DE2333945A1 - Einrichtung zum kontinuierlichen messen der dichte einer fluessigkeit unter ausnutzung des brechungsgesetzes - Google Patents

Description

VDO ' * 6 FRANKFURT/MAIN

ADOLF. SCHINDLING GMBH GiÜFSTRASSE 103

Einrichtung zum kontinuierlichen Messen der Dichte einer Flüssigkeit unter Ausnutzung des Brechungsgesr-tzes.

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 ihres Ladezustandes, mit einem lichtleitenden Stab, einer Lichtquelle, die ein paralleles oder nahezu paralleles Lichtbündel in den Stab gegen eine an seinem in die Flüssigkeit eingetauchten Endstück befindliche Meßfläche aussendet, auf die das Lichtbündel unter einem Winkel zur- Flächennormalen, der höchstens gleich dem bei der untersten Flüssigkeitsdichtegrenze auftretenden Totalreflexionswinkel ist, gerichtet ist, und einem in dem Strahlengang gegenüber einer von dem von der Meßfläche in die Flüssigkeit gebrochenen Lichtbündel beaufschlagten Umlenkfläche liegenden lichtempfindlichen Element.

Zum Messen der Dichte einer Flüssigkeit ist bereits eine Einrichtung mit einem in die zu messende Flüssigkeit eingetauchten Glasstab bekannt, an dessen aus der Flüssigkeit ragenden Ende eine Lichtquelle 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 Umlenk- und Meßflächen sind so angeordnet* daß das 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 Nachteil, daß die Dichte der Flüssigkeit lediglich in sehr engen Grenzen und nur subjektiv bestimmt werden kann. Eine kontinuierliche

- 2

409885/0565

I-iessung der Dichte ist mit dieser Einrichtung also nicht möglich.

Bei einer anderen 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 angeordnet sind. Bei der Ein- ■ richtung werden die in den lichtleitenden 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 ist 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 können. Insbesondere bei Akkumulatorbatterien schwankt jedoch das Flüssigkeit sniveau erheblich, so daß eine solche Einrichtung zur Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie nicht verwendet v/erden kann.

Des weiteren ist eine Einrichtung zur Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie bekannt geworden, bei der ein von einer Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel durch ein von der Flüssigkeit gefülltes Prisma auf mehrere lichtempfindliche Empfänger gerichtet ist. Je nach der Dichte der Flüssigkeit v/ird das Lichtbündel mehr oder weniger stark durch das Prisma gebrochen und trifft infolgedessen entspreahend 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 Akkuinulatorgehäuse in dieses eingebaut werden kann. Hinzu

- 3 409885/0565

kommt, daß die bekannte Einrichtung einen bauteilaufwendigen Aufbau aufweist und entsprechend teuer ist.

Schließlich ist eine Einrichtung zum Messen der Dichte einer Flüssigkeit vorgeschlagen worden, die einen lichtleitenden Stab mit einer Meßfläche und zwei verspiegelten Uralenkflachen an seinem in die Flüssigkeit eingetauchten Ende, eine ein paralleles Lichtbündel aussendende Lichtquelle und ein lichtempfindliches Element mit einem im Strahlengang davor angeordneten Filterkeil umfaßt. Das Lichtbündel ist über eine der beiden Umlenkflächen unter einem Viinkel zur Meßflächennormalen, der höchstens gleich dem bei der untersten Flüssig-r keitsdichtegrenze auftretenden Totalreflexionswinkel ist, gegen die Meßfläche und das von dieser in die Flüssigkeit gebrochene Lichtbündel gegen eine zur Lichtbündelachse senkrechte Grenzfläche des Stabes gerichtet, hinter der sich die andere Umlenkfläche befindet. Mit einer solchen Einrichtung kann die Dichte einer Flüssigkeit unabhängig vom jeweiligen Flüssigkeitsstand kontinuierlich gemessen werden. Hinzu kommt, daß der Aufbau im Vergleich zu den bekannten Einrichtungen billiger und bauteilärmer ist und die Einrichtung ein geringeres Bauvolumen aufweist, so daß sie besonders für die Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie geeignet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die zuletzt beschriebene Einrichtung weiter zu verbilligen und fertigungsgünstiger zu gestalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flächennormale der von dem gebrochenen Lichtbündel beaufschlagten Umlenkfläche mit dem einfallenden Lichtbündel den sich bei der größten Dichte der Flüssigkeit ergebenden Brewster'sehen Winkel einschließt.

