<Desc/Clms Page number 1>
Elektrolytisches Stromrichttingsrelais.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrolytisches Stromriehtungsrelais, welches für die verschiedensten Zwecke der Elektrotechnik Verwendung finden kann. Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet des Relais liegt in der Verbindung mit Zählern, Sehaltuhren u. dgl., allgemein im Zusammenwirken mit Apparaten, bei welchen willkürliche oder unbeabsichtigte Stromrichtungswechsel auftreten und die in gewissen Funktionen von der Stromrichtung abhängig sind oder abhängig gemacht werden sollen.
Erfindungsgemäss besteht das elektrolytische Stromrichtungsrelais aus einem teils mit einem Elektrolyten und teils mit einem Gas gefüllten kommunizierenden Gefäss, in welchem den Elektrolytspiegeln zugeordnete Elektroden und ferner Einrichtungen zum verzögerten Ausgleich der Elektrolyt-
EMI1.1
der Elektrolytspiegel zur Auslösung eines Steuervorganges ausgenutzt wird.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Relais, ferner seine Wirkungsweise und mehrere Anwendungsarten des Relais gemäss der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt im Vertikalschnitt eine Ausführungsform des Relais, die Fig. 2 bis 5 dienen zur Erklärung der Wirkungsweise desselben und in Fig. 6 ist ein zu den Fig. 2 bis 5 gehöriges Diagramm dargestellt. Die Fig. 7,8 und 9 stellen drei Beispiele von Anwendungen des Relais in Verbindung mit elektrolytischen Zählern dar.
Nach der in Fig. 1 gezeichneten Ausführungsform des Relais besteht dasselbe im wesentlichen aus einem U-förmig gebogenen Glasrohr 1, in dessen Schenkeln 2 und. 3 Elektroden 4 und 5 angeordnet sind. Die Elektrolytflüssigkeit, für welche eine verdünnte Säure verwendet wird, erfüllt den unteren Teil des U-Rohres und lässt den oberen Teil der Schenkel 2,")'frei. In den über den Elektrolytspiegeln befindlichen Räumen 6 und 7 des Gefässes befindet sich ein Gas, u. zw. nach dem beschriebenen Aus- führungsbeispiel Wasserstoff.
Die Elektroden bestehen aus Drähten oder Blechen aus vermoortem Platin oder ähnlich wirkenden Metallen. Sendet man über die Elektroden einen Strom durch den Elektrolyten, so entsteht an der Kathode Wasserstoff, welcher den dort vorhandenen Wasserstoff vermehrt und ein Sinken des Flüssigkeitsspiegels hervorruft. Der gleichzeitig an der Anode frei werdende Sauerstoff verbindet sich mit dem dort schon vorhandenen Wasserstoff und dem Säurerest unter der katalytischen Einwirkung des Platin- moeres wieder zur Säure, wobei der Flüssigkeitsspiegel bei der Anode ansteigt. Die Wirkung ist derart, als ob Wasserstoff bei der Anode absorbiert und zur Kathode transportiert würde.
In den folgenden Ausführungen soll, um nicht immer die tatsächlich eintretenden chemischen Veränderungen anführen zu müssen, von dieser vereinfachten Betrachtungsweise Gebrauch gemacht werden.
Die oberen Teile der Schenkel sind über eine Verbindungsleitung, z. B. ein Glasrohr 9, miteinander verbunden, in dem sich eine Einrichtung 10 befindet, welche das Überströmen des über den Elektrolytspiegeln befindlichen Gases von dem einen Schenkel des U-Rohres in den andern nur in sehr langsamer Weise gestattet. Wenn in den Räumen 6 bzw. 7 gegeneinander Druekunterschicde bestehen, die durch den verschieden hohen Stand der Elektrolytflüssigkeit in den beiden Schenkeln hervorgerufen sind, wird das in dem einen Raum zusammengedrückte Gas durch die Überströmverzogerungseinrichtung 10 langsam in den andern Gasraum Überströmen und hiebei einen langsamen Ausgleich der Spiegel auf die gleiche Höhenlage bewirken.
Im folgenden seien an Hand der Fig. 2 bis 6 die Vorgänge beschrieben, welche eintreten, wenn einerseits der Strom dauernd in derselben Richtung das Relais durchfliesst und anderseits die Vorgänge, welche eintreten, wenn eine Stromrichtungsänderung eintritt.
<Desc/Clms Page number 2>
Es sei angenommen, dass der Strom von der Elektrode 4 zur Elektrode 5 fliesst. Es wird daher ein Steigen des Spiegels an der Anode 4 und ein Sinken des Spiegels bei der Kathode 5 stattfinden. In dem Zustande, wenn durch das Sinken des Spiegels im Schenkel 3 nur mehr die Spitze der Kathode 5 den Elektrolyten berührt, wird durch den weiter zur Kathode wandernden Wasserstoff (siehe Pfeil H in Fig. 2) ein weiteres Sinken des Elektrolytspiegels im Schenkel 3 stattfinden, so dass die Kathode ausser Kontakt mit dem Elektrolyten gerät und der Stromdurchgang unterbrochen wird. Hiebei sind die Elektrolytspiegel in den Schenkeln 2 und 3 auf die in Fig. 2 gestrichelt gezeichnete Lage gestiegen bzw. gesunken.
Gleichzeitig hat sich-durch den aufsteigenden Wasserstoff in den Raum 7 gegenüber dem Raum 6 ein Überdruck eingestellt und es erfolgt ein langsames Überströmen des Wasserstoffes aus dem Raum 7 über die Verzögerungseinrichtung 10 nach dem Raume 6, bis die Spiegel des Elektrolyten wieder in die vollausgezogen gezeichnete Lage der Fig. 2 zurückkehren. Im Moment der Berührung erfolgt ein Stromstoss (siehe 11 in Fig. 6), welcher bewirkt, dass wieder etwas Wasserstoff in den Raum 7 aufsteigt und die Kathode 5 ausser Kontakt mit dem Elektrolyten bringt. Dieses Spiel wiederholt sich in bestimmten Zeiträumen, welche von der Grösse, Form und Anordnung der Elektroden, von dem Dissoziationsgrad des Elektrolyten, von der Gasdurchlässigkeit der Uberströmverzogerungseinrichtung. 10 und von der Stromstärke abhängen.
In Fig. 6 ist in der Kurve J der Stromverlauf in Abhängigkeit von der Zeit T aufgetragen, wobei die Darstellung so gewählt ist, dass, wenn die J-Kurve über der T-Achse liegt, der Stromverlauf von der Elektrode 4 zur Elektrode 5 und wenn sie unter der T-Achse liegt, in umgekehrter Richtung verläuft.
In den Kurven 82 und 83 sind die Veränderungen der Höhenlage der Spiegel des Elektrolyten in den Schenkeln 2 bzw. 3 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
Hieraus ist ersichtlich, dass unter den geschilderten Verhältnissen in, durch die Konstanten des Relais einstellbaren Zeiträumen unter periodischen Schwankungen der Elektrolytspiegel kurzseitige Stromstösse auftreten, so lange die Stromrichtung gleichbleibt. Wird die Stromrichtung jedoch, sei es willkürlich oder unabsichtlich, verändert, so tritt folgendes ein : Der Anfangszustand nach der Stromrichtungsänderung ist aus Fig. 3 ersichtlich, worin auch die veränderte Stromrichtung durch die Umsetzung der Vorzeichen an den Elektroden kenntlich gemacht ist.
Die Elektrolytspiegel verändern ihre Lage infolge des nun den Elektrolyten in entgegengesetzter Richtung durchwandernde Wasserstoffes (siehe Pfeil H, Fig. 3), u. zw. in der durch die Pfeile p angedeuteten Richtung, gelangen zu dem in Fig. 4 dargestellten Gleichgewichtszustand, in welchem die beiden Spiegel dieselbe Höhe besitzen, und schliesslich zu dem in Fig. 5 gezeichneten Stand, bei dem der Elektrolytspiegel im Schenkel 2 wieder die Spitze der jetzt zur Kathode gewordenen Elektrode 4 berührt, während die zur Anode gewordene Elektrode 5 in den Elektrolyten eintaucht.
Aus Fig. 6 ist gleichzeitig zu ersehen, in welcher Weise der Stromdurchgang durch den Elektrolyten während dieser Periode erfolgt. Sofort bei Stromrichtungsänderung (III in Fig. 6) steigt der Strom rasch bis zu einem Maximum (IV in Fig. 6) und sinkt dann wieder herab. Gleichzeitig sinkt der Spiegel im Schenkel 2 und steigt im Schenkel 3, bis die Spiegel den in Fig. 5 voll ausgezogen dargestellten Stand erreichen (V in Fig. 6). In diesem Moment reisst die leitende Verbindung ab, und es erfolgen wieder einzelne Stromstösse in gewissen Zeitabständen wie im vorstehenden geschildert. Es besteht nur der Unterschied, dass die Stromrichtung der früheren entgegengesetzt ist und auch die Elektrolytspiegel in ihren Höhen vertauscht sind, was auch daraus ersichtlich ist, dass die Kurve 83 (Fig. 6) jetzt über der Kurve 82 liegt.
Durch geeignete Wahl der Grösse, Form und Anordnung der Elektroden, des Dissoziationsgrades des Elektrolyten, der Gasdurchlässigkeit der Überströmverzögerungseinrichtung und der Stromstärke kann auch erreicht werden, dass in der Gasabscheidung, Überströmung und Absorption, also in dem Kreislauf des Gases in dem Relais, ein stationärer Zustand erreicht wird, welcher bewirkt, dass keine Stromunterbrechung stattfindet und auch keine Stromstösse auftreten, sondern ein Strom von sehr geringer Stromstärke dauernd durch den Elektrolyten fliesst. Dieser Strom ist durch die strichpunktierte Linie J' in Fig. 6 dargestellt. Hiebei treten auch keine periodischen Schwankungen der Elektrolytspiegel auf, so dass die Kurven S2 und 83 in Gerade übergehen.
Die Spiegel ändern ihre Höhenlage nur bei Änderung der Stromrichtung, bei welcher auch, wie in dem vorher geschilderten Fall, ein starker, länger dauernder Stromstoss (III, IV, V in Fig. 6) auftritt und die Kurve J'mit der Kurve J zusammenfällt.
Die beim Stromrichtungswechsel auftretenden Erscheinungen können nun in verschiedener Weise zur Auslösung eines Steuervorganges verwendet werden. Einerseits kann in Reihe mit den Elektroden ein weiteres, z. B. ein elektromagnetisches Relais angeordnet sein, das beim Wechseln der Stromrichtung den Steuervorgang auslöst, während das elektrolytische Relais gleichsam als Tastorgan für die Kontrolle der Stromrichtung dient und bewirkt, dass nur ein praktisch vernachlässigbar kleiner Eigenverbrauch (kurze Stromstösse oder sehr kleiner Dauerstrom) auftritt. Dies ist für den praktischen Betrieb solcher Relais von ausschlaggebender wirtschaftlicher Bedeutung.
Anderseits kann das Stromriehtungsrelais auch für direkte Auslösung des Steuervorganges verwendet werden, wozu das den Elektrolyten und die Elektrode enthaltende Gefäss nach Art einer Waage kippbar gelagert wird, derart, dass die Auslösung des Steuervorganges durch eine vom Eigengewicht
<Desc/Clms Page number 3>
der Flüssigkeitssäulen in den Schenkeln des Gefässes bewirkte Kippung desselben abgeleitet werden kann. Diese Kippung tritt dann ein, wenn durch die veränderte Stromrichtung die Höhenlage der Elektrolyt-
EMI3.1
Die Verzögerungseinrichtung für die Gasüberströmung kann in der verschiedensten Weise ausgebildet sein.
Beispielsweise besteht dieselbe aus einer in der Überströmleitung angebrachten Zwischenwand aus einem gasdurchlässigen Material, worunter ein Material zu verstehen ist, welches dem in den Räumen 6 bzw. 7 enthaltenen Gas eine langsame Durchströmung gestattet. Für Wasserstoff können beispielsweise Metallfolien insbesondere Gold- und Platinfolien, ferner Graphit, Gips u. dgl. verwendet werden. Die Überströmverzögerungseinrichtung kann aber auch aus einem zwischen den Gasräumen angeordneten Kapillarrohr 10' (Fig. 8) oder einer kleinen Öffnung bestehen, wodurch gleichfalls eine ähnliche Wirkung, wie durch die porösen Stoffe, erreicht wird.
Es soll an dieser Stelle auch bemerkt werden, dass die Adhäsion des Elektrolyten zu den Elektroden für die gute Wirkungsweise des Relais, u. zw. für die Bildung der erforderlichen Niveaudifferenz vor und nach dem Abreissen der leitenden Verbindung zwischen Elektrode und Elektrolyten, eine Rolle spielt. Auf diese Wirkung wird hier jedoch nicht näher eingegangen, wie auch in der Zeichnung die Wirkung der Adhäsion der Einfachheit halber nicht angedeutet ist.
In den Fig. 7 bis 9 sind Anwendungsbeispiele des Stromrichtungsrelais dargestellt, u. zw. Anwendungen auf die automatische Umpolung von elektrolytischen Zählern bei einem durch irgendwelche Ursache eintretenden Stromrichtungswechsel. Bei geänderter Polarität treten nämlich, wie bekannt, manche, darunter insbesondere elektrolytische Zähler ausser Funktion und es ergeben sieh dadurch für den Stromproduzenten bedeutende Schwierigkeiten in der Verrechnung des verbrauchten Stromes.
Aus diesem Grunde ist es erwünscht, eine selbsttätige Polumschaltung einzubauen, welche bei Wechsel der Polarität an den Zählerklemmen selbsttätig die Zuleitungen zur elektrolytischen Zelle des Zählers umkehrt und so den Zähler nicht ausser Funktion kommen lässt.
In Fig. 7 ist ein elektrolytisches Relais R dargestellt, das zusammen mit einem elektromagnetischen Relais zur Betätigung eines Polwechselschalters dient, der in den Zuleitungen zur elektrolytischen Zelle des Zählers liegt. Hiebei sind M die Netzanschlussleitungen, welche zu den Verbrauchern 16 führen. 17 ist ein Hauptstromwiderstand, an dessen Klemmen die schematisch angedeutete elektrolytische Zelle 20 des Zählers liegt ; in den Zuleitungen 21, 22 liegt ein an sich bekannter, durch Kippung betätigbarer Pol- wechselschalter 24, 24', der beispielsweise als Quecksilberschalter ausgebildet ist.
Die Betätigung desselben erfolgt durch einen permanenten Magneten 25, welcher den Quecksilberschalter 24,24'trägt, kippbar gelagert ist und durch den Elektromagneten 27 gekippt wird, wenn sich in der Wicklung des Elektromagneten 27 die Stromriehtung umkehrt. In Serie mit dessen Wicklung 27'ist das Stromrichtungsrelais R gemäss der Erfindung geschaltet, derart, dass die Wicklung 27'und das Relais über einen Widerstand 28 an der Spannung des Netzes 15 liegen.
Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende : Fliesst ein Strom in dauernd gleicher Richtung durch das Relais R und die Wicklung 27', so wird der Polwechselschalter nicht betätigt, sondern bleibt in Ruhe, wobei nur ein praktisch vernachlässigbar kleiner Eigenverbrauch auftritt. Dieser kleine Eigenverbrauch besteht in den einzelnen Stromstärkenzeiträumen durch das Relais R gehenden Strom- stössen 11 (Fig. 6) bzw. in dem sehr kleinen Dauerstrom J' (Fig. 6), so dass die sonst sehr unwirtschaftliche Einschaltung eines magnetischen Umschalters erst durch die Vorschaltung des elektrolytischen Relais praktisch möglich gemacht wird.
Die Umschaltung selbst erfolgt durch den bei Wechsel der Stromrichtung auftretenden länger dauernden Stromstoss, wodurch sich die Polarität des Magneten umkehrt.
Der permanente Magnet 25 kippt dabei um und betätigt den Wechselschalter, wodurch die elektrolytische Zelle des Zählers wieder in die richtige Polarität gebracht ist.
In der Anordnung nach Fig. 8, die ein weiteres Anwendungsbeispiel des elektrolytischen Relais für selbsttätige Umschaltung von Elektrolytzählern bei Stromriehtungswechsel darstellt, ist das Relais R nach Art einer Waage kippbar gelagert und mit einem Polwechselsehalter 24,24'zusammengebaut. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an Stelle eines Queeksilbersehalters ein gewöhnlicher Federkontaktschalter dargestellt. Die übrigen Schaltelemente sind dieselben wie in Fig. 7.
Bei gleichbleibender Stromrichtung steht in dem einen Schenkel des U-Rohres die Flüssigkeit höher als in dem andern und der Schalter ist nach der einen Richtung geschlossen, während nur einzelne Stromstösse, gleichsam als Kontrolle der Stromrichtung durch das Relais gehen. Bei Umkehr der Stromriehtung senkt sieh in dem einen Schenkel der Spiegel und steigt in gleichem Masse in dem andern Schenkel, wodurch das Gefäss infolge der veränderten Sehwerpunktslage von der einen Endstellung über den in der Fig. 8 dargestellten Gleichgewichtszustand in die andere Endlage kippt und dabei den PolwechselsehaIter betätigt. Hiedurch werden die Zuleitungen zur elektrolytischen Zelle des Zählers umgeschaltet, und der Zähler gelangt wieder in richtige Funktion.
In der in Fig. 9 gezeichneten Anordnung ist das Relais wieder in kippbarer Anordnung und im Zusammenbau mit einem etwas anders ausgestalteten Polwechselschalter 24 dargestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Anordnungen Fig. 8 und Fig. 9 ist der, dass die elektrolytische Zelle des Zählers 20 hier in Serie mit den Elektroden des elektrolytischen Relais R an den Klemmen des
<Desc/Clms Page number 4>
Hauptstromwiderstandes- ! ? liegt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass, weil das Relais nicht an der vollen Spannung liegt, der Vorschaltwiderstand entfallen kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrolytisches Stromrichtungsrelais, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem teils mit einem Elektrolyten und teils mit einem Gas gefüllten kommunizierenden Gefäss (1) besteht, in welchem den Elektrolytspiegeln zugeordnete Elektroden (4, 5) und Mittel (9, 10) zum verzögerten Ausgleich der Elektrolytspiegel vorgesehen sind und die Veränderung des Standes der Elektrolytspiegel zur Auslösung eines Steuervorganges ausgenutzt wird.