CN103674187B - 一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器 - Google Patents

Abstract

一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器，包括传感器外罩（1）内设置有传感器内芯（2）、传感器内芯包括设置在内芯壳（5）下部外的液位浮漂（3）、卡扣（4）、内芯壳（5）下部的內腔中设置有温度传感器（6）、干簧管（7）。其优点是：将液位传感器与温度传感器集成在一起，减小传感器的体积，利用铅酸蓄电池的注液口进行安装，与原有蓄电池注液口盖体积相当，不影响铅酸蓄电池的日常使用，无需在蓄电池使用和充电的过程中频繁拆装传感器。传感器外罩设置有防波罩、泄气孔，防止充电过程中电解液沸腾液位波动引起测量误差。采用数字式温度传感器DS18B20，具有连线简单、无需外部调理电路、精度高、可靠性好、抗干扰能力强的特点。

Description

一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器

技术领域

本发明涉及检测技术及传感器领域，特别适用于铅酸蓄电池温度及液位的在线检测与实时监控。

背景技术

铅酸蓄电池具有功率密度大、成本低、大电流放电特性好、便于维护等优点，被广泛应用于电力、通讯、交通、采矿等行业，应用范围越来越广，规模越来越大。然而，铅酸蓄电池的充放电维护具有一定的专业性，如果维护不当会造成蓄电池极板硫化、电解液缺失、电解液污染等问题，从而造成蓄电池容量减小、寿命缩短，单节落后电池更会造成整个电池组性能降低，严重的甚至酿成事故。鉴于以上情况，在工业生产过程中对铅酸蓄电池的状态进行必要的检测与监控，尤其检测铅酸蓄电池的充电温度和电解液液位，实时了解蓄电池相关性能参数，从而采取更加合理的维护措施，可以大大提高铅酸蓄电池性能，延长使用寿命，避免不必要的生产事故。目前，检测蓄电池温度与液位的技术主要有：红外测液位、超声测液位、浮漂测液位、铂电阻测温度、数字温度传感器测温度等，但是，以上方法具有成本高、不耐腐蚀、不抗油污等缺点，在实际应用中稳定性和可靠性都不能保证。

发明内容

本发明鉴于目前铅酸蓄电池温度液位检测方面的技术问题，提出了一种新型的铅酸蓄电池温度液位传感器，其将温度检测和电解液液位检测有机的集成在一起，巧妙地安装在蓄电池的注液口，通过线缆连接到远端的嵌入式系统，实时进行蓄电池的温度和电解液液位监测。该传感器具有体积小、成本低、抗腐蚀、稳定可靠等特点。

本发明一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器，包括传感器外罩内设置有传感器内芯、传感器内芯包括设置在内芯壳下部外的液位浮漂、卡扣、内芯壳下部的內腔中设置有温度传感器、干簧管。

传感器线缆接线方式为：VCC线缆连接干簧管的一端，VCC线缆连接DS18B20的3脚，DQ线缆连接DS18B20的2脚，GND线缆连接DS18B20的1脚，P线缆连接干簧管的另一端。

外罩与内芯壳均采用聚四氟乙烯材料加工而成，线缆则采用了超细四芯屏蔽线，从传感器内芯的灌封口对干簧管和DS18B20进行了环氧树脂灌封。

所述的液位浮漂中还设置有磁环。

所述的温度传感器为DS18B20。

所述的传感器外罩包括：外螺纹、泄气孔、内芯插孔、注液挡板、防波罩。如图-3所示，外螺纹用于传感器安装在铅酸蓄电池的注液口，并且通过旋转外螺纹控制传感器的安装深浅来调节液位报警的高度。外罩的上部有一圈泄气孔，用于铅酸蓄电池充电时电解液沸腾产生的蒸汽外泄，同时也可以防止传感器安装到蓄电池上时，由于空气压力，造成浮漂无法正常接触电解液，使传感器误报警。内芯插孔用于插入传感器内芯，传感器的温度及液位检测装置均在内芯上，注液时，可以直接将内芯拔出，从外罩的内芯插口对蓄电池加电解液。注液挡板作用类似于漏斗，方便对蓄电池进行注液操作，防止电解液外流到电池顶部造成污染。防波罩可以防止蓄电池在搬运、充电电解液沸腾等情况下由于电解液的波动造成的无法正确对电解液缺液进行报警。

