IT202100003566A1 - Energy-saving device for monitoring lead-acid electric batteries - Google Patents
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Description
Descrizione dell?invenzione avente per TITOLO: Description of the invention with TITLE:
?Dispositivo a risparmio energetico atto al monitoraggio di batterie elettriche del tipo al piombo acido? ?Energy-saving device suitable for monitoring lead-acid type electric batteries?
L?oggetto della presente invenzione si riferisce ad un dispositivo a risparmio energetico per il monitoraggio, gestione e miglioramento della produttivit? operativa di funzionamento per una generica sorgente riutilizzabile di elettricit? a supporto delle attivit? di immagazzinamento/stoccaggio energetico di tipo elettrico/elettronico. In generale, molti impianti/sistemi elettrici necessitano di accumulatori per essere operativi. Il dispositivo ? collegato in modo permanente ad un alimentatore ed inserito permanentemente in una o pi? celle (elementi della batteria). The object of the present invention refers to an energy-saving device for monitoring, managing and improving productivity? operational operation for a generic reusable source of electricity? to support the activities storage / energy storage of the electrical / electronic type. In general, many electrical installations/systems need accumulators to be operational. The device ? permanently connected to a power supply and permanently plugged into one or more? cells (battery elements).
Tra gli accumulatori elettrochimici, le batterie al piombo sono uno dei tipi pi? utilizzati. Essi si trovano in molti settori, come l'industria energetica/rinnovabile, automobilistica, in diverse applicazioni di telecomunicazione e/o per sistemi remoti. Among electrochemical accumulators, lead batteries are one of the most common types. used. They are found in many industries, such as the energy/renewable industry, automotive, various telecommunication applications and/or for remote systems.
La maggior parte delle applicazioni richiede una misurazione affidabile dello stato di funzionamento della batteria, al fine di: Most applications require a reliable measurement of the operating state of the battery in order to:
- migliorare le prestazioni dell'apparecchiatura; - improve the performance of the equipment;
- progettare il tempo di funzionamento disponibile; - design the available operating time;
- rilevare i guasti nel pi? breve tempo possibile; - detect failures in the pi? short time possible;
- azionare/attivare o non azionare/disattivare la carica della batteria in modo automatico. - activate/activate or not activate/deactivate the battery charge automatically.
Una batteria malfunzionante pu? causare grandi perdite economiche o, in caso di apparecchiature pi? sensibili, compromettere la qualit? della vita. A malfunctioning battery can cause large economic losses or, in the case of equipment pi? sensitive, compromise the quality? of life.
I principali parametri da tenere in considerazione per la valutazione di una batteria sono la corrente, la tensione, la temperatura, lo stato di carica (SoC) e lo stato di salute (SoH). The main parameters to be taken into consideration for evaluating a battery are current, voltage, temperature, state of charge (SoC) and state of health (SoH).
Lo stato di carica (SoC) ? uno dei parametri pi? significativi di una batteria. Esso fornisce informazioni utili per migliorare il funzionamento, la prestazione, l'affidabilit? e la durata della batteria stessa. The state of charge (SoC) ? one of the parameters pi? significant of a battery. It provides useful information to improve the operation, performance, reliability and and battery life itself.
Tale processo di monitoraggio e di ricarica automatica permette di prevenire sia un malfunzionamento della batteria, sia uno spreco rilevante di energia elettrica. This monitoring and automatic recharging process makes it possible to prevent both a malfunction of the battery and a significant waste of electricity.
Attualmente, secondo lo stato della tecnica preesistente, i sistemi di misura del peso specifico dell?elettrolito risultano essere potenzialmente pericolosi per l'operatore, poco attendibili nella misura e richiedono molto tempo per la misurazione/catalogazione. Currently, according to the pre-existing state of the art, the systems for measuring the specific weight of the electrolyte are potentially dangerous for the operator, not very reliable in the measurement and require a lot of time for the measurement/cataloguing.
Inoltre, in accordo con i sistemi utilizzati secondo l?arte nota, non ? possibile effettuare una misurazione continua del peso specifico dell?elettrolito, ovvero quando la batteria ? in funzione operativa e/o in processo di carica. Furthermore, in accordance with the systems used according to the prior art, it is not possible to carry out a continuous measurement of the specific gravity of the electrolyte, or when the battery? in operational function and/or in the charging process.
Lo scopo della presente invenzione ? quello di velocizzare e facilitare l'operazione della misura costante o temporale del peso specifico/densit?, evitando il contatto diretto di qualsiasi liquido con l?utenza e utilizzando uno strumento semplice, affidabile e riproducibile industrialmente, costantemente inserito nelle celle di una batteria al piombo acido e collegato ad un caricabatterie comprendente un sistema elettronico della corrente di carica, per consentire (in modo automatizzato) l?attivazione della ricarica oppure la sua interruzione. Nella sua forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo proposto si riferisce ad un gruppo di elementi sensori rilevatori/densimetri digitali (preferibilmente a forma di tappo) applicabili/accoppiabili ad una batteria di tipo al piombo acido per la misurazione e memorizzazione del peso specifico/densit? delle sostanze che in soluzione o allo stato fuso subiscono la suddivisione in ioni delle loro molecole, in quanto: The purpose of the present invention ? that of speeding up and facilitating the operation of constant or temporal measurement of the specific weight/density, avoiding direct contact of any liquid with the user and using a simple, reliable and industrially reproducible instrument, constantly inserted in the cells of a battery at lead acid and connected to a battery charger including an electronic charging current system, to allow (in an automated way) the activation of the recharge or its interruption. In its embodiment of the present invention, the proposed device refers to a group of digital detector/density sensor elements (preferably in the shape of a cap) which can be applied/coupled to a lead-acid type battery for measuring and storing the specific weight /density? of substances which in solution or in the molten state undergo the subdivision of their molecules into ions, because:
- sono realizzati in Il polimetilmetacrilato (PMMA), in particolare plexiglas; - are made of polymethyl methacrylate (PMMA), in particular plexiglas;
- sono realizzati senza utilizzo dello specchio piano come sistema di riflessione per la misurazione; - they are made without using the flat mirror as a reflection system for the measurement;
- sono realizzati in modo tale da sfruttare le caratteristiche di riflessione e rifrazione. - they are made in such a way as to exploit the characteristics of reflection and refraction.
