CN203310802U - 一种用于检测铅酸蓄电池金属杂质浓度的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于检测铅酸蓄电池金属杂质浓度的设备，该设备包括样品稀释装置、浓度测量装置、信息采集分析装置、阀门控制装置，样品稀释装置包括取样管、液位传感器、PH计，浓度测量装置包括电解池、三个电极、可调式恒电压直流电源等，信息采集分析装置包括A/D转换器、放大电路、微处理器、LCD液晶显示器，阀门控制装置包括电磁阀、PLC、按钮。铅酸蓄电池电解质溶液加入取样管进行处理流入电解池，在电解池中进行阳极溶出伏安法测量，将得到的电压电流信号进行处理，采用标准曲线法得到铜离子和铁离子浓度。本实用新型能够直接测得铜离子和铁离子浓度，并且检测精度高，设备便于携带，特别适用于铅酸蓄电池的检测与维护。

Description

一种用于检测铅酸蓄电池金属杂质浓度的设备

技术领域

本实用新型属于极谱分析设备领域，具体属于用于铅酸蓄电池电解质溶液检测的极谱分析仪。

背景技术

铅酸蓄电池的电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸蓄电池在轮船上得到广泛应用，在轮船出海前对蓄电池进行检测，只能检测出蓄电池的电量以及用比重计检测出电解质的密度，无法检测出铅酸蓄电池电解质溶液中杂质离子的浓度，但是这些杂质对于铅酸蓄电池的使用有不利影响。

铁离子是蓄电池电解液中最普通的杂质，它在正极板上氧化，在负极板上还原，二者的结果都导致蓄电池在非运用状态下的放电，通常称为自放电。电解液中的铁离子含量越高，则自放电现象越严重。因为，当电解液中含有铁的低价氧化物时，它被正极板的有效物质氧化为酸性硫酸铁，并且产生硫酸铅和水，这样就促使硫酸化速度加快。特别是对面积式正极板，铁有破坏性的腐蚀作用。化学反应中产生的高价硫酸铁与负极板又起作用生成硫酸铅和低价硫酸亚铁。这种低价硫酸亚铁又与正极板作用产生硫酸铅。这种交替作用，将使正负极板都加速产生硫酸铅而损失容量，严重影响蓄电池的使用寿命。由于在铅冶炼的环节铜离子溶解进去，所以在铅酸蓄电池电解质溶液中存在铜离子，它与溶液中的硫酸根离子生成硫酸铜促进硫酸化速度，硫酸铜又与负极的铅反应生成铜和硫酸铅，生成的铜和硫酸反应生成硫酸铜，这种反复进行反应将加速产生硫酸铅而损失容量影响其使用寿命。

本实用新型的检测原理是基于阳极溶出伏安法，阳极溶出伏安法过程：将还原电势施加于工作电极，当电极电势超过某种金属离子的析出电势，溶液中被分解的金属离子还原为金属电镀于工作电极表面，电势施加时间越长，还原出来电镀于电极表面的金属越多，当足够的金属镀于工作电极表面，向工作电极以恒定速度增加电势，金属将在电极上溶出。对于给定电解质溶液和电极，每种金属都有特定的氧化或溶出反应电压，该过程释放出的电子形成峰值电流。测量该电流并记录相应电势，根据氧化发生的电势值来识别金属种类，并通过它们氧化电势的差异同时测量多种金属。样品离子浓度的计算，是通过计算电流峰高并且与相同条件下的标准溶液相比较得出。阳极溶出伏安分析技术(ASV)使得样品中很低浓度的金属都能够被快速检测出来，并有良好精密度。

发明内容

本实用新型的目的在于，克服现有技术的不足之处，提供一种用于检测铅酸蓄电池电解质溶液杂质离子浓度的设备，本实用新型基于阳极溶出伏安法这一理论基础来检测铜离子和铁离子的浓度，本实用新型的装置和方法可以对铅酸蓄电池电解质溶液快速稀释和前期预处理，检测离子浓度灵敏度高，分析速度快，重现性好，便于携带，可以方便快捷的应用于蓄电池的检测和维护。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种用于检测铅酸蓄电池金属杂质浓度的设备，所述设备包括样品稀释装置、浓度测量装置、信息采集分析装置、阀门控制装置；样品稀释装置包括液位传感器、进气管、出气管、进液导管、PH计固定在取样管上端的塞子上，取样管下端的导管接入浓度测量装置里；浓度测量装置包括可调式恒电压直流电源、滑动电阻器、纯电阻、工作电极(悬汞电极)、参比电极(Ag/AgCl电极)、辅助电极(Pt电极)，这三个电极安装在电解池中构成电路图；信息采集装置包括放大电路、A/D转换器、微处理器、LCD液晶显示器；阀门控制装置包括按钮、PLC、电磁阀、电源。

