DE1081136B

DE1081136B - Einrichtung zur Integration von durch elektrische Stroeme darstellbaren Groessen unter Verwendung einer elektrolytischen Zelle

Info

Publication number: DE1081136B
Application number: DES57432A
Authority: DE
Inventors: Frederick Arthur Summerlin
Original assignee: Sperry Gyroscope Co Ltd
Current assignee: Sperry Gyroscope Co Ltd
Priority date: 1957-03-19
Filing date: 1958-03-19
Publication date: 1960-05-05
Also published as: US3086118A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Integration von durch elektrische Ströme darstellbaren Größen unter Verwendung einer elektrolytischen Zelle, an der bei Stromdurchgang ein Material abgeschieden wird.

Es sind derartige elektrolytische Integriereinrichtungen bekannt, bei denen ein Gas, beispielsweise Wasserstoff, oder eine Flüssigkeit, beispielsweise Quecksilber, beim Stromdurchgang abgeschieden wird. Die Menge des abgeschiedenen Materials muß bei diesen bekannten Vorrichtungen anschließend nach einem der bekannten Gewichts- oder Volumenmeßverfahren bestimmt werden, wozu verhältnismäßig komplizierte Apparaturen erforderlich sind. Abgesehen von der Unbequemlichkeit dieser Meßverfahren gestatten sie nur eine mäßige Genauigkeit der Bestimmung der abgeschiedenen Substanzmenge; die betreffenden Apparaturen müssen außerdem sorgfältig aufgebaut werden, sind in hohem Maße störanfällig und dürfen während des Meßverfahrens keinen äußeren Erschütterungen oder Beschleunigungen ausgesetzt werden, da diese die Verläßlichkeit der Meßergebnisse beeinträchtigen würden.

Ferner sind bei den bekannten Vorrichtungen die Meßergebnisse üblicherweise nur visuell ablesbar und müßten, falls sie anschließend beispielsweise in elektrischen Schaltungen weiter verwertet werden sollen, erst eigens in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt werden.

Aus diesen Gründen sind Integriereinrichtungen nach Art der bekannten Elektrolytzähler für viele Anwendungen, beispielsweise in Navigationsinstrumenten für Flugzeuge oder Schiffe, ungeeignet; auch bei Verwendung in stationären Anlagen haben sie den grundsätzlichen Nachteil, im Aufbau verhältnismäßig kompliziert und störanfällig und in hohem Maße wartungsbedürftig zu sein; die Genauigkeit der Messung ist selbst bei Einhaltung aller dieser Bedingungen nur mäßig.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile der bekannten Vorrichtungen.

Zu diesem Zweck wird eine elektrolytische Integriereinrichtung gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß das abgeschiedene Material radioaktiv ist und daß eine zum Nachweis von radioaktivem Zerfall dienende Detektocvorrichtung vorgesehen ist, die auf Zerfälle an einer der Elektroden anspricht.

Durch diese Maßnahme werden die erwähnten Nachteile der bekannten Elektrolytzähler weitgehend vermieden. Die komplizierten Volumen- bzw. Gewichtsmeßapparaturen können fortfallen und werden durch in der Nachbarschaft der Elektroden passend angeordnete Geigerzähler ersetzt. Derartige Vorrichtungen sind gegen äußere Beschleunigungen und Stöße

Einrichtung zur Integration

von durch elektrische Ströme

darstellbaren Größen unter Verwendung

einer elektrolytischen Zelle

Anmelder:

The Sperry Gyroscope Company Limited, Brentford, Middlesex (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 19. März und 13. Dezember 1957

Frederick Arthur Summerlin, Isleworth, Middlesex

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

usw. weitgehend unempfindlich und können wesentlich robuster gebaut werden als die bekannten, meist nur als Laboratoriumsinstrumente ausgebildeten Geräte. Insbesondere ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung in Navigationsgeräten verwendbar, die auf Inertialbeschleunigungsmessungen beruhen und bei denen daher eine äußerst hohe Genauigkeit erforderlich ist.

