DE3145669A1

DE3145669A1 - Vorrichtung zur bestimmung der schwerkraft einer fluessigkeit

Info

Publication number: DE3145669A1
Application number: DE19813145669
Authority: DE
Inventors: Ronald Edward 87544 Los Alamos N.Mex. Bobbett; Charles Robert Derouin; William James Prof. 85704 Tucson Ariz. Kerwin; Joseph Byron McCormick
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1980-11-18
Filing date: 1981-11-17
Publication date: 1982-07-08
Also published as: IT1139783B; FR2494443A1; IT8125147A0; JPS57146132A; GB2089032A

Description

■3145609

81-R-4738

Vorrichtung zur Bestimmung der Schwerkraft einer Flüssigkeit

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf. eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schwerkraft (spezifischen Schwere) einer FlUssigkein, und zwar insbesondere auf eine Vorrichtung zur Feststellung des Ladungszustandes einer Elektrolytbatterie mit flüssiger Phase.

Bislang bestand das Hauptverfahren zur Messung der spezifischen Schwere einer Flüssigkeit in der Verwendung eines Hydrometers. Obwohl das Hydrometer eine genaue Anzeige für die spezifische Schwere gibt, so ist es doch-im allgemeinen derart ausgelegt, daß es eine Reihe von Meßpunkten getrennt durch Raum und/oder Zeit ergibt. In vielen Fällen ist es jedoch zweckmäßig, eine kontinuierliche Ablesung der spezifischen Schwere einer bestimmten Flüssigkeit vorzusehen. Beispielsweise müssen bei der gefüllte Dosen und Flaschen herstellenden Industrie die Sirupe bestimmten Regeln entsprechen, die durch Bestimmungen festgelegt sind, beispielsweise hinsichtlich einer Klassifizierung als schwerer Sirup, leichter Sirup usw. Eine Vorrichtung zur kantinuierlichen Messung der spezifischen Schwere des Sirups in genauer Weise könnte den Flaschen- oder Dosenabfüllern große Geldmengen hinsichtlich der Zuckerkosten einsparen, der dem Sirup hlnp-.URefURt worden muß, weil auf diene Weine die Vorrtohrf Cl:on p.onaunr erfüllt; werden können.

•3U5669

Es gibt natürlich viele andere Anwendungsfälle für eine Vorrichtung zur Bestimmung zur spezifischen Schwere eine Flüssigkeit. Bislang war ein Grundproblem bei der Anwendung von Elektrolytbatterien mit flüssiger Phase, wie beispielsweise Blei/ Säurebatterien als Leistungsquelle für elektrische Fahrzeuge und andere Anwendungsfälle, das Fehlen eines zuverlässigen und genauen Batteriezustandes sowie Ladungsanzeigegeräts. Der Ladungszustand der Batterien wird definiert als die Menge der in der Batterie zur Verwendung durch eine externe Quelle verbliebenen Energie. Die Leerlaufspannung, die Spannung bei Belastung und die verbrauchten Kilowattstunden seit der letzten Batterieladung sind Parameter, die durch bekannte Vorrichtungen und Verfahren gemessen wurden, um den Ladungszustand der Blei/Säurebatterie zu messen, allerdings ohne rechten Erfolg. Bislang war das einzige hinreichend erfolgreiche Instrument zur Bestimmung des Ladungszustands einer Batterie das Hydrometer. Das Hydrometer mißt die spezifische Schwere des Batterieelektrolyten zur Bestimmung des Ladungszustandes der Batterie, ist aber nicht in ι der Lage, eine kontinuierliche Ladungsmessung vorzusehen.

Zur kontinuierlichen Überwachung der spezifischen Schwere der Batteriesäure wurde eine Anzahl von Lösungsmöglichkeiten ins Auge gefaßt. Eine Möglichkeit verwendet einen Schwimmer ähnlich dem in einem normalen Hydrometer verwendeten, wobei dieser Schwimmer aber durch einen Kapazitätsfühler modifiziert wurde, um kontinuierlich die Position des Schwimmers zu überwachen. Obwohl der Flüssigkeitspegel der Batterie die Ablesung einer solchen Vorrichtung nicht beeinflußt, kann der Schwimmer doch leicht durch Beschleunigung, Stoß oder Vibration über den eigentlichen Meßpunkt hinausgetrieben werden, so daß sich eine fehlerhafte Ablesung ergibt. Auch würde eine solche Vorrichtung eine ziemlich kurze Lebensdauer haben, da die Notwendigkeit besteht, Drähte direkt am Schwimmer im sauren Elektrolyt zu befestigen.

