Elektrochromes Meß- und Anzeigegerät für elektrische MeßgrößenElectrochromic measuring and display device for electrical measurands
Die Erfindung betrifft ein analoges Meß- und Anzeigeinstrument für elektrische Meßgrößen, dem ein elektrochromes Medium (ECM) gleichzeitig zur Messung undThe invention relates to an analog measuring and display instrument for electrical measured variables, which an electrochromic medium (ECM) simultaneously for measurement and
Anzeige der Meßgröße dient.The measured variable is used.
Zum Anzeigen und Messen von elektrischen Meßgrößen werden zwei Instrumenttypen verwendet. Beim ersten Typ wird die Messung der elektrischen Größe auf die Messung eines Stroms zurückgeführt. Die Anzeige erfolgt mechanisch. Das Galvanometer ist ein typisches Meßgerät mit mechanischer Anzeige. Beim Galvanometer wird eine stromdurchflossene Spule durch die Lorentzkraft im Feld eines Permanentmagneten ausgelenkt. Ein mit der Spule fest verbundener Zeiger bewegt sich entsprechend der Stromstärke in der Spule über die Meßskala. Solche elektro-mechani- sehen Meß- und Anzeigeinstrumente sind aufwendig zu bauen und wenig robust. Zudem unterliegen sie mit ihrer Mechanik dem ständigen Verschleiß.Two types of instruments are used to display and measure electrical parameters. In the first type, the measurement of the electrical quantity is attributed to the measurement of a current. The display is mechanical. The galvanometer is a typical measuring device with mechanical display. In the galvanometer, a current-carrying coil is deflected by the Lorentz force in the field of a permanent magnet. A pointer firmly connected to the coil moves over the measuring scale in accordance with the current strength in the coil. Such electro-mechanical measuring and display instruments are complex to build and not very robust. With their mechanics, they are also subject to constant wear.
Neuere Meßinstrumente messen die elektrischen Meßgrößen elektronisch über einen Operationsverstärker. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers wird über einen Analog/Digitalwandler für die Anzeige in einer, meist flüssigkristallinen, Anzeige aufbereitet. In diesen neueren Meßinstrumenten sind die Meßeinheit und die Anzeigeeinheit voneinander getrennt. Dies macht den Aufbau aufwendig.Newer measuring instruments measure the electrical measured quantities electronically via an operational amplifier. The output voltage of the operational amplifier is processed via an analog / digital converter for display in a, mostly liquid-crystalline, display. In these newer measuring instruments, the measuring unit and the display unit are separated from one another. This makes the construction complex.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßgerät zu konzipieren, das einerseits verschleiß- frei arbeitet und andererseits durch eine Kopplung der Meß- und Anzeigefunktion einfach aufgebaut ist.The object of the invention is to design a measuring device which on the one hand works wear-free and on the other hand is simply constructed by coupling the measuring and display function.
Eine Elektrochrome-Zelle (EC-Zelle) besteht aus zwei Elektroden zwischen denen sich das ECM befindet. Beim Anlegen einer ausreichend hohen Spannung an die Elektroden fließt ein Strom zwischen den Elektroden und das ECM färbt sich. Dies ist der elektrochrome Effekt (ECE). Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer EC-Zelle
2An electrochrome cell (EC cell) consists of two electrodes between which the ECM is located. When a sufficiently high voltage is applied to the electrodes, a current flows between the electrodes and the ECM changes color. This is the electrochromic effect (ECE). The current-voltage characteristic of an EC cell 2
ist S-förmig (Fig. 1). Unterhalb einer gewissen Spannung, der Schaltspannung (Usch), fließt kein Strom in der EC-Zelle und es findet kein ECE statt. Oberhalb der Schaltspannung kommt es aufgrund der zunehmenden Ladungsübertragung von der Elektrode auf das ECM zu einem Anstieg des Stromes und der ECE setzt ein. Beim Erreichen der Sättigungsspannung (USatt) geht der Strom in einen Sättigungstromis S-shaped (Fig. 1). Below a certain voltage, the switching voltage (U sch ), no current flows in the EC cell and there is no ECE. Above the switching voltage there is an increase in the current due to the increasing charge transfer from the electrode to the ECM and the ECE starts. When the saturation voltage (U Satt ) is reached, the current changes to a saturation current
(ISatt) über, der auch bei einer weiteren Spannungserhöhung konstant bleibt. Bei USatt erreicht die EC-Zelle ihre maximale Farbtiefe.(I Satt ) above, which remains constant even with a further voltage increase. At U Satt , the EC cell reaches its maximum color depth.
