專利名稱：蓄電池電解質(zhì)液位指示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉛酸蓄電池，且更具體地涉及用于監(jiān)測和指示鉛酸蓄電池內(nèi)電解質(zhì)液位的裝置。
背景技術(shù)：
鉛酸蓄電池的適當(dāng)工作需要每個蓄電池單元內(nèi)的合適液位的電解質(zhì)。如果蓄電池與填充不足的單元一起使用，那么容量的永久損失可能來自于暴露的板的硫酸鹽化作用以及過高操作溫度。此外，由相關(guān)短路引起的熱量引入了由于點燃單元氣體導(dǎo)致的爆炸可能性。因而，尤其是在工業(yè)蓄電池領(lǐng)域，標準實踐是將電動探針定位在蓄電池單元內(nèi)以測量單元內(nèi)的電解質(zhì)液位。用于測量電解質(zhì)液位的兩種主要方法是1)導(dǎo)電探針裝置和2) AC供電局部接地的電容感測探針。導(dǎo)電探針裝置基于這樣的原理當(dāng)導(dǎo)電探針與電解質(zhì)接觸時，電能夠流經(jīng)閉合電路中的探針和電解質(zhì)。裝置內(nèi)的控制電路監(jiān)測開路狀況且適當(dāng)?shù)鼐嫘铍姵厥褂谜?。該技術(shù)的示例在1999年8月10日授予給Jones等的美國專利5，936，382和2000年3月21日授予給Memurren的美國專利6，040, 079中公開。不幸的是，導(dǎo)電探針裝置具有多個缺陷。第一，該裝置的導(dǎo)電探針延伸到蓄電池單元內(nèi)，因而隨著年齡侵蝕。在置于酸性環(huán)境(例如，蓄電池單元)中時，導(dǎo)電材料易受腐蝕，尤其是在經(jīng)受電流時。隨著探針材料腐蝕，顆粒從基本探針材料脫離；且探針侵蝕。侵蝕或變短的探針導(dǎo)致電解質(zhì)液位指示器不能準確地確定電解質(zhì)液位。第二，導(dǎo)電探針可能與內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)接觸，例如地衣防護物(moss shield)或鉛條。這種接觸可能引起錯誤讀數(shù)，在實際上液位低時指示合適的電解質(zhì)液位。電容感測探針是更近的發(fā)展。這種探針的示例在2005年9月13日授予Florin 等的美國專利6，943，566中說明。這種類型使用交流(AC)來測量電解質(zhì)和延伸到電解質(zhì)中的探針的電容。電流通過AC電路在電解質(zhì)和探針之間流動。系統(tǒng)的電容隨著電解質(zhì)液位變化而變化，因而電容提供電解質(zhì)液位的指示。該變化被監(jiān)測，且該裝置適當(dāng)?shù)鼐嫘铍姵厥褂谜摺２恍业氖?，電容感測探針也具有缺陷。第一，延伸到蓄電池電解質(zhì)中的探針是暴露金屬，其如上所述侵蝕。第二，探針可能與內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)接觸，如上所述。第三，由于電流必須在該裝置和電解質(zhì)之間流動，因而探針必須接地到被監(jiān)測的單元。這種所需接地對于這些類型的系統(tǒng)來說是獨特的，因而在安裝過程期間可能引起混淆。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的電解質(zhì)液位指示器包括這樣的探針(a)不侵蝕，(b)在與蓄電池單元內(nèi)的固體結(jié)構(gòu)接觸時不產(chǎn)生問題，以及(c)包括與被監(jiān)測單元獨立的控制電路。所述液位指示器使用電容感測來確定電解質(zhì)液位。所述液位指示器包括探針，所述探針具有殼體和在所述殼體內(nèi)的電容元件。探針殼體不導(dǎo)電且是耐酸的，從而保護殼體內(nèi)的電容元件。探針內(nèi)的電容元件使用直流定期地充電和放電。控制電路監(jiān)測充電和放電屬性以識別充電和放電曲線或特性。在被封裝探針靠近或接觸電解質(zhì)時，探針的放電屬性變化。控制電路監(jiān)測這些變化以確定電解質(zhì)液位，且適當(dāng)?shù)鼐嫘铍姵厥褂谜?。?例如，LED)可以
