DE2265165C3 - Device for measuring the acid density of a storage battery - Google Patents

Device for measuring the acid density of a storage battery

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Säuredichte einer AJcumulatorbatterie, insbesondere der Batterie eines Kraftfahrzeugs, zwecks Ermittlung ihres Ladezustandes, mit einem lichtleitenden Stab, dessen in die Flüssigkeit eingetauchtes Ende mit einer Meßfläche und vorzugsweise einer Umlenkfläche versehen ist, einer ein Lichtbündel in den Stab gegen die Meßfläche aussendenden Lichtquelle und einem in dem Strahlengang liegenden lichtempfindlichen Element.The invention relates to a device for Measurement of the acid density of an AJcumulatorbatterie, in particular the battery of a motor vehicle, for the purpose of Determination of their state of charge with a light-conducting rod, the end of which is immersed in the liquid is provided with a measuring surface and preferably a deflecting surface, one against a light beam in the rod the light source emitting the measuring surface and a light-sensitive element located in the beam path.

Es sind bereits Einrichtungen zum Messen der Dichte einer Flüssigkeit bekannt die einen lichtleitenden Stab aufweisen, 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 angeordnet sind. Bei diesen Einrichtungen werden die in den lichtleitenden Stab einfallenden Lichtstrahlen in Abhängigkeit von der Dichte der Flüssigkeit mehr oder weniger stark in diese gebrochen, so daß die von der Flüssigkeit absorbierte Lichtmenge ein Kriterium für die Dichte der Flüssigkeit ist Bei diesen Einrichtungen muß dafür Sorge getragen werden, daß die Eintauchtiefe des lichtleitenden Stabes immer gleich groß ist, da sich andernfalls beträchtliche Meßfehler ergeben können. Da jedoch bei Akkumulatorbatterien das Flüssigkeilsniveau erheblich schwanken kann, sind solche Einrichtungen zur Messung der Säuredichte in einer Akkumulatorbatterie nicht verwendbar.There are already devices for measuring the density a liquid known to have a light-conducting rod, the end of which is immersed in the liquid has an end face which is perpendicular to the rod axis and which is provided with a reflective coating and on the end of which protruding from the liquid is provided with a light source and a light-sensitive element. In these facilities, the in the light-guiding rod incident light rays depending on the density of the liquid more or refracted less strongly in this, so that the amount of light absorbed by the liquid is a criterion for the density of the liquid is With these facilities, care must be taken that the immersion depth of the light-guiding rod is always the same, since Otherwise considerable measurement errors can result. However, since the Liquid wedge level can fluctuate considerably, such devices for measuring the acid density are in a storage battery cannot be used.

Es ist des weiteren eine Einrichtung zur Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie bekannt, bei der ft5 ein von einer Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel durch ein von der Flüssigkeit gefülltes Prisma auf mehrere lichtempfindliche Empfänger gerichtet ist. JcIt is further a device for measuring the acid density of a storage battery is known in which ft 5 an outgoing light beam from a light source is directed by the filled by the liquid prism on a plurality of photosensitive receiver. Jc 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 lichtempfinlichen 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 istdepending on the density of the liquid, the light beam is refracted more or less strongly by the prism and consequently meets one of these according to the respective existing refractive index Refractive index assigned light-sensitive receiver. Such a device has the disadvantage that they has a relatively large volume and not without extensive changes to the battery housing in this can be built in. In addition, the known device has a complex structure has and is correspondingly expensive

Diese Nachteile sollen durch die Erfindung überwunden werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, die möglichst ohne irgendwelche Änderungen am Akkumulatorgehäuse in dieses eingebaut oder an dieses angebaut werden kann, einen bauteilarmen Aufbau geringen Bauvolumens aufweist und möglichst billig istThese disadvantages are intended to be overcome by the invention. It is therefore an object of the invention to provide a To create facility that as possible without any changes to the battery housing in this can be built in or grown on this, has a low-volume structure with few components and is as cheap as possible

Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs beschriebenen Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der lichtleitende Stab mit seinem der Meßfläche abgewandten Ende an einem Batterieverschlußstopfen sitzt in dessen Kopf die Lichtquelle und das lichtempfindliche Element angeordnet sind.This object is achieved according to the invention on the basis of the device described at the outset solved that the light-conducting rod with its the The end facing away from the measuring surface on a battery sealing plug sits in the head of the light source and the photosensitive element are arranged.

