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, 设计了雷达液位计;通过温度补偿, 提高了产品的准确度。详细介绍了雷达液位计的工作原理与设计方法。实验结果表明:雷达液位计的准确度优于±3 mm, 满足使用要求。
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、引起接线端子间短路等;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 (H2SO4) 水溶液, 碱性蓄电池电解液为氢氧化钾 (KOH) 和氢氧化钠 (Na OH) 。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zui高点和zui低点, 无法随身携带, 亦无法连续测量液位信号。
    本文利用电容测量原理、提出雷达液位计的测量方法, 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：
    雷达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H, 如图1所示。
    图中,1为内极板直径cm;2为绝缘套外径cm;3为屏蔽管内径cm;L为测量区长度cm, 量程由L决定。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C1, 内极板底面与电解液构成寄生电容C2, C1, C2为常数。内极板柱面与电解液构成电容[2,3]CH (p F)

图1 测量原理示意

    式中εr2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C3 (p F) , 绝缘套部分的电容为C4 (p F) 。

 
    式中εr1为空气的相对介电常数。
    令总寄生电容为C0, 则

 
    由于C1, C2均为常数, 则C0亦为常数。
    令测量区未插入电解液部分总电容为C5, 有

 
    简化后等效电路如图2 (b) 所示。令敏感元件总电容为C, 有

 
    式 (1) ~式 (4) 代入式 (5) , 有

 
    由于C0, εr1, εr2, 1, 2, 3, L均为常数, 则H和C呈线性关系。
    2、雷达液位计设计：
    2.1、结构设计：
    雷达液位计的结构设计要求为体积小、质量轻、便于携带、耐酸碱腐蚀。依据以上要求, 雷达液位计结构如图2所示。

图2 雷达液位计结构示意

 
    雷达液位计由敏感元件、电路、液晶显示器组成。敏感元件内极板选用紫铜、绝缘套选用聚四氟乙烯、屏蔽管为碳, 外壳、绝缘尺选用ABS塑料, 电源选用9 V叠层电池。1,2, 3, L, H选取适当值, 使C0约为5 pF, 电容变化量约为25 pF。
2.2、电路设计：
    考虑到廉价、便于批量生产, 计算单元采用模/数 (A/D) 转换器ICL7106, 零点、满量程调整采用电位器。电路包括采集电路、整形及积分电路、差分及显示电路。
2.2.1、具有温度补偿电路设计：
    采集电路、整形及积分电路中含有温度补偿电路。温度补偿电路设计与实际测量电路及元件参数相同的电路, 在差分及显示电路中, 两电路输出经减法运算, 结果作为自变量计算出液位。
1) 采集电路
    采集电路采用双555定时器ICM556, 组成2个多谐振荡器, 如图3所示。

图3 信号采集电路

 
    由C, Cl, Rl1, Rl2和一个555定时器组成一路多谐振荡器, 采集液位电容信号, 输出频率[2,4]为fl, 由Cj, Rj1, Rj2和另一个555定时器组成另一路多谐振荡器, 温度补偿, 输出频率为

 
2) 整形及积分电路
    多谐振荡器输出信号的频率和脉宽都随电容变化而变化, 通过整形使脉宽不变, 然后积分。由Rl3, Cl1和一个555组成单稳态触发器, 用于整形采集信号;由Rj3, Cj1和另一个555组成单稳态触发器, 用于整形温度补偿信号。取Rl3=Rj3, Cl1=Cj1, 整形后, 采集路和温度补偿路的频率不变, 脉冲的脉宽、幅值均相等。令其脉宽[4]为Tw, 幅值为Uo, 则

 
    实际使用时, 常采用两级以上积分电路, 同时可与Cj2并联电位器, 用于调整零点。
3) 差分及显示电路
    显示采用液晶显示器, 差分采用ICL7106, 如图4所示。

图4 差分及显示电路示意

 
    实际使用时, 可在R1和R2之间加电位器, 用于调整满量程。ICL7106把INC+端与INC-端电压差值进行A/D转换, 然后显示。令INC+端与INC-端的电压差值为Vs, 则

 
    如图5所示, 当Cl=220 p F, C在5~25 p F范围内变化时, C与计算公式近似呈线性关系, 即C与Vs近似呈线性关系, 也就是H与Vs近似呈线性关系。

图5  C与Vs曲线关系

 
2.2.2、无温度补偿电路设计：
    去掉温度补偿路电路, 采集路电路保持不变, ICL7106的INC+端由固定电压输入, 如图8所示。
令INC+端的电压为Ud。
3、实验：
    实验用雷达液位计量程为0~80 mm, 电解液为H2SO4水溶液, 分别在5, 20, 35, 50℃温度下, 同时分别测试0, 20, 40, 60, 80 mm处。
有温度补偿和无温度补偿时, 雷达液位计的zui大误差如表1所示。

表1 雷达液位计zui大误差

    实验结果表明:在5~50℃范围内, 有温度补偿时, 雷达液位计准确度优于±3 mm;无温度补偿时, 雷达液位计准确度优于±6 mm。
4、结论：
    雷达液位计能够方便地测量蓄电池液位。按该方法生产的产品, 既适用于电解液的液位测量, 也适用于电导率在200μS/cm以上所有液体的液位测量。
    利用温度补偿电路输出与实际测量电路输出的差值作为计算液位的自变量, 消除了因半导体器件温度漂移产生的误差, 提高了液位计的准确度。雷达液位计耐酸碱腐蚀、电池供电、便于携带、廉价, 可广泛应用于蓄电池研制、使用及维修, 同时也可应用于汽车修理, 实验室等场合。

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