专利名称：便携式蓄电池电解液超声比重计的制作方法
技术领域：
本发明属于电子式密度计量仪器技术领域，涉及一种液体比重计，尤其涉及一 种便携式蓄电池电解液超声比重计。
背景技术：
在开口式铅酸蓄电池的充放电以及电解液配制过程中，经常要用比重计测量电 解液的比重，以确定蓄电池的充放电程度和实有容量。为了实时掌握蓄电池的工作状态 以及蓄电池的剩余电量，测量蓄电池电解液的比重就显得尤为重要。蓄电池电解液的比 重变化范围大约为1.05-1.30，温度变化范围大约为10-50°C。目前常用的比重计有吸式比重和浮式比重计。这两种比重计都是利用浮子在电 解液中所受的浮力来测量电解液比重的。由于硫酸有较大的粘滞性，浮子常常被粘附在 吸管壁上，从而造成读取数不准确；同时读取的数据必须通过比重换算尺换算到标准温 度(25°C )下的值。因此传统的比重计有操作麻烦、精度低等缺点。超声技术在液体特性测量领域已被广泛应用。利用超声波测量开口式铅酸蓄电 池电解液的比重，测量速度快，测量准确度高。蓄电池电解液的比重与电解液中的声速 和电解液的温度有关。通过测量开口式铅酸蓄电池电解液的温度和电解液中声速，可由 经验公式得到电解液的比重。经检索查新，专利号为US4442700A的“Ultrasonic hydrometer”公开一种超声
波式比重计，测量电解液中的声速和电解液温度，根据经验公式得出电解液比重。该发 明使用单超声换能器工作在脉冲回波模式测量声波在被测电解液中的传播时间。由于声 波在被测电解液中实际声程很长而电解液中衰减系数又较大，因此这种方法不利于接收 信号的测量。而且超声换能器完全暴露于被测电解液之中，不可避免地会使电解液与换 能器外壳发生化学反应而污染被测电解液，这会为蓄电池引入杂质，大大削减蓄电池的 使用寿命。该发明的超声式比重计操作步骤繁琐，给开口式铅酸蓄电池使用环境中的操 作带来极大不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携式蓄电池电解液超声比重计，以解决现有技术和 方法测量精度低、测量速度慢、操作繁琐等缺点和不足。本发明的技术方案如下一种便携式蓄电池电解液超声比重计，包括C8051F120单片机1以及分别与 C8051F120单片机1电气连接的超声参数测量单元2、电源管理单元3、按键控制单元4、 状态指示单元5、数据输出单元6、存储和时钟单元7和人机交互单元8。所述的C8051F120单片机1用于控制超声参数测量单元2、电源管理单元3、按 键控制单元4、状态指示单元5、数据输出单元6和存储和时钟单元7，并对超声参数测量 单元2获得的信号进行处理，同时C8051F120单片机1通过人机交互单元8将测得的数据上传至计算机83，并响应计算机83发出的控制指令。所述的超声参数测量单元2用于测量蓄电池电解液中声速和电解液温度，包括 脉冲生成单元201、脉冲激发单元202、超声发射换能器203、盛液容器204、电解液 205、吸液泵206、超声接收换能器207、高速模/数转换器208、相位比较器209和温度 传感器210。所述的电源管理单元3用于为便携式系统供电、监测电池剩余电量以及为电池 充电，包括锂电池组31、低电量监测电路32和充电电路33。采用锂电池组为系统供电， 便携式设计，免去电源连接线，更适合于开口式铅酸蓄电池工作环境的作业条件。所述的按键控制单元4用于系统参数设置和操作控制，通过输入/输出接口与 C8051F120单片机1连接。状态指示单元5用于电池低电量报警指示和测量参数超限报 警指示，通过输入/输出接口与C8051F120单片机1连接。采用由C8051F120单片机1 控制的测量系统，自动化程度更高；按键控制简单灵活；通过对测量参数的设定，系统 对超限数据会自动报警，能够及时了解蓄电池状态。所述的数据输出单元6用于多种方式输出系统测量数据，包括LCD显示模块 61、U盘存储�？�62和微型打印机63，多种输出方式可满足测量数据的现场记录、电子 存档、打印输出以及上位机输出等多种要求。所述的存储和时钟单元7用于保存系统参数和测量数据以及系统实时时钟的控 制，包括E2PROM存储芯片71和时钟芯片72。