УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2023 года по МПК G01N9/24 G01R31/36 

Предлагаемое изобретение относится к области транспортной техники и предназначено для контроля состояния и технического обслуживания стартерных и силовых аккумуляторных батарей.

Известно устройство измерения плотности жидкого раствора электролита (ареометр), содержащее стеклянный объем с резиновой грушей и с калиброванным поплавком [Руководство по свинцовым аккумуляторным батареям. Утверждено заместителем начальника Главного бронетанкового управления и заместителем начальника Центрального автотракторного управления. - М: Воениздат, 1983. - 183 с]. С помощью груши набирают в стеклянный объем пробу раствора электролита (далее - электролит), поплавок всплывает над поверхностью пробы до деления, равной плотности электролита. Основным недостатком устройства (ареометра) является необходимость прерывания рабочего процесса, в котором используется устройство и отсутствие электрических сигналов для автоматизации процесса.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению Устройство определения плотности раствора электролита свинцово-кислотного аккумулятора, содержащее источник переменного напряжения, регулируемого по частоте и амплитуде, с измерителем частоты и величины переменного напряжения [Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. Скорчеллетти].

Известное устройство предназначено для исследования состояния электролита в аккумуляторах и, в частности, для измерения проводимости электролита и перекоса электродных потенциалов гальванических пар от потенциалов нулевого заряда. Известное устройство позволяет определять плотности ионов в электролите и оценивать концентрацию раствора электролита, а соответственно плотность раствора электролита. Известное устройство используют для исследования и контроля состояния приэлектродных двойных слоев аккумуляторов и гальванических пар.

В известном устройстве источник переменного напряжения соединен с электродами гальванического элемента (аккумулятора). Создаваемый ток подаваемым напряжением протекает между электродами с участием всей площади электродов и по всему сечению электролита, находящегося между ними. Поэтому результаты измерений тока усредняются по всему сечению электролита от верха до низа электродов при вертикальном расположении. Отметим, что гальванические элементы с жидким электролитом и с массивными свинцовыми электродами имеют вертикальное рабочее положение.

Недостатком известного устройства является усреднение характеристик электролита по результатам измерения плотности тока между электродами аккумулятора (гальванического элемента), усредненного по площади и по плотности электролита, в то время как в жидком растворе электролита имеются разные по массам радикалов фракции, способные к разделению под действием силы притяжения земли. Это может приводить к дифференциации плотности электролита по высоте электродов и к нарушению режимов. В электрических методах определения плотности раствора электролита по измерениям плотностей токов имеются теоретические модели пересчета плотности тока в концентрацию ионов в электролите и далее в концентрацию раствора, по которой определяется плотность раствора. Так как теоретические модели всегда содержат неопределенности, то результаты измерений, как правило, сравнивают и градуируют по экспериментальным измерениям плотности электролита с помощью ареометра. При этом отбор пробы электролита осуществляется только с верхней, надэлектродной области электролита. Это приводит к неопределенности и недостоверности получаемых результатов.

Техническое решение предполагаемого изобретения направлено на повышение достоверности определения плотности электролита с учетом разницы плотностей в верхней и в придонной областях электролита, на повышение экспрессности и понижение стоимости процесса измерений.

Технический результат достигается тем, что устройство определения плотности раствора электролита свинцово-кислотного аккумулятора, содержащее источник переменного напряжения, регулируемого по частоте и амплитуде, с измерителем частоты и величины переменного напряжения, дополнительно содержит два датчика с парами свинцовых электродов с электрическими выводами на верхней панели корпуса, расположенных один в надэлектродном объеме электролита, а другой в придонном, подэлектродном объеме электролита, а также два калиброванных резистора, соединенных в цепи пар электродов по отдельности, два усилителя переменного напряжения, соединенных входами с резисторами, два измерителя тока и сдвига фаз между током и напряжением, соединенных к выходам усилителей напряжения, компаратор, соединенный с выходами измерителей тока и сдвига фаз, при этом источник переменного напряжения соединен через резисторы с выводами пар электродов, с измерителями тока и сдвига фаз и с компаратором.

Принцип действия устройства основан на измерении активной и реактивной проводимостей раствора электролита, обусловленных концентрацией и подвижностью ионов в электролите, зависящих, в свою очередь, от концентрации раствора и его массовой плотности. Определив зависимость проводимости (сопротивления) раствора электролита от плотности электролита калибровочными измерениями или теоретически можно предлагаемое устройство, измеряющее сопротивление раствора электролита, проградуировать в единицах плотности раствора электролита.

Функциональная схема устройства определения плотности электролита свинцово-кислотного аккумулятора приведена на рисунке.

