RU176260U1

RU176260U1 - ELECTROLYTE SENSOR

Info

Publication number: RU176260U1
Application number: RU2017126172U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Коптяев; Вячеслав Михайлович Балашевич; Сергей Викторович Цыбулько
Original assignee: Евгений Николаевич Коптяев
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2018-01-15

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения уровня электролита в элементах аккумуляторных батарей и может быть использована в системах контроля параметров упомянутых аккумуляторных батарей для упрощения обслуживания. Преимущество предлагаемого датчика заключается в отказе от непосредственного контакта с измеряемой агрессивной средой (электролитом) путем расположения электродов на стенках в полости корпуса датчика, выполненного монолитным. Для исключения влияния на точность измерения поверхностной пленки электролита корпус датчика выполняется со сквозной прорезью в нижней части. На стенках упомянутой прорези внутри датчика располагаются измерительные электроды, что исключает не только контакт электродов с измеряемой средой, но и влияние на точность измерения поверхностной пленки электролита. Основным достигаемым техническим результатом является повышение стабильности измерений за счет использования корпуса, выполненного из стойкого к агрессивным средам диэлектрика. 2 ил.

The utility model relates to measuring technique and is intended to measure the electrolyte level in battery cells and can be used in parameter monitoring systems of said batteries to simplify maintenance. The advantage of the proposed sensor is the refusal of direct contact with the measured aggressive medium (electrolyte) by arranging the electrodes on the walls in the cavity of the sensor housing, made integral. To exclude the influence on the measurement accuracy of the surface electrolyte film, the sensor housing is made with a through slot in the lower part. Measuring electrodes are located on the walls of the aforementioned slot inside the sensor, which eliminates not only the contact of the electrodes with the medium being measured, but also the influence on the measurement accuracy of the surface electrolyte film. The main technical result achieved is to increase the stability of measurements through the use of a housing made of a dielectric resistant to aggressive media. 2 ill.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения уровня электролита в элементах аккумуляторных батарей.The technical field to which the utility model belongs. The utility model relates to measuring technique and is intended to measure the level of electrolyte in battery cells.

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.The level of technology. Known capacitive sensor of the fuel meter [USSR copyright certificate for invention No. 724932], which is a capacitor, the lining of which is the outer and inner electrodes (pipes), reinforced relative to each other by labyrinth configuration bushings. Voltage is applied to the capacitor plates, and a change in the capacitor capacitance is proportional to a change in the liquid level in the tank.

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.The disadvantage of this solution is the use of metal electrodes in direct contact with the medium to be measured, leading to the oxidation of the surface of the said electrodes and their gradual destruction, which reduces the life of the sensor.

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.Also known is a capacitive level sensor [RF patent for invention No. 2112931], containing electrodes electrically isolated from each other — located on a screen made in the form of bushings connected by a pipe. One of the bushings is located at the ends of the electrodes, electrically isolated from it, and the pipe is placed in the cavity of the inner electrode. From the side of the end connected to the measuring circuit, the electrodes are fixed to another sleeve by means of screws and nuts, and are also electrically isolated from it. The electrodes and the screen tube along the entire length are fixed relative to each other by insulating bosses located in the gaps between them.

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.The disadvantages of this solution include the use of metal electrodes that are in direct contact with the medium to be measured, leading to the oxidation of the surface of the said electrodes and their gradual destruction, which reduces the life of the sensor. It should be noted the complex construction of electrode mounts on electrically insulated bushings - which impairs the measurement accuracy due to technological deviations during assembly. Also, the inner shield of the electrodes must be grounded to ensure a decrease in the edge effect, which is unacceptable in the case of measuring the electrolyte level in the battery cells, since it leads to a decrease in the insulation resistance in their power circuits below the permissible value.

Раскрытие полезной модели.Disclosure of a utility model.

В промышленных свинцово-кислотных аккумуляторах группы в качестве электролита используется водный раствор серной кислоты (H₂SO₄). 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.In industrial group lead-acid batteries, an aqueous solution of sulfuric acid (H ₂ SO ₄ ) is used as the electrolyte. A lead-acid battery is a chemical current source in which electrical energy is accumulated in the form of chemical energy during a charge process, and then, during a discharge, chemical energy is converted into electrical energy.