Com?? noto da tempo, nell?utilizzare anche in modo ottimale gli accumulatori di tipo al piombo acido, si ha sempre un deterioramento del sistema chimico-meccanico, e parte di questo deterioramento risulta essere irrecuperabile. Il deterioramento irrecuperabile, ? dato dalla perdita della materia attiva che compone le piastre degli elementi. How?? It has been known for some time that even when using lead-acid type accumulators in an optimal way, there is always a deterioration of the chemical-mechanical system, and part of this deterioration is irrecoverable. The irrecoverable deterioration, ? given by the loss of the active material that makes up the plates of the elements.
Questo fenomeno avviene sia per l?eccessivo innalzamento della temperatura a cui le piastre sono sottoposte durante il ciclo di carica e scarica, sia per l?eccesiva concentrazione di acido solforico derivante dalla mancanza di adeguati rabbocchi dell?acqua distillata. This phenomenon occurs both due to the excessive rise in temperature to which the plates are subjected during the charge and discharge cycle, and due to the excessive concentration of sulfuric acid deriving from the lack of adequate top-ups of distilled water.
Un altro fenomeno/effetto che riduce notevolmente la vita di una batteria ? la metallizzazione dei separatori che iniziano a opporre una resistenza sempre pi? alta al passaggio della corrente, con conseguente ed inevitabile calo della capacit? di accumulo. Another phenomenon / effect that significantly reduces the life of a battery? the metallization of the separators that begin to oppose resistance more and more? high to the passage of the current, with consequent and inevitable drop in capacity? of accumulation.
Un primo scopo della presente invenzione ? quindi quello di provvedere alla realizzazione di un sistema di controllo/prevenzione per una gestione efficiente ed efficace delle attivit? che permettono di concentrare su supporti diversi differenti forme di energia per essere utilizzate successivamente quando necessario. Il dispositivo proposto prevede e impedisce il verificarsi o il diffondersi di fatti non desiderati o dannosi, favorendo un valore di precisione della batteria SoC per il monitoraggio delle attivit? di stoccaggio energetico che mirano a garantire una corretta applicazione delle norme in materia e, all'occorrenza, a imporne l'osservanza. A first aim of the present invention? therefore that of providing for the creation of a control / prevention system for an efficient and effective management of the activities? which allow different forms of energy to be concentrated on different supports to be used later when necessary. The proposed device foresees and prevents the occurrence or spread of unwanted or harmful facts, favoring a precision value of the SoC battery for monitoring the activities? of energy storage which aim to guarantee a correct application of the rules on the subject and, if necessary, to impose their observance.
Ulteriormente, in un aspetto vantaggioso della presente invenzione, con l?introduzione di un dispositivo misuratore/rilevatore di tipo a guida ottica d?onda luce costituito preferibilmente da un tipo di materiale non metallico, principalmente di materiale plastico e flessibile, ? possibile determinare il peso specifico e la temperatura dell?elettrolito di un sistema di accumulo che utilizza generalmente lastre di piombo immerse in acido solforico. Furthermore, in an advantageous aspect of the present invention, with the introduction of a light waveguide type measuring/detector device preferably made of a type of non-metallic material, mainly of plastic and flexible material, It is possible to determine the specific weight and temperature of the electrolyte of an accumulation system which generally uses lead plates immersed in sulfuric acid.
Un altro scopo ? quello di consentire l?attivazione o l?interruzione della ricarica della batteria in modo completamente automatico. Another purpose? that of allowing the activation or interruption of battery charging in a completely automatic way.
Il peso specifico pu? essere determinato sia leggendo la porzione emergente del liquido della scala che sovrasta il galleggiante, sia in funzione dei pesi che contribuiscono a far galleggiare l?areometro ad un livello definito da una tacca di riferimento. The specific weight can? be determined both by reading the emerging portion of the liquid from the scale above the float, and as a function of the weights which contribute to making the hydrometer float at a level defined by a reference notch.
Per tale fine esistono due tipi di densimetro utilizzabili per tale applicazione, tra cui ?a peso costante? ed a ?volume costante?. Il primo ? pi? immediato nell'uso, mentre il secondo consente una maggiore precisione: For this purpose, there are two types of hydrometer that can be used for this application, including ?constant weight? and at ?constant volume?. The first ? more immediate in use, while the second allows greater precision:
- ?a peso costante? consiste di una parte inferiore rigonfia opportunamente appesantita nel fondo, su cui superiormente ? innestata un'asta sulla quale viene letto il valore della densit?. Questa ? infatti indicata dal valore in corrispondenza del quale il menisco del liquido interseca l'asta del densimetro, una volta che questo si ? stabilizzato. - ?at constant weight? consists of a swollen lower part suitably weighted at the bottom, on which above? grafted an auction on which the value of the density is read?. This ? in fact indicated by the value at which the meniscus of the liquid intersects the rod of the densimeter, once this is ? stabilized.
