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(Pb02 ),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H2 S04 ,两极板物质变为PbS04 和H2 0;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 PbS04 通过电极反应产生 Pb,Pb02 和H2 S04。铅酸蓄电池充放电过程的总化学方程式[I]为Pb02 +Pb +2H2 S04 台2PbS04 +2H2 0
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,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
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0.28-0.42V[4l 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.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。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=C"+c。C0为内极板底面与电解液之间构成的电容值与其他固有电容值,可认为是常数。
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。酸蓄电池输出电压为1.8~2. 2 y[4l, 通过升压电路升到3.3V, 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。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,垂直于液面安装千铅酸蓄电池顶部。
敏感元件内极板为紫铜棒,敏感元件电介质为聚四氪乙烯,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 电路设计与实际测蜇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。
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。
单片机由升压电路供电,信号!1.,f, 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,信号八 J 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。
3 实验
实验用自供电铅酸蓄电池液位传感器量程为 0- 80mm, 分别测试0,20 ,40 ,60 ,80 mm处。采用lOSA·h的铅酸蓄电池拆装成单体蓄电池后进行实验。
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,液位测措准确度优千土3mm。
4结论
自供铅酸电菩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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