DE2247048C3 - Einrichtung zum Messen der Dichte einer Flüssigkeit unter Ausnutzung des Brechungsgesetzes - Google Patents

Description

Umlenkfläche (20) befindet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Meßfläche (21) und der

Grenzfläche (24) eine Nut (25) mit einem schrägen 30 Nachteil, daß die Dichte der Flüssigkeit lediglich in sehr Nutboden(26) vorgesehen ist. engen Grenzen und nur subjektiv bestimmt werden

kann. Eine kontinuierliche Messung der Dichte ist mit dieser Einrichtung also nicht möglich.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (24) und eine Seitenwand der Nut (25) in einer Ebene liegen und d

Bei einer anderen bekannten Einrichtung ist ein

der Nutboden (26) von der Mitte zu den Enden hin 35 lichtleitender Körper mit einer an seiner Längsseite abfallend ausgebildet ist. angeordneten, gekrümmten Meßfläche vorhanden, auf

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ein paralleles dchtbündel !gerichtet ist. Der in dadurch gekennzeichnet, daß als lichtempfindliches Abhängigkeit von der Dichte des die Meßfläche Element ein Photowiderstand (16) voi gesehen ist. berührenden Mediums an der Meßfläche reflektierte

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. 40 Lichtbündelanteil wird unmittelbar einem lichtempfind

lichen Element zugeführt bzw. mittelbar über eine Umlenkfläche einer graduierten Skala zur örtlichen Anzeige des Dichtwertes. Eine derartige Einrichtung

dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlengang hinter der zweiten Umlenkfläche (20) ein Filterkeil (17) befindet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Umlenkfläche (20) abgewandte 45 Körperseite angeordneten Meßfläche ein relativ großes Seite des Filterkeils (17) aufgerauht ist. Bauvolumen besitzt und verhältnismäßig tief in die

Flüssigkeit eintauchen muß. Hinzu kommt, daß ein Absinken des Flüssigkeitsniveaus unter das, durch die

hat den Nachteil, daß sie wegen der gekrümmten, an der

Oberkante der Meßfläche vorgegebene Grenzniveau

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang mit Abstand vor dem lichtempfindlichen Element (16)

ein Polarisationsfilter vorgesehen ist und die oem 50 erst bei einem kräftigen Unterschreiten des Grenznive-Element (16) gegenüberliegende zweite Umlenkflä- aus an den Meßwerten erkannt werden kann, so daß ehe (20) so angeordnet ist, daß ihre Flächennormale durch ein nicht genügend hohes Flüssigkeitsniveau mit dem einfallenden Lichtbündel (13a) den Brew- hervorgerufene Fehlmessur.gen nicht auszuschließen ster'schen Winkel einschließt. sind. Ein weiterer erheblicher Nachteil besteht darin,

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 55 daß bereits geringe Änderungen in der Krümmung der dadurch gekennzeichnet, daß an oder in dem in die Meßfläche zu nicht unbeträchtlichen Fehlmessungen Flüssigkeit eingetauchten Teil des lichtleitenden

Stabes (1) ein Temperaturfühler angeordnet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Umlenkflache (19, 20) mit einer spiegelnden Schicht (27) versehen und diese mit einer Schutzschicht (28) abgedeckt ist.

H). Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede spiegelnde Schicht (27) aus Gold besteht.

führen können, so daß eine besondere Bearbeitung der Meßfläche unumgänglich ist. Dies wirkt sich aber ungünstig auf die Produktkosten aus.

Bei einer weiteren bekannten Einrichtung ist ein lichtleitender Stab vorgesehen, dessen in die Flüssigkeit eingetauchtes Ende eine zur Stabachse senkrechte Stirnfläche aufweist, die mit einem reflektierenden Überzug versehen ist, und an dessen aus der Flüssigkeit ragenden Ende eine Lichtquelle und ein lichtempfindliches Element angeordent sind. Bei der Einrichtung werden die in den lichtleitcnden Stab einfallenden Lichtstrahlen in Abhängigkeit von der Dichte der

Flüssigkeit mehr oder weniger stark in die Flüssigkeit gebrochen, so daß die in die Flüssigkeit geleitete Lichtmenge ein Kriterium für die Dichte der Flüssigkeit ist Mit einer solchen Einrichtung i« zwar eine kontinuierliche Messung möglich, jedoch muß dafür Sorge getragen werden, daß die Eintauchtiefe des lichtleitenden Stabes immer gleich groß ist, da sich andernfalls beträchtliche Meßfehler ergeben kö,:nen. Insbesondere bei Akkumulatorbatterien schwankt jedoch das Hüssigkeitsniveau erheblich, so daß eine solche Einrichtung zur Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie nicht verwendet werden kann.

