КОМПЕНСИРОВАННЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ЭЛЕКТРОЛИТА Российский патент 2019 года по МПК G01F23/26 

Область техники, к которой относится изобретение. Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня электролита в элементах аккумуляторных батарей.

Уровень техники. Известен емкостный датчик уровня [патент РФ на изобретение №2112931], содержащий электрически изолированные друг от друга электроды, расположенные на экране, выполненном в виде соединенных трубой втулок. Одна из втулок расположена на торцах электродов, электрически изолированных от нее, а труба размещается в полости внутреннего электрода. Со стороны торца, подключаемого к измерительной схеме, электроды закреплены на другой втулке посредством винтов и гаек, и также электрически изолированы от нее. Электроды и труба экрана по всей длине зафиксированы относительно друг друга электроизоляционными бобышками, расположенными в зазорах между ними.

К недостатку такого решения можно отнести наличие использование металлических электродов, непосредственно контактирующих с измеряемой средой, ведущее к окислению поверхности упомянутых электродов и их постепенному разрушению, что снижает срок службы датчика. Следует отметить сложную конструкцию креплений электродов на электрически изолированных втулках - что ухудшает точность измерения из-за технологических отклонений при сборке. Также, внутренний экран электродов требуется заземлять для обеспечения снижения краевого эффекта, что недопустимо в случае измерения уровня электролита в аккумуляторных элементах, поскольку ведет к снижению сопротивления изоляции в их силовых цепях ниже допустимого значения.

Также известен датчик уровня электролита [патент РФ на полезную модель №176260], представляющий собой емкостный датчик уровня, содержащий измерительные электроды и оснащенный корпусом, выполненным целиком из стойкого к агрессивным средам диэлектрика. Датчик имеет сквозную прорезь для электролита в своей нижней части, на боковых стенках упомянутой прорези в полости корпуса располагаются измерительные электроды. Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.

К недостаткам такого решения можно отнести зависимость диэлектрической проницаемости среды от плотности электролита, что ведет к нестабильности показаний в процесса зарядных и разрядных режимов аккумуляторной батареи. Также возможно возникновение налета сульфата на поверхности корпуса датчика, что также влияет на абсолютное значение емкости электродов, и вносит дополнительную погрешность в измерения.

Раскрытие изобретения.

В промышленных свинцово-кислотных аккумуляторах группы в качестве электролита используется водный раствор серной кислоты (H₂SO₄). Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой химический источник тока, в котором в процессе заряда электрическая энергия накапливается в виде химической энергии, а затем в процессе разряда химическая энергия превращается в электрическую энергию.

Используемые в промышленности, и в особенности в судостроении, аккумуляторные батареи состоят из 112 рабочих аккумуляторов (элементов). Они предназначены для питания потребителей сети постоянного тока, а также для обеспечения резервного питания ответственных потребителей силовой сети. Вид одного элемента показан на фигуре 1.

Крышка упомянутого элемента аккумуляторной батареи изготовлена из стеклопластика и имеет вид прямоугольной плиты с отверстиями для 12 токовых выводов, штуцера механического перемешивания электролита, четырех штуцеров холодильника, датчиков уровня и температуры электролита. Кроме того, в середине крышки имеется одно отверстие с резьбой (заливочное отверстие), предназначенное для заливки электролита или доливки воды в аккумулятор и выхода газов из аккумулятора. Это отверстие постоянно закрыто вентиляционной пробкой.

Элемент аккумуляторной батареи оборудован системой механического перемешивания электролита, которая состоит из двух трубок специального профиля. Эти трубки с помощью муфты соединены со штуцером, закрепленным на крышке аккумулятора. Через штуцер подается воздух, который, перемещаясь по трубкам, перемешивает электролит.

Таким образом, элементы аккумуляторных батарей представляют собой сложную систему, требующую обслуживания и контроля параметров. Одним из важнейших параметров является уровень электролита в элементах, который может колебаться в процессе эксплуатации, и требовать доливки для обеспечения технических характеристик батареи.

Несмотря на то, что свинцово-кислотные аккумуляторы обладают рядом недостатком и сложны в обслуживании, они безоговорочно используются в качестве накопителя энергии по причине низкой стоимости и доступности для массового производства [1]. Совершенствование технологий, как производства, так и управления при эксплуатации позволило нивелировать влияние большинства негативных факторов.

Управление батареями при эксплуатации, прежде всего, включает контроль и измерение различных физических характеристик батареи с целью определения ее текущего состояния, и включает рассмотрение сразу нескольких характеристик в пределах заданного диапазона. Как контроль, так и измерение используются для поддержания характеристик элементов батареи в заданных производителем безопасных рабочих диапазонах.

Аккумуляторные батареи могут поставляться с системой контроля и диагностики. Комплект системы контроля и диагностики может обеспечить контроль работы всей батареи, имеющей в своем составе одну или две группы по 112 аккумуляторов в каждой группе. Система контроля обеспечивает многофункциональный контроль параметров батареи, и в частности - измерение уровня электролита в элементах батареи.

Электрические характеристики серийных промышленных аккумуляторов в соответствии с техническими условиями обеспечиваются при средней температуре электролита 30°С, начальной плотности электролита (1,290±0,005) г/см³, уровне электролита (73±2) мм над изолятором и работающей системе механического перемешивания.

Уровень электролита зависит от многих эксплуатационных параметров, в том числе температуры. При понижении или повышении температуры электролита его уровень соответственно понижается или повышается на 3 мм на каждые 5°С. Также уровень электролита может снижаться в процессе активной эксплуатации за счет испарения. Упомянутые параметры - температуру и уровень электролита, могут измеряться различными системами контроля и диагностики аккумуляторных батарей [1, 2], в состав которых и входят датчики уровня электролита.

Из уровня техники известны различные варианты датчиков уровней жидкостей и сыпучих тел, в частности - емкостного типа. Основным отличием емкостного типа датчиков является непрерывный характер измерения уровня жидкостей, что отличает его от некоторых других выпускаемых промышленностью датчиков уровня - имеющих несколько дискретных значений, соответствующих диапазонам уровней.

В основе принципа работы емкостных датчиков уровня является наличие электрической емкости конденсатора, образованного измерительными электродами и измеряемой средой между ними - что известно из литературы по основам электротехники [3]. В случае, если два проводящих тела (электрода) разделены диэлектриком и несут на себе противоположные по знаку электрические заряды, то в пространстве между ними создается электрическое поле. Под емкостью между электродами понимают абсолютное значение соотношения заряда к напряжению между телами. В общем случае, электрической емкостью обладают любые два проводящих тела, разделенные диэлектриком.

Важной характеристикой среды между электродами электрической емкости является относительная диэлектрическая проницаемость среды, характеризующая ее свойства. Технически, диэлектрическая проницаемость среды определяет абсолютное значение электрической емкости, которая прямо пропорциональна значению упомянутой диэлектрической проницаемости. Таким образом, при использовании жидкой среды между электродами, емкость увеличивается пропорционально росту диэлектрической проницаемости среды.

В случае наличия между электродами электрической емкости двух сред, общую емкость можно представить как сумму параллельно включенных отдельных емкостей, имеющих разную емкость.

При измерении уровня электролита, имеет место две среды: воздух с диэлектрической проницаемостью, близкой к 1 - и раствор серной кислоты, имеющий диэлектрическую проницаемость, близкую к 100, что известно из соответствующей литературы [3]. Таким образом, значение диэлектрической проницаемости сред различается на два порядка величины (100 раз), и с достаточной для практических целей точностью можно положить, что суммарная емкость измерительных электродов датчика определяется главным образом уровнем электролита, а верхняя часть заполненная воздухом - практически не участвует в формировании емкости.

Таким образом, зависимость емкости измерительных электродов будет пропорциональна текущему уровню электролита в элементе аккумуляторной батареи. В предлагаемом решении предлагается конструкция датчика, как показано на фигуре 2. Корпус датчика в таком случае выполняется из стойкого к агрессивной среде диэлектрика, и имеет плоскую прорезь в нижней части (контактирующей с электролитом), на стенках которой в полости корпуса датчика располагаются пары измерительных электродов, не имеющие непосредственного контакта с электролитом.

Датчик, представленные на фигуре 2, устанавливается на крышке элемента аккумуляторной батареи, и частично погружен в электролит. Таким образом, при колебаниях уровня электролита будет изменяться также и емкость измерительных электродов.

Однако использование абсолютного значения емкости для определения уровня электролита может иметь значительную погрешность из-за колебаний диэлектрической проницаемости среды, и возникновения налета сульфатов на поверхности датчика. Для устранения этого недостатка в заявляемом решении предлагается разделить электроды на внутренних стенках прорези на две независимые пары.

На фигуре 3 изображено поперечное сечение датчика уровня электролита, изображенного на фигуре 2, откуда видно, что каждая стенка прорези разделена пополам, каждая половина образует своими электродами обкладки конденсаторов. Емкость каждого упомянутого конденсатора будет изменяться в зависимости от уровня электролита.