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß das von der Umlenkfläche zum licht-'empfindlichen Element reflek-

- 4 -409885/0565

tierte Lichtbündel bei der größten vorkommenden Flüssigkeit seichte vollständig polarisiert ist. Bei einer Verkleinerung des Orechungsindexes der Flüssigkeit, was gleichbedeutend mit einer Dichteverrainderung ist, wird der Durchmesser des polarisierten Lichtbündels mehr und nehr verkleinert, bis das Lichtbündel schließlich nur noch aus einer feinen Linie besteht. Eine solche Änderung des Lichtbundeldurchnieseers hat zur Folge, daß einmal der Anteil der: polarisierten Lichts geringer wird und zum anderen die Lichtleistung des auf da.5 lichtempfindliche Element gerichteten Lichtbündels n-.mimrat, wodurch sich oine genügend große Änderung im elektrischen Kreis des lichtempfindlichen Elements ergibt. Aufgrund dieser Ansteuerung des lichtempfindlichen Elements kann auf die Anordnung einet Filterkeils oder eines Polarisationsfilters im Strahlergang vor dem Element %^röllig verzichtet werden, vas sich günstig auf die Herstellungskosten auswirkt.

Eine weitere Verbilligung der vorgeschlagenen Einrichtung kann dadurch erzielt werden, daß das von der Meßfläche in die Flüssigkeit gebrochene Lichtbündel unmittelbar auf die Umlenkfläche und von dieser üoei eine zur Lichtbündelachse vorzugsweise senkrechte Grenzfläche in den Stab auf das lichtempfindliche Element gerichtet Ist, Durch einen solchen Aufbau der Einrichtung kann nämlich auf eine Verspiegelung dieser Umlenkfläche verzichtet werden.

Die Lichtquelle besteht mit Vorteil 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. Das optische System kann in bekannter Weise aus zwei

- 5 -409885/0565

hintereinrindorliegenden Sammellinsen aufgebaut sein oder auch au«⁵ einer Kondensorlince bestehen, die mit Vorteil an das lichtquellenseitige Ende des Stabes angeformt ist.

Als lichtempfindliches Element kann ein Photoelement, eine Photodiode oder, was im Hinblick auf die Lichtempfindlich- * keit urd Kosten besonders vorteilhaft ist, ein Photowiderstand verwendet werden.

Zur Verbesserung der Reflexionseigenschaften ist am zweckmäßigsten mindestens die im Strahlengang vor der Meßfläche angeordnete Umlenkfläche mit einer spiegelnden Schicht versehen und diese mit einer Schutzschicht abgedeckt. Bei einer Einrichtung zum Messen der Säuredichtung einer Akkumulatorbatterie kann für eine selche Schutzschicht beispielsweise Bitumen verwendet werden. Die spiegelnde Schicht kann aus Silber, Aluminium oder, v/as vorteilhafter ist, aus Gold bestehen. Eine Goldschicht besitzt nämlich im Zusammenhang mit einer Galliumarsenid-Diode oder einer mit Unterspannung betriebenen Glühlampe den Vorteil, daß sie für das Spektrum des von einer solchen Lichtquelle abgegebenen Lichts einen äußerst hohen Reflexionsgrad aufweist.

Tn einer für die Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie bevorzugten Ausführungsform geht der lichtleitende Stab an seinem oberen Ende in einen Batterieverschlußstopfen über, in dessen Kopf die Lichtquelle und das lichtempfindliche Element angeordnet sind. 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 Ausführungsfcrm eignet sich also in vorzüglicher

409885/0865

V,^reiGe zur Manhrüstung von bereits im Kraftfahrzeug befindlichen Akkumulatorbatterien.

Die Befestigung des lichtleitenden Stabes am Batterieverpchlußstopfen kann mittels einer Schraub- oder 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. Als besonders zweckmäßig hat es sich Jedoch erwiesen, den lichtleitenden Stab und den Batterieverschlußstopfen als einstückige Einheit aus Kunststoff auszubilden. Dadurch ergeben sich erhebliche fertigungstechnische Verteile, 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 Säure 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 v/erden, 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 anband, der Zeichnung, die in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführung.sbeispiel enthält, näher * -erläutert.

409885/0565 .

BAD ORiGlNAL

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 Poly— methylmethacrylat bildet. Der Verschlußstopfenteil 2 umfaßt einen Kopf 3» dessen Umfang mit einer Rändelung 4 versehen ist, und einen Gevindcabschnitt 5.

Im Verschlußstopfenteil 2 befindet sich eine erste Bohrung 6 zur Aufnahme einer Galliumarsenid-Diode 7,' die in einer längsaxial verschiebbaren Halterung 8 sitzt, und eine zweite, zur Bohrung 6 konzentrische Bohrung 91 in der das aus zwei Sammellinsen 10 und 11 bestehende optische System 12 zur Erzeugung eines Parallellichtbündels 13 angeordnet ist. In einer v/eiteren Bohrung 14 sitzt in einer Fassung 15 der als lichtempfindliches Element dienende Photov/iderstand 16, der unmittelbar oder mittelbar über einen Operationsverstärker im AnzeigeStromkreis der Keßeinrichtung liegt.

.Am freien Ende des lichtleitenden Stabes 1 befinden sich zwei Umlenkflächen 17 und 13, von denen die Umlenkfläche 17 im Strahlengang vor der Meßfläche 19 liegt und das Lichtbündel 13 so in Richtung auf die Meßfläche 19 reflektiert, daß dieses mit seiner Längsachse 20 unter einem Winkel zur Meßflächennormalen 21 auf die Meßfläche trifft, der gleich dem bei der untersten Säuredichtegrenze auftretenden Totalreflexionswinkel ist. In vorliegenden Fall - für Mitteleuropa ausgelegte Starterbatterie für ein Kraftfahrzeug - beträgt die unterste Säuredichtegrenze ungefähr 1,18 kg/l. 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 unge fähr 1,49 ein Totalreflexionswinkel von ungefähr 65 Winkelgrad ergibt.

