基于γ射線的蓄電池密度探測器設(shè)計

王元委，陳 勇，李芳明，姜崇杰

（中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

蓄電池是一種以放電方式輸出電能，以充電方式吸收、恢復(fù)電能的電源，蓄電池作為大、中型能量存儲系統(tǒng)，可為汽車、船舶等動力設(shè)備提供重要的能源支持［1～3］。電動車輛的使用，可以有效改善因汽車尾氣排放引起的城市污染問題［4，5］。同時，隨著供電系統(tǒng)、推進電機、變頻技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等的迅猛發(fā)展，船舶電力推進技術(shù)開始得到實際應(yīng)用。尤其是常規(guī)潛艇，蓄電池的存余電量直接關(guān)系到潛艇的續(xù)航能力，因此，蓄電池存余電量的測量是一項十分重要的工作。電解液密度是反映鉛酸蓄電池狀態(tài)的一個重要參數(shù)，蓄電池的存余電量與電解液密度具有線性關(guān)系，即通過電解液密度可測算出存余電量［6～9］。

目前，測量蓄電池電解液密度的最常用的方法有:音叉?zhèn)鞲衅鳒y量法、放射性同位素測量法、線陣CCD（charge coupled device）測量法和超聲波測量法等。依據(jù)蓄電池密度監(jiān)測器的使用環(huán)境和測量精度需求，本文提出一種利用低能γ射線穿透吸收原理，采用放射性同位素測量法設(shè)計的基于γ射線的蓄電池密度監(jiān)測器，能夠快速、準確、在線測量出蓄電池電解液密度，是提高鉛酸蓄電池的使用效益、工作壽命和可靠性，保障其處于最佳工作狀態(tài)的重要手段。

1 工作原理

1.1 鉛酸蓄電池工作原理

鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)是PbO2，負極活性物質(zhì)是粉狀金屬 Pb，電解液使用密度為1.20～1.30 g/cm3的H2SO4水溶液電解質(zhì)，通過充放電反應(yīng)進行工作［9］。鉛酸蓄電池的工作方式分為充電狀態(tài)和放電狀態(tài)2種，分別對應(yīng)不同的化學反應(yīng)，且與H2SO4的密度有關(guān)聯(lián)關(guān)系。

放電狀態(tài)下，蓄電池連接負載，發(fā)生電池作用，正負兩極均消耗H2SO4，兩極板物質(zhì)變?yōu)镻bSO4，硫酸密度降低，電極反應(yīng)化學方程式如下

充電狀態(tài)下，蓄電池連接外電源，發(fā)生電解作用，兩極板上的PbSO4通過電極反應(yīng)產(chǎn)生H2SO4，H2SO4的密度增加，電極反應(yīng)化學方程式如下

鉛蓄電池充放電過程的總化學方程式為

1.2 γ射線電解液密度測量原理

γ射線與物質(zhì)的相互作用包括光電效應(yīng)、康普頓散射效應(yīng)以及電子對生成效應(yīng)等。低能γ射線只具有光電效應(yīng)和康普頓散射效應(yīng)，且光電效應(yīng)占主要作用。當γ射線與物質(zhì)相互作用時，原子殼層軌道電子吸收γ射線的全部能量后，轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮?，此時發(fā)生光電效應(yīng)。光電效應(yīng)截面與物質(zhì)的原子序數(shù)Z4呈比例。康普頓散射效應(yīng)為γ射線與物質(zhì)相互作用時，原子殼層軌道電子吸收部分γ射線能量，并以一定角度發(fā)射出去。γ射線損失部分能量后，傳播方向發(fā)生改變。由于γ射線與物質(zhì)的相互作用導(dǎo)致部分γ射線被吸收，穿透的γ射線強度減弱。

鉛酸蓄電池電解液為濃度為30% ～40%的H2SO4水溶液，在充放電過程中，其密度不斷發(fā)生變化。放電狀態(tài)下，蓄電池正負兩極消耗H2SO4，電解液密度下降;充電狀態(tài)下，正負兩極生成H2SO4，電解液密度升高。鉛酸蓄電池電解液中，S為重物質(zhì)，H和O為輕物質(zhì)。電解液密度較低時，重物質(zhì)含量較少，輕物質(zhì)含量較多，穿透的γ射線強度較強;電解液密度較高時，重物質(zhì)含量較多，輕物質(zhì)含量較少，穿透的γ射線強度較弱。依據(jù)穿透的γ射線強度即可測量鉛酸蓄電池電解液的密度。

1.3 鉛酸蓄電池電解液密度解析式及其線性化

低能γ射線穿透物質(zhì)時，穿透強度按指數(shù)規(guī)律衰減，即

式中I0和I分別為γ射線穿透物質(zhì)前后的強度;ρ為被測物質(zhì)的密度;d為γ射線穿透物質(zhì)的路徑長度;μ為物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)，與γ射線能量Er和物質(zhì)成分有關(guān)，Er和物質(zhì)成分確定后，μ視作常數(shù)。由式（1）兩端取對數(shù)，并整理可得

式（1）和式（2）中的I0也被稱為初始計數(shù)強度，通常可視為常數(shù)。設(shè)a=lnI0/μd，b=- μd-1，可得

由此可知，物質(zhì)密度ρ與γ射線穿透強度I的對數(shù)為線性關(guān)系。式（3）中的常數(shù)a和b為標定常數(shù)，通常采用實驗標定的方法確定。

當密度的變化范圍較小時，I可由該段密度的平均計數(shù)強度與變化量ΔI的和替代，代入式（3）可得

由于（Δ）2＜1，將式（4）按級數(shù)展開，忽略高次項，可得

令A(yù)=a-b+bln，B=，可得

由上可知，密度變化范圍較小時，密度ρ與γ射線穿透強度為線性關(guān)系。式（3）為密度的通用表達式，式（6）適用于密度變化范圍較小的情況。

2 蓄電池密度探測器的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

蓄電池密度探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求為體積小、質(zhì)量輕、方便安裝和使用，防酸蝕、防潮濕、防震、抗沖擊、抗電磁干擾、穩(wěn)定可靠。依據(jù)以上要求，基于γ射線的蓄電池密度探測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于γ射線的蓄電池密度探測器結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure drawing of the accumulator density detector based on γ radial

測量裝置由探測裝置和測量電路兩部分組成，通過螺紋連接在一起，成“L”形。

探測裝置固定在蓄電池的上蓋開口，橫置于蓄電池電解液中，防止沉積物淤積到放射源端面上。探測裝置由放射源和閃爍探測器構(gòu)成，放置于直徑較小的ABS塑料筒內(nèi)，按穿透幾何條件布局。放射源位于最前端，閃爍探測器置于放射源后方，相距適當距離，并在兩者之間的筒壁上開若干長條形孔洞，便于測量流經(jīng)的電解液。放射源和閃爍探測器需獨立密封，以防H2SO4腐蝕。

測量電路部分裝于直徑較大的ABS塑料筒內(nèi)，外漏在蓄電池外面。電源線和信號線通過電連接器分別與供電電源和監(jiān)控室計算機相連。

2.2 測量電路設(shè)計

測量電路包括信號預(yù)處理電路和數(shù)據(jù)處理電路。

1）信號預(yù)處理電路

放射源發(fā)射的γ射線穿透被測電解液后，被由NaI閃爍晶體和光電倍增管組成的閃爍探測器接收。γ射線入射到晶體后，激發(fā)晶體原子產(chǎn)生的熒光被光電倍增管的光陰極接收并轉(zhuǎn)換為光電子。在加速電場的作用下，光電子通過各個倍增極，在光電倍增管的陽極負載上輸出負脈沖信號。閃爍探測器的輸出信號幅度較小且參差不齊，是一個具有離散性的連續(xù)能譜分布，需經(jīng)核電子學信號預(yù)處理電路，才能滿足數(shù)據(jù)處理電路對脈沖信號的極性、幅度、寬度、頻率等要求。信號預(yù)處理電路框圖如圖2所示。

圖2 信號預(yù)處理電路框圖Fig 2 Block diagram of signal preprocessing circuit

高壓電源采用集成模塊組件CC183P—01Y，輸出電壓200～1100 V連續(xù)可調(diào)，輸出電流0.55 mA。+12 V電源經(jīng)RC濾波電路后，為高壓模塊供電。高壓電源為感性負載，使用小電阻可限制啟動時大電流對高壓電源的沖擊，濾波電路還可以減小高壓電源對其他電路的干擾，起隔離作用。

線性放大器采用儀表運算放大器INA110。放大器的輸入信號極性為負，幅度為幾十毫伏，線性放大后的輸出信號極性為正，幅度約為幾伏，仍為連續(xù)光譜。甄別成形電路用于濾除放大器輸出信號中摻雜的小幅度干擾信號和噪聲信號。甄別器采用電壓比較器LM111，因輸入的脈沖信號離散性很大，甄別閾電壓的大小要適當，避免損失有效的小幅度脈沖信號。當脈沖信號幅度小于甄別閾時，甄別器無輸出;當脈沖信號幅度大于甄別閾時，甄別器輸出等幅脈沖信號。分頻器依據(jù)數(shù)據(jù)處理電路計數(shù)器的長度選取分頻倍率，輸出等幅不等寬的TTL電平方波信號，供數(shù)據(jù)處理電路進行處理。

2）數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)處理電路主要為MSC1210Y5單片機。信號預(yù)處理電路傳遞的與電解液密度相關(guān)的脈沖信號，經(jīng)單片機處理后，經(jīng) RS—232接口卡，將密度值傳送到計算機中。MSC1210Y5內(nèi)部集成了溫度傳感器，通過該傳感器的溫度數(shù)據(jù)補償因溫度引起的電解液密度誤差。數(shù)據(jù)處理電路框圖如圖3所示。

