DD160935A1 - Elektrolytische anordnung zur strom-zeit-integration von wechselstroemen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Strom-Zeit-Messungen bei Wechselstroemen. Sie setzt sich zum Ziel, eine Anordnung anzugeben, deren Frequenz- und Stromstaerkebereich in weiten Grenzen variiert werden kann und deren Anzeige ueber lange Zeitraeume kontinuierlich erfolgt. Sie soll bekannte mechanische Zaehler ersetzen koennen. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe durch ein Quecksilber-Mikrocoulometer in Ringform mit einem elektrolytischen Einschluss geloest, in dem eine elektrisch isolierte Diode schwimmt, deren koaxiale Anschluesse beidseitig in das Quecksilber tauchen. Eine aeussere Spulenanordnung, die vom Verbraucherstrom durchflossen wird, induziert in dem Quecksilber einen Strom, der durch die Diode teilweise gleichgerichtet wird und die Elektrolysespannung liefert, Dadurch verschiebt sich der Einschluss; die durchwanderte Strecke ist ein Mass fuer den Strom und die Stromflusszeit. Gegenueber allen herkoemmlichen Wechselstromzaehlern mit rotierenden mechanischen Elementen hat die Anordnung den Vorzug wesentlich kleinerer Abmessungen, einer einfacheren Herstellungstechnologie, betraechtlich niedrigerer Kosten und der groesseren Betriebszuverlaessigkeit.

Description

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Titel der Erfindung

Elektrolytische Anordnung zur Strom-Zeit-Integration von Wechselströmen '

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine elektrolytische Anordnung zur Strom-Zeit-Integration von Wechselströmen, die auf Grund ihres Wirkungsprinzips als Wechselstromzähler fast universell einsetzbar ist· Diese universelle Anwendbarkeit bezieht sich auf ein breites Frequenzspektrum von einigen Hz bis zu mehr als 100 kHz, auf Mehrphasenströme, auf einen Strommeß-

bereich von einigen mA bis zu einigen 10 A, auf ein unbegrenztes Zeitmeßintervall bis zu einigen 10^h bei guter Auflösbarkeit kleinerer Zeitabschnitte und auf unterschiedliche Kurvenformen des Wechselstromes einschließlich der Impulsform« Die Anordnung gestattet es weiterhin, nach Ablauf bestimmter Zeitabschnitte elektronische Signale auszulösen oder Schalter zu betätigen.

Durch Änderung der externen Schaltelemente ist auch eine Anwendung als Leistungsmesser möglich· Da die Anordnung klein und billig hergestellt werden kann, eine lange Lebensdauer und durch das Fehlen mechanisch bewegter Teile eine hohe Zuverlässigkeit aufweist, dürfte der Einsatz auf zahlreichen Gebieten erfolgen, die bisher mit bekannten Stromzählern nicht berücksichtigt werden konnten. Dazu zählen beispielsweise Betriebsdauer- und Leistungsmessungen bei

elektrischen und elektronischen Geräten, Überwachsungs- und Steuerungsaufgaben, Kontrolluntersuchungen für den Service, für Garantie- und Durchsichtsarbeiten und viele meßtechnische Anwendungen.

Gegenüber den bekannten mikroooulometrischen Anordnungen hat die beschriebene Anordnung den Vorteil, daß keine Rückstellung nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer erforderlich ist und eine externe Gleichrichtung zur Gewinnung der Elektrolysespannung nicht mehr benötigt wird·

Gegenüber allen herkömmlichen Wechselstromzählern mit rotierenden mechanischen Elementen hat die Anordnung den Vorzug wesentlich kleinerer Abmessungen, einer einfacheren Herstellungstechnologie, beträchtlich niedrigerer Kosten und des breiten Frequenzspektrums, das von dem neuen Wirkprinzip verarbeitet werden kann. Zu berücksichtigen ist jedoch, daß die Anzeigegenauigkeit, d.h. die zeitliche Auflösung, nicht beliebig verringert werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt und allgemein verbreitet sind die elektromechanisch aufgebauten Wechselstromzähler in den verschiedensten Ausführungsformen mit Elektromotor bzw. einer durch den Wechselstrom angetriebenen Scheibe mit Zählwerk. Diese Anordnungen sollen hier nicht weiter betrachtet werden, da ihre Wirkungsweise gegenüber der erfindungsgemäßen Anordnung völlig verschieden ist.