所述的传感器内芯包括：、温度传感器为DS18B20、干簧管、液位浮漂、卡扣、内芯壳、线缆、灌封口。如图-4将DS18B20埋入传感器内芯壳下部外的内部并用环氧树脂对其灌封，当中心柱浸入电解液中时，DS18B20便可以实时采集电解液的温度。DS18B20具有连线简单、无需外部调理电路、精度高、可靠性好、抗干扰能力强的特点，并且可以将多个DS18B20并联在同一根总线上，每个DS18B20都具有唯一的识别码，大大简化了使用本传感器对整个电池组所有电池进行监控的方案，使其能够精确定位到电池组中的问题电池位置。干簧管是一种带有触点的开关器件，当液位浮漂中的磁环靠近干簧管时，触点吸合或者断开，开关导通或者闭合。本发明采用的干簧管为常开型干簧管，其两极分别连接VCC电源信号和P液位输出信号，当电解液液位较高时，浮漂位于内芯壳外下部上端，靠近干簧管，干簧管吸合，P端输出高电平，当电解液液位下降时，浮漂位置亦随之下降，当超过报警位置时，干簧管断开，P端输出低电平，从而达到检测电解液液位高度的目的。液位浮漂安装在传感器内芯壳下部上，有足够的间隙利于其上下自由浮动，内芯壳底部使用卡扣固定防止其滑落。传感器输出使用4根编号为P、GND、DQ、VCC的线缆与远端的嵌入式系统相连。线缆使用了4芯超细屏蔽线增强传感器的抗干扰能力。使用环氧树脂从灌封口将温度传感器和液位测量装置灌封于传感器内芯壳下部内腔以防止酸性电解液对器件的腐蚀。

所述温度传感器为单线总线的数字式温度传感器DS18B20，其检测温度范围为-55℃至+125℃，涵盖了铅酸蓄电池工作时的温度范围，DS18B20输出为数字信号，接线方式如图-2所示，VCC与GND分别连接远端嵌入式系统的电源与地信号，DQ连接嵌入式系统的IO口，嵌入式系统便可通过单线总线协议从DQ口读出DS18B20采集的温度数值。实际使用时，为保证温度传感器被酸性电解液腐蚀从而上时间可靠工作，将DS18B20埋入传感器内芯壳下部内腔并用环氧树脂对其灌封，当内芯壳下部浸入电解液中时，DS18B20便可以实时采集电解液的温度。DS18B20具有连线简单、无需外部调理电路、精度高、可靠性好、抗干扰能力强的特点，并且可以将多个DS18B20并联在同一根总线上，每个DS18B20都具有唯一的识别码，大大简化了使用本传感器对整个电池组所有电池进行监控的方案，使其能够精确定位到电池组中的问题电池位置。

所述液位检测装置包括干簧管与液位浮漂，干簧管是一种带有触点的开关器件，当液位浮漂中的磁环靠近干簧管时，触点吸合，开关导通或者闭合。本发明采用的干簧管为常开型干簧管，其两极分别连接VCC电源信号和P液位输出信号，当电解液液位较高时，浮漂位于内芯壳下部上端，靠近干簧管，干簧管吸合，P端输出高电平，当电解液液位下降时，浮漂位置亦随之下降，当超过报警位置时，干簧管断开，P端输出低电平，从而达到检测电解液液位高度的目的。液位浮漂安装在传感器内芯壳下部外，有足够的间隙利于其上下自由浮动，内芯壳底部使用卡扣固定防止其滑落。

所述液位浮漂结构如图-6、图-7所示，采用发泡塑料材质，密度小，可以浮于电解液之上，并且具备一定耐酸能力，防止电解液的腐蚀。采用环形结构，使用时穿入传感器内芯壳下部，根据电解液液位高低沿着内芯壳下部上下浮动。在浮漂中内嵌了磁环作为永磁体，从而使浮漂靠近干簧管时吸合干簧管触点产生信号动作。

所述卡扣结构如图-8所示，使用0.5mm厚的聚四氟乙烯片加工而成，内径为6mm正好卡与传感器内芯壳底端的卡槽内，防止液位浮漂从内芯壳底部滑落。卡扣采用聚四氟乙烯材料具备耐酸、耐碱的特性，可有效防止电解液的腐蚀。

