DE20014429U1 - Elektronischer Niveauwächter - Google Patents
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Description
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* III
European Patent and Trademark Attorneys Patente Marken Design Lizenzen
BAE Berliner Batteriefabrik GmbH Wilhelminenhofstr. 69/70
12459 Berlin Klaus W. Guide, Dipl.-Chem. Jürgen D. Hengelhaupt, Dipl.-Ing.* Dr. Marlene K. Ziebig, Dipl.-Chem.** Wilfried H. Goesch, Dipl.-Ing.*
Schützenstraße 15-17 DlOl 17 Berlin
Tel.: 030/264 13 30
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Unser Zeich./our reference GM31200DE-Goe Datum/date Berlin, 18.08.2000
Elektronischer Niveauwächter
Elektronischer Niveauwächter
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Niveauwächter zur Überwachung eines Flüssigkeitsstandes unter Verwendung einer in die Flüssigkeit eintauchenden Elektrode, zwei mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Anschlussleitungen und einer Auswerteelektronik, bevorzugt für den Einsatz in Blei-Säure-Batterien, insbesondere bei Traktionsanwendungen mit hohem Wasserverbrauch. Er kann aber auch zur Überwachung anderer Füllstände benutzt werden.
Besonders bei Blei-Säure-Batterien in Traktionsanwendungen (&zgr;. B. Gabelstaplern) kommt es durch die große Anzahl von Lade- und Entladezyklen mit der jeweils verbundenen Überladung (es wird mehr Energie in den Akkumulator eingeladen als entnommen wird) zur Zersetzung des Elektrolyten. Die entstehenden Gase, Wasserstoff und Sauerstoff, entweichen und müssen dem Akkumulator in Form von gereinigtem Wasser wieder zugeführt werden. Ein zu niedriger Säurestand führt zu einer Schädigung der Batterie.
Zur Überwachung dieses Füllstandes sind mehrere Verfahren im Einsatz. Die einfachste Variante besteht in einer Markierung in der Nachfüllöffnung der Batteriezelle. Diese Markierung ist aufgrund ihrer Position in der Zelle für den Anwender allerdings schwer zu sehen. Außerdem muss der Anwender alle Zellen einer Batterie (40 Stück bei einer 80V-Batterie) prüfen.
Eine weitere Möglichkeit* s"ind öptdmechani'sehe Anzeigesysteme. Diese besitzen einen Schwimmkörper, der in Abhängigkeit des Füllstandes über ein Hebelwerk eine optische Anzeige beeinflusst. Diese Systeme werden oft in Verbindung mit automatischen Nachfüllsystemen eingesetzt, indem das Hebelwerk gleich mit einem Ventil gekoppelt wird. Nachteilig bei diesen Systemen ist die schlechte Ablesbarkeit, da der Anwender sehr schwer zwischen den verschiedenen Zuständen der Anzeige unterscheiden kann. Außerdem ist das Hebelwerk sehr anfällig für Verschmutzungen. Die zum Beispiel in einem Flurförderfahrzeug auftretenden mechanischen Belastungen wirken sich ebenfalls negativ aus.
Eine komfortablere Möglichkeit ist die elektronische Erfassung des Füllstandes. Der Füllstand wird hierbei mit einer in den Elektrolyten eintauchenden Sensorelektrode ermittelt. Über ein optisches Signal wird dem Anwender angezeigt, wenn der Füllstand des Elektrolyten unter ein bestimmtes Niveau gesunken ist. Durch das selbstleuchtende Signal ist auch ein Ablesen in dunklerer Umgebung möglich. Beispielsweise wird ein zu niedriger Säurestand durch eine Leuchtdiode (LED) angezeigt. Ein solcher Niveauwächter wird z. B. unter der Bezeichnung „perfect wf 200" von der Firma VARTA serienmäßig als Trockenlaufschutz in Batterien eingebaut.
Im Alltag ergeben sich durch die rauen Einsatzbedingungen jedoch hohe Belastungen für derartige Geräte. Besonders die Anschlussleitungen der Füllstandssensoren können beschädigt werden, so dass eine Funktion des Sensors nicht mehr gewährleistet ist. Durch das in diesem Fall fehlende Signal kann das Nachfüllen der Batterie versäumt werden, was zu einer vollständigen Zerstörung der Batterie führen kann.
