DE20014429U1 - Electronic level monitor - Google Patents
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Description
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BAE Berliner Batteriefabrik GmbH Wilhelminenhofstr. 69/70BAE 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.*12459 Berlin Klaus W. Guide, Dipl.-Chem. Jürgen D. Hengelhaupt, Dipl.-Ing.* Dr. Marlene K. Ziebig, Dipl.-Chem.** Wilfried H. Goesch, Dipl.-Ing.*
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Unser Zeich./our reference GM31200DE-Goe Datum/date Berlin, 18.08.2000Our reference GM31200DE-Goe Date Berlin, 18.08.2000
Elektronischer NiveauwächterElectronic level monitor
Elektronischer NiveauwächterElectronic level monitor
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.The invention relates to an electronic level monitor for monitoring a liquid level using an electrode immersed in the liquid, two connecting cables connected to a direct voltage source and an evaluation electronics, preferably for use in lead-acid batteries, in particular in traction applications with high water consumption. However, it can also be used to monitor other fill levels.
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.Particularly in the case of lead-acid batteries in traction applications (e.g. forklifts), the large number of charging and discharging cycles, with the associated overcharging (more energy is charged into the battery than is taken out), leads to the decomposition of the electrolyte. The resulting gases, hydrogen and oxygen, escape and must be returned to the battery in the form of purified water. If the acid level is too low, the battery will be damaged.
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. There are several methods used to monitor this level. The simplest method is a marking in the refill opening of the battery cell. However, this marking is difficult for the user to see due to its position in the cell. The user must also check all cells in a battery (40 in an 80V battery).
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.Another option is open-mechanical display systems. These have a floating body that influences an optical display via a lever mechanism depending on the fill level. These systems are often used in conjunction with automatic refill systems by coupling the lever mechanism with a valve. The disadvantage of these systems is that they are difficult to read, as it is very difficult for the user to distinguish between the different states of the display. The lever mechanism is also very susceptible to contamination. The mechanical stresses that occur in an industrial truck, for example, also have a negative effect.
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.A more convenient option is to record the fill level electronically. The fill level is determined using a sensor electrode immersed in the electrolyte. An optical signal indicates to the user when the electrolyte level has fallen below a certain level. The self-illuminating signal also allows readings in darker surroundings. For example, a low acid level is indicated by a light-emitting diode (LED). Such a level monitor is installed as standard in batteries by the company VARTA under the name "perfect wf 200" as dry-run protection.
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.In everyday life, however, the harsh operating conditions mean that such devices are subjected to high levels of stress. The connecting cables of the level sensors in particular can be damaged, meaning that the sensor can no longer function. In this case, the missing signal can lead to the battery not being refilled, which can lead to the battery being completely destroyed.
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 unbewusstenIn systems that offer a visual indication of sufficient acid level in reverse of the function of this electronic level monitor, offered for example by Philadelphia Scientific Europe, a defect in the level monitor or its connecting cables leads to an unconscious
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.Overfilling the battery** can often even lead to overflow. This must be avoided in the interests of environmental protection. In addition, overfilling with water results in too low an acid concentration, meaning that the battery operates outside its specifications. A battery filled to the brim will overflow due to heating and gassing during charging and discharging.
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.The invention is based on the object of specifying an electronic level monitor which always delivers a clearly analyzable signal, i.e. even in the event of defects in the connecting conductors or in the level monitor itself.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention, the object is achieved by the features of claim 1. Useful embodiments are the subject of the subclaims.
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.This provides a first optical display that is activated by a signal from the evaluation electronics when the liquid level is too low, and a second optical display that indicates operational readiness and a sufficient liquid level when there is no signal for the first optical display. If the connection lines are intact, one of the two displays must therefore always be in operation.
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.The now clear information means that incorrect interpretations of the acid level are ruled out. By installing the level monitor on a central pilot cell, it is possible to protect the entire battery from running dry (acid level too low).
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.The display of the normal operating state, realized e.g. by a green LED, constantly shows the user that the level monitor is ready for use when installed. Failures of the level monitor or damage to the power supply are reliably indicated to the user by the absence of an optical signal.
