DE2016031B2 - DEVICE FOR DETERMINING THE CHARGE STATE OF AN ACCUMULATOR - Google Patents
DEVICE FOR DETERMINING THE CHARGE STATE OF AN ACCUMULATORInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladungszustandes eines Akkumulators, bei dem sich die Dichte des Elektrolyten mit dem Ladezustand ändert.The invention relates to a device for determining the state of charge of an accumulator, in which the density of the electrolyte changes with the state of charge.
Bekannt sind Anordnungen mit Einrichtungen zur Messung des spezifischen Gewichtes des Elektrolyten, bei denen zur Bildung einer analogen Anzeige eine Meßspindel oder zur Bildung einer digitalen Anzeige Schwimmkörper verschiedenen spezifischen Gewichtes od. ä. vorgesehen sind. Die Anzeige dieser bekannten Anordnungen läßt sich jedoch nur sehr umständlich in eine Fernanzeige umsetzen, die außerdem wegen der notwendigerweise mechanisch bewegten Meßmittel nur bei ortsfestem Gebrauch möglich ist. Weiterhin sind eine ganze Reihe von Meßvorrichtungen bekannt, die sich an der Spannung der Arbeitselektroden gegeneinander, gegen Hilfselektroden oder zwischen Hilfselektroden orientiert. Diese Spannungen erlauben jedoch nur in recht beschränktem Maße einen ausrei-Chend genauen Rückschluß auf den Ladezustand der galvanischen Zelle. Auch ist bereits versucht worden, die Elektrolytkonzentration durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit zu erfassen. Dem steht jedoch entgegen, daß die in technisch gebräuchlichen galvani- (to sehen Elementen verwendeten Elektrolyte gerade in dem interessanten Bereich häufig Maxima in ihrer elektrischen Leitfähigkeit aufweisen.Arrangements with devices for measuring the specific gravity of the electrolyte are known, where a measuring spindle is used to form an analog display or a digital display is used Floats of different specific gravity or the like are provided. The display of this well-known However, arrangements can only be implemented very cumbersome in a remote display, which is also because of the necessarily mechanically moving measuring equipment is only possible with stationary use. Farther a whole range of measuring devices are known, which are mutually dependent on the voltage of the working electrodes, oriented towards auxiliary electrodes or between auxiliary electrodes. However, these tensions allow only to a limited extent a sufficiently precise conclusion about the state of charge of the galvanic cell. Attempts have also been made to determine the electrolyte concentration by measuring the electrical To record conductivity. However, this is opposed by the fact that the galvanic (to see electrolytes used in the interesting area often maxima in their electrical elements Have conductivity.
Aus der GB-PS 11 51 301 ist ein Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindex einer Flüssigkeit bekannt, wobei ein strahlungsdurchlässiger Körper, der einen größeren Brechungsindex aufweist als die an ihm angrenzende Flüssigkeit, einer Strahlungsquelle zum Beaufschlagen der Grenzfläche zwischen strahlungsdurchlässigem Körper und Flüssigkeit mit Strahlung so zugeordnet ist, daß ein Teil der Strahlung total reflektiert wird. Die total reflektierte Strahlung wird photoeiektrisch als Meßgröße für den Brechungsindex erfaßt. Aus der US-PS 25 69 127 ist weiterhin bereits ein Refraktometer der vorgenannten Art bekannt, bei dem die Grenzfläche zwischen dem strahlungsdurchlässigen Körper und der angrenzenden Flüssigkeit derart ausgestaltet ist, daß mehrfach hintereinander Totalreflexion auftritt.From GB-PS 11 51 301 a refractometer for determining the refractive index of a liquid is known, wherein a radiation-permeable body which has a greater refractive index than that on it adjacent liquid, a radiation source to act on the interface between radiation-permeable Body and liquid with radiation is assigned in such a way that part of the radiation is totally reflected will. The totally reflected radiation is recorded photoelectrically as a measurable variable for the refractive index. From US-PS 25 69 127 is still a refractometer of the aforementioned type known in which the interface between the radiation-permeable Body and the adjacent liquid is designed such that multiple consecutive total reflection occurs.
