DE2413818B2 - Einrichtung zum feststellen des ladezustandes einer akkumulatorbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Feststellen des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie, insbesondere der Batterie eines Kraftfahrzeugs, durch Messung der Säuredichte mit einem in die Säure eingetauchten kapazitiven Meßfühler, der ein schwingungsbestimmendes Element eines ersten Oszillators ist, einem zweiten, ein Referenzsignal erzeugenden Oszillator und einer den beiden Oszillatoren nachgeschaltetcn Modulationsslufe, die ein von der Differenz der beiden Oszillatorfrequenzen abhängiges Ausgangssignal an einen Demodulator abgibt, in dessen Ausgangskreis ein

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Zur Messung der Dichte einer Flüssigkeit ist eine Einrichtung bekannt, bei der der Druck der in einem Meßgefäß befindlichen Flüssigkeit unter Konstanthaltung des Flüssigkeitsstandes ermittelt wird. Bei konstanter Temperatur der Flüssigkeit ist dann die Dichte dem so gemessenen Flüssigkeitsdruck proportional. Diese Einrichtungen haben den Nachteil, daß sie einen relativ großen Platzbedarf haben und darüber hinaus nur in den Fällen verwendet werden können, wenn ein konstanter Flüssigkeitsstand im Meßgefäß aufrechterhalten werden kann. Sie eignen sich infolgedessen nicht zur Messung der Säuredichte von Akkumulatorbatterien, da sich in diesen der Säurestand ändert.

Des weiteren ist eine Einrichtung zur Messung der Flüssigkeitsdichte bekannt, die eine radioaktive Strahlungsquelle und einen Strahlungsdetektor aufweist, zwischen denen sich die zu messende Flüssigkeit befindet. Die bekannte Einrichtung nutzt die -dichteabhängige Absorption von radioaktiven Strahlen aus. Auch bei dieser Einrichtung muß dafür gesorgt werden, daß das zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor vorhandene Flüssigkeitsvolumen

konstant bleibt Andernfalls ergeben sich erhebliche Fehlmessungen. Hinzu kommt, daß bei Verwendung einer solchen Einrichtung zur Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie eines Kraftfahrzeugs der übliehe Batteriebehälter wegen des hohen Volumenanteils der in ihm befindlichen, die radioaktive Strahlung schwächenden Elektroden und anderer Feststoffe nicht unmittelbar als Meßgefäß benutzt werden kann, sondern ein mit dem Batteriebehälter in Verbindung stehender Meßraum vorgesehen werden muß. Dies

erfordert aber eine konstruktive Änderung des herkömmlichen Batteriebehälters, was unerwünscht ist. Zudem eignet sich diese Einrichtung nur zur Messung größerer Dichteänderungen.

Es sind des weiteren Einrichtungen bekannt, bei denen die Flüssigkeitsdichtemessung mittels eines kapazitiven Meßfühlers durchgeführt wird, dessen dichteabhängige Änderung seiner Dielektrizitätskonstanten bzw. seines Verlustwinkc's mittels eine? Bn'irko gemessen und angezeigt wird. Diese Einrichtungen haben den Nachteil, daß zur Messung insbesondere kleiner Änderungen dieser Größen, wie sie bei der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie vorkommen, aufwendige und teure Prü/isionsbrücken erforderlich sind. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß in dem in der Akkumulatorbatterie vorliegenden Dichtebereich der Vcrlustwinkel ein Minimum durchläuft, also eine Funktion besitzt, die nur unter hohem Aufwand auswertbar ist.

Bei einer weiteren bekannten Einrichtung is· ein Kondensator vorhanden, zwischen dessen Kondensatorplatten sich ein Strömungsmedium befindet und der ein schwingungsbestimmendes Element eines Oszillators ist, dessen Frequenz durch Variation der Dichte des Strömungsmediums geändert wird. Mit einer solchen Einrichtung kann eine genaue Bestimmung geringer Dichteschwankungen, wie sie bei der Messung der Säurediche in einer Akkumulatorbatterie auftreten, nicht bzw. nur mit einem erheblichen elektronischen Aufwand durchgeführt werden.

Eine andere bekannte Einrichtung, die ebenfalls einen kapazitiven Meßfühler aufweist, der. ein schwingungsbestimmendes Element eines ersten Oszillators ist, besitzt einen zweiten, ein Referenzsignal erzeugenden Oszillator, dessen Ausgangssignal mit dem des ersten

te Oszillators einem Mischer zugeführt wird. In dem Mischer wird ein von der Differenz der beiden Oszillatorfrequenzen abhängiges Signal erzeugt, das einem Demodulator zugeführt wird, der mit einem Anzeigeinstrument in Verbindung steht. Durch die Verwendung eines ein Referenzsignal erzeugenden Oszillators wird erreicht, daß auch kleinste Kapazilätsänderungen einwandfrei erfaßt werden. Bei einer anderen bekannten Einrichtung erfolgt die Messung der Dichte eines Strömungsmittels mittels des Vibrationsprinzips. Die Einrichtung umfaßt zwei Vibrationssysteme, von denen das eine als Vibrationszylinder, durch den das Strömungsmittel hindurchfließt, ausgebildet und das andere in einer allseits abgeschlossenen Kammer

konzentrisch zu einem Durchflußrohr angeordnet ist Die allseits geschlossene Kammer ist mit einem inerten Gas bestimmten Drucks gefüllt Diese Einrichtungen haben den Nachteil, daß sie aufwendig und teuer sind und sowohl aufgrund ihrer komplizierten Handhabung als auch im Hinblick auf ihr Bauvolumen und ihren konstruktiven Aufbau für die vorliegenden Zwecke nicht geeignet sind. Hinzu kommt, daß der Temperaturgang der Säuredichte in die Messung eingeht, d. k, die Einrichtungen tragender Tatsache nicht Rechnung, daß bei zunehmender lemperatur trotz abnehmender Dichte der Säure der Akkumulatorbatterie, mehr Ladung entnommen werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, daß mit steigender Temperatur die Viskosität der Säure ebenfalls abnimmt, wobei dieser Effekt überwiegt. Mit ihnen kann also der Ladezustand nicht genau festgestellt werden.

Diese Nachteile der bekannten Einrichtungen sollen durch die Erfindung überwunden weiden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Meßeinrichtung zu konzipieren, bei der der Temperaturgang der Säuredichte aus der Messung eliminiert wird. Zudem soll die Meßeinrichtung einen Aufbau möglichst geringen Bauvolumens besitzen, der zudem einen nachträglichen Anbau der Einrichtung an eine Akkumulatorbatterie ohne eine Änderung derselben gestattet. Schließlich soll die Meßeinrichtung mit möglichst geringen Kosten herstellbar sein.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Einrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als schwingungsbestimmendes Element des zweiten Oszillators ein zweiter, in eine Referenzsäure eingetauchter kapazitiver Meßfühler und im Ausgangs kreis des Demodulators eine von dem zweiten Oszillator angesteuerte Stufe zur Temperaturbewerlung der Anzeige vorgesehen ist.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine Meßeinrichtung erhalten, bei der bei entsprechender Anordnung der beiden Meßfühler der Temperaturgang der bauredichie aus der Messung eliminiert ist. Eine konstruktive oder eine andere wesentliche Änderung am Batteriegehäuse ist bei der Anbringung der Einrichtung nicht erforderlich. Ein besonderer Vorteil der Einrichtung besteht darin, daß sie im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen ein äußerst geringes Bauvolumen besitzt und im Vergleich zu der zuletzt beschriebenen bekannten Einrichtung einen wesentlich bauteilärmeren Aufbau aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist als Demodulator ein differenzierendes /?C-Glied vorgesehen, dem eine einen Effektivwert bildende Stufe nachgeschaltet ist. Ein solcher Demodulator hat im Vergleich zu anderen verwendbaren Demodulatoren den Vorteil, daß er aus wenigen Bauteilen besteht und billig ist. Eine andere, etwas aufwendige Lösung besteht darin, als Demodulator einen Frequenzspannungs-Wandler vorzusehen, dessen Eingang mii einem Rechteckimpulse, konstanten Strom-Zeit- bzw. Spannungs-Zeit-Integral erzeugenden monostabilen Multivibrator beschaltet und an dessen Ausgang ein Integrator angeschlossen ist. Eine weitere Vereinfachung und damit Verbilligung läßt sich dadurch erzielen, daß die den Effektivwert bildende Stufe durch das Anzeigeinstrument substituiert ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Stufe im Ausgangskreis des Demodulators eine ■ Stromquelle, die einen dem Meßstrom entgegengesetzten Strom durch das Anzeigeinstrument leitet. Eine derartige Lösung bietet den Vorteil, daß mit ihr gleichzeitig auch das bei sehr geringen Differenzfrequenzen auftretende Schwingen des Zeigers des Anzeigeinstruments beseitigt werden kann. Der Basisatrom wird hierbei so groß gewählt, daß das vom Anzeigeinstrument gebildete Strom-Zeit-Integral für die niedrigste vorkommende Meßfrequenz, die der geringsten Säuredichte zugeordnet ist, gerade Null ist dann also kein Zeigerausschlag erfolgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der der Referenzflüssigkeit zugeordnete Meßfühler von einem mit der Referenzflüssigkeit gefüllten Topf umgeben, der mit dem Meßfühler eine Baueinheit bildet. Dieser erleichtert die Handhabung der Einrichtung beträchtlich.