Schließlich ist eine Einrichtung zur Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie bekannt geworden, bei der ein von einer Lichtquelle ausgehender Lichtbündel durch ein von der Flüssigkeit gefülltes Prisma auf mehrere lichtempfindliche Empfänger gerichtet ist Je nach der Dichte der Flüssigkeit wird das Lichtbündel mehr oder weniger stark durch das Prisma gebrochen und trifft infolgedessen entsprechend dem jeweils vorhandenen Brechungsindex auf einen der diesem Brechungsindex zugeordneten lichtempfindlichen Empfänger. Eine solche Einrichtung hat den Nachteil, daß sie ein relativ großes Bauvolumen besitzt und nicht ohne umfangreiche Änderungen am Akkumulatorgehäuse in dieses eingebaut werden kann. Hinzu kommt daß die bekannte Einrichtung, einen bauteilaufwendigen Aufbau aufweist und entsprechend teuer ist.

Diese Schwierigkeilen und Nachteile sollen durch die Erfindung überwunden werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die neben der Möglichkeit einer kontinuierlichen Messung der Dichte einer Flüssigkeit unabhängig vom jeweiligen Flüssigkeitsstand einen geringe Herstellungskosten verursachenden Aufbau kleinen Bauvolumens besitzt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs beschriebenen Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Lichtbündel über eine erste Umlenkfläche gegen die an der Stirnseile des Stabes angeordnete plane Meßfläche und das von dieser in die Flüssigkeit gebrochene Lichtbündcl gegen eine zur Lichibündelachse vorzugsweise senkrechte Grenzfläche des Stabes gerichtet ist, hinter der sich eine zweite Umlenkfläche befindet.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wi.-d ein äußerst kompakter, ein geringes Bauvolumen aufweisender Aufbau erzielt, der nur wenige Millimeter in die Flüssigkeit einzutauchen braucht, um einwandfrei zu arbeiten. Hinzu kommt, daß eine besondere Bearbeitung der planen Meßfläche nicht erforderlich ist. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besieht darüber hinaus darin, daß die Lage der Meßfläche ohne Schwierigkeiten parallel oder ungefähr parallel zum Flüssigkeitsspiegel gewählt werden kann, so daß ein Absinken des Flüssigkeitsniveaus unter die durch die Meßfläche vorgegebene Grenzfläche sofort bemerkt wird. Auf einem zu geringen Flüssigkeitsniveau beruhende Fehlmessungen sind somit sicher ausgeschaltet. Um zu verhindern, daß der Strahlengang im Raum /wischen der Meßfläche und der Grenzfläche durch aufsteigende Gasblasen oder in der Flüssigkeit langsam nach oben schwebende Teilchen u.dgl.. die in diesem hängenbleiben oder sich dort festsetzen, gestört wird, empfiehlt es sich, zwischen der Meßfläche und der Grenzfläche eine Nut mit einem schrägen Nuthoden vorzusehen. In einer aus fertigungstechnischen Gründen bevorzugten Ausführungsform liegen die Grenzfläche und eine Seitenwand der Nut in einer Ebene und ist der Nutboden von der Mitte zu den Enden hin abfallend ausgebildet

Die Lichtquelle besteht zweckmäßigerweise aus einer Galliumarsenid-Diode mit einem vor dieser angeordneten, ein paralleles Lichtbündel erzeugenden optischen System. Durch die Verwendung einer Galliumarsenid-Diode kann das Bauvolumen besonders klein gehalten werden. Zudem besitzt eine Galliumarsenid-Diode im Gegensatz zu einer mit Unterspannung betriebenen Glühlampe, die ebenfalls benutzt werden kann, einen geringeren Leistungsbedarf und eine längere Lebensdauer. Das optische System kann in bekannter Weise aus zwei hintereinanderliegenden Sammellinsen aufgebaut sein oder auch aus einer Kondensorlinse bestehen, die zweckmäßigerweise an das lichtquellenseitige Ende des Stabes angeformt ist.