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. The prerequisite for an effective "continuous" display is to reduce power consumption to a minimum. Too high a power consumption would discharge the battery and lead to unacceptable inhomogeneity within the cell group. In order to meet the requirement for the lowest possible power consumption and to increase the significance of the operating status displayed, both displays are pulsed by a flashing pulse generator which, according to the invention, is implemented by a quartz oscillator. A DC-DC converter is provided on the input side for the voltage supply. By using this DC-DC converter, it is possible to operate the level monitor on a low supply voltage from just one battery cell (2 V). The supply voltage is transformed by the DC-DC converter with low energy to a level required by the electronics. At the same time, the fluctuating input voltage is regulated to a constant value.
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.It is practical for the LED that indicates operational readiness and sufficient liquid level to flash at a "reassuring" low frequency, while the LED that indicates a too low level of the monitored liquid flashes at a higher frequency. This generates even greater user attention.
Um Strom zu sparen ist immer nur eine optische Anzeige aktiv, d.h., dass entweder die eine oder die andere Leuchtdiode blinkt.To save power, only one optical display is active at a time, i.e. either one or the other LED flashes.
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.An optical display is provided by means of LEDs that are arranged directly on the housing of the level monitor. However, a remote display is also conceivable, which is preferably potential-free, i.e. via intermediate relays, optocouplers or similar.
Die Erfindung soll nac*fiste*nend*&nK&nd feü'nes* AusführungsbeiThe invention is intended to be carried out in accordance with
spiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigengame will be explained in more detail. The accompanying drawings show
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Niveauwächter in Seitenansieht undFig. 1 a level monitor according to the invention in side view and
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Elektronik des Niveauwächters. Fig. 2 is a block diagram of the level monitor electronics.
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.The level monitor shown in Fig. 1 consists of an electrode 1 made of lead, a housing 2 which is sunk into an opening in a cell cover of a battery with a housing socket 3, with a seal 4 providing the necessary sealing function, and two connecting cables 5 and 6 which are provided with flat plugs 7 and 8. A green LED 10 and a red LED 11 are arranged in a housing cover 9. The connecting cables 5 and 6 and/or the flat plugs 7 and 8 are also conveniently designed in different colors, red for the connection to the positive cable and blue for the negative cable. The circuit also contains reverse polarity protection.
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.The length of electrode 1 can be designed for the largest cells. For smaller cells, electrode 1 is then shortened to the required length, e.g. using side cutters.
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.The level monitor is mounted on a middle cell of the battery if possible. An existing opening can be used for this. Such openings are usually present anyway, e.g. for electrolyte circulation.
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 einAfter installing the connecting cables 5 and 6, the green LED 10 must flash, provided the acid level is sufficiently high. If neither the LED 10 nor the red LED 11 flashes, this is usually due to a poor contact of one of the connecting cables 5 or 6, or possibly a
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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.There is a fault in the electronics* of the level monitor*. The connecting cables 5 and 6 must then be checked. If an optical signal is still not produced, the level monitor must be replaced.
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.If, however, the red LED 11 flashes, this means that the acid level is too low. The flashing frequency is four times as high as that of the green LED 10 in order to attract the user's attention.
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.Fig. 2 shows a block diagram of the level monitor. On the input side, a DC-DC converter is provided for the voltage supply, which transforms the voltage tapped from a cell to the level required for the downstream components and provides a regulated voltage.
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.Changes in the battery voltage are thus compensated. A signal generator provides the voltage on the output side that is required for measurement using an electrode immersed in the battery acid. At the same time, the signal generator supplies two further output voltages with different pulse frequencies, indicated here as a pulse generator, which each supply a green LED, referred to here as the "operating indicator", and a red LED that signals a fill level signal when the fill level is insufficient. Depending on the current flow through the electrode, the evaluation electronics provide one or no output signal, which is used to control the green or red LED.
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. By using a quartz crystal for the flashing pulse generator, it was possible to reduce the power consumption of the entire level monitor to approx. 1.5 mA. This means a power consumption of just 3 mW at a supply voltage of 2 V. This value is significantly lower than the self-discharge value of the smallest cell with a capacity of 120 Ah.
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BezugszeichenlisteList of reference symbols
1 Elektrode1 electrode
2 Gehäuse2 housing
3 Gehäusestutzen 4 Dichtung3 Housing socket 4 Seal
5 Anschlussleitung (plus)5 Connection cable (plus)
6 Anschlussleitung (minus)6 Connection cable (minus)
7 Flachstecker7 flat plugs
8 Flachstecker 9 Gehäusedeckel8 Flat plug 9 Housing cover
10 Leuchtdiode (grün)10 LED (green)
11 Leuchtdiode (rot)11 LED (red)
Claims (7)
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