Die Integrieremrichtung gemäß der Erfindung hat den weiteren großen Vorteil, daß das Meßergebnis an den Detektorvorrichtungen (z. B. Geigerzählern) unmittelbar in Form einer elektrischen Spannung zur Verfügung steht, die zu beliebiger Weiterverwertung beispielsweise in elektronischen Rechenschaltungen od. dgl., oder in Regel anlagen unmittelbar geeignet ist; abgesehen von der dadurch ermöglichten Einfachheit der Anordnung werden auf diese Weise zusätzliche Fehlerquellen ausgeschaltet, wie sie sonst bei der Umwandlung des visuell abgelesenen Ergebnisses in eine elektrische Größe gegeben sind.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Elektrolyt eine Lösung eines Materials ist, von dem wenigstens ein kleiner Bruchteil radioaktiv ist. Wenn der Elektrolyt in dieser Weise eine radioaktive Komponente enthält, so wird, da die Masse des aus dem Elektrolyten an einer Elektrode abgeschiedenen Materials proportional dem Integral des durch die Zelle fließenden Stromes ist und da weiter die Zerfallhäufigkeit radioaktiven Materials proportional der Masse des Materials ist, die Detektor-

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vorrichtung ein Maß für das Integral des die Zelle an jeder Elektrode befindlichen radioaktiven Matedurchfließenden Stromes liefern. rials ist so gewählt, daß etwa vierzig Zerfälle pro Se-

Nach einer anderen Ausführungsform ist vorge- künde stattfinden.

sehen, daß die Oberfläche jeder Elektrode aus einem Zwei gleiche Geigerzähler 14 und 15 mit Halogen-Material besteht, von dem wenigstens ein kleiner 5 löscher sind mit ihrem Fenster jeweils gegenüber Bruchteil radioaktiv ist. einer der Elektroden der Elektrolytzelle 11 so ange-

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungs- ordnet, daß sie auf einen möglichst großen Bruchteil form wird die Integriereinrichtung gemäß der Erfin- der an der Elektrode stattfindenden Zerfälle andung so ausgebildet, daß eine zweite zum Nachweis sprechen. Beispielsweise kann in der Praxis der Zähvon radioaktivem Zerfall dienende Detektorvorrich- io ler auf SO⁰/» der Zerfallsreaktionen ansprechen,
tung vorgesehen ist, die auf von der anderen Elektrode Jeder der Zähler 14 und 15 liegt in Reihe mit einem ausgehende Strahlung anspricht. Vorzugsweise wird 1-Megohm-Widerstand 16 bzw. 16' und einem Zenerdabei an die beiden Detektorvorrichtungen eine Sub- Dioden-Gleichrichter 17 bzw. 17'an einer 410-V-Hochtraktionseinrichtung angeschlossen, deren Ausgangs- Spannungsquelle 18. Dieser Dioden-Gleichrichter hat größe der Differenz zwischen den Ausgangsgrößen 15 die Eigenschaft, daß er, solange die angelegte Spander beiden den radioaktiven Zerfall nachweisenden nung einen kritischen Wert nicht übersteigt, in DurchVorrichtungen proportional- ist. laßrichtung die Leitfähigkeit Null, jedoch oberhalb