Die Erfindung beruht auf der Idee, das Schaltverhalten des ECMs mit einem Spannungsabfall entlang mindestens einer Elektrodenfläche derart zu kombinieren, daß der Ort der EC-Zelle, an dem USch überschritten wird und sich das ECM färbt, als Maß für die angelegte Spannung abgelesen werden kann.The invention is based on the idea of combining the switching behavior of the ECM with a voltage drop along at least one electrode surface in such a way that the location of the EC cell at which U Sch is exceeded and the ECM changes color can be read as a measure of the voltage applied can.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein analoges Meß- und An- zeigegerät für elektrische Meßgrößen, das aus einer EC-Zelle besteht, die zwischen zwei Elektroden ein ECM enthält, wobei mindestens eine der Elektroden wenigstens teilweise transparent ist und mindestens eine der Elektroden einen endlichen Flächenwiderstand aufweist. Die Grundfläche der Elektroden wird durch eine kurze und eine lange Achse beschrieben. Die Grundfläche ist vorzugsweise rechteckig. Die Grundfläche kann auch hufeisenförmig sein. Die kurze und die lange Achse beschreiben bei einer hufeisenförmigen Fläche das Aspektverhältnis. Elektroden mit einem endlichen Flächenwiderstand weisen vorzugsweise einen Widerstand von 10 bis 200.000 Ohm zwischen den der kurzen Achse entsprechenden Seiten auf.The present invention accordingly relates to an analog measuring and display device for electrical measured variables, which consists of an EC cell which contains an ECM between two electrodes, at least one of the electrodes being at least partially transparent and at least one of the electrodes being finite Has surface resistance. The base area of the electrodes is described by a short and a long axis. The base area is preferably rectangular. The base area can also be horseshoe-shaped. The short and long axes describe the aspect ratio on a horseshoe-shaped surface. Electrodes with a finite sheet resistance preferably have a resistance of 10 to 200,000 ohms between the sides corresponding to the short axis.
Der eine Pol des Meßsignals wird an einer der kurzen Achse entsprechenden Seite der Elektrode mit endlichem Flächenwiderstand angelegt. Der andere Pol wird entweder an die andere, der kurzen Achse entsprechenden Seite der Elektrode mit endlichem Flächenwiderstand angelegt oder an eine der kurzen Achse entsprechenden Seite der anderen Elektrode. Werden beide Pole des Meßsignals an die Elektrode mit endlichem Flächenwiderstand angelegt, so wird diese Elektrode an einer der kurzen Achse entsprechenden Seite elektrisch leitend mit einer der kurzen
3One pole of the measurement signal is applied to a side of the electrode corresponding to the short axis with finite sheet resistance. The other pole is either applied to the other side of the electrode with finite sheet resistance corresponding to the short axis or to one side of the other electrode corresponding to the short axis. If both poles of the measurement signal are applied to the electrode with finite surface resistance, then this electrode becomes electrically conductive on one side corresponding to the short axis with one of the short ones 3
Achse entsprechenden Seite der anderen Elektrode verbunden. Werden beide Pole des Meßsignals an die der kurzen Achse entsprechenden Seiten von verschiedenen Elektroden angelegt, so können die Elektroden entweder voneinander isoliert sein oder an ihren der kurzen Achse entsprechenden Seiten elektrisch leitend verbunden sein. Elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Elektroden können auch beispielsweise feste oder variable Widerstände oder nichlineare Bauelemente enthalten.Axis corresponding side of the other electrode connected. If both poles of the measurement signal are applied to the sides of different electrodes corresponding to the short axis, the electrodes can either be insulated from one another or be electrically conductively connected on their sides corresponding to the short axis. Electrically conductive connections between the electrodes can also contain, for example, fixed or variable resistors or non-linear components.
Beide Elektroden können gleiche oder unterschiedliche Flächenwiderstände auf- weisen. Eine der Elektroden kann insbesondere eine metallische Leitfähigkeit haben.Both electrodes can have the same or different sheet resistances. One of the electrodes can in particular have a metallic conductivity.
In die Verbindung oder die Verbindungen zwischen den Polen des Meßsignals und der Elektrode mit dem endlichen Flächenwiderstand können weitere elektrische Bauteile, wie feste und/oder variable Widerstände oder Dioden, eingefügt werden. Bauteile, die zur Beschaltung der Elektroden dienen, können separate Komponenten sein. Bauteile, insbesondere die Widerstände, können aber auch als integrierte Strukturen in den leitfähigen Beschichtungen oder als leitfähiger Abstandshalter zwischen den beiden Elektrodenflächen realisiert werden. Diese Beschaltung der Elektroden mit zusätzlichen elektrischen Bauteilen kann der Festlegung des Meßbereichs dienen.Further electrical components, such as fixed and / or variable resistors or diodes, can be inserted into the connection or connections between the poles of the measurement signal and the electrode with the finite sheet resistance. Components that are used to connect the electrodes can be separate components. Components, in particular the resistors, can also be implemented as integrated structures in the conductive coatings or as conductive spacers between the two electrode surfaces. This connection of the electrodes with additional electrical components can serve to determine the measuring range.
Die Messung des Signals erfolgt über die aus dem endlichen Flächen widerstand von mindestens einer Elektrode resultierende Änderung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Elektroden in Richtung der langen Achse.The signal is measured via the change in the voltage difference between the two electrodes in the direction of the long axis resulting from the finite surface resistance of at least one electrode.
