DD160912A1 - Anordnung zur schaltung von kontinuierlich einstellbaren zeitintervallen - Google Patents

Abstract

Die Anordnung arbeitet auf coulometrischer Basis und besteht aus einem an sich bekannten Mikrocoulometer mit Quecksilberfuellung mit einem aus einem waessrigen Elektrolyt gebildeten Zwischenraum, der sich bei Stromdurchgang entgegengesetzt zur Stromrichtung bewegt. Bei konstanten Strom ist die zurueckgelegte Wegstrecke ein Mass fuer die Zeitdauer der anliegenden Spannung.In der erfindungsgemaessen Anordnung ist der Werkstoff der Kapillare halbleitend, auf seiner Aussenseite sind einander gegenueberliegend zwei verschiebbare Schleifkontakte angebracht, die Teil eines Wechselstromkreises sind. Der zwischen den Schleifkontakten durchlaufende elektrolytische Zwischenraum veraendert den Widerstand dieses Wechselstromkreisses und loest eine Auswerteschaltung aus. Durch Veraenderung der Aussenbeschaltung sind Durchlaufzeiten zwischen 10 Stunden und 10000 Stunden moeglich, innerhalb dieser Zeiten koennen beliebige Zeitintervalle mit den Schleifkontakten eingestellt werden. Durch den geringen Strombedarf und die kleinen geometrischen Abmessungen eignet sich die Anordnung fuer alle Gebiete der Elektronik,wobei Betriebszeiten, Wartungsintervalle, Servicefristen usw. signalisiert werden oder nach bestimmten Zeitraeumen Schaltvorgaenge ausgeloest werden koennen.

Description

Titel der Erfindung

Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen \

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen, die auf.coulometrischer Basis arbeitet, klein, zuverlässig und nahezu temperaturunabhängig ist. Ausgangspunkt sind die an sich bekannten coulometrischen Verfahren zur Betriebszeitmessung und zur Schaltung langer Betriebszeiträume, die so abgewandelt wurden, daß sich das Zeitintervall, in dem die Anordnung messen oder schalten soll, auf einfache Weise ohne Eingriffe in die Kapillare des Coulometers oder in externe Schaltelemente in einem weiten Bereich verändern läßt·

Bei der Schaltung der Anordnung als Betriebszeitmesser ist es möglich, nach Betriebszeiten zwischen 10 Stunden und 10 000 Stunden Schaltvorgänge auszulösen, die zur Signalisierung dienen oder weitere elektronische Schaltelemente betätigen können. Wegen des geringen Strombedarfs der Anordnung besteht aber auch die Möglichkeit, als Spannungsquelle eine konstante Batterie zu verwenden und die erfindungsgemäße Anordnung als

Langzeitschalter mit einstellbaren Schaltintervallen einzusetzen. Die Anordnung kann in ein zur Mikroelektronik kompatibles Gehäuse eingebaut und in Schaltungen wie andere elektronische Bauelemente direkt eingelötet werden. Sie stellt damit ein neues Bauelement dar, das vor allem auf dem Gebiet der Messung und Signalisierung von Reparaturunö V/artungsintervallen, Betriebszeiträumen, Reinigungsintervallen und allgemeinen Zuverlässigkeitsuntersuchungen von Nutzen ist. Ein Anwendungsbeispiel ist die Verwendung in einem Betriebsüberwachungssystem· Hier sind nach bestimmten Betriebszeiten Kontrollen der Meßwertgeber vorgeschrieben, wobei diese zeitlichen Abstände noch vom jeweiligen Gebertyp und von den Einsatzbedingungen abhängen und sehr unterschiedlich sein können· Der Anschluß der Stromversorgung an die Eingangsklemmen der Anordnung gewährleistet eine reale Betriebszeiterfassung und eine zuverlässige Signalisierung des eingestellten Betriebszeitintervalles· Wegen der kontinuierlichen Einstellbarkeit genügt eine einzige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Anordnung kann kostengünstig hergestellt werden und ist auf vielen Gebieten der Wirtschaft einsetzbar· Hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und Verärbeitbarkeit ist sie den elektronischen Schaltungen angepaßt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Anordnungen zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen sind meist elektromechanisch aufgebaut und bestehen entweder aus Uhrwerken oder aus anderen Kombinationen von Elektromotor, Zählwerk und Schalter·