进一步地，所述的液位传感器固定在取样管的上端，溶液从进液导管流入，通过液位传感器可以准确知道加入的溶液的量，进而控制进液导管上的进液入口阀的关闭使稀释结果精确，使用PH计确定溶液PH值，当溶液稀释结束后，利用进气管向取样管内通入氮气除去溶液中的氧气，取样管的设计为上端为方形下端为椭圆形结构，这样可以把进气管深入到溶液中，通入的氮气可以充分和溶液混合使除氮更彻底，取样管的底部只有出口管，底部面积小减少了底部表面因素对于溶液的污染，出气管的作用是稀释时防止取样管气压太高使溶液无法进入取样管以及在通氮除氧之前可以抽真空除掉取样管空气中的氧气。

进一步地，打开取样管下端的阀门，取样管中的稀释溶液流入电解池中，取样管下端椭圆形的设计使溶液形成旋涡状上升流的输出口，从而得到良好的搅拌效果，悬汞电极、参比电极和辅助电极固定在电解池中，这三电极和可调式恒电压直流电源、滑动电阻器、纯电阻组成三电极体系。工作电极和辅助电极构成极化回路，此回路中有电流通过；工作电极和参比电极构成电位测量回路，此回路几乎无电流通过。在电解池下端口连接一个导管，导管上装有出液阀，通过出液阀控制溶液的流出。

进一步地，由于三电极体系中工作电极和参比电极构成的电位测量回路电位很小信号需要放大，所以放大电路的两输入端分别接入工作电极和参比电极两端对电压信号进行放大，进行信号放大之后接入A/D转换器把输入电压信号转换成一个输出的数字信号，将该数字信号输入微处理器中。测量工作电极和辅助电极构成的极化回路的电流时需要把电流信号转化成电压信号，所以直接把放大电路的输入端接到已知纯电阻的两端，通过检测纯电阻的电压值即可知道电流值，将放大电路的输出端接入A/D转换器将电压信号转化成数字信号，把转化得到的数字信号输入微处理器把电压值转化成电流值。将测得的工作电极和参比电极之间的电压值与工作电极和辅助电极构成的极化回路中的电流值进行整合绘出阳极溶出伏安曲线。绘制出的溶出伏安曲线是峰形的，峰尖对应的电位叫峰电位

，峰电位与金属离子的特性有关，是定性分析的依据；峰尖对应的电流称为峰电流(i_p)，它与溶液中待测离子的浓度(c)存在定量关系，是定量分析的依据。根据峰电流的值和峰电流对应的峰电位与储存在微处理器中的标准曲线相对比可以得到溶液中铜离子和铁离子的浓度，将绘制的阳极溶出伏安曲线显示在LCD液晶显示屏上，同时也将得到的铜离子和铁离子的浓度显示在显示屏，在微处理器接口上接入打印机可以把结果直接打印出来。

进一步地，对于电磁阀的控制是随着溶液的稀释处理以及检测进行的，对应电磁阀的按钮利用PLC控制各个电磁阀，实现对应部位的电磁阀的自动开启与断开。

本实用新型的有益效果是：

(1)把铅酸蓄电池电解质溶液放入取样管稀释和处理，并采用液位传感器精确确定所加溶液的体积，使处理结果更加的精确，由于铅酸蓄电池电解质溶液酸性较大，在取样管对溶液进行处理减少了人为接触，使操作更加的安全。

(2)取样管上部分方形下部分椭圆形结构，上端方便密封，下部分椭圆形结构减少了底部面积，进而减少了因底部表面因素引起的溶液污染，下部的椭圆形曲面可以对进气管通入的氮气有个反作用，使氮气和溶液充分混合除氮更彻底，此取样管的底部与出口管相连形成旋涡状上升流的输出口，使输出的溶液有良好的搅拌效果。

(3)本实用新型五个电磁阀受PLC控制，最后由对应的按钮进行开启闭合控制，实现了对电磁阀的自动控制，更加方便、高效。

(4)本实用新型把要测的电压电流信号转化为数字信号，对数据自动处理，在LCD液晶显示屏直接显示结果，方便快捷节省检测时间。

(5)本实用新型基于阳极溶出伏安法进行设计，数据自动进行处理在线消除干扰，检测精度高可以达到10^-11mol/L。

(6)本实用新型结构简单，设备易于便携，可以方便的应用于远洋轮船等大型设备上铅酸蓄电池的检测和维护。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为阀门控制装置的示意图；

图中各部分的名称如下：

1.进气阀，2.进气管，3.进液导管，4.进液入口阀，5.PH计，6.出气管，7.出气阀，8.上端塞，9.取样管，10.液位传感器，11.出口阀，12.出口管，13.支架，14.辅助电极，15.出液阀，16.出液管，17.电解池，18.工作电极，19.参比电极，20.电位测量回路放大电路，21.电位测量回路A/D转换器，22.打印机，23.微处理器，24.LCD液晶显示器，25.极化回路A/D转换器，26.极化回路放大电路，27.可调式恒电压直流电源，28.滑动电阻器，29.纯电阻，30.PLC，31.进气阀按钮，32.进液入口阀按钮，33.出气阀按钮，34.出口阀按钮，35.出液阀按钮，36.电源

