DD228845A1 - Ionische schaltkreisanordnung - Google Patents

Abstract

Ionische Schaltkreisanordnung, bestehend aus mehreren Mikrocoulometern, deren anodenseitige Quecksilberteilhaelften untereinander verbunden sind. Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die Wanderungsgeschwindigkeit der elektrolytischen Einschluesse durch eine gegenseitige Beeinflussung der waessrigen Elektrolyte waehrend ihrer Wanderung zu veraendern. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass seitliche Kapillaren, als Emitterkapillaren bezeichnet, in eine zentrale Kapillare, als Kollektorkapillare bezeichnet, einmuenden. Dadurch kann bei entsprechender unterschiedlicher Geschwindigkeit der einzelnen elektrolytischen Einschluesse ein Zusammentreffen und damit eine Vermischung der Elektrolyte erzielt werden. Der dabei entstehende neue Einschluss weist gegenueber den einzelnen Einschluessen vor ihrer Vermischung eine andere Zusammensetzung und somit andere Eigenschaften, z. B. einen anderen spezifischen Widerstand auf. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Einschlusses kann dadurch veraendert werden, ohne dass aeussere Stellvorgaenge erforderlich waeren. Die erfindungsgemaesse Anordnung ist geeignet als Betriebsstundenzaehler mit veraenderbarer Ablesegenauigkeit, als Funktionsgenerator mit stueckweise linearen Anzeigeabschnitten und als Zeitgeberorgan in der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik. Besonders hervorzuheben ist die Kompatibilitaet zu mikroelektronischen Schaltkreisen, die sowohl die erforderlichen Stroeme, Spannungen und auch die geometrischen Abmessungen betrifft.

Description

Titel der Erfindung

Ionische Schaltkreisanordnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine ionische Schaltkreisanordnung, die aus einer Verbindung mehrerer mikrocoulometrischer Anordnungen mit unterschiedlichen elektrischen Parametern besteht. Durch die gegenseitige Beeinflußbarkeit der Kenngrößen werden Anordnungen gebildet» die hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen und ihres elektrischen Leistungsbedarfs den integrierten Schaltkreisen der Mikroelektronik ähnlich sind und als mikroionische Schaltkreise bezeichnet werden können.

Ihr.Wirkprinzip entspricht, bezogen auf einzelne Elemente der Anordnung,, den an sich bekannten Mikrocoulometern. Bei diesen wird ein elektrolytischer Einschluß in einer mit Quecksilber gefüllten Kapillare beim Anlegen eines äußeren Elektrolysestroms verschoben. Ein solches Mikrocoulometer wird in seiner Eigenschaft als Strom-Zeit-Integrator bekanntlich als Betriebszeitmesser» für Steuer- und Regelzwecke, als Zeitschalter usw. eingesetzt, wobei insbesondere Zeitspannen von mehreren 100 bis 10 000 Stunden, d.h. lange Zeitabläufe, erfaßt werden können.

Aus der Proportionalität zwischen zurückgelegter Wegstrecke und Stromflußzeit ergibt sich» daß nur lineare Zusammenhän-

ge direkt angezeigt werden können. Für die Erfassung komplizierterer Funktionen ist eine entsprechende äußere Be^ Schaltung mit mikroelektronischen Schaltkreisen nötig. Demgegenüber gestattet es die erfindungsgemäße Anordnung, mehrere mikrocoulometrische Einzelelemente so miteinander zu verbinden* daß sich aus der gegenseitigen Beeinflussung ohne äußere elektronische Steuerung zahlreiche neuartige Kombinationen ergeben. So können beispielsweise Zeitfunktionen realisiert werden» die nach bestimmten Zeitabschnitten ihren Verlauf sprungartig verändern, die einen sägezahnartigen Verlauf haben usw. Die Funktionen können für die Anordnung fest programmiert sein oder durch äußere Spannungen in gewissen Grenzen verändert werden. In bestimmten Abschnitten des zeitlichen Ablaufs können Schaltvorgänge für äußere Schaltelemente ausgelöst werden. Die Umschlagpunkte, d.h. die Obergänge zu einem anderen Funktionsverlauf, können optisch angezeigt werden.

Hauptanwendungsgebiete sind die Erfassung und Messung von Zeitabschnitten, insbesondere von Betriebszeiträumen mit unterschiedlicher Genauigkeit, so etwa mit verbesserter Genauigkeit in der Frühausfallphase, die Steuerung von Geräten und Anlagen, die zeitabhängige Verknüpfung von Kenngrößen, die durch elektrische Spannungen dargestellt werden können usw. Durch die Kompatibilität zur Mikroelektronik werden für die Meß«, Steuer- und Regelungstechnik vor allem die Gebiete erschlossen, die durch lange Zeitabläufe gekennzeichnet sind und bisher einen wesentlich größeren elektronischen Aufwand erforderten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Neben den elektrischen, elektronischen und elektromechanischen Einrichtungen zur Messung und Schaltung von Zeitabläufen* auf die hier nicht eingegangen werden soll, sind vor allem die auf coulometrischer Basis arbeitenden Anordnungen in vielfältigen Ausführungsforraen bekannt geworden.

