УЛУЧШЕННЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ЭЛЕКТРОЛИТА

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения уровня электролита в элементах аккумуляторных батарей.
Уровень техники. Известен емкостной датчик топливомера [авторское свидетельство СССР на изобретение №724932], представляющий собой конденсатор, обкладками которого являются наружный и внутренний электроды (трубы), укрепленные относительно друг друга втулками лабиринтовой конфигурации. На обкладки конденсатора подается напряжение, а изменение величины емкости конденсатора пропорционально изменению уровня жидкости в баке.
К недостатку такого решения можно отнести использование металлических электродов, непосредственно контактирующих с измеряемой средой, ведущее к окислению поверхности упомянутых электродов и их постепенному разрушению, что снижает срок службы датчика.
Также известен емкостной 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 недостаткам 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.
Раскрытие полезной модели.
2
4
В промышленных свинцово-кислотных аккумуляторах группы в качестве электролита используется водный раствор серной кислоты (HSO). 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.
3
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/см, 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. Наиболее удобно измерять уровень электролита - так, как показано на фигуре 2. Корпус датчика в таком случае выполняется из стойкого к агрессивной среде диэлектрика, и имеет сквозную плоскую прорезь в нижней части (контактирующей с электролитом), на стенках которой в полости корпуса датчика располагаются измерительные электроды, 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 уровень в прорези корпуса датчика - и пропорционально ему, изменится емкость измерительных электродов.
Однако упомянутому выше варианту датчика уровня электролита свойственна небольшая емкость измерительных электродов, расположенных внутри корпуса. Это объясняется относительно большим зазором между электродами, и ограниченной их площадью, что усложняет измерения, и снижает чувствительность датчика к колебаниям уровня электролита, а также повышает влияние уровня шумов измерительных цепей на класс точности проводимых таким образом измерений. Кроме того, использование сквозной прорези означает низкий коэффициент использования объема корпуса датчика уровня (то есть низкую эффективность).
В заявляемом решении предлагается устранить упомянутые недостатки датчика электролита, а именно - увеличить емкость между электродами путем увеличения их площади.
На фигуре 3 изображено поперечное сечение датчика уровня электролита, изображенного на фигуре 2, и имеющего ограниченную площадь электродов сквозной прорези в корпусе.
В качестве решения поставленной задачи, предлагается использовать изображенное на фигуре 4 поперечное сечение улучшенного датчика уровня. Такая конструкция обладает следующими преимуществами: увеличенной емкостью между электродами, что повышает чувствительность к колебаниям уровня электролита и точность измерений, а также более высоким коэффициентом использования объема корпуса датчика, что повышает эффективность решения и позволяет уменьшить габариты.
В предлагаемом решении возможно многократное (вплоть до десятков раз) увеличение емкости измерительных электродов, что является несомненным техническим преимуществом. Трапециевидная форма прорези для электролита позволяет не только увеличить площадь измерительных электродов и их емкость, но и более эффективно использовать площадь поперечного сечения корпуса датчика - особенно в случае использования округлой наружной формы корпуса датчика.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимым - позволяя достичь улучшения целого ряда технических характеристик выбранного прототипа. Использование корпуса из стойкого диэлектрика защищает измерительные электроды от воздействия агрессивной среды (раствора серной кислоты - электролита аккумуляторов), а характеристика зависимости емкости от уровня электролита является практически пропорциональной.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- измерительные электроды расположены внутри корпуса датчика, выполненного из стойкого к агрессивным средам диэлектрика (пластика), что исключает постепенное разрушение упомянутых электродов агрессивной средой электролита;
- плоские электроды располагаются на стенках корпуса датчика, что упрощает конструкцию и позволяет избежать сложных видов крепления, особенно в сравнении выбранным прототипом;
- конструкция электродов не имеет "концевого эффекта" паразитной емкости цилиндрических электродов, влияющей на точность измерений - свойственной решению, выбранному за основной прототип;
- трапециевидные изгибы продольной плоскости прорези корпуса датчика обеспечивают большую длину упомянутой прорези, что ведет к росту площади измерительных электродов и увеличению емкости образуемого ими конденсатора.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - увеличению емкости измерительных электродов конденсатора и пропорциональному росту чувствительности.
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 датчик уровня электролита. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительный электрод. На фигуре 3 изображено поперечное сечение датчика уровня электролита. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительный электрод. На фигуре 4 изображено поперечное сечение улучшенного датчика уровня электролита. Здесь 6 - корпус датчика, 7 - измерительный электрод.
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., Темирев А.П., Киселев В.И., Хамизов P.P., Мановицкий A.M., Батюченко И.Л. 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.