Ein derartiger Aufbau der_Einrichtung erfordert nicht nur keinerlei konstruktive Änderungen am Batteriegehäuse sondern auch Leine zusätzlichen Befestigungsmittel, um die Einrichtung am Batteriegehäuse festlegen zu können, 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 erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich also in vorzüglicher Weise zur Nachrüstung von bereits im Kraftfahrzeug befindlichen Akkumulatorbatterien.Such a construction of the device does not require only no structural changes to the battery housing but also leash additional fasteners to fix the device on the battery housing can, which has the advantage that the assembly of the device on the battery housing of untrained personnel and thus can also be carried out by the vehicle owner himself. The device according to the invention is therefore particularly suitable Way to retrofit accumulator batteries already in the motor vehicle.

Die Befestigung des lichtleitenden Stabes am Verschlußstopfen kann mittels einer Schraub- oder Steckverbindung vorgenommen werden, wobei bei einer Schraubverbindung d?r SttJ an seinem der Meßfläche abgewandten Ende ein Außengewinde und der Verschlußstopfen ein entsprechendes Innengewinde tragen kann. Als besonders zweckmäßig hat es sich jedoch erwiesen, den lichtieitenden Stab und den Batterieverschlußstopfen als einstückige Einheit aus Kunststoff auszubilden. Dadurch ergeben sich erhebliche fertigungstechnische Vorteile, da ein solches Bauteil in einem einzigen Arbeitsgang in einem Spritz- oder Preßverfahren hergestellt werden kann.The attachment of the light-conducting rod to the plug can be by means of a screw or Plug connection are made, with a screw connection d? R SttJ at its the The end facing away from the measuring surface has an external thread and the sealing plug has a corresponding internal thread can carry. However, it has proven to be particularly useful to use the light-conducting rod and the Forming battery sealing plugs as a one-piece unit made of plastic. This results in considerable advantages in terms of manufacturing technology, as such a component can be produced in a single operation in an injection or molding process.

Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die in zum Teil schematischer Darstellung zwei Ausführungsbeispiele enthält, näher erläutert Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the drawing, which contains two exemplary embodiments in a partially schematic representation

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung undF i g. 1 shows a longitudinal section through a device according to the invention and

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine gegenüber der Einrichtung nach F i g. 1 modifizierten Einrichtung.F i g. 2 shows a longitudinal section through an opposite of the device according to F i g. 1 modified facility.

Die Einrichtung nach Fig. I enthält einen lichtleitenden Stab 1, der an einem Ende in einen 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 S.The device of Fig. I includes a light-conducting rod 1, which at one end in a as Battery sealing plug formed part 2 passes and forms with this a one-piece unit made of polymethyl methacrylate. The sealing plug part 2 comprises a head 3, the circumference of which is provided with a knurling 4, and a threaded section S.

Durch den Verschlußstopfenteil 2 und einen Teil des lichtleitenden Stabes 1 erstreckt sich eine Bohrung 6, in der sich eine Blende 7 befindet und in deren Öffnung eine als Lichtquelle dienende Galliumarsenid-Diode 8 eingesetzt ist. Die Blende 7 ist in Form einer Hülse 9 aufgebaut, die mit drei um ungefähr 120 WinkclgradcA bore 6 extends through the plug part 2 and part of the light-conducting rod 1, in FIG which is a diaphragm 7 and in its opening a gallium arsenide diode 8 serving as a light source is used. The diaphragm 7 is constructed in the form of a sleeve 9, which has three angles at approximately 120 degrees

versetzten Längsschlitzen 10, von denen lediglich einer sichtbar ist, versehen und am unteren, ungeschlitzten Ende unter Freilassung einer Blendenöffnung 11 verschlossen ist Die Hülse 9 stützt sich über ihre durch die Schlitze 10 getrennten Teile an der Innenwand der Bohrung 6 ab und ist infolgedessen längsaxial verschiebbar in der Bohrung 6 gehalten. Im Verschlußstopfenteil 2 ist des weiteren eine Ausnehmung 12 vorhanden, in der ein als lichtempfindliches Element dienender Fotowiderstand 13 sitzt, der direkt oder über einen Operationsverstärker im Anzeigestromkreis liegt.offset longitudinal slots 10, of which only one is visible, provided and at the bottom, unslotted The end is closed while leaving a diaphragm opening 11. The sleeve 9 is supported by its through the slots 10 separate parts on the inner wall of the bore 6 and is consequently longitudinally axial held displaceably in the bore 6. In the sealing plug part 2 there is also a recess 12 present, in which a photosensitive element is used Serving photoresistor 13 sits, which is directly or via an operational amplifier in the display circuit.