具体实施方式

结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。

如图1、2所示，一种用于检测铅酸蓄电池金属杂质浓度的设备包括样品稀释装置、浓度测量装置、信息采集分析装置、阀门控制装置；样品稀释装置包括进气管2、出气管6、进液导管3、液位传感器10、PH计5都固定在取样管9的上端塞8上，进液导管3上端连接有进液入口阀4，进气管2上安装进气阀1，出气管6上安装出气阀7，处理好的溶液经过安装有出口阀11的出口管12进入电解池17；浓度测量装置包括可调式恒电压直流电源27、滑动电阻器28、纯电阻29、工作电极18、参比电极19、辅助电极14，溶液流经电解池17组成测量回路；信息采集分析装置包括极化回路放大电路26接在纯电阻29的两端，然后与极化回路A/D转换器25相连接，然后接入微处理器23把输入的电压信号转化为电流信号，电位测量回路放大电路20接在工作电极18和参比电极19两端，之后接入电位测量回路A/D转换器21，最后把数字信号发送到微处理器23，通过对电压电流信号处理并且和标准曲线比对，在LCD液晶显示器24上输出阳极溶出伏安曲线和铜离子铁离子浓度值；阀门控制装置包括PLC30控制进气阀1、进液入口阀4、出气阀7、出口阀11、出液阀15，进而利用进气阀按钮31、进液入口阀按钮32、出气阀按钮33、出口阀按钮34、出液阀按钮35控制实现各个电磁阀的开启与关闭。

应用本实用新型检测铅酸蓄电池金属杂质浓度的设备工作过程如下：

首先打开出气管6的出气阀7，取一定量的铅酸蓄电池电解质溶液通过进液导管3加入取样管9通过液位传感器10确定所加溶液的体积，之后加入一定量的支持电解质，用蒸馏水稀释，液体的体积由液位传感器10确定PH值由PH计5观测，稀释结束后通过出气管6抽真空然后关闭出气阀7，利用进气管2向取样管9通入氮气除去氧气。处理好的溶液流经出口管12加入到电解池17，将电位扫描范围选在-1.30-+0.05V，在-1.30V富集几分钟将电位由负向正方向进行扫描，测量纯电阻29两侧以及工作电极和参比电极两侧的电压值，经过放大和信号转换最后输入微处理器23，把纯电阻29两侧的电压值转换为电流值，记录伏安曲线，采用标准曲线法对伏安曲线进行处理，最后得出铜离子和铁离子的浓度，在LCD液晶显示屏24显示伏安曲线和铜离子铁离子浓度，并且可以打印出结果。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种用于检测铅酸蓄电池金属杂质浓度的设备，所述设备包括样品稀释装置、浓度测量装置、信息采集分析装置、阀门控制装置；其特征在于，所述样品稀释装置包括固定在取样管(9)的上端塞(8)上的进气管(2)、出气管(6)、进液导管(3)、液位传感器(10)和PH计(5)，进液导管(3)上端连接有进液入口阀(4)，进气管(2)上安装进气阀(1)，出气管(6)上安装出气阀(7)，所述浓度测量装置包括流经电解池(17)组成测量回路的可调式恒电压直流电源(27)、滑动电阻器(28)、纯电阻(29)、工作电极(18)、参比电极(19)和辅助电极(14)，所述工作电极(18)、参比电极(19)和辅助电极(14)固定于电解池(17)的上端；所述信息采集分析装置包括极化回路放大电路(26)和纯电阻(29)，并与极化回路A/D转换器(25)和微处理器(23)依次连接，工作电极(18)和参比电极(19)两端连接电位测量回路放大电路(20)，接入电位测量回路A/D转换器(21)和微处理器(23)，在LCD液晶显示器(24)上输出阳极溶出伏安曲线和铜离子铁离子浓度值；所述阀门控制装置包括进气阀按钮(31)、进液入口阀按钮(32)、出气阀按钮(33)、出口阀按钮(34)和出液阀按钮(35)，通过PLC(30)控制进气阀(1)、进液入口阀(4)、出气阀(7)、出口阀(11)和出液阀(15)开启与闭合。

2.根据权利要求1所述的样品稀释装置，其特征在于，所述取样管(9)的上部分为方形，下部分为椭圆形，在椭圆形的底部连接出口管(12)，在方形部分和椭圆形部分相交的平面为固定平面，所述液位传感器(10)分别以取样管(9)的中心轴线对称排布，进气管(2)和出气管(6)排布在进液导管(3)两侧。

3.根据权利要求1所述的浓度测量装置，其特征在于，所述出口管连接取样管(9)和电解池(17)，电解池下端有出液管(16)。

4.根据权利要求1所述的信息采集分析装置，其特征在于，所述极化回路放大电路(26)连接纯电阻(29)两端，通过测试纯电阻两端电压进而得到该回路的电流值。

5.根据权利要求1所述的阀门控制装置，其特征在于，所述PLC(30)直接连接进气阀(1)、进液入口阀(4)、出气阀(7)、出口阀(11)、出液阀(15)并外接电源(36)控制上述阀的通断。

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