Elekrochrome Medien (ECMs). die in der EC-Zelle eingesetzt werden können, sind beispielsweise in den US-A 3 451 741 , der EP-A 240 226, der WO 94/23333, der WO 97/30134 und der WO 97/30135 beschrieben. Erfindungsgemäß bevorzugte elektrochrome Flüssigkeiten werden in den deutschen Patentanmeldungen 19 605 441 , 19 621 865 und 19 631 729 beschrieben. Die bevorzugten ECMs bieten
4Electrochromic media (ECMs). which can be used in the EC cell are described, for example, in US Pat. No. 3,451,741, EP-A 240,226, WO 94/23333, WO 97/30134 and WO 97/30135. Electrochromic liquids preferred according to the invention are described in German patent applications 19 605 441, 19 621 865 and 19 631 729. The preferred ECMs offer 4
eine starke elektrochrome Absoφtionsänderung im Sichtbaren und weisen eine hohe Reversibilität auf.a strong electrochromic absorption change in the visible and have a high reversibility.
Das elektrochrome Medium kann eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein Feststoff sein. Bevorzugt sind Flüssigkeiten und Gele.The electrochromic medium can be a liquid, a gel or a solid. Liquids and gels are preferred.
Sie enthalten eine oder mehrere elektrochrome Substanzen, gegebenenfalls wenigstens ein Lösungsmittel, gegebenenfalls wenigstens einen UV-Absorber, gegebenenfalls wenigstens ein Salz zur Erhöhung der Leitfähigkeit sowie gegebenenfalls wenigstens einen Verdicker.They contain one or more electrochromic substances, optionally at least one solvent, optionally at least one UV absorber, optionally at least one salt to increase the conductivity and optionally at least one thickener.
Geeignete elektrochrome Substanzen sind Paare von Redoxsubstanzen, von denen eine reduzierbar und die andere oxidierbar ist. Beide sind insbesondere farblos oder nur schwach gefärbt. Nach Anlegen einer Spannung an die EC-Zelle wird die eine Substanz reduziert, die andere oxidiert, wobei wenigstens eine farbig wird. Nach Abschalten der Spannung bilden sich die beiden ursprünglichen Redoxsubstanzen wieder zurück und die EC-Zelle entfärbt sich.Suitable electrochromic substances are pairs of redox substances, one of which can be reduced and the other can be oxidized. Both are particularly colorless or only slightly colored. After a voltage is applied to the EC cell, one substance is reduced, the other is oxidized, at least one becoming colored. After the voltage is switched off, the two original redox substances re-form and the EC cell decolors.
RED1 + OX2 4 ► OX1 + RED2 (farblos) (farbig)RED 1 + OX 2 4 ► OX 1 + RED 2 (colorless) (colored)
(Niederenergiepaar) (Hochenergiepaar)(Low energy pair) (high energy pair)
Geeignete Paare von Redoxsubstanzen, von denen die reduzierbare Substanz wenigstens zwei chemisch reversible Reduktionswellen im Cyclischen Voltammogramm und die oxidierbare Substanz entsprechend wenigstens zwei chemisch reversibleSuitable pairs of redox substances, of which the reducible substance at least two chemically reversible reduction waves in the cyclic voltammogram and the oxidizable substance correspondingly at least two chemically reversible
Oxidationswellen besitzen sind aus US-P 4,902,108 ist bekannt. Aus WO 97/30134 sind solche Redoxsysteme bekannt, in denen RED, und OX2 bzw. OX, und RED2 über eine Brücke B kovalent aneinander gebunden sind. Solche Substanzen sind ebenfalls geeignet. Ebenfalls geeignet sind solche Redoxsysteme, bei denen der reversible Übergang zwischen RED und OX oder umgekehrt mit dem Lösen oderOxidation waves are known from US Pat. No. 4,902,108. Such redox systems are known from WO 97/30134 in which RED, and OX 2 or OX, and RED 2 are covalently bonded to one another via a bridge B. Such substances are also suitable. Also suitable are those redox systems in which the reversible transition between RED and OX or vice versa with the release or
Schließen einer σ-Bindung verbunden ist. Solche Substanzen sind beispielsweise aus
5Closing a σ bond is connected. Such substances are, for example, from 5
WO 97/30135 bekannt. Im Sinne der Erfindung geeignet sind auch Metallsalze oder Metallkomplexe von solchen Metallen, die in mindestens zwei Oxidationsstufen existieren. Vorteilhaft unterscheiden sich die beiden Oxidationsstufen um eine Oxidationsstufe. Ebenfalls geeignet sind Oligo- und Polymere, die mindestens eines der genannten Redoxsysteme, aber auch Paare solcher Redoxsysteme, wie sie oben definiert sind, enthalten. Ebenfalls geeignet sind Mischungen der eben beschriebenen Substanzen, vorausgesetzt diese Mischungen enthalten mindestens ein reduzierbares und mindestens ein oxidierbares Redoxsystem. Geeignete Lösungsmittel, Salze, UV- Absorber und Verdicker sind bekannt.WO 97/30135 known. Metal salts or metal complexes of metals which exist in at least two oxidation states are also suitable for the purposes of the invention. The two oxidation levels advantageously differ by one oxidation level. Also suitable are oligomers and polymers which contain at least one of the redox systems mentioned, but also pairs of such redox systems as defined above. Mixtures of the substances just described are also suitable, provided that these mixtures contain at least one reducible and at least one oxidizable redox system. Suitable solvents, salts, UV absorbers and thickeners are known.
Die Schaltspannungen derartiger elektrochromer Flüssigkeiten liegen üblicherweise im Bereich zwischen 0,2 und 3 Volt, insbesondere 0,3 bis 1,5 Volt.The switching voltages of such electrochromic liquids are usually in the range between 0.2 and 3 volts, in particular 0.3 to 1.5 volts.
Das ECM kann selbstlöschend sein. Die Zelle entfärbt sich wieder durch Rekombina- tion der Ionen des ECMs, sobald die angelegte Spannung unter USc sinkt. Werden selbstlöschende ECMs verwendet, so sind Meß- und Anzeigegeräte mit hohemThe ECM can be self-extinguishing. The cell decolours again by recombining the ions of the ECM as soon as the applied voltage drops below U Sc . If self-extinguishing ECMs are used, measuring and display devices with high
Kontrast der Anzeige und langer Lebensdauer realisierbar.Contrast of the display and long service life possible.
Ist das ECM nicht selbstlöschend, so muß ein Gegenpotential angelegt werden, um den elektrochromen Effekt rückgängig zu machen. Bei der Verwendung von einem nicht selbstlöschenden ECM bleibt die Anzeige nach der Messung erhalten, bis zur Löschung ein Gegenpotential angelegt wird.If the ECM is not self-extinguishing, a counter potential must be applied in order to undo the electrochromic effect. If a non-self-extinguishing ECM is used, the display remains after the measurement until a counter potential is applied until it is deleted.
Wenn das ECM eine Flüssigkeit oder ein Gel mit niedriger Viskosität ist, dann sind die Elektroden zweckmäßigerweise auf einem tragfähigen festen oder flexiblen Material (Substrat) aufgebracht. Mindestens ein Substrat besteht dann aus einem lichtdurchlässigen Material, beispielsweise Glas oder Kunstoff, wie Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat (PMMA). Dieses Substrat ist auf der in Kontakt mit dem ECM stehenden Seite mit einer elektrisch leitfähigen, lichtdurchlässigen Schicht, z.B. Indium-Zinn-Oxid (ITO), einem leitfähigen Polymer, z.B. Polyethylen- dioxythiophen (PEDT), oder jeder anderen leitfähigen, lichtdurchlässigen Schicht
6If the ECM is a liquid or a gel with low viscosity, then the electrodes are expediently applied to a stable, solid or flexible material (substrate). At least one substrate then consists of a translucent material, for example glass or plastic, such as polycarbonate or polymethyl methacrylate (PMMA). This substrate is on the side in contact with the ECM with an electrically conductive, translucent layer, for example indium tin oxide (ITO), a conductive polymer, for example polyethylene dioxythiophene (PEDT), or any other conductive, translucent layer 6
versehen. Derartige elektrisch leitfähige und lichtdurchlässige Schichten können einen spezifischen Flächenwiderstand von 1 bis 10.000 Ohm pro Quadrat aufweisen.Mistake. Such electrically conductive and translucent layers can have a specific surface resistance of 1 to 10,000 ohms per square.
Die zweite Elektrode kann identisch wie die erste Elektrode ausgebildet sein. Sie kann aber auch aus einer Metallplatte oder aus einer auf einem Substrat aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht bestehen, wobei diese Schicht reflektierende Eigenschaften aufweist. In diesem Fall muß das Substrat keine lichtdurchlässigen Eigenschaften aufweisen. Die reflektierende Eigenschaft kann aber auch durch die Beschichtung des lichtdurchlässigen Substrats auf der nicht dem ECM zugewandten Seite mit einer reflektierenden Substanz, wie z.B. einem Metall, erreicht werden.The second electrode can be configured identically to the first electrode. However, it can also consist of a metal plate or of an electrically conductive layer applied to a substrate, this layer having reflective properties. In this case, the substrate does not have to have translucent properties. However, the reflective property can also be achieved by coating the translucent substrate on the side not facing the ECM with a reflective substance, e.g. a metal.
Ist das ECM ein Feststoff, beispielsweise ein elektrochromes Polymer, dann muß nur eine Elektrode aus einem tragfähigen Substrat bestehen. Die andere Elektrode kann in diesem Fall nur aus einer leitfähigen Schicht bestehen, beispielsweise einem leitfähigen Polymerfilm oder einer metallischen Aufdampfschicht. Eine der beiden Elektroden muß lichtdurchlässig sein.If the ECM is a solid, for example an electrochromic polymer, then only one electrode has to consist of a stable substrate. In this case, the other electrode can only consist of a conductive layer, for example a conductive polymer film or a metallic vapor deposition layer. One of the two electrodes must be translucent.
Eine bessere Anzeigefunktion wird erreicht, wenn im Anzeigefeld Zahlen, Symbole oder Buchstaben sichtbar gemacht werden, insbesondere solche, die sich auf dieA better display function is achieved if numbers, symbols or letters are made visible in the display field, especially those relating to the
Skalierung des Meßwertes beziehen. Dies kann realisiert werden durch eine entsprechende Strukturierung von einer oder beiden Elektroden oder durch das Bedrucken der Substratfläche, falls die elektrisch leitfähige Beschichtung durchsichtig ist, oder durch das Bedrucken der elektrisch leitfähigen Beschichtung selber.Obtain scaling of the measured value. This can be achieved by appropriate structuring of one or both electrodes or by printing on the substrate surface if the electrically conductive coating is transparent, or by printing on the electrically conductive coating itself.
Die elektrochrome Zelle kann auch in verschiedene Kompartimente aufgeteilt sein, vorzugsweise wird sie in Richtung der längeren Achse abschnittsweise unterteilt. Durch diese Unterteilung wird die Kennlinie der Anzeige steiler und damit die Meßgenauigkeit erhöht, da die Möglichkeit der Diffusion der Ladungsträger in Längsrichtung der Zelle begrenzt ist. Eine noch schärfere Auflösung wird durch eine Modulierung der Leitfähigkeit der Elektrode mit endlichem Flächenvviderstand
7The electrochromic cell can also be divided into different compartments, preferably it is divided in sections in the direction of the longer axis. This subdivision increases the characteristic curve of the display and thus increases the measuring accuracy, since the possibility of diffusion of the charge carriers in the longitudinal direction of the cell is limited. An even sharper resolution is achieved by modulating the conductivity of the electrode with finite surface resistance 7
entlang ihrer Längsachse erreicht, wenn die Leitfähigkeit sich genau an den Grenzen zwischen den Kompartimenten ändert.along its longitudinal axis if the conductivity changes exactly at the boundaries between the compartments.
Das erfindungsgemäße Meß- und Anzeigegerät ist einfach aufgebaut. Es kann fast in beliebiger geometrischer Form realisiert werden und vereinigt Meß- und Anzeigefunktion. Das erfindungsgemäße Meß- und Anzeigegerät kann für die Messung von Gleichspannungen oder gepulsten Gleichspannungen, wie sie nach Gleichrichtung von Wechselspannungen erhalten werden, verwendet werden. Der Meßbereich liegt vorzugsweise im Bereich zwischen der Schaltspannung Usch und dem 3 fachen der Sättigungsspannung USatt. Sollen Spannungen gemessen werden, die außerhalb diesesThe measuring and display device according to the invention is simple in construction. It can be implemented in almost any geometric shape and combines measurement and display functions. The measuring and display device according to the invention can be used for the measurement of direct voltages or pulsed direct voltages, such as are obtained after rectification of alternating voltages. The measuring range is preferably in the range between the switching voltage U sch and 3 times the saturation voltage U Satt . Should voltages be measured that are outside of this
Meßbereiches liegen, so müssen diese, gegebenenfalls durch externe Wandlung, an diesen Meßbereich angepaßt werden. Die Anpassung des Meß- und Anzeigebereiches erfolgt zweckmäßigerweise durch Kalibrier- und Vorwiderstände.Of the measuring range, they must be adapted to this measuring range, if necessary by external conversion. The measurement and display range is expediently adapted by means of calibration and series resistors.
" Das Gerät eignet sich damit zur Anzeige von Batteriespannungen, Netzspannungen, gegebenenfalls nach Gleichrichtung, sowie zur Anzeige von beliebigen Meßgrößen nach Umwandlung in ein Spannungssignal."The device is therefore suitable for displaying battery voltages, mains voltages, if necessary after rectification, and for displaying any measurement variables after conversion into a voltage signal.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren und den Beispielen näher erläutert:The invention is explained in more detail below with the aid of the attached figures and the examples:
Fig. 1 zeigt die an einer elektrochromen Zelle gemessene Strom-Spannungs-Kennlinie.1 shows the current-voltage characteristic measured on an electrochromic cell.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meß- und Anzeigegerätes.Fig. 2 shows a first embodiment of the measuring and display device according to the invention.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meß- und Anzeigegerätes.
8Fig. 3 shows a second embodiment of the measuring and display device according to the invention. 8th
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Meß- und Anzeigegerätes.Fig. 4 shows a third embodiment of the measuring and display device according to the invention.
Fig. 5 zeigt eine Kombination von Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schicht und aufgedruckten Symbolen, wie sie in einem Batterietester verwendet werden kann.5 shows a combination of structuring of the electrically conductive layer and printed symbols, as can be used in a battery tester.
Fig. 6 zeigt eine Elektrode der EC-Zelle mit eingeschnürter Elektrodengeometrie.6 shows an electrode of the EC cell with a constricted electrode geometry.
Fig. 1 zeigt eine typische Kennlinie einer sich zwischen zwei Elektroden befindlichen elektrochromen Flüssigkeit. Bei steigender Spannung U fließt zunächst kein Strom bis zum Erreichen der Schaltspannung Usch. Bei Usch steigt der Strom an. Bei USalt wird der Sättigungsstrom ISatt erreicht. Oberhalb von USatt bleibt der Strom auch bei weiter steigender Spannung konstant.
1 shows a typical characteristic curve of an electrochromic liquid located between two electrodes. When the voltage U rises, no current initially flows until the switching voltage U sch is reached . The current rises at U sch . At U Salt the saturation current I Satt is reached. Above U Satt , the current remains constant even when the voltage continues to rise.
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Beispiel 1example 1
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Meß- und Anzeigegerät, das zwei durchsichtige Platten aus Polycarbonat 1 , 2 aufweist, die auf ihrer nach innen gerichteten Seite mit einer ITO-Schicht 3, 4 versehen sind. Die beiden Platten bilden gemeinsam mit dem umlaufenden, elektrisch isolierenden Rahmen 5 eine Zelle 6, innerhalb der sich das ECM befindet. Die Zelle weist z.B. ein Verhältnis von Länge der Seite, die der langen Achse entspricht (in Richtung der dargestellten Quersclinittszeichnung) zur Länge der Seite, die der kurzen Achse entspricht (senkrecht zur Zeichnungsebene) von 3: 1 auf. Der Widerstand der ITO-Schichten in Längsrichtung der Zelle beträgt jeFig. 2 shows a measuring and display device according to the invention, which has two transparent plates made of polycarbonate 1, 2, which are provided on their inward side with an ITO layer 3, 4. The two plates together with the surrounding, electrically insulating frame 5 form a cell 6 within which the ECM is located. The cell e.g. a ratio of the length of the side which corresponds to the long axis (in the direction of the cross-sectional drawing shown) to the length of the side which corresponds to the short axis (perpendicular to the plane of the drawing) of 3: 1. The resistance of the ITO layers in the longitudinal direction of the cell is each
300 Ohm. Die aus der Zelle herausgeführten schmalen Seiten der ITO-Schichten weisen metallische Kontakte 7 und 8 auf, an die über einen Vorwiderstand 9 eine Spannungsquelle 10 angeschlossen ist. Der Vorwiderstand wird in Abhängigkeit des Innenwiderstandes und der Spannung der Spannungsquelle 10 so gewählt, daß die Spannung zwischen den Elektroden 3 und 4 in der Nähe der Mitte der Längsausdehnung der Zelle (Pfeil 1 1) der Schaltspannung USch entspricht. Links des Pfeils ist die Spannung aufgrund des ohmschen Widerstandes der ITO-Schichten höher als die Schaltspannung, rechts des Pfeiles 1 1 niedriger. Dementsprechend erscheint die Zelle bis zum Pfeil 1 1 (punktierter Bereich) farbgesättigt, rechts des Pfeiles 11 farblos. Der Meßbereich des Meßgerätes liegt zwischen 80 und 125% des durch Wahl des300 ohms. The narrow sides of the ITO layers led out of the cell have metallic contacts 7 and 8, to which a voltage source 10 is connected via a series resistor 9. The series resistor is selected as a function of the internal resistance and the voltage of the voltage source 10 so that the voltage between the electrodes 3 and 4 in the vicinity of the center of the longitudinal extent of the cell (arrow 11) corresponds to the switching voltage U Sch . On the left of the arrow the voltage is higher than the switching voltage due to the ohmic resistance of the ITO layers, on the right of the arrow 1 1 lower. Accordingly, the cell appears saturated in color up to arrow 11 (dotted area), and colorless to the right of arrow 11. The measuring range of the measuring device is between 80 and 125% of the choice of the
Vorwiderstandes 9 als 50 %-Farbsättigung eingestellten wahrscheinlichen Meßwertes.Series resistor 9 set as 50% color saturation probable measured value.
Beispiel 2Example 2
Bei der alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 ist die eine trans- parente Glasplatte 101 mit einer ITO-Schicht 103 versehen, deren Widerstand in Längsrichtung der Zelle beispielsweise 500 Ohm beträgt. Die andere Platte 102 weist im Beispiel eine metallische Beschichtung 104 mit zu vernachlässigendem elektrischen Widerstand auf. Prinzipiell kann dies aber auch eine beliebige leitfähigeIn the alternative embodiment of the invention according to FIG. 3, the one transparent glass plate 101 is provided with an ITO layer 103, the resistance of which in the longitudinal direction of the cell is, for example, 500 ohms. In the example, the other plate 102 has a metallic coating 104 with negligible electrical resistance. In principle, this can also be any conductive
Beschichtung sein, wobei nur die Leitfähigkeit besser als diejenige von 103 sein
10Be coating, with only the conductivity being better than that of 103 10
sollte. Die eine Schmalseite der Elektrode ist kurzgeschlossen (1 12). Die Zelle 106 wird durch die beschichteten Platten 101 und 102 sowie den umlaufenden, elektrisch isolierenden Rahmen 105 gebildet.should. One short side of the electrode is short-circuited (1 12). The cell 106 is formed by the coated plates 101 and 102 and the circumferential, electrically insulating frame 105.
Die zwischen den elektrische Kontakten 107 und 108 anliegende, zu messendeThe one to be measured between the electrical contacts 107 and 108
Spannung fällt längs der ITO-Schicht 103 ab. In dem Bereich, in dem die Spannung gegenüber der metallischen Gegenelektrode 104 die Schaltspannung des ECMs von beispielsweise 0,8 Volt überschreitet, fließt zwischen den Elektroden 103 und 104 der Sättigungsstrom ISatt, so daß dieser Teil der Zelle farbgesättigt ist (punktierter Bereich in der Zeichnung). Wird der wahrscheinlichste Meßwert mittelsVoltage drops along ITO layer 103. In the area in which the voltage against the metallic counter-electrode 104 exceeds the switching voltage of the ECM of, for example, 0.8 volts, the saturation current I Satt flows between the electrodes 103 and 104, so that this part of the cell is saturated with color (dotted area in the Drawing). The most probable measured value is by means of
Vorwiderstand 109 etwa für die Mitte der Zelle (Pfeil 1 1 1) kalibriert, beträgt der Meßbereich zwischen 50 % und 170 % dieses wahrscheinlichsten Meßwertes, wenn der Meßbereich auf einen Bereich von 20% bis 70%) der Längsausdehnung der Zelle beschränkt wird.Series resistor 109 calibrated approximately for the center of the cell (arrow 1 1 1), the measuring range is between 50% and 170% of this most probable measured value if the measuring range is limited to a range of 20% to 70%) of the longitudinal extent of the cell.
Beispiel 3Example 3
Bei der alternativen Ausfuhrungsform der Erfindung gemäß Fig. 4 ist die eine transparente Platte 201 mit einer ITO-Schicht 203 versehen ist, deren Widerstand in Längsrichtung der Zelle beispielsweise 200 Ohm beträgt. Die andere Platte 202 weist eine metallische Beschichtung 204 mit zu vernachlässigendem elektrischen Widerstand auf. Die beschichteten Platten sind an den Schmalseiten elektrisch leitend über die Abstandshalter 205 und 206, die über eine endliche Leitfähigkeit verfügen, miteinander verbunden. Der Widerstand durch diese Verbindung beträgt je 400 Ohm.In the alternative embodiment of the invention according to FIG. 4, one transparent plate 201 is provided with an ITO layer 203, the resistance of which in the longitudinal direction of the cell is, for example, 200 ohms. The other plate 202 has a metallic coating 204 with negligible electrical resistance. The coated plates are connected to one another on the narrow sides in an electrically conductive manner via the spacers 205 and 206, which have finite conductivity. The resistance through this connection is 400 ohms each.
Die aus der Zelle herausgeführten schmalen Seiten der ITO-Schichten weisen metallische Kontakte 207 und 208 auf, an die eine Spannungsquelle 209 angeschlossen ist. Die Platte 202 mit der metallischen Beschichtung 204 ist nur mit einem der metallischen Kontakte verbunden. Im übrigen wird die Zelle 210 durch die beschichteten Platten 201 und 202 sow ie elektrisch isolierenden Wänden an den Längsseiten gebildet. Ein externer Vorwiderstand kann entfallen.
11The narrow sides of the ITO layers led out of the cell have metallic contacts 207 and 208 to which a voltage source 209 is connected. The plate 202 with the metallic coating 204 is connected to only one of the metallic contacts. Otherwise, the cell 210 is formed by the coated plates 201 and 202 and the electrically insulating walls on the long sides. An external series resistor can be omitted. 11
Die angelegte Spannung fällt entlang 205 und 206 und der Elektrode 201 ab. Die abfallenden Spannungen verhalten sich in diesem Beispiel wie 2: 1 :2 (400/200/400 Ohm). Wird ein Akkumulator, beispielsweise eine Standard Mignon-Zelle mit einer Spannung von typischerweise 1.5 Volt, direkt an die Kontakte angeschlossen, beträgt das Potential entlang der Beschichtung der transparenten Platte 0,9 bis 0,6 Volt. Bei der Platte mit der metallischen Beschichtung beträgt das Potential einheitlich 0 Volt. Bei einer Schaltspannung des elektrochromen Mediums von z.B. 0,6 Volt ist die gesamte Zelle farbgesättigt. Ist der Akkumulator entladen, beträgt die Akkuspannung typischerweise 1 ,0 Volt. Entlang der Beschichtung der transparenten Platte beträgt das Potential dann nur noch 0,6 bis 0,4 Volt und die Zelle bleibt farblos.The applied voltage drops along 205 and 206 and the electrode 201. In this example, the falling voltages behave as 2: 1: 2 (400/200/400 Ohm). If an accumulator, for example a standard mignon cell with a voltage of typically 1.5 volts, is connected directly to the contacts, the potential along the coating of the transparent plate is 0.9 to 0.6 volts. The potential for the plate with the metallic coating is a uniform 0 volts. With a switching voltage of the electrochromic medium of e.g. The entire cell is saturated with 0.6 volts. If the accumulator is discharged, the accumulator voltage is typically 1.0 volt. The potential along the coating of the transparent plate is then only 0.6 to 0.4 volts and the cell remains colorless.
Beispiel 4Example 4
Besondere Meß- und Anzeigefunktionen lassen sich durch eine Strukturierung derSpecial measuring and display functions can be structured by structuring the
Elektroden realisieren. Fig. 6 zeigt eine im mittleren Bereich eingeschnürte Elektrodengeometrie. Die Einschnürung hat eine lokale Erhöhung des Widerstandes der Elektrode zur Folge und führt zu einer Skalendehnung. Eine solche Anzeige kann dazu verwendet werden die Abweichung von einem wahrscheinlichsten Meßwert (Sollwert) besonders zu dehnen. Derselbe Effekt kann durch Veränderung des Widerstandes der ITO-Schicht erreicht werden, wobei eine lokale Erhöhung des Widerstandes der ITO-Schicht einer Skalendehnung und eine lokale Erniedrigung des Widerstandes der ITO-Schicht eine Skalenkomprimierung bewirkt.Realize electrodes. 6 shows an electrode geometry constricted in the central area. The constriction results in a local increase in the resistance of the electrode and leads to a scale expansion. Such a display can be used to particularly stretch the deviation from a most probable measured value (setpoint). The same effect can be achieved by changing the resistance of the ITO layer, a local increase in the resistance of the ITO layer causing a scale stretch and a local decrease in the resistance of the ITO layer causing scale compression.
Beispiel 5Example 5
Für die Anzeigefunktion können Symbole auf die Zelle aufgebracht werden. Diese Symbole werden neben der eigentlichen Anzeige aufgedruckt werden, sie können aber auch direkt auf beide Seiten einer transparenten Elektrode oder auf die innere Seite einer reflektierenden Elektrode aufgetragen werden. Je nach Farbe der Symbole und je nach dem Ort, an dem die Symbole aufgetragen werden, sind die Symbole
12Symbols can be applied to the cell for the display function. These symbols will be printed next to the actual display, but they can also be applied directly on both sides of a transparent electrode or on the inner side of a reflective electrode. Depending on the color of the symbols and the place where the symbols are applied, the symbols are 12
immer sichtbar oder bei Einfärbung der Zelle schlechter oder gar nicht mehr sichtbar. In der Regel sind auf den Elektroden aufgedruckte Symbole im stromlosen (ungefärbten) Zustand besser sichtbar als im stromdurchflossenen (gefärbten) Zustand.always visible or, when the cell is stained, less or no longer visible. As a rule, symbols printed on the electrodes are more visible in the de-energized (uncolored) state than in the current-carrying (colored) state.
Symbole können auch durch die Feinstrukturierung der elektrisch leitfähigen Schichten sichtbar gemacht werden. Die Entfernung der Schicht in Form eines Symbols (Negativ) oder die Formung eines Symbols aus der leitfähigen Schicht (Positiv) sind möglich. Im ersten Fall färbt sich die Stelle, an der die leitfähige Schicht fehlt, nicht, und es erscheint eine helles (ungefärbtes) Symbol. Im stromlosen Zustand ist keinSymbols can also be made visible through the fine structuring of the electrically conductive layers. It is possible to remove the layer in the form of a symbol (negative) or to form a symbol from the conductive layer (positive). In the first case, the place where the conductive layer is missing does not color and a bright (uncolored) symbol appears. In the de-energized state there is none
Symbol zu sehen. Im zweiten Fall färbt sich nur die Stelle mit dem Symbol, während der Rest der Zelle ungefärbt bleibt.See icon. In the second case, only the area with the symbol stains, while the rest of the cell remains unstained.
Die Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schichten kann mit aufgedruckten Symbolen kombiniert werden.The structuring of the electrically conductive layers can be combined with printed symbols.
Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Meß- und Anzeigegerät, das beispielsweise zum Test von Batterien verwendet werden kann. Zur Vereinfachung kommen in diesem Beispiel nur die Zustände BAD und GOOD vor. Die Aufschrift BAD (3) ist auf der unteren und in diesem Fall reflektierenden, elektrisch leitfähigen Schicht aufgedruckt und im stromlosen Zustand immer sichtbar. Damit werden auch Batterien klassifiziert, die aufgrund ihres Ladezustandes keine oder nur noch eine Spannung unterhalb der Schaltspannung des elektrochromen Mediums liefern. Bei hinreichend großer Spannung färbt sich der Bereich, in dem sich die Beschriftung befindet, und der Schriftzug BAD verschwindet, wenn die Farbe der Aufschrift der des elektrochromen Mediums entspricht. Liegt die angelegte Spannung der Batterie oberhalb des durch die Geometrie und die elektrischen Eigenschaften der Zelle festgelegten Wertes, färbt sich auch der hintere Bereich der Zelle und der Schriftzug GOOD (2), der aus der elektrisch leitfähigen Schicht ( 1 ) herausgelöst wurde, w rd als helle Beschriftung sichtbar.
Fig. 5 shows a measuring and display device according to the invention, which can be used for example for testing batteries. To simplify matters, only the states BAD and GOOD appear in this example. The inscription BAD (3) is printed on the lower and in this case reflective, electrically conductive layer and is always visible in the de-energized state. This also classifies batteries that, due to their state of charge, provide no or only a voltage below the switching voltage of the electrochromic medium. If the voltage is sufficiently high, the area in which the lettering is located changes color and the lettering BAD disappears when the color of the lettering corresponds to that of the electrochromic medium. If the applied voltage of the battery is above the value determined by the geometry and the electrical properties of the cell, the rear area of the cell and the lettering GOOD (2), which has been removed from the electrically conductive layer (1), also become colored visible as bright lettering.