Чтобы изучить этот процесс, измерения плотности должны быть получены на разных глубинах. Датчик, который мы описываем в этой статье, в отличие от традиционных датчиков, состоит из нескольких точек измерения, позволяющих измерять плотность на разных глубинах внутри батареи. Полученный набор измерений помогает определить заряд и состояние батареи.

Ключевые слова: пластмассовое оптическое волокно, потери на изгиб, плотность электролита, уровень жидкости, свинцово-кислотные батареи, состояние заряда, поддержание батареи. Многим электрическим системам нужны батареи для работы; некоторые из-за невозможности постоянного подключения к источнику питания и других для улучшения их мобильности. Среди электрохимических аккумуляторов свинцово-кислотные батареи являются одним из наиболее широко используемых типов. Они встречаются во многих областях, таких как автомобильная промышленность, где свинцово-кислотные батареи используются с самого начала - в качестве хранилища энергии для солнечных батарей, в различных телекоммуникационных приложениях, для удаленных систем, на подводных лодках и многих других.

В большинстве приложений требуется надежное измерение состояния батареи, чтобы улучшить работу оборудования, планируя доступное время работы или обнаруживая неисправности как можно скорее. Неисправная батарея может привести к большим экономическим потерям или, в случае более чувствительного оборудования, даже к потере человеческих жизней.

Основными параметрами в оценке батареи являются ток, напряжение, температура, состояние заряда и состояние здоровья. Состояние заряда является одним из самых важных параметров батареи. Он обеспечивает ключевую информацию, которая полезна для улучшения работы батареи, ее производительности, надежности и срока службы.

В свинцово-кислотной батарее используется диоксид свинца в качестве активного материала в положительном электроде и металлический свинец очень пористой структуры в качестве активного материала в отрицательном электроде. Электролит образован серной кислотой, разбавленной в воде, с концентрациями от 8% до 40% в зависимости от состояния заряда и типа батареи. Несколько датчиков оптического волокна были испытаны при измерении плотности электролита в батареях. Устройства, предлагаемые и позволяющие измерять плотность электролита с помощью рефрактометров оптического волокна, но из-за их большого размера желаемые измерения плотности на разных высотах невозможны.

Точно так же традиционные датчики измеряют плотность только в верхней части батареи. Это измерение не является репрезентативным из-за процесса расслоения в электролите, который создает градиент плотности во время заряда. В этом процессе серная кислота из пластин осаждается на дне батареи, поскольку ее плотность выше, чем у электролита. Это предотвращает оценку плотности батареи в режиме реального времени во время процесса зарядки. Во время разряда соотношение между процентом заряда и плотностью электролита является линейным.

Некоторые исследователи разработали альтернативные методы для получения однородной плотности во всей клетке посредством циркуляции электролита. В этой статье представлен датчик на основе пластикового оптического волокна, который можно легко вводить между пластинами батареи. Поскольку измерения проводятся путем введения волокон внутри ячеек, нет необходимости использовать вспомогательные автоматизированные системы, которые заставляют электролит циркулировать или периодически экстрагировать образец электролита.

Эти системы, помимо увеличения стоимости измерений, занимают много места, являются источником возможных помех и, в общем, усложняют мониторинг параметров. Эта статья разделена на четыре части. В первой части представлены принципы работы датчика оптического волокна. Вторая часть описывает фазы разработки одноточечного датчика, результаты, полученные с этой конфигурацией, и его достоверность для сравнения с другими коммерческими датчиками. В третьей части подробно рассматривается многоточечный датчик.

Также показаны преимущества перед традиционными датчиками, в том числе использование одного датчика в качестве измерителя уровня электролита. Распространение света через оптическое волокно изучено несколькими авторами. Распространение мощности света по маршруту преломленного луча имеет потери из-за мощности, передаваемой в оболочку.

