Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к области измерения и контроля технологических параметров, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для дистанционного контроля плотности электролита в аккумуляторных батареях.

Существует ряд автономных устройств, использующих аккумуляторные батареи, непосредственный контроль за которыми во время эксплуатации затруднен или невозможен. Наиболее достоверные данные о состоянии аккумуляторной батареи можно получить, контролируя плотность электролита в течение всего срока эксплуатации.

Известно устройство контроля плотности электролита кислотной аккумуляторной батареи [1], заключающееся в том, что внутрь корпуса пробки батареи вмонтированы погруженные в электролит излучатель механических колебаний и приемник, по результатам регистрации которых через электролит с последующей обработкой в электронных устройствах сравнения, преобразования и индикации осуществляется контроль плотности электролита.

Известен способ измерения плотности жидкости [2], заключающийся в сравнении показателей преломления исследуемой жидкости и воды, находящихся в контейнере, с помощью раздаточного приспособления, рефрактометрического датчика и последующего определения плотности жидкости вычислительным блоком, соединенным с датчиком. К этому способу близок способ измерения плотности электролита аккумуляторной батареи [3], заключающийся в использовании переносного рефрактометрического датчика, показания которого пересчитываются в плотность или концентрацию электролита.

Тем не менее, известные способы и устройства не позволяют создать достаточно компактные и технологические конструкции, обеспечивающие надежный контроль плотности электролита в течение всего срока эксплуатации аккумуляторной батареи.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются способ и устройство для измерения плотности электролита в свинцовых аккумуляторах [4], заключающиеся в измерении температуры электролита датчиком температуры, выполнении рефрактометрического датчика, размещенного в пробке аккумулятора, с возможностью определения функции показателя преломления при рабочей температуре электролита, сигналы которого пересчитываются в плотность электролита с учетом предварительно определенных функциональных зависимостей от температуры плотности дистиллированной воды и плотности электролита концентрации, менее или равной 60%.

К недостаткам предложенного способа следует отнести большой объем работ по определению функции показателя преломления с учетом предварительно определенных функциональных зависимостей от температуры плотности дистиллированной воды и плотности электролита для концентрации, менее или равной 60%, и сложность устройства, которая может затруднить его эксплуатацию в полевых условиях.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности контроля плотности электролита аккумуляторной батареи в полевых условиях эксплуатации и создание усовершенствованного датчика показателя преломления электролита и измерения его плотности.

Поставленная цель достигается тем, что вмонтированный внутрь пробки аккумуляторной батареи датчик показателя преломления электролита выполнен в виде кюветы клиновидной формы, изготовленной из оптически прозрачного и стойкого к химически агрессивной среде электролита материала, с непрозрачной перегородкой, разделяющей кювету на две равные по размерам клиновидные камеры, одна из которых выполнена герметичной и заполнена дистиллированной водой, а другая заполнена электролитом аккумуляторной батареи через отверстия в донной части, одна из боковых граней клиновидной кюветы равномерно засвечена параллельным потоком излучения, сформированным излучателем, коллиматорной оптической системой и плоским зеркалом, а другая грань с внешней стороны оптически сопряжена через объектив и плоское зеркало с многоэлементным приемником излучения, расположенным в фокальной плоскости объектива и выполненным в виде линейки, ориентированной в направлении дисперсии клиновидной кюветы, устройство контроля дополнительно содержит многоканальный формирователь сигналов, электрически соединенный со всеми чувствительными элементами приемника излучения, мультиплексор, приемный регистр, микропроцессор и устройство отображения информации.

Известно, что при распространении монохроматического потока излучения в оптически прозрачной среде с показателем преломления n≠1 его длина волны λ₀ изменяется на λ=λ₀/n. В соответствии с формулой Лоренца-Лорентца [5] существует функциональная связь между показателем преломления n среды распространения монохроматического потока излучения и ее плотностью ρ при температуре t°C, а именно

где r - удельная рефракция среды, не зависящая от величин плотности ρ.

Используя в качестве эталонной среды дистиллированную воду с известными величинами n₀=1,333 и ρ₀=0,998 г/см³ (t₀=20°C), запишем с учетом (1) для электролита аккумуляторной батареи с параметрами n и ρ

откуда

или

где

при постоянной температуре t°C.

Таким образом, определив величину показателя преломления n электролита аккумуляторной батареи и подставив его в соотношение (4), вычислим его плотность ρ.