Bekannt sind auch die Coulometer oder Voltameter, die auf der Messung einer durch Elektrolyse abgeschiedenen Stoffmenge beruhen. Zwar sind diese Anordnungen an sich nur für die Messung von Gleichströmen verwendbar, aber durch Gleichrichtung können auf einfache Weise auch Strom-Zeit-Integrationen von Wechselströmen unterschiedlicher Kurvenform erfolgen. Alle diese Anordnungen beruhen auf der Ausnutzung

des Faradaysoben Gesetzes, wonach beim Elektrolyseprozeß in einer bestimmten Zeit eine bestimmte vom durchfließenden Elektrolysestrom abhängige Stoffmenge transportiert wird. Die Abhängigkeit von weiteren physikalischen Größen ist durch die Zusammensetzung des Elektrolyten und durch die Konstruktion festgelegt und wird beim Justieren der Anordnungen berücksichtigt. Eine besondere Bedeutung haben die Mikrocoulometer mit Quecksilberfiillung erlangt, bei denen sich in einer mit Quecksilber gefüllten Kapillare ein kleiner Einschluß aus einem wäßrigen Elektrolyten befindet. Beim Stromdurchgang gehen an der mit dem positiven Pol verbundenen Quecksilberteilsäule Hg-Ionen in Lösung, wandern durch den Elektrolyten und werden an der mit dem negativen Pol verbundenen Quecksilberteilsäule wieder abgeschieden· Dadurch wird die positive Quecksilbersäule kürzer, die negative dagegen langer, und der elektrolytische Einschluß wandert entgegengesetzt zur Stromrichtung· Bei konstantem Strom ist die durchwanderte Strecke der Stromflußzeit proportional. Solche Mikrocoulometer sind hinsichtlich ihrer Wirkungsweise in einem Temperaturbereich von -30.·«+70'⁰C. einsetzbar, wobei durch spezielle Werkstoffe eine Ausweitung auf +125 ⁰C erreichbar ist· Sie werden für verschieden« Anwendungszwecke, Betriebszeiten und Ströme hergestellt.

In der Patentanmeldung "Elektrolytische Anordnung zur Schaltung und Messung langer Betriebszeiten" wird eine weiterentwickelte mikrocoulometrische Anordnung beschrieben, die durch quer zur Quecksilbersäule liegende, einander gegenüberstehende Elektroden, deren Breite kleiner ist als die länge des elektrolytischen Einschlusses, Schaltvorgänge auszulösen gestattet. Weiterhin ist in dieser Patentanmeldung angegeben, daß der kapillare Hohlraum auch durch eine Rille innerhalb einer Sandwichanordnung aus zwei aufeinanderliegenden Plättchen gebildet werden kann.

In der Patentanmeldung "Anordnung zur Betriebszeitmessung mit magnetischer Signalumsetzung" ist angegeben, daß in dem

elektrolytischen Einschluß eines Mikrocoulometers ein weichmagnetischer Körper schwimmen kann, der die Induktivität von außerhalb der Kapillare angeordneten Spulen verändert·

Die Patentanmeldung "Anordnung zur berührungslosen kontinuierlichen elektronischen Zeitmessung" geht ebenfalls von einem weichmagnetischen Körper in dem elektrolytischen Einschluß eines Mikrocoulometers aus, wobei die Kapillare jedoch von einer Spule umschlossen wird, deren Induktivität sich in einer Richtung längs der Kapillare stetig verändert, so daß die Lage des Einschlusses kontinuierlich erkannt werden kann.

Die Patentanmeldung "Anordnung zur Strahlungs- Zeit-Integration für optische und ionisierende Strahlung" beschreibt ein Mikrocoulometer, in dessen elektrolytischem Einschluß ein Strahlungsdetektor schwimmt, der bei Bestrahlung eine EMK an Elektroden abgibt, die das Quecksilber berühren·

Zur Verbesserung der Anzeige, zur Erhöhung der Anzeigegenauigkeit und für spezielle Anwendungen sind weitere Ausführungsvarianten von coulometrischen Anordnungen bekannt geworden, auf die jedoch nicht weiter eingegangen werden soll, weil sie keinen unmittelbaren Bezug zu der im Folgenden beschriebenen Anordnung haben·

Alle coulometrischen Anordnungen können grundsätzlich nur in einem durch ihre Konstruktion und durch die elektrischen Daten festgelegten Zeitintervall anzeigen· Durch Umkehr der Stromrichtung läßt sich der elektrolytische Einschluß zurückstellen, so daß sie erneut verwendbar sind· Diese Umschaltung muß manuell oder durch elektrische Kontakte vorgenommen werden· Demgegenüber weist die erfindungsgemäße Lösung keine zeitliche Begrenzung auf und stellt somit einen universellen Strom-Zeit-Integrator mit großer Anwendungsbreite dar·