Als lichtempfindliches Element kann ein Photoelement, eine Photodiode oder, was im Hinblick auf die Lichtempfindlichkeit und Kosten besonders vorteilhaft ist, ein Photowiderstand verwendet werden. Da das auf die wirksame Fläche des lichtempfindlichen Elements auftreffende Lichtbündel zwar in Abhängigkeit von der Flüssigkeitsdichte über diese Fläche wandert, dabei jber der Gesamtlichtstrom des Lichtbündels praktisch konstant bleibt, ergeben sich nur geringfügige Änderungen im elektrischen Kreis des lichtempfindlichen Elements. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können diese Änderungen dadurch wesentlich vergrößert werden, daß im Strahlengang hinter der zweiten Umlenkfläche ein Filterkeil angeordnet ist. Bei einem solchen lilterkeil ändert sich der Transmissions grad ortsabhängig, so daß je nach Lage des Lichtbündcls der ve η dem lichtempfindlichen Element empfangene Lichtanteil unterschiedlich groß ist. Der Filterkeil h.it darüber hinaus den Vorteil, daß durch entsprechende Formgebung des Keils in weiten Grenzen die Anzeigecharakteristik geändert werden kann. Als besonders zweckmäßig hat es sich zudem erwiesen, die der Umlenkfläche abgewandte Seite des Filterkeils aufzurauhen. Dadurch wird die wirksame Fläche des Elements weitgehend diffus bestrahlt und infolgedessen können sich Empfindlichkeitsinhomogenitäten der wirksamen Fläche nicht auf das Meßergebnis auswirken. Eine andere Möglichkeit, große Änderungen im elektrischen Kreis des lichtempfindlichen Elements zu erzielen, besteht darin, anstatt eines Filterkeils im Strahlengang mit Abstand vor dem lichtempfindlichen Element ein Polarisationsfilter vorzusehen und die dem Element gegenüberliegende zweite Umlenkfläche so anzuordnen, daß ihre Flächennormale mit dem einfallenden Lichtbündel den Brewster'schen Winkel einschließt.

Zur Verbesserung der Rcflexionseigenschaften der Umlenkflächen sind diese am zweckmäßigsten jeweils mit einer spiegelnden Schicht versehen, die mit einer Schutzschicht gegen die Flüssigkeit abgedeckt ist. Bei einer Einrichtung zum Messen der Säuredichtung einer Akkumulatorbatteric kann für eine solche Schutzschicht beispielsweise Bitumen verwendet werden. Die spie-(jjlnde Schicht kann aus Silber. Aluminium oder, was besonders vorteilhaft ist. aus ('.old bestehen.

Eine Goldschichi besitzt nämlich im /us.immenhang mit einer Galliumarsenid-Diode oder einer mit Unterspannung uiN; .ebenen Glühlampe den Vorteil, daß sie für das Spektrum des \on einer solchen Lichtquelle abgegebenen Lichts einen äußerst hohen Reflexionsgrad aufweist.

In einer für die Messung der Säuredichte einer

Akkumulatorbatterie besonders geeigneten Ausführungsform sitzt der lichtleitende Stab mit seinem oberen Ende an einem BatterieverschluDstopfen, in dessen Kopf die Lichtquelle und das lichtempfindliche Element gegebenenfalls zusammen mit dem Schirm angeordnet ist. Ein solcher Aufbau der Einrichtung erfordert nicht nur keinerlei konstruktive Änderungen am Batteriegehäuse sondern auch keine zusätzlichen Befestigungsmittel zur Festlegung der Einrichtung am Batteriegehäuse, was den Vorteil mit sich bringt, daß die Montage der Einrichtung am Batteriegehäuse von ungeschultem Personal und damit auch vom Fahrzeughalter selbst durchgeführt werden kann. Die beschriebene Ausführungsform eignet sich also in vorzüglicher Weise zur Nachrüstung von bereits im Kraftfahrzeug befindlichen Akkumulatorbatterien.