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

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Meßfühler.

Fig.2einen Längsschniti durch einen Meßfühler mil einem mit der Referenzflüssigkeit gefüllten Topf und

F i g. 3 ein Schaltbild der Einrichtung.

Jeder der beiden für eine Einrichtung zum Messen der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie vorgesehenen Meßfühler 1 und 2 besitzt zwei konzentrisch zueinander angeordnete Elektroden 3 und 4. von denen jede aus einem elektrisch leitenden Metallteil 5 und einem Überzug 6 Eius Titandioxyd besteht. Beide Elektroden 3 und 4 sitzen in einer Halterung 7. die als Batterieverschlußstopfen ausgebildet ist. Die Halterung 7 umfaßt einen Kopf 8, dessen Umfang mit einer Rändelung 9 versehen ist. und einen Gewindeabschnitt 10, der zum Einschrauben der Halterung 7 in eine normalerweise für einen Batterieverschlußstopfen vorgesehene Gewindebohrung im Deckel des Akkumulators dient.

Der der Referenzflüssigkeit zugeordnete Meßfühler 2 besitzt, wie aus Fig. 2 hervorgeht, einen weiteren Gewindeabschnitt 11 geringerer Quersehnittsabmessung, auf den ein Topf 12 mit einem Innengewinde aufschraubbar ist. Der Topf !2 dient ."Jr Aufnahme der Referenzflüssigkeit, die in vorliegendem Fall Schwefelsäure mit einer Konzentration ist, wie sie der im Batteriebehälter befindlichen Säure entspricht.

Der elektrische Teil der Einrichtung umfaßt zwei Phasendifferenzoszillatoren 13 und 14, wovon lediglich einer detailliert dargestellt ist, da sie beide völlig identisch aufgebaut sind, einen Modulator 15, einem diesem nachgeschalteten bekannten Tiefpass 16, einen daran angeschlossenen Verstärker 17 üblicher Bauart, einen mit diesem verbundenen Schmitt-Trigger 18 bekannten Aufbaus und eine Endstufe mit einem Demodulator 19, einem Anzeigeinstrument 20 und einer gesteuerten Stromquelle 21.

Jeder der beiden Phasendifferenzoszillatoren 13 und 14 besteht aus zwei Weitwinkelphasenschiebern 22 und 23, die jeweils an Kollektor und Emitter eines Daiüngujiiiransistors 2* b/.w. 25 liegen. Als phasen verschiebende Elemente sind im ersten Phasenschieber 22 ein Widerstand 26 und die Impedanz des Meßfühlers 1 bzw. 2 und im /weiten Phasenschieber 23 ein Widerstand 27 und ein Kondensator 28 vorhanden. Die Anschlüsse des Widerstandes 27 und des Kondensators 28 sind in bezug auf den ersten Phasenschieber 22 vertauscht so daß am zweiten Phasenschieber 23 die Ausgangsspannung zur Eingangsspannung den Phasenwinkel β (C, R, ω) + π hat. Die Phasenverschiebung der Gesamtschaltung beträgt also γ = λ + β + tc. wobei λ der Phasenverschiebungswinkel des ersten Phasenschiebers