Zwischen dem Brechungsindex des Elektrolyten eines Akkumulators und dessen Dichte besteht ein eindeutiger Zusammenhang, so daß der Brechungsindex des Elektrolyten ein Maß für den Ladungszustand des Elektrolyten istThere is a clear difference between the refractive index of the electrolyte in a rechargeable battery and its density Connection, so that the refractive index of the electrolyte is a measure of the state of charge of the Electrolyte is
Der Erfindt-ng Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladungszustandes eines Akkumulators zu schaffen, bei der die dem Ladungszustand entsprechende Meßgröße einfach und zuverlässig an einem von der Meßstelle entfernten Ort zur Anzeige gebracht wird.The invention is based on the object of creating a device for determining the state of charge of an accumulator, in which the measured variable corresponding to the state of charge is simply and reliably displayed at a location remote from the measuring point.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladungszustandes eines Akkumulators durch Messung der Säuredichte nach der Refraktometermethode unter Erfassung der total reflektierten Strahiungsmenge, wobei ein strahlungsdurchlässiger Körper, der einen größeren Brechungsindex aufweist als der Elektrolyt so angeordnet ist, daß er eine mit dem Elektrolyten in Berührung stehende Grenzfläche besitzt, ferner einer Strahlungsquelle zum Beaufschlagen der Grenzfläche mit Strahlung unter einem Einfallswinkelbereich so zugeordnet ist, daß ein Teil der Strahlung total reflektiert wird und diese durch Anzeigemittel erfaßt wird, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch eine Faseroptik zur Fortleitung der total reflektierten Strahlung zu einer Anzeigeeinrichtung. This object is achieved by a device for determining the state of charge of an accumulator by measuring the acid density according to the refractometer method while recording the total reflected Radiation amount, with a radiation-permeable body that has a larger refractive index than the electrolyte is arranged to have an interface in contact with the electrolyte also has a radiation source for subjecting the interface to radiation at an angle of incidence range is assigned so that part of the radiation is totally reflected and this by display means is detected, which is characterized according to the invention by a fiber optic for forwarding the totally reflected radiation to a display device.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird eine dem optischen Brechungsindex des Säureelektrolyten eines Akkumulators proportionale Meßgröße erzeugt, die eindeutig mit dem Ladungszustand des Akkumulators zusammenhängt und damit eine sehr genaue Bestimmung des Ladungszustandes des Akkumulators ermöglicht. Erfindungsgemäß wird diese Meßgröße durch eine Faseroptik an eine Anzeigeeinrichtung weitergeleitet, die an irgendeiner geeigneten Stelle angeordnet ist.In the device according to the invention, one of the optical refractive index of the acid electrolyte of an accumulator generates proportional measured variable which is unambiguously linked to the state of charge of the accumulator related and thus enables a very precise determination of the state of charge of the accumulator. According to the invention, this measured variable is transmitted to a display device by fiber optics forwarded, which is located in any suitable location.
Zur Kompensation von durch Temperaturschwankungen des Säureelektrolyten verursachten Änderungen des Brechungsindex wird zweckmäßigerweise das die total reflektierte Strahlung aufnehmende Ende der Faseroptik mittels eines wärmeempfindlichen Elements in Abhängigkeit von der Temperatur des Säureelektrolyten verschoben.To compensate for changes caused by temperature fluctuations in the acid electrolyte of the refractive index is expediently the end of the totally reflected radiation receiving Fiber optics by means of a heat-sensitive element depending on the temperature of the acid electrolyte postponed.
Zur Vermeidung von Meßfehlern bei sehr starker Entladung des Akkumulators wird zweckmäßigerweise eine Korrektureinrichtung vorgesehen, die bei Entladung des Akkumulators mit hoher Stromstärke die vorzeitige Erschöpfung der Elektroden und deren nachfolgende Erholung berücksichtigt.To avoid measurement errors when the battery is very heavily discharged, it is advisable to use a correction device is provided which, when the battery is discharged with high amperage, the premature Depletion of the electrodes and their subsequent recovery are taken into account.
Die Erfindung wird nun an Hand der F i g. 1 und 2 erläutert. Bei der Anordnung nach F i g. 1 wird von der feststehenden Lichtquelle 5 ein Strahlenbündel mit den Strahlen 1, 2, 3 und 4 schräg durch ein optisch dichtes Medium 6, z. B. Glas oder Kunststoff, auf die Grenzfläche 7 zwischen diesem optisch dichten Medium und dem optisch dünneren Elektrolyten 8 geworfen. FürThe invention will now be explained with reference to FIGS. 1 and 2 explained. In the arrangement according to FIG. 1 is used by the fixed light source 5 a bundle of rays with the rays 1, 2, 3 and 4 obliquely through an optically dense Medium 6, e.g. B. glass or plastic, on the interface 7 between this optically dense medium and the optically thinner electrolyte 8 thrown. For
den am steilsten auftreffenden Strahl 1 gilt nun das Brechungsgesetz
sin α : sin β = m : m, wobei α der Winkel
zwischen einfallendem Strahl und Einfallslot, β der Winkel zwischen austretendem StrohI und Einfallslot,
«ti der Brechungsindex des dichten festen Mediums 6
und m der veränderliche Brechungsindex des Elektrolyten 8 bedeuten. Für den Strahl 2 soll gerade die Bedingung
sin λ m : /Ji erfüllt sein, so daß mit sin β
1 der Winkel β zu einem rechten Winkel wird. Der Strahl verläuft also nach der Brechung in der Grenzfläehe
7. Für den nur wenig flacher auüreffenden Strahl 3 ergibt sich für sin ß>
1, womit dieser Strahl an der Grenzfläche 7 total reflektiert wird. Er trifft als Strahl
3' auf die Beobachtungsfläche 9. Ebenso verhält es sich mit dem Strahl 4, der als Strahl 4' nach der Totalrefle- .'5
xion beobachtet werden kann, und allen dazwischenliegenden Strahlen. Vermindert sich die Konzentration
des Elektrolyten und damit sein Brechungsindex, so werden bereits steiler auftreffende Strahlen totalreflektiert,
und das von 4' bis 3' sichtbare reflektierte Lichtband verbreitert sich über 3' hinaus; umgekehrt verschiebt
sich die Helligkeitsgrenze bei 3' in Richtung auf 4', wenn die Elektrolytkonzentration und damit der
Brechungsindex der Flüssigkeit größer wird.The law of refraction sin α: sin β = m: m applies to the steepest incident ray 1, where α is the angle between the incident ray and the incidence perpendicular, β the angle between the emerging straw I and the incidence perpendicular, «ti the refractive index of the dense solid medium 6 and m the variable refractive index of the electrolyte 8 mean. For ray 2 the condition sin λ m: / Ji should be fulfilled, so that with sin β
1 the angle β becomes a right angle. After the refraction, the ray thus runs in the interface 7. For the only slightly flatter ray 3, sin β> 1 results, so that this ray is totally reflected at the interface 7. It hits the observation surface 9 as ray 3 '. The same applies to ray 4, which can be observed as ray 4' after total reflection, and all rays in between. If the concentration of the electrolyte and thus its refractive index are reduced, rays that are already steeper are totally reflected, and the reflected band of light visible from 4 'to 3' widens beyond 3 '; conversely, the brightness limit shifts at 3 'in the direction of 4' when the electrolyte concentration and thus the refractive index of the liquid increases.