測量電路采用+15 V電源供電，經(jīng)穩(wěn)壓器和變換器后，生成+12，+5，-5 V電源供其他電路模塊使用。

圖3 數(shù)據(jù)處理電路框圖Fig 3 Block diagram of data processing circuit

2.3 單片機程序設(shè)計

單片機程序通過計數(shù)信號預(yù)處理電路傳遞的與電解液密度相關(guān)的脈沖信號，通過該數(shù)據(jù)的平均值計算電解液的密度，利用單片機內(nèi)部集成的溫度傳感器測量的溫度數(shù)據(jù)，補償因溫度引起的電解液密度誤差，并將處理結(jié)果通過RS—232協(xié)議在計算機中顯示。單片機程序主要包括主程序和定時器中斷服務(wù)程序2個部分。

主程序用于初始化設(shè)置，包括串口波特率設(shè)置、定時器中斷設(shè)置、計數(shù)器設(shè)置和ADC求和設(shè)置等。主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig 4 Flow chart of main program

MSC1210Y5具有2個波特率寄存器:T1和T2，其中，T2為專用寄存器。設(shè)置UART0的工作方式為異步全雙工的通信方式，通過串口轉(zhuǎn)換芯片，將信號轉(zhuǎn)換為TTL電平后，送至計算機。

MSC1210Y5具有2個計數(shù)器:T0和T1。放射源在二分頻工作狀態(tài)下，每秒最多有63 000次脈沖，故將T0設(shè)為工作方式1，可計數(shù)65 536次脈沖信號。初始化時，將T1寄存器的TH0和TL0初值置為0x00。

MSC1210Y5內(nèi)部ADC，具有4個8位求和移位寄存器。求和/移位寄存器設(shè)置為工作方式0，即單片機將數(shù)據(jù)寫入求和寄存器，并與求和寄存器原有數(shù)據(jù)累加。

在定時器中斷服務(wù)程序中，依據(jù)計數(shù)器T0中的數(shù)據(jù)計算鉛酸蓄電池電解液的密度，并利用單片機內(nèi)部溫度傳感器數(shù)據(jù)，補償因溫度引起的密度誤差。定時器中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。

MSC1210Y5內(nèi)部包含3個定時器，分別為16位毫秒定時器、8位百毫秒定時器和8位秒中斷寄存器。設(shè)置毫秒定時器產(chǎn)生1 ms的時鐘周期作為百毫秒定時器的輸入時鐘，并生成100 ms的時鐘周期，利用該時鐘周期產(chǎn)生500 ms的中斷信號。

圖5 定時器中斷服務(wù)程序流程圖Fig 5 Flow chart of timer interrupts service program

3 實驗

額定容量為105 A·h的鉛酸蓄電池，在充放電過程中，使用精度為1%的密度計和基于γ射線的蓄電池密度探測器測量電解液密度，并對正極密度（ρ+）和負極密度（ρ-）進行比較。經(jīng)計算可知，正負兩極測量結(jié)果的均方根誤差為±0.205%。

3.1 充電過程

充電電源電壓為12V，電流約為8A。使用蓄電池密度探測器每隔2 h測量一次正負極電解液密度。由于電解液密度變化范圍較小，電解液密度與計數(shù)強度采用式（6）的方式處理，測量結(jié)果如表1所示。由表可知，正負極電解液密度隨充電過程緩慢上升，且負極密度略高于正極密度。

表1 充電過程中電解液密度測量結(jié)果Tab 1 Measurement result of electrolyte density in charging process

3.2 放電過程

鉛酸蓄電池輸出電壓為12 V，輸出電流為12 A。使用蓄電池密度探測器每隔1 h測量1次正負極電解液密度。電解液密度與計數(shù)強度的關(guān)系采用式（3）方式處理測量結(jié)果如表2所示。由表可知，正負極電解液密度隨放電過程逐漸降低，且負極密度略高于正極密度。經(jīng)計算可知，正負兩極測量結(jié)果的均方根誤差為±0.247%。

表2 放電過程中電解液密度測量結(jié)果Tab 2 Measurement result of electrolyte density in discharging process

4 結(jié)論

基于γ射線的蓄電池密度探測器是利用低能γ射線穿透吸收原理，采用放射性同位素測量法設(shè)計而成。通過測量蓄電池內(nèi)部電解液密度，測算出蓄電池的存余電量。裝置采用獨特的“L”形結(jié)構(gòu)，降低了沉積物對精度的影響，利用單片機對數(shù)據(jù)進行溫度補償與處理，進一步提升了裝置的精度并豐富了數(shù)據(jù)的傳輸方式。該裝置具有體積小、質(zhì)量輕、耐酸堿、靈敏度高、可靠性強、使用方便、在線探測等優(yōu)點。經(jīng)實驗測定，其正負兩極測量結(jié)果的均方根誤差可達到±0.205%?？稍诖啊㈦妱榆囕v等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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