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.Used in industry, and especially in shipbuilding, batteries consist of 112 working batteries (cells). They are designed to power consumers of a direct current network, as well as to provide backup power to critical consumers of a power network. A view of one element is shown in figure 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.The cover of the aforementioned battery cell is made of fiberglass and has the form of a rectangular plate with holes for 12 current leads, a fitting for mechanical mixing of the electrolyte, four fittings of the refrigerator, level sensors and temperature of the electrolyte. In addition, in the middle of the lid there is one threaded hole (filling hole), designed to fill the electrolyte or topping up water into the battery and the exit of gases from the battery. This hole is permanently covered by a ventilation plug.

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.The battery cell is equipped with a system of mechanical mixing of the electrolyte, which consists of two tubes of a special profile. These tubes are connected by means of a sleeve to a fitting fixed to the battery cover. Air is supplied through the nozzle, which, moving along the tubes, mixes the electrolyte.

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.Thus, the battery cells are a complex system that requires maintenance and monitoring parameters. One of the most important parameters is the level of electrolyte in the cells, which can fluctuate during operation, and require topping up to ensure the technical characteristics of the battery.

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.Despite the fact that lead-acid batteries have a number of drawbacks and are difficult to maintain, they are unconditionally used as energy storage due to their low cost and availability for mass production [1]. Improvement of technologies, both production and management during operation, made it possible to neutralize the influence of most negative factors.

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.Battery management during operation, first of all, includes monitoring and measuring various physical characteristics of the battery in order to determine its current state, and includes considering several characteristics at once within a given range. Both control and measurement are used to maintain the characteristics of the battery cells in the safe operating ranges specified by the manufacturer.

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.Batteries can be supplied with a monitoring and diagnostic system. A set of monitoring and diagnostic system can provide control over the operation of the entire battery, which includes one or two groups of 112 batteries in each group. The control system provides multifunctional control of the battery parameters, and in particular - measurement of the electrolyte level in the battery cells.

Электрические характеристики серийных промышленных аккумуляторов в соответствии с техническими условиями обеспечиваются при средней температуре электролита 30°C, начальной плотности электролита (1,290±0,005) г/см³, уровне электролита (73±2) мм над изолятором и работающей системе механического перемешивания.The electrical characteristics of commercial industrial batteries in accordance with the technical conditions are provided at an average electrolyte temperature of 30 ° C, an initial electrolyte density (1.290 ± 0.005) g / cm ³ , an electrolyte level (73 ± 2) mm above the insulator and a working mechanical mixing system.

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.The electrolyte level depends on many operational parameters, including temperature. With a decrease or increase in the temperature of the electrolyte, its level accordingly decreases or rises by 3 mm for every 5 ° С. Also, the electrolyte level may decrease during active use due to evaporation. The mentioned parameters - temperature and electrolyte level, can be measured by various monitoring and diagnostic systems of storage batteries [1, 2], which include electrolyte level sensors.

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.In the prior art, various versions of level sensors for liquids and bulk solids, in particular of a capacitive type, are known. The main difference between the capacitive type of sensors is the continuous nature of measuring the level of liquids, which distinguishes it from some other level sensors produced by the industry - having several discrete values corresponding to level ranges.

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.The basis of the principle of operation of capacitive level sensors is the presence of the electric capacitance of a capacitor formed by measuring electrodes and a measured medium between them - as is known from the literature on the basics of electrical engineering [3]. If two conducting bodies (electrodes) are separated by a dielectric and carry opposite electric charges, then an electric field is created in the space between them. Under the capacitance between the electrodes understand the absolute value of the ratio of charge to voltage between the bodies. In general, any two conductive bodies separated by a dielectric have an electrical capacitance.

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.An important characteristic of the medium between the electrodes of the electric capacitance is the relative dielectric constant of the medium, which characterizes its properties. Technically, the dielectric constant of the medium determines the absolute value of the electric capacitance, which is directly proportional to the value of the said dielectric constant. Thus, when using a liquid medium between the electrodes, the capacitance increases in proportion to the increase in the dielectric constant of the medium.

В случае наличия между электродами электрической емкости двух сред, общую емкость можно представить как сумму параллельно включенных отдельных емкостей, имеющих разную емкость.If there are two media between the electrodes of the electric capacitance, the total capacitance can be represented as the sum of separate capacitors connected in parallel with different capacities.

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.When measuring the electrolyte level, two media take place: air with a dielectric constant close to 1 and a sulfuric acid solution having a dielectric constant close to 100, which is known from the relevant literature [3]. Thus, the dielectric constant of the media differs by two orders of magnitude (100 times), and with sufficient accuracy for practical purposes, we can assume that the total capacitance of the measuring electrodes of the sensor is determined mainly by the electrolyte level, and the upper part filled with air practically does not participate capacity formation.