Am freien Ende des lichtleitenden Stabes 1 befindet sich die Meßfläche 14 sowie eine plane Umlenkfläche 15, auf die eine Goldschicht 16 und darüber eine Schutzschicht 17 aus Bitumen aufgebracht ist. Das von der Galliumarsenid-Diode 8 erzeugte Licht wird im Zusammenwirken mit der Blende 7 zu einem Lichtbündel 18 gebildet, das mit einem Winkel, der gleich der Differenz der Totalreflexionswinkel bei der maximal und minimal auftretenden Säuredichte ist, divergiert. In vorliegendem Fall sind die Dichtegrenzwerte durch die Ladegrenzzustände der Akkumulatorbatter^ vorgegeben, und zwar beträgt die Säuredichte eines als Starterbatterie verwendeten und für Mitteleuropa ausgelegten Bleiakkumulators in geladenem Zustand ungefähr 1,28 kg/I und in entladenem Zustand ungefähr 1,18 kg/1. Diesen Werten entspricht ein Brechungsindex der Säure von ungefähr 1380 bzw. 1364 und, bei einem Brechungsindex des lichtleitenden Stabes 1 aus PoIymethylmethacrylat von 1,49, ein Totalreflexionswinkel «π bzw. Λτ2 von ungefähr 6735 Winkelgrad bzw. 66,26 Winkelgrad.At the free end of the light-conducting rod 1 there is the measuring surface 14 and a plane deflecting surface 15 to which a gold layer 16 and, above it, a protective layer 17 made of bitumen is applied. The light generated by the gallium arsenide diode 8 is formed in cooperation with the diaphragm 7 to form a light beam 18 which diverges at an angle which is equal to the difference between the total reflection angle at the maximum and minimum occurring acid density. In the present case, the density limit values are specified by the charge limit states of the accumulator battery ^, namely the acid density of a lead-acid battery used as a starter battery and designed for Central Europe is approximately 1.28 kg / l when charged and approximately 1.18 kg / l when discharged. These values correspond to a refractive index of the acid of approximately 1380 or 1364 and, given a refractive index of the light-conducting rod 1 made of polymethyl methacrylate of 1.49, a total reflection angle π and Λτ2 of approximately 6735 degrees and 66.26 degrees.

Das Lichtbündel 18 divergiert somit mit einem Winkel *o von ungefähr 1,6 Winkelgrad. Das Lichtbündel 18 ist unmittelbar auf die Meßfläche 14 gerichtet, deren Normale mit der Längsachse 19 des Lichtbündels 18 einen Winkel «tm von ungefähr 67 Winkelgrade einschließt. Dieser Winkel ist gleich dem Totalreflexionswinkel bei einem mittleren Wert der Flüssigkeitsdichte. Die genannten Werte gelten bei einer Temperatur von ungefähr 20°C. Von der Meßfläche 14 wird das Lichtbündel 18 je nach der Dichte der Säure ganz oder teilweise gegen die LJmlenkfläche 15 reflektiert und von dort gegen den Fotowiderstand 13, der infolgedessen in Abhängigkeit von der "Säuredichte und damit dem Ladezustand beleuchtet wird. Die Neigung der LJmlenkfläche 15 läßt sich bei Kenntnis der Neigung der Meßfläche 14 und der ungefähren Lage des Fotowiderstandes 13 mittels einfacher geometrischer Beziehungen berechnen. Zur Erzielung einer möglichst großen mechanischen Belastbarkeit des Stopfenteils schließt am zweckmäßigsten die Längsachse 18 mit der Stablängsachse einen spitzen Winkel ein, der am zweckmäßigsten ungefähr gleich dem Divergenzwinkel des Lichtbündeis 18 entsprichtThe light bundle 18 thus diverges at an angle * o of approximately 1.6 degrees. The bundle of light 18 is directed directly to the measuring surface 14, the normal of which is aligned with the longitudinal axis 19 of the light beam 18 an angle tm of about 67 degrees includes. This angle is equal to the total reflection angle at an average value of the liquid density. The stated values apply at a temperature of approx. 20 ° C. From the measuring surface 14 Depending on the density of the acid, light bundle 18 is wholly or partially reflected against the deflecting surface 15 and from there against the photo resistor 13, which is consequently dependent on the "acid density and thus the State of charge is illuminated. The inclination of the LJmlenkfläche 15 can be known with knowledge of the inclination of the Measuring surface 14 and the approximate position of the photoresistor 13 by means of simple geometric relationships to calculate. To achieve the greatest possible mechanical load-bearing capacity, the plug part closes most expediently the longitudinal axis 18 with the rod longitudinal axis an acute angle, which is on most expedient corresponds approximately to the divergence angle of the light bundle 18

