铅酸蓄电池极板检测用反极表的设计与实现

朱浩宇

河北保定第一中学，河北保定 071051

0 引言

铅酸蓄电池是目前大容量电池的主要品种，经过百余年的发展与完善以其成本低、电压高、原材料丰富、制造工艺简单而在通讯、交通、电力等部门得到了广泛应用。结合高中化学我们所学的有关原电池内容，通过到蓄电池厂参观学习，我了解到有关蓄电池的一些基本知识。

1 蓄电池的工作原理

所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电化学装置。构成铅蓄电池的主要成份如下：1）阳极板（二氧化铅PbO2）→ 活性物质；2）阴极板（海绵状铅Pb） → 活性物质；3）电解液（稀硫酸） → 硫酸.H2SO4+ 水 .H2O；4）电池外壳；5）隔离板；6）其它（排气栓、盖子等）。

1）放电中的化学变化

蓄电池在连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生如下反应，生成新化合物----硫酸铅并在两极间产生2V的电压。

（阳极） （电解液） （阴极）

PbO2+ 2H2SO4+ Pb → PbSO4+ 2H2O + PbSO4

（放电反应）（二氧化铅） （硫酸）（海绵状铅）

经由放电，硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。

2）充电中的化学变化

当给蓄电池外接电源充电时，会发生如下的反应：

（阳极）（电解液）（阴极）

PbSO4+ 2H2O + PbSO4→PbO2+ 2H2SO4+ Pb （充电反应）

（硫酸铅） （水） （硫酸铅）

很显然，由于放电时在阳极板、阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸、铅及二氧化铅，因此电池内电解液的浓度逐渐增加，并逐渐恢复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态。

2 反极表在蓄电池装配中的作用

在蓄电池生产过程中除极板制造外，其装配过程对蓄电池质量的影响也是非常关键的。

综上所述，在复杂多层土质条件下，不同结构特征的筒型基础沉贯施工会体现出极其复杂的性态。如何准确预测筒型基础下沉阻力和合理施加控制下沉力仍然是筒型基础应用问题的研究热点，尤其筒型基础结构型式、尺寸效应和多层复杂土质条件下，筒内外土体渗透率变化规律、吸力施加对筒内土塞响应模式及土塞运动对临界吸力的提高机理等研究对于筒型基础施工安全性态控制起着核心作用。

蓄电池装配流程图如下：

在整个流程中，装壳、焊接、热封为整个过程的关键控制过程，而在穿壁焊前的极群检测就更为关键，若接反，罐酸后的输出电压只有8V，达不到标准的12V。

极群检查首先要用万用表测一下电池有没有短路，如果测量出的电压是零或者是接近零则证明电池短路，检查极群并找出短路的位置进行修理。在检查没有短路的情况下，再用万用表测量极群正负极间电压是否出现负数，如果要是有的话，证明极性装反，需颠倒重新装入电池槽中。需要说明的是：由于极板是干式的，它的电压非常微弱，一般的电压表由于灵敏度不够，常常出现测量误差而造成质量问题，所以研制灵敏度更高的反极表对蓄电池装配过程的质量控制具有一定的实用价值。

3 反极表内电路图设计与实现

反极表要完成检测任务，必须具备以下两项基本功能：

1）由于极板间电压在天气干燥情况下只有几微伏，要想测出他们之间电压大小或极性，反极表必需具有足够大的放大能力。

2）在正、负极板发生短路时能够及时测试出来，表计指针不能有任何偏转。

针对以上要求，本表在电路设计时核心器件决定采用集成运算放大器OP07。该集成芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，由于它具有非常低的输入失调电压，所以在很多应用场合不需要额外的调零措施，简化了电路设计。同时，OP07 具有输入偏置电流低和放大倍数高的特点，这种低失调、高放大能力的特性使得OP07 特别适用于测量仪表和放大传感器的微弱信号等方面。

OP07 芯片引脚功能说明：

1和8 为偏置平衡(调零端)，2 为反向输入端，3 为正向输入端，4 为接地端，5 为空脚 ，6 为输出端，7 为电源正极端。

根据引脚功能说明，我们设计出以下反极表内电路图：

反极表电路图

电路原理说明：由于OP07 是一种低噪声、高稳定的集成电路，在很多应用场合不需要额外的调零措施，因此，为了简化电路，将1、5、8 脚空置不用，其它管脚根据要求接线，其中7、4 脚接电源正负极，out+、 out-端接测量表头，in+ 、in-端接测量用表笔。电路中由两个大电容C1、C2 串联分压，构建虚拟地端out- ，这样可以只用一个9V 叠层电池充当电源即可；R1、R3 构成负反馈放大环节，调整R1、R3 阻值大小比例，使电路可以获得适当的放大倍数；而R2、R4 是平衡电阻，在输入为零时，使输出保持为零，表头指针不发生偏转；R5 是限流电阻，防止输出电流过大而烧毁表头。

反极表表头选用灵敏度很高的磁电系仪表表头，根据高中物理所学知识，知道它是由可动线圈中的电流产生的磁场与固定永久磁铁磁场相互作用而工作的一类仪表，它广泛地应用于直流电流和直流电压的测量。与二极管元件配合，可以用于交流电流与电压的测量；与变换电路配合，还可以用于功率、频率、相位等其它电量的测量，还可以用来测量多种非电量，例如温度，压力等。

普通的万用表表头即是磁电系表头，我们将报废的万用表测量线路拆除，调整游丝使指针指向中间，将焊接好的电路板固定在表盒内，按电路图要求做必要的线路连接即可。

4 结论

该反极表采用集成电路作为测量线路的核心器件，具有体积小、灵敏度高、维护方便的特点。通过现场工人一段时间的使用，均反映表计工作稳定，性能可靠。现场工人通过表头指针的正、反偏，很快就能判断出极板摆放的正确与否，这对于提高产品质量和企业的经济效益起到非常重要的作用。

[1]朱松然.蓄电池手册[M].天津：天津大学出版社，2002.

[2]王汉桥.电子技术基础[M].北京：中国电力出版社，2006.

[3]贺令辉.电工仪表与测量[M].北京：中国电力出版社，2006.