- ?a volume costante? trattasi di un'ampolla di vetro con una zavorra sul fondo ed un piatto sulla sommit? che rimane emersa. Sul gambo che collega il piatto al corpo immerso ? presente una tacca di riferimento. Una volta immerso il densimetro nel liquido in esame, si pongono dei pesi campione sul piatto fino a che la tacca non arriva a corrispondere con il livello del liquido. La densit? ? data dal rapporto tra i pesi che corrisponde alla somma delle masse dei piombini che portano a livello il menisco pi?/compresa quella del piattino, e il volume noto e costante della parte immersa. Il dispositivo proposto su cui sono sviluppate e/o eseguite applicazioni, permette di individuare, all?interno di un sistema informatizzato e/o database, delle anomalie nei processi durante la conduzione, l?analisi e la progettazione dei sistemi di accumulo, che se non correttamente monitorati hanno un?azione fortemente negativa/distruttiva in termini di produttivit? operativa di funzionamento. Un aspetto vantaggioso della presente invenzione ? la realizzazione di una rete di monitoraggio delle attivit? di gestione di stoccaggio energetico, in particolare per il settore elettrico/elettronico. Tale rete permette l?aggregazione dei dati e la stima predittiva di parametri tali per cui ? possibile prevenire fenomeni potenzialmente dannosi/anomali o di stimare in anticipo la produttivit? del settore, tra cui: - ?at constant volume? question of a glass ampoule with a ballast on the bottom and a plate on the top? which remains uncovered. On the stem that connects the plate to the immersed body ? there is a reference notch. Once the hydrometer has been immersed in the liquid under test, sample weights are placed on the plate until the notch corresponds with the liquid level. The density? ? given by the ratio between the weights which corresponds to the sum of the masses of the plummets which bring the meniscus level plus?/including that of the saucer, and the known and constant volume of the immersed part. The proposed device on which applications are developed and/or executed, makes it possible to identify, within a computerized system and/or database, anomalies in the processes during the management, analysis and design of accumulation systems, which if incorrectly monitored have a strongly negative / destructive action in terms of productivity? operational operation. An advantageous aspect of the present invention ? the creation of a monitoring network of the activities? of energy storage management, in particular for the electrical/electronic sector. This network allows the aggregation of data and the predictive estimation of parameters such that ? Is it possible to prevent potentially harmful/anomalous phenomena or to estimate productivity in advance? industry, including:
- la valutazione dell?intensit? dell?anomalia, ovvero del grado di distruttivit? che il fenomeno critico in analisi pu? assumere; - la valutazione della pericolosit?, che consiste nella descrizione quantitativa (statistica e probabilistica) che si verifichi un evento anomalo; - the evaluation of? intensity? of? anomaly, or the degree of destructiveness? that the critical phenomenon in analysis can? assume; - the evaluation of the danger, which consists in the quantitative description (statistical and probabilistic) that an anomalous event occurs;
- la gestione dell?anomalia, cio? la serie di interventi possibili atti a diminuire l?effetto del fenomeno critico; - the management of? anomaly, cio? the series of possible interventions aimed at reducing the effect of the critical phenomenon;
- le azioni di prevenzione/cure necessarie per adottare le dovute misure di sicurezza e precauzione; - the prevention/treatment actions necessary to adopt the necessary safety and precautionary measures;
- una ricarica costante o un interruzione della ricarica completamente automatica della batteria. - a constant recharge or a fully automatic interruption of the recharge of the battery.
Tenendo presente queste semplici osservazioni, ? possibile adottare gli interventi necessari per una corretta manutenzione/prevenzione dei sistemi di stoccaggio/accumulo dell?energia elettrica. With these simple observations in mind, possible to adopt the necessary interventions for correct maintenance/prevention of the electricity storage/accumulation systems.
Le complesse necessit? delle moderne industrie che operano nel settore energetico richiedono sempre di pi? l?utilizzo di tecnologie che consentano all?operatore di prevenire con successo il rischio di incidenti durante lo svolgimento delle attivit? di produzione e controllo delle batterie elettriche, in particolare di tipo al piombo acido. The complex needs of modern industries operating in the energy sector require more and more? the use of technologies that allow the operator to successfully prevent the risk of accidents during the performance of the activities? of production and control of electric batteries, in particular of the lead-acid type.
Da quanto descritto appare evidente che lo strumento secondo l?invenzione raggiunge gli scopi prefissati. From what has been described it is clear that the instrument according to the invention achieves the pre-established purposes.
L'oggetto della presente invenzione ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze senza uscire dall'ambito di tutela brevettuale della presente invenzione. The object of the present invention ? susceptible to numerous modifications and variations, all falling within the inventive concept expressed in the attached claims. All the details may be replaced by other technically equivalent elements, and the materials may be different according to requirements without departing from the scope of patent protection of the present invention.
Nell?arte non ? presente, e non ? mai stato suggerito, un dispositivo per il monitoraggio delle attivit? sopra descritte uguale o simile a quello oggetto della presente invenzione. Not in art? present, and not ? never been suggested, a device for monitoring the activities? described above equal or similar to the object of the present invention.
Anche se l'oggetto ? stato descritto con particolare riferimento alle figure allegate, i numeri di riferimento utilizzati nella descrizione e nelle rivendicazioni sono utilizzati per descrivere una realizzazione preferita del trovato e non costituiscono alcuna limitazione all'ambito di tutela rivendicato. Even if the object ? been described with particular reference to the accompanying figures, the reference numbers used in the description and in the claims are used to describe a preferred embodiment of the invention and do not constitute any limitation to the claimed scope of protection.
