DE2941191A1 - System zur erzeugung und selbstkontrolle der wellenform der spannung oder stromstaerke bei der elektrolytischen einfaerbung von eloxiertem aluminium - Google Patents
System zur erzeugung und selbstkontrolle der wellenform der spannung oder stromstaerke bei der elektrolytischen einfaerbung von eloxiertem aluminiumInfo
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Description
29^ ig
DIW .-IN·',. V'ILI IO Ν:11"» '.: -ZCrYi y>.'. ·:.
9 Okt 197 9 DiPLr uv.·. CR. LLi^o. ::::Hr.ic
PATENTANWÄLTE UHLANDSTR. 14c - 7000 STUTTGART 1
Empresa Nacional Del Aluminio S.A
(Endasa) General Sanjurjo, 4 Madrid 3 / Spanien
System zur Erzeugung und Selbstkontrolle der Wellenform der Spannung oder Stromstärke bei der elek
trolytischen Einfärbung von eloxiertem Aluminium
030019/0664
' Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung
einer Welle der Spannung sowiO Stromstärke zur Anwendung bei Verfahren zur elektrolytischen Einfärbung von Aluminium sowie
auf ein System zur Selbstkontrolle desselben.
Auf dem Gebiet der elektrolyt.-! sehen Verfahren im allgemeinen
und der elektrolytischen Einfärbeverfahren im besonderen treten
bei der Verwendung von Wechselstrom eine Reihe von Beschränkungen und Problemen verschiedener Art auf.
So ist es bei den elektrolytischen Verfahren als normal anzusehen
, dass beim Eintauchen von zwei Elektroden verschiedener Beschaffenheit
in einen Elektrolyten zwischen diesen eine kontinuierliche Spannung entsteht, die von der Beschaffenheit der
Elektroden und der Zusammensetzung des Elektrolyten abhängt. Wenn zwischen den Elektroden ein sinusförmiger Wechselstrom angelegt
wird, ergibt sich, dass die vorgenannte Polarisationsspannung der !Ialbwelle desselben Vorzeichens hinzugerechnet und von der·
Halbwelle des entgegengesetzten Vorzeichens abgezogen werden riu s
so dass sich in grösserera oder kleinerem ^asse eine asymmetrische
Wellenform ergibt.
Im konkreten Fall der elektrolytischen Einfärbung von eloxiertem Aluminium ergibt sich, dass die Oxydschicht der Metalloberflä
che zwei besondere Eigenschaften aufweist. Zunächst einmal handelt
es sich um eine sehr dünne, nicht leitende Oxydschicht, die bei Einbringung zwischen dem ^etall und dem Elektrolyten als Kondensator
wirkt. Weiterhin weist sie eine grössere Transportfähigkeit der elektrischen Ladungen vom Metall zum Elektrolyten auf,
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Venn das Metall negativ ist. Dieser Halbleitereffekt zusammen
mit dem Kondensator-effekt verursachen bei Anlegung eines Wechselstromes,
dass die positive Halbwelle (bezogen auf das Aluminium) grössere Strömungsschwierigkeiten aufweist als die negative,
wodurch gleichzeitig unterschiedliche Spannungsabfälle
in beiden Richtungen entstehen, so dass die aus der angelegten Spannung resultierende Welle nicht symmetrisch ist. Dieses bedeutet,
dass eine nicht erwünschte Komponente eines"bestimmten"
elektrischen Vorzeichens zur Wirkung kommt. Dieser Vorgang ist auf den Halbleitereffekt zurückzuführen, während sich andererseits
aufgrund des Kondensatoreffekts bei Anlegung eines Wechselstroms
zwischen dem Aluminium und der anderen Elektrode der auf dem Aluminium gebildete Kondensator mit der Spitzenspannung der
ungelegen Welle auflädt und sich langsamer entlädt als die Abnahme
der Spannung aufgrund der sinusförmigen Änderung.
Hieraus ergibt sich, dass sowohl der Mittelwert als auch der Nutzwert der Spannung grosser sind als die der angelegten Welle
entsprechenden Werte und dass diese ausserdem von Fall zu Fall verschieden sind, da sie als Folge der Kapazität der Anodenschicht
von deren Dicke, Zustand, Herstellungsverfahren etc. a bhängen.
