基于γ射線的蓄電池密度探測(cè)器設(shè)計(jì)

王元委，陳 勇，李芳明，姜崇杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

蓄電池是一種以放電方式輸出電能，以充電方式吸收、恢復(fù)電能的電源，蓄電池作為大、中型能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，可為汽車、船舶等動(dòng)力設(shè)備提供重要的能源支持［1～3］。電動(dòng)車輛的使用，可以有效改善因汽車尾氣排放引起的城市污染問題［4，5］。同時(shí)，隨著供電系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)、變頻技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等的迅猛發(fā)展，船舶電力推進(jìn)技術(shù)開始得到實(shí)際應(yīng)用。尤其是常規(guī)潛艇，蓄電池的存余電量直接關(guān)系到潛艇的續(xù)航能力，因此，蓄電池存余電量的測(cè)量是一項(xiàng)十分重要的工作。電解液密度是反映鉛酸蓄電池狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，蓄電池的存余電量與電解液密度具有線性關(guān)系，即通過電解液密度可測(cè)算出存余電量［6～9］。

目前，測(cè)量蓄電池電解液密度的最常用的方法有:音叉?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量法、放射性同位素測(cè)量法、線陣CCD（charge coupled device）測(cè)量法和超聲波測(cè)量法等。依據(jù)蓄電池密度監(jiān)測(cè)器的使用環(huán)境和測(cè)量精度需求，本文提出一種利用低能γ射線穿透吸收原理，采用放射性同位素測(cè)量法設(shè)計(jì)的基于γ射線的蓄電池密度監(jiān)測(cè)器，能夠快速、準(zhǔn)確、在線測(cè)量出蓄電池電解液密度，是提高鉛酸蓄電池的使用效益、工作壽命和可靠性，保障其處于最佳工作狀態(tài)的重要手段。

1 工作原理

1.1 鉛酸蓄電池工作原理

鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)是PbO2，負(fù)極活性物質(zhì)是粉狀金屬 Pb，電解液使用密度為1.20～1.30 g/cm3的H2SO4水溶液電解質(zhì)，通過充放電反應(yīng)進(jìn)行工作［9］。鉛酸蓄電池的工作方式分為充電狀態(tài)和放電狀態(tài)2種，分別對(duì)應(yīng)不同的化學(xué)反應(yīng)，且與H2SO4的密度有關(guān)聯(lián)關(guān)系。

放電狀態(tài)下，蓄電池連接負(fù)載，發(fā)生電池作用，正負(fù)兩極均消耗H2SO4，兩極板物質(zhì)變?yōu)镻bSO4，硫酸密度降低，電極反應(yīng)化學(xué)方程式如下

充電狀態(tài)下，蓄電池連接外電源，發(fā)生電解作用，兩極板上的PbSO4通過電極反應(yīng)產(chǎn)生H2SO4，H2SO4的密度增加，電極反應(yīng)化學(xué)方程式如下

鉛蓄電池充放電過程的總化學(xué)方程式為

1.2 γ射線電解液密度測(cè)量原理

γ射線與物質(zhì)的相互作用包括光電效應(yīng)、康普頓散射效應(yīng)以及電子對(duì)生成效應(yīng)等。低能γ射線只具有光電效應(yīng)和康普頓散射效應(yīng)，且光電效應(yīng)占主要作用。當(dāng)γ射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，原子殼層軌道電子吸收γ射線的全部能量后，轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮樱藭r(shí)發(fā)生光電效應(yīng)。光電效應(yīng)截面與物質(zhì)的原子序數(shù)Z4呈比例。康普頓散射效應(yīng)為γ射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，原子殼層軌道電子吸收部分γ射線能量，并以一定角度發(fā)射出去。γ射線損失部分能量后，傳播方向發(fā)生改變。由于γ射線與物質(zhì)的相互作用導(dǎo)致部分γ射線被吸收，穿透的γ射線強(qiáng)度減弱。

鉛酸蓄電池電解液為濃度為30% ～40%的H2SO4水溶液，在充放電過程中，其密度不斷發(fā)生變化。放電狀態(tài)下，蓄電池正負(fù)兩極消耗H2SO4，電解液密度下降;充電狀態(tài)下，正負(fù)兩極生成H2SO4，電解液密度升高。鉛酸蓄電池電解液中，S為重物質(zhì)，H和O為輕物質(zhì)。電解液密度較低時(shí)，重物質(zhì)含量較少，輕物質(zhì)含量較多，穿透的γ射線強(qiáng)度較強(qiáng);電解液密度較高時(shí)，重物質(zhì)含量較多，輕物質(zhì)含量較少，穿透的γ射線強(qiáng)度較弱。依據(jù)穿透的γ射線強(qiáng)度即可測(cè)量鉛酸蓄電池電解液的密度。

1.3 鉛酸蓄電池電解液密度解析式及其線性化

低能γ射線穿透物質(zhì)時(shí)，穿透強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，即

式中I0和I分別為γ射線穿透物質(zhì)前后的強(qiáng)度;ρ為被測(cè)物質(zhì)的密度;d為γ射線穿透物質(zhì)的路徑長(zhǎng)度;μ為物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)，與γ射線能量Er和物質(zhì)成分有關(guān)，Er和物質(zhì)成分確定后，μ視作常數(shù)。由式（1）兩端取對(duì)數(shù)，并整理可得

式（1）和式（2）中的I0也被稱為初始計(jì)數(shù)強(qiáng)度，通常可視為常數(shù)。設(shè)a=lnI0/μd，b=- μd-1，可得

由此可知，物質(zhì)密度ρ與γ射線穿透強(qiáng)度I的對(duì)數(shù)為線性關(guān)系。式（3）中的常數(shù)a和b為標(biāo)定常數(shù)，通常采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方法確定。

當(dāng)密度的變化范圍較小時(shí)，I可由該段密度的平均計(jì)數(shù)強(qiáng)度與變化量ΔI的和替代，代入式（3）可得

由于（Δ）2＜1，將式（4）按級(jí)數(shù)展開，忽略高次項(xiàng)，可得

令A(yù)=a-b+bln，B=，可得

由上可知，密度變化范圍較小時(shí)，密度ρ與γ射線穿透強(qiáng)度為線性關(guān)系。式（3）為密度的通用表達(dá)式，式（6）適用于密度變化范圍較小的情況。

2 蓄電池密度探測(cè)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蓄電池密度探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求為體積小、質(zhì)量輕、方便安裝和使用，防酸蝕、防潮濕、防震、抗沖擊、抗電磁干擾、穩(wěn)定可靠。依據(jù)以上要求，基于γ射線的蓄電池密度探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于γ射線的蓄電池密度探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure drawing of the accumulator density detector based on γ radial

測(cè)量裝置由探測(cè)裝置和測(cè)量電路兩部分組成，通過螺紋連接在一起，成“L”形。

探測(cè)裝置固定在蓄電池的上蓋開口，橫置于蓄電池電解液中，防止沉積物淤積到放射源端面上。探測(cè)裝置由放射源和閃爍探測(cè)器構(gòu)成，放置于直徑較小的ABS塑料筒內(nèi)，按穿透幾何條件布局。放射源位于最前端，閃爍探測(cè)器置于放射源后方，相距適當(dāng)距離，并在兩者之間的筒壁上開若干長(zhǎng)條形孔洞，便于測(cè)量流經(jīng)的電解液。放射源和閃爍探測(cè)器需獨(dú)立密封，以防H2SO4腐蝕。

測(cè)量電路部分裝于直徑較大的ABS塑料筒內(nèi)，外漏在蓄電池外面。電源線和信號(hào)線通過電連接器分別與供電電源和監(jiān)控室計(jì)算機(jī)相連。

2.2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

測(cè)量電路包括信號(hào)預(yù)處理電路和數(shù)據(jù)處理電路。

1）信號(hào)預(yù)處理電路

放射源發(fā)射的γ射線穿透被測(cè)電解液后，被由NaI閃爍晶體和光電倍增管組成的閃爍探測(cè)器接收。γ射線入射到晶體后，激發(fā)晶體原子產(chǎn)生的熒光被光電倍增管的光陰極接收并轉(zhuǎn)換為光電子。在加速電場(chǎng)的作用下，光電子通過各個(gè)倍增極，在光電倍增管的陽(yáng)極負(fù)載上輸出負(fù)脈沖信號(hào)。閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào)幅度較小且參差不齊，是一個(gè)具有離散性的連續(xù)能譜分布，需經(jīng)核電子學(xué)信號(hào)預(yù)處理電路，才能滿足數(shù)據(jù)處理電路對(duì)脈沖信號(hào)的極性、幅度、寬度、頻率等要求。信號(hào)預(yù)處理電路框圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)預(yù)處理電路框圖Fig 2 Block diagram of signal preprocessing circuit

高壓電源采用集成模塊組件CC183P—01Y，輸出電壓200～1100 V連續(xù)可調(diào)，輸出電流0.55 mA。+12 V電源經(jīng)RC濾波電路后，為高壓模塊供電。高壓電源為感性負(fù)載，使用小電阻可限制啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)高壓電源的沖擊，濾波電路還可以減小高壓電源對(duì)其他電路的干擾，起隔離作用。

線性放大器采用儀表運(yùn)算放大器INA110。放大器的輸入信號(hào)極性為負(fù)，幅度為幾十毫伏，線性放大后的輸出信號(hào)極性為正，幅度約為幾伏，仍為連續(xù)光譜。甄別成形電路用于濾除放大器輸出信號(hào)中摻雜的小幅度干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)。甄別器采用電壓比較器LM111，因輸入的脈沖信號(hào)離散性很大，甄別閾電壓的大小要適當(dāng)，避免損失有效的小幅度脈沖信號(hào)。當(dāng)脈沖信號(hào)幅度小于甄別閾時(shí)，甄別器無輸出;當(dāng)脈沖信號(hào)幅度大于甄別閾時(shí)，甄別器輸出等幅脈沖信號(hào)。分頻器依據(jù)數(shù)據(jù)處理電路計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度選取分頻倍率，輸出等幅不等寬的TTL電平方波信號(hào)，供數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行處理。

2）數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)處理電路主要為MSC1210Y5單片機(jī)。信號(hào)預(yù)處理電路傳遞的與電解液密度相關(guān)的脈沖信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，經(jīng) RS—232接口卡，將密度值傳送到計(jì)算機(jī)中。MSC1210Y5內(nèi)部集成了溫度傳感器，通過該傳感器的溫度數(shù)據(jù)補(bǔ)償因溫度引起的電解液密度誤差。數(shù)據(jù)處理電路框圖如圖3所示。

測(cè)量電路采用+15 V電源供電，經(jīng)穩(wěn)壓器和變換器后，生成+12，+5，-5 V電源供其他電路模塊使用。

圖3 數(shù)據(jù)處理電路框圖Fig 3 Block diagram of data processing circuit

2.3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序通過計(jì)數(shù)信號(hào)預(yù)處理電路傳遞的與電解液密度相關(guān)的脈沖信號(hào)，通過該數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算電解液的密度，利用單片機(jī)內(nèi)部集成的溫度傳感器測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，補(bǔ)償因溫度引起的電解液密度誤差，并將處理結(jié)果通過RS—232協(xié)議在計(jì)算機(jī)中顯示。單片機(jī)程序主要包括主程序和定時(shí)器中斷服務(wù)程序2個(gè)部分。

主程序用于初始化設(shè)置，包括串口波特率設(shè)置、定時(shí)器中斷設(shè)置、計(jì)數(shù)器設(shè)置和ADC求和設(shè)置等。主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig 4 Flow chart of main program

MSC1210Y5具有2個(gè)波特率寄存器:T1和T2，其中，T2為專用寄存器。設(shè)置UART0的工作方式為異步全雙工的通信方式，通過串口轉(zhuǎn)換芯片，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平后，送至計(jì)算機(jī)。

MSC1210Y5具有2個(gè)計(jì)數(shù)器:T0和T1。放射源在二分頻工作狀態(tài)下，每秒最多有63 000次脈沖，故將T0設(shè)為工作方式1，可計(jì)數(shù)65 536次脈沖信號(hào)。初始化時(shí)，將T1寄存器的TH0和TL0初值置為0x00。

MSC1210Y5內(nèi)部ADC，具有4個(gè)8位求和移位寄存器。求和/移位寄存器設(shè)置為工作方式0，即單片機(jī)將數(shù)據(jù)寫入求和寄存器，并與求和寄存器原有數(shù)據(jù)累加。

在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，依據(jù)計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)據(jù)計(jì)算鉛酸蓄電池電解液的密度，并利用單片機(jī)內(nèi)部溫度傳感器數(shù)據(jù)，補(bǔ)償因溫度引起的密度誤差。定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。