Descrizione delle singole parti che costituiscono il dispositivo per il monitoraggio della presente invenzione Description of the individual parts which constitute the monitoring device of the present invention
Lo scopo principale della presente invenzione ? di fornire un sensore adatto per l'immersione in un liquido da misurare superando cos? alcune limitazioni associate ai dispositivi esistenti. The main purpose of the present invention ? to provide a sensor suitable for immersion in a liquid to be measured, thus overcoming? some limitations associated with existing devices.
Queste limitazioni includono la necessit? di ingresso della luce a determinati angoli, la necessit? che la luce passi attraverso il liquido, la necessit? di utilizzare un sensore laser o di utilizzare fibre ottiche soggette a deterioramento a causa di liquidi corrosivi o componenti ottici complessi. These limitations include the need of entry of light at certain angles, the need? that the light passes through the liquid, the need? to use a laser sensor or to use optical fibers subject to deterioration due to corrosive liquids or complex optical components.
In particolare, il trovato descrive un sensore (preferibilmente a forma di tappo) per la misurazione della densit? dell'elettrolita all'interno delle batterie al piombo-acido. In particular, the invention describes a sensor (preferably in the shape of a cap) for measuring the density of the electrolyte in lead-acid batteries.
Per meglio dire, la presente invenzione utilizza la fisica di base della propagazione della guida d'onda ottica per creare un dispositivo in grado di misurare l'indice di rifrazione di un liquido mediante immersione diretta del dispositivo in un contenitore contenente il liquido. More precisely, the present invention uses the basic physics of optical waveguide propagation to create a device capable of measuring the refractive index of a liquid by direct immersion of the device into a container containing the liquid.
Come ? noto, i brevetti WO2015185802 e JPS56134479 secondo lo stato dell?arte, sono dei sistemi di monitoraggio per le batterie al piombo acido, ma non utilizzano sensori per il monitoraggio secondo le pi? moderne tecnologie, tra cui l?utilizzo della fibra ottica. As ? known, the patents WO2015185802 and JPS56134479 according to the state of the art, are monitoring systems for lead-acid batteries, but do not use sensors for monitoring according to the most? modern technologies, including the use of fiber optics.
La configurazione proposta non ? implementata con sensori convenzionali per immettere e emettere luce dal dispositivo, in particolare mediante l?utilizzo di uno specchio terminale riflettente come indicato nel brevetto pi? vicino allo stato dell?arte US10145789B2, n? utilizza le tradizionali tecnologie del tipo a ?peso costante? o a ?volume costante?. Isn't the proposed configuration ? implemented with conventional sensors for entering and emitting light from the device, in particular through the use of a reflective end mirror as indicated in the most recent patent? close to the state of the art US10145789B2, n? uses traditional ?constant weight? or at ?constant volume?.
La soluzione tecnica proposta ? invece basata sulla perdita di riflessione ottica che ? dovuto alla curvatura alla base di un sensore di tipo a plexiglas. The proposed technical solution? instead based on the loss of optical reflection that ? due to the curvature at the base of a Plexiglas type sensor.
Il dispositivo pu? essere calibrato per misurare l'indice di rifrazione assoluto facendo riferimento all'uscita di tensione all'indice di rifrazione di soluzioni note. The device can be calibrated to measure the absolute refractive index by reference to the voltage output at the refractive index of known solutions.
In particolare, la presente invenzione descrive un sensore basato su plexiglas per la misurazione della densit? dell'elettrolita nelle batterie al piombo-acido. ? noto che il processo di carica della batteria crea stratificazione, a causa delle diverse densit? di acido solforico e acqua. Per studiare questo processo, le misure di densit? dovrebbero essere ottenute a diverse profondit?. Il sensore secondo il presente trovato, a differenza dei sensori tradizionali, ? costituito da diversi punti di misurazione, che consentono misurazioni della densit? a diverse profondit? all'interno della batteria. La serie di misurazioni ottenute aiuta a determinare la carica (SoC) e lo stato di salute (SoH) della batteria. La misurazione della densit? dell'elettrolita fornisce un valore di precisione del SoC della batteria. La batteria al piombo utilizza biossido di piombo (PbO?) come materiale attivo nell'elettrodo positivo e piombo metallico (Pb) di una struttura molto porosa, come materiale attivo nell'elettrodo negativo. L'elettrolita ? formato da acido solforico (H?SO?) diluito in acqua (H?O), con concentrazioni comprese tra l'8% e il 40%, a seconda dello stato di carica e del tipo di batteria. Le reazioni elettrochimiche che si verificano durante il processo di carica e scarica sono descritte nelle seguenti equazioni: In particular, the present invention discloses a Plexiglas-based sensor for measuring density? of the electrolyte in lead-acid batteries. ? known that the process of charging the battery creates stratification, due to the different densities? of sulfuric acid and water. To study this process, the measurements of density? should be obtained at different depths?. The sensor according to the present invention, unlike conventional sensors, consists of several measuring points, which allow measurements of the density? at different depths? inside the battery. The series of measurements obtained helps determine the charge (SoC) and state of health (SoH) of the battery. Density measurement? of the electrolyte provides an accurate value of the SoC of the battery. Lead-acid battery uses lead dioxide (PbO?) as the active material in the positive electrode and metallic lead (Pb) of a very porous structure as the active material in the negative electrode. The electrolyte? formed by sulfuric acid (H?SO?) diluted in water (H?O), with concentrations between 8% and 40%, depending on the state of charge and the type of battery. The electrochemical reactions that occur during the charging and discharging process are described in the following equations:
<Durante la carica:><During charging:>
<Durante lo scarico:> <During download:>
Secondo le equazioni del processo di scarica, entrambi gli elettrodi trasformano il materiale attivo in solfato di piombo (PbSO?), con il conseguente consumo di H?SO? e il rilascio di acqua nell'elettrolita. Di conseguenza la densit? dell'elettrolita diminuisce. According to the equations of the discharge process, both electrodes transform the active material into lead sulphate (PbSO?), resulting in the consumption of H?SO? and the release of water into the electrolyte. As a result, the density of the electrolyte decreases.