Несколько слов об устройстве аккумулятора

В плоском волноводе с шагом указателя и с изогнутым участком пути лучей прослеживают прямую линию между отражениями внешнего интерфейса, как показано на пути по фиг. 1; есть и другие возможные маршруты, рефлексы которых появляются только во внешнем интерфейсе.

Классический коэффициент пропускания Френеля был использован для преломленных лучей. Для туннельных лучей должен использоваться коэффициент разной передачи. Тогда, согласно и, потери мощности в изгибе волокна зависят от показателя преломления электролита батареи. Волокно может быть согнуто без разрушения, и оно химически нейтрально. Согласование между источником света и волокном не является критическим.

Все эти свойства приводят к использованию пластиковых оптических волокон. Представленный датчик включает в себя одноступенчатое оптическое волокно с 1 миллиметром. Это волокно имеет концентрическую двухслойную структуру с высокочистым полиметилметакрилатным ядром и тонким слоем прозрачной фторполимерной оболочки. Покрытие имеет более низкий показатель преломления, чем у сердечника. Материал волокнистой оболочки представляет собой полиэтилен, а его внешний диаметр составляет 2 мм.

В этом разделе, как только куртка будет удалена, оболочка волокна будет открыта. Поскольку эта процедура ручная, а толщина оболочки очень мала, в оболочке или даже в ядре может возникнуть некоторый ущерб. Поэтому эту процедуру следует выполнять осторожно, а раздел рассмотрен с использованием электронной лупы для обнаружения любого повреждения в оболочке или в сердечнике.

Оптический излучатель и приемник соединены с соответствующими концами волокна с использованием соответствующих соединителей. Свет, исходящий от излучателя, отправляется через сердечник волокна путем полного отражения в чувствительную зону. В этой зоне свет частично преломляется к оболочке и, поскольку волокнистая оболочка была удалена, частично преломлена во внешнюю среду, в соответствии с принципом работы, показанным в разделе.

Требования для разных климатических зон

Остающийся свет передается на другой конец волокна, где размещается фотоприемник. Второе волокно добавляется к датчику в качестве эталона, чтобы компенсировать некоторые возможные изменения напряжения питания или других элементов. Обратное волокно и чувствительное волокно имеют один и тот же путь и такие же общие вариации, как температура, движения, колебания света и т.д. однако на чувствительное волокно влияет преломление, поскольку эталонная оболочка волокна не контактирует с электролитом, На рисунке 3 показана схема датчика оптического волокна.

Технические данные волокна показывают минимальный радиус без потерь 25 мм. Однако в этой заявке цель состоит именно в том, чтобы получить потерю кривизны. Поэтому для получения оптимального радиуса для этого применения было проведено несколько экспериментов. Экспериментальная процедура заключалась: во-первых, волокна с большим радиусом погружались в растворы разной плотности. Когда все решения были протестированы, радиусы уменьшались, и волокна снова тестировались со всеми растворами. Эта процедура повторялась для каждого радиуса до минимального значения.

Выходное напряжение приемников уменьшается при увеличении плотности раствора; все испытанные радиусы демонстрируют такое поведение. Однако разность напряжений между наиболее плотными и наименее плотными растворами зависит от длины радиуса. Оптимальным радиусом считается тот, который обеспечивает большую разность выходного напряжения между самой и наименее плотной средой, то есть самым чувствительным радиусом в пределах ожидаемого диапазона плотности электролита.

Оптимальный радиус-датчик подходит для датчиков, расположенных в верхней части батареи. Для нижних положений между пластинами конструкция батареи должна быть правильно адаптирована. Когда волоконный датчик с оптимальным радиусом должен быть введен в стандартную батарейку, как это было в настоящем проекте, этот процесс очень сложно или даже невозможно реализовать в зависимости от типа батареи. Поэтому, если датчик необходимо поместить вручную, необходимо использовать радиус длиной ниже оптимального, поскольку расстояние между пластинами батареи слишком мало или даже не существует в некоторых типах батарей.