'3T45669

Ein weiteres Verfahren verwendet einen unter Wasser angeordneten Schwimmer zur Erzeugung einer nach oben gerichtete« kraft, beispielsweise einen Schwebeeffekt, und 'zwar proportional zur spezifischen Schwere der Flüssigkeit. Die Kräfte sind jedoch

—3
sehr klein, typischerweise 10 Newton* und obwohl sie unter r statistischen Mengen gemessen werden können, würde die Auswirkung der Beschleunigung, eines Stoßes und der Vibration auch ein solches Instrument dann unbrauchbar machen, wenn die Batterie sich in Bewegung befindet.

Die Erfindung'sieht daher eine Vorrichtung vor, um die spezifische Schwere einer Flüssigkeit festzustellen. Weiterhin bezweckt die Erfindung,eine Vorrichtung .zur Feststellung des Ladungszustandes einer Elektrolytbatterie mit Flussigkeitsphase anzugeben. Weiterhin sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, um die spezifische Schwere einer Flüssigkeit festzustellen, und zw.· ohne daß Beschleunigungen, Stöße oder Schwingungen einen nachteiligen Einfluß ausüben. Die Erfindung Sieht ferner eine Vorricl tung zur Feststellung des Ladungszustandes einer Batterie mit Flüssigphasenelektrolyt vor, wobei sich eine relativ geringe Abhängigkeit gegenüber Beschleunigung, Stoß und Vibration ergibt.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung anhand der Zeichnung.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Feststellung des Ladungszustandes einer Batterie mit Flüssigphasenelektrolyt vorgesehen, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: Ein innerhalb des Elektrolyten angeordnetes transparentes Medium» welches eine Dichte größer als der Elektrolyt besitzt; eine Lichtquelle, die eine Vielzahl von Lichtstrahlen überträgt¹, welche auf eine Oberfläche des transparenten Mediums auftreiffen, und zwar mit annähernd dem kritischen Winkel der totalen internen Reflexion; Mit-

3U5669

tel zur Feststellung der auf die Oberfläche auftreffenden Lichtstrahlen bei dem kritischen Winkel der Totalreflexion zur Bestimmung des Brechungsindex des Elektrolyten, wobei der Brechungsindex des Elektrolyten im wesentlichen proportional zum Ladungszustand der Batterie ist.

Die Erfindung kann ferner gemäß den Zielen und Zwecken eine Vorrichtung vorsehen,'um die spezifische Schwere einer Flüssigkeit festzustellen, und zwar unter Verwendung folgender Maßnahmen: Ein transparentes Medium ist innerhalb der Flüssigkeit angeordnet und besitzt eine Dichte größer als die Dichte der Flüssigkeit; Mittel zur Immittierung von Lichtstrahlen sind vorgesehen und die Lichtstrahlen schneiden eine Oberfläche des in die Flüssigkeit eingetauchten transparenten Mediums annähernd unter dem kritischen Winkel der internen Totalreflexion bestimmt durch das Verhältnis der Brechungsindizes des transparenten Mediums und der Flüssigkeit: Mittel zur Feststellung der Änderungen des kritischen Winkels der internen Totalreflexion zeigen Änderungen des Brechungsindex der Flüssigkeit an, wobei der Brechungsindex der Flüssigkeit im wesentlichen zur spezifischen Schwere proportioniert ist.

Die Erfindung sieht ferner eine Vorrichtung zur Feststellung der spezifischen Schwere einer Flüssigkeit vor und weist dabei folgendes auf: Ein transparentes Medium mit einer Zwischenoberfläche und einer Detektionsoberflache ist vorgesehen, wobei das transparente Medium derart angeordnet ist, daß die Zwischenoberfläche in die Flüssigkeit eingetaucht ist; eine PunktLichtquelle ist zur Immission von Strahlen angeordnet, welche die Zwischenoberfläche schneiden, und zwar in einem Bereich von Winkeln, der den kritischen Winkel der internen Totalreflexion umfaßt, so daß die von der Oberfläche reflektierten Strahlen unter Winkeln gleich oder großer als der kritische Winkel der internen Totalreflexion eine Intensität besitzen, die größer ist als bei Strahlen reflektiert von der Zwischenoberfläche bei Winkeln kleiner als der kri-

tische Winkel der internen Totalreflexion: und Mittel zur Feststellung der Größe der Versetzung längs der Feststelloberfläche einer Intensitätsveränderung der von der Zwischenoberfläche reflektierten Strahlen, wobei die Versetzungsgröße im wesentlichen proportional zu der spezifischen Schwere der Flüssigkeit ist.