Bei Systemen die in Umkehrung der Funktion dieses elektronischen Niveauwächters bei genügendem Säurestand eine optische Anzeige bieten, angeboten beispielsweise von der Firma Philadelphia Scientific Europe, führt ein Defekt im Niveauwächter oder dessen Anschlussleitungen zu einem unbewussten
Überfüllen der Batterie** in vie'lert* Fäli^n«sogar zum Überlaufen. Dies ist im Sinne des Umweltschutzes dringend zu vermeiden. Außerdem ergibt sich durch die Überfüllung mit Wasser eine zu geringe Säurekonzentration, so dass die Batterie außerhalb ihrer Spezifikation betrieben wird. Durch Erwärmung und Gasen der Batterie beim Laden und Entladen erfolgt ein Überlaufen einer bis zum Rand gefüllten Batterie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Niveauwächter anzugeben, der stets, das heißt auch bei Defekten der Anschlussleiter oder solchen im Niveauwächter selbst, ein eindeutig auswertbares Signal liefert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach sind eine bei zu geringem Flüssigkeitsstand von der Auswerteelektronik durch ein Signal betätigte erste optische Anzeige und eine bei fehlendem Signal für die erste optische Anzeige die Betriebsbereitschaft und einen genügenden Flüssigkeitsstand anzeigende zweite optische Anzeige vorgesehen. Bei intaktem Anschluss der Anschlussleitungen muss mithin immer eine der beiden Anzeigen in Betrieb sein.
Durch die nunmehr eindeutige Information sind falsche Interpretationen des Säurestandes ausgeschlossen. Durch die Montage des Niveauwächters auf einer zentralen Pilotzelle ist es somit möglich, die gesamte Batterie vor einem Trockenlauf (zu niedriger Säurestand) zu schützen.
Die Anzeige des normalen Betriebszustandes, realisiert z. B. durch eine grüne LED, zeigt dem Benutzer im eingebauten Zustand ständig die Funktionsbereitschaft des Niveauwächters an. Ausfälle des Niveauwächters bzw. Schäden an der Spannungsversorgung werden dem Anwender zuverlässig durch Fehlen eines optischen Signals angezeigt.
Voraussetzung für einef'ffefärtige 'dauerhe'ftee* Anzeige ist die Reduzierung des Stromverbrauchs auf ein Minimum. Ein zu hoher Stromverbrauch würde zu einer Entladung der Batterie und zu einer unzulässigen Inhomogenität innerhalb des Zellenverbandes führen. Um die Forderung nach einem möglichst geringen Stromverbrauch zu erfüllen und die Signifikanz des jeweils angezeigten Betriebszustandes zu erhöhen, werden beide Anzeigen durch einen Blinkimpulsgeber gepulst, der erfindungsgemäß durch einen Quarzoszillator realisiert ist. Zur Spannungsversorgung ist eingangsseitig ein Gleichspannungswandler vorgesehen. Durch den Einsatz dieses Gleichspannungswandlers ist es möglich, den Niveauwächter an einer niedrigen Versorgungsspannung von nur einer Batteriezelle (2 V) zu betreiben. Die Versorgungsspannung wird durch den Gleichspannungswandler energiearm auf eine für die Elektronik erforderliche Höhe transformiert. Gleichzeitig wird die schwankende Eingangsspannung auf einen konstanten Wert geregelt.
Zweckmäßig wird die die Betriebsbereitschaft und einen genügenden Flüssigkeitsstand anzeigende Leuchtdiode durch ein "beruhigendes" Blinken mit einer niedrigen Frequenz angezeigt, während die Leuchtdiode, welche ein zu niedriges Niveau der überwachten Flüssigkeit anzeigt, mit einer höheren Frequenz blinkt. Dadurch wird eine noch höhere Aufmerksamkeit des Benutzers erzeugt.
Um Strom zu sparen ist immer nur eine optische Anzeige aktiv, d.h., dass entweder die eine oder die andere Leuchtdiode blinkt.
Vorgesehen ist eine optische Anzeige durch Leuchtdioden, die direkt auf dem Gehäuse des Niveauwächters angeordnet sind. Denkbar ist jedoch auch eine Fernanzeige, die zweckmäßig potentialfrei, d. h. durch zwischengeschaltete Relais, Optokoppler o. ä. erfolgt.
Die Erfindung soll nac*fiste*nend*&nK&nd feü'nes* Ausführungsbei
spiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Niveauwächter in Seitenansieht und
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Elektronik des Niveauwächters.
Der in Fig. 1 gezeigte Niveauwächter besteht aus einer Elektrode 1 aus Blei, einem Gehäuse 2, das mit einem Gehäusestutzen 3 in eine Öffnung eines Zellendeckels einer Batterie eingesenkt wird, wobei eine Dichtung 4 für die nötige Dichtfunktion sorgt, und zwei Anschlussleitungen 5 und 6, die mit Flachsteckern 7 und 8 versehen sind. In einem Gehäusedeckel 9 sind eine grüne Leuchtdiode 10 und eine rote Leuchtdiode 11 angeordnet. Die Anschlussleitungen 5 und 6 und/oder die Flachstecker 7 und 8 sind zweckmäßig ebenfalls verschiedenfarbig ausgeführt, rot für den Anschluss an das Pluskabel und blau für das Minuskabel. Zusätzlich enthält die Schaltung einen Verpolschutz.
Die Länge der Elektrode 1 kann für die größten Zellen ausgelegt sein. Bei kleineren Zellen wird die Elektrode 1 dann, z.B. mit einem Seitenschneider, auf die erforderliche Länge gekürzt.
