处理电路主要为MSC1210单片机和光电耦合器。有2种连接方法，如图7所示。

图7 数据处理电路框图

图7(a)中，单片机由升压电路供电，信号fL，fj直接输入单片机，经单片机处理后，成为液位信号，再经过光电耦合器，通过RS—232接口传输到后续电路，优点是传感器完全由铅酸蓄电池供电。图7(b)中，单片机由后续电路供电，信号fL，fj经过光电耦合器输入单片机，经单片机处理后，变成液位信号，直接通过RS—232接口传输到后续电路，优点是节省铅酸蓄电池电能。2种连接方法采用相同的程序设计。

2.3 程序设计

自供电铅酸蓄电池液位传感器程序包括主程序和中断服务程序2部分。主程序的流程如图8(a)所示,中断服务程的流程如图8(b)所示。

图8 程序流程

3 实 验

实验用自供电铅酸蓄电池液位传感器量程为0～80 mm,分别测试0,20,40，60，80 mm处。采用105A·h的铅酸蓄电池拆装成单体蓄电池后进行实验。

闲置状态，电解液密度不同,最大误差如表1所示。

表1 闲置状态

充放电状态，充电电流为8 A，放电电流为7 A,最大误差如表2所示。

表2 充放电状态 mm

实验结果表明：不论闲置状态，还是充放电状态，自供电铅酸蓄电池液位传感器均能正常工作,液位测量准确度优于±3 mm。

4 结 论

自供铅酸电蓄电池液位传感器能够连续测量铅酸蓄电池液位，并利用铅酸蓄电池电能给自身使用的传感器供电，极大地方便了使用。利用温度补偿电路输出频率与实际测量电路输出频率比值作为计算液位的自变量，消除了因半导体器件温度漂移产生的误差，提高了传感器的精度。该传感器功耗小，对大中型铅酸蓄电池影响可忽略不计，可广泛应用于船舶、机车、电力、通信等行业。

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