Secondo le equazioni nel processo di carica, si verifica la reazione opposta poich? viene rilasciato H?SO? e viene consumata acqua, causando in tal modo un aumento della densit? dell'elettrolita. According to the equations in the charging process, the opposite reaction occurs since is released H?SO? and water is consumed, thereby causing an increase in density? of the electrolyte.
Poich? l'indice di rifrazione dipende dalla densit? dell'elettrolita, il primo pu? essere utilizzato per valutare il secondo. Inoltre, la densit? di evoluzione rispetto alla curva del tempo ? un buon indicatore della batteria SoH. because the refractive index depends on the density? of the electrolyte, the first pu? be used to evaluate the latter. Furthermore, the density of evolution with respect to the curve of time ? a good SoH battery indicator.
L?oggetto della presente invenzione ? un sensore a base di polimetilmetacrilato (PMMA) che pu? essere facilmente introdotto tra le piastre di una batteria del tipo a piombo acido. The object of the present invention is a sensor based on polymethyl methacrylate (PMMA) that pu? be easily introduced between the plates of a lead-acid type battery.
Il suo principale vantaggio ? che la misurazione della densit? viene eseguita a diversi livelli all'interno del contenitore della batteria, consentendo il monitoraggio della densit? in minor tempo rispetto ai sistemi tradizionali e nell'intera cella durante il processo di carica e/o scarica. Its main advantage ? that the measurement of the density? is performed at different levels within the battery container, allowing monitoring of the density? in less time than traditional systems and in the entire cell during the charge and/or discharge process.
Le misurazioni vengono eseguite senza utilizzare sistemi automatici ausiliari che fanno circolare l'elettrolito o estraggono periodicamente un campione di elettrolita. Detti sistemi tradizionali, oltre ad aumentare il costo della misurazione, occupano molto spazio, sono una possibile fonte di rumore e, in generale, complicano il monitoraggio dei parametri. Un elemento sensore (1) ? costituito da un sensore ottico d?onda di luce che presenta una forma di U priva di rivestimento attorno alla sua curva, in modo da consentire a detto rivestimento di essere a diretto contatto con un liquido la cui densit? deve essere misurata. Measurements are performed without using auxiliary automatic systems that circulate the electrolyte or periodically extract a sample of the electrolyte. These traditional systems, in addition to increasing the cost of the measurement, take up a lot of space, are a possible source of noise and, in general, complicate the monitoring of the parameters. A sensor element (1) ? consists of an optical sensor of light wave which has a U shape without coating around its curve, so as to allow said coating to be in direct contact with a liquid whose density? must be measured.
Detto elemento sensore (1) ? costituito da un materiale idoneo ad essere attraversato da una fonte luminosa in funzione dell?indice di rifrazione della sostanza liquida da rilevare/misurare, in cui detto materiale ha una prima ed una seconda estremit? impermeabile al liquido, caratterizzato dal fatto di misurare la concentrazione ionica di un elettrolita e/o di altre soluzioni, utilizzando/sfruttando l?assorbimento/dispersione del segnale ottico in funzione del grado di concentrazione della soluzione elettrolitica. In particolare, il materiale utilizzato ? formato da polimeri del metacrilato di metile, estere metilico dell'acido metacrilico, al punto che possiede caratteristiche tecniche di comportamento assimilabili della fibra ottica. La propagazione della luce attraverso la fibra ottica viene indicata dalla legge di Snell: Said sensor element (1) ? made up of a material suitable for being crossed by a light source according to the refractive index of the liquid substance to be detected/measured, in which said material has a first and a second end? impermeable to liquid, characterized by the fact of measuring the ionic concentration of an electrolyte and/or other solutions, using/exploiting the absorption/dispersion of the optical signal as a function of the degree of concentration of the electrolytic solution. In particular, the material used? formed by polymers of methyl methacrylate, methyl ester of methacrylic acid, to the point that it possesses technical characteristics of behavior similar to the optical fiber. The propagation of light through the optical fiber is indicated by Snell's law:
dove ?? ? l'angolo incidente nel limite tra i due media con un indice di rifrazione diverso e ?? ? l'angolo del raggio rifratto. La riflessione totale viene data se e il raggio viene parzialmente rifratto quando ? il complemento dell'angolo critico; ? l'indice di rifrazione del nucleo e ? l'indice di rifrazione del rivestimento: Where ?? ? the incident angle in the limit between the two media with a different refractive index and ?? ? the angle of the refracted ray. Total reflection is given if and the ray is partially refracted when ? the complement of the critical angle; ? the refractive index of the nucleus and ? the refractive index of the coating:
La potenza di propagazione ottica, attraverso il percorso del raggio rifratto, ha delle perdite dovute alla potenza trasmessa. Queste perdite sono rappresentate dal coefficiente di trasmissione della potenza T, definito coefficiente di perdita: The optical propagation power, through the path of the refracted beam, has losses due to the transmitted power. These losses are represented by the power transmission coefficient T, defined as the loss coefficient:
In Fig. (a) viene rappresentata la dipendenza della perdita di potenza, dovuto allo spessore della zona curva nel rivestimento in plexiglas. In Fig. (a) the dependence of the power loss, due to the thickness of the curved area in the Plexiglas coating, is represented.
