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圖1  不同人員在不同溫度下測得的超聲波速度與電解液的函數(shù)關(guān)系

電解液密度與聲速和溫度之間存在一定的關(guān)系，可以用公式表示如下：

    ρ=f(T,c)                                     (1)

    如果知道溫度T和聲速c就可以求出電解液密度ρ。其中溫度T可由溫度探頭測出，而c=L/2t（其中L為超聲波傳輸?shù)木嚯x，t為超聲波傳播時間），本設(shè)計中L是已知的為40cm，而t可以由計數(shù)器的定時器T2得出，可以滿足公式(1)的要求，測量方案可行[2]。

3  測量方法

    研究結(jié)果表明，在不同溫度下測得的超聲波速度與電解液密度之間的函數(shù)關(guān)系是比較穩(wěn)定的值，從超聲波與不同密度硫酸電解液密度之間有規(guī)律的變化，可以測量出硫酸的密度在1到1.3之間變化，如圖2所示，并且可以進(jìn)一步確定出電池的充放電狀態(tài)。

    采用超聲波測量電池的電解液密度時，溫度是一項(xiàng)非常重要的數(shù)據(jù)，它會直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖2表明溫度變化時電解液密度與溫度的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)溫度上升時，電解液密度下降，超聲波的速度加快，所以超聲波測量必須考慮溫度的影響。如圖3所示，在超聲波探頭中裝有溫度探頭，以便彌補(bǔ)溫度對準(zhǔn)確度的影響，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)推算，溫度超出
±0.1℃，聲波傳播時間相差±10ms，大多數(shù)情況下，測得的密度的準(zhǔn)確率可以達(dá)到0.001。通過對超聲波速度的補(bǔ)償可以

圖2  超聲速度與硫酸介質(zhì)密度之間在不同溫度下的函數(shù)關(guān)系

 
消除溫度的影響。如圖3所示是用來測量超聲波傳播時間的溫度補(bǔ)償傳感器，換能器發(fā)射出5Hz的正弦波，到達(dá)傳感器后反射回來，超聲波從發(fā)射到返回接收器所經(jīng)過的行程約為40cm，溫度探頭被固定在超聲波傳感器上，這樣可以使測量的溫度盡量接近超聲波的路線上的溫度值。用實(shí)驗(yàn)的方法測出不同溫度時對應(yīng)的類似于圖2所示的超聲波速度和電解液密度之間關(guān)系的非線性曲線，把測量的結(jié)果輸入計算機(jī)，測量時根據(jù)溫度找到對應(yīng)曲線，再從該曲線上由超聲波速度值查出相應(yīng)的電解液密度值，這樣就實(shí)現(xiàn)了電解液密度的測量。

圖3  帶溫度探頭的超聲波探頭      圖4  超聲波探頭在電池中的位置

      

    超聲波探頭安裝在電池頂蓋上的開孔中，裝配工作比較簡單，如圖4所示。探頭裝在極板的旁邊，與極板互不接觸，探頭采集到參數(shù)之后發(fā)送到上位計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4  監(jiān)測電路

    CAN總線在數(shù)據(jù)通信方面具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。CAN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任何一個節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率小于5Kbps），通信速率最高可達(dá)1Mbps（通信距離小于40m）；采用非破壞總線仲裁時間；通過對報文的標(biāo)識符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低；通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖；出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤時具有自動關(guān)閉輸出功能，使總線上其他節(jié)點(diǎn)不受影響；具有較高的性價比；更難能可貴的是CAN協(xié)議完全公開，可研發(fā)性強(qiáng)。基于以上優(yōu)點(diǎn)決定將測量電路掛接到CAN總線上。

    由于所設(shè)計的監(jiān)測電路要掛接到CAN總線上，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，所以筆者選用Philips公司的87C591單片機(jī)作為CPU芯片[3]。87C591是8位高性能的微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器，可以很方便地掛接到CAN總線上去，它是從MCS-51微控制器家族中派生出來的，采用強(qiáng)大的8051指令集并成功地包括了Philips半導(dǎo)體SJA100CAN控制器的PeliCAN功能。振蕩器可停止和恢復(fù)而不會丟數(shù)據(jù)。改進(jìn)的1：1內(nèi)部時分頻器在12MHz外部時鐘速率時實(shí)現(xiàn)500ns指令周期。
監(jiān)測電路硬件電路框圖如圖5所示，選用外接晶體G1及與之相匹配的30pF電容C1和C2可以使87C591發(fā)出10MHz的脈沖[4]，該脈沖經(jīng)放大電路放大后一路作為T2的計數(shù)脈沖[5]；另一路由分頻器二分頻為5MHz，再經(jīng)T1十分頻成為500kHz，又由T0 800分頻成為1600μs，將其作為發(fā)射周期脈沖（此時T2開始計時），該脈沖經(jīng)VMOSFE功率放大后由電容C3耦合激勵換能器G2，G2開始振蕩產(chǎn)生振蕩波，振蕩波到達(dá)反射目標(biāo)后返回，回波再次激勵換能器，這樣周而復(fù)始直到能量耗盡，G2經(jīng)C4耦合后再經(jīng)放大、整形，得到一串接收回波，用檢測電路檢測出所需的接收回波，作為T2的關(guān)閉信號。讀出T2中的計數(shù)值，通過計算可以求出電解液的密度[3]。

圖5  超聲波監(jiān)測電路框圖

    87C591通過高速光電耦合器6N137進(jìn)行光電隔離（起到保護(hù)作用），再經(jīng)CAN總線收發(fā)器TJA1050可以掛接到CAN總線上，將收集到的信息傳輸給CAN總線，并經(jīng)由CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)對信號進(jìn)行采集處理，如果在上位機(jī)上用VC等開發(fā)軟件設(shè)計出監(jiān)測畫面就可以很好的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息的集中監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)船舶低壓直流供電系統(tǒng)蓄電池組監(jiān)測的高度自動化，這在國內(nèi)仍至國際上都是領(lǐng)先的。

5  結(jié)語

    鉛酸蓄電池監(jiān)測電路可適用于船舶低壓直流供電系統(tǒng)的工作環(huán)境，可以通過電解液密度的變化了解充放電狀況和剩余電量的多少，保護(hù)電池，提高電池的使用壽命，傳感器可以做得很小，直接放在電池內(nèi)，測量的精度可達(dá)到0.01%；同時該電路還可以用來進(jìn)行液位測量。