4O9885/0S65

Die andere Umlenkfläche 18 liegt im Strahlengang hinter der Meßfläche 19 und ist von dem von der Meßfläche 19 in die Säure gebrochenen Lichtbündel 13' beaufschlagt. Die Umlenkfläche 13 ist so zu dem Lichtbündel 13' geneigt, daß ihre Flächennormale 22 mit dem einfallenden Lichtbündel 13' den sich bei der größten Säuredichte ergebenden Brewster^fsehen

ν
Winkel <*_B einschließt. In vorliegendem Fall beträgt die oberste Säuredichtegrenze, die bei geladenem Bleiakkumulator vorhanden ist, ungefähr 1,28 kg/l. Diesem Wert entspricht ein Brechungsindex von 1,380. Daraus und aus dem Brechungsindex des lichtleitenden Stabes 1 aus Polymethylmethacrylat läßt sich der Brewster'sehe Winkel zu 47,2 Winkelgrade berechnen. Alle die genannten Dichtewerte gelten bei einer Temperatur von 27⁰C.

Das von der Umlenkfläche 18 bei der größten Säuredichte gegen die ungefähr senkrechte Grenzfläche 23 und den dahinter angeordneten Photowiderstand 16 reflektierte Lichtbündel 13" ist vollständig polarisiert. Bei sich verringernder Säuredichte wird der Durchmesser des Lichtbündels 13" immer kleiner. Ist die unterste Säuredichtegrenze erreicht, so ist das Lichtbündel zu einer feinen Linie 13"' entartet. Der an der Umlenkfläche 18 in den lichtleitenden Stab 1 gebrochene Lichtanteil hat keinen Einfluß auf die Messung.

409885/0565

Claims (9)

Ansprüche,

1./ Einrichtung zum kontinuierlichen Messen der Dichte einer Flüssigkeit in vorgegebenen Grenzen unter Ausnutzung des Brechungsgesetzes, insbesondere der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie eines Kraftfabrzeuges zwecks Ermittlung ihres Ladezustandes, mit einem lichtleitenden Stab, einer Lichtquelle, die ein paralleles oder nahezu paralleles Lichtbündel in den Stab gegen eine an seinem in die Flüssigkeit eingetauchten Endstück befindliche Meßfläche aussendet, auf die das Lichtbündel unter einem' Winkel zur Flächennormalen, der höchstens gleich dem bei der untersten Flüssigkeitsdichtegrenze auftretenden Totalreflexionsvinkel ist, gerichtet ist, und einem in dem Strahlengang gegenüber einer von dem von der Meßfläche in die Flüssigkeit gebrochenen Lichtbündel baufschlagten Umlenkfläche liegenden lichtempfindlichen Element, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächennormale (22) der von dem gebrochenen Lichtbündel (13¹) beaufschlagten Umlenkfläche (18) mit dem einfallenden Lichtbündel (13') den sich bei der größten Dichte der Flüssigkeit ergebenden Brewster'sehen Winkel (&„) einschließt.

2./ Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Meßfläche (19) in die Flüssigkeit gebrochene Lichtbündel (13') unmittelbar auf die Umlenkfläche (18) und von dieser über eine zur Lichtbündelachse vorzugsweise senkrechte Grenzfläche (23) in den Stab (1) auf das lichtempfindliche Element (16) gerichtet ist.

10 -

409885/0565

3./ Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nie Lichtquelle eine Galliumarsenid-Diode (7) mit einem \^ror dieser angeordneten, ein paralleles Lichtbündel (13) erzeugenden optischen System (12) vorgesehen ist.

h./ Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekerinzeichv-et, daß als lichtempfindliches Element ein Photowiderstand 06) vorgesehen ist.

5./ Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis A zur Nessung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Stab (1) an seinem oberen Ende in.einen Batterieverschlußstopfen (?) übergeht, in dessen Kopf (3) die Lichtquelle (7,12) und das lichtempfindliche Element (16) angeordnet sind.

6./ Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Batterieverschlußstopfen (2) mit dem lichtleitenden Stab (1) eine einctückige Einheit aus Kunststoff bildet.

1.1 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an oder in dem in die Flüssigkeit eingetauchten Teil des lichtleitenden Stabes (1) ein Temperaturfühler angeordnet ist.

8./ Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die im Strahlengang vor der Meßfläche (19) angeordnete Umlenkfläche (17) mit einer spiegelnden Schicht (24) versehen und diese mit einer Schutzschicht (25) abgedeckt ist.

- 11 -

409886/0565

9./ Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch

daß jede spiegelnde Schicht (?A) aus Gold besteht.

409885/0565

a .

Leerseite