DE2524647A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen bestimmen des innenwiderstandes einer elektrolysewanne - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen bestimmen des innenwiderstandes einer elektrolysewanneInfo
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Description
TKLKOItAMHK t
1A-46 274 3. Juni 1975
Beschreibung ? R ? Λ fi Λ 7
ALUMINIUM PECHINEY
Lyon / Frankreich
Lyon / Frankreich
betreffend
Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen des Innenwiderstandes einer Elektrolysewanne.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren z.jq kontinuierlichen
Bestimmen des Innenwiderstandes einer Elektrolysewanne aufgrund der Spannung an den Anschlussklemmen der Wanne und
des die Wanne durchfliessenden Stroms,wobei bei dem Elektrolysegleichstrom
ein schwacher Wechselstrom mit einer Frequenz f überlagert wird.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit Synchrondetektoren und einem Frequenzgenerator,
der einen Ausgang für ein sinusförmiges Signal und einen Ausgang für damit gleichphasiges Rechtecksignal aufweist.
Eine Elektrolysezelle oder -wanne weist einen Behälter mit einem den elektrischen Strom leitenden Bad und zwei Elektroden
auf, von denen eine Anode mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle und eine Kathode mit dem negativen Pol dieser Stromquelle
verbunden ist. Der Strom fliesst zwischen diesen beiden Elektroden und zersetzt das Elektrolysebad oder einen seiner
/2 609850/0400
Bestandteile In zwei Bestandteile, von denen der eine an der
Anode und der andere an der Kathode in Erscheinung tritt. Der elektrochemische Vorgang verbraucht eine bestimmte Energie,
die sich in einem Spannungsabfall bemerkbar macht, der gegen_elektromotorische Kraft genannt wird.
Wenn man folgende Bezeichnungen wählt:
U: Spannung an den Anschlussklemmen der Elektroden, r
R: innerer Widerstand der Elektrolysezelle zwischen den Anschlussklemmen, von denen die Spannung U abgenommen wird,
E: gegenelektromotorische Kraft der Elektrolyse, I: Stärke des die Wanne durchfliessenden elektrischen Stromes,
erhält man folgende Beziehung: U = E + RI .
U · I ist die gesamte, an die Wanne gelieferte Leistung, E · I ist die von dem Elektrolysevorgang verbrauchte Leistung,
RI2 ist d:
Leistung.
Leistung.
2
RI ist die durch den Innenwiderstand der Wanne verbrauchte
RI ist die durch den Innenwiderstand der Wanne verbrauchte
Wenn die Wannen zur Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse von in Kryolith gelöster Tonerde dienen, ermöglicht diese,
durch den Innenwiderstand der Wanne verbrauchte ·■ Leistung, das Elektrolysebad auf einer Temperatur über ihrer Schmelztemperatur
von etwa 950 bis 1QOO0C zu halten. In diesem Falle sind die
beiden Elektroden aus Kohlenstoff, wobei die Kathode den Boden der Wanne bildet Λχηά die Anode in Form eines oder mehrerer
Blöcke aus Kohlenstoff gebildet ist, die in das Bad eintauchen. Die Tonerde wird in Aluminium, das sich in Form einer flüssigen
Schicht auf der Kathode absetzt, und in oxidische Ionen zersetzt, die sich an der Oberfläche der Anode entladen, die
infolgedessen eine fortschreitende Verbrennung erleidet.
Ohne jegliche äussere Beeinflussung ändert sich der Innenwiderstand
aus folgenden zwei grundsätzlichen Gründen: Einerseits wegen des Anhebens der Ebene, d.h. der anodischen Ebene,
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die das System der Anoden zu der Kathode hin begrenzt, infolge der Verbrennung der Anoden und andererseits wegen der
zunehmenden Verarmung des Elektrolysebads an Tonerde. Wenn der Tonerdegehalt unter einen kritischen Wert absinkt, der in
der Grössenordnung von 1 bis 3 % liegt, wird die Anode polarisiert, d.h. der Elektrolysevorgang ändert seine Natur, wobei
sich der Innenwiderstand und die gegenelektromotorische Kraft merklich verändern. Wenn eine bestimmte Anzahl Wannen in Reihe
angeordnet ist, ändert sich der Strom I, der geregelt ist, praktisch nicht, und das Phänomen macht sich durch eine merkliche
Vergrosserung der Spannung U an den Anschlussklemmen der polarisierten Wanne bemerkbar.
Es ist daher wichtig, den Wert des Innenwiderstandes der Elektrolysewanne zu kennen, um den Ablauf der Elektrolyse regeln
zu können.
Bekannt ist, diesen Widerstand mit folgender Formel zu
berechnen:
U-E
R =
R =
U und I sind einfach zu messen, aber E ist unbekannt. Man gibt sich daher damit zufrieden, für E einen mittleren, konstanten
Wert von beispielsweise 1,65 Volt anzunehmen. Dieses
"Pseudo-Widerstand" genannte Verfahren wird gegenwärtig für
die Wannen verwendet.
Neuere Arbeiten, die darauf gerichtet sind, die tatsächlichen Eigenschaften zu verbessern, indem ein stabiler und
automatischer Ablauf sichergestellt wird, haben dazu geführt, bei der gemeinsamen Bestimmung des Innenwiderstandes und der
gegenelektromotorischen Kraft eine grössere Genauigkeit anzustreben.
In der DT-OS 2 050 126 ist ein Verfahren zum Messen des Innenwiderstandes einer Elektrolysewanne beschrieben. Der Autor
509850/0400
dort bestimmt die Reaktanz X der Wanne durch Wechselstrom und nimmt an, dass bei einer kleinen Änderung ^Ul der Höhe der ano
dischen Ebene die Änderung/Sx der Reaktanz proportional zu
ist:
wo m nur von der Konstruktion der Wanne abhängt.
Er nimmt weiter an, dass die Änderung ^.R des Widerstandes
der Wanne, bezogen auf eine Einheitsverschiebung der anodischen Ebene.für kleine Werte von Δΐ angegeben werden kann durch:
7Ü
wo k^ die Konzentration an Tonerde und a^^ und C Konstanten
sind.
Wenn während der Verschiebung Δΐ sich die Reaktanz um
und der Widerstand um /^R verändert haben, erhält man:
Ar
Zum Bestimmen von a,.,. und C genügt es, zwei Änderungen
des Abstandes der Pole, jede bei bekannter Konzentration k^
von Tonerde durchzuführen: Auf diese Weise kann für eine gegebene Wanne der Wert von m bestimmt werden und entsprechend
kann k^ mit &R und Ax in Beziehung gesetzt werden.
Der Autor nimmt des weiteren an, dass R durch den Widerstand
R1 der Wanne bei Wechselstrom mit sehr niederer Frequenz
f angenähert werden kann.
/5 5Q98S0/0400
Zum Messen der Impedanz der Wanne bei der Frequenz f schickt er einen Wechselstrom der gleichen Frequenz durch die
Wanne und misst die Spannung an den Anschlussklemmen der Wanne und die Stärke des durch sie hindurchfliessenden Stromes.
Mit einem Filter trennt er die Gleichstromanteile und die Wechselstromanteile. Die Wechselstromanteile der Spannung
und der Stromstärke werden in vier Synchrondetektoren derart bearbeitet, dass die Realteile und Imaginärteile der Spannung
und der Stromstärke bestimmt werden, wobei der Bezugspunkt für die Phase vom Wechselstromgenerator genommen wird. Aus diesem
letzteren gewinnt er R1 das an R angenähert wird und ausgehend
davon die gegenelektromotorische Kraft E. Die Information wird digitalisiert und in Realzeit von einem Rechner bearbeitet.
Das beschriebene Verfahren beruht auf mehreren Hypothesen, die die Erfahrung nicht bestätigt, insbesondere bei industriellen
Wannen. . Vor allem stellt die Hypothese bezüglich des Wechselstromwiderstandes das Verhalten der Wanne
durch dasjenige einer Baugruppe passive Elemente dar. Die
Erfahrung aber zeigt dass der Realteil der Impedanz, d.h. der Wechselstromwiderstand sich aufheben kann und negativ
werden kann, was das Vorhandensein von aktiven Elementen bedeutet. Der Autor nimmt weiter an, dass Al· = πίΔΧ: Dies gilt
nur für sehr kleine Veränderungen von Λΐ und diese Art des
Vorgehens hat nur die Bedeutung einer Reihenentwicklung, die mit dem linearen Glied endet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, dass
die erläuterten Nachteile vermieden werden.
Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens zu schaffen.
Die Erfindungsaufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs
beschriebenen Gattung dadurch gelöst, dass der aktive
/6 5098S0/(K00
Teil der Impedanz bestimmt wird, die die Wanne gegenüber dem Wechselstrom hat, und dass die Funktion, die den aktiven
Teil der Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz angibt bis auf Null extrapoliert wird, so dass der Wert des aktiven Teils
dem Innenwiderstand der Wanne zustrebt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist einen Niederfrequenzgenerator
mit einerseits einem Ausgang für ein sinu förmiges Signal auf, der mit einem Strommodulator verbunden ist,
der zwischen zwei Punkte, an den Stromversorgungsstangen beidseitig
der Elektrolysewanne geschaltet ist und dem durch die Wanne fliessenden Gleichstrom I einen sinusförmigen Strom if
überlagert, der andererseits einen Ausgang für ein rechteckförmiges
Signal aufweist, der an den Eingang eines Bezugsverstärkers mit galvanischer Isolierung angeschlossen ist, weist
weiter eine Induktionssonde zur Strommessung auf, die zwischen den Punkten der Stromversorgungsstangen angeordnet ist und einen
ersten Synchrondetektor beschickt, dessen Bezugseingang an den Ausgang des Bezugsverstärkers angeschlossen ist, weist
weiter einen Gleichstrom-Wechselstrom-Trennverstärker auf, dessen Eingange an die Pole der Wanne angeschlossen sind und dessen
Ausgang, der den Wechselstrombestandteil der Spannung an den Polen der Wanne gibt, einen zweiten Synchrondetektor beschickt,
dessen Bezugseingang ebenfalls an den Ausgang des Bezugsverstärkers angeschlossen ist, und weist eine Dividierschaltung
auf, deren Eingange an die Ausgänge der Synchrondetektoren angeschlossen sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung beziehen sich auf die Bestimmung des Widerstandes
jeglicher Elektrolysewanne und sind insbesondere für Wannen geeignet, die zum Herstellen von Aluminium durch Schmelzflusselektroktrolyse
von Tonerde bestimmt sind.
Die Erfindung, von der weitere Ausführungsbeispiele in den Ansprüchen gekennzeichne-csind, wird im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:
509850/0400 . /?
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform
einer Vorrichtung;
Fig. 2 eine Induktionssonde zum Messen der Wechselstrombestandteile
des die Wanne durch.f liessenden Stromes;
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Operationsverstärkerstufe mit Rückkopplungsschleife;
Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Verstärkers zur Impedanzanpassung
und zum Integrieren;
Fig. 5 Kurven, die den Gang der Verstärkung und der Phase in der Integrierstufe des Verstärkers gemäss der Fig. 4 angeben;
Fig. 6 ein Prinzipschaltbild eines Spannungsbegrenzers;
Fig. 7 ein Prinzipschaltbild eines Verstärkers zur Impedanzanpassung
zur Abtrennung von Wechselstrom;
Fig. 8 ein Prizipschaltbild einer Stufe des Verstärkers
gemäss der Fig. 7;
Fig. 9 Kurven, die den Gang der Verstärkung und der Phase der Stufe gemäss der Fig. 8 angeben;
Fig. 10 und 11 Blockschaltbilder von Modulatoren des Elektrolysestroms,
im Nebenschluss . und derart geschaltet, dass Strom überlagert wird;
Fig. 12 eine vollständige Schaltung eines Ausführungsbeispiels eines Modulators;
Fig. 13 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Funktion eines Synchrondetektors;
Fig. 14 ein Schaltschema eines bipolaren Unterbrechers, der einem Detektor äquivalent ist;
Fig. 15 bis 19 stellen dar, wie unter verschiedenen Hypothesen der festzustellende Strom vom Detektor abgeschnitten
wird;
Fig. 20 ein Blockschaltbild eines Bezugsverstärkers mit galvanischer Isolierung;
Fig. 21 ein Schema einer Dividierschaltung;
Fig. 22 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer gegenüber der in Fig. 1 dargestellten weiterentwickelten
Vorrichtung;
Fig. 23 das Schema einer Multiplikators, dem eine Subtraktionsschaltung folgt.
509850/0400 /Q
Das Verfahren zum kontinuierlichen Bestimmen des Innenwiderstandes
einer Elektrolysewanne besteht darin, dem Elektrolysestrom einen schwachen Wechselstrom zu überlagern. Die Wanne
wird als eine Impedanz betrachtet, deren aktiver und reaktiver Teil der Reihe nach bei einer gegebenen Frequenz
bestimmt werden. Die Veränderungen des ■ aktiven Teils in Abhängigkeit
dieser Frequenz werden benutzt, um durch Extrapolation auf die Frequenz Null den Wert de.s Gleichstromwiderstandes
R der Wanne zu bestimmen. Man kann danach die Gleichspannung U an den Anschlussklemmen der Wanne und die Stärke des Gleichstroms
I messen, der die Wanne durchströmt und die gegenelektromotorische Kraft E bestimmen durch: E = U - RI.
Der so bestimmte Wert von R kann als Ausgangspunkt für die Regelung der Lage der anodischen Ebene dienen, beispielsweise
mit einer Vorrichtung, wie sie in der FR-PS 1 397 946 beschrieben ist.
Man überlagert dem Gleichstrom I, der die Wanne durchströmt,
einen Wechselstrom mit der Frequenz f und der Stärke
-4 -5 if, vorzugsweise in der Grössenordnung von 10 · 10 J1. Die
Gesamtspannung V an den Anschlussklemmen der Wanne beträgt:
V=U+ uf =E+ RI+ Zfif,
wobei uf die durch den Wechselstrom if hervorgerufene Wechselspannung
ist und Z^ ist die Impedanz der Wanne bei der Frequenz
f.
Man misst V und durch Filtern trennt man seine Gleichstrombestandteile
U und seine Wechselstrombestandteile uf voneinander; gleichzeitig misst man if, beispielsweise durch
ein Induktionsverfahren.
Mit Hilfe eines Synchrondetektors misst man den Bestandteil von uf, der in Phase mit if ist, sowie denjenigen, der ge-
genüber if um 90° phasenverschoben ist. Man schreibt:
S0985Ö/0400
Xf
Zf = rf + jXf tg0f s
rf
wobei rf und Xf diejenigen Bestandteile von Zf sind, die mit
if in Phase und gegenüber if um 90° phasenverschoben sind, w
wo 0 der Phasenwinkel von uf relativ zu if ist.
Die in der Wanne durch den Wechselstrom mit der Frequenz f freiwerdende Energie entspricht dem Realteil rf der
Impedanz, während R nur der durch JouleJ-sche Wärme freiwerdenden
Energie entspricht. Wenn man die Frequenz f gegen Null gehen lässt, geht rf gegen R. Man zeichnet daher die Kurve,
die rf in Abhängigkeit von der Frequenz f angibt und extrapoliert sie bis auf Null, um r(f=Ö) = R zu erhalten.
In der Praxis verfährt man etwas komplizierter: Man nimmt als Bezugswert das niederfrequente Signal, das zur Modulation
des Elektrolysestroms dient, um einen überlagerten Strom if zu erhalten, und man bearbeitet uf und if: durch synchrones Feststellen
gleichzeitig, dann dividiert man die Ergebnisse, um rf zu erhalten.
Die Fig. 1 stellt das Blockschaltbild der verwendeten Vorrichtung dar; die Schaltbilder der einzelnen Elemente dieses
Blockschaltbildes sind zur genaueren Darstellung in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Die Vorrichtung ist an einer
Elektrolysewanne mit einer Anode 1 und einer Kathode 2 angebracht, die von Stromversorgungsstangen 3 aus mit Strom beschickt
werden. Die Vorrichtung setzt sich aus einem Weg zum Messen des Wechselstroms if, der eine Induktionssonde 4 zum
Messen des Stroms und einen Impedanzanpass- und Integrierteil 5 aufweist, einem Weg zum Messen der Gesamtspannung V der Elektrolyse,
der eine Überspannungsschutzvorrichtung 6 und einen
Impedanzanpass- und Wechselstromabtrennteil 7 aufweist, einem Strommodulator 8, der zwischen die Pole der Wanne geschaltet
ist und von einem Niederfrequenzgenerator 9 gespeist wird, einem Bezugsverstärker 10 mit galvanischer Isolierung und zwei
Synchrondetektoren 11 zusammen, deren einer für die Spannung
509850/0400 . /1°
uf und deren anderer für den Strom if vorgesehen ist und die eine Dividierschaltung 12 speisen, die den Wert von uf/if
feststellt. Die Vorrichtung kann durch ein Frequenzmeßgerät 13, das den Wert von f gibt und ein Anzeigegerät 14 für rf
vervollständigt werden.
Die gesamte Elektronik wird von einer symmetrischen Spannungsquelle
mit einem positiven Pol STP, einem negativen Pol STN und einem Mittelabgriff STO, der auf Masse liegt, gespeist.
In dem AusfUhrungsbeispiel beträgt die Spannung dieser Spannungsquelle
zweimal 15 Volt.
Zunächst werden die verschiedenen Elemente beschrieben, aus denen die Vorrichtung zusammengesetzt ist. Bestimmte dieser
Elemente sind in besonderer Weise ausgeführt und werden genauer beschrieben, andere sind im Handel erhältlich und sind
etwas summarischer beschrieben. Bestimmte Elemente kommen im vollständigen Schema mehrfach vor.
Zunächst sei der Weg zum Messen des modulierten Stroms beschrieben.
Die Induktionssonde 4 ist entsprechend Fig. 2 durch eine
ringförmige Spule gebildet, die eine vom zu messenden Strom if durchflossene Stromversorgungsstange-3 umgibt. D*e Spule ist
mit Hilfe eines biegsamen Doms 15 aus unmagnetischem Material hergestellt, auf den ein Leitdraht A1B1 16 gewickelt ist, der
N gleichmäßig voneinander entfernte Windungen der Fläche S
bildet. Die Längen AA1 und BB1 bilden die Rückleitung der Sonde
und laufen durch die Mitte der Windungen.
Wenn der in der Stromversorgungsstange 3 fließende Strom if
durch folgende Formel gegeben werden kann:
if = i0 · sin t ft,
/11
509850/0400
wobei t die Zeit bedeutet, beträgt die zwischen den Klemmen A und B auftretende Spannung ef:
ef = K . io · 2ί * sin (2 )f ft - )
wobei K ϊ» /u° . S . J,
/U° die magnetische Permeabilität des leeren Raumes (47Γ·1Ο~'),
/U° die magnetische Permeabilität des leeren Raumes (47Γ·1Ο~'),
N gleich die Anzahl der Windungen je Meter,
" 2
S die Fläche einer Windung in m bezeichnet.
Man sieht, dass die Spannung ef um ^ nach rückwärts gegen
den Strom if verschoben ist.
In dem ausgeführten Beispiel ist die Sonde aus zwei aneinandergefügten
torischen Spulen 17 und 18 gebildet, deren Länge 1,50 und 2,50 m und der Widerstand 29,9 und 46,5 Ohm beträgt.
Der Koeffizient K der Sonde beträgt 2,065 · 10~6 in Einheiten
des MKSA-Systems. Das Gewicht beträgt 10 kg. Diese Sonde
genügt für Messungen an ziemlich grossen Wannen zur Herstellung von Aluminium, beispielsweise Wannen, deren Elektrolysestromstärke
200 Kiloampere erreicht.
Das Impedanz-Anpass- und Integrierteil 5 weist Operations-Differential-Stufen
mit RUckkopplungsschleifenauf, deren Prinzipschaltbild aus Fig. 3 hervorgeht. Eine Stufe 19, beispielsweise
ein Verstärker mit Transistoren oder intergrierten Schaltung, weist zwei differentielle Eingänge 20 und 21 und
eine Klemme 22 auf. Er weist zusätzlich Klemmen auf, die den Anschluss von Korrekturschaltungen ermöglichen und weist
Versorgungsklemmen zum Anschluss an die Spannung ST auf: Diese Klemmen sind in den Figuren nicht dargestellt. Die Eingänge 20
und 21 sind mit zwei allgemeinen Eingangsklemmen 23 und 24 über Impedanzen Z^ und Z, verbunden. Der negative Eingang 20 ist zusätzlich
über eine Impedanz Z^ mit der Ausgangsklemme 22 verbunden,
während der positive Eingang 21 über eine Impedanz Z^
mit Masse verbunden ist.
/12 5G9850/G40G
2524847
Die Verstärkung dieser Stufe ist gegeben durch:
1 + W1 S = E1W1 + E2W2
ι -r Hii ,
wobei die Übertragungsfunktionen W1 und W2 gegeben sind durch:
Z2
W1 = "ZT und
W1 = "ZT und
Das Impedanz-Anpass- und Integrierteil 5 weist entsprechend der Fig. 4 einen Differentialverstärker mit grosser Eingangsimpedanz
auf, der durch die drei Stufen 25, 26 und 27 und durch einen durch die Stufe 28 gebildeten Integrator gebildet
ist.
Der positive Eingang 29 der Stufe 25 ist an ein Ende der Spule 17 und an Masse angeschlossen, der positive Eingang 30
der Stufe 26 ist mit dem entsprechenden Ende der Spule 18 verbunden. Die anderen Enden der Spulen 17 und 18 sind miteinander
in Reihe geschaltet. Die Ausgänge 31 und 32 der Stufen 25 und 26 sind jeweils mit dem negativen Eingang 33 und 34 der
gleichen Stufe verbunden. Der Ausgang 31 der Stufe 25 ist über einen Widerstand 35 mit dem negativen Eingang 36 der Stufe 27
verbunden, wobei dieser Eingang 36 zusätzlich mit dem Ausgang
37 der gleichen Stufe 27 über einen Widerstand 38, der genauso gross wie der Widerstand 35 ist, verbunden ist. Der positive
Eingang 39 derStufe 27 ist mit dem Abgriff eines Potentiometers 40 verbunden, das zwischen den Ausgang 32 der Stufe 26
und Masse geschaltet ist.
Unter Bezugnahme auf die Ausführungen betreffend die Fig. 3 erhält man am Ausgang der Stufen 25 und 26 bei 31 und
32 einander gleiche Spannungen, die in Phase mit den an die Eingänge 29 und 30 gelegten Spannungen sind. Tatsächlich hat
man mit der Schreibweise gemäss der Fig. 3; Z1 = Oo , Z2 = 0,
Z3 = 0, Z4 =CO, d.h.: WI = 0'und W2 =00. Die Eingangsimpedanz
ist sehr gross, mehrere hundert Megohn, während
/13 509850/0400
die Ausgangsimpedanz sehr klein ist, einige Ohm, denn die Stufen 25 und 26 haben eine hohe Verstärkung. Die an der Stufe 27
liegende Spannung ist gleich dem Unterschied zwischen den Span ningen an den Eingängen 29 und 30, wobei das Potentiometer 40
die Einstellung auf Null ermöglicht, indem die Spannungen bei
36 und 39 gleich gross werden.
Der negative Eingang 41 der Stufe 28 ist mit dem Ausgang
37 der Stufe 27 über einen Kondensator 42 und einen damit in Reihe geschalteten Widerstand 43 verbunden, der positive Eingang
44 liegt auf Masse. Der Ausgang 45 der Stufe 28 ist mit dem negativen Eingang 41 über eine Integrierschaltung mit einem
Kondensator 46 und einem parallel dazu geschalteten Widerstand 47 verbunden.
Anwendung des bezüglich der Fig. 3 Gesagten auf die Stufe 28 ergibt, dass die Spannung am Ausgang 45 gleich der Spannung
am Eingang, mit umgekehrten Vorzeichen und multipliziert mit ¥1 ist:
W1 = ^ , wobei
(1 + Tip) (1 + T2pj
* C42 »
wobei R4, der Wert des Widerstandes 43 in Ohm, C42 die Kapazität
des Kondensators 42 in Farad usw. sind. Beispielsweise ergibt sich, wenn R43 = 4,75 K , R47 =10 Megohm, C42 = 100/uf-und
C46 =0,47 /Uf für:
f = ^3L = 1,59 · 10"4 Hz
f1 = -L— *= 0,033 Hz
2/ίΤ2
2/TT1
2/TT1
I2 = -L- = 0,935 Hz
Man erhält ein Bandpassfilter gemäss der Fig. 5; die Integrierzone
befindet sich jenseits der Frequenz f2 und die
/14 509850/0400
Phase beträgt; - 4jr . Unter Berücksichtigung der Vorzeichenumkehr
in der Stufe 28 ist das Ausgangs signal in der Integrierzorie in Phase mit if.
Die Wahl der Abschneidefrequenz f ermöglicht unter Berücksichtigung
des Koeffizienten K der Sonde die Verstärkung auf einen geeigneten Wert einzustellen, der bei 45 für jedes Ampere
gemessenen Stromes I ein Signal in der Gröseenordnung von 1 Millivolt
liefert.
Die Genauigkeit des Weges zum Messen des modulierten
Stroms hängt vollständig von der Sonde ab. Für diese ist ein
und
konstanter Querschnitt der Windungen/ eine gleichmässige Verteilung
der Windungen längs der Länge des Torus erforderlich; zusätzlich muss die Ebene Jeder Windung senkrecht auf der Achse
des Doms stehen, der die Spule hält.
Im folgenden wird der Weg zur Messung der Spannung der Elektrolyse beschrieben.
Die Überspannungsschutzvorrichtung 6 weist einen Spannungsbegrenzer
48 und einen Verstärker 49 auf.
Der Spannungsbegrenzer 48 (Fig; 6) ist zwischen den positiven Pol 50, d.h. die Anode, und den negativen Pol 51, d.h.
die Kathode,der Wanne geschaltet. Er weist, zwischen den positivigen
Pol 50 und den positiven Ausgang 52 des Begrenzers geschaltet einen einstellbaren Widerstand 53 auf. Zwischen dem
positiven Ausgang 52 und dem negativen Ausgang 51 sind Zenerdioden 54, 55 geschaltet, deren eine, 54 als Begrenzer angeordnet
ist, d.h. ihr "positiver" Pol ist mit dem positiven Ausgang
52 verbunden, und deren andere 55 mit der ' Zenerdiode 54 in Serie, aber im umgekehrten Sinn geschaltet ist, wobei ihr
"negativer" Pol mit dem "negativen" Pol der Zenerdiode 54 verbunden
ist und ihr "positiver" Pol mit dem negativen Ausgang 51 des Begrenzers verbunden ist.
/15 509850/0400
Dieser Begrenzer hat zwei Funktionen, einerseits "bei
Polarisation der Anode der Wanne das Signal auf einen Wert zu begrenzen, der für die Meßschaltung ungefährlich ist, und
andererseits an dem Spannungssignal eine Phasenkorrektur vorzunehmen, um die Phasenverschiebung des Stromweges auszugleichen.
Tatsächlich kann die Schaltung bei normaler Funktion, d.h. bei einem unter der Einsatzspannung der . Zenerdiode
liegenden Eingangssignal durch eine Schaltung in Art eines seriellen Widerstandes, hier des Widerstandes 53, und einer
parallelen Kapazität C, hier der Kapazitäten der Dioden zur Leitung und zum Eingang des Verstärkers 49. angenähert werden.
Dieser Schaltung hat die Übertragungsfunktion: W =
wobei T = R5, · C ist. 1 + Tp
Durch Verändern des Wertes von RK, verändert man die Ab-
1 23 Phase
schneidefrequenz f = * und folglich die/des Auagangs-
signals relativ zu der J des Eingangssignals U. Entspre-chend
kann man das Spannungssignal mit einer Phasenkorrektur
versehen, die die Phasenverschiebung des Stromweges ausgleicht, die vor allem von der Induktionssonde herrührt.
Der Messverstärker 49 (Fig. 7) weist einen Differentialverstärker mit grosser Eingangsimpedanz und zwei Trennvorrichtungen
für Gleich- und Wechselstrom auf.
Der Differentialverstärker weist die Stufen 56, 57 und auf: Er -ist identisch mit dem bezüglich der Fig. 4 Beschriebenen.
Seine Beschreibung erhält man, indem in der Beschreibung der Fig. 4 die Bezugszeichen 25, 26, 27, 29, 30, 31, 32,
33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 und 40 ersetzt werden durch: 56, 57, 58, 51, 52, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 und 68. Ein
Unterschied resultiert aus dem Vorhandensein eines Transistors 69, dessen Basis 70 mit dem Ausgang 65 der Stufe 58, dessen
Kollektor 71 mit dem negativen Pol STN der Gleichspannungsquelle ST und dessen Emitter 72 mit einem Widerstand 66 verbunden
ist, der nicht, wie der Widerstand 38 gemäss der Fig. mit dem Ausgang 65 der Stufe 58, sondern mit dem Emitter des
509850/0400 /16
Transistors 69 verbunden ist.
Das Wechselstromabtrennteil 7 weist die Stufen 73, 74 und 75 auf.
Der Emitter 72 des Transistors 69 liegt unter Zwischenschaltung eines Potentiometers 76 am positiven Eingang 77 der
Stufe 73, deren Ausgang 78 mit der Basis 79 eines Transistors 80 verbunden ist. Der Kollektor 81 dieses Transistors ist mit
dem negativen Pol STN der Gleichspannungsquelle ST verbunden, während der Emitter 82 einerseits über einen Widerstand 83 mit
dem positiven Pol STP der Gleichspannungsquelle ST und andererseits über einen Widerstand 84 mit dem negativen Eingang
der Stufe 73 verbunden ist. Dieser letztere Eingang ist über einen Widerstand 85, dessen Grosse gleich der des Widerstandes
84 ist, mit dem Ausgang 87 der Stufe 74 verbunden, der zusätzlich mit dem negativen Eingang 88 der Stufe 74 über einen
Widerstand 89 verbunden ist. Der positive Eingang 90 dieser Stufe liegt auf Masse. Der positive Eingang 91 der Stufe 75
liegt ebenfalls auf Masse, der negative Eingang 92 dieser Stufe 75 ist einerseits über einen Widerstand 93 an den Emitter
82 des Transistors 80 und andererseits über einen Kondensator 95 an den Ausgang 94 dieser Stufe 75 angeschlossen. Der Ausgang
94 der Stufe 75 Ist über einen Widerstand 96 mit dem negativen Eingang 88 der Stufe 74 verbunden. Der Wechselspannungsausgang
97 ist an den Emitter 82 des Transistors 80 angeschlossen.
Wenn man den Transistor 80, der einen Leistungstrennverstärker mit Spannungsverstärkung +1 bildet, abstrahiert,
kann die Stufe 73 entsprechend der Fig. 8 dargestellt werden, die analog der Fig. 3 ist. Unter Anwendung der bezüglich der
Fig. 3 herangezogenen Formeln kann man schreiben:
Z2 Z.
S S-E1 + E2 mit W1 = 2= =1 und W2 = ^= =1
/17 509850/0400
Wenn man den Ausgang mit der Übertragungsfunktion W1,
die durch die Stufen 75 und 74 gebildet ist, auf den Eingang E.. rückführt, hat man:
S = -SW· + E9 , d.h. -|- =
Folglich: W' = W75- W74 , mit
1 R<
S75 = - m=r~ und
8Q
Wenn man ■ =100 wählt, erhält man:
Wenn man ■ =100 wählt, erhält man:
R96
A
4 A
W1 = 100 -m-r- = Tp = mrrr mit:
qV q;
T« = ■ = °»22 Sekunden,
wenn man wählt: Rg, = 220 kü und Cg,- = 100/uf.
Es ergibt sich: ^- = ^, =
1
Man erhält also gemäss der Fig. 9 ein Hochpassfilter mit
der Verstärkung 1, in Dezibel. Oberhalb der Abschneidefrequenz f· ist der Ausgang in Phase mit dem Eingang. Das Potentiometer
76 ermöglicht die Null-Einstellung in Abwesenheit von periodischen Signalen am Eingang des Verstärkers.
Die Gleichspannungstrennvorrichtung weist eine Verstärkerstufe 98 auf, deren positiver Eingang 99 mit dem Abgriff
eines Potentiometers 100 verbunden ist, dessen Enden an den positiven Pol STP und den negativen Pol STN der Gleichspannungsquelle
gelegt sind. Der negative Eingang dieser Stufe
509850/0400
ist unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 101 an einen gemeinsamen Punkt 102 angeschlossen. Dieser gemeinsame Punkt
102 ist über einen Widerstand 103 mit dem Emitter 72 des
Transistors 69» über einen Kondensator 104 mit Masse und über
einen Widerstand 1t4 mit dem Emitter 109 eines Transistors 107 verbunden. Der Ausgang 105 der Stufe 98 ist an die Basis
106 des Transistors 107 angeschlossen, dessen Kollektor 108 mit dem negativen Pol STN der Gleichspannungsquelle ST verbunden
ist und dessen Emitter 109 zusätzlich mit folgenden Punkten verbunden ist: Direkt mit dem Gleichspannungsausgang 110,
unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 111 mit dem positiven Pol STP der Gleichspannungsquelle ST und unter Zwischenschaltung
eines Kondensators 112 mit dem negativen Eingang 113 dieser Stufe. Die Widerstände 101, 103 und 114 sind gleich
gross.
Wenn man als Ausgangspunkte dieser Anordnung den Emitter 72 des Transistors 69 nimmt, ergibt sich folgende Übertragungsfunktion:
w(p) =
THüpJZ+D TRCp; + ι
wobei R der gemeinsame Wert der Widerstände 101, 103 und 114 ist und wo man annimmt:
C (112) t c = C (104)-b = 3C (112)
T C (104) ^ D
Man hat ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung.
Wenn man annimmt: R = R-iq* = R-jo3 = ^114
C104 = ^»7/Uf und C1^2 = 1/uf, erhält man:
b = 1,38, C « 2,17/Uf, T «= 0,217 s und f = 0,733 Hz.
/19
609850/0400
Man hat also ein Tiefpassfilter, das im wesentlichen die gleiche Abschneidefrequenz besitzt, wie das Hochpassfilter,
das bezüglich der Vorrichtung zum Abtrennen von Wechselstromanteilen erläutert wurde. Der Ausgang hat gegenüber
dem Eingang entgegengesetzte Phase.
Am Ausgang jeder der Stufen 58, 73 und 98 ist ein PNP-Transistor 69, 80 107 angeordnet, deren Kollektoren zusammengeschaltet
sind. Diese Anordnung ermöglicht,die Ausgangsleistung
der entsprechenden Stufe zu erhöhen, bildet eine erhöhte Eingangsimpedanz, eine kleine Ausgangsimpedanz, eine
etwas unter 1 liegende Spannungsverstärkung und ein sehr breites Durchlassband. Diese Transistoren können fehlen, wenn die
Stufen, die durch die Transistoren vervollständigt werden, genügend leistungskräftig sind und genügend geringe Ausgangsimpedanzen
aufweisen.
Der Modulator 8 für den Elektrolysestrom kann in einer der folgenden Bauarten ausgeführt sein:
- direkte Modulation der Quelle am Gleichrichter,
- Einleiten eines Stromes,
- Ableiten von Strom.
Die Vorrichtungen zum Regeln einer industriellen Elektrolyseserie,
die Autotransformatoren und regelbare Reaktanzen verwenden, eignen sich schlecht für eine direkte Modulation
und ihre Betriebsfrequenzen liegen unterhalb der Netzfrequenz (50 Hz) .
Die im folgenden beschriebene Vorrichtung kann sowohl zum Ableiten als auch zum Zuleiten von Strom bei Elektrolysezellen
verwendet werden, indem eine zusätzliche Stromquelle bentzt wird.
Die Fig. 10 stellt die Anordnung zum Ableiten dar. Man hat eine Quelle einer elektromotorischen Kraft E mit einem
/20 509850/0400
Widerstand r, die eine Verbraucherschaltung mit einer gegenelektromotirschen
Kraft E1 und einem Widerstand R beliefert.
Der Modulator M leitet einen Strom der Stärke 12 ab, während die Verbraucherschaltung einen Strom i1 erhält und die Quel-
E E' ·» ri2
Ie einen Strom i liefert. Man hat also: i1 =
.
In der Fig. 11 ist die Anordnung zum Zuleiten von Strom dargestellt. Dort ist die gleiche Quelle und die gleiche Verbraucherschaltung
und in Abweichung eine Hilfsquelle einer elektromotorischen Kraft E" mit einem Widerstand r1 dargestellt,
die in Reihe mit einem Modulator M geschaltet ist.
Man hat: 11 -
Diese beiden Anordnungen verlangen folgende Bemerkungen:
Wenn R = r, d.h., wenn die Quelle zur Verwendung ange-
r 1
passt ist, gilt ■ s * und, im allgemeinen Fall, ist der modulierte Strom, der die Elektrolysereihe durchfliesst, halb so gross wie der vom Modulator abgegebene Strom.
passt ist, gilt ■ s * und, im allgemeinen Fall, ist der modulierte Strom, der die Elektrolysereihe durchfliesst, halb so gross wie der vom Modulator abgegebene Strom.
Die im Modulator verbrauchte Leistung beträgt: P = (VM +Δν) i2, wobei VM die für die einwandfreie Funktion
des Modulators minimale Spannung ist: Die minimale Emitter-Kollektorspannung zur Regelung des Transistors plus der innere
Spannungsabfall.
Λν ist der Unterschied zwischen den Extremwerten der Spannung
der Elektrolysereihe bei normalem Betrieb.
Wenn die Spannung ν an den Klemmen der Quelle (oder des Empfängers) kleiner als VM ist, ist die Anordnung zum Einleiten
unbedingt notwendig, was erfordert, eine Zusatzquelle mit einer elektromotorischen Kraft E" und einem Innenwiderstand r·1
dass
derart vorzusehen ,/E" - (VM + r'i2) v.
In allen anderen Fällen verwendet man mit Vorteil die Anordnung zur Ableitung, was die Zusatzquelle erübrigt.
609850/0400 /21
Der Modulator weist (Fig. 12) einen Leistungstransistor 115 auf, der als serieller Regler geschaltet ist: Sein Kollektor
116 ist mit dem positiven Pol 50 der Elektrolysewanne verbunden,
während sein Emitter 117 über einen Schutzwiderstand 118 an folgende Elemente angeschlossen ist: einen Ausgang 119
zur Strommessung, den negativen Eingang 120 einer Verstärkerstufe 121 und an einen Widerstand 122 mit kleinem Wert, der
einen Nebenschluss bildet und mit dem negativen Pol 51 der Elektrolysewanne verbunden ist. Die Basis 123 des Transistors
115 ist an den Emitter 124 eines Transistors 125 gelegt, dessen Basis 126 wiederum an den Emitter 127 eines zweiten Transistors
128 gelegt ist. Die Kollektoren dieser Transistoren 125 und 128 sind mit dem Kollektor 116 des Transistors 115
verbunden. Die Basis 129 des Transistors 128 ist mit dem Ausgang 130 der Stufe 121 verbunden.
Eine Bezugsspannung, die in zwei Stufen 131 und 132 erzeugt wird, ist an den positiven Eingang 133 der Stufe 121 gelegt.
Der positive Eingang 134 der Stufe 131 ist unter Zwischenschaltung
eines Widerstandes 135 an Masse gelegt. Der negative Eingang I36 ist angeschlossen an: den Ausgang 137
der Stufe über einen Widerstand 138, über einen Widerstand 140 an eine: Klemme 139, die an eine Wechselstromquelle angeschlossen
ist, und schliesslich unter Zwischenschalten eines Widerstandes 141 an den Abgriff eines Potentiometers 142,
das zwischen den negativen Pol STN der Gleichspannungsquelle ST und Masse geschaltet ist, die selbst an den Pol STO gelegt
1st. Die Widerstände 138, 140 und 141 haben den gleichen Wert. Der positive Eingang 143 der Stufe 142 ist unmittelbar auf
Masse gelegt, der negative Eingang 144 ist einerseits unter Zwischenschalten eines Widerstandes 145 mit dem Ausgang 137
der Stufe I3I verbunden und andererseits über einen Widerstand
1^7 mit dem Ausgang 146 der Stufe 132 selbst. Dieser Ausgang
146 ist zusätzlich mit dem positiven Eingang 133 der Stufe 121 verbunden.
Bezugnehmend auf die Fig. 3 kann für die Stufe I3I geschrieben
werden: S1^1 = -(a^E1 + a2E2), wobei E1 die Spannung
609850/0400 . /22
am Abriff des Potentiometers 142 ist und E2 die Wechselspan nung an 139 ist.
Man hat : a,, = ag = ψ^ = 1 ,
so dass S151 = -(E1 + E2) ist.
Desgleichen gilt für die Stufe 132:
Wenn R (145) = 10 · R (147), §y =0,1 ergibt sich:
S(132) = 0,1 (E1 + E2).
Das Potentiometer ermöglicht,den Wert von E1 zu wählen,
d.h. den Wert des Polarisationsstroms, während E2 von einem
Niederfrequenzgenerator geliefert wird:
E2 m E'sin 2<Lft.
Der Transistor 115 ist als serieller Regler geschaltet. Tatsächlich werden wegen der Grosse des sich durchfliessenden
Stromes mehrere Gruppen von Transistoren 115 - Widerstände verwendet, die zueinander parallelgeschaltet sind. Die Verstärkerstufe
121 misst ständig den-Unterschied zwischen der an den positiven Eingang 133 gelegten Bezugsspannung und der
Spannung, die gleich dem Produkt aus dem Wert des Widerstandes 122 und der Stärke des Stromes i ist, der ihn durchfliesst
und das Bild des zu regelnden Stromes darstellt. Wenn i wächst, nimmt die Spannung am Ausgang I30 ab, wodurch die
Polarisation der Basis des Transistors 115 derart abnimmt, dass der Strom i, der den Widerstand 122 durchfliesst, abnimmt.
Das Gegenteil gilt, wenn i abnimmt. Da die Bezugsspannung eine Wechselspannungskomponente hat, verändert sich die
Stromstärke i entsprechend der Frequenz dieser Komponente. Der Regelgrad 1st besser 0,1 %.
Im folgenden wird ein Synchrondetektor 11 beschrieben. Dazu sei zunächst das Prinzip der Synchronfe st stellung anhand
der Fig. 13 erläutert.
S09850/0A00
Sei ein Versuchssystem 148 von einem Generator 9 moduliert,
der auch den Synchrondetektor steuert. Das Versuchssystem 148 gibt ein sinusförmiges Signal Ef = E«sin (2fff + j*)ab,
wobei f die Frequenz des vom Generator 9 abgegebenen Signals
ist die Phasenverschiebung von Ef relativ zum Signal des Generators 9.
Dieses Signal Ef ist im Netzbrumm enthalten. Es charakterisiert das Versuchssystem. Es gelangt zunächst durch einen
selektiven Verstärker 149, der auf die Frequenz f eingestellt ist und wird dann einem der Eingänge eines Synchrondetektors
150 zugeführt. Der Generator 9 gibt zusätzlich ein Rechtecksignal der Frequenz f ab, das in Phase mit dem sinusförmigen
Modulationssignal ist. Dieses Rechtecksignal wird einem Phasenschieber 151 zugeführt und dann nach der Phasenschiebung
dem zweiten Eingang des Synchrondetektors 150. Das Ausgangssignal dieses Synchrondetektors 150 gelangt in einen Integrator
152 und von dort in ein Verwendungsgerät 153» das .
als Messgerätes dargestellt ist.
Der Synchrondetektor 150 kann entsprechend der Fig. 14 durch einen doppelten Inverter 154 angenähert werden, der
vom Generator 9 gesteuert wird und die Polarität der Spannung Ef mit der Frequenz f invertiert. D.h.,das Signal Ef wird
der Reihe nach mit +1 und -1 mit einer der Eigenfrequenz gleichen Frequenz multipliziert, d.h. das Signal Ef wird
gleichgerichtet.
Das Ausgangssignal Sf weist daher entsprechend der Fig. 15 abgedunkelte, positiv gezählte Bögen und helle, negativ
gezählte Bögen auf.
λ rf+TT Ihr Mittelwert beträgt: Sf mittel = ~) E'sin 2Tft dt
= Ä E'cosf
/24
509850/0400
Wenn das Meßsignal Ef nicht synchron mit dem des Generators 9 ist, ändert sich der Term cos^ zwischen +1 und -1
und sein Mittelwert nähert sich mit zunehmender Zeit Null; deshalb wird am Ausgang des Detektors 150 ein Integrator 152
mit grosser Zeitkonstante angeordnet. Wenn das Signal synchron mit dem des Generators ist, ist $ konstant und sein mittlerer
Wert ist wohl bestimmt. Der erste Fall gilt für das Rauschen, der zweite Fall gilt für das untersuchte Signal Ef.
Die Harmonischen dieses Signals haben unterschiedlichen Einfluss, Je nachdem, ob es sich um ungerade oder gerade Harmonische
handelt. Die Fig. 16 betrifft Harmonische der Ordnung 3, d.h. ungerade Harmonische, die Fig. 17 betrifft eine Harmonische
vom Rang 2, d.h. eine gerade Harmonische. Die im Mittelwert positiv gezählten Bögen des Signals sind dunkel
schraffiert, die negativ gezählten Bögen sind hell schraffiert. Für jede Lage des Bezugssignals Miält man einen Mittelwert:
1 2
— von 4 · r=,E im Falle der Fig. 16 (Harmonische mit ungera-
■> "- dem Rang) und
— Null im Fall derFig. 17 (Harmonische mit geradem Rang).
Die Harmonischem mit geradem Rang liefern am Ausgang
eine Auslenkung um einen mittleren Wert Null; die Harmonischen
mit geradem Rang liefern einen Mittelwert ungleich Null.
Das durchgelassene Band hängt von der Zeitkonstanten T = RC des Integrators 152 ab, die durch einen Serienwiderstand
von ROhm, dem ein paralleler Kondensator von C Farad folgt, gebildet ist. Je mehr RC vergrössert wird, desto schmaler
wird das durchgelassene Band.
Wenn f= erhält man folgende Frequenzbänder:
0' ·5*"~ π* ^ Π * * * *
/25
509850/0400
Um diesen Nachteil zu beheben, ordnet man oberhalb des Synchrondetektors 150 einen selektiven Verstärker 149 an, der
auf die Frequenz f eingestellt ist; dieser Verstärker lässt die Frequenzen 3f» 5f uw. nicht durch, so dass das Signalband
auf ±t fQ reduziert ist.
Die Aufgabe des Phasenschiebers 151 besteht darin, das Bezugssignal um einen Winkel $ gegenüber dem festzustellenden
Signal Ef zu verschieben. Aus Fig. 18, wo die Feststellung in Phase geschieht, d.h. wo P= 0'ist, ist ersichtlich
dass der Mittelwert des Signals maximal ist, während aus der Fig. 19, Jjp die Feststellung unter einer Phasenverschiebungvon
90° (5= £ ) geschieht, der Mittelwert des Signals Null beträgt.
Die Feststellung mit dem Signal Null wird wegen ihrer Empfindlichkeit verwendet, um das Referenzsignal mit dem zu
messenden Signal Ef in Phase einzustellen.
Der Synchrondetektor ist ein Gerät, das im Handel erhältlich ist; es erscheint daher überflüssig, ihn noch genauer
zu beschreiben. Er weist die Bauteile 149 bis 153 auf, die in Fig. 13 in dem gestrichelten Rechteck enthalten sind.
Die Vorrichtung verwendet zwei Detektoren, deren einer uf und deren anderer if betrifft.
Der Bezugsverstärker mit galvanischer Isolierung 10 ist gemäss der Flg. 20 geschaltet.
Das aus dem Niederfrequenzgenerator 9 kommende Bezugssignal befindet sich unter Zwischenschalten des Strommodulators
8 auf dem Potential der Elektrolysewanne, woher die Notwendigkeit resultiert, es gegenüber dem Spannungssignal der
Wanne zu entkoppeln: Diese Rolle übernimmt die galvanische Isolierung.
/26 509850/0400
Dieser Bezugsverstärker 10 beginnt mit einer Impedanzanpaßstufe am Wechselstromeingang mit einem Transistor 154,
dessen Emitter 155 über einen Widerstand 156 auf Masse gelegt ist, dessen Basis 157 an ein Potentiometer gelegt ist,
das durch einen einstellbaren Widerstand gebildet ist, der an den positiven Pol 159 einer HilfsSpannungsquelle gelegt
ist, dessen negativer Pol auf Masse liegt. Zusätzlich ist die Basis über einen Widerstand 160 mit Masse verbunden. Die
über eine; Klemme 161 zugefUhrte Wechselspannung wird der Basis 157 über einen Kondensator 162 zugeführt.
Der Kollektor I63 des gleichen Transistors 154 ist an
den negativen Pol einer Elektrolumineszenzdiode 164 angeschlossen, die mit dem positiven Pol 159 der Hilfsspannungsquelle
verbunden ist. Dieser Elektrolumineszenzdiode 164 gegenüber befindet sich eine Photodiode I65, die die von der
Elektrolumineszenzdiode ausgesandte Strahlung empfängt. Auf diese Art findet man an den Klemmen der Photodiode I65 ein
Signal, das dem Ausgangssignal des Transistors 154'gleich
ist, ohne dass irgendeine materielle Verbindung zwischen den beiden Dioden vorhanden ist: Die galvanische Isolierung ist
daher vollständig. Der positive Pol dieser Photodiode 165 ist an die Basis 166 eines Impedanzanpasstransistors 167 gelegt,
dessen Emitter 168 auf Masse liegt und dessen Kollektor
169 über einen Widerstand 170 mit dem positiven Pol der gemeinsamen Gleichspannungsquelle ST angeschlossen ist. Der
negative Pol der Photodiode 165 ist mit dem positiven Pol STP der Spannungsquelle verbunden.
Der Kollektor I69 des Transistors 167 ist über einen
Widerstand 171 mit dem Eingang 172 einer Stufe 173 verbunden. Dieser Eingang 172 ist zusätzlich einerseits über einen
Widerstand 174 mit dem Ausgang 175 dieser Stufe und einem "Bezugsausgang11 176 und andererseits unter Zwischenschaltung
eines Widerstandes 177 mit dem Schieber eines Potentiometers 176 verbunden, das zwischen dem negativen Pol STN der Spannungsquelle
ST und Masse STO geschaltet ist. Der andere Ein-
/27 609850/0400
gang 179 dieser Stufe ist auf Masse gelegt. Der Ausgang 175 ist über einen Widerstand 180 mit einem Eingang 181 einer
Stufe 182 verbunden, deren Eingang ebenfalls mit ihrem Ausgang 183 über einen Widerstand 184 verbunden ist, der ebenso
gross wie der Widerstand 180 ist. Dieser Ausgang 183 ist mit einem "Fequenzabgriff" 185 verbunden. Der zweite Eingang
186 der Stufe liegt auf Masse.
Zusammenfassend weist der Bezugsverstärker mit galvanischer Isolierung auf:
- eine Impedanzanpaßstufe (Transistor 154) mit Wechselstromeingang
(Abgriff 161),
- eine opto-elektronische Stufe (164 bis 165), die die galvanische
Isolierung bewirkt,
- eine Verstärkeranpaßstufe (173 bis 182), die über das Potentiometer
178 ermöglicht, Gleichspannungskomponenten des Ausgangssignals auszuschalten und dieses letztere in Phase
mit dem Eingangssignal einzustellen.
Der Niederfrequenzgenerator 9 ist handelsüblich; er liefert eines sinusförmiges Signal und ein Rechtecksignal
von gleicher, einstellbarer Frequenz f. Diese beiden Signale sind in Phase. Der Bezugsverstärker 10 kann mit dem Ausgang
für das sinusförmige Signal des Niederfrequenzgenerators verbunden sein; häufig weist der Synchrondetektor eine Schaltung
auf, die das sinusförmige Signal in ein Rechtecksignal umwandelt.
Die Dividierschaltung 12 (Fig. 21) weist einen Dividiermodul
186 auf. Der mit X bezeichnete Eingang 187 ist mit dem mit S bezeichneten Ausgang 188 und einen Ausgangsabgriff 189
verbunden. Der mit Y bezeichnete Eingang 190 ist mit einem Abgriff 191 verbunden, an dem eine Spannung uo liegt. Der
mit g bezeichnete Eingang 194 ist an den Schieber eines Potentiometers 195 gelegt, das zwischen dem negativen Pol STN
der Gleichspannungsquelle ST und Masse gelegt ist, während der mit B bezeichnete Abgriff 196 mit dem Schieber eines
/28 509850/0400
Potentiometers 197 verbunden ist, das zwischen dem positiven
Pol STP der Gleichspannungsquelle ST und Masse geschaltet ist. Die anderen Abgriffe des Moduls sind mit den drei
Polen STP, STO und STN der Gleichspannungsquelle ST verbunden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Verbindung X-S dem Modul 186 seine Eigenschaft als Dividierschaltung gibt.
Das am Ausgangsabgriff 189 erscheinende Ausgangssignal beträgt: -10 -j-j ; es ist das Bild von rf = γ£ , wie im folgenden
erläutert wird.
Es sei nun die Funktion der Vorrichtung gemäss dem vereinfachten
Schaltschema der Fig. 1 erläutert:
Der einen sinusförmigen Strom mit der Frequenz f liefernde Ausgang des Niederfrequenzgenerators 9 ist mit der
Klemme. 139 des Strommodulators 8 verbunden und der Ausgang des Niederfrequenzgenerators 9 mit dem Rechtecksignal der
Frequenz f ist mit der Klemme 161 des Bezugsverstärkers 10 mit galvanischer Isolierung verbunden. Der Strommodulator 8,
der zwischen die Klemmen 50 und 51 der Elektrolysewanne 1, 2
geschaltet ist, moduliert daher den die Wanne durchfliessenden
Strom mit der Sinusfrequenz f.
Ein zu dem letzteren proportionaler Strom if wird von der Induktionssonde 4 und ihrem Impedanzanpass- und Integrierteil
5 gemessen. Dieser letztere liefert das von der Sonde 4 abgegebene Signal in Phase und gleichmässig gemacht
ab.
Das Potentiometer 40 ermöglicht die Nulleinstellung bei Fehlen eines Eingangssignals.
Der integrierte Ausgang 45 ist mit dem Eingang des selektiven
Verstärkers 149 des Synchrondetektors 11 bezüglich der Stromstärke if verbunden. Dem Phasenschieber 151 dieser
/29 509850/0400
9 Baugruppe wird das vom N^ederfrequenzgenerator/gelieferte
Rechtecksignal mit der Frequenz f über den Bezugsverstärker mit galvanischer Isolierung 10 zugeführt, der den Niederfrequenzgenerator
9,der auf der Spannung der Wanne ist, vom Synchrondetektor 11 trennt. Weil die dem Eingang des Synchrondetektors
zugeführte Spannung proportional zu if = io sin (2tC+ f) ist und der Phasenschieber 151 derart eingestellt
ist, dass er die Phasenverschiebung $ kompensiert, erhält man am Ausgang ein Signal, das proportional zu io ist, wie
weiter oben im Zusammenhang mit dem Synchrondetektor erläutert wurde.
Die Spannung V an den Klemmen der Elektrolysewanne wird dem Eingang des Spannungsbegrenzers 48 zugeführt, der die erhaltene
Spannung im Falle einer Überspannung aufgrund von insbesondere der Polarisation der Anode abschneidet. Der Ausgang
52 des Spannungsbegrenzers ist mit dem Eingang des Impedanzanpass-
und Wechselstromabtrennteils 7 verbunden, der einen Differentialverstärker 56, 57, 58 aufweist, dessen
Nullwert mit dem Potentiometer 68 eingestellt wird, und das
das Wechselstrom-Gleichstromtrennteil 73, 74, 75./dessen Nullwert mit Potentiometer 76 bei fehlenden Eingangssignalen
eingestellt wird. Der Ausgang 97 des Anpass-Trennteils ist mit dem Eingang des selektiven Verstärkers 149 des
Synchrondetektors 11 verbunden, dessen Phasenschieber 151 unter Zwischenschaltung des Bezugsverstärkers mit galvanischer
Isolierung 10 mit dem Rechtecksignal beaufschlagt ist, das vom Niederfrequenzgenerator 9 abgegeben wird. Da die
dem Eingang des Synchrondetektorszugeführte Spannung proportional zu uf = Üö . sin ($Cf +£) ist und der Phasenschieber
151 derart eingestellt ist, dass die Phasenschiebung J1 kompensiert ist, erhält man am Ausgang ein Signal,
das proportional zu -p uo ist, wie weiter oben erläutert
wurde.
Das io entsprechende Signal wird dem Abgriff 191 der Dividierschaltung 12 zugeführt, während das uo entsprechende
Signal dem Abgriff 193 der gleichen Dividierschaltung
509850/0400
zugeführt wird; man erhält am Ausgangsabgriff 189 ein Signal, das proportional ist zu:
rf = TJ-£ . Dieses Signal wird vom Anzeigegerät 14 gemessen,
das direkt in Werten von rf geeicht werden kann.
Man arbeitet mit abnehmenden Werten der Frequenz f und zeichnet eine Kurve, die rf in Abhängigkeit von f liefert,
und extrapliert diese bis auf den Prequenzwert f = ο : Entsprechend
erhält man r (f = o) = R , den Widerstand der Elektrolysewanne.
Die Vorrichtung kann derart verbessert werden, dass der Widerstand R und die gegenelektromotorische Kraft E der
Elektrolysewanne berechnet werden können; sie wird durch ein analoges oder numerisches System vervollständigt.
Gemäss der Fig. 22 wird das Bezugssignal für die Phase
des Stromes if geregelt.
Der Sinusausgang des Niederfrequenzgenerators 9 wird mit dem Eingang des Strommodulators 8 verbunden, der zwischen
den postiven Pol 50 und negativen· Pol 51 der Elektrolysewanne
1, 2 geschaltet 1st. Der Rechtecksignalausgang des Niederfrequenzgenerators
9 ist mit dem Eingang des Bezugsverstärkers mit galvanischer Isolierung 10 verbunden, dessen Ausgang
mit dem Eingang eines geregelten Phasenschiebers 198 verbunden ist, der zwei zueinander um 90° verschobene Rechtecksignale
liefert.
Die Induktionssonde 4 zum Messen des Stromes if ist mit dem Intergrationsverstärker 5 verbunden, der wiederum mit einem
selektiven Verstärker 199. verbunden ist, der mit dem in der Fig. 13 »it 149 bezeichneten identisch ist. Der Ausgang
dieses Verstärkers 199 ist mit zwei Synchrondetektoren 200 und 201 verbunden, die gleich dem Detektor 150 gemäss Fig.
sind und von denen der erste 200 durch das gegenüber dem
/31 609850/0400
Bezugssignal um 90° phasenverschobene Signal gesteuert wird
und der zweite 201 mit dem mit dem Bezugssignal gleichphasigen Signal gesteuert wird und diese beiden Signale von
dem geregelten phasenschieber 198 geliefert werden. Der Ausgang des Synchrondetektors 200 ist mit dem Steuereingang des
Phasenschiebers 198 verbunden.
Die Klemmen der Elektrolysewanne 1, 2 sind mit dem Eingang
der Überspannungsschutzvorrichtung 6 verbunden, deren
Ausgang an das Impedanzanpass- und Wechselstromabtrennteil 7 angeschlossen ist. Der Ausgang dieses letzteren ist mit dem
Eingang eines selektiven Verstärkers 202 verbunden, der identisch mit dem Verstärker 149 gemäss Fig. 13 ist, und dessen
Ausgang dem Synchrondetektor 203 zugeführt wird, der von dem mit dem Bezugssignal gleichphasigen, rechteckigen Signal gesteuert
wird, das vom geregelten Phasenschieber 198 geliefert wird.
Die Ausgänge der Synchrondetektoren 201 und 203 sind an die Eingänge einer Dividierschaltung 204 angeschlossen,
die ähnlich der Flg. 21 ist, aber einen dritten Eingang aufweist, der an ein Gerät 205 zum Erzeugen eines weiter unten
erläuterten Korrekturfaktors K angeschlossen ist. Der Ausgang der Dividierschaltung 204 ist an ein Anzeigegerät 206
angeschlossen, das den Wert des Widerstandes R der Elektrolysewanne
anzeigt.
Ein Widerstand 207 mit sehr kleinem Wert ist in Reihe mit der Elektrolysewanne hinter den Pol 51 geschaltet. Dieser
Widerstand, der den Wannen einer Serie gemeinsam ist, bildet einen Nebenschluss, der die Messung des Gleichstroms
I gestattet, der die Wanne durchfliesst. Die Klemmen dieses Widerstands sind mit dem Eingang eines Bezugsverstärkers mit
galvanischer Isolierung 208 angeschlossen, der gleich dem der Fig. 20 ist, aber einen differentiellen Eingang aufweist.
Der Ausgang dieses Verstärkers ist mit dem Stromeinang eines Multiplikators 209 verbunden, dessen Widerstandseingang an
/32 509850/0400
-52- 252464?
den Ausgang der Dividierschaltung 204 angeschlossen ist. Der Ausgang des Multiplikators 209 ist mit dem Eingang eines
Subtraktionsgerätes 210 verbunden, dessen Ausgang an ein Messgerät 211 angeschlossen ist, das die gegenelektromotorische
Kraft der llektrolysewanne liefert.
Der Strom I kann ebenfalls mit einer Induktionssonde gemessen werden. In diesem Fall ist die galvanische Isolierung
nicht mehr nötig.
Im folgenden wird die FurAtion der Vorrichtung gemäss
der Fig. 22 erläutert.
Das Bezugsrechtecksignal mit der Frequenz f, das vom
Niederfrequenzgenerator 9 unter Zwischenschaltung des Bezugsverstärkers mit galvanischer Isolierung 10 geliefert
wird, wird dem Eingang des geregelten Phasenschiebers 198 zugeführt, der zwei zueii
Rechtecksignale liefert.1
Rechtecksignale liefert.1
zugeführt, der zwei zueinander um 90 phasenverschobene
Das von der Induktionssonde 4 gelieferte Signal if wird
in dem Verstärker 5 verstärkt, in dem selektiven Verstärker
199 gefiltert und dann von den beiden Synchrondetektoren und 201 gemessen, deren erster 200 von dem gegenüber dem Bezugssignal
um 90° phasenverschobenen Signal gesteuert wird, das vom Ausgang "90°w des geregelten Phasenschiebers 198 geliefert
wird, und deren zweiter 201 von dem mit dem Bezugssignal gleichphasigen Signal gesteuert wird, das vom Ausgang
11O0" des geregelten Phasenschiebers 198 geliefert wird.
Der stark veränderbare Phasenwinkel θ , der zwischen dem Strom if durch die Zelle und dem Bezugssignal existiert,
liefert am Ausgang .des Synchrondetektors 200 ein Signal:
io · sin θ , wobei io das Modul von if ist. Dieser Synchrondetektor
200 arbeitet als Nulldetektor und greift in Gegenreaktion am Regeleingang des Phasenschiebers 198 an. Entsprechend
wird Jeglicher Fehler "der Phase zwischen dem Bezugssignal und dem Modul von if durch Wirkung des Detektors
200 auf den Phasenschieber 198 korrigiert. Der Ausgang "O0"
509850/0400 /33
dieses letzteren ist daher in Phase mit dem Modul von if, so dass der Synchrondetektor 201 io misst.
Die an den Klemmen der Wanne abgegriffene Spannung V wird durch die Uberspannungsschutzvorrichtung 6 begrenzt
und dem Impedanzanpass- und Wechselstromabtrennteil 7 zugeführt, der die Gleichspannungskomponente U von der Wechselspannungskomponente
uf abtrennt. Diese letztere gelangt durch den selektiven Verstärker 202 und wird dann vom
Synchrondetektor 203 gemessen, dessen Bezugswert vom Ausgang "0O|f des geregelten Phasenschiebers 198 und daher in
Phase mit if abgegeben wird. Der Ausgang dieses Detektors 203 liefert daher den Wert: Uo cos^ , wobei ^ der Phasenwinkel
von Uf relativ zu if ist.
Die Dividierschaltung 204 führt die Operation aus:
Uo cos
rf = =
ίο
Die an den Klemmen des Widerstandes 207 abgegriffene
Spannung, die I darstellt, gelangt durch den Bezugsbzw. Messverstärker mit galvanischer Isolierung 208 und wird
dann dem Multiplikator 209 zugeführt, der zusätzlich das Signal Rf empfängt: Er ermittelt daher Rf · I , welcher Wert
dem Subtraktionsgerät 210 zugeführt wird, das zusätzlich das von dem Trennverstärker 7, sh. Fig. 7, Ausgang 110 geliefert
wird, und der ergibt:
U - rfI, d.h. Ef; dieser letztere Wert erscheint am Messgerät
211.
Wenn die Frequenz des Niederfrequenzgenerators 9 gegen Null geht, läuft >rf gegen R und Ef gegen E. Leider ist es
zwar im Laboratorium möglich, auf Frequenzen in der Grössenordnung
von 0,1 bis 0,2 Hz hinabzugelangen; es ist jedoch im
tatsächlichen Betrieb unmöglich. Man muss sich daher damit zufrieden geben, bis hinab zu Frequenzen von einigen Hz
/34 509850/0400
zu gelangen und die Kurve, die Rs und Es in· Abhängigkeit
von der Frequenz gibt, auf die Frequenz Null zu extrapolieren.
In der Praxis kann man sich mit einer vereinfachten empirischen Methode zufrieden geben.
Aus der Kenntnis von Rf bei niederer Frequenz gewinnt
man R und den Faktor K = —j in Abhängigkeit von der Frequenz.
Entsprechend ermöglicht eine Messung bei einer einzigen, richtig gewählten Frequenz f rf zu ermitteln und
durch Multiplikation mit dem Koeffizienten K zu R = K · f zu gelangen.
Den Viert von K gibt man in das Gerät 205 ein, das einen entsprechenden
K / Wert in die Dividier schaltung 204 eingibt. Entsprechend ermittelt diese Dividierschaltung: K rf, d.h. R. Dies führt dazu, dass das Subtraktionsgerät 210 E = U - RI ermittelt.
K / Wert in die Dividier schaltung 204 eingibt. Entsprechend ermittelt diese Dividierschaltung: K rf, d.h. R. Dies führt dazu, dass das Subtraktionsgerät 210 E = U - RI ermittelt.
Alle Bauteile dieser Vorrichtung sind im Handel erhältlich oder sind weiter oben unter Bezugnahme auf die Fig.
bis 21 mit Ausnahme des Multiplikators 209 und des Subtraktionsgerätes 210 beschrieben. Das Grundschaltbild dieser
beiden Bauteile ist in Fig. 23 gegeben.
Der erste mit X bezeichnete Eingang 212 eines Multiplikatormoduls 211'ist mit dem Ausgang eines Messverstärkers
mit galvanischer Isolierung 208 verbunden, der I liefert. Der zweite mit Y bezeichnete Eingang 213 ist mit dem Ausgang
214 einer Impedanzanpaßstufe 215 verbunden, deren negativer
Eingang 216 einerseits über einen Widerstand 217 mit dem Ausgang der Dividierschaltung 204, die R liefert, und andererseits
Über einen Widerstand 218, der dem Widerstand 217 gleich ist, mit seinem Ausgang 214 verbunden ist. Der
postive Eingang 219 der Stufe 215 ist auf Masse gelegt. Der dritte, mit "gain" bezeichnete Eingang 220 des Multiplikatormoduls
211 ist mit dem Schieber eines Potentiometers 221 verbunden, das zwischen den negativen Klemmen der Spannungs-
S09850/0A00 · /35
quelle ST geschaltet ist, d.h. zwischen die Klemmen STO und STN, während der vierte Eingang 222 mit dem Ausgang
223 verbunden ist, wodurch dem Modul seine Multiplikatoreingenschaften gegeben werden. Ein mit BaI bezeichneter
Hilfsausgang 224 ist mit dem Schieber eines Potentiometers 225 verbunden, das zwischen die Klemmen STO und STP
der Hilfsspannungsquelle ST geschaltet ist. Die drei Versorgungsklemmen
226, 227 und 228 sind mit STN, STO und STP der Spannungsquelle ST verbunden.
Der mit 229 bezeichnete Eingang U ist an den Ausgang 110 des in Fig.7 dargestellten Impedanzanpass- und Wechselstromabtrennteils
angeschlossen. Er ist über einen Widerstand 230 an den negativen Eingang 231 einer Stufe 232 angeschlossen
und zusätzlich über eien dem Widerstand 230 gleichen Widerstand 233 mit dem Ausgang 234 der Stufe verbunden.
Der positive Eingang 235 der Stufe ist auf Masse.
Der Ausgang 234 der Stufe 232 ist über einen Widerstand
236 mit dem positiven Eingang 237 einer Stufe 238 verbunden. Dieser Eingang ist zusätzlich über einen Widerstand 239 mit
dem Ausgang 223 des Moduls 211 und über einen Widerstand 240 mit Masse verbunden; die drei Widerstände 236, 239 und
240 sind gleich. Es ist notwendig, dass U und RI mit dem gleichen Proportionalitätskoeffienten beeinflusst werden.
Der Ausgang 241 der Stufe 238 ist mit der Basis 242 eines Transistors 243 zur Impedanzanpassung und Leistungsverstäs»-
kung verbunden, dessen Kollektor 244 mit dem negativen Pol STN der Gleichspannungsquelle ST und dessen Emitter 245 mit
dem E liefernden Ausgang 246 und einerseits Über einen Widerstand 247.mit dem positiven Pol STP der Spannungsquelle
andererseits
ST und/über einen Widerstand 248 mit dem negativen Eingang 249 der Stufe 238 verbunden ist, der selbst an Masse gelegt
ist, d.h. über einen Widerstand 250 an den Mittelpunkt STO der Spannungsquelle ST.
/36 509850/0400
Die Funktion des Multiplikators und des Subtraktionsgerätes ist evident. Der Multiplikatormodul 211 erhält bei
212 ein Signal I und bei 213 ein unter geringer Impedanz aus der Stufe 215 geliefertes Signal R; weil der Eingang Z
mit dem Ausgang S verbunden ist, funktioniert der Modul als Multiplikator und liefert an seinem Ausgang 223 ein zu XY,
d.h. zu RI proportionales Signal. Das Signal U wird nach Impedanzanpassung in der Stufe 232 dem Signal RI am Eingang
237 der Stufe 238 aufaddiert und an den Ausgang 246 durch den Transistor 243 ffiit kleiner Impedanz und grosser Leistung
übertragen.
In der ausgeführten Vorrichtung sind alle Stufen durch integrierte Schaltungen 2301 A mit Ausnahme der folgenden
Stufen ausgeführt:
28 in Fig. 4, die vom Typ 8018 ist,
121 in Fig. 12, die vom Typ 1322 ist und 173 und 182 in Fig· 20, die vom Typ AD 301 AH sind.
28 in Fig. 4, die vom Typ 8018 ist,
121 in Fig. 12, die vom Typ 1322 ist und 173 und 182 in Fig· 20, die vom Typ AD 301 AH sind.
Die Zehnerdioden 54 und 55 der Fig. 6 sind vom Typ 207 Z4 für einen veränderbaren Widerstand 53 von 110 Ohm. Die Transistoren
69, 80 und 107 der Fig. 7 sind vom Typ 2 N 2905. In der Fig. 12 sinds die Transistoren 115 und 125 vom Typ 2 N 3055
für Widerstände 118 gleich 1 Ohm und einen Nebenschlusswiderstand 122 von 0,01 Ohm, die Transistoren luftgekühlt und
der Transistor 128 vom Typ 2 N 2219. In der Fig. 20 ist der der Transistor 154 vom Typ 2 N 3053 und in der Fig. 23 ist
der Transistor 243 vom Typ 2 N 2905; die Baugruppe aus den Dioden 164, 165 und dem Transistor 167 ist handelsüblich
unter der Bezeichnung 5082-4450. Die Multiplikator-Dividierschaltungen 186 der Fig. 21 und 211 der Fig. 23 sind jeweils
vom Typ 107 C.
Der für R erhaltene Wert erlaubt eine automatische Vorrichtung zur Steuerung der Anodenentfernung der Wanne zu
steuern. Eine gleichzeitige Vergrösserung der Werte von R und E kann dazu dienen, die Stromversorgung der Elektrolysewanne
zu unterbrechen.
509850/OAOO /Patentansprüche
Claims (12)
- PatentansprücheVerfahren zum kontinuierlichen Bestimmen des Innenwiderstandes einer Elektrolysewanne aufgrund der Spannung an den Anschlussklemmen der Wanne und des die Wanne durchfliessenden Stroms, wobei dem Elektrolysestrom ein schwacher Wechselstrom mit einer Frequenz (f) überlagert wird, dadurch gekennzeichnet , dass der aktive Teil der Impedanz bestimmt wird, die die Wanne gegenüber dem Wechselstrom hat, und dass die Funktion, die den aktiven Teil der Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz angibt, bis auf Null extrapoliert wird, so dass der Wert des aktiven Teils dem Innenwiderstand (R) der Wanne zustrebt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung einer Synchronfeststellung, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom (if) von einer Beschickungsstange der Wanne durch Induktion abgenommen wird, dass das erhaltene Signal in Phase mit dem Wechselstrom (if) gebracht wird und dann durch Synchronfeststellung ausgehend von einem durch eine Spannung mit der Frequenz (f) gebildeten Bezugswert gemessen wird, dass von den Klemmen der Wanne eine Spannung (V) abgegriffen wird, dass die Wechselspannungskomponente (uf) dieser Spannung abgetrennt wird, dass die Wechselspannungskomponente (uf) durch Synchronfeststellung ausgehend von der gleichen Bezugsspannung mit der Frequenz (f) gemessen wird, dass schliesslich der Modul (uo) von (uf) durch den Modul (io) von (if) derart geteilt wird, dass der aktive Teil (rf) der Impedanz der Wanne erhalten wird, und dass dieser durch Annähern der Frequenz (f) an Null extrapoliert wird, so dass der aktive Teil (rf) gegen den Innenwiderstand (R) der Wanne läuft./2 509850/(KOO
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Phase des Bezugssignals mit der Frequenz(f) der Synchronfeststellungen an diejenige der Wechselstromkomponente (ijö des durch die Elektrolysewanne fliessenden Stromes angekoppelt wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Extrapolation der Frequenz gegen Null ausgeführt wird, indem eine Kurve gezeichnet wird, die den wirksamen Teil (rf) der Impedanz der Wanne in Abhängigkeit von der Frequenz(f)darstellt, dass diese Kurve bis auf die Frequenz Null extrapoliert wird, so dass erhalten wird: r = rf(f=O), dass dann eine Frequenz (f)gewählt wird und dass das Verhältnis(K)des Innenwiderstandes (R) der Elektrolysewanne zum .aktiven . Teil (rf) seiner Impedanz bei der gewählten Frequenz(f) als konstant angenommen wird, wodurch ermöglicht wird, den Innenwiderstand (R) zu erhalten, indem der wirksame Wert (rf) der Impedanz der Wanne, bei der Frequenz (f) gemessen, mit dem angenommenen konstanten Koeffizienten (K)multipliziert wird.
- 5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Synchrondetektoren und einem Frequenzgenerator, der einen Ausgang für ein sinusförmiges Signal und einen Ausgang für ein damit gleichphasiges Rechtecksignal aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass einerseits der Ausgang des Frequenzgenerators(9) für das sinusförmige Signal mit einem Strommodulator (8) verbunden ist, der zwischen zwei Punkte (50, 51) an den Stromversorgungsstangen (3) beidseitig der Elektrolysewanne (1, 2) geschaltet ist, und dem durch die Wanne fliessenden Gleichstrom (3) einen sinusförmigen Strom(if)überlagert, dass der Ausgang des Frequenzgenerators (9) für das Rechtecksignal an den Eingang eines Bezugsverstärkers mit galvanischer Isolierung (10) angeschlossen ist, dass andererseits eine Induktionssonde (4) zur Strommessung vorgesehen ist, die/3 509850/(KOOzwischen den Punkten (50 und 51) der Stromversorgungsstangen angeordnet ist und einen ersten Synchrondetektor (11) beschickt, dessen Bezugseingang an den Ausgang (176) des Bezugsverstärkers (10) angeschlossen ist, dass die Eingänge eines Gleichstrom-Wechselstromtrennverstärkers (Impedanzanpass- und Wechselstromabtrennteil 7) an die Pole der Elektrolysewanne angeschlossen sind und der Ausgang (97) des Trennverstärkers, der den Wechselstromanteil(uf) der Spannung U an den Polen der Elektrolysewanne gibt, an den Eingang eines zweiten Synchrondetektors (11)angeschlossen ist, dessen Bezugseingang ebenfalls an den Ausgang (176) des Bezugsverstärkers (10) angeschlossen ist, und dass eine Dividierschaltung (12) vorgesehen ist, deren Eingänge an die Ausgänge (Uof und iof) der Synchrondetektoren (11) bezüglich (uf) und (if) angeschlossen sind.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 5» deren Frequenzgenerator (9) nur einen Ausgang für ein sinusförmiges Signal aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass der Eingang des Bezugsverstärkers mit galvanischer Isolierung (10) an diesen Ausgang für das sinusförmige Signal angeschlossen 1st und sein Ausgang unter Zwischenschaltung eine Vorrichtung, die das sinusförmige Signal in ein Rechtecksignal transformiert, an den Bezugseingang der Synchrondetektoren (11) angeschlossen ist.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Frequenzgenerator ein Niederfrequenzgenerator 1st und die Induktionssonde über ein Impedanzanpass- und Integrierteil an den ersten Synchrondetektor angeschlossen 1st, dadurch gekennzeichnet , dass der Ausgang des Bezugsverstärkers (10) mit galvanischer Isolierung mit dem Eingang eines gesteuerten Phasenschiebers (198) verbunden ist, der einen an die Bezugseingänge des ersten und zweiten Synchrondetektors (201 und 203) angeschlossenen Ausgang mit der Phase 0 und einen an den Bezugseingang eines zusätzlichen Synchron-50985 0/0400detektors (200) angeschlossenen 90°-Ausgang hat, wobei der Ausgang des Impedanzanpass- und Integrierteils (5) mit dem zusätzlichen Synchrondetektor verbunden ist undder Ausgang des zusätzlichen Synchrondetektors mit dem Steuereingang des gesteuerten Phasenschiebers (198) verbunden ist, so dass das Bezugssignal für den ersten und zweiten Synchrondetektor (201 und 203) an die Wechselstromkomponente if des durch die Elektrolysewanne fliessenden Stroms angehängt ist.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeicjti-& ^ » β dessennet durch ein Gerät (205) zum Bilden eines Faktors (K),/ Ausgang mit einem Multipliziereingang einer Dividierschaltung (204) verbunden ist, so dass man am Ausgang dieser Dividierschaltung (204) das Produkt K · rf = R erhält.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 mit einem Nebenschlusswider stand zum Messen der Stärke des durch die Elektrolysewanne fliessenden Gleichstroms I, der in Serie in der Beschickungsstange der Elektrolysewanne ausserhalb der Punkte angebracht ist, dessen Klemmen mit den Eingängen eines Messverstärkers mit differentiellen Eingängen und galvanischer Isolierung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet , dass der Ausgang R der Dividierschaltung (204) mit einem Eingang eines Multiplikators (209) verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers mit galvanischer Isolierung (208) und dessen Ausgang (223) mit dem Eingang eines Subtraktionsgerätes (210) verbunden ist, dessen anderer Eingang an den Ausgang (110) des Trennverstärkers (Impedanzanpass- und Wechselstromabtrennteil 7) angeschlossen ist, der die Gleichspannung U der Elektrolysewanne liefert, und dessen Ausgang die gegenelektromotorische Kraft der Elektrolyse E = U - RI liefert.509850/0400
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Eingang des Multiplikators (209) direkt an die Induktionssonde (4) angeschlossen ist.
- 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 "bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass der Strommodulator (8) wenigstens einen Leistungstransistor (115) aufweist, der in Serie mit einem in einer Zweigleitung zwischen den Punkten (50, 51) und den Versorgungsstangen (3) beidseitig der Elektrolysewanne angeordneten Nebenschlusswiderstand (122) geschaltet ist, wobei die Basen (123) dieser Transistoren mit dem Ausgang eines Verstärkers (121, 125» 128) mit zwei differentiellen Eingängen verbunden ist, dessen einer (120) mit dem Nebenschlusswiderstand (122) und dessen anderer unter Zwischenschaltung eines Verstärkers (131, 132) mit dem Ausgang des Niederfrequenzgenerators (9) für ein sinusförmiges Signal verbunden ist.
- 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass sie für Elektrolysewannen zur Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxyd verwendet wird.S09850/0400
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IS2277A7 (is) | 1975-12-06 |
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