L'attenuazione della potenza in un sensore curvo ? stata ampiamente studiata ed ? ben nota al tecnico del ramo. Power attenuation in a curved sensor? been extensively studied and well known to the person skilled in the art.
Nei punti in cui i raggi R raggiungono il mezzo di rivestimento dell'interfaccia esterna, si verifica una perdita di potenza a causa della rifrazione del mezzo esterno, che, nel nostro caso, ? l'elettrolita della batteria. Per valutare le perdite in questi punti, viene utilizzato il coefficiente di Fresnel: At the points where the R-rays reach the coating medium of the external interface, there is a loss of power due to the refraction of the external medium, which, in our case, is ? the battery electrolyte. To assess the losses at these points, the Fresnel coefficient is used:
In particolare, le perdite di potenza nella curva PQ inclinato di un angolo ?? del plexiglas, dipendono dall'indice di rifrazione dell'elettrolita della batteria, ovvero si tiene conto della perdita di potenza dovuto dallo spessore S del rivestimento, come rappresentato in Fig. (b). In particular, the power losses in the PQ curve sloped by an angle ?? of Plexiglas, depend on the refractive index of the battery electrolyte, i.e. the loss of power due to the thickness S of the coating is taken into account, as represented in Fig. (b).
Le caratteristiche del plexiglas offrono numerosi vantaggi che consentono la produzione di sensori pi? robusti, economici e versatili, tra cui una bassa attenuazione nella gamma visibile dello spettro, un ampio angolo di accettazione della luce, eccellenti propriet? meccaniche e ambientali che producono durata e affidabilit?. Il plexiglas pu? essere piegato senza rompersi ed ? chimicamente neutro. L'allineamento tra sorgente luminosa e plexiglas non ? critico. The characteristics of Plexiglas offer many advantages that allow the production of sensors more? robust, economical and versatile, including low attenuation in the visible range of the spectrum, a wide light acceptance angle, excellent properties mechanical and environmental factors that produce durability and reliability. Plexiglas can be bent without breaking and ? chemically neutral. The alignment between light source and Plexiglas is not ? critic.
Il sensore (1) ha una struttura concentrica a doppio strato con un nucleo in polimetilmetacrilato (PMMA) di elevata purezza, ed un sottile strato di rivestimento in polimero trasparente al fluoro con un indice di rifrazione inferiore a detto nucleo. The sensor (1) has a double layer concentric structure with a high purity polymethyl methacrylate (PMMA) core, and a thin coating layer of fluorine transparent polymer with a lower refractive index than said core.
Procedimento Tecnico - Stato dell?Arte Technical Procedure - State of the Art
Secondo le pi? moderne tecnologie utilizzate in fibra ottica, il primo passo nella costruzione del sensore ? quello di rimuovere la guaina dalla sezione centrale di una fibra (definita/chiamata fibra sensibile). According to the most? modern technologies used in optical fiber, the first step in the construction of the sensor ? that of stripping the sheath from the middle section of a fiber (called/called sensitive fibre).
Poich? questa procedura ? manuale, e siccome lo spessore del rivestimento ? molto piccolo, ? probabile che si verifichino alcuni danni nel rivestimento o persino nel nucleo. Pertanto, questa procedura deve essere eseguita con estrema attenzione e la sezione deve essere esaminata utilizzando una lente d'ingrandimento elettronica al fine di rilevare eventuali danni nel rivestimento. because this procedure ? manual, and since the thickness of the coating ? very small, ? some damage to the casing or even the core is likely. Therefore, this procedure must be performed very carefully and the section must be examined using an electronic magnifier in order to detect any damage in the coating.
Successivamente, la fibra viene piegata nel mezzo a forma di U, con la sezione esposta del rivestimento (zona sensibile). Next, the fiber is folded in half in a U shape, with the exposed section of the coating (sensitive area).
Procedimento Tecnico ? Sistema Proposto Technical Procedure? Proposed System
Il PMMA secondo la presente invenzione viene utilizzato in alternativa alla fibra ottica. Alcune delle differenze tra i due materiali sono le seguenti: The PMMA according to the present invention is used as an alternative to the optical fiber. Some of the differences between the two materials are as follows:
- il plexiglas ha una densit? di 1,19 circa la met? di quella della fibra ottica - Plexiglas has a density? of 1.19 about the half? than that of optical fiber
- il plexiglas pu? essere prodotto per estrusione (sigla XT) o per colatura (sigla GS); - Plexiglas can? be produced by extrusion (acronym XT) or by casting (acronym GS);
- il plexiglas ha un punto di rottura superiore alla fibra ottica ed un punto di rottura inferiore all?utilizzo del policarbonato; - Plexiglas has a higher breaking point than optical fiber and a lower breaking point than the use of polycarbonate;
- il plexiglas ? pi? tenero e sensibile alle abrasioni; a questo generalmente si ovvia con un opportuno rivestimento; - the plexiglas ? more tender and sensitive to abrasion; this is generally avoided with a suitable coating;
- il plexiglas pu? essere modellato per riscaldamento (termoformatura) a temperature relativamente basse. - Plexiglas can? be shaped by heating (thermoforming) at relatively low temperatures.