Ein Mikrocoulometer besteht meist aus einer mit Quecksilber gefüllten Kapillare, die an einer Stirnseite durch eine als Katode dienende Elektrode, an der anderen Stirnseite durch eine Anode abgeschlossen wird. Innerhalb der Quecksilbersäule befindet sich ein kleiner elektrolytischer Einschluß. Wenn durch diese Anordnung ein Gleichstrom fließt» so folgen die ablaufenden Vorgänge dem Faradayschen Gesetz, das in seiner Form für konstante Ströme M=A»I»&t lautet. Dabei sind M die abgeschiedene Stoffmenge in [g] , A das elektrochemische Potential* d.h. ein Materialwert, der angibt, wieviel Jg] eines bestimmten Ions durch eine As abgeschieden werden, I der Strom in [A] und Δt die Stromflußzeit in [s]. Bei einem solchen Mikrocoulometer gehen an der mit dem positiven Pol verbundenen Quecksilberteilsäule Hg-Ionen in Lösung, wandern durch den Elektrolyteinschluß und werden an der mit dem negativen Pol verbundenen Quecksilberteilsäule wieder abgeschieden. Durch diesen Quecksilbertransport wird somit die positive Teilsäule kurzer, und die negative Teilsäule wird länger. Der elektrolytische Einschluß wandert also mit einer Geschwindigkeit, die M proportional ist, entgegengesetzt zur Stromrichtung. Aus der allgemeinen Form des Faradayschen Gesetzes ergibt sich * daß Mikrocoulometer als Strom-Zeit-Integratoren auch für zeitlich schwankende Ströme, u.a. auch für Impulsströme einsetzbar sind.

Die Erfindungsanmeldung "Elektrolytische Anordnung zur Schaltung und Messung langer Betriebszeiten" (VVP 160 910 ) beschreibt ein solches Mikrocoulometer, das für Schaltzwecke seitlich in die Kapillare hineinragende Elektroden aufweist und durch eine Rille in einem Substrat gebildet werden kann. In der Erfindungsanmeldung"Anordnung zur Anzeige von Wartungsintervallen bei Geräten und Anlagen" (VVP 160 911) wird durch die technologisch einfachere Anbringung der Elektroden an den Stirnseiten des Mikrocoulometers eine andere Variante beschrieben. Weitere Erfindungsanmeldungen betreffen die Veränderung des Substratraaterials zur Schaltung von kontinuierlich einstellbaren

Zeitintervallen (WP 160 912) und eine ionisch-elektrische Anordnung zur quasi-digitalen Zeituntersetzung von Betriebszeitintervallen (WP 160 913). eine integrationsfreundliche Anordnung für die gleichzeitige Anzeige mehrerer Meßwerte beschreibt die Erfindungsanmeldung "Integrierte Anordnung zur Betriebszeitmessung in elektrischen und elektronischen Geräten" (WP 16Ό 915)* bei der die Mikrocoulometer durch eine gemeinsame Elektrode verbunden sind.

Weitere Erfindungsanmeldungen befassen sich mit dem Einbringen von magnetischen oder Halbleiter-Elementen als Schwimmkörper in den elektrolytischen Einschluß zwischen den beiden Quecksilberteilhälften eines Mikrocoulometers und mit Anordnungen zur induktiven oder elektronischen Erkennung der Lage des Einschlusses durch Induktivitäten außerhalb der Kapillare. Durch Kombination mit zusätzlichen Anordnungen oder durch Variation der Anordnung selbst sind außerdem Anordnungen zur Durchflußmengen-> Temperatur—, Strahlungs- und Wärmemengenmessung bekannt.

Alle diese Anordnungen kann man prinzipiell einteilen in solche, bei denen die konstruktive Gestaltung der Kapillare variiert wird; in andere, bei denen zusätzliche Kör- - per in den elektrolytischen Einschluß eingebracht werden und in Anordnungen» die durch äußere elektrische _m elektronische oder mechanische Elemente besondere Wirkungen zeigen. Dementsprechend sind auch die Anwendungsgebiete unterschiedlich. Das physikalische Wirkprinzip bleibt bei allen diesen Varianten unverändert. Bisher nicht beschrieben wurden dagegen solche Anordnungen_# bei denen die sonst durch äußere Schaltelemente bewirkten sprunghaften Veränderungen der durchwanderten Wegstrecke des elektrolytischen Einschlusses durch innere Vorgänge ausgelöst werden.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, auf der Grundlage des

Wirkprinzips elektrolytischer Mikrocoulometer eine Anordnung anzugeben, bei der die Wanderungsgeschwindigkeit von elektrolytischen Einschlüssen durch innere Vorgänge gesteuert werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mehrere Kapillaren mit jeweils spezifischen elektrischen Eigenschaften konstruktiv so zu verbinden, daß eine gezielte gegenseitige Beeinflussung der elektrolytischen Einschlüsse und damit eine Steuerung der Wegstrecken durch diese Beeinflussung bewirkt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in eine Kapillare, die mit Quecksilber gefüllt ist und an einem stirnseitigen Ende eine Anodenelektrode enthält, seitlich eine oder mehrere Kapillaren münden, deren Quecksilberfüllung mit der Quecksilberfüllung jener gemeinsamen Kapillare verbunden ist. Diese seitlichen Kapillaren enthalten ebenfalls an ihrem stirnseitigen Ende eine Elektrode, die als Katode dient, und außerdem jeweils einen elektrolytischen Einschluß. Figur 1 verdeutlicht dieses Prinzip für eine einfache Anordnung mit einer seitlichen Kapillare. In die Kapillare C, im folgenden Kollektorkapillare genannt, mündet die seitliche Kapillare E, im folgenden Emitterkapillare genannt. Der positive Elektrolyseanschluß A führt in das stirnseitige Ende der Kollekto»— kapillare, während die Katodenanschlüsse K₁ und K- in die Stirnseiten der Kollektor- bzw. Emitterkapillare hineinragen. Beide Kapillaren enthalten im Ausgangszustand je einen elektrolytischen Einschluß, in Figur 1 mit 1 und 2 bezeichnet und sind mit der für die gesamte Anordnung gemeinsamen Katode K über die Vorwiderstände R₁ und R₂ verbunden. Die Wirkungsweise der Anordnung beruht auf dem Faradayschen Gesetz. Wird an A und K eine Elektrolysegleichspannung, deren Größe sich aus den konstruktiven und elektrischen Daten ergibt, gelegt, so wandern Queck-

Silberionen entsprechend der Beziehung Μ=Α*Ι·Δΐ von der Anode über die elektrolytischen Einschlüsse zur Katode, wobei die mit den Katoden verbundenen Quecksilberteilsäulen durch diesen Transportprozeß länger werden» die mit der gemeinsamen Anode verbundenen Teilsäulen aber in dem gleichen Maße abnehmen. Die daraus resultierende Verschiebung der Einschlüsse hängt ab von dem Stromfluß durch die Kollektor- und Emitterkapillare, eingestellt durch die zugehörigen Vorwiderstände bei gegebener Elektrolysespannung₅ und von den Eigenschaften des Elektrolyten.

Die Zusammensetzung der Elektrolyte sei unterschiedlich und in Verbindung mit den konstruktiven Daten und den Vorwiderständen so gewählt» daß der Einschluß 1 an der Einmündungsstelle der Emitterkapillare in die Kollektorkapillare auf den Einschluß 2 trifft und beide Elektrolyts zusammenfließen. Dabei können folgende Betriebsarten eingestellt werden:

Betriebsart 1: Die neue Zusammensetzung des Elektrolyten führt zu einer Verlangsamung der Geschwindigkeit des Einschlusses 1 + 2.

Betriebsart 2: Die neue Zusammensetzung führt zu einer Vergrößerung der Geschwindigkeit des Einschlusses 1+2.

Betriebsart 3: Beim Zusammenfließen tritt ein Farbumschlag auf» verbunden mit schnellerer oder langsamerer Geschwindigkeit. In diesem Falle sind den elektrolytischen Einschlüssen vorher Farbindikatoren zugesetzt worden.

Zu berücksichtigen ist, daß auf den zusammengeflossenen Einschluß 1 + 2 in der Kollektorkapillare ein größerer Strom als vorher auf jeden einzelnen Einschluß wirkt und daß die Länge der Einschlüsse so zu wählen ist, daß der Zusammenfluß an der Einmündungsstelle mit Sicherheit erfolgt. Die geeignete Wahl der Zusammensetzungen für die Einschlüsse kann nach dem jeweiligen Anwendungszweck entsprechend den im Prinzip bekannten Elektrolytkombinationen

erfolgen und ist aus der einschlägigen Literatur bekannt.