Die Einrichtung nach der Fig.2 enthält ebenfalls einen lichtleitenden Stab 1, der an einem Ende an einem als Batterieverschlußstopfen ausbildeten Teil 2 mittels nicht dargestellter Schraube«, befestigt ist Der Stab 1 besteht aus Polymethylmethacrylat und der Stopfenteil 2 aus einem für ein solches Teil üblicherweise verwendeten Material. Das Stopfenteil 2 besitzt zwei Bohrungen 20 und 21, in denen die Lichtquelle 8 und das lichtempfindliche Element 13 angeordnet sind. An der Lichtquelle 9 zugewandten Seite des Stabes 1 ist eine Kondensorlinse 22 angeformt, durch die das Lichtbündel 18 gebildet wird. Am freien EnUe des Stabes 1 befindet sich die Meßfläche 14 und eine parabolisch gekrümmte LJmlenkfläche 23. Eine solche Einrichtung besitzt einen verflochtenden Strahlengang. Der Divergenzwinkel des Lichtbündels sowie der Winkel zwischen der Meßflächennormalen und der Lichtbündelachse 19 entsprechen den obigen Werten. Die Lichtausbeute ist bei einer solchen Einrichtung besonders groß.The device according to Fig.2 also contains a light-conducting rod 1 which, at one end, is attached to a part 2 designed as a battery sealing plug by means of a screw, not shown, "is attached to the Rod 1 is made of polymethyl methacrylate and the plug part 2 is usually made of a part of this type used material. The plug part 2 has two bores 20 and 21 in which the light source 8 and the photosensitive element 13 are arranged. At the light source 9 facing side of the rod 1 is a Shaped condenser lens 22 through which the light beam 18 is formed. At the free EnUe of the rod 1 there is the measuring surface 14 and a parabolically curved LJmlenkfläche 23. Such a device has an interwoven beam path. The angle of divergence of the light beam as well as the angle between the normal to the measuring surface and the light beam axis 19 correspond to the above values. the The luminous efficacy of such a device is particularly high.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Einrichtung zur Messung der Säuredichte einer Akkurr.ulatorbatterie, insbesondere einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, zwecks Ermittlung ihres Ladezustandes, mit einem lichtleitenden Stab, dessen1. Device for measuring the acid density of a Akkurr.ulatorbatterie, in particular a battery of a motor vehicle, for the purpose of determining their State of charge, with a light-conducting rod, whose in die Flüssigkeit eingetauchtes Ende mit einer MeBfläche und vorzugsweise mit einer Umlenkfläche versehen ist, einer ein Lichtbündel in den Stab gegen die Meßfläche aussendenden Lichtquelle und einem in dem Strahlengang liegenden lichtempfindlichen Element, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Stab (1) mit seinem der Meßfläche (14) abgewandten Ende an einem Batterieverschlußstopfen (2) sitzt, in dessen Kopf (3) die Lichtquelle (8) und das lichtempfindliche Element (13) angeordnet sind.end immersed in the liquid with a Measuring surface and preferably provided with a deflecting surface, one a light beam into the rod light source emitting against the measuring surface and a light-sensitive element lying in the beam path, characterized in that that the light-conducting rod (1) with its end facing away from the measuring surface (14) at one Battery sealing plug (2) sits, in its head (3) the light source (8) and the light-sensitive element (13) are arranged. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Batterieverschlußstopfen (2) mit dem lichtleitenden Stab (1) eine einstückige Einheit aus Kunststoff bildet2. Device according to claim 1, characterized in that the battery sealing plug (2) with the light-conducting rod (1) a one-piece unit forms from plastic 3. Einspruch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (19) des von der Lichtquelle (8) kommenden Lichtbündels (18) mit der Längsachse des lichtleitenden Stabes (1) einen spitzen Winkel einschließt3. Objection according to claim 1 or 2, characterized in that the longitudinal axis (19) of the Light source (8) coming light bundle (18) with the longitudinal axis of the light-guiding rod (1) a includes acute angle 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Winkel ungefähr gleich dem Divergenzwinkel (xo)des Lichtbündels (18) ist.4. Device according to claim 3, characterized in that the angle is approximately equal to the divergence angle (xo) of the light beam (18). 3030th
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