Ulteriormente, l?utilizzo del plexiglas ? trasparente alla luce infrarossa fino a 2800 nm, mentre la luce di lunghezze d'onda maggiore viene sostanzialmente bloccata; esistono specifiche formulazioni di PMMA atte a bloccare la luce visibile e a lasciar passare la luce infrarossa di un dato intervallo di frequenze; inoltre, a differenza della fibra ottica, esistono alcune formulazioni che non fermano la luce ultravioletta. Suddette differenze forniscono un risultato che, secondo la presente invenzione, riduce i tempi per misurare la concentrazione ionica di un elettrolita e/o di altre soluzioni. Furthermore, the use of Plexiglas ? transparent to infrared light up to 2800 nm, while light of longer wavelengths is substantially blocked; there are specific formulations of PMMA able to block visible light and to let the infrared light of a given frequency range pass; also, unlike fiber optics, there are some formulations that do not block ultraviolet light. The above differences provide a result which, according to the present invention, reduces the time required to measure the ionic concentration of an electrolyte and/or other solutions.
In particolare, la sensibilit? della riflessione del segnale alla curvatura di un elemento sensore in plexiglas (1) aumenta in maniera proporzionale al raggio di curvatura (definito: r.d.c), in quanto: In particular, the sensitivity of the reflection of the signal at the curvature of a Plexiglas sensor element (1) increases proportionally to the radius of curvature (defined: r.d.c), because:
In questa applicazione, tuttavia, l'obiettivo ? proprio quello di ottenere una perdita maggiore nella curvatura, per ottenere un grado di riflessione maggiore, ma anche pi? veloce. In this application, however, the goal is precisely to obtain a greater loss in the curvature, to obtain a greater degree of reflection, but also more? fast.
Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata nella sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali per tale scopo il dispositivo/sistema in accordo alla sua forma di realizzazione della presente invenzione consiste delle seguenti parti rappresentati nelle figure allegate. The characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description in its practical embodiment, illustrated by way of non-limiting example in the attached drawings, in which for this purpose the device/system according to its embodiment of the present The invention consists of the following parts represented in the accompanying figures.
Un sensore in plexiglas (1) isolato dalla soluzione elettrolitica (2) viene rappresentato in un primo schema in Fig. (c). A Plexiglas sensor (1) isolated from the electrolyte solution (2) is represented in a first diagram in Fig. (c).
In Fig. (d) viene mostrato un secondo schema del sensore in plexiglas (1) costituito da un sensore ottico d?onda di luce piegato nel mezzo a forma di U ed immerso in una soluzione elettrolitica (2), in cui detto elemento sensore in plexiglas (1) ? costituito da un sistema di comunicazione ottico, comprendente: Fig. (d) shows a second diagram of the Plexiglas sensor (1) consisting of an optical light wave sensor folded in the middle in a U shape and immersed in an electrolytic solution (2), in which said sensor element in plexiglass (1) ? consisting of an optical communication system, comprising:
- un trasmettitore posizionato in una prima estremit? (1a) del sensore in plexiglas (1), in particolare un emettitore del segnale ottico (3a) in comunicazione elettrica con dei LED (5), atto a codificare un segnale elettrico di ingresso (3) in un segnale ottico; - a transmitter positioned in a first end? (1a) of the Plexiglas sensor (1), in particular an emitter of the optical signal (3a) in electrical communication with some LEDs (5), able to encode an electrical input signal (3) into an optical signal;
- un rilevatore posizionato in una seconda estremit? (1b) del sensore in plexiglas (1), in particolare un ricevitore del segnale ottico (3b) atto ad estrarre il segnale ottico ricevuto dall?emettitore del segnale ottico (3a). - a detector positioned in a second extremity? (1b) of the Plexiglas sensor (1), in particular an optical signal receiver (3b) able to extract the optical signal received from the optical signal emitter (3a).
L'emettitore ottico (3a) e il ricevitore ottico (3b) sono collegati alle rispettive estremit? del sensore in plexiglas (1) usando connettori appropriati che sono ben noti al tecnico del ramo. Are the optical emitter (3a) and the optical receiver (3b) connected at the respective ends? of the Plexiglas sensor (1) using appropriate connectors which are well known to the person skilled in the art.
Il segnale ottico proveniente dall'emettitore ottico (3a) viene inviato/trasmesso da una prima estremit? (1a) del sensore in plexiglas (1) attraverso il nucleo (4) posizionato a monte di detto di detto ricevitore del segnale ottico (3b) e a valle di detto emettitore del segnale ottico (3a), in cui una prima parte del segnale ottico viene parzialmente rifratto al mezzo esterno secondo il principio di funzionamento indicato dal coefficiente di Fresnel. Is the optical signal coming from the optical emitter (3a) sent/transmitted by a first end? (1a) of the Plexiglas sensor (1) through the core (4) positioned upstream of said of said optical signal receiver (3b) and downstream of said optical signal emitter (3a), wherein a first part of the optical signal is partially refracted to the external medium according to the operating principle indicated by the Fresnel coefficient.
Il segnale ottico della seconda e restante parte viene riflesso/rilevato alla seconda estremit? (1b) del sensore in plexiglas (1), in cui ? posizionato il ricevitore del segnale ottico (3b). Is the optical signal of the second and remaining part reflected/detected at the second end? (1b) of the Plexiglas sensor (1), in which ? positioned the optical signal receiver (3b).
Un ulteriore secondo sensore in plexiglas di forma ad U pu? essere utilizzato come riferimento di supporto, al fine di compensare alcune possibili variazioni della tensione di alimentazione o altri elementi. An additional second U-shaped Plexiglas sensor can? be used as a supporting reference, in order to compensate for some possible variations in the supply voltage or other elements.
La tensione di uscita dei ricevitori ottici (3b) diminuisce all'aumentare della densit? della soluzione. Does the output voltage of the optical receivers (3b) decrease as the density increases? of the solution.
Tuttavia, la differenza di tensione tra le soluzioni pi? dense e quelle meno dense dipende dalla lunghezza del raggio. However, the voltage difference between the solutions pi? dense and less dense ones depends on the length of the ray.