Durch Berechnung und/oder Eichung läßt sich eine Skala 10 erstellen, die auf der Beobachtungsfläche 9 zu jeder Lage der Helligkeitsgrenze die Dichte des Elektrolyten und/oder den Ladezustand in Amperestunden oder Prozent der Nennkapazität der galvanischen Zelle angibt, wobei noch gegebenenfalls der Einfluß der Temperatur des Elektrolyten als Korrekturgröße zu berücksichtigen ist. Der Temperatureinfluß läßt sich automatisch dadurch ausschalten, daß die .ikala 10 nicht fest auf der Beobachtungsfläche 9 angebracht wird, sondern über ein an sich bekanntes temperaturempfindliches Element, z. B. einen Bimetallstreifen, der mit dem Elektrolyten in wärmeleitendem Kontakt steht und die Skala in vorgegebener Weise zur Ausschaltung von durch Temperaturänderungen im Elektrolyten bedingten Meßfehlern verschiebt.By calculation and / or calibration, a scale 10 can be created that can be used on the observation surface 9 the density of the electrolyte and / or the state of charge in ampere-hours for each position of the brightness limit or percent of the nominal capacity of the galvanic cell, with the influence of the The temperature of the electrolyte must be taken into account as a correction variable. The temperature influence can automatically switch off by the fact that the scale 10 is not firmly attached to the observation surface 9 is, but via a known temperature-sensitive element, e.g. B. a bimetal strip that is in thermally conductive contact with the electrolyte and the scale is switched off in a predetermined manner of measurement errors caused by temperature changes in the electrolyte.
Die Erfindung ermöglicht nun in vorteilhafter Weise eine Fernanzeige. Dazu wird eine Reihe von Lichtleitfasern vor der Beobachtungsfläche angebracht, durch die das dort auftreffende Licht an den gewünschten Beobachtungsort fortgeleitet wird. Das aufnehmende Ende kann zur Temperaturkompensation durch ein temperaturempfindliches Element in vorausberechneter Weise verschoben werden.The invention now advantageously enables remote display. This is done using a number of optical fibers attached in front of the observation surface, through which the light incident there to the desired Observation site is forwarded. The receiving end can be used for temperature compensation by a temperature-sensitive element are shifted in a precalculated manner.
Obwohl das Meßorgan unmittelbar bei der durch die Entladereaktion beeinflußten Zone des Elektrolyten angeordnet wird, sind Fehlanzeigen dann noch möglich, wenn bei hohen Entladeströmen die Diffusion, die zum Konzentrationsausgleich zwischen dem in den Poren der Elektroden befindlichen Elektrolyten und dem am Meßorgan befindlichen Elektrolyten langsamer ist als das Fortschreiten der Entladung. Damit wird die vorzeitige Erschöpfung der Elektroden nicht angezeigt. Dies und die nach starker Entladung sich zeigende Erholung der Elektroden wird nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken dadurch berücksichtigt, daß eine Korrektureinrichtung in die Anzeige eingebaut wird, die mit einer den Verhältnissen des galvanischen Elementes angepaßten Verzögerung arbeitet. Bei der Ausführung als thermische Korrektureinrichtung wird beispielsweise ein wärmeempfindliches Korrekturglied mit einer dem Entladestrom oder dessen Quadrat proportionalen Heizleistung aufgeheizt, womit die Anzeige in Richtung auf höhere Entladung verschoben wird. Nach Abschalten des Endadestromstoßes findet mit dem Temperaturausgleich des Korrekturgliedes an die Temperatur des Elektrolyten die Diffusion des in den Poren der Elektroden veränderten Elektrolyten an die Meßfläche und die Erholung der Elektroden statt, so daß ein lückenloser Überblick über die aus der galvanischen Zelle zur Verfügung stehende elektrische Kapazität möglich ist.Although the measuring element is located directly in the area of the electrolyte influenced by the discharge reaction is arranged, false displays are still possible if, at high discharge currents, the diffusion leading to the Concentration equalization between the electrolyte in the pores of the electrodes and the am Electrolyte located in the measuring element is slower than the progress of the discharge. This becomes the premature Electrode exhaustion not indicated. This and the recovery that appears after a strong discharge the electrodes are taken into account according to a further idea on which the invention is based, that a correction device is built into the display, which with one of the ratios of the galvanic element adapted delay works. When designed as a thermal correction device is for example a heat-sensitive correction element with one of the discharge current or the square of which is proportional to the heating output, bringing the display in the direction of higher discharge is moved. After switching off the end charge current surge, the temperature equalizes the Correction element to the temperature of the electrolyte, the diffusion of the changed in the pores of the electrodes Electrolyte to the measuring surface and the recovery of the electrodes instead, so that a complete overview is possible via the electrical capacity available from the galvanic cell.