22 ist. Der Oszillator schwingt, wenn Ausgangs- und Eingangsspannung phasengleich sind, also wenn γ = 2π ist. Da die beiden Darlingtontransistoren 24 und 25 keine Spannungsverstärkung bewirken, ist zur Erzielung einer stationären Schwingung eine Energierückführung erforderlich, die durch das /?C-Glied 29 realisiert ist. Um eine gute Frequenzkonslanz zu erreichen, ist ein Amplitudenregelkreis 30 vorhanden. Dieser enthält unter anderem einen Feldeffekttransistor 31, der in den Gegenkopplungszweig des Darlingtontransistors 25 eingeschaltet ist. Wie sich gezeigt hat, besitzt ein derartiger Oszillator eine sehr hohe Temperaturstabilität.

Aus den von den beiden Oszillatoren 13 und 14 abgegebenen Frequenzsignalen wird im Modulator 15 ein Differenzfrequenzsignal gebildet, und zwar dadurch, daß die beiden Signale in einer aus den beiden Widerständen 32 und 33 bestehenden Summationsschaltung 34 summiert werden und das so erhaltene Schwebungssignal dem als Gleichrichter arbeitenden Feldeffekttransistor 35 zugeführt wird. Durch die Nichtlinearität der Gleichrichtung entsteht dann unter anderem das Differenzfrequenzsignal.

Das am Ausgang des Modulators 15 zur Verfugung stehende Signal enthält als niedrigste Frequenz die Differenzfrequenz. Diese wird durch den Tiefpass 16 der vom aktiven Typ ist, ausgefiltert.

Nach Verstärkung des Differenzfrequenzsignals irr Verstärker 17 wird dieser mittels des Schmitt-Trigger; in eine Impulsfolge mit Impulsen konstanter Amplitude umgeformt, die dem Demodulator 19 über eine Verstärkerstufe zugeführt wird. In diesem werden dk einzelnen impulse mittels des /?C-G!iedes 36 differen ziert und man erhält eine Folge von einander gleicher Impulsen, mit denen das Anzeigeinstrument 20 gespeis wird, das den arithmetischen Mittelwert bildet, der dei Differenzfrequenz proportional ist.

Zur Nullpunktsunterdrückung und zur Temperatur bewertung der Anzeige nach der bekannten Abhängig keit des Ladungszustandes von Akkumulatorbatteriet steht das Anzeigeinstrument 20 des weiteren mit de steuerbaren Stromquelle 21 in Verbindung, die einet dem Meßstrom entgegengerichteten Impulsstrom durcl das Anzeigeinstrument 20 schickt. Die Steuerung de Stromquelle 21 erfolgt, wie ersichtlich, durch da Ausgangssignal des zweiten Oszillators 14, der dem ii die Referenzflüssigkeil eingetauchten Meßfühler '. zugeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Feststellen des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie eines Kraftfahrzeugs durch Messung der Säuredichte mit einem in die Säure eingetauchten kapazitiven Meßfühler, der ein schwingungsbestimmendes Element eines ersten

Gsziiiaiors isi, einem

ein Referenzsignal

erzeugenden Oszillator und einer, den beiden Oszillatoren nachgeschalteten Modulationsstufe, die ein von der Differenz der beiden Oszillatorfrequenzen abhängiges Ausgangssignal an einen Demodulator abgibt, in dessen Ausgangskreis ein Anzeigeinstrumeiu liegt, dadurch gekennzeichnet, daß als schwingungsbestimmendes Element des zweiten Oszillators (14) ein zweiter, in eine Referenzsäure eingetauchter kapazitiver Meßfühler (2) und im Ausgangskreis des Demodulators (19) eine von dem zweiten Oszillator (14) angesteuerte Stufe zur Temperaturbewertung der Anzeige vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe im Ausgangskreis des Demodulators (19) eine Stromquelle ist, die einen dem Meßstrom entgegengesetzten Strom durch das Anzeigeinstrument (20) leitet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Demodulator (19) ein differenzierendes RC-Glied vorgesehen ist, dem eine einen Effektivwert bildende Stufe nachgeschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Effeklivwert bildende Stufe durch das Anzeigeinstrument substituiert ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der der Referenzsäure zugeordnete Meßfühler (2) vor\ einem mit der Referenzsäure gefüllten Topf (12) umgeben ist. der mit dem Meßfühler (2) eine Baueinheit bildet.