Для определения показателя преломления n электролита аккумуляторной батареи используем свойство дисперсии потока излучения при его прохождении через призмы с различными показателями преломления. Для главного сечения призмы (клина) угол между направлением выходного потока излучения и перпендикуляром к выходной грани θ в плоскости дисперсии при постоянном угле падения входного параллельного потока излучения на входную грань β призмы и угле при вершине призмы А равен [6, 7]

Учитывая то обстоятельство, что в соответствии с (4) показатель преломления n равен

то, подставив (7) в формулу (6), получим

График функции θ(ρ), рассчитанный по формуле (8) при n₀=1,333 и ρ₀=0,998 г/см³ (t₀=20°С), β=27°, А=20°, приведен на фиг.1, где θ - в градусах, ρ - в г/см³. Величину угла θ определим как

где m - порядковый номер засвеченного чувствительного элемента приемника излучения, расположенного в плоскости изображения, отсчитываемый от опорного элемента, расположенного под углом θ₀, соответствующим плотности дистиллированной воды ρ₀=0,998 г/см³ при t₀=20° С, d - линейный размер чувствительного элемента приемника излучения в направлении дисперсии, f - фокусное расстояние выходного объектива.

При f=40 мм и (см. фиг.1) Δθ=θ(1,5)-θ(1,0)=4° в соответствии с (9) имеем md=40tg4°=2,8 мм (длина линейки приемника излучения), откуда при d=28 мкм получим количество чувствительных элементов в линейке приемника излучения m=100, откуда Δρ≈(1,5-1,0)/100=0,005 г/см³.

Предлагаемое устройство (фиг.2) состоит из корпуса пробки (1, 2) с размещенными внутри него датчиком температуры (3) и датчиком показателя преломления электролита (11-15), погруженными в электролит (4) полупроводникового монохроматического излучателя (5) и согласованного с ним по оптическим характеристикам многоэлементного приемника излучения (6), а также многоканального формирователя сигналов (7), электрически соединенного со всеми чувствительными элементами приемника излучения (6), и мультиплексора (8), сигналы с выхода которого поступают в кабель (9). Пробка с помощью резьбового соединения ввернута в корпус аккумулятора (10) и электрическим кабелем (9) соединена с электронным блоком управления, обработки и отображения информации (фиг.4).

Устройство контроля плотности электролита аккумуляторной батареи работает следующим образом (фиг.2).

Параллельный пучок монохроматического потока излучения полупроводникового излучателя (5), подключенного к генератору импульсов (16, фиг.4), сформированный коллиматорной оптической системой (11) с плоским зеркалом (12) и засвечивающий под углом β всю входную грань клиновидной кюветы (13), выполненной из оптически прозрачного и стойкого к химически агрессивной среде электролита материала, проходит через обе клиновидные камеры (фиг.3), пространственно разделяясь в плоскости дисперсии клиновидной кюветы на два параллельных пучка с углами θ(n₀) и θ(n) в соответствии показателями преломления n₀ дистиллированной воды, заполняющей одну камеру, и n электролита аккумуляторной батареи, заполняющего другую камеру. Выходной объектив (14) с плоским зеркалом (15) фокусирует оба параллельных пучка на соответствующие чувствительные элементы приемника излучения (6), причем по электрическому сигналу одного засвеченного чувствительного элемента определяется показатель преломления n электролита аккумуляторной батареи и вычисляется его плотность ρ, а по электрическому сигналу другого засвеченного чувствительного элемента определяется показатель преломления n₀ и плотность ρ₀ дистиллированной воды, которые используются для введения поправки на температуру t°C в результаты измерений. Электрические сигналы, вырабатываемые засвеченными чувствительными элементами, поступают на многоканальный формирователь сигналов (7), электрически соединенный со всеми чувствительными элементами приемника излучения (6), мультиплексор (8) и далее через кабель (9) в электронный блок (фиг.4) на приемный регистр (17) и микропроцессор (18). Одновременно на микропроцессор поступают измеренные датчиком температуры (3) текущие значения температуры электролита и дистиллированной воды t°C, преобразованные в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (19). Микропроцессор обрабатывает полученные сигналы. Результаты обработки отображаются устройством отображения информации (20) в виде значений плотности электролита аккумуляторной батареи, а также в виде сигналов, пропорциональных измеренной плотности электролита, для дальнейшего использования.

Таким образом, с помощью предложенного устройства контроля можно автоматически контролировать плотность электролита аккумуляторной батареи в любой момент времени с достаточной точностью в любых условиях эксплуатации.

Литература

1. Патент RU 2275715 С2, 2006, бюл. №12.

2. Патент США №5141310, G01N 21/41, ИСМ, 1994, №6.

3. Патент Германии №285191, G01N 9/12, ИСМ, 1992, №3.

4. Патент RU 2352916 С2, 2009, бюл. №11.

5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике: Для инженеров и студентов вузов. - М.: Наука, 1964. - 848 с., ил.

6. Справочник конструктора оптико-механических приборов / В.А. Панов, М.Я. Кругер, В.В. Кулагин и др. - Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с., ил.

7. Сазанов Б.Я. Основы теории некогерентных оптических и оптико-электронных систем и оптических сигнальных измерений. - М.: РВСН, 1998. - 419 с., ил.