Устройство определения плотности электролита свинцово-кислотного аккумулятора (далее - аккумулятора) содержит два датчика 13 и 22 сигналов с парами свинцовых электродов 18, 23, расположенных в электролите аккумулятора 26, электрический разъем 11, встроенный в крышку 9 аккумулятора 26, кислотостойкие провода 17, 21, соединяющие внутри аккумулятора 26 датчики 13, 22 с разъемом 11, источник 4 переменного напряжения, соединенный через резисторы R1 и R2 и разъем 11 к выводам проводников 21 и 17 датчиков 13, 22, два усилителя 6, 7 переменного напряжения, соединенных входами с резисторами R1, R2, два измерителя 3, 5 величин и фаз токов датчиков 13, 22, соединенных к выходам усилителей 6, 7 и к источнику переменного напряжения 4, компаратор 2, соединенный с выходами усилителей 3, 5 и с источником переменного напряжения 4, регистратор-сигнализатор 1, соединенный с выходом компаратора 2. Аккумулятор 26, в котором определяется плотность раствора электролита в объеме 14 над блоком электродов 19 и в объеме 24 под блоком электродов 19, содержит корпус 8, электродный блок 19, диэлектрические призмы 20, 25, на которых расположен электродный блок 19, электрические выводы 10, 15 электродов 19, верхняя крышка 9 корпуса 8 аккумулятора 26, защитный щиток 13 электродного блока 19. Резервный объем электролита располагается в придонном объеме 24 под электродным блоком 19 и в верхней части электролита, в над электродном объеме 14 электролита. Датчики 13, 22 полностью идентичны, снабжены одинаковыми парами электродов 18, 23 и одинаковыми соединительными проводниками 17, 21.. Датчики 13, 22 расположены в резервных объемах электролита 14, 24. Верхний, надэлектродный объем 14 ограничен воздушным пространством 12 и изолирующим щитком 16. Нижний, подэлектродный или придонный объем 24 ограничен электродным блоком 19, установленным на призмы 20, 25 (упоры), и корпусом 8 аккумулятора 26. Датчик 13 прикреплен к щитку 16, а датчик 22 - к дну корпуса 87. Электрические выводы аккумулятора 10, 15, выступающие над крышкой 9 корпуса 8, отключены от внешних электрических цепей изолированы до минимальных значений токов утечки выводов 17, 21.

Между одинаковыми свинцовыми электродами 18, 23 датчиков 13, 22 разность электродных потенциалов равна нулю, но двойные электродные слои имеются. С учетом этого расстояние между электродами выбирается в 3-4 раза больше толщины двойного приэлектродного слоя. Величины резисторов и размеры электродов датчиков выбирают из расчета величин токов датчиков, не превышающих по поверхностной плотности поверхностную плотность электродных токов в номинальном рабочем режиме токоотбора аккумулятора.

Устройство работает следующим образом. С источника 4 переменного напряжения через резисторы R1, R2, разъем И, проводники 17, 21 на электроды 18, 23 датчиков 13, 22 подается напряжение, величиной меньше разности электродных потенциалов (меньше 1 В). Устройство работает в двух режимах: в обычном и резонансном. В обычном режиме токопрохождения устанавливается частота переменного напряжения в пределах меньше единиц килогерц. Частота тока устанавливается с учетом дрейфовой длины пути движения ионов за половину периода переменного напряжения и с учетом геометрии межэлектродного пространства и распределения двойных слоев.

Протекающие токи в датчиках 13, 22 между парами электродов 18, 23 создают падения напряжения на резисторах R2 и R1 соответственно, которые поступают на входы усилителей 7 и 6 напряжения. Усиленные падения напряжения на резисторах R1, R2, пропорциональные величинам токов через резисторы, поступают на измерители тока 3, 5, на которые подается напряжение источника с известной величиной и исходной фазой. В измерителях 3, 5 тока формируются сигналы о величинах токов датчиков I₁₃, I₂₃ и сдвигов фаз ϕ₁₃ и ϕ₂₃ синусоид токов относительно фазы питающего напряжения. Поданные сигналы по величинам токов и сдвигов фаз на компаратор 2 сравниваются делением токов I₂₃ / I₁₃ и вычитанием ϕ₂₃ - ϕ₁₃. Полученные результаты подаются в регистратор-сигнализатор 1.

В резонансный режим осуществляется подбором частоты напряжения источника 4 по минимуму сдвига фазы между токами датчиков 13, 22 и напряжением переменного тока источника 4, регистрируемого регистратором-сигнализатором 1. В этом режиме упрощается теоретическое описание взаимосвязи между током датчика и плотностью электролита и получатся дополнительная информация о массе ионов электролита, а соответственно о типе ионов, создающих проводимость электролита.

Существующая химическая теории работы свинцово-кислотного аккумулятора построена на начальном условии равенства плотности раствора электролита по всему объему аккумулятора. Поэтому результаты измерений плотности (любыми известными методами и устройствами) проводятся отбором пробы из верхнего объема электролита или размещением датчика определения плотности в надэлектродном объеме. Значения измеренных величин плотности принимаются равными по всему объему электролита. Уменьшение плотности в процессе работы объясняются равномерным оседанием серы в виде сульфатов свинца на электродах. Предполагается, что обратным пропусканием тока через аккумулятор от внешнего источника сульфаты разлагаются, сера поступает в электролит и плотность электролита повышается. Наши практические исследования показали, что при хранении плотность электролита в поверхностном слое уменьшается, а придонном слое увеличивается.