Dieser Effekt ist insbesondere in der Industrie von Bedeutung,
wenn zur Beeinflussung des Wechselstroms Thyristoren Verwendung
finden. In diesem Fall kann wegen der hohen Kapazität der üblicherweise verwendeten Ladungen, die bis zu 5 x 10
Mikrofarade betragen kann, die sich ergebende Welle einen Mit-
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erreichen, der fast den doppelten Wert der angolcgien
Spannung entspricht und auch'hier ausschlicsslich von r.'cn Iedingungen
und Eigenschaften der Oxydschicht abhängt·
Demnach ändert sich die sich aus derselben angelegten Spannung
ergebende Spannung in Übereinstimmung mit den elektrischen eigenschaften der Ladung, so dass die Kontrolle sehr schwierig iist.
Bei Verfahren wie der elektrolytischen Einfärbung, bei denen die Anlegung der elektrischen Energie mit sehr genauer Dosierung erfolgen
muss ι bedeutet die vorgenannte Wirkung einen ernsthaften
Nachteil, dessen Behebung bisher durch indirekte Kontrollsysterne
ohne tatsächlichen Erfolg versucht wurde»
Weiterhin verursacht die Verwendung von Thyristoren in dur
Industrie zur Kontrolle des Wechselstromes häufig schwerwiegende und kaum lösbare Interferenzstörungen durch Radiofrcquen'.cn
als Folge der Loitv.ngsstellung des Thyristors, wenn die angelegte
Spannung vom Nullpunkt abweicht»
Mit dem erfindungsgemässen System werden die aufgezeigten
Nachteile ausgeschaltet und eine zuverlässige Kontrolle der im Verfahren verwendeten Welle erreicht.
Das erfindungsgemässe ^erfahren der Stromerzeugung geht aus
von der Verwendung eines operativen Verstärkers zur Kontrolle
der Form der an das eloxierte Aluminium angelegten Spannung oder Stromstärke zur elektrolytischen Einfärbung sowie von tier
Verwendung von Transistoren hoher ^eistung, die es ermöglichen, diese Vorrichtungen mit denselben Vorteilen wie im Lab or a toi ium
JLn der Industrie zu verwenden·
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, Das erfindungsgemässe System besteht aus einer symmetrischen
Gleichstromquelle mit dem entsprechenden Transformator, Gleichrichtern,
Filtern etc,, die ausgehend von einem dreiphasigen
Speisenetz eine positive und eine negative Spannung desselben Wertes in Bezug auf einen Nullpunkt liefert, der die Speisung
einer der Elektroden bildet.
Ausgehend von dieser Speisequclle weist das System geinäss der
Erfindung eine Etappe der Leistungskontrolle auf, die durch zwei Gruppen von Ilochleistungstransistoren gebildet ist, einen zweipoligen
operativen Verstärker zur Kontrolle der Form der an die einzufärbende Beladung angelegten Spannung oder Stromstärke, eine
au^senliegende Kontrolle der Halbwellen, bestehend aus einer Gruppe von diskreten Komponenten geeigneter Werte und entsprechend
angeordnet, um das detektierte Signal zu behandeln und es an den Invertereintritt des operativen Verstärkers weiterzuleiten,
ein Programmiersystem, das aus zwei linearen Zeitprogrammierern
besteht, und zwar einen für die Programmierung der Anodenwelle und den anderen für die,Kathodenwelle, und einen
Signalerzeuger, der den positiven oder nicht umkehrenden Eintritt zum zweipoligen Verstärker bildet.
Schliesslich ist auch die Anbringung eines Systems zur Messung
und Registrierung vorgesehen, das die elektrischen Parameter des an das Aluminium angelegten Stroms detektiert und
trennt, und das die Anoden- und Kathodenspannung sowie die Anoden- und Kathodenstromstärke grafisch und zeitabhängig registriert.
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Auf diese !.'eise wird im elolctrolytischen ^ad eine Welle Λ-iner
Spannung oder Stromstärke angelegt, die aufgrund dos Systems der
Selbstkontrolle stets frei von jeglicher Deformierung ist, und zwar jeweils unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des
einzufärbenden Gegenstandes wie Kapazität, Polarisation etc.
Da jede Vellenart ohne jegliche Deformierung Verwendung finden kann, werden im Falle von sinusförmigen Wellen die Probleme
der Störungen durch Radiofrequenzen vermieden, die bei den bisherigen Systemen auftreten, die Thyristoren mit Regulierung
durch Änderung des ^eitungswinkels verwenden.
Die Gleichgewichtsstörungen der Ladung, die durch die Verwendung von nicht kontinuierlichen einzelnen Signalen verursacht
werden, verteilen sich auf drei Linien, so dass sich das System stets im Gleichgewicht befindet.