Il raggio ottimale R? ? quello che fornisce la maggiore differenza di tensione di uscita tra il mezzo pi? e meno denso, ovvero il raggio pi? sensibile all'interno dell'intervallo previsto dalla densit? dell'elettrolita, che secondo i pi? moderni sistemi tradizionali comportano minori perdite The optimal radius R? ? the one that provides the greatest difference in output voltage between the half pi? and less dense, or the radius more? sensitive within the range provided by the density? of the electrolyte, which according to the pi? modern traditional systems involve less losses
come indicato/rappresentato nella seguente tabella: as indicated/represented in the following table:
TABELLA 1 TABLE 1
La soluzione proposta secondo l?oggetto della presente invenzione consente di ottenere prestazioni maggiori, in quanto: The solution proposed according to the object of the present invention allows to obtain higher performances, since:
<Ovvero:> <That is:>
essendo la sensibilit? della radiazione direttamente proporzionale alla concentrazione dell?elettrolita, ed ? dovuto ad una escursione massima di voltaggio pari ad 1 volt, con: being the sensitivity? of the radiation directly proportional to the concentration of the electrolyte, and ? due to a maximum voltage excursion equal to 1 volt, with:
ed essendo ? > ??. and being ? > ??.
I dispositivi optoelettronici vengono selezionati in base alle caratteristiche del sensore. Optoelectronic devices are selected based on the characteristics of the sensor.
Poich? il plexiglas presenta diverse classi di attenuazione della luce a determinate lunghezze d'onda, in particolare nella gamma degli infrarossi, bisogna selezionare detti LED (5) nell?ordine di pochi nanometri. because Plexiglas has different classes of light attenuation at certain wavelengths, in particular in the infrared range, it is necessary to select said LEDs (5) in the order of a few nanometres.
Il sensore ? notevolmente influenzato da un cambiamento di temperatura. Ci? ? dovuto principalmente all'effetto che la temperatura ha sugli emettitori (3a) e sui ricevitori ottici (3b). The sensor? significantly affected by a change in temperature. There? ? mainly due to the effect that the temperature has on the optical emitters (3a) and receivers (3b).
Per tale scopo, l'intero sistema elettronico include anche dei sensori di temperatura (termocoppie) per le misurazioni della temperatura ambiente e della batteria. For this purpose, the entire electronic system also includes temperature sensors (thermocouples) for measuring ambient and battery temperatures.
Detto elemento sensore in plexiglas (1) ? un dispositivo rilevatore/identificativo elettronico atto a trasmettere/inviare le informazioni codificate ad un sottosistema definito come una piattaforma di raccolta dei dati (6) come indicato nel brevetto pi? vicino WO/2019/092762 e/o secondo le pi? moderne tecnologie di telecomunicazioni di tipo remoto. Said Plexiglas sensor element (1) ? an electronic detector/identification device adapted to transmit/send the encoded information to a subsystem defined as a data collection platform (6) as indicated in the patent more? close WO / 2019/092762 and / or according to the pi? modern telecommunication technologies of a remote type.
Le informazioni rilevate dal sensore in plexiglas (1) sono trasmesse/inviate a detta piattaforma di raccolta dei dati (6) mediante/tramite le possibili seguenti modalit? di trasmissione a distanza: The information detected by the Plexiglas sensor (1) is transmitted/sent to said data collection platform (6) by/through the following possible methods? remote transmission:
- uno standard tecnico/industriale per reti personali (PAN) preferibilmente di tipo WPAN attraverso una frequenza radio sicura a corto raggio (Bluetooth); - a technical/industrial standard for personal networks (PAN) preferably of the WPAN type via a secure short-range radio frequency (Bluetooth);
- una rete locale in modalit? Wireless (WLAN) basandosi sulle specifiche dello standard IEEE 802.11; - a local area network in Wireless (WLAN) based on IEEE 802.11 standard specifications;
- una tipologia di accesso identificata via GPRS (connessione dati diretta di tipo 2.5) o tramite UMTS (di tipo 3.0). - a type of access identified via GPRS (direct data connection type 2.5) or via UMTS (type 3.0).
Detta piattaforma di raccolta dei dati (6), viene utilizzato per l?invio/ricezione delle rilevazioni effettuate dall?elemento sensore (1). Said data collection platform (6), is used for sending/receiving the readings made by the sensor element (1).
In particolare, la piattaforma di raccolta dei dati (6) ? un apparecchio radio mobile terminale, ovvero un telefono cellulare oppure un tablet, in cui: In particular, the data collection platform (6) ? a terminal mobile radio device, i.e. a mobile phone or a tablet, in which:
- comprende una applicazione remota per consentire la ricezione/lettura di dette informazioni memorizzate/rilevate, ovvero ? un database digitale ed ? implementato/configurato per storicizzare tutti i dati ricevuti; - does it include a remote application to allow the receipt/reading of said memorized/detected information, or ? a digital database and ? implemented/configured to log all received data;
- comprende una memoria di massa per immagazzinare/aggregare i dati acquisiti. - includes a mass memory to store/aggregate the acquired data.
Claims (3)
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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| IT102021000003566A IT202100003566A1 (en) | 2021-02-18 | 2021-02-18 | Energy-saving device for monitoring lead-acid electric batteries |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| IT202100003566A1 true IT202100003566A1 (en) | 2021-05-18 |
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ID=75850466
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| IT102021000003566A IT202100003566A1 (en) | 2021-02-18 | 2021-02-18 | Energy-saving device for monitoring lead-acid electric batteries |
Country Status (2)
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|---|---|
| IT (1) | IT202100003566A1 (en) |
| WO (1) | WO2022174936A1 (en) |
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