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Verfahren zur Ueberwachung einer Elektrolysezelle und Einrichtung
zur Ausführung dieses Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Ueberwachung einer Elektrolysezelle sowie eine Einrichtung zur Ausführung dieses
Verfahrens.
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Im Betriebe von Elektrolysezellen müssen die Anoden von Zeit zu Zeit
nachgestellt werden. Dabei besteht die Gefahr, dass Kurzschlüsse auftreten, welche
die Zellen beschädigen könnten. Auch während des normalen Betriebes können Störungen
auftreten, die zu Kurzschlüssen führen und dadurch Schaden verursachen.
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Es ist deshalb schon verschiedentlich versucht worden, Ueberwachungseinrichtungen
zu schaffen, die das Auftreten von Kurzschlüssen feststellen, Meldung erstatten
und selbsttig Massnahmen zur Beseitigung einleiten können.
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Es bestehen Einrichtungen, die als Kriterium die Zellenspannung messen
und beim Abfallen dieses Messwertes ein Signal auslösen, oder auch Gerate, die den
zeitlichen Differentialquotienten der Zellenspannung ermitteln und dadurch eine
Meldung erstnt ten.
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Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass mit den vorhandenen Einrichtungen
die Erfassung von Kurzschlüssen nicht immer gewährleistet ist, anderseits aussenstehende
Einflüsse, wie Lastabsenkungen, -Ausfall von Gleichrichtern, Signale auslösen, ohne
dass ein Kurzschluss eingetreten ist. Insbesondere bei Zellen mit hohen Stromstärken
ist die Erfassung von Störungen zu wenig selektiv und daher unbefriedigend.
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Andere Einrichtungen benutzen als Kriterium die unregelmässige Gasabscheidung
an den Graphitanoden, welche mit einer gewissen Frequenz auftritt. Beim Eintritt
von Kurzschlüssen verschwindet dieser Effekt, womit eine Meldung ausgelöst werden
kann.
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Da bei Metallanoden der Gasabscheidungseffekt nur sehr schwach auftritt,
ist die Empfindlichkeit wesentlich geringer.
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Zweck der Erfindung ist, die-angeführten Nachteile zu vermeiden und
ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens schaffen zu können,
die zur Ueberwachung von Elektroylsezellen mit Graphit- oder Metallanoden gleich
zuverlässig sind.
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Erfindungsgemäss ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die
Strom- Spannungskennlinie der Elektrolysezelle durch Messen der momentanen Zellenspannung,
durch Subtrahieren des konstanten Betrages der Polarisationsspannung der Zelle von
der gemessenen Zellenspannung und durch Dividieren dieser Differenz durch die zugehörige
Stromstärke ermittelt wird, dass die ermittelte Kennlinie mit einer vorgegebenen
Soll-Kennlinie verglichen wird und dass bei einer Abweichung der ermittelten Kennlinie
von der Soll-Kennlinie ein Signal ausgelöst wird.
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Die Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäss
dadurch gekennzeichnet, durch mindestens zwei der Elektrolysezelle zugeordnete,
an Speiceklcrnnlenn für die Elektrolysezelle angeschlossene Messbrücken, bei welchen
je eine GruF)i)( von Anoden der Elektrolysezellen einen ersten Zweig bildet, in
einem zweiten Zweig ein vom Elcktrolysestr@m der Gruppe durc flussener Nesswiders
Land angeordnet ist und in die beiden übrigen
Zweige eine Gegeffspannungsquelle
bzw. ein Kompensationswiderstand geschaltet ist, und bei welchen in der Brückendiagonalen
ein Nullindikator vorgesehen ist, derart, dass bei sinkender Differenz der Zellenspannung
und Polarisationsspannung und/oder bei steigender Spannung am Messwiderstand am
Nullindikator eine der Aenderung des Quotienten aus der genannten Differenz und
der Elektrolysestromänderung proportionale Spannungsänderung auftritt, welche diesen
bei abgeglichener Messbrücke auslöst.