Ziel der Erfindung

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine Anordnung zur Strom-Zeit-Integration für Wechselströme anzugeben, deren Frequenz und Stromstärke in einem breiten Bereich liegen kann und deren Anzeige über lange Zeit kontinuierlich erfolgt und keine Umschaltung erfordert,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrolytischen Betriebszeitmesser konstruktiv so zu gestalten, daß die von einem äußeren Wechselfeld induzierten Ströme intern gleichgerichtet werden und die Elektrolysespannung liefern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß gemäß Figur 1 ein geschlossener, kreisförmiger Hohlraum mit geringem Durchmesser mit Quecksilber 1 gefüllt wird, der einen Einschluß aus einem wäßrigen Elektrolyt 2 enthält, in dem eine Halbleiterdiode 3 schwimmt. Diese Halbleiterdiode ist durch eine Schutzummantelung elektrisch gegenüber dem Elektrolyten isoliert. Gleichzeitig soll sie eine reibungsarme Führung in dem Hohlraum gewährleisten. Ihr Durchmesser ist geringfügig kleiner als der Hohlraumdurchmesser und wird von der Forderung bestimmt, daß einersteits eine sichere Trennung der angrenzenden Quecksilberoberflächen gesichert werden muß und andererseits ein in kapillaren Größenordnungen liegender Abstand zur Innenwand des Hohlraumes bestehen muß, über den der Transport der Quecksilberionen erfolgen kann. Die koaxialen Anschlüsse der Halbleiterdiode sind durch die Schutzummantelung geführt und tauchen beidseitig in das Quecksilber»

Mit 4 wird in Figur 1 eine Leiterschleife bezeichnet. Die Wirkungsweise der gesamten Anordnung beruht auf dem Wechselfeld, das um die Leiterschleife beim Durchfließen eines Wechselstromes entsteht und das in der Leiterkombination

innerhalb des kreisförmigen Hohlraumes einen Wechselstrom, nachfolgend Ringstrom genannt, induziert. Die physikalischen Grundlagen dafür sind so elementar, daß auf sie nicht näher eingegangen werden muß· Aus ihnen gehen der Einfluß der Stromstärke in der Leiterschleife, der Frequenz, der geometrischen Abmessungen, der Windungszahl usw. auf den Ringstrom hervor. Entscheidend für die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ist vielmehr die Leiterkombination. Sie besteht aus dem Widerstand des metallischen Quecksilbers und dem dazu in Serie liegenden wesentlich höheren Widerstand des elektrolytischen Einschlusses. Elektrisch parallel zu diesem höheren Widerstand liegt die Halbleiterdiode· In Durchlaßrichtung hat sie einen sehr niedrigen Widerstand, in Sperrichtung dagegen einen so hohen, daß sie in der vorliegenden Anordnung praktisch als Isolator angesehen werden kann. Dem Wechselstrom, der duroh Quecksilber- und Elektrolytwiderstand fließt, überlagert sich somit durch die gleichrichtende Wirkung der Diode eine Gleichstromkomponente· Der Wechselstrom selbst übt keinen Einfluß auf die Elektrolyse und somit auf den Transport der Quecksilberionen, d.h. auf die Bewegung des Einschlusses aus. Dagegen ruft die Gleichstromkomponente Elektrolyse hervor, die zur Wanderung des Einschlusses führt. Von dem durch die Diode fließenden Wechselstromanteil wird jeweils nur die positive Halbwelle wirksam, da es sich um eine typische Einweggleichrichtung handelt.

Wenn auch die Wechselstromkomponente keinen Einfluß auf den Elektrolyseeffekt hat, so muß sie doch bei der Pestlegung der zulässigen Leistung für die erfindungsgemäße Anordnung berücksichtigt werden. Durch die geometrischen Abmessungen der Leiterschleife oder ihre Ausbildung als Spule können die elektrischen Parameter der Gesamtanordnung in weiten Grenzen verändert werden·

Es ist auch denkbar, mehrere voneinander unabhängige Spu-

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len anzubringen, deren Ströme aus unterschiedlichen Signalquellen resultieren und die gemeinsam auf die Strom-Zeit-Integration wirken sollen. Auf diese Weise können auch Mehrphasenströme gemessen werden.

In den Hohlraum können auch Elektroden 5 eingeführt werden, die beim Durchlaufen des elektrolytischen Einschlusses durch VViderstandsänderung Schaltvorgänge auslösen. Solche Elektroden dürfen das Durchgleiten des im Elektrolyt schwimmenden Körpers nicht behindern und müssen in bekannter Weise in ihrer Breite kleiner sein als die Länge des Einschlusses. An ihnen fällt nur eine sehr geringe Spannung ab, wenn sich zwischen ihnen Quecksilber befindet. Tritt dagegen der elektrolytische Einschluß zwischen die in den Hohlraum ragenden Elektrodenenden, so ist der Spannungsabfall durch den höheren Widerstand des Elektrolyten wesentlich größer und kann zur Auslösung von Schaltvorgängen dienen. Diese Möglichkeit kann z.B. zum Zählen der Anzahl der Umläufe des Einschlusses benutzt werden. Pur die praktische Realisierung eines Hohlraumes mit hineinragenden Elektroden sind Lösungswege bekannt. So kann der Hohlraum durch eine Rille innerhalb von zwei übereinanderliegenden Plättchen gebildet werden, und die Elektroden sind dann als metallische Schichten auf einem der Plättchen aufgebracht.

Gegenüber allen bekannten Anordnungen hat die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, daß die Anzeigedauer, die beispielseise ein Maß für den Stromverbrauch sein kann, nicht begrenzt ist .Wenn keine Schaltelektroden verwendet werden, so besteht ein weiterer Vorzug darin, daß eine Rückstellung des elektrolytischen Einschlusses durch einen äußeren Elektrolysegleichstrom mit umgekehrter Polarität nicht mehr erforderlich ist. Die gewünschte Lage in bezug auf eine Skale kann durch Drehen der Anordnung erreicht werden. Neben der in Figur 1 zur Verdeutlichung des Prinzips gezeichneten Leiterschleife gibt es jedoch auch weitere Möglichkeiten für die Anordnung von Spulenwindungen

oder Leiterbahnen, die in dem Ringleiter einen Strom induzieren. Dazu zählen beispielsweise gedruckte Leiterbahnen, Spulenanordnungen außerhalb des ringförmigen Hohlraumes usw.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Wechselstromzähler· Dazu wurde ein Röhrchen mit einem Innendurchmesser von 0,3 mm und einem Ringdurchmesser von ca. 30 mm mit Quecksilber gefüllt. Der Widerstand des Quecksilberfadens betrug etwa 1 Ohm. Der Faden wurde durch einen wäßrigen elektrolytischen Einschluß unterbrochen, in dem eine glasummantelte Siliziumdiode mit koaxialen Anschlußdrähten schwamm. Sie enthält zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Elektrolyten einen integrierten Vorwiderstand. Der maximale Außendurchmesser dieser Siliziumdiode, die ein speziell umglastes Si-Plättchen war, lag bei 0,27 mm. Der Ohmsche Widerstand des elektrolytischen Einschlusses betrug 120 Ohm, gemessen bei Zimmertemperatur und 50 Hz. Die Spule im Inneren des Ringes wird von dem Verbraucherstrom durchflossen, so daß die gesamte Anordnung den bekannten Stromwandlern ähnelt, wobei der Ringleiter den Sekundärkreis bildet. Die elektrolytische Anordnung war für eine maximale Ladung von 25 mA«h ausgelegt; der Gesamtstrom, bestehend aus Wechsel- und Gleichstromanteil, durfte 0,2 mA nicht überschreiten.

Claims (2)

Erfindungsanspruch

1. Elektrolytische Anordnung zur Strom-Zeit-Integration von Wechselströmen, bestehend aus einem Quecksilberleiter innerhalb eines ringförmigen Hohlraumes und einer von Wechselstrom durchflossenen Leiteranordnung, die in dem Quecksilberleiter einen Strom induziert, gekennzeichnet dadurch, daß sich in dem Quecksilberleiter ein mit Elektrolyt gefüllter Einschluß befindet, in dem eine gegenüber dem Elektrolyt isolierte Gleichrichterdiode schwimmt, deren Anschlüsse beidseitig in den Quecksilberleiter tauchen.

2, Elektrolytische Anordnung zur Strom-Zeit-Integration von Wechselströmen gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in den ringförmigen Hohlraum mindestens ein Paar Elektroden hineinragen, deren Breite kleiner ist als die Länge des mit Elektrolyt gefüllten Einschlusses·

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