所述的人机交互单元8用于连接上位机分析软件环境，分析蓄电池工作状态以 及性能，并可以控制C8051F120单片机1执行各项操作，包括通讯接口 81、通信线缆82 和计算机83。在优选的实施方式中，所述的C8051F120单片机1发出脉冲生成控制信号，控制 脉冲生成单元201产生等幅脉冲波，经脉冲激发单元202放大后驱动超声发射换能器203 发射特定频率的超声波。在优选的实施方式中，所述的超声发射换能器203和超声接收换能器207为型号 相同、参数匹配的压电式超声换能器，中心频率为1MHz，采用双换能器的设计，能够缩 短声波在被测电解液中的声程，减小声波的衰减，保证测量的准确性。在优选的实施方式中，所述的超声发射换能器203和超声接收换能器207同轴安 装定位并固定在盛液容器204两侧。在优选的实施方式中，所述的盛液容器204材质为有机玻璃。盛液容器204将 换能器与电解液隔离，避免电解液与换能器外壳发生化学反应而污染电解液，同时有机 玻璃具有良好的声学特性，能够保证声波的有效透射。在优选的实施方式中，所述的盛液容器204壁厚为3-5毫米。在优选的实施方式中，所述的盛液容器204外形为圆柱形，上下底面分别与超 声发射换能器203和超声接收换能器207相接触，圆柱底面直径等于换能器晶片直径3-5 倍，等于圆柱高度3-5倍，避免测量中受到边缘波造成误差的影响，保证测量准确性。在优选的实施方式中，所述的高速模/数转换器208是12位分辨率的模/数转 换集成电路，转换速率需达到40Msps，需满足对接收超声波信号进行快速傅立叶变换的 要求。高速模/数转换器208的应用能够明显提高电解液中声速的测量精度和重复性。
在优选的实施方式中，所述的相位比较器209是一种集成电路，通过对两个信 号的相位进行比较以配合C8051F120单片机1内部计数器进行10ns级精确计时。相位比 较器209的应用能够提高电解液中声速的测量精度和重复性。本发明的效果和益处是具有测量精确度高、测量速度快、自动化程度高、便携 设计、联机功能等主要优点。
图1是便携式蓄电池电解液超声比重计的总体结构示意图。图中1C8051F120单片机；2超声参数测量单元；3电源管理单元；4按键控制 单元；5状态指示单元；6数据输出单元；7存储和时钟单元；8人机交互单元。图2是便携式蓄电池电解液超声比重计中超声参数测量单元的原理框图。图中1C8051F120单片机；2超声参数测量单元；201脉冲生成�？椋�202脉冲 激发�？椋�203超声发射换能器；204盛液容器；205电解液；206吸液泵；207超声接 收换能器；208高速模/数转换器；209相位比较器；210温度传感器。图3是便携式蓄电池电解液超声比重计中电源管理单元、按键控制单元和状态 指示单元的结构示意图。图中1C8051F120单片机；3电源管理单元；4按键控制单元；5状态指示单 元；31锂电池组；32低电压监测电路；33充电电路；51低电量指示；52参数超限指
7J\ o图4是便携式蓄电池电解液超声比重计中数据输出单元和存储和时钟单元的结 构示意图。图中1C8051F120单片机；6数据输出单元；7存储和时钟单元；61LCD显示 �？�61 ； 62U盘存储�？椋�63微型打印机；71E2PROM芯片；72时钟芯片。图5是便携式蓄电池电解液超声比重计中人机交互单元的结构示意图。图中1C8051F120单片机；8人机交互单元；81通讯接口 ； 82通信线缆；83 计算机。图6是便携式蓄电池电解液超声比重计中电解液比重关于电解液中声速与电解 液温度的经验公式的图例说明。图7是便携式蓄电池电解液超声比重计的工作流程图。
具体实施例方式下面结合实施方案和附图对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限 于此。图1是本发明实例的总体结构示意图。超声参数测量单元2、电源管理单元3、 按键控制单元4、状态指示单元5、数据输出单元6、存储和时钟单元7和人机交互单元8 分别与C8051F120单片机1电气连接。C8051F120单片机1用于控制超声参数测量单元 2、电源管理单元3、按键控制单元4、状态指示单元5、数据输出单元6和存储和时钟单 元7，并对超声参数测量单元2获得的信号进行处理，同时C8051F120单片机1通过人机 交互单元8将测得的数据上传至计算机83，并响应计算机83发出的控制指令；