Наиболее наглядно конструкция предлагаемого решения представлена на фигуре 4, где изображено вертикальное сечение датчика в плоскости измерительных электродов. Очевидно, что пары обкладок на каждой внутренней стенке прорези корпуса имеют одинаковую площадь - однако, по-разному ориентированы относительно друг друга. Наличие скоса грани в парах измерительных электродов означает нелинейную зависимость емкости от уровня электролита, таким образом ориентация суженой стороной вниз - дает значительное нарастание скорости прироста емкости при подъеме уровня электролита, а ориентация расширенной стороной вниз - дает значительное спадание скорости прироста емкости при подъеме уровня электролита. Таким образом, пары электродов имеют взаимно противоположные характеристики зависимости электрической емкости образуемого конденсатора от уровня электролита. Целесообразно выполнение пар измерительных электродов в одной плоскости, но с взаимно обратной ориентацией направления расширения и сужения площади.

В предлагаемом решении возможна компенсация диэлектрической проницаемости измеряемой среды, и образующихся на стенках корпуса сульфатов. Образуются две электрические емкости (конденсаторы), имеющие взаимно-обратные зависимости емкости от уровня электролита. При полном заполнении электролитом - емкости равны, во всех других случаях происходит изменение пропорции электрической емкости.

Для измерения фактического уровня электролита в этом случае достаточно использовать схему, изображенную на фигуре 5. В качестве исходного сигнала, пропорционального уровню электролита, используются два последовательно включенных измерительных конденсатора, подключенных с одной стороны к источнику постоянного напряжения, другой - на общую точку. В таком случае напряжение в точке соединения конденсаторов (соответствующих парам измерительных электродов), будет изменяться пропорционально соотношению электрических емкостей упомянутых конденсаторов. Напряжение снимается аналоговым усилителем (операционным усилителем), имеющим обратную отрицательную связь для коррекции коэффициента усиления.

Представленное решение является простым и потому промышленно применимым - обеспечивая улучшение точности измерения уровня электролита при колебаниях температуры и плотности.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:

- электроды разделяются на пары, образующие общую емкость путем последовательного включения, таким образом - вместо прямого измерения емкости, определяется пропорция емкостей, соответствующая фактическому уровню электролита;

- наличие вертикального скоса грани в плоскости пар электродов, что обеспечивает нелинейное изменение емкости при колебаниях уровня электролита, причем прирост емкости расширяющейся кверху пары электродов нелинейно растет с ростом уровня электролита, а скорость прироста емкости сужающейся пары в таком случае нелинейно уменьшается.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - повышение точности измерения путем исключения влияния свойств электролита на измеряемый уровень, также исключается искажение показаний датчика уровня при возникновении налета (сульфатов) на поверхности корпуса датчика.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен внешний вид элемента аккумуляторной батареи. Здесь 1 - отверстия под датчики уровня электролита, 2 - пробка, 3 - токовый вывод, 4 - штуцер системы водяного охлаждения, 5 - штуцер системы механического перемешивания электролита. На фигуре 2 изображен компенсированный датчик уровня электролита. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительный электрод. На фигуре 3 изображено поперечное сечение компенсированного датчика уровня электролита. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительный электрод. На фигуре 4 изображено вертикальное сечение компенсированного датчика уровня электролита в плоскости измерительных электродов. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительный электрод. На фигуре 5 изображена принципиальная схема измерительной цепи. Здесь 8 - емкости образованные парами измерительных электродов.

Список использованной литературы.

1. Бруссили М., Пистойя Дж. Промышленное применение аккумуляторных батарей: от автомобилей до авиакосмической промышленности и накопителей энергии. М.: Техносфера, 2011. - 784 с.

2. Павлюков В.М., Цветков А.А., Кротенко А.В. и др. Автоматизированная система контроля и диагностики аккумуляторных батарей корабельного базирования. Патент РФ на изобретение №2474832.

3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973. - 752 с.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения уровня электролита в элементах аккумуляторных батарей и может быть использовано в системах контроля параметров упомянутых аккумуляторных батарей для упрощения их обслуживания. Техническим результатом предложенного решения является увеличение точности и стабильности показаний датчика вне зависимости от свойств измеряемой среды. Емкостный датчик уровня электролита, выполненный в корпусе из диэлектрика, стойкого к агрессивным средам, и оснащенный измерительными электродами, размещенными внутри корпуса на стенках прорези в нижней его части, и отличающийся тем, что упомянутые электроды разбиваются в вертикальном направлении на пары, выполненные со скосом смежной грани, причем расширению одной пары электродов соответствует сужение другой пары электродов. 5 ил.

Емкостный датчик уровня электролита, выполненный в корпусе из диэлектрика, стойкого к агрессивным средам, и оснащенный измерительными электродами, размещенными внутри корпуса на стенках прорези в нижней его части, и отличающийся тем, что упомянутые электроды разбиваются в вертикальном направлении на пары, выполненные со скосом смежной грани, причем расширению одной пары электродов соответствует сужение другой пары электродов.