Durch den stetigen Vergleich des Bezugsgrössensignals mit der tatsächlich angelegten Spannung oder Stromstärke und durch
ausgleichenden Eingriff auf.beide ^rossen bleibt das System eigenstabil,
so dass nach Festlegung der Ausgangswerte diese stets konstant gehalten werden, ohne dass die Grosse des einzufärbenden
Gegenstandes hierauf Einfluss hat oder Änderungen bzw. Regulierungen erforderlich machen.
Das er.f indungsgemässe System erlaubt die verwendung alle ?
Arten von Elektroprogrammen für jegliche Einfärbungsverfahr an,
ohne dass Änderungen der Vorrichtung erforderlich sind. Weiterhin können Programme für andere elektrolytische Verfahrei wie
Eloxieruns, Ablagerung etc. durchgeführt werden. ,
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' Auch ist es möslich, andere Stronifrequenzen als die der Speiseleitung
zu verwenden, die bei Einfärbungsverfahron sehr vorteilhaft
sind.
Schlicsslich werden stets die Veränderlichen des Verfahrens
registriert, so dass es einfach ist, den Verfahrensverlauf zu kontrollieren, dar. Auftreten von defekten zu erkennen, Irrtümer
zu berichtigen, statistische Kontrollen durchzuführen und
das gesamte ^erfahren zu automatisieren.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung,
in der ein AusfUhrungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Kig. 1: ein Blockschaltbild des erfindungsremässen Systems zur
Erzeugung und Selbstkontrolle der Form der Welle und Spannung oder Stromstärke zur Anwendung bei elektrolytischen
Einfa'rbungsverfahren von eloxierten Aluminium.
Fig. 2: eine grafische uarstellung der resultierenden V/olle im
Vergleich zur angelegten Welle infolge des Kondensatoreffektes, \
Kig. 3: eine ähnliche darstellung wie in Fig. 2 und Vergleich
derselben Wellen infolge der Steuerung der Welle durch Thyristoren.
Aus der Zeichnung, insbesondere Fig. 2, ist ersichtlich, wie
infolge des Kondensatoreffektes bei Anlegung eines Wechselstroms
1 zwischen dem Aluminium und der anderen Elektrode eine Welle 2 erzeugt wird, die sowohl im Mittelwert als auch im Nutzwert gegenüber
der angeleg en Welle 1 erhöht ist.
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/ Venn bei Industrieanlagen der '.-,'echsclstroni untnr Verwendung
von Thyristoren gestcuoi't wird wegen der grossen Kapazität der
verwendeten Ladungen, kann die resultierende Welle 2 die in Fig, 3 dargestellte Form annehmen. Wie ersichtlich beträgt der Mittelwert
dieser V/elle fast das Doppelte in Bezug auf den '/,'crt
der angelegten Spannung 1 und ist wie im vorgenannten Fall ausschliesslich von den "edingungen und Eigenschaften der Oxydschicht
abhängig.
Mitt-els des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemässon Systems
werden diese Probleme ausgeschaltet und die an die Ladung angelegte
Spannung ist stets vollkommen eigenkontrolliert.
Der Stromkreis geht aus von einem normalerweise dreiphasigen Speisenetz 3i wobei ein Gleichrichter-Transformator k zwischengeschaltet
wird, mit dessen Hilfe eine positive Spannung 5 und
eine negative Spannung 6 in Bezug auf einen Nullpunkt 7 erzeugt wird.
Dieser Nullpunkt 7 bildet die direkte Speisung einer der Elel:-
\
troden 8 des Elektrolyten 9·
troden 8 des Elektrolyten 9·
Die beiden vom Gleichrichter-Transformator k gelieferten
Spannungen 5 un°l 6 werden an eine Leistungskontroll-Etappe
weitergeleitet, die durch zwei Gruppen von Hochleistungstransistoren gebildet ist, einer mit Polarität P und der andere mit
Polarität N, die die elektrischen Parameter des negativen bzw. positiven Signals steuern, die an den im Elektrolytenbad 9 einzufärbenden
egenstand angeleg sind.
/ Auch wenn zur Vereinfachung des Schaltbildes Transistoren P
/ Auch wenn zur Vereinfachung des Schaltbildes Transistoren P
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COPY
und N Verwendung finden, können in der Praxis auch ausschliesslich
Leistungstransistoren Nv verwendet werden.
Weiterhin gehört zum Stromkreis ein zweipoliger operativer Verstärker 11, der die Kontrolle der Form der Spannung oder
Stromstärke übernimmt, die a.i den einzufärbenden Gegenstand
angelgt wird. Dieser erstärcer besitzt zwei Eingänge, einen
für das positive oder nicht umkehrende Signal, über das an den Verstärker 11 ein schwaches vom Generator 12 erzeugtes Signal
angelegt wird und dessen For η mit dem an den einzufärbenden
Gegenstand angelegten übereinstimmt. Der andere Eingang für
das negative oder umkehrende Signal empfängt das Signal, das tatsächlich an den Elektroden 8 des Elektrolyten 9 nach entsprechender
Behandlung existiert.
Der oporativc Verstärker 11 vergleicht stets den Wert der
Spannung oder Stromstärke des anzulegenden Signals mit dem Wert des tatsachlich angelegten Signals und wirkt auf den anderen
Parameter, Stromstärke oder Spannung, ein um zu bewirken, dass der Unterschied zwischen dem positiven und dem negativen
Eingang gleich Null ist, so dass das an den Gegenstand angelegte Signal bezüglich Spannung oder Stromstärke mit dem Signal
übereinstimmt, das an dem nicht umkehrenden des Verstärkers
angelegt ist.
Wie bereits ausgeführt wird an den negativen oder umkehrenden Eingang des operativen Verstärkers 11 das Signal angelegt, das
nach entsprechender Behandlung tatsächlich an den Elektroden des Elektrolyten 9 exist/iiert. Diese Behandlung erfolgt durch
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/3 ·
aussenliegende Kontrollvorrichtung 13 der Halbwellen, til«
aus einer Gruppe von diskreten Komponenten, Widerständen, Potentiometer
etc. entsprechender Werte besteht, so dass bei Parallelschaltung dieser Widerstände mit den Elektroden der dotektierte
Wert der Spannung entspricht, und das an die Last an;;e-
I
legte Signal hat dieselbe Form wie das Denugssi^nal, das von dem Generator 12 geliefert wird. Auf dieselbe Weise wird bei Serienschaltung der Widerstände der Wert der Stromstärke detektiert, und dieser ist identisch mit dem der-durch den Generator erzeugten Stromstärke.
legte Signal hat dieselbe Form wie das Denugssi^nal, das von dem Generator 12 geliefert wird. Auf dieselbe Weise wird bei Serienschaltung der Widerstände der Wert der Stromstärke detektiert, und dieser ist identisch mit dem der-durch den Generator erzeugten Stromstärke.
In Bezug auf den Wert der genannten diskreten Komponenten, Widerstände, Potentiometer etc. verändert die erwendung des
einen oder anderen den Multiplilcationsfaktor des erstärkers 11,
d.h. seinen Gewinn an Spannung oder Stromstärke. Da die Kontrollen für jede Halbwolle unabhängig sind, kann man für ein perfekt
symmetrisches Eingangssignal ein Ausgangssignal erzeugen, bei dem die Relation der Spannung oder Stromstärke der positiven
Welle zu der negativen Welle jeglichen gewünschten Wert haben kann.
Das Programmiersystem besteht aus zwei linearen Zeitprogrammierern,
nämlich I1I für die Programmierung der Anodenwelle
und 15 für die Kathodenwelle. Im Prinzip besteht der Programmierer
aus einem V7iderstand, der kontinuierlich und mit vorbestimmter
konstanter Geschwindigkeit eine WertSnderung erfährt.
Wenn dieser Widerstand die Widerstände in der Vorrichtung zur Kontrolle der Haibwellen 13 ersetzt, die den Gewinn des ^erstär-
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•A·
kers 11 verändern, so ändert sich der Multiplikationsfaktor
linear in Übereinstimmung mit der Funktion G = f (t), sowohl
für die Anodem^elle als auch für die Kathodenvrelle»
Der Signalgenerator 12 kann jeglichen kontinuierlichen oder abwechselnden Signaltyp erzeugen und ermöglicht demnach die
Erzeugung von sinusförmigen, dreieckigen oder quadratischen
Wellen bei kontinuierlich einstellbaren Frequenzen zwischen 0,1 Uz und 5 MHz und mit der Möglichkeit eines asymmetrischen Abbaus,
einstellbarer Relation zwischen den aktiven und inaktiven Zeiträumen, veränderlicher Relation zwischen den Anoden- und
Kathodenwellen, Mischung der kontinuierlichen und wechselnden Signale etc,
Schliesslich weist der Stromkreis ein Mess- und Registriersystem l6 (Fig. 1) auf, das einer elektronischen Vorrichtung
besteht, die die elektrischen Parameter des an den einzufärbenden t»ogenstand angelegten Stroms detektiert und trennt. Diese
Vorrichtung erzeugt einen unmittelbaren Messwert sowie eine grafische Aufzeichnung der zeitlichen veränderung der Anoden- und
Kathodenspannung sowie der Anoden- und Kathodenstromstärke.
Durch dieses wess- und Aufzcichnungssystem l6 ist es einfach,
den Verfahrensablauf der elektrolytischcn Einfärbung zu vorfolgen,
das Auftreten von Defekten festzustellen, Irrtümer zu berichtigen,
statistische Kontrollen durchzuführen und auch das gesamte erfahren zu automatisieren.
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Claims (1)
- PATCNTANSPRUCIIE,- System zur Erzeugung und Selbstkontrolle der Wellenform der Spannung oder Stromstärke bei der elektrolytischen Einfärbung von eloxiertem Aluminium, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung von einer symmetrischen Gleichstromquelle aus erfolgt , bei der der Nullpunkt direkt an die Ladung angelegt ist, während die positive und negative Spannung durch eine Etappc: der Leistungskontrolle geleitet werden, die aus einem zweipoligen operativen Verstärker besteht, der über zwei Signalcingänge verfügt, nSmlich einen positiven oder nicht umkehrenden, der an einen Signalgenerator angeschlossen ist, und einen negativen oder umkehrenden, an den das Signal angelegt wird, da.·^ tatsächlich an den Elektroden des Elektrolyten existiert, wobei dieses Signal in einer aussenlicgenden Kontrollvorrichtung der Halbwellen entsprechend behandelt wird, die aus einem Progr. mmiersystem besteht.2,- System gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da: s die Etappe der Leistungskontrolle aus zwei Gruppen von Hoch· leistungstransistoren besteht und die Gruppe der Polarität I den Anor!enstroni und die der Polarität P den Kathodenstrom si euert, wobei diese Transistorgruppen derart geschaltet sind, dass die Verbindung der Emitter beider Gruppen die Speisung einer der Elektroden des Elektrolyten erzeugen, während die andere direkt an den Nullpunkt der Gleichstromquelle angeschlossen ist, und dass die Steuerung der Transistoren über ein VerstärkersystemORIGINAL INSPECTED030019/0664verfolgt, in dem stets der Wort der an die Ladung angelegten Spannung oder Stromstärke mit dem dor Bezugsspannung oder -Stromstärke verglichen wird, die in diesem Moment an den Verstärker angelegt ist, wodurch der operative Verstärker auf diese Werte der Spannung oder Stromstärke einwirkt und die Unterschiede zwischen denselben ausgleicht, so dass die an die Ladung angelegte Wellenform mit der an den Verstärker angelegten identisch ist.3·- System g^mäss den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolle des operativen Verstärkers durch aussenliegende diskrete und in zwei Gruppen angeordnete Komponenten erfolgt, eine für die Kontrolle der Anodenwelle und vdie andere für die Kontrolle der Kathodenwelle, wobei diese diskreten Komponente durch Programmierer gesteuert werden, und zwar einen für jede Halbwellc, so dass die Multiplikationsfaktoren des Bezugssignals kontinuierlich zeitveränderlich sind gemäss einer linearen oder nicht linearen Funktion, die fürt
beide Halbwellen gleich oder verschieden sein kann.4.- System gemäss den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator des Dezugssignals ein Generator geringer Lcistung und grosser Vielseitigkeit ist, der sinusförmige, dreieckige und quadratische Wellen erzeugen kann mit kontinuierlich regulierbaren Frequenzen zwischen 0,1 Hz und 5 MHz mit der Möglichkeit eines asymmetrischen Abbaus, einstellbarer Relation zwischen den aktiven und inaktiven , Zeiträumen, veränderlicher Relation zwischen den Anoden- und030019/0664/Kathodcnwerten sowie Mischung der kontinuierlichen und wechseln den Signale. '5.- System getnäss den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Registriersystera vorgesehen ist, mit
dem kontinuierlich alle Änderungen der elektrischen Parameter
der Anoden- und Kathodenhalbwelle ;iährend des gesamten elektrolytischcn Verfahrens grafisch aufgezeichnet werden.0 3 0 0 1 9 / 0 6 6 A 0R1Ginal inspected
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