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Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung des Widerstandes einer Elektrolysezelle
bzw. zur Anzeige des Unterschiedes zwischen dem Widerstand der Zelle und einem Sollwert
Der Betrieb einer Elektrolysezelle erfordert insbesondere die Regelung des Elektrodenabstandes
derart, daß der Widerstand des Bades stets den gewünschten Wert besitzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, in jedem Augenblick den Widerstand des
Bades der Elektrolysezelle zu messen, ferner sofort die Spannungen abzulesen, die
an den Klemmen der Elektrolysezelle herrschen müßten, wenn der Widerstand des Bades
auf den gewünschten Wert eingestellt wäre, und zwar unabhängig von der die Zelle
im Augenblick der Messung durchfließenden Stromstärke, und schließlich die Fernanzeige
der Abweichungen zu erhalten, die der Widerstand des Bades in jedem Augenblick von
dem gewünschten Widerstand aufweist, und zwar im Hinblick entweder auf eine Regelung
von Hand oder auf eine selbsttätige Regelung.
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In den schematischen Zeichnungen betrifft Abb. i eine Vorrichtung
nach der Erfindung zur dauernden Messung des Widerstandes des Bades der Elektrolysezelle,
Abb. 2 eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Messung der Spannung, welche an den
Klemmen der Elektrolysezelle herrschen müßte, wenn der Badwiderstand auf den gewünschten
Wert eingestellt wäre, und zwar unabhängig von der die Zelle im Augenblick der Messung
durchfließenden Stromstärke, Abb. 3 eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Anzeige
der Unterschiede, welche in jedem Augenblick zwischen den Widerständen des Bades
der Zelle und dem gewünschten Widerstand bestehen, und zwar zum Zweck einer Regelung
von Hand oder einer selbsttätigen Regelung, Abb. 4 eine andere Vorrichtung für diese
Anzeige. Gemäß der in Abb. i dargestellten Vorrichtung verwendet man ein Kreuzspulmeßwerk
bekannter Bauart.
Der eine Rahmen i dieses Kreuzspulmeßwerkes liegt
an einer Potentialdifferenz, die dem die Elektrolysezelle io durchfließenden Strom
proportional ist, und zwar über einen Nebenschluß 2 oder einen Gleichstromumformer
bekannter Bauart. Der andere Rahmen 3 liegt an der an den Klemmen der Elektrolysezelle
herrschenden Potentialdifferenz, jedoch unter Zwischenschaltung einer konstanten
Spannung, die z. B. mit Hilfe einer einen regelbaren Spannungsteiler 5 speisenden
Batterie ¢ erhalten werden kann; Widerstände 6 und 7 gestatten die Einstellung der
verschiedenen Konstanten der Vorrichtung.
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Das Kreuzspulmeßwerk kann übrigens mit Kontakten 8 und 9 versehen
werden, welche die Betätigung einer Anzeigevorrichtung oder von Relais zum Zweck
einer Regelung von Hand oder einer selbsttätigen Regelung gestatten.
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In einem solchen Meßwerk oder Relais beträgt der Ausschlagswinkel
z5
worin a1 = Amperewindungen der Spule 3, a2 = Amperewindungen der Spule i ist,
worin u die Spannung der Batterie 4 und U die Klemmenspannung ist,
worin I der Strom durch die Zelle ist. Hieraus ergibt sich
u wird durch den Spannungsteiler 5 derart geregelt, daß u = e ist, wobei e die EMK
der Elektrolysezelle ist. Man erhält somit
Die angegebene Vorrichtung gestattet also in der Tat die Messung des Widerstandes
der Zelle.
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Die Erfindung gestattet ebenfalls, in jedem Augenblick die Spannung
zu messen, die an der Elektrolysezelle herrschen müßte, wenn der Badwiderstand auf
den gewünschten Wert eingestellt wäre, und zwar unabhängig von der die Zelle im
Augenblick der Messung durchfließenden Stromstärke.
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Hierzu ist zu bemerken, daß, wenn mehrere Elektrolysezellen in Reihe
geschaltet sind, die Regelung des Elektrodenabstandes so vorgenommen wird, daß man
sich auf die Angaben eines an die Klemmen einer jeden Elektrolysezelle geschalteten
Spannungsmessers ii (Abb. 2) stützt. Dieser Spannungsmesser gibt jedoch für die
Regelung des Widerstandes nur dann richtige Angaben, wenn die im Augenblick der
Vornahme der Messung herrschende Stromstärke wirklich der Nennstromstärke entspricht,
welche die Elektrolysezellen durchfließen soll. Wenn es sich um Elektrolysezellen
handelt, bei denen Polarisationseffekte auftreten können, die bekanntlich den Wert
der Stromstärke weitgehend verändern, muß zur Vornahme der gewünschten Regelung
das vollständige Verschwinden der Polarisationserscheinungen in allen in Reihe geschalteten
Elektrolysezellen abgewartet werden.
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Erfindungsgemäß gibt ein Meßapparat 12 in jedem Augenblick die Spannung
an, die an der Elektrolysezelle unabhängig von dem Strom herrschen muß, damit der
Widerstand der fraglichen Zelle den gewünschten Wert besitzt. Dieser Meßapparat
ist ein an die Klemmen des Spannungsverteilers 13 angeschlossener Spannungsmesser,
wobei der Spannungsteiler selbst in Reihenschaltung mit den Spannungsteilern aller
anderen Elektrolysezellen durch einen Gleichstromumformer 14 beliebiger bekannter
Bauart gespeist wird.
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Auf diese Weise ist der in jedem Augenblick an den Klemmen des Spannungsmessers
i2 herrschende Potentialunterschied proportional dem die Elektrolysezelle durchfließenden
Strom. Die Teilung dieses Spannungsmessers ist nun so eingerichtet, daß dem Nullpunkt
des Apparates ein Wert entspricht, der ungefähr gleich der EMK der Elektrolysezelle
ist, wobei der Teilstrich für den Gesamtausschlag so gewählt ist, daß er der höchsten
Spannung entspricht, welche an der Elektrolysezelle während des Betriebes herrschen
kann, wobei die Polarisationswirkungen nicht berücksichtigt sind.
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Der Spannungsteiler 13 wird so geregelt, daß, wenn die Stromstärke
ihren Nennwert hat, der Spannungsmesser 12 in diesem Augenblick genau die gewünschte
Spannung an der Zelle anzeigt, wobei diese Regelung übrigens für jede der in Reihe
geschalteten Elektrolysezellen verschieden sein kann. Unter diesen Umständen zeigt
dieser Spannungsmesser unabhängig von den Schwankungen des die Zelle durchfließenden
Stromes in jedem Augenblick die Spannung an, welche an der Elektrolysezelle herrschen
müßte, damit die Spannung genau den gewünschten Wert erreicht, wenn die Stromstärke
ihren Nennwert erreicht. Es genügt dann, in jedem Augenblick dafür zu sorgen, daß
die Ausschläge der Spannungsmesser ii und 12 gleich werden, indem man die Eintauchtiefe
der Elektroden der Zelle so regelt, daß der Spannungsmesser i i ebensoviel anzeigt
wie der Spannungsmesser 12.
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Der Ausschlag des Spannungsmessers 12 ist proportional dem Strom,
also gleich K1 - 1.
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Ist e die auf der Teilung des Apparates vorgenommene Ablesung, so
erhält man, da dem Nullpunkt ein Wert u = EMK der Zelle entspricht, 0=Kr-I +u; wenn
jedoch u = eist, wobei e gleich der EMK der Zelle ist, so erhält man 0=Kl-l+e. Wenn
man den Spannungsteiler 13 so einstellt, daß bei der Nennstromstärke die Ablesung
0 gleich der dem gewünschten Widerstand R, entsprechenden Stromstärke wird, so erhält
man 0=Kl'I +e=Rol +e; anders ausgedrückt, wird von diesem Augenblick an K1 = Ro.
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Die Ablesung 0 entspricht somit unabhängig von dem Augenblickswert
des Stromes 1 der Spannung, welche an der Elektrolysezelle herrschen müßte, wenn
der
Widerstand R gleich dem gewünschten Widerstand R, wäre.
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Zur Anzeige der in jedem Augenblick herrschenden Unterschiede zwischen
der Spannung des Bades der Zelle und dem gewünschten Widerstand, und zwar zum Zweck
einer Regelung von Hand oder einer selbsttätigen Regelung, kann man Vorrichtungen
der in Abb. 3 und 4 dargestellten Art verwenden.
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Man benutzt zu diesem Zweck ein Differentialrelais bekannter Bauart,
welches zwei bewegliche Spulen enthält, die sich in dem Luftspalt eines Dauermagnets
verstellen können. Die eine der Spulen i' ist an eine dem die Zelle durchfließenden
Strom proportionale Potentialdifferenz geschaltet, was, wie in dem dargestellten
Fall, mit Hilfe eines Nebenschlusses2 geschehen kann oder mit Hilfe anderer bekannter
Verfahren. Die andere Spule 3' ist an eine an den Klemmen der Zelle herrschende
Potentialdifferenz geschaltet, und zwar unter Zwischenschaltung einer konstanten
Spannung, die gleich der EMK der Zelle gewählt ist. In dem dargestellten Beispiel
wird diese Spannung von einer Batterie 4 geliefert, welche einen regelbaren Spannungsteiler
5 speist. Widerstände 6 und 7 gestatten die Regelung der verschiedenen Konstanten
der Vorrichtung.
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Zwei entgegengesetzte Rückholfedern bewirken, daß das Rückholmoment
Null wird, wenn das bewegliche System des Relais sich in der Mittellage befindet.
Andererseits kann das Antriebsmoment positiv oder negativ werden, so daß das bewegliche
System des Relais den Kontakt 8'oder g'schließt, je nachdem, ob die Amperewindungen
der Spule i' größer oder kleiner als die der Spule 3' sind. Unter diesen Umständen
arbeitet das Relais folgendermaßen: Es bedeuten a, die Amperewindungen der Spule
3', a2 die Amperewindungen der Spule i'.
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Je nachdem, ob die Differenz e = a1 - a2 positiv oder
negativ ist, ist das ihr proportionale Antriebsmoment ebenfalls positiv oder negativ,
so daß die Kontakte 8' oder g' geschlossen werden, während für e = o die beiden
Kontakte 8' und g' offen sind.
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Man erhält somit ferner a1 =K1 (U-u), worin u die konstante Spannung
ist, welche gleich der EMK e der Zelle gewählt wurde.
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Man erhält somit a1 = K1 (U - e) -
Nun gilt jedoch U=e+Rl,
worin bedeuten R = Widerstand des Bades, e = elektromotorische Kraft der Zelle,
I = Strom in der Zelle, woraus man erhält a1 = Ki R1 sowie a. = K2
I.
Hieraus ergibt sich E = Ki R I - K21 = I (K, R - K2)
.
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Wenn also der Widerstand des Bades einen solchen Wert hat, daß gilt
so erhält man
= o, und das Relais befindet sich im Gleichgewicht, wobe die Kontakte 8' und g'
offen sind. Dieser Widerstand R, des Bades der Zelle, welcher das Gleichgewicht
des Relais bewirkt, ist übrigens durch die Stellung der Regelwiderstände 6 und 7
bestimmt, die infolgedessen gemäß dem für R gewünschten Wert eingestellt werden.
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Wenn .
schließt sich der Kontakt 8, während für
der Kontakt g' geschlossen wird, und zwar unabhängig von der Stromstärke.
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Bei der in Abb. 4 dargestellten Vorrichtung wird ein Differentialrelais
bekannter Bauart benutzt, welches zwei bewegliche Spulen enthält, die sich in dem
Luftspalt eines Dauermagnets verstellen können. Die eine dieser Spulen 2o liegt
an einer Potentialdifferenz, die dem die Zelle io durchfließenden Strom proportional
und um einen konstanten Betrag vergrößert ist. Dies wird in der dargestellten Schaltung
mittels eines Nebenschlußvervielfachers 16 erhalten, der eine Reihe von Spannungsteilern
17 speist, in deren Kreis ein Spannungsteiler 18 eingeschaltet ist, der durch eine
Stromquelle ig gespeist wird, welche dazu bestimmt ist, die gewünschte konstante
Spannung zu liefern. Man kann auch an Stelle des Nebenschlußvervielfachers 16 einen
Gleichstromumformer bekannter Bauart oder auch unmittelbar einen Nebenschluß benutzen;
welcher eine genügende Potentialdifferenz ergibt. In diesem Fall werden die Spannungsteiler
17 vorzugsweise parallel geschaltet.
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Die andere Spule 15 liegt an einer der Klemmenspannung der Zelle proportionalen
Potentialdifferenz. Zwei entgegengesetzte Rückholfedern bewirken, daß das Rückholmoment
Null wird, wenn sich das bewegliche System des Relais in der Mittelstellung befindet.
Andererseits wird das Einstellmoment positiv oder negativ, so daß das bewegliche
System des Relais den Kontakt 21 oder den Kontakt 22 schließt, je nachdem, ob die
Amperewindungen der Spule 15 größer oder kleiner als die der Spule 20 sind.
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Unter diesen Bedingungen arbeitet das Relais folgendermaßen. Es bedeuten
a1 die Amperewindungen der Spule 2o, a2 die Amperewindungen der Spule 15.
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Je nachdem, ob die Differenz e = a1 - a2 positiv oder
negativ ist, ist auch das ihr proportionale Einstellmoment positiv oder negativ,
so daß der Kontakt 21 oder 22 geschlossen wird, während fürs = o die beiden Kontakte
21 und 22 offen sind.
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Nun gilt aber al = K, (K2 I + u), wobei u die an den
Klemmen des Spannungsteilers 18 herrschende Spannung ist.
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Es gilt ferner aa=K,U, wobei U die an den Klemmen der Elektrolysezelle
herrschende Spannung ist.
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Man erhält somit e = Ki K2 I + K1 u - Kg U;
es
gilt jedoch U=Rl+e, worin bedeuten R = Widerstand der Elektrolysezelle, e = EMK
der Elektrolysezelle.
Hieraus ergibt sich E = Ki KZ I + K1
u -K, RI - K3 e.
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Wenn der Spannungsteiler 18 ein für allemal richtig so geregelt wird,
daß K, u = K3 e,
so erhält man e=K1K21-K3RI. `Fenn man nach Bedarf
und für jeden gewünschten Wert von R, den Spannungsteiler 17 so einstellt, daß Ki
K2 = K3 Ro, sog erhält man e = K3 R, I - K3 RI = K31 (R, - R). Anders ausgedrückt,
das Relais befindet sich im Gleichgewicht, wenn der Widerstand R gleich dem gewünschten
Wert R, der Zelle ist.
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Die beiden Kontakte 21 und 22 können entweder zu einer einfachen Anzeige
oder für eine selbsttätige Regelung benutzt werden.