Die Erfindung sieht ferner eine Vorrichtung vor, um den Ladungszustand einer Elektrolytbatterie mit flüssiger Phase festzustellen, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: Ein transparentes Medium mit einer Zwischenoberfläche und einer Feststelloberfläche, wobei das transparente Medium derart angeordnet ist, daß die Zwischenoberfläche in den Elektrolyten eingetaucht ist, eine Punktlichtquelle angeordnet zur Emmission von Strahlen, welche die Zwischenoberfläche schneiden, und zwar unter einem Winkelbereich, der den kritischen Winkel der totalen internen Reflexion enthält, so daß die von der erwähnten Oberfläche mit Winkeln gleich und größer als dem kritischen Winkel der totalen Innenreflexion reflektierten Strahlen eine größere Intensität besitzen als die Strahlen, die von der Zwischenoberfläche mit Winkeln reflektiert werden, die kleiner sind als der kritische Winkel der totalen internen Reflexion, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um die Größe der Versetzung längs der Feststelloberfläche bei der Intensitätsveränderung der Strahlen reflektiert von der Zwischenoberfläche festzustellen, wobei die Versetzungsgröße im wesentlichen proportional zum Ladungszustand der Batterie ist.

Die Erfindung sieht somit eine Vorrichtung vor, welche in der La ge ist, die spezifische Schwere einer Flüssigkeit kontinuierlich und außerordentlich genau festzustellen, und zwar in einfacher und wirtschaftlicher Weise. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ferner in der Lage, den Ladungszustand einer Bandbatterie kontinuierlich zu messen, und zwar bei Anwendungsfällen wie beispielsweise batteriegetriebenen elektrischen Fahrzeugen und anderen Vorrichtungen, wo die Kenntnis des Energieptentials der Batterie zweckmäßig int.

•"3 U 5669

-i

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des bevorzugten

AusfUhrungsbeispiels der Erfindung zur Fest-' stellung des Ladungszustands einer Batterie;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des berechneten Brechungsindex des Batterieelektrolyten für eine Blei/Säurebatterie abhängig vom prozentualen Ladungszustand der Batterie;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der übertragenen Energie abhängig vom Einfallswinkel sowohl für eine gebrochene Welle als auch für eine reflektierte Welle, wobei die große Intensitätsänderung beim kritischen Winkel dargestellt ist;

Fig. 4 ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 5 ein weiteres AusfUhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt die bevorzugte Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feststellung des Ladungszustands einer Elektrolytbatterie mit flüssiger Phase. Die in den Fig. 1 sowie 4 und beschriebene Vorrichtung kann auch zur Feststellung der spezifischen Schwere irgendeiner gewünschten Flüssigkeit einschließlich von Batterieelektrolyten verwendet werden. Erfindungsgemäß wird der Ausdruck "Flüssigkeit" als irgendein viskoses Material definiert, welches seinen Brechungsindex bei Dichteänderungen ändert.

AO

Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht einer einzigen Zelle einer einen flüssigen Elektrolyt aufweisenden Batterie, wie beispielsweise einer Blei/Säurebatterie. Fig. 1 zeigt ferner das Batteriegehäuse 10, eine Batteriekappe 12 und den Batterieelektrolyten 14. Eine Dichtung 16 sitzt zwischen dem Batteriegehäuse 10 und der Batteriekappe 12, wie dies für Blei/Säurebatterien im Automobilbau üblich ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gemäß Fig. 1 direkt in die Batteriekappe 12 eingebaut. Infolgedessen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bei konventionellen Automobilbatterien der Blei/Säure-Bauart in einfacher Weise dadurch verwendet werden, daß man die übliche Batteriekappe durch die die erfindungsgemäße Vorrichtung enthaltende Batteriekappe ir ersetzt.

