DD160914A1 - Anordnung zur betriebszeitmessung - Google Patents

Abstract

Das Ziel der Anordnung wird mittels Quecksilbercoulometern geloest, bei denen sich in einem laenglichen Hohlraum zwischen zwei Quecksilberteilsaelen ein Einfluss aus einem waessrigen Elektrolyt befindet, der sich beim Durchfliessen eines Gleichstromes entgegengesetzt zur Stromrichtung bewegt. Das Wesen der Erfindg. besteht darin, dass dieser Hohlraum keilfoermig gestaltet wird, wodurch sich d. Bewegungsgeschwindigkeit dieses Einschlusses bei konstantem Strom von Kathode zu Anode verringert, wenn d. Hohlraum an der Anode seine groesste Breite aufweist. Bezueglich der technischen Realisierung wird angegeben, den Hohlraum durch eine Ausspannung in einer aus mehreren Plaettchen bestehenden Sandwichanordnung zu bilden. Fuer Signal-und Schaltzwecke koennen in diesen Hohlraum seitlich Elektroden hineinragen, die Teile von Wechselstromkreisen sind. Die erfindungsgemaesse Anordnung eignet sich fuer Zuverlaessigkeitsuntersuchungenu. Signalisierung von Service-und Wartungsintervallen auf allen Gebieten der Technik. Der grosse Betriebstemperaturbereich u. d. Strahlungsunempfindlichkeit gestatten besonders die Anwendung in Flugkoerpern und im Militaerwesen.

Description

Titel der Erfindung

Anordnung zur Betriebszeitmessung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Betriebszeitmessung, die auf der Basis elektrolytischer Mikrocoulometer arbeitet, keine bewegten mechanischen Teile aufweist, klein und robust ist und nur einen geringen Energiebedarf hat. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht Betriebszeitmessungen in einem Zeitintervall von 1...1O OOO Stunden, wobei je nach konstruktiver Gestaltung der Anordnung.zu beliebigen Zwischenzeiten Signal- und Schaltvorgänge ausgelöst werden können. Gegenüber den bisher bekannten Anordnungen hat die beschriebene Anordnung den Vorteil, daß die Anzeige- und Schaltgenauigkeit nicht linear über den gesamten Betriebszeitraum ist, sondern im Anfangsbereich der Betriebszeit eine wesentlich größere Genauigkeit erreicht werden kann. Diese Vergrösserung der Genauigkeit wird durch die Ausführungsart der erfindungsgemäßen Anordnung erreicht, ohne daß dafür zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen erforderlich wären. Damit ist diese Anordnung besonders für Zuverlässigkeitsuntersuchungen an elektronischen und elektrischen Geräten geeignet, weil die Frühausfallphase, die zu Beginn des Lebensdauerzyklus eines Gerätes liegt, eine große Rolle spielt und hinreichend genau erfaßt werden muß. Ein weiterer Vorteil gegenüber den bekann-

ten Anordnungen ist auch die Möglichkeit, den Meßbereich von bisher 10...1O OOO Stunden auf nunmehr ca· 1··.10 000 Stunden auszudehnen. In diesem Intervall können somit Signal- oder Schaltvorgänge ausgelöst werden. Wegen des geringen Energiebedarfs kann die Anordnung auch mit einer kleinen Batterie als Zeitmesser mit Schaltfunktionen oder in anderen äußeren Beschaltungsarten als Strom-Zeit-Integrator betrieben werden. In allen Anwendungsfällen kann der. Vorzug des niehtlinearen Zeitverhaltens für eine wesentliche Erhöhung der Anzeigegenauigkeit im Anfangszeitbereich genutzt werden.

,Da die beschriebene Anordnung in einem weiten Temperaturbereich von etwa -30...+125 C einsetzbar und weitgehend unempfindlich gegen radioaktive Strahlung ist, ergeben sich insbesondere Anwendungsmöglichkeiten in Plugkörpern und in der Militärtechnik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Anordnungen zur Messung und Anzeige von Betriebszeitintervallen sind meist elektromechanisch aufgebaut und bestehen aus einem Elektromotor, Untersetzungsgetriebe und Zählwerk bzw. aus einem über Relais betätigten Zählwerk. Daneben lassen sich auch elektronische Uhren in den verschiedensten Ausführungsformen für diese Zwecke verwenden. Alle diese Anordnungen sind relativ teuer und teilweise zu groß, so daß sie als Massenartikel für. Betriebszeitmessungen in billigen elektronischen Geräten nicht eingesetzt werden.

