鉛酸蓄電池密度測量傳感器研究

曹訓訓，段智高

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鉛酸蓄電池密度測量傳感器研究

曹訓訓，段智高

（武漢長海電力推進和化學電源有限公司，武漢 430064）

研究船用鉛酸蓄電池電解液密度測量方法，分析了力學密度傳感器、振動管式密度傳感器、聲學量密度傳感器、光學量密度傳感器等測量方法的優缺點。

振動管 聲學 光學

0 引言

鉛酸蓄電池是許多艦船的動力源或應急電源，蓄電池的電壓、電解液密度、安時容量等參數直接影響到艦船的可靠運行。蓄電池工作狀態是否正常，什么狀態充電，什么狀態添加蒸餾水，電解液的密度值，溫度值等都需要準確測量。一般情況下，上述數值都需要人工利用標準儀器儀表來測量，測量的速度慢、精度低，且不方便，可能對測量人員身體造成傷害。為了減輕工作量，提高工作效率，保護人身安全，研制生產合適的鉛酸蓄電池檢測系統至關重要。

密度傳感器是鉛酸蓄電池檢測系統的最重要部分，目前各行業按電解液密度的測量原理密度測量傳感器主要分為以下幾種：力學密度傳感器、振動管式密度傳感器、聲學密度傳感器、光學密度傳感器等。

1 力學懸臂梁密度傳感器

力學量密度傳感器測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系，通過測定物體所受的浮力能夠計算出液體的密度。典型懸臂梁密度傳感器結構示意圖如圖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變片，電解液密度的變化會導致應變片受力的變化，應變片將力信號轉化為電信號傳輸到后續信號處理單元，通過信號處理換算將電解液密度值計算出來，最終傳輸到儀表或其它終端進行顯示。

懸臂梁的應變程度受浮力、重力及環境載體（蓄電池電解液）加速度的共同影響，當這種密度傳感器安裝在運動載體上（如：艦船）時，懸臂梁的應力也會產生額外變化，因此，其測量精度將會受到載體加速度的影響，即與靜態相比其測量精度將會降低；另一方面，當被測液體內部出現某種流動（比喻蓄電池充電時），懸臂梁的應力也會產生額外變化，這同樣會影響其動態測量精度。其次，這種測量原理的傳感器懸線和懸梁無法與被測電解液隔離，液體中的一些物質會在虹吸的作用下貼附其上，進而改變了浮力和懸臂梁的整體彈性模量，最終使傳感器的測量精度下降。貼附物雜質的清理工作費時費力，技術復雜，甚至需要重新安裝，一般情況下此類工作需要返廠由專業人員進行。這些缺陷導致船員現場無法維護，傳感器長期穩定工作性能差。以上原因說明懸臂梁式液體密度傳感器的動態性能先天不足，而且長期工作穩定性差，維護不便，這些弱點已經在實際應用中顯露出來。

2 U型振動管式密度傳感器

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型振動管，其工作原理是利用電子反饋系統將其維持在諧振狀態，當被測液體吸進U型振動管后，振動管的共振頻率發生變化。如果液體密度增大，振動頻率會降低；如果液體密度減小，振動頻率會升高。校準后，諧振頻率與管內液體密度之間有確定的關系。因此通過測定振動管的共振頻率，即可算出待測液體的密度。雙U型振動管結構示意圖如圖2所示[1]。

圖2 雙U型振動管式密度傳感器示意圖

該密度傳感器主要有以下幾個優點：1）測量精度高；2）儀器體積小，重量輕，便于攜帶；3）可測量實際密度，相對密度或濃度；4）具有溫度測量及溫度補償功能。

由于蓄電池鉛酸電解液的特殊環境，U型管式密度傳感器工作一段時間后會吸進電解液雜質，雜質會對吸管造成堵塞，使得傳感器長期工作穩定性差，同時需要定期清洗雜質，且現場維護不便。其次，U型振動管工藝生產精度要求較高，使用要求較高的場合需要從國外進口專用相關元器件。然而，國防裝備對進口元器件的使用有一定的比例限制。上述這些缺陷嚴重限制了U型振動管式密度傳感器的應用發展。

3 超聲波密度傳感器

超聲波液體密度測量原理是利用超聲波在被測液體中的發生與接收來進行液體密度測量。超聲波在被測液體中是以縱波的形式傳播的機械波，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。

超聲波在液體中傳播的衰減度、速度、頻率、相位等會受到被測液體性質的影響，因此，可以利用超聲波某些傳播參數與被測液體的密度之間的關系來測量液體的密度[2]。式(1)表明：測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，測得超聲波從發射到接收過程所需要的時間就可計算出其在液體中的傳播速度，這種方法對時間的測量精度要求較高[3]。超聲波式密度測量法測量原理示意圖如圖3所示。

超聲波密度測量法測量精度高，速度快，操作人員無需接觸液體，不會對人體造成傷害，有較好的應用空間。但是有以下幾個缺點：1）傳感器受電解液液體雜質影響比較大，鉛酸蓄電池使用一段時間后會產生較多雜質附著在傳感器上，影響傳感器的測量精度和穩定性； 2）傳感器的生產工藝要求較高，其結構也會影響測量精度；3）電解液粘度、寄生電容及電磁干擾會對傳感器有影響。

4 光學量密度傳感器

大量理論和實驗結果表明液體密度與光穿過液體的折射率具有線性相關性，液體密度可以通過測量折射率獲得[4]。光電式密度傳感器測量電解液密度正是利用了折射率與密度之間特定的關系，可以通過折光計測量出折射率來獲得電解液密度。折光計測量溶液密度是一種比較成熟的技術法。折射率是物質的一種重要的物理參數，反應了物質的內在基本性質。折射率與介質本身的信息相關，外界條件一定下，掌握折射率的變化情況就可以知道物質的光學性能、密度、濃度等物理性質。常用光學密度傳感器示意圖如圖4所示。

圖4 光學密度傳感器示意圖

光學密度傳感器的測量精度與所處載體加速度無關，實驗證明被測液體的流動與涌動對密度測量精度僅僅有萬分之一到萬分之二的影響，與普通用戶千分之五的要求相比這種影響可以忽略不計。其次，光學密度傳感器工作方式為接觸式，顯著優點是直接測量蓄電池內部電解液的密度參數，測量光路通過光學元件實現，全部封閉在傳感器內部，光路可以保證穩定可控，不受平臺狀態及液體中復雜多變的環境影響，徹底杜絕了電解液中粘附物沿懸線的虹吸作用對敏感器件的影響，即使經過一段工作時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行現場維護，不影響客戶的長期使用，另外還可以通過添加過濾環節等方法延長維護間隔時間。

5 結論

某型鉛酸蓄電池16個小時的全充電過程中，四種密度測量傳感器檢測顯示與標準計量儀器DMA35N數字密度計測量結果對比如下圖5所示：注：

1）橫軸表示充電時間1至16小時，縱軸表示蓄電池電解液密度值（單位：g/cm3）。

2）I型--：力學密度傳感器；II型-：U型振動管式密度傳感器；Ⅲ型：超聲波密度傳感器；IV型：光學密度傳感器。

以上實驗結果表明，光學密度傳感器在動態測量、長期穩定性及可現場維護性方面的優勢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。經過精益的工藝生產，光學密度傳感器密度測量精度可長期維持在千分之三以內。

我所研制生產的光電密度傳感器經過三個月的實船使用，經歷蓄電池全充電、大電流放電等工況，電解液密度測量精度始終維持在千分之三以內。

上述研究分析及實際應用說明在鉛酸蓄電池電解液密度測量應用上光學密度傳感器相比其它類型三種密度傳感器有明顯優勢，將具備比較好的應用前景。

[1] 密度測量儀器, 美國專利[P]US3523446.

[2] 張欲曉, 樊尚春. 液體密度傳感器.計測技術[J]. 2006, 26（1）: 1-3, 20.

[3] 姚明林, 陳先中, 張爭. 超聲波液體密度傳感器.傳感器技術[J]. 2005, 24,（5）, 57-60.

[4] 郁道銀, 談恒英. 工程光學[M]. 北京: 機械工業出版社, 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

曹訓訓（1983-），男，工程師。研究方向：神經網絡控制、預測控制、蓄電池參數測量。