Fig. 1 zeigt das transparente Medium 12, welches eine Dichte aufweist, die größer ist als die Dichte des Elektrolyten 14. Das transparente Medium 18 kann auch Glas, Quarz oder anderen transparenten Materialien, aufgebaut sein, die für Säuren undurchdringlich sind. Das transparente Medium 18 ist, wie gezeigt, an der Batteriekappe 12 befestigt oder durch Gleitpassung darin angeordnet. Das transparente Medium 18 sollte zur Übertragung von durch eine lichtemittierende Diode 22 oder eine andere geeignete Lieh! quelle erzeugte Lichtstrahlen 20 geeignet sein. Die in Fig. 1 gezeigte lichtimmittierende Diode 22 ist an einer Leistungsquelle durch einen Leiter 24 angeschaltet, der in der Batteriekappe 12 befestigt oder durch Gleitpassung darin angeordnet ist. Das durcl die lichtimmittierende Diode 22 erzeugte Licht wird durch Fenstei vorrichtung (bezel) 26 geleitet, um eine "Punktquelle" für Licht zu erzeugen, welches auf die Zwischenoberfläche 28 des transparer ten Mediums 18 gelenkt wird. Der Ausdruck "Punktquelle" wird hi.fM als eine angenäherte Lichtpunktquelle definiert, und zwar im Gegensatz zu einer theoretischen Punktlichtquelle. Der Detektor 30 ist an der Detektor- oder Feststelloberfläche 32 des transparenten Mediums 18 angebracht. Die Detektorausgangsgröße 34 liefert ein elektronisches Signal für die Detektorelektronik.

-y-

Im Betrieb emittiert die- lichtemittierende Diode 22 Strahlen 20, welche die Zwischenoberfläche 28 annähernd mit dem kritischen Winkel der internen Totalreflexion schneiden, d.h. mit einem Bereich von Winkeln kleiner als, gleich und größer als der kritische Winkel der internen Totalreflexion. Nach dem Snell'schen Gesetz gilt, daß der kritische Winkel der internen Totalreflesion derjenige Winkel ist» bei dem die interne Totalreflexion erreicht wird,und zwar bestimmt durch das Verhältnis der Brechungsindizes der beiden Medien, d.h. des transparenten Mediums 18 und Elektrolyten 14. Der kritische Winkel der internen Totalreflexion wird von einer Ebene; senkrecht zur Zwischenoberfläche 28 gemessen. Der Lichtstrahl 36, der einen der Lichtstrahlen 20 umfaßt, schneidet die Zwischenoberfläche 28 unter einem Winkel kleiner als dem kritischen Winkel der internen Totalreflexion. Der Strahl 36 wird in den Elektrolyten 14 gebrochen und erzeugt den gebrochenen Strahl 38* Der Strahl 36 wird auch partiell von der Zwischenoberfläche 28 reflektiert und erzeugt den reflektierten Strahl 40. Die Strahlen 42 und 44 schneiden die Zwischenoberfläche 28 unter Winkeln gleich oder größer als dem kritischen Winkel der internen Totalreflexion und sie werden durch die Zwischenoberfläche 28 total reflektiert. Die Strahlen 40, 42 und 44 werden durch die verspiegelte Oberfläche 46 auf die Detektoroberfläche 32 total reflektiert. Da der Strahl 36 in einen gebrochenen Strahl 38 und einen reflektierten Strahl 40 aufgeteilt wird, besitzt der reflektierte Strahl 40 eine wesentlich niedrigere Intensität als die Strahlen 42 und 44, die an der Zwischenoberfläche 28 intern total reflektiert wurden. Der Detektor 30 liefert an die Detektorelektronik ein Signal, welches die Größe der Ver-

, 32

Setzung längs der Detektoroberfläche!hinsichtlich der Intensitätsänderung zwischen den Strahlen 40 und den Strahlen 42 und 44 angibt. Obwohl die Strahlen 40, 42 und 44 als diskrete Lichtstrahlen dargestellt sind, so wird jedoch in Wirklichkeit ein Kontinuum von Strahlen durch die lichtemittierende Diode 22 erzeugt, so daß der Detektor 30 eine außerordentlich genaue Ausgangsgröße für die Größe der Versetzung der Intensitätsveränderung des Kontinuums der Strahlen projiziert auf.die Detektoroberfläche 32 liefern kann.