Es sind weiterhin elektronische Schaltungen und spezielle integrierte Schaltkreise bekannt, mit denen sich durch ex«·· terne Beschaltung mit RC-Gliedern lange Schaltzeiten realisieren lassen und die ebenfalls für BetriebsZeitmessungen eingesetzt werden können.

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Strom-Zeit-Messungen in Gleichstromnetzen als auch für Betriebszeitmessungen als Coulometer oder Voltameter bekannt. Pur Betriebszeitintervalle von Sekunden bis zu einigen Monaten sind mit Pestelektrolyten Betriebsstundenindikatoren hergestellt worden, die sioh zum Auslösen von Schaltvorgängen bei Endstellung oder für Anzeigezwecke einsetzen lassen. Ein solches Pestelektrolytsystem besteht zum Beispiel aus RbAg₄J₅ als Elektrolyt mit Gold- und Silberelektrode· Durch Stromfluß wird die Zelle zunächst aufgeladen und Silber an der Goldelektrode abgeschieden. Bei Umkehr der Stromflußriohtung wandert Silber wieder zur Silberelektrode zurück, wobei die über der Zelle liegende Spannung im wesentlichen von den stromabhängigen Verlusten im Pestelektrolyt abhängt. Ist das gesamte Silber zur Silberelektrode zurückgewandert, entsteht über der Zelle ein Spannungsstrom, der als Signalgröße ausgenutzt werden kann.

Diese Anordnungen benötigen vor allem Gold, Silber und Rubidium. Demgegenüber sind andere coulometrische Anordnungen günstiger, die in ihrer einfachsten Porm aus einer mit Quecksilber gefüllten Kapillare, die an beiden Stirnseiten durch eingeschmolzene Elektroden abgeschlossen ist, bestehen. Die Quecksilbersäule wird durch einen kleinen, mit wäßrigem Elektrolyt gefüllten Zwischenraum unterbrochen. Wird an die Elektroden eine Gleichspannung gelegt, dann gehen an der mit dem positiven Pol verbundenen Quecksilbersäule Quecksilberionen 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 länger wird. Der Zwischenraum zwischen beiden Säulen wandert also entgegen der Streinrichtung.

Die elektrolytischen Vorgänge gehorchen dem Paradyschen Gesetz, das für konstanten Strom die Form M = A . I · At aufweist, das heißt, die abgeschiedene Stoffmenge M ist dem Strom

I und der Stromflußzeit ^t proportional, wobei A das elektrochemische Potential ist.

Es sind weiterhin Anordnungen bekannt, bei denen in die Quecksilbersäule Elektroden hineinragen, die Teile von Wechselstromkreisen sind und für Signal- und Schaltzwecke genutzt werden .. können· Hinsichtlich der technologischen Ausführung wurde vorgeschlagen, die Kapillare, in der sich Quecksilber und Elektrolyt befinden, durch eine rillenförraige Vertiefung auf der inneren Oberfläche einer sandwichartigen Anordnung von mindestens zwei Plättchen zu bilden und die Elektroden als Leiterschichten auf dem über der Rille befindlichen Deckplättchen innen aufzubringen. Eine Variante mit einstellbaren Signal- und Schaltzeiten verwendet eine coulometrische Anordnung mit halbleitender Wand, auf der verschiebbar angebrachte Schleifkontakte die Einstellung unterschiedlicher Elektrodenabstände gestatten. Bekannt ist schließlich auch eine Anordnung zur quasidigitalen Untersetzung und Anzeige von Betriebszeitin- .- ; : tervallen, die aus einer geeigneten Zusammenschaltung von min-.· /' destens zwei coulometrischen Anordnungen mit einer entsprechenden elektronischen Verkopplung der Wechselstromteilkreise besteht und es ermöglicht, große Einstellgenauigkeit über beliebige Betriebszeiträume zu erreichen.

Alle elektrolytischen Anordnungen lassen sich im Prinzip auch als Strom-Zeit-Integratoren verwenden. Wenn jedoch der Strom über eine stabile Spannungsquelle und einen hinreichend großen Vorwiderstand konstant gehalten wird, so hängt die Materialabscheidung allein von der'Stromflußzeit ab. .

Die bekannten coulometrischen Anordnungen ermöglichen im allgemeinen eine Anzeigegenauigkeit der Betriebszeit von zwei Prozent·'.In der Technik ist jedoch besonders das Betriebszeitintervall interessant, in dem Frühausfälle zu erwarten sind. Daraus resultiert die Forderung, bei insgesamt großem Betriebszeitmeßbereich dieses Intervall mit größerer Genauigkeit ablesen zu können. Die bekannten Lösungen erfordern dazu entweder

eine Umschaltung des Vorwiderstandes, um über den veränderten Stromfluß eine Veränderung des Materialtransports zu bewirken, oder eine Zusammenschaltung mehrerer Anordnungen mit quasidigitaler Anzeige· Beide Varianten sind nur durch zusätzliche äußere Schaltungsmaßnahmen zu verwirklichen.

Demgegenüber ermöglicht es die erfindungsgemäße Lösung, eine höhere Anzeigegenauigkeit im Betriebszeitbereich der Frühausfallphase von Geräten in der Anordnung selbst zu erzielen, ohne das dafür zusätzliche äußere Schaltelemente benötigt würden. Dies ist hinsichtlich der geringen geometrischen Abmessungen der Anordnung von besonderem Vorteil und verein-

facht das Anbringen der Anordnung in miniaturisierten Geräten.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die Anzeigegenauigkeit der an sich bekannten coulometrischen Betriebszeitmesser unter Beibehaltung ihrer wichtigsten Merkmale, vor allem der geringen geometrischen Abmessungen, der Lageunabhängigkeit, Temperaturstabilität und Robustheit im Betriebszeitbereich der Frühausfallphase elektronischer Geräte zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, die Anzeigegenauigkeit von Betriebszeitmessern, die auf der Basis von Quecksilbercoulometern arbeiten, im Betriebszeitbereich der Frühausfälle von Geräten gegenüber den bekannten technischen Lösungen dadurch zu vergrößern, daß der elektrolytische Hohlraum, in dem sich das Quecksilber und der elektrolytische Einschluß befinden, verändert wird, wobei die Signal- und Schaltmöglichkeiten für beliebige Betriebszeitintervalle erhalten werden sollen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß gemäß Figur 1 ein Plättchen i aus einem halbleitenden oder isolierenden Material, daß mit dem Quecksilber bzw. der Elektrolyt-

lösung chemisch nicht reagiert und am Elektrolyseprozeß nicht teilnimmt, einen keilförmigen Hohlraum 3 enthält, der zur Aufnahme des Quecksilbers mit dem elektrolytischen Einschluß zwischen den sich dadurch ergebenden beiden Quecksilberhalbsäulen bestimmt ist. Dieser Hohlraum wird durch den Deckel 2 der Sandwichanordnung geschlossen, der die für den elektrolytischen Prozeß erforderlichen Schichtelektroden 4 und weitere ,'Elektroden 5 auf seiner Innenseite enthält, die als Teil von Wechselstromkreisen für Signal- und Schaltfunktionen angebracht werden. Das Material, aus dem dieser Deckel 2 besteht, muß ebenfalls chemisch resistent gegen Quecksilber und den Elektrolyt sein und darf unter Stromeinwirkung nicht an Transportprozessen beteiligt sein. Vorteilhaft ist die Verwendung von Glas, das die visuelle Beobachtung der Stellung und Bewegung des eingeschlossenen Elektrolytzwischenraumes gestattet. Die schichtförmigen Elektroden können aufgedampft oder aufgesputtert sein und sollen aus einem geeigneten Material bestehen, zum Beispiel aus Platin.

Die Größenverhältnisse und Abmessungen des keilförmigen Hohlraumes und der Elektroden ergeben sich aus der Wirkungsweise, die anhand Figur 2 näher erläutert werden sollen. Der keilförmige Hohlraum ist bier mit- seinen wesentlichen Funktionseinheiten dargestellt. Über die beiden Elektrolyseelektroden wird der Elektrolysegleichstrom zugeführt, der über einen Vorwiderstand der Gleichspannung des elektronischen Gerätes, dessen Betriebszeit gemessen werden soll, entnommen wird oder bei Wechselstromanschluß durch Gleichrichtung entsteht. Zwischen den beiden Quecksilberhalbsäulen 1 und 2 befindet sich der mit wässrigem Elektrolyt gefüllte Zwischenraum 3» durch den der Transport der Quecksilberionen von dem mit der Anode verbundenen Anschluß zur Katodenseite erfolgt und dadurch eine Verschiebung des Zwischenraumes 3 zur Anode bewirkt wird. Nach dem Faradayschen Gesetz für konstanten Stromfluß M = A · I · /\ t wird bei unverändertem elektrochemischen Potential A in der gleichen Zeiteinheit die gleiche Quecksilbermenge M transportiert, so daß der keilförmige Verlauf des Hohlraumes von Katode zur Anode zur Folge hat, daß sich die Länge des Zwischen-

