DE2524647A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen bestimmen des innenwiderstandes einer elektrolysewanne - Google Patents

Description

DR. ING. F. WUESTHOFF »MÜNCHEN OO DK.Kτ.PECHMANN SCHW-IIOERSTRASSE 8 DR. ING. 13. BEHHKNS ^T""°" ^{ί089) ββ 20fsl} DIPL. ING. R. GOETZ ^TE"" ^{β 2}* °⁷°

TKLKOItAMHK t

PATEHTANWiLTB p„ot«otfat*nt mCkohkk

1A-46 274 3. Juni 1975

Beschreibung ? R ? Λ fi Λ 7

ALUMINIUM PECHINEY
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.

2
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,

/3 509850/0400

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 =

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+ Z_fi_f,

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~'),

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

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

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 R_K, 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:

^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 S_tufe. 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.

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 f_Q 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

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 "0^O|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.

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.

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)

1. Patentansprüche

   Verfahren 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. 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. 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. 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. 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/(KOO

   zwischen 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. 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. 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 0/0400

   detektors (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. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeicjti-

   ^& ^ » β dessen

   net 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. 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. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Eingang des Multiplikators (209) direkt an die Induktionssonde (4) angeschlossen ist.
11. 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. 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