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图2是本发明实例中超声参数测量单元的原理框图。超声参数测量单元2由脉 冲生成�？�201、脉冲激发�？�202、超声发射换能器203、盛液容器204、电解液205、 吸液泵206、超声接收换能器207、高速模/数转换器208、相位比较器209和温度传感 器210组成。超声参数测量单元2用于测量电解液205中的声速和电解液205的温度。 盛液容器204为圆柱形，用于盛装电解液，材质为有机玻璃，壁厚3-5毫米，其底面直径 等于换能器晶片直径3-5倍，等于圆柱高度3-5倍。盛液容器204上下底面分别与超声 发射换能器203和超声接收换能器207紧密连接。脉冲生成�？�201、脉冲激发�？�202 和超声发射换能器203之间相互电气连接。由C8051F120单片机1给出脉冲生成控制信 号，经脉冲生成�？�201产生特定频率的等幅脉冲波，再经脉冲激发�？�202放大幅度后 驱动超声发射换能器203的发射端产生超声波。超声接收换能器207、高速模/数转换器 208和相位比较器209之间相互电气连接。由超声接收换能器207接收端的声波信号经高 速模/数转换器208采集转换后，再经相位比较器209处理后送入C8051F120单片机1。 温度传感器210采集的温度信号直接送入C8051F120单片机1。图3是本发明实例中电源管理单元、按键控制单元和状态指示单元的结构示意 图。电源管理单元3包括锂电池组31、低电压监测电路32和充电电路33。状态指示单 元5包括低电量指示51和参数超限指示52。图4是本发明实例中数据输出单元和存储和时钟单元的结构示意图。数据输出 单元6包括LCD显示�？�61、U盘存储模块62和微型打印机63。存储和时钟单元7包 括E2PROM芯片71和时钟芯片72。图5是本发明实例中人机交互单元的结构示意图。人机交互单元8包括通讯接 口 81、通信线缆82和计算机83。图6是本发明实例中电解液比重关于电解液中声速与电解液温度的经验公式的 图例说明。图中坐标横轴为蓄电池电解液的比重，范围1.05-1.30;坐标纵轴为蓄电池电 解液中的声速，单位m/s;图中各曲线表示了不同温度下电解液中声速随电解液比重的 变化关系，温度范围为10-50°C。经验公式可通过曲线拟合的方法得到。图7是本发明实例的工作流程图。包括以下步骤(1)上电后，系统初始化，读取E2PROM芯片中的系统参数；(2)判断系统是否处于上位机连接状态，如果是，则仅执行上位机发出的控制指 令；如果不是，则提示准备吸入电解液；(3)手动控制吸液泵吸入电解液；(4)测量电解液中的声速和电解液温度；(5)根据经验公式得到电解液的比重，并换算到25°C下的比重值；(6)判断测得的参数值是否超出系统预设的报警值上下限，如果超出，则执行参 数超限报警指示；如果未超出，则输出数据；(7)将测得的数据存入U盘，存入E2PROM，并由LCD显示；(8)将电解液退回蓄电池。
权利要求
1.一种便携式蓄电池电解液超声比重计，包括C8051F120单片机(1)以及分别与 C8051F120单片机(1)电气连接的超声参数测量单元(2)、电源管理单元(3)、按键控制 单元(4)、状态指示单元(5)、数据输出单元(6)、存储和时钟单元(7)和人机交互单元 (8)，其特征在于a.所述的C8051F120单片机(1)用于控制超声参数测量单元(2)、电源管理单元 (3)、按键控制单元(4)、状态指示单元(5)、数据输出单元(6)和存储和时钟单元(7)， 并对超声参数测量单元(2)获得的信号进行处理，同时C8051F120单片机(1)通过人机交 互单元(8)将测得的数据上传至计算机(83)，并响应计算机(83)发出的控制指令；b.