raumes mit fortschreitender Verschiebung in Richtung Anode verkürzt, während seine Breite zunimmt. Da die transportierte Quecksilbermenge während des gesamten Prozesses gleich bleibt, der Querschnitt der Quecksilbersäule aber wächst, verlangsamt sich die Verschiebung des Zwischenraumes. Die in Figur eingezeichnete Zeitskale verdeutlicht die vom Zwischenraum zurückgelegte Wegstrecke für gleiche Zeitintervalle. Sowohl Figur 1 als auch Figur 2 sollen nur die Prinzipien der Konstruktion und der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung darstellen. Die Basisbreite des keilförmigen Hohlraumes ist deshalb gegenüber den tatsächlichen Verhältnissen stark übertrieben gezeichnet worden, und auch die Zeitskale in Figur 2 kann entsprechend der jeweiligen Ausfuhrungsform eine andere Einteilung aufweisen. Auch ist es möglich, die in Figur 1 gezeichneten Elektroden 5 gemäß den an sich bekannten Möglichkeiten anders anzuordnen, beispielsweise nur an der Basisbreite, oder wegzulassen, wenn das Deckplättchen aus Glas besteht und eine direkte visuelle Bewertung erfolgen soll. Schließlich ist es auch möglich, daß die in das Plättchen 1 der Figur 1 eingelassene keilförmige Vertiefung 3 zwischen Basis und Spitze unterschiedlich tief ist und somit hinsichtlich der Tiefe selbst keilförmig verläuft. Für die Bemessung des keilförmigen Hohlraumes und die Elektrolytmenge ist es auf ,jeden Fall von Bedeutung, daß die Länge des ZwiscuenrauiaeG 3 auch in der Nähe der Basis noch eine einwandfreie Elektrolyse gewährleistet,und daß Breite, Tiefe und länge so gewählt werden, daß für die Oberflächenspannung des Quecksilbers noch kapillare Bedingungen herrschen. Diese Forderungen begrenzen die Zeitdehnung in Katodennähe.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung bestand aus einem Keramikplättchen von 30 mm Länge, in das ein keilförmiger Hohlraum von 24 mm Länge eingelassen war. Er hatte an der Basis eine Breite von 2 mm und eine Tiefe von 0,1 ram, die zwischen Spitze und Basis nicht verändert wurde.

Der wäßrige Elektrolyt bestand aus einer Mischung von KCl und Hg₉Cl₉, sein Volumen betrug 0,05 mm . Bei einem Strom von 16,5 uA durchlief dieser elektrolytische Zwischenraum den gesamten Hohlraum in 1000 Stunden· Sein Gleichstromwiderstand betrug in der Mitte des Keiles 110Qund war durch seine Längenänderung in der Nähe der Spitze am größten. Der Vorwiderstand außerhalb der Anordnung war jedoch so bemessen, daß diese Widerstandsänderung vernachlässigbar klein blieb, so daß Stromkonstanz angenommen werden konnte· Dieser Zwischenraum durchlief in etwa 6 mm Abstand von der Katode eine .Wegstrecke von 1 mm in etwa 20 Stunden· In^- 12 mm Abstand, das heißt in der Mitte des keilförmigen Hohlraumes, benötigte er dafür ca· 41 Stunden und in der Nähe der Anode 83 Stunden. Seine Länge verringerte sich in den angegebenen Abständen von ca. 1 mm auf 0,2 mm. Das Deckplättchen bestand aus Glas und war aufgekittet, die Beobachtung erfolgte visuell anhand einer aufgedruckten Zeitskale· Äußere Temperaturänderungen beeinflußten zwar wesentlich den Widerstand des Elektrolyten, jedoch blieb die Stromkonstanz durch den großen externen Vorwiderstand erhalten, so daß Temperaturschwankungen keinen Einfluß auf das Meßereebnis hatten.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch

   1. Anordnung zur Betriebszeitmessung, bestehend in an sich bekannter V/eise aus einer Quecksilbersäule in einem länglichen Hohlraum mit einem wässrigen elektrolytischen Einschluß, der sich bei Stromfluß entgegengesetzt zur Stromrichtung bewegt, gekennzeichnet dadurch, daß der Querschnitt des Hohlraumes von einem zum anderen Ende abnimmt,
2. 2. Anordnung zur Betriebszeitmessung entsprechend Punkt 1,

   ' :.. .gekennzeichnet dadurch, daß der Hohlraum durch eine Aussparung in einer aus mehreren Plättchen bestehenden Sandwichanordnung gebildet wird.
3. 3. Anordnung zur Betriebszeitmessung entsprechend Punkt 1 und/oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß in den Hohlraum Elektroden hineinragen, über die äußere Signalvorgänge ausgelöst werden können.

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