MSC1210Y5內(nèi)部包含3個(gè)定時(shí)器，分別為16位毫秒定時(shí)器、8位百毫秒定時(shí)器和8位秒中斷寄存器。設(shè)置毫秒定時(shí)器產(chǎn)生1 ms的時(shí)鐘周期作為百毫秒定時(shí)器的輸入時(shí)鐘，并生成100 ms的時(shí)鐘周期，利用該時(shí)鐘周期產(chǎn)生500 ms的中斷信號(hào)。

圖5 定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖Fig 5 Flow chart of timer interrupts service program

3 實(shí)驗(yàn)

額定容量為105 A·h的鉛酸蓄電池，在充放電過程中，使用精度為1%的密度計(jì)和基于γ射線的蓄電池密度探測(cè)器測(cè)量電解液密度，并對(duì)正極密度（ρ+）和負(fù)極密度（ρ-）進(jìn)行比較。經(jīng)計(jì)算可知，正負(fù)兩極測(cè)量結(jié)果的均方根誤差為±0.205%。

3.1 充電過程

充電電源電壓為12V，電流約為8A。使用蓄電池密度探測(cè)器每隔2 h測(cè)量一次正負(fù)極電解液密度。由于電解液密度變化范圍較小，電解液密度與計(jì)數(shù)強(qiáng)度采用式（6）的方式處理，測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表可知，正負(fù)極電解液密度隨充電過程緩慢上升，且負(fù)極密度略高于正極密度。

表1 充電過程中電解液密度測(cè)量結(jié)果Tab 1 Measurement result of electrolyte density in charging process

3.2 放電過程

鉛酸蓄電池輸出電壓為12 V，輸出電流為12 A。使用蓄電池密度探測(cè)器每隔1 h測(cè)量1次正負(fù)極電解液密度。電解液密度與計(jì)數(shù)強(qiáng)度的關(guān)系采用式（3）方式處理測(cè)量結(jié)果如表2所示。由表可知，正負(fù)極電解液密度隨放電過程逐漸降低，且負(fù)極密度略高于正極密度。經(jīng)計(jì)算可知，正負(fù)兩極測(cè)量結(jié)果的均方根誤差為±0.247%。

表2 放電過程中電解液密度測(cè)量結(jié)果Tab 2 Measurement result of electrolyte density in discharging process

4 結(jié)論

基于γ射線的蓄電池密度探測(cè)器是利用低能γ射線穿透吸收原理，采用放射性同位素測(cè)量法設(shè)計(jì)而成。通過測(cè)量蓄電池內(nèi)部電解液密度，測(cè)算出蓄電池的存余電量。裝置采用獨(dú)特的“L”形結(jié)構(gòu)，降低了沉積物對(duì)精度的影響，利用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償與處理，進(jìn)一步提升了裝置的精度并豐富了數(shù)據(jù)的傳輸方式。該裝置具有體積小、質(zhì)量輕、耐酸堿、靈敏度高、可靠性強(qiáng)、使用方便、在線探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其正負(fù)兩極測(cè)量結(jié)果的均方根誤差可達(dá)到±0.205%。可在船舶、電動(dòng)車輛等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

［1］李 震，譚 躍，邱赤東，等.鉛酸蓄電池電解液密度超聲波電路的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化博覽，2005（12）:119-120.

［2］侯躍新，李 鋼，宋常青，等.蓄電池電解液密度測(cè)量?jī)x的研制［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2006，26（6）:735-830.

［3］郭 輝，林瑞霖.光電技術(shù)在蓄電池溶液比重測(cè)試中的應(yīng)用［J］.中國(guó)水運(yùn)，2009，9（7）:139-140.

［4］孟榮愛.基于ARM的蓄電池監(jiān)測(cè)儀的研制［D］.濟(jì)南:山東輕工業(yè)學(xué)院，2012:1-3.

［5］劉珊珊，譚 躍，邱赤東，等.基于超聲波的鉛酸蓄電池電解液密度測(cè)量方法的研究［J］.中國(guó)儀器儀表，2007（1）:30-32.

［6］沈建國(guó)，常風(fēng)云，孟凡友.鉛酸蓄電池電解液密度測(cè)量裝置的研究［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20（4）:66-96.

［7］劉佳鑫.基于聲阻法的液體密度超聲測(cè)量模型研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2013:1-16.

［8］熊文強(qiáng).鉛酸蓄電池電解液密度超聲波測(cè)量方法研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2010:1-6.

［9］涂曉凱.蓄電池電解液比重的超聲波測(cè)量研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009:1-6.