Измерения стандартными устройствами, в том числе ареометром показали, что при допустимом увеличении плотности электролита на 0.04 г/см³ (ρ_ном=1.26 г/см³, ρ_макс=1.30 г/см³) плотность в придонном объеме увеличивается до 1.4 г/см³, то есть на 0.14 г/см³ или в три раза больше допустимого значения. При этом в поверхностном объеме над электродным блоком плотность электролита уменьшается до ρ_мин=1.15 г/см, то есть на 0.11 г/см³. Минимальная плотность электролита при сохранении работоспособности аккумулятора составляет 1.21 г/ см³, то есть на 0.05 г/см³ меньше от номинальной плотности. Поэтому целесообразно для повышения достоверности результатов использовать устройство определения плотности электролита по меньшей мере по двум точкам: в верхнем и в нижнем слоях электролита в корпусе аккумулятора.

Сопоставительный анализ результатов измерений предлагаемым устройством с измерениями плотности известными устройствами показали, что измерения плотности электролита обычными устройствами только в надэлектродном объеме электролита не позволяет определять одновременное увеличение плотности электролита и не содержит достаточной информации об изменениях плотности электролита по всему объему аккумулятора. Измерения плотности в придонном подэлектродном объеме отличаются от плотности в верхнем слое для рабочих режимов при ρ_макс=1.30 г/см³, ρ_мин=1.21 г/см³ на 0.9 г/см³ при предполагаемых погрешностях ±0.05 г/см³. Предполагаемое изобретение позволяет одновременно определять понижение плотности в верхнем объеме электролита и повышение плотности в придонном слое, что повышает достоверность полученных результатов, а при использовании известных устройств не рассматривается.

Технико-экономическое обоснование

На предполагаемое изобретение «Устройство определения плотности раствора электролита свинцово-кислотного аккумулятора», авт.: Волков С.С., Степанов С.В., Нечаев А.В., Гречушников Е.А., Набатчиков А.В., Кочуров А.А., Постников А.А., Салапин Н.С.

Предполагаемое изобретение направлено на обеспечение готовности транспортных средств, а также вооружения и военной техники.

Предполагаемое изобретение направлено на уменьшение объема времени технического обслуживания аккумуляторных батарей, на поддержание готовности к работе, и увеличение ресурса работы.

Сущность предлагаемого изобретения в создании условий компенсации процесса диссоциации воды процессом принудительной ассоциации водорода и кислорода созданием повышенного парциального давления водорода в корпусной атмосфере и удалением из нее свободного кислорода и созданием повышенного осмотического давления водорода и кислорода в растворе электролита с помощью кислородного геттера и водородного генератора.

Сопоставительный анализ показал, что предлагаемое техническое решение позволяет продлить срок службы батареи в полтора раза, продлить время необслуживаемости по восполнению растворителя (воды) на весь период рабочего цикла аккумулятора и устранить операцию доливания воды.

Предлагаемое изобретение относится к области транспортной техники и предназначено для контроля состояния и технического обслуживания стартерных и силовых аккумуляторных батарей. Сущность заявленного решения заключается в том, что устройство определения плотности раствора электролита свинцово-кислотного аккумулятора, содержащее источник переменного напряжения, регулируемого по частоте и амплитуде, с измерителем частоты и величины переменного напряжения, дополнительно содержит два датчика с парами свинцовых электродов с электрическими выводами на верхней панели корпуса, расположенных один в надэлектродном объеме электролита, а другой в придонном, подэлектродном объеме электролита, а также два калиброванных резистора, соединенных в цепи пар электродов по отдельности, два усилителя переменного напряжения, соединенных входами с резисторами, два измерителя тока и сдвига фаз между током и напряжением, соединенных к выходам усилителей напряжения, компаратор, соединенный с выходами измерителей тока и сдвига фаз, при этом источник переменного напряжения соединен через резисторы с выводами пар электродов, с измерителями тока и сдвига фаз и с компаратором. Техническое решение предлагаемого изобретения направлено на повышение достоверности определения плотности электролита с учетом разницы плотностей в верхней и в придонной областях электролита, на повышение экспрессности и понижение стоимости процесса измерений. Предлагаемое изобретение позволяет одновременно определять понижение плотности в верхнем объеме электролита и повышение плотности в придонном слое, что при использовании известных устройств не рассматривается. 1 ил.

Устройство определения плотности раствора электролита свинцово-кислотного аккумулятора, содержащее источник переменного напряжения, регулируемого по частоте и амплитуде, с измерителем частоты и величины переменного напряжения, отличающееся тем, что дополнительно содержит два датчика с парами свинцовых электродов с электрическими выводами на верхней панели корпуса, расположенных один в надэлектродном объеме электролита, а другой в придонном подэлектродном объеме электролита, а также два калиброванных резистора, соединенных в цепи пар электродов по отдельности, два усилителя переменного напряжения, соединенных входами с резисторами, два измерителя тока и сдвига фаз между током и напряжением, присоединенных к выходам усилителей напряжения, компаратор, соединенный с выходами измерителей тока и сдвига фаз, при этом источник переменного напряжения соединен через резисторы с выводами пар электродов, с измерителями тока и сдвига фаз и с компаратором.