Der Niveauwächter wird möglichst auf einer mittleren Zelle der Batterie montiert. Hierfür kann eine bestehende Öffnung genutzt werden. Solche Öffnungen sind in der Regel ohnehin, z. B. zur Elektrolytumwälzung, vorhanden.
Nach dem Montieren der Anschlussleitungen 5 und 6 muss die grüne Leuchtdiode 10 blinken, vorausgesetzt der Säurestand ist genügend hoch. Blinken weder die Leuchtdiode 10 noch die rote Leuchtdiode 11, so liegt normalerweise ein schlechter Kontakt einer der Anschlussleitungen 5 oder 6, ggf. auch ein
• · Il I, &idigr; J * * ·
Fehler in der Elektronik* des NiVeätiwächt'e'rB* vor. Die Anschlussleitungen 5 und 6 müssen dann überprüft werden. Bleibt ein optisches Signal dann immer noch aus, so muss der Niveauwächter ausgetauscht werden.
Blinkt dagegen die rote Leuchtdiode 11, so bedeutet das einen zu niedrigen Säurestand. Die Blinkfrequenz ist dabei viermal so hoch wie die der grünen Leuchtdiode 10, um die Aufmerksamkeit des Anwenders zu erregen.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Niveauwächters. Eingangsseitig ist zur Spannungsversorgung ein DC-DC-Wandler vorgesehen, der die an einer Zelle abgegriffenen Spannung auf die für die nachgeschalteten Bauelemente erforderliche Höhe transformiert und eine geregelte Spannung bereitstellt.
Änderungen der Batteriespannung werden somit ausgeglichen. Ein Signalgenerator stellt ausgangsseitig die Spannung bereit, die zur Messung mittels einer in die Batteriesäure eintauchenden Elektrode benötigt wird. Gleichzeitig liefert der Signalgenerator zwei weitere Ausgangsspannungen mit verschiedener Pulsfrequenz, hier angedeutet als Impulsgenerator, die je eine grüne Leuchtdiode, hier als „Betriebsanzeige" bezeichnet, und eine rote, ein Füllstandssignal bei ungenügender Füllstandshöhe signalisierende Leuchtdiode versorgen. Die Auswerteelektronik liefert, abhängig vom Stromfluss durch die Elektrode, ein oder kein Ausgangssignal, mit dem jeweils die grüne oder die rote Leuchtdiode angesteuert wird.
Durch die Verwendung eines Schwingquarzes für den Blinkimpulsgeber ist es gelungen, den Stromverbrauch des gesamten Niveauwächters auf ca. 1,5 mA zu senken. Das bedeutet bei einer Versorgungsspannung von 2 V eine Leistungsaufnahme von gerade mal 3 mW. Dieser Wert liegt deutlich unter dem Wert der Selbstentladung der kleinsten Zelle mit 120 Ah Kapazitat.
• * ·♦·· JJSJ
Bezugszeichenliste
1 Elektrode
2 Gehäuse
3 Gehäusestutzen 4 Dichtung
5 Anschlussleitung (plus)
6 Anschlussleitung (minus)
7 Flachstecker
8 Flachstecker 9 Gehäusedeckel
10 Leuchtdiode (grün)
11 Leuchtdiode (rot)
Claims (7)
1. Elektronischer Niveauwächter zur Überwachung eines Flüssigkeitsstandes unter Verwendung einer in die Flüssigkeit eintauchenden Elektrode (1), zwei mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Anschlussleitungen (5, 6) und einer Auswerteelektronik, bevorzugt für den Einsatz in Blei-Säure-Batterien, gekennzeichnet durch eine bei zu geringem Flüssigkeitsstand von der Auswerteelektronik durch ein Signal betätigte erste optische Anzeige und eine bei fehlendem Signal für die erste optische Anzeige einen genügenden Flüssigkeitsstand anzeigende zweite optische Anzeige.
2. Niveauwächter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die erste und zweite optische Anzeige durch verschiedenfarbige Leuchtdioden (10, 11) realisiert sind.
3. Niveauwächter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der ersten und zweiten optischen Anzeige ein Blinkimpulsgeber vorgeschaltet ist.
4. Niveauwächter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Blinkfrequenz der ersten optischen Anzeige wesentlich höher als die der zweiten optischen Anzeige ist.
5. Niveauwächter nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Blinkimpulsgeber durch einen Quarzoszillator realisiert ist.
6. Niveauwächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zur seiner Spannungsversorgung eingangsseitig ein geregelter Gleichspannungswandler vorgesehen ist.
7. Niveauwächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen die Auswerteelektronik und die erste und zweite optische Anzeige signalübertragende Bauelemente zur galvanischen Trennung geschaltet sind.
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Legal Events
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Owner name: ABERTAX RESEARCH AND DEVELOPMENT LTD., MT Free format text: FORMER OWNER: BAE BERLINER BATTERIEFABRIK GMBH, 12459 BERLIN, DE Effective date: 20040329 |
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