Die Befestigung des lichtleitenden Stabes am Batterieverschlußstopfen kann mittels einer Schrauboder Steckverbindung vorgenommen werden, wobei bei einer Schraubverbindung der Stab an seinem der Meßfläche abgewandten Ende ein Außengewinde und der Verschlußstopfen ein entsprechendes Innengewinde tragen kann. Zweckmäßigerweise wird der lichtleitende Stab und der Batterieverschlußstopfen als einstückige Einheit aus Kunststoff ausgebildet. Dadurch ergeben sich erhebliche fertigungstechnische Vorteile, da ein solches Bauteil in einem einzigen Arbeitsgang in einem Spritz- oder Preßverfahren hergestellt werden kann.

Bekanntlich ist die Dichte der Säure in einer Akkumulatorbatterie temperaturabhängig und zwar nimmt sie mit steigender Temperatur ab. Da jedoch die Viskosität der Säuu mit steigender Temperatur ebenfalls abnimmt und dieser Effekt den anderen überwiegt, kann bei zunehmender Temperatur trotz abnehmender Dichte der Säure der Batterie mehr Ladung entnommen werden. Diese Abhängigkeit kann nach einem weiteren Gedanken der Erfindung dadurch berücksichtigt werden, daß an oder in dem in die Flüssigkeit eingetauchten Teil des lichtleitenden Stabes ein Temperaturfühler angeordnet ist. dessen Ausgangssignal als Korrekturgröße in den Anzeigestromkreis eingegeben wird.

Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel enthält, näher erläutert.

Die Einrichtung, die im Längsschnitt dargestellt und zur Messung der Säuredichte in einem Bleiakkumulator vorgesehen ist, enthält einen lichtleitenden Stab 1. der an einem Ende in einem als Batterieverschlußstopfen ausgebildeten Teil 2 übergeht und mit diesem eine einstückige Einheit aus Polymethylmethacrylat bildet. Der Verschlußstopfenteil 2 umfaßt einen Kopf 3. dessen Umfang mit einer Rändelung 4 versehen ist, und einen Gewindeabschnitt 5.

Im Vcrschlußstopfenicil 2 befindet sich eine erste Bohrung 6 zur Aufnahme einer Galliumarsenid-Diode 7 des Lichterzeugers, die in einer längsaxial verschiebbaren Halterung 8 sitzt, und eine zweite, zur Bohrung 6 konzentrische Bohrung 9, in der das aus zwei Sammellinsen 10 und 11 bestehende optische System 12 zur Erzeugung eines Parallellichtbündels 13 angeordnet

ίο ist. In einer weiteren Bohrung 14 sitzt in einer Fassung 15 der als lichtempfindliches Element dienende Photowiderstand 16 und im Abstand vor dessen wirksamer Fläche ein Graukeil 17, der ebenfalls in einer Fassung 18 angeordnet ist. Der Photowiderstand 16 liegt unmittelbar oder mittelbar über einen Operationsverstärker im Anzeigestromkreis der Meßeinrichtung.

Am freien Ende des lichtleitenden Stabes 1 befinden sich zwei Umlenkflächen 19 und 20, von denen die eine im Strahlengang vor der Meßfläche 21 liegt und das Lichtbündel 13 -so in Richtung auf die Meßfläche 21 reflektiert, daß dieses mit seiner Längsachse 22 unter einem Winkel zur Meßflächennormalen 23 auf die Meßfläche trifft, der gleich dem bei der untersten Säuredichtegrenze auftretenden Totalreflexionswinkel ist. Im vorliegenden Fall — für Mitteleuropa ausgelegte Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug — beträgt die unterste Säuredichtegrenze ungefähr 1,18 kg/1. Sie tritt bei entladenem Bleiakkumulator auf. Diesem Wert entspricht ein Brechungsindex der Säure von ungefähr 1.3642, so daß sich bei einem Brechungsindex des lichtleitenden Stabes 1 aus Polymethylmethacrylat von ungefähr 1,49 ein Totalreflexionswinkel von ungefähr 65 Winkelgrad ergibt. Die genannten Werte gelten bei einer Temperatur von 20° C.