Es sind auch elektronische Schaltungen und spezielle integrierte Schaltkreise bekannt, die durch externe Beschaltung mit RC-Gliedern zeitlich in weiten Grenzen einstellbar sind. Neben diesen mechanischen und elektrischen bzw. elektronischen Lösungen sind die Coulometer oder Voltameter bekannt,

die auf der Messung einer durch Elektrolyse abgeschiedenen Stoffmenge beruhen und sowohl für Strom-Zeit-Messungen in Gleichstromnetzen als auch in Form der Mikrocoulometer für Betriebszeitmessungen und als Strom-Zeit-Integrator in elektrischen und elektronischen Geräten bekannt sind. Ein elektrolytisches Mikrocoulometer besteht in seiner einfachsten Form aus einer mit Quecksilber gefüllten Kapillare, die an beiden Stirnseiten durch eingeschmolzene Elektroden abgeschlossen ist. Die Quecksilbersäule in der Kapillare ist durch einen kleinen, mit einem wäßrigen Elektrolyt gefüllten Zwischenraum unterbrochen. Wird an die Elektroden eine Gleichspannung angelegt, dann gehen an der mit dem positiven Pol verbundenen Quecksilbersäule Hg-Ionen in Lösung, wandern durch den Elektrolyten und werden an der mit dem negativen Pol verbundenen Quecksilbersäule wieder abgeschieden. Das Quecksilber wandert also mit dem Strom vom positiven zum negativen Pol. Seine Abtragung auf der einen und seine Anlagerung auf der anderen Seite hat zur Folge, daß die positive Quecksilbersäule kurzer, die negative dagegen langer wird. Der Zwischenraum zwischen beiden Säulen wandert also entgegen der Stromrichtung vom negativen zum positiven Pol.

Da die elektrolytischen Vorgänge dem Faradayschen Gesetz gehorchen, ist die transportierte Quecksilbermenge und damit die Stecke, um die der Zwischenraum wandert, dem Strom-Zeit-Intervall oder bei konstantem Strom der Stromflußzeit proportional, folgt also im letzten Falle der Beziehung M = Α·Ι· 4t, wenn M die abgeschiedene Stoffmenge, A das elektrochemische Potential, I der Strom und Ät die Stromflußzeit sind.

Es sind weiterhin Anordnungen bekannt, bei denen die Kapillare durch eine rillenfb'rmige Vertiefung an der inneren Oberfläche einer sandwichartigen Anordnung von zwei Plättchen gebildet wird und quer zur Quecksilbersäule gegenüberliegende Elektroden, deren Breite kleiner ist als die Länge des mit Elektrolyt gefüllten Zwischenraumes, in die Kapillare hineinragen.

Wenn über diese Elektroden ein Wechselstrom fließt, so wird der Stromfluß dann geändert, wenn der elektrolytische Zwischenraum zwischen einem gegenüberliegenden Elektrodenpaar liegt. Diese Stromänderung kann zur Auslösung von Schaltvorgängen dienen·

