电容式蓄电池液位计设计

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｍ ｅｔｅｒ
ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ，ＧＵＯ Ｙａｏ－ｊｉｎｇ，ＬＩＵ Ｙａｎ，ＤＥＮＧ Ｃｏｎｇ－ｊｉｅ，ＪＩＮＧ Ｚｈｉ—ｂｉｎ，ＳＵＮ Ｈａｉ－ｙａｎ （Ｔｈｅ ４９ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈ ｉｎａ）
０ 引 言 富液式 蓄电池作 为大中型能量存储设备 ，可为船舶 、机
车 、电力 、通信 等设备 提供能源 。电解液液位直接影 响蓄 电 池 的存储 能量和工作安 全 ：液位过 高 ，液体容 易溢 出 ，腐 蚀 其他物体 、引起接线端 子问短 路等 ；液位 过低 ，极板 露 出液 面 ，存储能量减少 、降低 蓄 电池 寿命 。其 中 ，酸性 蓄 电池 电 解 液为硫酸 （Ｈ ＳＯ ）水溶 液… ，碱 性 蓄电池 电解 液为 氢氧 化 钾（ＫＯＨ）和氢氧化钠 （ＮａＯＨ） 。 目前 ，测 量 蓄 电池液 位 的方 法主要是浮球法 ，该方 法是安装式的 ，并且 只能测量 液位的最高点和最低点 ，无法随身携带 ，亦无 法连续测量液 位信号 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ａｐｐｒｏｐｒ ｉａｔｅ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｔｏｏｌ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ，ａ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｍｅｔｅｒ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｐｒ ｉｎｃｉｐｌｅ．Ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔ ｉｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍ ｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｍ ｅｔｅｒ ｏｆ ｂａｔｔｅｒ ｙ ａＦｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＪ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｅｅｕＴａｃｙ ｏｆ ｔｂｅ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｂａｔｔｅｒｙ ］ｉｑｎｉｄ ｌｅｖｅｌ ｍｅｔｅｒ ｉｓ ｐｒｉｏｒ ｔｏ ±３ ｍ ｍ ．ｗｈｉｃｈ ｍ ｅｅｔｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔｓ ｏｆ ｕｓｉｎｇ． Ｋ ｅｙｗ ｏｒｄｓ： ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ； ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ；ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｍｏｎｏｓｔａｂｌｅ ｔｒ ｉｇｇｅｒ； ｍｕｌｔｉ—ｈａｒｍｏｎｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ
２０１８年 第 ３７卷 第 ７期
传感器 与微 系统 （Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
ｔ １ １
ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２ｏ１８）０７－０１１１－－０３
电容 式 蓄 电池 液 位 计 设 计
陈 勇 ，郭耀 境 ，刘 焱 ，邓从 杰 ，荆 志彬 ，孙 海雁
（中 国 电 子 科 技 集 团公 司 第 四 十 九 研 究 所 ，黑 龙 江 哈 尔 滨 １５０００１）
摘 要 ：针对蓄 电池液位测量 缺少合适 的便 携式工 具 的问题 ，利用 电容 原理 ，设计 了 电容式 蓄 电池液 位 计 ；通 过温 度补偿 ，提高 了产品的准确度 。详细介绍 了电容式蓄 电池液位计 的工作原理与设计方法 。实 验 结果表 明：电容式蓄 电池液位计 的准确 度优 于 ±３ ｍｍ，满足使 用要求。 关键词 ：液位 ；电解液 ；电容器 ；单稳态触 发器 ；多谐振 荡器 中 图分 类 号 ：ＴＰ２１２ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００－ ９７８７（２０１８）０７－ ０ １１１－ ０３
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传 感 器 与 微 系 统
第 ３７卷
？ 麓
（２）
式 中 为空气 的相 对介 电常数 。 敏感元件简化前 等效 电路如 图 ２（ａ）所 示 。
屏蔽 管
板 引线 屏
板 引 线
（ａ）简 化 前 等 效 电 路
ＣＨ
（ｂ）简 化 后 等 效 电 路
令总寄生 电容为 ，则 Ｃｏ＝Ｃ１＋Ｃ２ 由于 Ｃ ，Ｃ２均为常数 ，则 Ｃｏ亦 为常数。 令测量 区未插入 电解 液部分总 电容 为 Ｃ ，有
ｃ ＝
１．８ ｉｎ
（１）
式 中 ｓ 为绝缘套 的相对介 电常数 。 测 量 区未 插 入 电解 液 部 分 ，内极 板 与 屏 蔽 管 构 成 电容 ，
电介质有空气 、绝缘套两种 ，空气部分 的电容为 （ｐＦ），绝 缘套部分 的电容为 Ｃ （ｐＦ）。
收 稿 日期 ：２０１８－０４－２３
本 文利用电容测量原 理 、提 出电容式 蓄电池 液位 计 的 测量方法 ，该方法能连续测量 液位信号 ，便 于携带 ，且廉 价 、 可批量 生产 。该 产品能更好保护蓄 电池安全 、可靠运行 。 １ 工 作 原 理
电容式 蓄电池液 位计采用 电容测量 原理 ，敏感元 件 主 要 由内极板 、绝缘套 、屏蔽管构成 。敏感元件 垂直于液面插 入 电解液 ，插入 深度 为 日，如图 １所示 。
Fra Baidu bibliotek（３）
Ｃ ： ＋
５ Ｃ３ Ｃ
（４）
简化后等效 电路 如图 ２（ｂ）所示 。令敏 感元 件 总 电容
图 中， 为 内极 板 直 径 ，ｃｍ； 为 绝 缘 套 外 径 ，ｃｍ； 为屏蔽管 内径 ，ａｍ； 为测量 区长度 ，ｃｍ，量程 由 决定 。
绝缘套
内极板引线 安装 区 测 量 区
闰 １ 测 量 原 理 不 惹
屏蔽管与 电解液是 电导 通 ，可 看作 一体 。安装 区 的 内极 板 与屏蔽管构成 寄生 电容 Ｃ ，内极板底 面与 电解液构成 寄生 电容 Ｃ ，Ｃ ，Ｃ 为 常 数 。内 极 板 柱 面 与 电解 液 构 成 电 容 。， ＣＨ（ｐＦ）