本发明一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器的优点是：将液位传感器与温度传感器集成在一起，减小了传感器的体积，利用铅酸蓄电池的注液口进行安装，与原有蓄电池注液口盖体积相当，不影响铅酸蓄电池的日常使用，无需在蓄电池使用和充电的过程中频繁拆装传感器。传感器外罩设置有防波罩、泄气孔，有效防止充电过程中电解液沸腾液位波动引起的测量误差。温度传感器采用数字式温度传感器DS18B20，具有连线简单、无需外部调理电路、精度高、可靠性好、抗干扰能力强的特点，并且可以将多个DS18B20并联在同一根总线上，每个DS18B20都具有唯一的识别码，大大简化了使用本传感器对整个电池组所有电池进行监控的方案，使其能够精确定位到电池组中的问题电池位置。传感器线缆采用四芯超细屏蔽线，布线简单，并且能够有效抵御大电流充电时产生的电磁干扰，确保传感器的稳定性。传感器外罩与内芯均采用聚四氟乙烯材料加工而成，使用环氧树脂从灌封口将温度传感器和液位测量装置灌封于传感器内芯壳下部内腔以防止酸性电解液对器件的腐蚀，大大增强了传感器的耐腐蚀性。综上，该传感器具有体积小、安装使用方便、成本低、抗腐蚀、等优点，能够很好的适应铅酸蓄电池使用的特殊环境，具备很高的可靠性和稳定。

附图说明

图1 铅酸蓄电池温度液位传感器原理图；

图2 铅酸蓄电池温度液位传感器电气连接图；

图3 铅酸蓄电池温度液位传感器外罩剖面图；

图4 铅酸蓄电池温度液位传感器内芯剖面图；

图5 铅酸蓄电池温度液位传感器整体结构剖面图；

图6 铅酸蓄电池温度液位传感器液位浮漂顶视图；

图7 铅酸蓄电池温度液位传感器液位浮漂剖面图；

图8 铅酸蓄电池温度液位传感器卡扣顶视图。

具体实施方式

根椐图1-图8所示，一种铅酸蓄电池温度液位传感器，包括传感器外罩1内设置有传感器内芯2，传感器内芯2包括设置在内芯壳5下部外的液位浮漂3、卡扣4，内芯壳5下部的內腔中设置有温度传感器6、干簧管7。

传感器线缆接线方式为：VCC线缆连接干簧管的一端，VCC线缆连接DS18B20的3脚，DQ线缆连接DS18B20的2脚，GND线缆连接DS18B20的1脚，P线缆连接干簧管的另一端。

传感器外罩1与内芯壳5均采用聚四氟乙烯材料加工而成，线缆则采用了超细四芯屏蔽线，从传感器内芯2的灌封口对干簧管7和DS18B20进行了环氧树脂灌封。

所述的液位浮漂3中还设置有磁环8。

所述的温度传感器6为DS18B20。

本传感器主要通过一个温度传感器来检测电解液温度，使用液位浮漂与干簧管检测电解液的位置，输出使用4根编号为P、GND、DQ、VCC的线缆与远端的嵌入式系统相连。传感器原理如图-1所示，其工作原理为：本发明采用的干簧管为常开型干簧管，其两极分别连接VCC电源信号和P液位输出信号，液位浮漂内嵌磁环作为永磁体，当电解液液位较高时，浮漂位于内芯壳下部上端，靠近干簧管，干簧管吸合，P端输出高电平，当电解液液位下降时，浮漂位置亦随之下降，当超过报警位置时，干簧管断开，P端输出低电平，从而达到检测电解液液位高度的目的。远端嵌入式系统使用IO口检测P线缆的电压输出就可以知道铅酸蓄电池的电解液是否下降到报警位置以下，通过调节传感器外罩安装高度从而控制传感器内芯中心柱的高度便可以调节电解液缺液报警的高度。温度传感器为单线总线的数字式温度传感器DS18B20，其检测温度范围为-55℃至+125℃，涵盖了铅酸蓄电池工作时电解液的温度范围，DS18B20输出为数字信号，接线方式如图-2所示，VCC线缆连接干簧管的一端，VCC线缆连接DS18B20的3脚，DQ线缆连接DS18B20的2脚，GND线缆连接DS18B20的1脚，P线缆连接干簧管的另一端。VCC与GND分别连接远端嵌入式系统的电源与信号地，DQ与P连接嵌入式系统的IO口，嵌入式系统便可通过单线总线协议从DQ口读出DS18B20采集的温度数值，通过P端口读出液位报警信号。实际使用时，为保证温度传感器被酸性电解液腐蚀从而上时间可靠工作，将DS18B20和干簧管埋入传感器内芯壳下部内腔并用环氧树脂对其灌封，当内芯壳下部浸入电解液中时，DS18B20便可以实时采集电解液的温度。DS18B20具有连线简单、无需外部调理电路、精度高、可靠性好、抗干扰能力强的特点，并且可以将多个DS18B20并联在同一根总线上，每个DS18B20都具有唯一的识别码，大大简化了使用本传感器对整个电池组所有电池进行监控的方案，使其能够精确定位到电池组中的问题电池位置。

在结构上，本传感器主要由外罩和内芯两部分组成，剖面结构如图-3、图-4、图-5所示，使用时，外罩的上部为外螺纹，可以旋拧将外罩安装在铅酸蓄电池的注液口上，内芯插入外罩的内芯插口处，对铅酸蓄电池的电解液位置和温度进行检测，注液时，可以直接将内芯拔出，从外罩的内芯插口对蓄电池加电解液。可以通过旋拧调节外罩的安装高度，从而调节电解液缺液报警的高度。外罩下半部为防波罩，可以防止蓄电池在搬运、充电电解液沸腾等情况下由于电解液的波动造成的无法正确对电解液缺液进行报警。外罩的上部有一圈泄气孔，用于铅酸蓄电池充电时电解液沸腾产生的蒸汽外泄，同时也可以防止传感器安装到蓄电池上时，由于空气压力，造成浮漂无法正常接触电解液，使传感器误报警。外罩顶部有一圈挡板，其作用类似于漏斗，方便对蓄电池进行注液操作，防止电解液外流到电池顶部造成污染。

用于检测温度的传感器和电解液液位的电极都集中在内芯上，温度传感器内埋于内芯壳下部内腔中，传感器工作时，内芯壳底部浸入电解液中，从而保证温度测量值的真实性和实时性。测量电解液液位的液位浮漂安装在传感器内芯壳下部，电解液液位报警高度可以通过调节外罩安装高度来实现，传感器内芯壳下部的上端被切削成斜面从而减小上端与液位浮漂的接触面积以减小液位浮漂粘粘电解液后与上端接触时的张力，保证浮漂不被粘在内芯壳下部顶端无法正常随电解液液位浮动，造成错误报警。如图-4、图-8所示，内芯壳下部的末端被切削出一个卡槽，卡扣为一个环形薄片，并且环形被开了一个0.7mm的开口，以方便安装在卡槽内。内芯的顶部留有灌封口，将温度传感器和电极与线缆的连接端置于内部，通过环氧树脂对此位置进行灌封防止酸性电解液对传感器和线缆的腐蚀。

本传感器的外罩与内芯均采用聚四氟乙烯材料加工而成，线缆则采用了超细四芯屏蔽线具有耐酸碱、耐高温、抗油污、绝缘不导电、等优点，能够很好的适应铅酸蓄电池酸性电解液的强腐蚀，充电时产生高温以及在电池使用环境中的油污等恶劣环境。为保护温度传感器和传感器与线缆的连接部位不被酸性电解液腐蚀，对传感器的该部位进行了环氧树脂灌封，环氧树脂固化后具有坚固防水、绝缘、耐酸碱腐蚀等特点，能够有效避免电解液的腐蚀，大大增加传感器寿命。综上，本传感器能够很好的适应铅酸蓄电池使用的特殊环境，具备很高的可靠性和稳定。

Claims (5)

1.一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器，其特征在于：包括传感器外罩(1)内设置有传感器内芯(2)、传感器内芯包括设置在内芯壳(5)下部外的液位浮漂(3)、卡扣(4)、内芯壳(5)下部的內腔中设置有温度传感器(6)、干簧管(7)；传感器外罩(1)与传感器内芯(2)可分离；传感器外罩(1)与铅酸蓄电池的注液口螺纹连接，通过旋拧传感器外罩(1)调节电解液缺液报警的高度。

2.根椐权利要求1所述的一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器，其特征在于：传感器线缆接线方式为：VCC线缆连接干簧管的一端，VCC线缆连接DS18B20的3脚，DQ线缆连接DS18B20的2脚，GND线缆连接DS18B20的1脚，P线缆连接干簧管的另一端。

3.根椐权利要求1所述的一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器，其特征在于：传感器外罩(1)与内芯壳(5)均采用聚四氟乙烯材料加工而成，线缆则采用了超细四芯屏蔽线，从传感器内芯的灌封口对干簧管(7)和DS18B20进行了环氧树脂灌封。

4.根椐权利要求1所述的一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器，其特征在于：所述的液位浮漂中还设置有磁环(8)。

5.根椐权利要求1所述的一种新型铅酸蓄电池温度液位传感器，其特征在于：所述的温度传感器(6)为DS18B20。