Eine weitere Anordnung beruht auf dem gleichen Prinzip und weist als konstruktive Besonderheit an den Stirnseiten der Kapillare je zwei gegeneinander isolierte dünne Zuführungen auf, die mit einer Länge in das Innere der Kapillare ragen, die kleiner ist als die Länge des elektrolytischen Zwischenraumes. Wenn diese Elektrodenenden durch das Quecksilber überbrückt werden, ist der Übergangswiderstand praktisch 0. Befindet sich dagegen der elektrolytische Zwischenraum an einem Kapillarende, so liegt der Durchgangswiderstand in der Größenordnung von 10·..200 Ohm. Eine an jeweils einer der stirnseitig gegenüberliegenden Elektroden anliegende Gleichspannung führt zur Elektrolyse und damit zur Wanderung des elektrolytischen Zwischenraumes. In Endstellung lassen sich zwischen den parallel herausgeführten Elektroden, die Teil eines Wechselstromkreises sind, über die Widerstandserhöhung elektronische Schalteffekte auslösen. Die Anordnung kann umgepolt werden« Die zuletzt beschriebene Anordnung ist besonders einfach aufgebaut und kann beispielsweise zur Signalisierung von Reinigungsintervallen für Tonköpfe in Kassettenrecordern usw. verwendet werden· Die Größe des durch Mikrocoulometer fließenden Stromes bestimmt die Wanderungsgeschwindigkeit des elektrolytischen Zwischenraumes und kann durch den Vorwiderstand festgelegt werden. Solche Mikrocoulometer sind hinsichtlich ihrer Wirkungsweise nahezu temperaturunabbängig und haben einen Betriebstemperaturbereich von etwa -30 bis +70 ⁰C, wobei durch spezielle Werkstoffe eine Ausweitung auf +125 ⁰C erreichbar ist.

Ein anderer Coulometertyp besteht aus RbAg₄J₅ als Pestelektrolyt mit Gold- und Silberelektrode· Auch er wird als Be-

triebsstundenzähler eingesetzt und läßt sich durch Stromumkehr umschalten· Am Ende des Elektrolyseprozesses entsteht über der Zelle ein als SignalgröQe ausnutzbarer Spannungssprung. Zwischenzeitliche Schaltvorgänge sind jedoch nicht möglich.

Alle bekannten coulometrischen Anordnungen haben den Nachteil, daß die Schaltzeit, die sich aus der Betriebszeit oder - beim Einsatz von Batterien - aus der Einschaltzeit ergibt, zwar durch äußere Beschaltung mit Widerständen festgelegt werden kann, daß aber eine wiederholbare und beliebige Veränderung des Coulometerelementes selbst hinsichtlich seiner Schaltzeiten nicht möglich ist. Weiterhin müssen zusätzliche Elektroden in die Kapillare hineinragen. Die beschriebene Anordnung beseitigt diese Nachteile und gestattet die. Herstellung eines einheitlichen Typs mit veränderbaren Schaltzeiten, ohne daß externe Schaltelemente geändert werden müßten, das heißt, die für die Schaltung berechneten elektrischen Parameter werden durch die Betätigung des Einstellreglers der erfxndungsgemäßen Anordnung nicht verändert.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, Betriebszeiten von elektrischen oder elektronischen Geräten oder andere Zeiträume in einem breiten Zeitintervall kontinuierlich einstellbar zu signalisieren oder Schaltvorgänge auszulösen. Die Anordnung soll lageunabhängig, weitgehend temperaturunabhängig und hinsichtlich ihrer konstruktiven Gestaltung zu mikroelektronischen Schaltungen kompatibel sein sowie bei geringen Spannungen einen niedrigen Strombedarf aufweisen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei den an sich bekannten coulometrischen Meßverfahren durch eine geeignete

Anordnung der konstruktiven Elemente und entsprechende Wahl der Werkstoffe die Stromflußbahn kontinuierlich einstellbar zu gestalten und dadurch zu ermöglichen, daß während des Ablaufes des elektrolytischen Prozesses nach beliebig einstellbaren Zeitintervallen Schaltvorgänge ausgelöst werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer coulometriscben Anordnung entsprechend Figur 1, bestehend aus den beiden Elektroden 5» die stirnseitig eine Kapillare abschließen, in der sich die beiden Quecksilberhalbsäulen 1 und

2 befinden, zwischen denen sich ein mit wäßrigem Elektrolyt gefüllter Zwischenraum 6 befindet, der Werkstoff der Kapillare

3 halbleitend ist und auf den entgegengesetzten Seiten verschiebbare Schleifkontakte 4 angebracht sind. Diese Schleifkontakte sind Teil eines Wechselstromkreises, der elektronische Schalteinrichtungen enthält. Dieser Wechselstromkreis, der durch die Kondensatoren 7 gegen den Elektrolytgleichstrom abgeblockt ist_t wird so eingestellt, daß sich die Auswerteelektronik in Ruhestellung befindet, wenn der über die Schleifkontakte 4 fließende Wechselstrom nach dem Durchtritt durch die halbleitenden kapillaren Wände durch Quecksilber fließt. Befindet sich jedoch zwischen den verschiebbaren Schleifkontakten der elektrolytische Zwischenraum 6, so steigt der Widerstand im Wechselstromkreis beträchtlich an, und die Auswerteelektronik signalisiert diesen Zustand oder löst Schaltvorgänge aus. Da die Schleifkontakte je nach konstruktiver Gestaltung nahezu über die gesamte Kapillaren-Länge verschoben werden können, ist eine Variation der eingestellten Schaltzeiten über einen breiten Zeitbereich möglich. Wenn die Schleifbahn der Kontakte nicht die gesamte länge, sondern nur einen begrenzten Teil der Kapillare überstreichen soll, so kann an Stelle eines der beiden Schleifkontakte auch ein metallischer Leiterstreifen als Schicht aufgebracht werden. In diesem Falle ist nur noch ein Schleifkontakt erforderlich.

Als Werkstoff für die Kapillare lassen sich zum Beispiel halbleitende Gläser oder oxidische Halbleiter verwenden. Ihr Temperaturkoeffizient spielt nur eine untergeordnete Rolle, da es

lediglich darauf ankommt, daß die elektronische Auswerteschaltung so eingestellt wird, daß sie auf die Widerstandsänderung beim Passieren des Zwischenraumes 6 unter den Schleifkontakten 4 anspricht·

Eine andere konstruktive Variante der Anordnung ist in Figur 2 dargestellt. Hier wird die Kapillare c durch eine beispielsweise verklebte Sandwichanordnung von zwei ebenen halbleitenden Plättchen a und b gebildet, von denen ein Plättchen zur Ausformung der Kapillare eine rillenförmige Vertiefung enthält. Figur 2 zeigt diese Anordnung in einem Querschnitt· Der beidseitige Verschluß der Kapillarrille kann durch die Elektroden oder durch eine geeignete andere Abdichtung erfolgen, wenn die Elektroden als Schichten aufgebracht sind. Die in Längsrichtung zur Kapillare verschiebbaren Schleifkontakte 4 mit den Abblockkondenaatoren 7 befinden sich auf der Ober- und Unterseite der Plättchen. Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf das Plättchen b mit den beiden Hälften 1 und 2 der Quecksilbersäule in der Kapillarrille, dem halbleitenden Trägerplättchen 3» den massiven oder schichtförmigen Elektroden 5» die als Anode bzw· Katode im Elektrolyseprozeß dienen, wobei eine Umpolung des Stromes möglich ist, und dem wäßrigen ElektrolytZwischenraum 6. Die beschriebene Ausführungsform läßt es auch zu, daß an Stelle massiver halbleitender Plättchen nichtleitende Plättchen verwendet werden, die an ihrer Oberfläche eine dünne halbleitende Schicht tragen. Auch ist nicht ausgeschlossen, daß organische Halbleiterwerkstoffe zum Einsatz kommen.

Bei Verwendung durchsichtiger Materialien ergibt sich zusätzlich der Vorteil, daß die Stellung und Bewegung des elektrolytischen Zwischenraumes visuell verfolgt werden kann. In der zuletzt beschriebenen konstruktiven Variante läßt sich die Anordnung besonders einfach als kompaktes Bauelement realisieren, das unmittelbar auf Leiterplatten in elektronische Schaltungen eingelötet werden kann. Te'ile der externen Be-

schaltung können in an sieb bekannter Weise auf einem Plättchen mit integriert werden, beispielsweise Vorwiderstände in Schichtform mit isolierender Zwischenschicht.

Gegenüber den bekannten Lösungen hat die erfindungsgemäße Anordnung neben der kontinuierlichen Einstellbarkeit den weiteren Torzug, daß in die Kapillare keinerlei Schaltelektroden außer Anode und Katode an den Stirnseiten hineinragen. Ein besonderer Vorteil für die Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Anordnung in elektronischen Schaltungen ist der geringe Strombedarf, der je nach Bemessung der Schaltung zwischen weniger als 1^A für eine Durchlauf zeit des elektrolytischen Zwischenraumes von 10 000 Stunden und weniger als 1 mA bei einer Durchlaufzeit von 10 Stunden liegt. Die anliegenden Spannungen betragen selbst unter Berücksichtigung des .stromstabilisierenden Vorwiederstandes nur einige Volt, der Widerstand des elektrolytischen Zwischenraumes liegt bei einigen 10 bis zu einigen 100 Ohm.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen war als Betriebszeitmesser geschaltet und bestand aus einem halbleitenden Röhrchen aus dotiertem Glas von 0,5 mm Wandstärke mit einem Kapillaren-Durchmesser von < 0,4 nun und einer Gesamtlänge von 26 mm. Als wäßrige Elektrolytlösung wurde eine KCL- und (HgCl)p-Mischung verwendet. Katode und Anode an beiden Stirnseiten bestanden aus Platin. Die Länge des elektrolytischen Zwischenraumes wurde auf 1,2 mm festgelegt· Bei einem Gleichstrom von 16,5 uA betrug die Durchlaufzeit des Zwischenraumes 1000 Stunden. Innerhalb dieses Bereiches konnten über die auf dem Röhrchen verschiebbar angebrachten Kontakte Schaltvorgänge ausgelöst werden. Wenn sich Quecksilber unter diesen Kontakten

I befand, betrug der Durchgangswechselstromwiderstand 540 Ohm, beim Durchtritt durch den elektrolytischen Zwischenraum stieg er auf 680 Ohm an. Dieser V/iderstandsanstieg um mehr als 25 %t der durch die Temperaturabhängigkeit der halbleitenden Gläskapillare mit steigender Umgebungstemperatur allerdings etwas abnahm, reichte für eine einwandfreie Punktion der Auswerteschaltung völlig aus· Zur Erkennung des Widerstandsanstieges wurde der Wechselstromkreis mit den beiden verschiebbaren Kontakten als ein Teil der Wheatstoneschen Brücke geschaltet, die etwa auf O abgeglichen war, wenn sich Quecksilber unter diesen Kontakten befand. Beim Durchlaufen des elektrolytischen Zwischenraumes ergab sich ein entsprechender Ausschlag im Diagonalzweig der Brücke, dessen absoluter Wert jedoch nicht interessierte. Durch Änderungen des Vorwiderstandes im Gleichstrom-Elektrolysezweig ließ sich auch die gesamte Durchlaufzeit des Zwischenraumes ändern.

Claims (7)

Erfindungsanspruch

1. Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen, bestehend aus einem Mikrocoulometer mit einer quecksilbergefüllten Kapillare mit einem Einschluß aus einem wäßrigen Elektrolyten, der sich beim Anlegen einer Gleichspannung entgegengesetzt zur Stromrichtung bewegt, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff der Kapillare halbleitend ist und über zwei auf
der Außenfläche der Kapillare verschiebbaren, einander gegenüberstehenden Schleifkontakten ein Wechselstrom
durch die halbleitende Kapillaren-Wand und den Quecksilberfaden oder den Einschluß aus dem wäßrigen Elektrolyten fließt,

2. Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen entsprechend Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kapillare durch eine rillenartige Vertiefung in mindestens einem einer aus zwei übereinanderliegenden halbleitenden Plättchen gebildeten Sandwichanordnung geformt wird·

3· Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen entsprechend Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der die Kapillare bildende Werkstoff ein halbleitendes Glas ist.

4· Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen entsprechend Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der die Kapillare bildende halbleitende Werkstoff eine gesinterte halbleitende Keramik ist.

5. Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen entsprechend Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der die Kapillare bildende Werkstoff ein Isolator und durch eine aufgebrachte halbleitende Schicht oberflächenleitend ist,

6. Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen entsprechend Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der die Kapillare bildende halbleitende Werkstoff ein organischer Halbleiter ist,

7. Anordnung zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren Zeitintervallen entsprechend Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß an Stelle von Teilen der Schleifbahn eines der beiden verschiebbaren Schleifkontakte ein leitender metallischer Belag fest aufgebracht ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen