ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЛОТНОСТИ И УРОВНЯ РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА В АККУМУЛЯТОРЕ
ELECTROLYTE SOLUTION DENSITY AND LEVEL METER IN BATTERY

Предлагаемое изобретение относится к автомобильной промышленности и может быть использовано при эксплуатации аккумуляторных батарей (АБ), в частности в зимних условиях и районах Крайнего Севера, а также в устройствах с усложненными условиями технического обслуживания аккумулятора.
Известен измеритель плотности и уровня электролита, содержащий измеритель глубины погружения в жидкость и устройство, чувствительное к плотности электролита. [Руководство по свинцовым аккумуляторным батареям [Текст]. Утверждено заместителем начальника Главного бронетанкового управления и заместителем начальника Центрального автотракторного управления. - М.: Воениздат, 1983. - 183 с.]
Известный измеритель представляет собой комплект, состоящий из стеклянной трубки и ареометра. Измерение уровня электролита осуществляется вручную опусканием трубки в заливное отверстие аккумулятора до упора в изолирующий защитный щиток над электродами, затыканием пальцем внешнего конца трубки, выниманием трубки из заливного отверстия наружу и измерением высоты столбика электролита в трубке. Высота столбика должна быть в пределах 10-15 мм. Измерение плотности раствора электролита производится ареометром по положению поплавка в втянутом из аккумулятора раствора электролита в колбу ареометра.
Недостатком известных измерителей является отсутствие электрического сигнала для автоматизации измерений, необходимость доступа работника непосредственно к аккумуляторной батарее, необходимость остановки машины, в которой находится и используется аккумуляторная батарея. Известный измеритель (комплект) обладает малой экспрессностью измерений.
Технический результат направлен на повышение быстродействия измерителя и обеспечение автоматизации измерений, повышение достоверности результатов.
Технический результат достигается тем, что измеритель плотности и уровня раствора электролита, содержащий измеритель глубины погружения в жидкость и устройство, чувствительное к плотности электролита, при этом измеритель глубины содержит жестко соединенные через изолятор не менее трех проводников различной длины, погружаемые в раствор электролита аккумулятора, а устройство, чувствительное к плотности электролита, содержит электроды, совмещенные с проводниками измерителя глубины погружения, источник прямоугольных импульсов переменного напряжения 0.01-3 В, с частотой 0.01-100 Гц, коммутатор, соединяющий источник напряжения с электродами-проводниками и измерители напряжения и тока в цепи источника питания.
На чертеже приведена функциональная схема измерителя плотности и уровня раствора электролита в аккумуляторе.
Измеритель плотности и уровня раствора электролита в аккумуляторе (далее - измеритель) содержит электроды 1-4, изолирующий держатель электродов 5, источник напряжения 8 прямоугольных импульсов переменной полярности, коммутатор 6, соединяющий источник напряжения с электродами, измеритель 7 тока и напряжения, соединенный с коммутатором 6 и источником напряжения 8. Держатель 5 электродов 1-4 выполнен в виде пробки заливного отверстия и может вместе с электродами быть размещенным вместо пробки по исходной комплектности в горловине 5 заливного отверстия на постоянное время и дополнительно выполнять функции пробки. В рассматриваемом варианте измеритель глубины содержит четыре проводника различной длины - минимального 4, среднего 3, максимального 2 погружения до минимально допустимого уровня электролита 11 и погружения до области электродов 13 аккумулятора. При этом устройство, чувствительное к плотности электролита, построено на использовании проводников 1-4 измерения уровня электролита в качестве электродов для измерения плотности электролита. Длины проводников-электродов выбираются удовлетворяющими следующим положениям. Электрод 4 минимальной длины погружается концом при установленном (ввинченном) держателе в заливном отверстии аккумулятора на 2-3 мм в раствор электролита при высоте раствора электролита 11 от щитка 12 равной 15 мм. При этой же высоте уровня свободного раствора электролита в 15 мм над защитным изолирующим щитком 12, расположенным над электродами, средний электрод погружается в раствор электролита на глубину 5-6 мм, Третий 2 и четвертый 1 электроды погружаются в электролит на 12 13 мм и образуют зазор от щитка 2-3 мм. Электроды изготавливаются из материала, не реагирующего химически с раствором электролита и с воздухом с парами раствора электролита. Коммутатор 6, измеритель тока и напряжения 7 расположены в кабине водителя транспортного средства.
Измеритель работает следующим образом. Для определения уровня раствора электролита в аккумуляторе установить в горловину 9 заливного отверстия держатель 5 с электродами 1-4. Соединить электроды с коммутатором 6, расположенным на щитке приборов. Соединить к коммутатору последовательно измеритель 7 напряжения и тока и источник напряжения 8. Один длинный (четвертый) электрод 1 соединен к источнику напряжения постоянно и служит для измерения тока при определении плотности электролита. Соединить к источнику питания 8 с помощью коммутатора 6 короткий электрод 4. Электрод 1 соединен к другому полюсу источника 8 постоянно. При наличии тока на электрод 4 можно считать, что уровень электролита находится на высоте 13-15 мм от уровня защитного щитка электродов. При отсутствии тока на короткий электрод 4 коммутатором 6 соединяется к источнику питания средний электрод 3, зондирующий уровень электролита на высоте 9-10 мм от уровня щитка 13. Конец третьего электрода 2, как и электрода 1, находится на уровне 2-3 мм от щитка 12. Отсутствие тока между третьим и четвертым электродами указывает на необходимость доливки дистиллированной воды, либо раствора электролита, то есть проведения профилактических работ по восстановлению уровня раствора электролита 11.
3
2
4
2
Измерение плотности раствора электролита осуществляется по величине тока между двумя электродами 1 и 2 и его зависимости от частоты прямоугольных импульсов напряжения при заданной величине импульсов. Для измерений могут быть использованы пара из комбинации электродов 1-4. В зависимости от плотности раствора электролита 11 изменяется концентрация носителей заряда. Изменение плотности приводит одновременно к двум процессам, влияющим на величину тока - уменьшению концентрации ионов вследствие уменьшения концентрации раствора и уменьшение концентрации ионов вследствие отклонения от оптимальной плотности диссоциации. При плотности раствора 1.26-1.28 г/см раствор электролита (HSO + HO) имеет максимальный коэффициент диссоциации. Поэтому как увеличение, так и уменьшение концентрации раствора приводит к уменьшению концентрации ионов в растворе. При уменьшении концентрации раствора эти два фактора действуют в одном направлении - уменьшения концентрации ионов, а значит и уменьшения тока. От концентрации ионов в растворе зависит и концентрация ионов в двойных слоях, времени прохождения ионов зоны двойных слоев, в которой концентрация ионов значительно выше, чем в межэлектродном промежутке, а сопротивление значительно меньше. Поэтому при длительности импульса напряжения, равном и меньше времени движения ионов в области двойных внутренне сопротивление раствора меньше. Экспериментальные измерения в электролитической ванне показали, что толщина двойных слоев, на которой падает практически вся величина напряжения между электродами, составляет менее 1-2-х мм. Поэтому при расстоянии между электродами в единицы мм основную область межэлектродного пространства занимают двойные слои. Изменение плотности раствора электролита сказывается на изменении концентрации ионов в двойных слоях, и соответственно на сопротивление межэлектродного промежутка. При большом объеме свободного электролита и малом расстоянии между электродами двойные слои занимают преобладающую долю пространства, а концентрация в них изменяется за счет объема всего раствора. Это обусловливает выраженную зависимость сопротивления межэлектродного промежутка от концентрации раствора электролита во всем его объеме. Частота следования импульсов при измерениях выбирается по длительности импульса, сравнимой с временем движения ионов электролита в через ширины двойного слоя. Превышение длительности импульса приведет к увеличению сопротивления межэлектродного промежутка. Величина сопротивления в пределах двойных слоев, начало (по времени) и скорость увеличения сопротивления межэлектродного промежутка зависят от концентрации электролита. Поэтому, измерив эти зависимости и значения сопротивлений при выбранных режимах (напряжение, частота импульсов, время), можно по значению тока определять плотность электролита.
Так как результат измерения получатся в виде электрического сигнала, то процесс измерений может быть автоматизирован и переведен в процесс эпизодического автоматизированного контроля соответствия состояния электролита техническим требования по обеспечению работоспособности состояния электролита.
Сопоставительный анализ показал, что быстродействия измерителя определяется временем измерения. Подготовка к измерениям определяется только включением источника напряжения прямоугольных импульсов. При использовании прототипа основным неудобством является необходимость доступа к аккумуляторной батарее и необходимость вскрытия заливных пробок, изъятия для измерений порции раствора электролита с возвратом ее в аккумулятор. Автоматизация измерений с использованием предлагаемого изобретения позволяет осуществлять контроль состояния раствора электролита в аккумуляторе по ходу движения автомобиля.
Технико-экономическое обоснование на предлагаемое изобретение
Предлагаемое изобретение относится к автомобильной промышленности и может быть использовано при эксплуатации аккумуляторных батарей, в частности в зимних условиях и районах Крайнего Севера, а также в устройствах с усложненными условиями технического обслуживания аккумулятора.
Технический результат направлен на повышение быстродействия измерителя и обеспечение автоматизации измерений, повышение достоверности результатов. Технический результат достигается тем, что измеритель плотности и уровня раствора электролита, содержащий измеритель глубины погружения в жидкость и устройство, чувствительное к плотности электролита, при этом измеритель глубины содержит жестко соединенные через изолятор не менее трех проводников различной длины, погружаемые в раствор электролита аккумулятора, а устройство, чувствительное к плотности электролита, содержит электроды, совмещенные с проводниками измерителя глубины погружения, источник прямоугольных импульсов переменного напряжения 0.01-3 В с частотой 0.01-100 Гц, коммутатор, соединяющий источник напряжения с электродами-проводниками и измерители напряжения и тока в цепи источника питания.
Сопоставительный анализ показал, что быстродействие измерителя определяется временем измерения. Подготовка к измерениям определяется только включением источника напряжения прямоугольных импульсов. При использовании прототипа основным неудобством является необходимость доступа к аккумуляторной батарее и необходимость вскрытия заливных пробок, изъятия для измерений порции раствора электролита с возвратом ее в аккумулятор. Автоматизация измерений с использованием предлагаемого изобретения позволяет осуществлять контроль состояния раствора электролита в аккумуляторе по ходу движения автомобиля.