Die andere Umlenkfläche 20 liegt im Strahlengang hinter einer Grenzfläche 24. die zur Längsachse 23a de« in die Säure gebrochenen Lichtbündeis 13a senkrechi verläuft. Durch die Umlenkfläche 20 wird das durch die Grenzfläche 24 eintretende Lichtbündel 13a über der Graukeil 17 auf den Photowiderstand 16 gelenkt. Um zi verhindern, daß hochsteigende Gasblasen in dem Raun zwischen der Meßfläche 21 und der Grenzfläche 2( hängenbleiben und so der Strahlengang gestört wird, is zwischen den beiden Flächen eine Nut 25 angeordnet wobei eine Seitenwand der Nut 25 mit der Grenzfläch( 24 in einer Ebene liegt. Der Nutboden 26 ist von de Mitte zu den Nutenden hin abfallend ausgebildet.

Zur Verbesserung der Reflexionseigenschaften ist au die beiden Umlenkflächen 19 und 20 jeweils eini Goldschicht 27 aufgebracht und über dieser eim Bitumenschicht 28.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum kontinuierlichen Messen der Dichte einer Flüssigkeit in vorgegebenen Grenzen unter Ausnutzung des Brechungsgesetzes, insbesondere der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie eines Kraftfahrzeuges zwecks Ermittlung des Ladezustandes, mit einem lichtleitenden Stab, an

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum kontinuierlichen Messen der Dichte einer Flüssigkeit in vorgegebenen Grenzen, unter Ausnutzung des Brechungsgesetzes, insbesondere der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie eines Kraftfahrzeuges zwecks Ermittlung des Ladezustandes, mit einem lichtleitenden Stab, an dessen in die Flüssigkeit eingetauchtem Endstück eine Meßfläche und zwei Umlenkflächen vorgesehen sind, einer ein paralleles oder nahezu

dessen in die Flüssigkeit eingetauchtem Endstück io paralleles Lichtbündel erzeugenden Lichtquelle und eine MeBfläche und zwei Umlenkflächen vorgese- einem in dem Strahlengang gegenüber einer Umlenkfläche liegenden lichtempfindlichen Element, wobei das Lichtbündel unter einem Winkel zur Meßflächenormah d bi d

len, der höchstens gleich dem bei der untersten

hen sind, einer ein paralleles oder nahezu paralleles Lichtbündel erzeugenden Lichtquelle und einem in dem Strahlengang gegenüber einer Umlenkfläche

liegenden lichtempfindlichen Element, wobei das 15 Flüssigkeitsdichtegrenze auftretenden Totaireflexions-Lichtbündel unter einem Winkel zur Meßflächennormaien, der höchsten gleich dem bei der untersten
Flüssigkeitsdichtegrenze auftretenden Totalreflexionswinkel ist, einfällt dadurch gekenn-

wipkel ist, einfällt

Zum Messen der Dichte einer Flüssigkeit ist bereits eine Einrichtung mit einem in die zu messende Flüssigkeit eingetauchten Glasstab bekannt, an dessen

zeichnet, daß das Lichtbündel (13) über eine 20 aus der Flüssigkeit ragenden Ende eine Lichtquelle erste Umlenkfläche (19) gegen die an der Stirnseite angeordnet ist, durch die ein parallel zur optischen

Achse des Glasstabes einfallendes Lichtbündel erzeugt wird, und an dessen eingetauchtem Ende zwei Umlenkflächen und eine Meßfläche vorhanden sind. Die

(23a) vorzugsweise senkrechte Grenzfläche (24) des 25 Umlenk- und Meßflächen sind so angeordnet, daß das Stabes (1) gerichtet ist, hinter der sich eine zweite Lichtbündel über eine Umlenkfläche der Meßfläche

unter dem Winkel der Totalreflexion zugeleitet und von dort über eine weitere Umlenkfläche an ein Fernrohr weitergeleitet wird. Eine solche Einrichtung hat den

des Stabes (1) angeordnete, plane Meßfläche (21) und das von dieser in die Flüssigkeit gebrochene Lichtbündel (13a) gegen eine zur Lichtbündelachse