Die beschriebene Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung gestattet es* ohne zusätzliche äußere Beeinflussung die Geschwindigkeit des elektrolytischen Einschlusses sprunghaft zu verändern. Dies kann von Bedeutung sein, wenn die ionische Schaltkreisanordnung als Betriebsstundenzähler in elektrischen und elektronischen Geräten zur Zuverlässigkeitskontrolle eingesetzt wird und die Frühausfallphase bestimmter Baugruppen erfaßt werden soll. Das »Virkprinzip gestattet es, etwa den Bereich von 100...1000 Betriebsstunden zwischen K^ in Figur 1 und der Einmündungsstelle der Eraitterkapillare zu wählen, während die Kollektorkapillare von der Einmündungsstelle bis A eine Betriebsstundenzeit von 1000 bis 10000 Stunden anzeigt. Für meß-, Steuer- und regelungstechnische Aufgaben ist aber auch ein Betrieb möglich», der im Endstadium, d.h. zwischen der Einmündungsstelle und A in Figur 1 eine schnellere Verschiebung des elektrolytischen Einschlusses gewährleistet.

Durch die Prinzipdarstellung in Figur 1 ist weder die Anzahl der Emitterkapillaren'noch der Winkel an der Einmündungsstelle dieser Kapillaren zur Kollektorkapillare vorgegeben, da diese Größen den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden können.

Es ist bekannt» daß mit Mikrocoulometern durch seitlich in die Kapillare ragende Elektroden Schaltvorgänge bei bestimmten Stellungen des elektrolytischen Einschlusses ausgelöst werden, können. In solchen Fällen wird über paarweise gegenüberliegende Elektroden ein schwacher Wechselstrom geleitet, der den Elektrolyseprozeß nicht beeinflußt, aber entsprechend angeordnete Schwellwertschalter beim Durchgang des elektrolytischen Einschlusses betätigt. Eine solche Erweiterung ist natürlich auch auf die erfindungsgeraäße Anordnung anwendbar und vergrößert ihren Einsatzbereich beträchtlich.

Weiterhin ist bekannt» daß die üblicherweise aus Glaskapillaren hergestellten Mikrocoulometer technologisch günstig auch durch zwei isolierende Plättchen realisiert werden können, von denen eines als Substratplättchen dient, das auf einer Seite eingefräste Rillen hat, die bei der Abdeckung mit einem Deckplättchen ein Kapillarensystera bilden. Das Deckplättchen kann durchsichtig sein und aufgeklebt werden. Seitliche Schaltelektroden können dann in einfacher Weise als Schichten aufgedampft oder aufgesputtert werden, und die ganze Anordnung einschließlich aufgedampfter Vorwiderstände kann den üblichen mikroelektronischen Schaltkreisen In Größe und Geometrie angepaßt werden.

Ausführungsbeispiel

In einem ausgeführten Beispiel betrug die Länge der Kollektorkapillare 32 mm. Wenn der Widerstand R„ noch nicht eingefügt war,, d.h. die Elektrolyse nur über K₁-A erfolgte, durchlief der elektrolytische Einschluß 1 in Figurl bei einem Strom von 3*2 uA diese Strecke in 2000 Stunden. Die Einmündung der Emitterkapillare wurde im Abstand von 16 mm von K₁ gewählt; ihre Länge betrug 8 mm. Wenn der Widerstand R₁ weggelassen wurde, d.h. der Elektrolyseprozeß nur über Kp-A erfolgte, durchlief der elektrolytische Einschluß 2 diese Strecke in 4000 Stunden. R₁ und R₂ wurden in Abhängigkeit von der Spannungsquelle so eingestellt, daß nach 1000 Stunden Betriebszeit der Zusammenfluß an der Einmündung erfolgte. Durch geeignete Wahl der Zusammensetzung der Elektrolyte und die Vergrößerung des Stromflusses infolge der Vereinigung der Teilströme über R₁ und R_ beschleunigte sich die Fortbewegung des Einschlusses 1+2 zwischen der Einmündungsstelle und A. Diese. Strecke wurde in 200 Stunden zurückgelegt. Dieses Ausführungsbeispiel war für die Ablaufsteuerung spezieller Messungen im elektronischen Gerätebau entwickelt worden.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch

   1. Ionische Schaltkreisanordnung, bestehend aus einem System von untereinander verbundenen Kapillaren, in denen sich Quecksilber und Einschlüsse aus wäßrigen Elektrolyten befinden, gekennzeichnet dadurch, daß die Konzentration und/oder die chemische Zusammensetzung der wäßrigen Elektrolyte unterschiedlich ist
2. 2. Ionische Schaltkreisanordnung gemäß Punkt l._t gekennzeichnet dadurch, daß die Kapillaren durch rillenartige Vertiefungen innerhalb einer aus mindestens zwei übereinanderliegenden Plättchen bestehenden Sandwichanordnung gebildet werden.
3. 3. Ionische Schaltkreisanordnung gemäß Punk 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, daß in die Kapillaren zusätzliche Elektroden eingeführt sind, mit denen elektrische Schaltvorgänge ausgelöst werden können.

   Hierzu 1 Saiia Zeichnung