電容式蓄電池液位計
摘要：針對蓄電池液位測量缺少合適的便攜式工具的問題, 利用電容原理, 設計了電容式蓄電池液位計;通過溫度補償, 提高了產品的準確度。詳細介紹了電容式蓄電池液位計的工作原理與設計方法。實驗結果表明:電容式蓄電池液位計的準確度優于±3 mm, 滿足使用要求。
0、引言:
富液式蓄電池作為大中型能量存儲設備, 可為船舶、機車、電力、通信等設備提供能源。電解液液位直接影響蓄電池的存儲能量和工作安全:液位過高, 液體容易溢出, 腐蝕其他物體、引起接線端子間短路等;液位過低, 極板露出液面, 存儲能量減少、降低蓄電池壽命。其中, 酸性蓄電池電解液為硫酸 (H2SO4) 水溶液[1], 堿性蓄電池電解液為氫氧化鉀 (KOH) 和氫氧化鈉 (Na OH) [1]。目前, 測量蓄電池液位的方法主要是浮球法, 該方法是安裝式的, 并且只能測量液位的***高點和較低點, 無法隨身攜帶, 亦無法連續測量液位信號。
本文利用電容測量原理、提出電容式蓄電池液位計的測量方法, 該方法能連續測量液位信號, 便于攜帶, 且廉價、可批量生產。該產品能更好保護蓄電池安全、可靠運行。
1、工作原理：
電容式蓄電池液位計采用電容測量原理, 敏感元件主要由內極板、絕緣套、屏蔽管構成。敏感元件垂直于液面插入電解液, 插入深度為H, 如圖1所示。
圖中, 1為內極板直徑, cm;2為絕緣套外徑, cm;3為屏蔽管內徑, cm;L為測量區長度, cm, 量程由L決定。屏蔽管與電解液是電導通, 可看作一體。安裝區的內極板與屏蔽管構成寄生電容C1, 內極板底面與電解液構成寄生電容C2, C1, C2為常數。內極板柱面與電解液構成電容[2,3]CH (p F)
圖1 測量原理示意
式中εr2為絕緣套的相對介電常數。
測量區未插入電解液部分, 內極板與屏蔽管構成電容, 電介質有空氣、絕緣套兩種, 空氣部分的電容為C3 (p F) , 絕緣套部分的電容為C4 (p F) 。
式中εr1為空氣的相對介電常數。
敏感元件簡化前等效電路如圖2 (a) 所示。
圖2 敏感元件等效電路
令總寄生電容為C0, 則
由于C1, C2均為常數, 則C0亦為常數。
令測量區未插入電解液部分總電容為C5, 有
簡化后等效電路如圖2 (b) 所示。令敏感元件總電容為C, 有
式 (1) ~式 (4) 代入式 (5) , 有
由于C0, εr1, εr2, 1, 2, 3, L均為常數, 則H和C呈線性關系。
2、電容式蓄電池液位計設計：
2.1、結構設計：
電容式蓄電池液位計的結構設計要求為體積小、質量輕、便于攜帶、耐酸堿腐蝕。依據以上要求, 電容式蓄電池液位計結構如圖3所示。
圖3 電容式蓄電池液位計結構示意
電容式蓄電池液位計由敏感元件、電路、液晶顯示器組成。敏感元件內極板選用紫銅、絕緣套選用聚四氟乙烯、屏蔽管為碳, 外殼、絕緣尺選用ABS塑料, 電源選用9 V疊層電池。1, 2, 3, L, H選取適當值, 使C0約為5 p F, 電容變化量約為25 p F。
2.2、電路設計：
考慮到廉價、便于批量生產, 計算單元采用模/數 (A/D) 轉換器ICL7106, 零點、滿量程調整采用電位器。電路包括采集電路、整形及積分電路、差分及顯示電路。
2.2.1、具有溫度補償電路設計：
采集電路、整形及積分電路中含有溫度補償電路。溫度補償電路設計與實際測量電路及元件參數相同的電路, 在差分及顯示電路中, 兩電路輸出經減法運算, 結果作為自變量計算出液位。
1) 采集電路
采集電路采用雙555定時器ICM556, 組成2個多諧振蕩器, 如圖4所示。
圖4 信號采集電路
由C, Cl, Rl1, Rl2和一個555定時器組成一路多諧振蕩器, 采集液位電容信號, 輸出頻率[2,4]為fl, 由Cj, Rj1, Rj2和另一個555定時器組成另一路多諧振蕩器, 溫度補償, 輸出頻率為
2) 整形及積分電路
多諧振蕩器輸出信號的頻率和脈寬都隨電容變化而變化, 通過整形使脈寬不變, 然后積分, 如圖5所示。
圖5 整形及積分電路
由Rl3, Cl1和一個555組成單穩態觸發器, 用于整形采集信號;由Rj3, Cj1和另一個555組成單穩態觸發器, 用于整形溫度補償信號。取Rl3=Rj3, Cl1=Cj1, 整形后, 采集路和溫度補償路的頻率不變, 脈沖的脈寬、幅值均相等。令其脈寬[4]為Tw, 幅值為Uo, 則
由Rl4和Cl2組成積分電路, 用于積分采集信號, 積分結果[5]為Vl, 有
實際使用時, 常采用兩級以上積分電路, 同時可與Cj2并聯電位器, 用于調整零點。
3) 差分及顯示電路
顯示采用液晶顯示器, 差分采用ICL7106, 如圖6所示。
圖6 差分及顯示電路示意
實際使用時, 可在R1和R2之間加電位器, 用于調整滿量程。ICL7106把INC+端與INC-端電壓差值進行A/D轉換, 然后顯示。令INC+端與INC-端的電壓差值為Vs, 則
Rj3, Rl4=Rj4, 并將式 (7) ~式 (9) , 代入式 (10) , 有
如圖7所示, 當Cl=220 p F, C在5~25 p F范圍內變化時, C與
近似呈線性關系, 即C與Vs近似呈線性關系, 也就是H與Vs近似呈線性關系。
2.2.2、無溫度補償電路設計：
去掉溫度補償路電路, 采集路電路保持不變, ICL7106的INC+端由固定電壓輸入, 如圖8所示。
令INC+端的電壓為Ud, 則
圖8 無溫度補償的差分及顯示電路
將式 (7) ~式 (9) 代入式 (12) , 有
如圖9所示, 當Cl=220 p F, C在5~25 p F范圍內變化時, C與
近似呈線性關系。由于Ud亦為常數, 則C與Vs近似呈線性關系, 也就是H與Vs近似呈線性關系。
3、實驗：
實驗用電容式蓄電池液位計量程為0~80 mm, 電解液為H2SO4水溶液, 分別在5, 20, 35, 50℃溫度下, 同時分別測試0, 20, 40, 60, 80 mm處。
有溫度補償和無溫度補償時, 電容式蓄電池液位計的***大誤差如表1所示。
表1 電容式蓄電池液位計***大誤差
實驗結果表明:在5~50℃范圍內, 有溫度補償時, 電容式蓄電池液位計準確度優于±3 mm;無溫度補償時, 電容式蓄電池液位計準確度優于±6 mm。
4、結論：
電容式蓄電池液位計能夠方便地測量蓄電池液位。按該方法生產的產品, 既適用于電解液的液位測量, 也適用于電導率在200μS/cm以上所有液體的液位測量。
利用溫度補償電路輸出與實際測量電路輸出的差值作為計算液位的自變量, 消除了因半導體器件溫度漂移產生的誤差, 提高了液位計的準確度。電容式蓄電池液位計耐酸堿腐蝕、電池供電、便于攜帶、廉價, 可廣泛應用于蓄電池研制、使用及維修, 同時也可應用于汽車修理, 實驗室等場合。