給使用者提供警告。本發(fā)明的探針解決了現(xiàn)有技術(shù)裝置的所述缺陷。第一，探針不腐蝕或侵蝕。第二， 探針在與蓄電池單元內(nèi)的固體結(jié)構(gòu)或污染物接觸時不提供錯誤信號。因而，探針對地衣防護物、鉛條和污染物(例如油)不敏感。第三，探針提高安全性。在含有金屬探針液位指示器的單元內(nèi)以一定規(guī)律性發(fā)生爆炸。常見理論為，流經(jīng)金屬探針的電流能產(chǎn)生火花，火花可點燃由蓄電池產(chǎn)生的可燃氣體。本發(fā)明的不導(dǎo)電探針殼體將探針與電解質(zhì)電絕緣，從而火花不能在兩者之間跳過，可能導(dǎo)致爆炸。第四，液位指示器使用直流來監(jiān)測電解質(zhì)液位。電路在外部供電且不接地到所安裝的單元。因而，沒有電流流入電解質(zhì)或蓄電池單元。探針的長度基于給定應(yīng)用的期望電解質(zhì)液位選擇。此外，指示器燈可以與探針裝置一體地包括和/或設(shè)置在可以安裝在蓄電池邊緣上的獨立裝置中。通過參考當(dāng)前實施例的說明和附圖，將更充分地理解和了解本發(fā)明的這些和其它優(yōu)勢和特征。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的蓄電池電解質(zhì)液位指示器的透視圖； 圖2是示出了安裝在鉛酸蓄電池內(nèi)的液位指示器的部分透視圖3是示出了安裝在蓄電池上的液位指示器的截面圖； 圖4是探針殼體的透視圖； 圖5是探針殼體的截面圖； 圖6是探針殼體的俯視圖； 圖7是指示器蓋的透視圖； 圖8是指示器蓋的仰視圖； 圖9是指示器的控制電路的示意圖； 圖10是圖示控制電路操作的流程圖11是示出了液位指示器的第二實施例的透視圖，其中，在與探針組件獨立的殼體中包含指示器燈；
圖12是獨立燈殼體的透視圖；和圖13是獨立燈殼體的仰視圖。
具體實施例方式I.第一當(dāng)前實施例
根據(jù)本發(fā)明第一實施例構(gòu)造的蓄電池電解質(zhì)液位監(jiān)測器在圖1-10中示出且總體上標記為10。液位指示器10包括探針組件12和一對電導(dǎo)線14。如圖2-3所示，探針組件12 延伸到包含電解質(zhì)18的蓄電池16中。當(dāng)液位指示器10安裝在蓄電池16上時，探針組件12的下端44位于期望最小電解質(zhì)液位20處。如果電解質(zhì)高于最小液位20，如22所示，液位指示器10提供第一指示，例如綠光。如果電解質(zhì)液位下降低于最小液位20，如M所示， 液位指示器10提供第二指示，例如紅光，表示蓄電池16需要水。鉛酸蓄電池(例如，蓄電池16)是本領(lǐng)域熟知的且將不詳細描述。闡述蓄電池16包括容納其它部件的外殼26就足夠了。蓄電池包括一個或多個單元，每個均包含電解質(zhì)18。 蓄電池還包括限定端口 30和32的頂部觀，端口 30和32為檢查蓄電池、添加電解質(zhì)和/或接收加水系統(tǒng)提供通路。在蓄電池操作期間，電解質(zhì)被消耗(雖然是逐漸地)，且必須定期補充。這種補充通常稱為“加水”。探針組件12包括探針殼體34、印刷電路板(PCB) 36 (參見圖3)和蓋38。探針殼體34可能在圖4-6中最佳地示出。探針殼體是單個噴射模制件，包括細長中空探針部分40和頂部42。探針部分40具有與進入蓄電池單元的期望延伸范圍相對應(yīng)的長度，從而探針部分40的下端44位于最小電解質(zhì)液位20 (參見圖3)處。頂部42包括多個支撐件46和48以及支座50和52。支撐件46和48在頂部42上支撐印刷電路板36，支座50和52定位印刷電路板。探針34包括安裝在探針部分40上的索環(huán)35。索環(huán)是將指示器12在蓄電池16內(nèi)支撐和密封的常規(guī)設(shè)計。蓋38可能在圖7-8中最佳地示出。蓋38是大致矩形，包括頂部M，其可包括整體模制的商標或其它標記。蓋38的內(nèi)表面在圖8中示出且被處理以提高光分配屬性。因而，由于該表面處理，來自于指示器LED (下文描述)的光的分配被增強。蓋38包括定位印刷電路板36的多個支座55。PCB 36夾在探針34的支座和蓋38之間。蓋38填充有透明或半透明環(huán)氧樹脂，其將探針34、PCB 36和蓋相互緊固。包括環(huán)氧樹脂的組件提供耐水和抗電解質(zhì)的封裝。當(dāng)前制造探針34的材料是不導(dǎo)電且耐酸的。當(dāng)前實施例的材料是ABS，但是可以使用寬范圍的各種其它材料。所述材料防止電容元件60和蓄電池電解質(zhì)18之間的導(dǎo)電性。 此外，探針34封裝電容元件60以防止所述元件接觸電解質(zhì)18 ；因而，電容元件60不易受腐蝕或侵蝕。當(dāng)前制造蓋38的材料是純聚碳酸酯，以允許光從LED 68傳輸。可以使用其它合適材料?？刂齐娐?2包括PCB 36 (圖3)，其是電子領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的類型和結(jié)構(gòu)。控制電路還包括位于探針部分40內(nèi)鄰近或幾乎鄰近其下端44的電容元件60 (圖3)。電容元件60以常規(guī)方式電連接到PCB 36，例如通過釬焊。此外，PCB 36包括一個或多個板安裝 (board mounted)的發(fā)光二極管(LED)(參見圖9)。圖示控制電路62的電示意圖在圖9中示出?？刂齐娐酚呻妼?dǎo)線14供電，其可連接到蓄電池16的功率端子。可選地，導(dǎo)線14可連接到任何其它DC電壓源?？刂齐娐钒妷赫{(diào)節(jié)器64、電容感測微計算機63和顯示微計算機65。電壓調(diào)節(jié)器64給電路的其余部分提供功率，包括微計算機63和65。電路管腳定義如下
VDD用于兩個微計算機的5伏電源VPP顯示微計算機的閃存可編程ROM的編程電壓DAT顯示微計算機的閃存編程的數(shù)據(jù)CLK顯示微計算機的閃存編程的時鐘同步GND兩個微計算機的接地參考VPPl電容感測微計算機的編程電壓的連接點DATl電容感測微計算機的編程數(shù)據(jù)的連接點CLKl電容感測微計算機的編程時鐘的連接點
管腳用于在生產(chǎn)期間編程微計算機63和65?？刂齐娐?2可選地可以包括預(yù)先編程的微計算機，這消除了編程管腳的需要。此外，可選地，取代微計算機63和65，控制電路62 可以包括單個微計算機。電容元件60在點66處電連接到PCB 36?？刂齐娐?2包括紅色、綠色和藍色發(fā)光二極管68，其被控制以給蓄電池使用者提供電解質(zhì)液位的視覺指示。在當(dāng)前實施例中，在電解質(zhì)液位高于最小電解質(zhì)液位20時，照亮綠色LED ；在電解質(zhì)液位低于最小電解質(zhì)液位20 時，照亮紅色LED。導(dǎo)線14是常規(guī)的，且以常規(guī)方式連接到探針組件12以給控制電路62提供功率。圖10是示出了控制電路62操作的流程圖。程序流開始(100)，其中，微計算機63 和65以及輸入和輸出初始化(102)。計時器被設(shè)置或初始化(104)。然后，通過設(shè)置或初始化比較器(108 )開始電容器感測(106 )。從電容器60去除5伏軌道電壓(110 )以允許電容器放電到接地端。在放電期間，放電電容器60的電壓與0.6伏參考電壓進行比較(112)。如果電容器電壓等于0.6伏參考電壓(114)，那么計時器停止(116)且獲得計時器計數(shù)(118)。 如果電容器不等于0.6伏參考電壓(114)，那么控制過程返回框112。如果計時器計數(shù)大于或等于預(yù)定閾值(120)，那么輸出設(shè)定為高(122)以照亮綠色LED 68a (參見圖9)。如果計時器計數(shù)不大于或等于預(yù)定閾值(120)，那么輸出設(shè)定為低(IM)以照亮紅色LED 68b。在步驟122或IM之后，發(fā)生10毫秒(ms)至100 ms范圍內(nèi)的短延遲(1 )，且程序流返回至步驟106。預(yù)定閾值與對于蓄電池16和控制電路62內(nèi)電氣部件合適的放電時間相對應(yīng)。 放電時間限定放電曲線?？蛇x地，放電時間能以與限定充電曲線類似的方式監(jiān)測。控制電路62可以使用放電曲線和充電曲線中的任一個或兩者來確定單元內(nèi)的電解質(zhì)液位。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，該說明書中的所有參數(shù)的具體值僅僅是為了說明，且一個或所有值可以按照蓄電池和期望性能變化。液位指示器10的第一實施例有時稱為“本地”實施例，因為所有部件(除了導(dǎo)線 14)都容納在探針組件12內(nèi)。II.第一當(dāng)前實施例的組裝和操作
指示器12的組裝是直截了當(dāng)?shù)摹Ｌ结槡んw34和蓋38被噴射模制。電容元件60插入到探針34內(nèi)，使得電容元件60定位成鄰近或幾乎鄰近探針殼體34的下端44。PCB 36安裝在探針34的頂部42上，支撐在支撐件46和48上，且由支座50和52 (參見圖3_6)定位。 導(dǎo)線14以常規(guī)方式機械地連接到探針組件12且電連接到PCB 36。具有PCB沈的探針34 插入到蓋38中。蓋然后用環(huán)氧樹脂(未示出)填充，從而蓋、探針和環(huán)氧樹脂一起封裝印刷電路板36，以提供耐水和抗電解質(zhì)的組件。通過將探針殼體34插入穿過端口 32，探針組件12安裝在蓄電池16上。索環(huán)35 與蓄電池接合以將探針組件12在蓄電池16內(nèi)支撐和密封。導(dǎo)線14連接到DC電壓源，例如蓄電池16的功率端子。操作中，電容元件60使用直流重復(fù)地或定期地充電和放電。電容元件60的每次充電和放電得到取決于電解質(zhì)18液位的曲線或特性。如果電解質(zhì)高于最小液位20，如22所示，那么充電和放電具有第一曲線。如果電解質(zhì)18低于最小液位20，如M所示，那么充電和放電具有第二曲線。當(dāng)控制電路62基于充電曲線和放電曲線中的至少一個確定電解質(zhì)液位高于最小液位20時，照亮綠色LED。當(dāng)控制電路62確定電解質(zhì)液位低于最小液位20 時，那么照亮紅色LED。如果期望，LED能夠以規(guī)則或不規(guī)則圖案閃爍以進一步吸引注意。可選地，可以使用其它指示器技術(shù)，例如聽覺警告和/或無線信號。另一種可能是控制電路62 控制自動加水系統(tǒng)，從而在確定電解質(zhì)液位低于最小液位時水可自動地添加到蓄電池16。III.第二當(dāng)前實施例
根據(jù)本發(fā)明的第二實施例構(gòu)造的指示器系統(tǒng)在圖11中示出且總體上標記為110。第二實施例有時稱為“遠程”實施例，因為容納指示器LED 68的第二殼體112b與探針組件11 分開。探針組件11 與第一實施例的探針組件12基本上相同，除了一個例外。探針組件11 不包括指示器燈，例如LED 68。在第二實施例110中，指示器LED 68包括在第二或光殼體112b內(nèi)，其通過纜線170連接到指示器11加。光殼體112b與前述殼體12類似地噴射模制。殼體112b包括在其上具有一個或多個板安裝LED的印刷電路板(未示出)。如圖12-13所示，殼體112b的外部和內(nèi)部配置成增加從其中包含的LED的光分配。光殼體還包括在其一側(cè)上的插孔172。插孔172可以接收鏟子174(參見圖11)，其可以用于遠程地定位殼體112b。例如，殼體112b可以位于蓄電池16的邊緣或側(cè)面，在該情況下，鏟子174可以裝配在蓄電池和蓄電池外殼(未示出)之間， 以將殼體112b支撐到位。IV.第二實施例的操作
第二實施例110的操作與第一實施例10的操作基本上相同。不同之處在于，指示器 LED設(shè)置在蓄電池16的邊緣或側(cè)面。在許多應(yīng)用(最值得注意的是工業(yè)應(yīng)用)中，指示器燈的這種殼體可以利于通過串聯(lián)設(shè)置的LED觀察。V.第三當(dāng)前實施例
根據(jù)本發(fā)明第三實施例構(gòu)造的指示器系統(tǒng)在附圖未示出。第三實施例有時稱為“本地 /遠程”實施例，因為探針組件和遠程組件兩者都包括一個或多個指示器燈，例如LED。上述說明是本發(fā)明的當(dāng)前實施例的說明?？梢宰龀龈鞣N變化和改變，而不偏離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和更廣方面，權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)根據(jù)包含等同原則的專利法原理來進行解釋。
權(quán)利要求
1.一種蓄電池組件，包括蓄電池，所述蓄電池具有適合于接收和容納電解質(zhì)的單元，電解質(zhì)在所述單元內(nèi)具有期望最小液位；延伸到所述單元內(nèi)的探針，所述探針包括探針殼體和在探針殼體內(nèi)的電容器，所述探針殼體不導(dǎo)電且是耐酸的，所述探針殼體防止電解質(zhì)和電容器之間接觸，探針將電容器支撐在單元內(nèi)的期望最小液位處；和電連接到探針殼體內(nèi)的電容器的控制電路，所述控制電路適合于給電容器充電和放電，確定充電特性和放電特性中的至少一個，且根據(jù)充電特性和放電特性中的至少一個來確定電解質(zhì)液位是否處于期望最小液位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池組件，其中，控制電路適合于使用直流給電容器充電和放電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池組件，其中，控制電路包括由所述探針殼體支撐的印刷電路板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蓄電池組件，還包括燈，且其中，所述控制電路適合于使得所述燈在電解質(zhì)液位低于期望電解質(zhì)液位時的第一狀態(tài)和電解質(zhì)液位高于期望電解質(zhì)液位時的第二狀態(tài)之間切換。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的蓄電池組件，其中，所述燈是板安裝在印刷電路板上的LED。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的蓄電池組件，還包括蓋，所述蓋附連到探針殼體且裝配在印刷電路板上，從而探針殼體和蓋封裝印刷電路板。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的蓄電池組件，其中蓄電池包括側(cè)面；且所述燈位于蓄電池的側(cè)面處。
8.一種蓄電池電解質(zhì)液位監(jiān)測器，包括探針，所述探針包括探針殼體和在探針殼體內(nèi)的電容器，所述探針殼體不導(dǎo)電且是耐酸的，當(dāng)探針插入到蓄電池單元內(nèi)時，所述探針殼體防止電容器和蓄電池單元內(nèi)的電解質(zhì)之間接觸，當(dāng)探針被支撐在蓄電池單元內(nèi)時，電容器定位在探針殼體內(nèi)從而被支撐在最小電解質(zhì)液位處；和電連接到電容器的控制電路，所述控制電路適合于給電容器充電和放電，所述控制電路適合于確定分別與充電和放電相關(guān)的充電特性和放電特性中的至少一個，所述控制電路適合于根據(jù)充電特性和放電特性中的至少一個來確定電解質(zhì)是高于還是低于最小電解質(zhì)液位。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的蓄電池電解質(zhì)液位監(jiān)測器，其中，控制電路適合于使用直流給電容器充電和放電。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的蓄電池電解質(zhì)液位監(jiān)測器，其中，控制電路包括由所述探針殼體支撐的印刷電路板。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的蓄電池電解質(zhì)液位監(jiān)測器，還包括燈，且其中，所述控制電路適合于使得所述燈在電解質(zhì)液位低于最小電解質(zhì)液位時的第一狀態(tài)和電解質(zhì)液位高于最小電解質(zhì)液位時的第二狀態(tài)之間切換。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的蓄電池電解質(zhì)液位監(jiān)測器，其中，所述燈是板安裝在印刷電路板上的LED。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的蓄電池電解質(zhì)液位監(jiān)測器，還包括蓋，所述蓋附連到探針殼體且裝配在印刷電路板上，從而探針殼體和蓋封裝印刷電路板。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的蓄電池電解質(zhì)液位監(jiān)測器，其中，所述燈適合于距探針遠程地定位。
15.一種確定蓄電池內(nèi)的電解質(zhì)液位的方法，所述方法包括將探針插入蓄電池單元內(nèi)，所述探針不導(dǎo)電且是耐酸的，所述探針包括電容器，所述探針將電容器支撐在最小電解質(zhì)液位處； 給電容器充電； 給電容器放電；確定分別與充電步驟和放電步驟相關(guān)的充電特性和放電特性中的至少一個；和根據(jù)先前確定步驟來確定實際電解質(zhì)液位是高于還是低于最小電解質(zhì)液位。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，充電步驟和放電步驟使用直流。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括使得燈在電解質(zhì)液位低于最小電解質(zhì)液位時的第一狀態(tài)和電解質(zhì)液位高于最小電解質(zhì)液位時的第二狀態(tài)之間切換。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括將所述燈板安裝在由探針支撐的印刷電路板上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括將蓋附連到探針且將所述蓋裝配在印刷電路板上，從而探針和蓋封裝印刷電路板。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括將所述燈定位在蓄電池的側(cè)面處。
全文摘要
蓄電池電解質(zhì)監(jiān)測器包括探針和控制電路?？刂齐娐钒ㄔ谔结槂?nèi)的電容元件。探針是耐酸的，從而探針保護電容元件不與蓄電池電解質(zhì)接觸?？刂齐娐肥褂弥绷鞫ㄆ诘亟o電容元件充電和放電。取決于充電特性和放電特性中的至少一個，控制電路確定電解質(zhì)液位。如果電解質(zhì)低于期望最小液位，那么控制電路照亮指示器燈。
文檔編號G01F23/26GK102356502SQ201080010298
公開日2012年2月15日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者W. 赫雷馬 M., D. 伯迪 R. 申請人:觸摸傳感器科技有限責(zé)任公司