Auf diese Weise können die Wirkungen der Unter- dieser Spannung eine hohe Leitfähigkeit aufweist, grundstrahlung, von der man annehmen darf, daß sie Wird daher der Gleichrichter bei einer Spannung beide Detektoren in gleicher Weise beeinflußt, ausge- ao oberhalb des kritischen Wertes betrieben, so wird glichen werden. Darüber hinaus verhindert eine solche jeder von dem Zähler registrierte Zerfall einen entAnordnung ein Auswandern der Integriereinrichtung, sprechenden Impuls am Gleichrichter 17 bzw. 17' herso daß die Nettoausgangsgföße der Subtraktionsein- vorrufen. Die beschriebene Anordnung ergibt eine richtung ein wahres Maß für das Integral des Strom- Spannung von etwa 12 V am Widerstand 16 bzw. 16' flusses seit einem Anfangszeitpunkt, zu dem die Aus- 25 und dem Gleichrichter 17 bzw. 17'.
gangsgrößen beider Detektoren gleich waren, ist. Die Der Gleichrichter 17 bzw. 17' ist mit einem Einrichtung spricht auf die Richtung des Strom- 1,7-Megohm-Widerstand 19 bzw. 19' überbrückt und flusses an, derart, daß bei Umkehr der Stromrichtung liegt über einen Kondensator 21 bzw. 21' von die Ausgangsgröße sich im umgekehrten Sinn ändern 0,01 Mikrofarad an einer Vollweggleichrichterbrücke wird. 30 22 bzw. 22', deren Ausgang an einem 2,2-Megohm-

Insofern die Zerfallshäufigkeit der Masse des abge- Widerstand 23 bzw. 23' liegt, welcher die eine Hälfte

schiedenen Materials proportional ist, wird die Aus- einer Subtraktionseinrichtung bildet. Diese weist

gangsgröße der Einrichtung im wesentlichen linear sein. zwei Widerstände 23, 23' mit einem gemeinsamen

Nach bevorzugten Ausführungsformen kann dabei Ende auf, und es entsteht an den anderen Enden eine die Ausgangsgröße der Detektorvorrichtung bzw. 35 Ausgangsspannung, die der Differenz zwischen den -vorrichtungen entweder der Häufigkeit der an der Strömen in den beiden Widerständen proportional ist. Elektrode stattfindenden radioaktiven Zerfälle oder Die Kondensatoren 21, 21' bewirken eine Differenaber der Gesamtanzahl der an der Elektrode nach tiation der bei jedem Zerfall erzeugten Impulse, so einem gegebenen Zeitpunkt erfolgten Zerfälle pro- daß nach gleicher Richtung in der Gleichrichterbrücke portional sein. Da nach einem einige Zeit andauernden 40 22 bzw. 22' der in dem Widerstand 23 bzw. 23' flie-Stromfluß die radioaktive Gesamtstrahlung der Elek- ßende Strom proportional der Impulszahl pro Setrode der elektrolytischen Zelle, wie sich unschwer künde und somit der Zerfallsgeschwindigkeit ist.
zeigen läßt, dem zweifachen Integral des Stromes pro- Das bedeutet, daß die Ausgangsspannung des Subportional ist, kann, je nachdem, ob der Strahlungs- traktionsgliedes dem einfachen Integral des in der detektor die Häufigkeit oder die Gesamtanzahl von 45 elektrolytischen Zelle fließenden Stromes proportio-Zerfällen mißt, ein Maß entweder für das einfache nal ist.
oder für das zweifache Stromintegral erhalten werden. Dies geht aus der folgenden Berechnung hervor:

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung _{Jst die Magse an radioaktivem} Material an ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Aus- _dner ¹ _Elästmde _zusammen mit der äquivalenten fuhrungsbeispielen an Hand der Zeichnung Jede der 50 _{Masge radioaktiven Mat}erials im Elektrolyten in drei Figuren stellt ein Schaltschema dar, das zeigt, _{def Nachbarschaft der} Elektrode sowie der Unterwie die Ausgangsgroßen der Detektorvornchtungen _grundstrahlung und ist m₂ die entsprechende verwendet werden können Sämtliche der_ gezeigten _{Größe ffir die andere Elektr(}^_{d so gilr}/_{weim @1} Schaltungen sind unter Verwendung zweier Strah- _und _& _{die yon den Zählem} _u _{und 15} _sen^ lungsdetektoren m ihrem elektrischen Teil als sym- 55 ^^ ^-^ _{Gesamtstrahlung} bedeuten, in einer metrische Zweikanalschaltungen ausgebildet wobei Nullstellung, wenn die Ausgangsspatinung des die m den beiden Kanälen einander entsprechenden Subtraktionsgliedes Null ist
Schaltungselemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, wobei die Bezugszeichen für die Elemente M₁O₁ = «₂ Θ₂ = Kn,
des einen (in den Figuren rechts dargestellten) Kanals 60 _{wq %} ^ _{Anzahl der ählten} _Zerm& _ist
zur Unterscheidung von denen des anderen Kanals
mit Strich versehen sind. Wenn der Stromdurchgang in der Zelle eine An-

Fig. 1 zeigt eine Anordnung, die als Einfachinte- derung der Masse an radioaktivem Material von einer grator des in der elektrolytischen Zelle 11 fließenden Elektrode zu der anderen der Größe dm bewirkt, so Stromes wirkt. Die Zelle hat einen Elektrolyten, der 65 wird die Stromänderung im ersten Zähler dm O₁ I/K aus einer wäßrigen Kobaltlösung mit einem Gehalt und die Änderung der Ausgangsgröße des anderen von 3 · 10—⁵% an radioaktivem Kobalt60 besteht. Die Zählers —dm0₂I/K betragen, wo / den Stromaus-Elektroden 12 und 13 bestehen aus Platin und sind gang jedes Zählers je gemessenem Zerfall bedeutet,
mit Kobalt, das den gleichen Prozentgehalt an radio- Werden diese beiden Ausgangsgrößen subtrahiert, aktivem Kobalt aufweist, überzogen. Die Menge des 70 so wird die Nettoänderung im Ausgang des Subtrak-

tionsgliedes ami {Θ^+Θ^Ι'Κ. betragen, und dies ist proportional dem Massentransport, der seinerseits proportional dem Integral des Stromes ist, der seit der Null-Anzeige (des Subtraktionsgliedes) in der Zelle geflossen ist. Bei Stromfluß in der umgekehrten Richtung würde sich die Ausgangsgröße des Subtraktionsgliedes im entgegengesetzten Sinne ändern, so daß die Anordnung die Richtung des Stromflusses anzeigt.

Eine weitere Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier wird die Ausgangsgröße der Zähler 14 und 15 an je einem Reihenwiderstand 25 bzw. 25' von 2,7 Megohm über einen Kondensator 26 bzw. 26' und einen Verstärker 27 bzw. 27' mit Widerstandsrückkopplung abgenommen. Dadurch wird die am Widerstand 25 bzw. 25' abfallende Spannung differenziert und erhält etwa die Form eines Impulses mit geraden Flanken für jeden gezählten Zerfall; die Ausgangsspannung des "Verstärkers 27 gelangt an einen Begrenzer, der einen in Reihe angeordneten Gleichrichter 28 bzw. 28' und einen aus einem Gleichrichter 29 bzw. 29' und einer Batterie 31 bzw. 31', die durch einen Widerstand 32 bzw. 32' überbrückt sind, bestehenden Belastungskreis aufweist. Der Begrenzer schneidet die Spitze des Impulses ab und erzeugt einen rechteckförmigen Impuls, der an eine Zählschaltung gegeben wird, die ähnlich der entsprechenden in Fig. 1 beschriebenen Schaltung aufgebaut ist und einen Kondensator 21 bzw. 21', eine Gleichrichterbrücke 22 bzw. 22' und das Subtraktionsglied 23 bzw. 23' aufweist.

Wenn eine doppelte Integration des in der Elektrolytzelle fließenden Stromes gewünscht wird, verwendet man vorzugsweise die mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Geigerzähler in einer Schaltung nach Art der Fig. 3. Der Ausgang jedes Zählers 14 oder 15 liegt an je einem Reihenwiderstand, der dem in Fig. 2 gezeigten Widerstand 25 bzw. 25' entspricht; die Ausgangsspannung wird in eine Untersetzerstufe 34 eingegeben, die beispielsweise nach jedem achten der den vom Zähler gezählten Zerfällen entsprechenden Impulse einen Ausgangsimpuls erzeugt. Die Impulse der beiden Untersetzer 34 bzw. 34' gehen an einen umkehrbaren mechanischen Zähler, der bei jedem Eingangsimpuls eine Welle um einen bestimmten Betrag verdreht, wobei die Bewegung in der einen oder der anderen Richtung erfolgt, je nachdem, welche der beiden Untersetzer den Impuls liefert.

Selbstverständlich könnte diese mechanische Vorrichtung durch äquivalente elektronische Schaltungen ersetzt werden.

Die Erfindung wird voraussichtlich auf dem Gebiet der Flugzeugkontrolle und der Navigation dort Bedeutung erlangen, wo die Integration elektrischer Größen, beispielsweise einer der Beschleunigung in einer bestimmten Richtung proportionalen Größe, erforderlich ist; sie wird auch in vielen verschiedenen Industriezweigen anwendbar sein, wo eine Ausgangsspannung nach Maßgabe einer wechselnden Eingangsspannung geregelt werden soll. So könnte beispielsweise die Erfindung in einem Dreigliedregler Verwendung finden, d. h. in einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung, wobei diese Vorrichtung drei einstellbare Größen aufweist; eine davon dient zur Wahl der. Empfindlichkeit der Anordnung, d.h. der Größe der Ausgangsspannung für eine Eingangsspannung der Größe 1; der weitere dient zur Wahl der Größe einer der Änderungsgeschwindigkeit der Eingangsspannung proportionalen Komponente in der Ausgangsspannung; eine weitere schließlich dient zur Bestimmung der Größe einer dem Integral der Eingangsspannung proportionalen Komponente in der Ausgangsspannung. Für die letzte dieser drei Größen werden Integratoreinrichtungen gemäß der Erfindung mit Vorteil verwendbar sein.

Radioaktives Kobalt 60 mit einer Intensität von 7,4 · 10¹⁰ Zerfällen pro Sekunde und Gramm ist verfügbar. Das prozentuale Verhältnis von radioaktivem Kobalt und nichtradioaktivem Kobalt kann etwa · 10~⁵ betragen. Dabei ist angenommen, das vierzig Zerfälle pro Sekunde und Elektrode gewünscht werden (die Menge radioaktiven Kobalts je Elektrode beträgt ungefähr 5,4 · ICH¹⁰ g) und daß ein Strom von Mikroampere über eine Stunde integriert werden soll (dadurch würden 3,6 Milligramm Kobalt abgeschieden) .

Die Stärke der Lösung hängt von der gewünschten Leitfähigkeit ab.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Integration von durch elektrische Ströme darstellbaren Größen unter Verwendung einer elektrolytischen Zelle, in der bei Stromdurchgang ein Material abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeschiedene Material radioaktiv ist und daß eine zum Nachweis von radioaktivem Zerfall dienende Detektorvorrichtung vorgesehen ist, die auf Zerfälle an einer der Elektroden anspricht.

2. Integriereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine Lösung eines Materials ist, von dem wenigstens ein kleiner Bruchteil radioaktiv ist.

3. Integriereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche jeder Elektrode aus einem Material besteht, von dem wenigstens ein kleiner Bruchteil radioaktiv ist.

4. Integriereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite zum Nachweis von radioaktivem Zerfall dienende Detektor vorrichtung vorgesehen ist, die auf von der anderen Elektrode ausgehende Strahlung anspricht.

5. Integriereinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine an die beiden Detektorvorrichtungen angeschlossene Subtraktionseinrichtung, deren Ausgangsgröße der Differenz zwischen den Ausgangsgrößen der beiden den radioaktiven Zerfall nachweisenden Vorrichtungen proportional ist.

6. Integriereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße der Detektorvorrichtung bzw. -vorrichtungen der Häufigkeit der an der Elektrode stattfindenden radioaktiven Zerfälle proportional ist.

7. Integriereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße der Detektorvorrichtung bzw. -vorrichtungen der Anzahl von an der Elektrode nach einem gegebenen Zeitpunkt erfolgten Zerfälle proportional ist..

In Betracht gezogene Druckschriften:
Pf Her,: »Elektrizitätszähler«, 1954, S. 237 bis 250.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen