曹訓(xùn)訓(xùn)，段智高

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鉛酸蓄電池密度測(cè)量傳感器研究

曹訓(xùn)訓(xùn)，段智高

（武漢長(zhǎng)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(cè)量方法，分析了力學(xué)密度傳感器、振動(dòng)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(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

振動(dòng)管 聲學(xué) 光學(xué)

0 引言

鉛酸蓄電池是許多艦船的動(dòng)力源或應(yīng)急電源，蓄電池的電壓、電解液密度、安時(shí)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(cè)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(lái)測(cè)量，測(cè)量的速度慢、精度低，且不方便，可能對(duì)測(cè)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(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。

密度傳感器是鉛酸蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)的最重要部分，目前各行業(yè)按電解液密度的測(cè)量原理密度測(cè)量傳感器主要分為以下幾種：力學(xué)密度傳感器、振動(dòng)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(cè)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(cè)定物體所受的浮力能夠計(jì)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(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片受力的變化，應(yīng)變片將力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)信號(hào)處理單元，通過信號(hào)處理?yè)Q算將電解液密度值計(jì)算出來(lái)，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(dòng)載體上（如：艦船）時(shí)，懸臂梁的應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生額外變化，因此，其測(cè)量精度將會(huì)受到載體加速度的影響，即與靜態(tài)相比其測(cè)量精度將會(huì)降低；另一方面，當(dāng)被測(cè)液體內(nèi)部出現(xiàn)某種流動(dòng)（比喻蓄電池充電時(shí)），懸臂梁的應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生額外變化，這同樣會(huì)影響其動(dòng)態(tài)測(cè)量精度。其次，這種測(cè)量原理的傳感器懸線和懸梁無(wú)法與被測(cè)電解液隔離，液體中的一些物質(zhì)會(huì)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(cè)量精度下降。貼附物雜質(zhì)的清理工作費(fèi)時(shí)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(chǎng)無(wú)法維護(hù)，傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作性能差。以上原因說(shuō)明懸臂梁式液體密度傳感器的動(dòng)態(tài)性能先天不足，而且長(zhǎng)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(lái)。

2 U型振動(dòng)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(dòng)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(cè)液體吸進(jìn)U型振動(dòng)管后，振動(dòng)管的共振頻率發(fā)生變化。如果液體密度增大，振動(dòng)頻率會(huì)降低；如果液體密度減小，振動(dòng)頻率會(huì)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(cè)定振動(dòng)管的共振頻率，即可算出待測(cè)液體的密度。雙U型振動(dòng)管結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[1]。

圖2 雙U型振動(dòng)管式密度傳感器示意圖

該密度傳感器主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）測(cè)量精度高；2）儀器體積小，重量輕，便于攜帶；3）可測(cè)量實(shí)際密度，相對(duì)密度或濃度；4）具有溫度測(cè)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(shí)間后會(huì)吸進(jìn)電解液雜質(zhì)，雜質(zhì)會(huì)對(duì)吸管造成堵塞，使得傳感器長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性差，同時(shí)需要定期清洗雜質(zhì)，且現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)不便。其次，U型振動(dòng)管工藝生產(chǎn)精度要求較高，使用要求較高的場(chǎng)合需要從國(guó)外進(jìn)口專用相關(guān)元器件。然而，國(guó)防裝備對(duì)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(dòng)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(cè)量原理是利用超聲波在被測(cè)液體中的發(fā)生與接收來(lái)進(jìn)行液體密度測(cè)量。超聲波在被測(cè)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(huì)受到被測(cè)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(cè)液體的密度之間的關(guān)系來(lái)測(cè)量液體的密度[2]。式(1)表明：測(cè)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(cè)得超聲波從發(fā)射到接收過程所需要的時(shí)間就可計(jì)算出其在液體中的傳播速度，這種方法對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度要求較高[3]。超聲波式密度測(cè)量法測(cè)量原理示意圖如圖3所示。

超聲波密度測(cè)量法測(cè)量精度高，速度快，操作人員無(wú)需接觸液體，不會(huì)對(duì)人體造成傷害，有較好的應(yīng)用空間。但是有以下幾個(gè)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(shí)間后會(huì)產(chǎn)生較多雜質(zhì)附著在傳感器上，影響傳感器的測(cè)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(huì)影響測(cè)量精度；3）電解液粘度、寄生電容及電磁干擾會(huì)對(duì)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(cè)量折射率獲得[4]。光電式密度傳感器測(cè)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(jì)測(cè)量出折射率來(lái)獲得電解液密度。折光計(jì)測(cè)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(cè)量精度與所處載體加速度無(wú)關(guān)，實(shí)驗(yàn)證明被測(cè)液體的流動(dòng)與涌動(dòng)對(duì)密度測(cè)量精度僅僅有萬(wàn)分之一到萬(wàn)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(jì)。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(cè)量蓄電池內(nèi)部電解液的密度參數(shù)，測(cè)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(tái)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(duì)敏感器件的影響，即使經(jīng)過一段工作時(shí)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(chǎng)維護(hù)，不影響客戶的長(zhǎng)期使用，另外還可以通過添加過濾環(huán)節(jié)等方法延長(zhǎng)維護(hù)間隔時(shí)間。

5 結(jié)論

某型鉛酸蓄電池16個(gè)小時(shí)的全充電過程中，四種密度測(cè)量傳感器檢測(cè)顯示與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器DMA35N數(shù)字密度計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比如下圖5所示：注：

1）橫軸表示充電時(shí)間1至16小時(shí)，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(dòng)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(dòng)態(tài)測(cè)量、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及可現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)性方面的優(yōu)勢(shì)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(cè)量精度可長(zhǎng)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(gè)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(cè)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(shuō)明在鉛酸蓄電池電解液密度測(cè)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(shì)，將具備比較好的應(yīng)用前景。

[1] 密度測(cè)量?jī)x器, 美國(guó)專利[P]US3523446.

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

[3] 姚明林, 陳先中, 張爭(zhēng). 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(cè)控制、蓄電池參數(shù)測(cè)量。