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Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
von Ueberwachungseinrichtungen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Ueberwachungseinrichtung
für eine Elektrolysezelle, Fig. 2 Betriebskennlinien einer Elektrolysezelle und
eine Auslösekennlinie der Ueberwachungseinrichtung der Fig; 1 Fig. 3 das Schaltbild
einer Ueberwachungseinrichtung für eine in mehrere Gruppen von Anoden aufgeteilte
Elektrolysezelle.
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Gemäss Fig. 1 tritt an Klemmen E2 und E3 einer Elektrolysezelle,
die durch ihren dynamischen Widerstand Rd und ihre konstante Polarisationsspannung
Up dargestellt und über eine Stromschiene mit dem Gleichstrom I gespeist ist, die
Zellenspannung Uz auf. In der Stromschiene ist ein im wesentlichen vom Strom I durchflossener
Messwiderstand Rm angeordnet, wobei an den Klemmen El und E2 die am Messwiderstand
Rm abfallende, den Strom proportionale Spannung abgegriffen werden kann. Zweckmässigerweise
ist der Messwiderstand Rm ein Stück der vom Strom I durchflossenen Stromschiene
unmittelbar vor der- positiven Klemme der Elektrolysezelle Rd, Up und des Messwiderstandes
Rm bilden zwei Reihenzweige einer in die Stromschiene geschalteten Brückenanordnung.
Die weiteren zwei in Reihe liegenden Zweige der Brückenanordnung sind durch einen
Kompensatienswiderstand Rk einerseits und durch die Reihenschaltung eines Ei'stellwidei,standes
Re und einer Gegerispannungs
quelle Uq- gebildet. In die Diagonale
der dargestellten Brückenanordnung ist ein Nullindikator N geschaltet, er anzeigt,
ob sich die Brücke im Gleichgewicht befindet oder nicht, und der zudem eine Schaltfunktion
ausüben kann, wie noch weiter beschrieben wird.
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Der Kompensationswiderstand Rk ist dazu vorgesehen, den Temperatureinfluss
auf den Messwiderstand Rm, der sich in einer Temperaturabhängigkeit der am Messwiderstand
abfallenden Messspannung auswirkt, zu kompensieren. Zweckmässigerweise besteht deshalb
der Kompensationswiderstand Rk aus einem Material mit dem gleichen Temperaturkoeffizienten,
den das Material des Messwiderstandes Rm also insbesondere das Material der Stromschiene
aufweist, z.B. aus Kupfer wie die Stromschiene. Zudem ist es von Vorteil, zur Erzielung
übereinstimmender Temperaturen den Kompensationswiderstand Rk direkt auf dem als
Messwiderstand dienenden Stromschienenabschnitt von diesem elektrisch isoliert anzubringen.
Durch diese Massnahme wird eine ausreichende Genauigkeit der Strommessung erzielt.
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Der Einstellwiderstand Re, der sich-im dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einem einstellbaren und einem festen Widerstand zusammensetzt, dient dazu, das
Brückengleichgewicht für ein bestimmtes Potential der Klemme E2, d.h. den Sollwert
für den Nullindikator N, einzustellen. Die feste Spannung der Gegenspannungsquelle
Ug wird gleich gross wie die konstante Polarisationsspannung Up der Zelle gewählt.
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In Fig. 2 sind beispielsweise die Betriebskennlinien einer Zelle,
d.h. die Zellenspannung Uz (Volt) in Funktion des Stroms I der Stromschiene (Kiloampere),
für verschiedene Anodenlagen der Zelle dargestellt. Die Betriebskennlinie 1 entspricht
dem grössten Verhältnis der Zellenspannung zum Strom und liegt dann vor, wenn die
Anoden der Zelle nicht nacigestellt sind. Die Betriebskennlinie 2 entspricht der
kleinsten, für gleiche Stromwerte erreichbaren Zellenspannung bei optimal nachgestellten
Anoden. Zur Uei) erwaciiung der Zelle und zuin Feststellen eines Kurzschltlsscs
sol J die in Fig. 1 dargestellte i31ii ci firianardnung e;i ri
Auslösekennlinie
3 aufweisen, deren Neigung nicht kleiner, mit Vorteil, wie dargestellt, etwas grösser
als diejenige der minimalen Betriebskennlinie 2 ist.
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Die Neigung der Kennlinien ist gemäss Fig. 2 gegeben durch den Quotienten
AU/ I, der gleich dem dynamischen Widerstand Rd der Zelle ist, da die Polarisationsspannung
Up konstant ist. Es ist nun aus Fig. 1 ersichtlich, dass die vorliegende Brückenmessanordnung
den den dynamischen-Widerstand Rd, d.h. die Neigung der Betriebskennlinie der Zelle
überwacht, da am Nullindikator N eine Spannung liegt, die einerseits proportional
einer Aenderung der um die Polarisationsspannung Up mittels der Gegenspannungs-.
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quelle Ug verminderten Zellen spannung Uz und anderseits umgekehrt
proportional einer Aenderung des Spannungsabfalls am Messwiderstand Rm, also umgekehrt
proportional einer Aenderung des Zellenstroms I ist, also proportional A U/A I =
Rd, d.h. der Neigung der jeweiligen Betriebskennlinie ist. Hierbei kann die Brückenanordnung
mittels des Widerstandes Re für einen bestimmten Wert dieses Quotienten abgeglichen
werden, bei dessen Unterschreiten der Nullindikator ansprechen soll. In Fig. 2 ist
ein Einstellbereich H beispielsweise eingezeichnet.
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ändert sich nun in der Zelle infolge eines Kurzschlusses die Spannungsdifferenz
zwischen Zellenspannung und Polarisationsspannun-g oder die Stromstärke in dem Sinne,
dass der Quotient U/ I kleiner wird und unter den voreingestellten, dem Brückengleichgewicht
entsprechenden Wert sinkt, so ändert die am Nullindikator liegende Spannung ihr
Vorzeichen und nimmt einen negativen Wert an, so dass der Nullindikator anspricht
und einen Steuerbefehl abgeben kann.
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Anhand der Fig. 1 und 2 ist das vorliegende Messprinzip erläutert
worden. Da die Summe der Anodengruppenströme einer Elektrolysezelle konstant ist,
bzw. konstant gehalten wird, müssen für die vorliegende Ueberwachung mindestens
zwei Anodengruppen mit je einer Messbrücke vorliegen.
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In Fig. 3 ist schematisch ein praktisches Ausfüh-rungsbeispiel dargestellt,
welchem eine in mehrere Gruppen von Anoden aufgeteilte Elektrolysezelle 4 zugrunde
liegt, wobei jede der vier dargestellten Gruppen eine eigene Stromschiene hat, die
jedoch innerhalb der Gruppe mehrere nicht dargestellte Anoden speist. Jeder Gruppe
ist eine Messbrücke der in Fig. 1 dargestellten Art zugeordnet, in der die Soll-Kennlinie
vorgegeben wird. Jede Messbrücke weist einen Signalausgang auf, der mit einer Ausgangsstufe
derart verknüpft ist, dass beim Ansprechen einer der Messbrücken ein gemeinsames
Signal abgegeben wird.
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- Ein Teil jeder Messbrücke ist räumlich mit der betreffenden Gruppe
von Anoden innerhalb der Elektrolysezelle 4 zusammengebaut. Wie in Fig. 1 ist jede
Anodengruppe durch den dynamischen Widerstand Rd und die Polarisationsspannung Up
angedeutet und weist die Klemmen E2 und E3 auf. In die jeweilige Stromschiene ist
zwischen den Klemmen El und E2 der als Stromschienenabschnitt ausgebildete Messwiderstand
Rm geschaltet. An jede Klemme El ist ein Kompensationswiderstand Rk angeschlossen,
der in Wärmekontakt mit dem Messwiderstand Rm steht. Leitungen von jedem Kompensationswiderstand
Rk und jeder Klemme E2 und E3 führen über Sicherungen S zu Anschlussklemmen eines
Ueberwachungsgerätes 5, das räumlich getrennt von der Elektrolysezelle 4 aufgestellt
ist.
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Das Ueberwachungsgerät 5 enthält eine Anzahl Geräteschaltungsteile
MNV, deren Anzahl gleich derjenigen der Anodengruppen ist und die über die Sicherungen
S mit den zugeordneten Anodengruppen verbunden sind. Jeder Schaltungsteil MNV enthält
die übrigen Elemente der Messbrücke der Fig. 1, nämlich die Gegenspannungsquelle
Ug, den Einstellwiderstand Re und den Nullindikator N.
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Ferner ist in jedem Schvitungsteil MNV ein Verstärker vorgesehen.
Die Signalausgänge aller Schaltungsteilu MNV sind an Eingänge eines QDER-Gatters
n angeschlossen. Der Ausgang des ODEfR-Gatters fl ist mit einem Schaltgerät SG verbunden,
dessen angedeutete Schaltkontakte mit Ausgangsklemmen 6 des lJeberwc3c hulltJstJerÇi
Les 5 verbunden sind. Dem Ueberwachungsgerät 5 wird über Spriselei-turlgen 7
Wechselspannung
zur Speisun-g der Schaltungsteile MNV, des-ODER-Gatters 0 und des Schaltgeräts SG
zugeführt. Um eine galvanische Trennung der Speiseleitungen 7 und den Schaltungsteilen
MNV zu erreichen, wird die zugeführte Speisespannung mit Vorteil über einen Transformator
zugeführt und dann in den Schaltung steilen MNV zur Erzeugung der benötigten Gleichspannungen
gleichgerichtet. Der Schaltungsteil MNV steuert zweckmässigerweise einen Multivibrator
zur transformatorischen Uebertragung des Ausgangssignals auf das Gatter 0. Die Gegenspannungsquellen
Ug der Fig. 1 können als Zener-Dioden ausgebildet sein. Das Schaltgerät SG trennt
an sich die Stromkreise des Ueberwachungsgerätes 5 von den Ausgangsklemmen 6.
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An die Klemmen 6 kann eine beliebige Signal- oder Steuervorrichtung
angeschlossen werden.
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Die in den Schaltungsteilen MNV vorgesehenen Nullindikatoren können
in beliebiger, an sich bekannter Weise ausgebildet sein, beispielsweise als elektromagnetische
Nullindikatoren von der Art eines Zeigerinstrumentes oder als elektronische Nullindikatoren,
wobei sie dann, wenn das Eingangssignal der Nullindikatoren vom Nullwert aus bei
abgeglichener Messbrücke in der Richtung der einen Polarität ändert oder von der
anderen Polarität aus den Nullwert erreicht, ein Ausgangssignal abgeben sollen.
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Zweckmässig ist es, jeden Nullindikator und zugehörigen Verstärker
als Schaltungseinheit auszubilden, beispielsweise in der Art eines Flipflop.
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Wenn sich, wie bereits anhand der Fig. 1 erwähnt, in einer oder mehreren
der Anodengruppen die Spannungsdifferenz zwischen der Zellenspannung und der Polarisationsspannung
der betreffenden Gruppe oder die Stromstärke zur Anodengruppe ändert bzw. der Quotient
aus diesen beiden Grössen, so ändert sich auch das Eingangssignal des Nullindikators
im zugehörigen Schaltun4steil MNV. Wenn das Eingangssignal den dem einyestellten
Nullabgleich der Messbrücke entsprechenden Nullwert erreicht oder, je nat:h Ausbildung
des Nullindikatore, diesen Nullwert überschreitet, giLJt der Scti-iitunqsteil MNV
ein Aiisgangssignäl äb, das über das OI1CH-GatteJ- II das, Schaltgerät SG bet-ltigt.