Wie man deutlich in Fig. 1 erkennt, ist die Größe der Versetzung der Intensitätsänderung des Kontinuums der Strahlen 20 projiziert auf die Detektoroberfläche 32 eine direkte Anzeige des kritischen Winkels der internen Totalreflexion. Die Größe des kritischen Winkels der internen Totalreflexion ist proportional zu einer Funktion des Behältnisses aus den Brechungsindizes des transparenten Mediums 18 und der umgebenden Flüssigkeit, wie beispielsweise eines Elektrolyten 14, wie in Fig. 1 gezeigt. Da der Brechungsindex des transparenten Mediums 18 konstant ist, ist die Versetzungsgre ße der Veränderung der Intensitäten des Kontinuums der auf die De tektorpberflache 32 projizierten Strahlen eine Funktion des Brechungsindex des Elektrolyten 14. Durch InUbereinstimmungbringen der Daten des "Handbook of Chemistry and Physics" kann festgestellt werden, daß der Brechungsindex des Elektrolyten für eine Blei/Säurebatterie gleich ist zu:

ist. Der Ladugnszustnnd

Ii = 1,333 + 0,00123x,

wobei χ ßloich dom Gewiehi.s-% von
der Batterie C ist gleich

C = 770 (f -1,15),

wobei (O die spezifische Schwere ist, und zwar gegeben durch:

f = 1+(0,00491X)¹'¹¹⁷. ■
Die Auflösung nach C ergibt folgendes:

C = 770[8,59(lj -l,333)^ltll7-0,15ql Eine enge Annäherung für obige Gleichung ist folgendes ■

C Sr 5000( \ -1,3596).

y*0 -

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der prozentualen Ladung (C) oder des Ladungszustandes der Batterie abhängig vom Bre- · c.hungsindex des Elektrolyten unter Verwendung der Gleichung 5, Wie Fig. 2 zeigt, nähert sich der Ladungszustand der Batterie eng einer Linearfunktion des Brechungsindex des Elektrolyten an.

Der kritische Winkel Φ wird unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:

•in*_c- I₂Zf₁,

dabei ist *j . der Brechungsindex der Flüssigkeit und ~ ist der Brechungsindex des transparenten Mediums. Für eine auf 50 % ihres Ladungszustandes geladene Batterie ist der Brechungsindex H₃SO₄ 1,37. Verwendet man Glas mit einem Brechungsindex von 1,514 bei 6700 A, als Beispiel, so kann der kritische Winkel wie folgt berechnet werden:

sin 6 = 1,37/1,514
0 = sin"¹ 0,9049
$ _c = 64,8°.

Für Licht mit Winkeln größer als 64,8 gemessen von einer Ebene senkrecht zur Zwischenoberfläche 28 in der Fig. 1 aus, wird 100 % interne Totalreflexion erhalten. Für Licht, welches die Zwischenoberfläche 28 mit Winkeln kleiner als 64,8 schneidet, wird im obigen Beispiel ein Teil der Strahlen reflektiert, während der verbleibende Teil in den Batterieelektrolyten hineingebrochen wird. Dies bewirkt eine große Änderung der Lichtintensität an der Detektoroberfläche 32 ähnlich einer scharfen Kante, und zwar mit 100 % des reflektierten Lichts auf einer Seite der Kante und normalerweise weniger als 50 % an der anderen Seite.

yell

Die Lage der Kante bewegt sich, wenn sich der kritische Winkel infolge der Änderung des Brechungsindex des Elektrolyten der Batterie ändert.

Fig. 3 zeigt die Art und Weise, wie die scharfe Intensitätskante an der Detektoroberfläche 32 erzeugt wird. Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Prozentsatzes der in einer gebrochenen Welle und einer reflektierten Welle übertragenen Energie für verschiedene Einfallswinkel gemessen von einer Ebene senkrecht zur Glas/Luft-Zwischenfläche. Diese graphische Darstellung wurde der folgenden Literaturstelle entnommen: Physics, Parts I & II, p. 1028 by David Haddiday and Robert Resnick, John WyIe and Sons, Second Edition, 1966. Eine ähnliche Kurve wird durch Glas/ Elektrolyt, Plastik/Elektrolyt usw. hervorgerufen.

Wie in Fig. 3 gezeigt, besitzt bei kleinen Einfallswinkeln die gebrochene Welle eine Intensität von annähernd 90 - 95%, wo hingegen die refelektierte Welle eine Intensität von annähernd 5 - 10% besitzt. Bei annähernd 40°, d. h. annähernd dem kritischen Winkel, ergibt sich eine große Intensitätsänderung, die eine scharfe Kante auf der Detektoroberfläche 32 in der oben beschriebenen Weise hervorruft.

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine laderlichtemittierende Diode 50 überträgt einen columnierten Lichtstrahl durch das transparente Medium "52 aus Glas, Quarz oder einem anderen transparenten Medium, und zwar von oberhalb der Batterie, so daß ein einziger Lichtstrahl 54.von den reflektierenden Oberflächen 56 und 58 reflektiert wird. Der Strahl 54 tritt in den Elektrolyt ein und wird an der Oberfläche 62 entsprechend dem Verhältnis aus den Brechungsindizes des transparenten Mediums 52 und des Elektrolyten. 64 gebrochen. Der gebrochene Strahl 54 tritt dann wieder in das transparente

Medium ein und wird zum Detektor 66 übertragen, der die Größe der Versetzung des Strahls längs der Detektoroberfläche 68 mißt, was für den Brechungsindex des Elektrolyten 64 repräsentativ ist. Das in FiR. 4 gezeigte System zeigt auch automatisch den niedrigen Elektrolytpegel an, der Rieh aus der Pool tionRändiTunp, dos (Ju roh Luft, und nicht durch den Elektrolyt laufenden Strahl ergibt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung gem. Fig. 1 auch den niedrigen Elektrolytpegel in der Batterie durch eine große Änderung des kritischen Winkels der internen Totalreflektion anzeigt.

Fig. 5 zeigt ein alternatives.Ausführungsbeispiel ähnlich dem Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 4. Die Laserlicht oder lichtemittierende Diode 68 produziert einen kolumnierten Strahl, der von der reflektierenden Oberfläche 70 reflektiert wird, durch den Elektrolyten 78 projeziert wird und auf den Detektor 72 übertragen wird. Die Ablenkung des Strahls am Detektor 72, die sich aus der Brechung an der Oberfläche 74 ergibt, zeigt eine Änderung des Brechungsindex des Elektrolyten 78 an.

Obwohl die Figuren 1, 4 und 5 die Anwendung der Erfindung bei einer Batterie zur Messung der spezifischen Schwere eines Elektrolyten zur Feststellung des Ladungszustandes dieser Batterie betreffen, so sei doch darauf hingewiesen, daß durch entsprechende Einstellung der Winkel dieses Instrument auch für die "in situ" Überwachung zahlreicher chemischer Verfahren verwendet werden kann, wo der Brechungsindex als ein Anzeigemittel benutzbar ist. Zudem verwendet jedes der Ausführungsbeispiele der Figuren 1, 4 und 5 mindestens eine reflektierende Oberfläche, um die Strahlen zurück zur Oberseite zu reflektieren, um so eine nur ein Ende aufweisende Vorrichtung zu schaffen. Es sei darauf

hingewiesen, daß in Fällen wo die andere Seite der Flüssigkeit zugänglich ist, die Erfindung auch als eine Zwei-Enden aufweisende Vorrichtung ausgebildet sein kann.

Die vorliegende Erfindung schafft daher eine Vorrichtung zur Feststellung der spezifischen Schwere einer Flüssigkeit und eine Vorrichtung zur Feststellung des Ladungszustandes einer Elektrolytbatterie mit flüssiger Phase, wobei diese erfindungsgemäße Vorrichtung außerordentlich genau arbeitet und billig herzustellen ist. Zudem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine vollständig elektronische Vorrichtung, und benutzt keine beweglichen Teile, was zur Folge hat, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber Stoß, Vibration, Beschleunigung und Bewegung der Flüssigkeitsoberfläche nicht empfindlich ist.

Ferner sind die elektronischen Teile der Erfindung körperlich von der zu untersuchenden Flüssigkeit, wie beispielsweise dem sauren Elektrolyten,, getrennt. Die elektronischen Teile sind daher gegenüber Korrosion durch die Batteriesäure geschützt. In gleicher Weise ist auch die Flüssigkeit gegenüber Verunreinigung geschützt. Der einzige Teil der Erfindung, der tatsächlich in körperlichem Komtakt mit dem Batterieelektrolyten steht, ist das transparente Medium, welches für die Batteriesäure oder für eine andere der Messung unterliegende Flüssigkeit undurchdringlich ist.