所述的超声参数测量单元(2)用于测量蓄电池电解液中声速和电解液温度，包括脉 冲生成单元(201)、脉冲激发单元(202)、超声发射换能器(203)、盛液容器(204)、电解 液(205)、吸液泵(206)、超声接收换能器(207)、高速模/数转换器(208)、相位比较器 (209)和温度传感器(210)；C.所述的电源管理单元(3)用于为便携式系统供电、监测电池剩余电量以及为电池充 电，包括锂电池组(31)、低电量监测电路(32)和充电电路(33)；d.所述的按键控制单元(4)用于系统参数设置和操作控制，通过输入/输出接口与 C8051F120单片机(1)连接；状态指示单元(5)用于电池低电量报警指示和测量参数超限 报警指示，通过输入/输出接口与C8051F120单片机⑴连接；e.所述的数据输出单元(6)用于多种方式输出系统的测量数据，包括LCD显示�？� (61)、U盘存储�？�(62)和微型打印机(63)；f.所述的存储和时钟单元(7)用于保存系统参数和测量数据以及系统实时时钟的控 制，包括E2PROM存储芯片(71)和时钟芯片(72)；g.所述的人机交互单元(8)用于连接上位机分析软件环境，分析蓄电池工作状态以及 性能，并控制C8051F120单片机(1)执行各项操作，包括通讯接口(81)、通信线缆(82) 和计算机(83)。
2.根据权利要求1所述的一种便携式蓄电池电解液超声比重计，其特征是所述的 C8051F120单片机(1)发出脉冲生成控制信号，控制脉冲生成单元(201)产生等幅脉冲 波，经脉冲激发单元(202)放大后驱动超声发射换能器(203)发射特定频率的超声波。
3.根据权利要求1所述的一种便携式蓄电池电解液超声比重计，其特征是所述的 超声发射换能器(203)和超声接收换能器(207)为型号相同、参数匹配的压电式超声换能 器，中心频率为IMHz。
4.根据权利要求1所述的一种便携式蓄电池电解液超声比重计，其特征是所述的 超声发射换能器(203)和超声接收换能器(207)同轴安装定位并固定在盛液容器(204)两 侧。
5.根据权利要求1所述的一种便携式蓄电池电解液超声比重计，其特征是所述的 盛液容器(204)材质是有机玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种便携式蓄电池电解液超声比重计，其特征是所述的 盛液容器(204)壁厚3-5毫米。
7.根据权利要求1所述的一种便携式蓄电池电解液超声比重计，其特征是所述的 盛液容器(204)外形为圆柱形，上下底面分别与超声发射换能器(203)和超声接收换能器(207)相接触，圆柱底面直径等于换能器晶片直径3-5倍，等于圆柱高度3-5倍。
8.根据权利要求1所述的一种便携式蓄电池电解液超声比重计，其特征是所述 的高速模/数转换器(208)是12位分辨率的模/数转换集成电路，转换速率需达到 40MspSo
9.根据权利要求1所述的一种便携式蓄电池电解液超声比重计，其特征是所述的 相位比较器(209)是一种集成电路，通过对两个信号的相位进行比较以配合C8051F120单 片机(1)内部计数器进行IOns级计时。
全文摘要
一种便携式蓄电池电解液超声比重计，属于电子式密度计量仪器技术领域。包括C8051F120单片机以及分别与C8051F120单片机电气连接的超声参数测量单元、电源管理单元、按键控制单元、状态指示单元、数据输出单元、存储和时钟单元和人机交互单元。其特征在于所述的C8051F120单片机用于控制超声参数测量单元、电源管理单元、按键控制单元、状态指示单元、数据输出单元和存储和时钟单元，并对超声参数测量单元获得的信号进行处理，同时C8051F120单片机通过人机交互单元将测得的数据上传至计算机，并响应计算机发出的控制指令。本发明的效果和益处是具有测量精确度高、测量速度快、自动化程度高、便携设计、联机功能等主要优点。
文档编号G01N9/24GK102012351SQ20101050204
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者刘佳鑫, 李国锋, 王宁会, 王志强, 罗德义, 肖红军 申请人:大连理工大学
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