Таким образом, зависимость емкости измерительных электродов будет пропорциональна текущему уровню электролита в элементе аккумуляторной батареи. Наиболее эффективно 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.Thus, the dependence of the capacitance of the measuring electrodes will be proportional to the current level of electrolyte in the battery cell. The most effective way to measure the electrolyte level is as shown in figure 2. The sensor case in this case is made of a dielectric resistant to aggressive media, and has a through flat slot in the lower part (in contact with the electrolyte), on the walls of which there are measuring electrodes that do not have direct contact with the electrolyte.

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.The sensor shown in figure 2 is mounted on the cover of the battery cell, and partially immersed in the electrolyte. Thus, with fluctuations in the electrolyte level, the level in the slot of the sensor housing will change - and in proportion to it, the capacitance of the measuring electrodes will change.

Представленное решение является простым и потому промышленно применимым - позволяя достичь улучшения ряда технических характеристик. Использование корпуса из стойкого диэлектрика защищает измерительные электроды от воздействия агрессивной среды (раствора серной кислоты - электролита), а характеристика зависимости емкости от уровня электролита является практически пропорциональной.The presented solution is simple and therefore industrially applicable - allowing to achieve improvement of a number of technical characteristics. The use of a housing made of a persistent dielectric protects the measuring electrodes from the effects of an aggressive environment (sulfuric acid-electrolyte solution), and the characteristic dependence of the capacitance on the electrolyte level is almost proportional.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:The proposed technical solution is new, having the following fundamental differences from the prototype:

- измерительные электроды расположены внутри корпуса датчика, выполненного из стойкого к агрессивным средам диэлектрика (пластика), что исключает постепенное разрушение упомянутых электродов агрессивной средой электролита;- measuring electrodes are located inside the sensor housing made of a dielectric (plastic) resistant to aggressive media, which eliminates the gradual destruction of the mentioned electrodes by the aggressive electrolyte medium;

- электроды выполнены плоскими, что упрощает конструкцию и позволяет избежать сложных видов крепления, особенно в сравнении выбранным прототипом;- the electrodes are made flat, which simplifies the design and avoids complex types of mounting, especially in comparison with the selected prototype;

- конструкция электродов не имеет "концевого эффекта" паразитной емкости цилиндрических электродов, влияющей на точность измерений - свойственной решению, выбранному за основной прототип.- the design of the electrodes does not have the "end effect" of the parasitic capacitance of the cylindrical electrodes, affecting the accuracy of the measurements - characteristic of the solution chosen for the main prototype.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - исключению разрушения измерительных электродов, повышению стабильности измерений за счет отсутствия окисления поверхности электродов агрессивной средой аккумуляторного элемента.Thus, the set of essential features of the utility model leads to a new technical result - eliminating the destruction of the measuring electrodes, increasing the stability of measurements due to the absence of oxidation of the electrode surface by the aggressive environment of the battery cell.

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.A brief description of the drawings. The figure 1 shows the appearance of the battery cell. Here 1 - holes for electrolyte level sensors, 2 - plug, 3 - current output, 4 - fitting for water cooling system, 5 - fitting for mechanical electrolyte mixing system. The figure 2 shows the electrolyte level sensor. Here 6 is the housing of the sensor, 7 is the measuring electrode.

Список использованной литературы.List of used literature.

1. Бруссили М., Пистойя Дж. Промышленное применение аккумуляторных батарей: от автомобилей до авиакосмической промышленности и накопителей энергии. М.: Техносфера, 2011. - 784 с.1. Brussili M., Pistoia J. Industrial use of batteries: from cars to the aerospace industry and energy storage. M .: Technosphere, 2011 .-- 784 p.

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 №2474832.2. Pavlyukov V.M., Tsvetkov A.A., Krotenko A.V., Temirev A.P., Kiselev V.I., Khamizov P.P., Manovitsky A.M., Batyuchenko I.L. Automated system for monitoring and diagnostics of ship-based batteries. RF patent for the invention No. 2474832.

3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973. - 752 с.3. Bessonov L.A. Theoretical foundations of electrical engineering. M .: Higher school, 1973.- 752 p.

Claims

A capacitive electrolyte level sensor containing measuring electrodes and characterized in that the sensor housing is made entirely of dielectric resistant to aggressive media and has a slot for the electrolyte in the lower part, on the side walls of which the mentioned electrodes are located in the cavity of the housing.