Abwandlungen der Erfindung sind dem Fachmann gegeben.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Eine Vorrichtung zur Feststellung der spezifischen Schwere einer Flüssigkeit und eine Vorrichtung zur Feststellung

4 4»

^βί· ^: ""31435669 7?

des Ladungszustands eines Elektrolytbatterie mit flüssiger Phase. Bei einem AusfUhrungsbeispiel der Erfindung wird die Änderung des kritischen Winkels der internen Totalreflektion dazu verwendet, um den Brechungsindex der zu messenden Flüssigkeit festzustellen. Es wird gezeigt, daß der Brechungsindex der Flüssigkeit eine Funktion der spezifischen Schwere der Flüssigkeit ist. Bei Anwendungen zur Messung des Ladungszustands der Batterie ist die spezifische Schwere proportional zum Ladungszustand der Batterie. Eine Änderung der Intensität der die Zwischenflächen-Oberfläche schneidenden Strahlen zeigt den kritischen Winkel an, was eine direkte Anzeige für die spezifische Schwere der Flüssigkeit und den Ladungszustand einer Batterie ist. Bei einem anderen AusfUrhungsbeispiel wird ein Lichtstrahl durch ein transparentes Medium projeziert und sodann durch einen Teil der zu messenden Flüssigkeit. Eine Änderung der Brechung infolge einer Änderung des Brechungsindex der Flüssigkeit erzeugt eine Ablenkung des Strahles, was durch einen Detektor gemessen wird. Die Größe der Ablenkung oder Auslenkung des Strahles ist direkt proportional zur spezifischen Schwere der Flüssigkeit und zum Ladungszustand einer Batterie.

Leerseite

Claims

AN SPRÜCHE

/ 1.)Vorrichtung zur Feststellung der spezifischen Schweren einer Flüssigkeit, gekennzeichnet durch ein transparentes Medium (18) mit einer Zwischenflächen-Oberfläche und einer Feststelloberfläche (32), wobei das transparente Medium derart angeordnet ist, daß die Zwischenflächen-Oberfläche in die Flüssigkeit eingetaucht ist,

eine Punktlichtquelle (22,26) zur Emission von Strahlen, welche die Zwischenflächen-Oberfläche schneijden, und zwar mit einem Bereich von den kritischen Winkel der internen Totalreflektion enthaltenden Winkeln derart, daß die von der Oberfläche mit Winkeln'gleich und größer als dem kritischen Winkel der internen Totalreflektion reflektrierten Strahlen eine größere Intensität besitzen, als die von der Zwischenflächen-Oberfläche mit Winkeln kleiner als dem kritischen Winkel der internen Totalreflektion reflektrierten Strahlen,

Mittel (30) zur Feststellung der Größe der Versetzung längs der Feststelloberfläche einer Intensxtatsveränderunp; der von der Zwischenflächen-Oberfläche reflektierten Strahlen, und wobei ferner die Größe der Versetzung im wesentlichen proportional zur spezifischen Schwere der Flüssigkeit ist.
2. Vorrichtung zur Feststellung des Ladungszustands einer Elektrolytbatterie mit flüssiger Phase, gekennzeichnet durch

ein transparentes Medium mit einer Zwischenflächen-Oberfläche und einer Feststelloberfläche, wobei das transparente Medium derart angeordnet ist, daß die Zwischenflächen-

Oberfläche in den Elektrolyt eingetaucht ist, eine Punktlichtquelle (22,26) zur Emission von Strählen, welche die Zwischenflächen-Oberfläche schneiden, und zwar unter einem Bereich von Winkeln, der den kritischen Winkel der internen Totalreflektion enthält, und zwar derart, daß die von der erwähnten Oberfläche reflektierten Strahlen mit Winkeln gleich oder größer als dem kritischen Winkel der internen Totalreflektion eine größere Intensität besitzen, als die Strahlen, die von der Zwischenflächen-Oberfläche reflektiert werden, und zwar mit Winkeln kleiner als dem kritischen Winkel der internen Totalreflektion, und Mittel (30) zur Feststellung der Größe der Versetzung längs der Feststelloberfläche, und zwar zur Feststellung einer Intensitätsveränderung der von der erwähnten Zwischenflächen-Oberfläche reflektierten Strahlen, wobei die Größe der Versetzung im wesentlichen proportional zum Ladungszustand der Batterie ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Medium aus Quarz besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Medium Glas ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Medium Kunststoff ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine lichtemittierende Diode aufweist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß die Lichtquelle einen Laser aufweist.

3H5669- ·
3
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellmittel einen Photopotentiometer aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellmittel eine Vielzahl von Photodioden aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellmittel eine Vielzahl von Phototransistoren aufweisen.