Ein gewisser Nachteil bei der optischen Ablesung der Helligkeitsgrenze nach Fortleitung über Lichtleitfasern besteht darin, daß sie nicht so stark ausgeprägt ist wie bei der sonst in der Meßtechnik vorgezogenen Beobachtung der gebrochenen Strahlen. Es fallen nämlich nicht allein die total reflektierten Strahlen auf die Beobachtungsfläche, sondern es werden teilweise auch Strahlen reflektiert, für die die Bedingung für die Totalreflexion noch nicht ganz zutrifft. Bei der Verwendung polychromatischen Lichtes tritt außerdem noch eine Verwischung der Helligkeitsgrenze durch die Dispersion des Brechungskoeffizienten ein. Ersterer Nachteil kann durch mehrfache Reflexion gemindert werden, wobei die Flächen so gekrümmt werden, daß jeder Strahl stets unter dem gleichen Winkel auf die folgende Fläche auftrifft, mit der er an der vorhergehenden Fläche reflektiert wurde. Der zweite Nachteil läßt sich durch Verwendung monochromatischen Lichtes beheben. A certain disadvantage with the optical reading of the brightness limit after transmission via optical fibers consists in the fact that it is not as pronounced as that which is usually preferred in metrology Observation of the refracted rays. It is not only the totally reflected rays that fall on the Observation surface, but also rays are partly reflected, for which the condition for total reflection not quite true yet. When using polychromatic light there is also another Blurring of the brightness limit through the dispersion of the refractive index. The former disadvantage can be reduced by multiple reflections, the surfaces being curved so that each The ray always hits the following surface at the same angle as it does on the previous surface was reflected. The second disadvantage can be remedied by using monochromatic light.
Für den Einbau einer Vorrichtung nach der Erfindung in die Einfüllöffnung von galvanischen Zellen ist es erforderlich, daß sich Lichtquelle und Empfänger auf der Oberseite des Meßorgans befinden und daß die An-Grdnung möglichst klein wird. Das Beispiel einer solchen Anordnung zeigt die F i g. 2. Das von der Lichtquelle 5 ausgehende Strahlenbündel mit den Strahlen 1, 2, 3 und 4 trifft auf die Meßfläche 7, die so geneigt ist, daß alle zu erfassenden Grenzwinkel zwischen ihr und dem Strahlenbündel auftreten. Die reflektierten Strahlen treffen dann auf die verspiegelte Fläche 11, die zur Meßfläche und dem Strahlenbündel senkrecht angeordnet ist. Die darauf nochmals reflektierten Strahlen werden dadurch seitlich versetzt aber parallel zur ursprünglichen Richtung zurückgeworfen, wo die total reflektierten Strahlen 3 und 4 als Strahlen 3" und 4" auftreffen und zur Beobachtung herangezogen werden können. In räumlicher Ergänzung kann bei insgesamt dreifacher Reflexion auch eine Würfelecke verwendet werden, wobei eine oder zwei Flächen so gegenüber dem Strahlenbündel geneigt sind, daß in ihnen die Grenze der Totalreflexion liegt und die eine oder beide anderen verspiegelt sind.For the installation of a device according to the invention in the filling opening of galvanic cells it is necessary that the light source and receiver are on the upper side of the measuring element and that the grounding becomes as small as possible. The example of such an arrangement is shown in FIG. 2. That of the light source 5 outgoing bundle of rays with rays 1, 2, 3 and 4 hits the measuring surface 7, which is inclined so that all critical angles to be detected occur between it and the beam. The reflected rays then meet the mirrored surface 11, which for Measuring surface and the beam is arranged vertically. The rays reflected on it again become thereby laterally offset but thrown back parallel to the original direction, where the total reflected rays 3 and 4 strike as rays 3 "and 4" and are used for observation can. As a spatial addition, a cube corner can also be used with a total of three reflections be, with one or two surfaces are inclined relative to the beam that in them the Limit of total reflection and one or both of the others are mirrored.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |