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Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung oder Anzeige der Stromverteilung
auf die Elektroden einer Elektrolysezelle Der Betrieb einer Elektrolysezelle erfordert
die Regelung des Abstandes einer jeden Elektrode von der Gegenelektrode derart,
daß die Verteilung des Gesamtstromes auf jede Einzelelektrode möglichst gleichmäßig
erfolgt.
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Man kann@hierfür Drehspulamperemeter benutzen, die unter Zwischenschaltung
eines Nebenschlusses oder unmittelbar in jeden Elektrodenstromkreis eingeschaltet
werden. Wenn jedoch der Gesamtstrom veränderlich ist, ist es sehr schwierig, schnell
festzustellen, welche Elektrode einen- größeren Strom als den anteilmäßigen und
welche Elektrode einen kleineren Strom aufnimmt.
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Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren besteht im wesentlichen
darin, nicht den die Elektrode durchfließenden Strom zu messen, sondern das in jedem
Augenblick bestehende Verhältnis zwischen dem eine bestimmte Elektrode durchfließenden
Strom und dem theoretisch anteilmäßigen Gesamtstrom, so daß sofort für jede Elektrode
festzustellen ist, ob der sie durchfließende Strom abweicht von dem Strom, der sie
normalerweise durchfließen sollte, und zwar unabhängig von dem Gesamtstrom und der
Verteilung des Stromes auf die anderen Elektroden.
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Die Vorrichtungen nach der Erfindung zeigen in jedem Augenblick den
Wert dieses Verhältnisses an, sei es zum Zweck einer Regelung von Hand, sei es für
eine selbsttätige Regelung des Elektrodenabstandes.
Die Zeichnungen
zeigen beispielsweise in Abb. i eine Vorrichtung nach der Erfindung zur dauernden
Messung .des Verhältnisses des eine Elektrode durchfließenden Stromes zum theoretischen
Gesamtstromanteil, Abb. 2, 3, 3 a und 4 drei Vorrichtungen nach der Erfindung zur
Fernanzeige der in jedem Augenblick vorhandenen Unterschiede zwischen dem eine Elektrode
durchfließenden Strom und dem gewünschten Teil vom Gesamtstrom, und zwar zum Zweck
einer Regelung von Hand oder einer selbsttätigen Regelung des Elektrodenabstandes.
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Zur dauernden Messung des Verhältnisses zwischen dem eine Elektrode
durchfließenden Strom und dem Gesamtstromanteil wird nach Abb. i ein Kreuzspulmeßwerk
bekannter Bauart benutzt. Die eine Spule i liegt an einer dem die Elektrode io durchfließenden
Strom proportionalen Potentialdifferenz, während die andere Spule 2 an einer dem
Gesamtstrom proportionalen Potentialdifferenz liegt, und zwar entweder mit Hilfe
eines in die betreffenden Kreise eingeschalteten Nebenschlusses 3, wie für die Spule
i dargestellt, oder mittels eines Nebenschlußvervielfachers 4 bekannter Bauart,
wie für die Spule 2 dargestellt, oder mittels eines Gleichstromumformers.
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In den beiden letzten Fällen kann die Spule 2 mittels eines Spannungsteilers
5 gespeist werden, dessen Widerstände alle in Reihe geschaltet sind, wie dargestellt.
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In einem solchen Apparat ist der Ausschlagwinkel gegeben durch
wobei a1 = Amperewindungen der Spule i und a2 = Amperewindungen der Spule 2 ist.
Nun gilt aber a1 = K1%, wobei i der Strom in der Elektrode ist, a2
= K2h worin I der Gesamtstrom ist. Man erhält somit
Werden nun mittels des Spannungsteilers 5 die Werte von K1 und K2 so geregelt, daß
wobei n die Zahl der Elektroden bedeutet, so erhält man
Der Apparat kann so unmittelbar das Verhältnis zwischen der Stromstärke in der betrachteten
Elektrode und der theoretischen Stromstärke, die sie aufnehmen müßte und die gleich
ist, messen.
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In der Form eines Relais kann dieser Apparat Kontakte 6 und 7 betätigen,
die zur Anzeige oder für eine selbsttätige Steuerung benutzt werden können.
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Bei der in Abb. 2 dargestellten Vorrichtung wird ein Drehspuldifferentialrelais
mit zwei entgegenwirkenden Wicklungen verwendet. Die eine Spule ii wird durch eine
dem die Elektrode io durchfließenden Strom proportionale Potentialdifferenz gespeist,
z. B. mittels eines Nebenschlusses 3, wie in dem dargestellten Fall, oder mittels
eines anderen bekannten Verfahrens, z. B. mit Hilfe eines Gleichstromumformers.
Die andere Wicklung 12 wird durch eine dem Gesamtstrom in dem Kreis proportionale
Potentialdifferenz gespeist, und zwar entweder mittels eines Nebenschlusses oder
mittels eines -#Nebenschlußvervielfachers 4, wie dargestellt, oder mit Hilfe eines
Gleichstromumformers.
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In den beiden letzteren Fällen kann die Regelung mit Hilfe von Spannungsteilern
5 erfolgen, die, wie dargestellt, in Reihe geschaltet sind und durch den Nebenschlußvervielfacher
oder den Gleichstromumformer gespeist werden. Man kann auch Widerstände benutzen,
die zu den Wicklungen selbst in Reihe oder parallel zu dem Nebenschlußvervielfacher
oder dem Gleichstromumformer geschaltet sind.
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Zwei Rückholfedern bewirken, daß das bewegliche System des Relais
eine Mittelstellung einnimmt, wenn das Antriebsmoment Null ist. Andererseits kann
das Antriebsmoment positiv oder negativ sein, so daß das bewegliche System des Relais
den Kontakt 6 oder den Kontakt 7 schließt, je nachdem, ob die Amperewindungen der
Spule ii größer oder kleiner als die Amperewindungen der Spule 12 sind.
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Unter diesen Bedingungen arbeitet das Relais folgendermaßen. Es bedeutet
a1 die Amperewindungen der Spule ii, a2 die Amperewindungen der Spule i2. Je nachdem,
ob die Differenz E = a1 - a2 positiv oder negativ ist, ist das ihr
proportionale Antriebsmoment ebenfalls positiv oder negativ, so daß der Kontakt
6 oder 7 geschlossen wird, während für e = o die beiden Kontakte 6 und 7 offen sind.
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Nun gilt aber
worin bedeuten i = Strom in der Elektrode, 1 = Gesamtstrom in der Elektrolysezelle.
Hieraus ergibt sich e=al-a2=Kli-K21.
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Die Konstanten K1 und K2 werden mittels des Spannungsteilers 5 geregelt
und können so eingestellt werden, daß
worin n die Zahl der Elektroden ist. Man erhält so
Wenn demnach der Strom i in der betreffenden Elektrode den Wert annimmt
so erhält man E = 0, und das Relais ist im Gleichgewicht, wobei die Kontakte 6 und
7 offen sind.
Für die Werte von
schließt sich der Kontakt 6, während für i
der Kontakt 7 geschlossen wird, und zwar unabhängig von dem Wert der Gesamtstromstärke.
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Abb.3 zeigt eine weitere Vorrichtung zur Fernanzeige der in jedem
Augenblick bestehenden Unterschiede zwischen dem eine Elektrode durchfließenden
Strom und dem gewünschten Anteil am Gesamtstrom, und zwar entweder zum Zweck einer
Regelung von Hand oder für eine selbsttätige Regelung des Elektrodenabstandes.
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Bei der in Abb. 3 dargestellten Vorrichtung umgibt ein magnetischer
Kreis 13 die Verbindungsleitung 14, welche die Elektrode mit der Stromquelle verbindet.
Dieser magnetische Kreis trägt eine Wicklung 15, deren Amperewindungen der durch
den die Mittelschiene 14 durchfließenden Strom erzeugten magnetomotorischen Kraft
entgegengerichtet sind.
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Der Fluß in dem magnetischen Kreis ist Null, wenn a1 = i, worin
a1 = Amperewindungen der Hilfsspule 15, i = Strom in der Mittelschiene 14.
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Bei einem Nebenschlußvervielfacher 4 wie in dem dargestellten Beispiel
oder einem Gleichstromumformer mit dem Übersetzungsverhältnis m erhält man
worin i2 = dem Strom in dem Sekundärkreis 15 ist. Wenn N die Zahl der Windungen
auf dem magnetischen Kreis ist und wenn man es so einrichtet, daß
wobei n = Zabl der Elektroden der Zelle ist, so lautet die Gleichgewichtsbedingung
Wenn also der Strom i in der Mittelschiene 14 gleich
ist, d. h. gleich dem theoretischen Strom, der sie durchfließen müßte, wird der
Fluß in, dem magnetischen Kreis gleich Null.
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Wenn
ist, hat der resultierende Fluß eine bestimmte Richtung und die entgegengesetzte
Richtung, falls
ist.
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Das Vorhandensein dieses Flusses und seine Richtung werden durch einen
magnetischen Zylinder 16 festgestellt, dessen Achse senkrecht zu der Mittelschiene
14 steht und auf welchem ein Rahmen 17 aufgebracht ist, der von einem beliebigen
Strom durchflossen wird, welcher bei der Vorrichtung nach Abb. 3 a dem in der Wicklung
15 fließenden Sekundärstrom entnommen wird.
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Der von diesem Rahmen herrührende Fluß verformt den resultierenden
Fluß, wodurch ein Antriebsmoment auf der Zylinderachse entsteht, welches eine dem
resultierenden Fluß entsprechende Richtung hat.
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Zwei Rückholfedern 18 und 1g begrenzen den Weg des beweglichen Systems
und bewirken, daß dieses bei Fehlen eines Antriebsmoments in einer durch die Ebene
der beweglichen Spule 17, die in der Ebene des magnetischen Kreises 13 bleiben muß,
bestimmten Ruhestellung bleibt.
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Die Achse des beweglichen Systems betätigt einen Umschalter 6, 7,
der für eine Anzeige oder zu einer selbsttätigen Steuerung benutzt werden kann.
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Relais der obigen Bauart können unmittelbar oder zusammen mit Hilfsrelais
oder zeitlich verzögerten Relais benutzt werden, je nach der Leistung, die an den
Kontakten verlangt wird bzw. wenn schnelle Zustandsänderungen ohne Signalgabe vorbeigehen
sollen.
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Die in Abb. 4 dargestellte Vorrichtung kann insbesondere dann verwendet
werden, wenn aus praktischen oder sonstigen Gründen nicht der Spannungsabfall benutzt
werden kann, der gemäß den obigen Vorrichtungen längs eines jeden Elektrodenleiters
geschaffen wird.
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Erfindungsgemäß wird das bekannte Prinzip der Veränderung der Induktivität
einer auf einen Magnetkreis aufgebrachten Spule benutzt, die auftritt, wenn Gleichstromamperewindungen
den die Spule durchfließenden Wechselstromamperewindungen überlagert werden.
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Jeder der eine Elektrode io mit der Stromquelle verbindenden Leiter
ist von einem Magnetkreis 21 umgeben, der eine Abschirmung besitzen kann, um den
schädlichen Einfluß der Nachbarleiter auszuschalten, wobei die Wicklungen 22 der
Magnetkreise in Reihe geschaltet und von einer Wechselstromquelle gespeist werden.
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Bei Fehlen eines Gleichstromes ist der in den Wicklungen 22 fließende
Strom der Quotient aus der Gesamtspannung U und der Summe der ReaktaTizen einer
jeden der auf die n Magnetkreise 21 aufgebrachten Spulen (wobei n die Zahl der Elektroden
ist), wobei angenommen ist, daß der Ohmsche Widerstand sehr klein gegenüber der
Reaktanz ist.
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Unter der Voraussetzung, daß alle Kreise genau gleich sind, erhält
man an den Klemmen jedes Kreises die Spannungen u1, u2, u" , welche gegeben
sind durch
Wenn man einen Gleichstrom durch die jeden Magnetkreis durchdringende Schiene schickt,
nimmt die Reaktanz des Magnetkreises infolge der durch diesen Gleichfluß hervorgerufenen
Sättigung ab. Wenn die Gleichströme in jedem Magnetkreis oder, anders ausgedrückt,
die Ströme der n Elektroden gleich sind, so erhält man wiederum
Wenn jedoch die Verteilung des Stromes auf die Elektroden ungleichmäßig ist, sind
die Spannungen u1, u2, u" nicht mehr gleich, während ihre Summe natürlich immer
noch gleich U ist. Hierzu ist zu bemerken, daß man es entweder so einrichten kann,
daß die Spannung U konstant ist, dann ist aber der die Magnetkreise durchfließende
Wechselstrom mit der Reaktanz eines jeden Magnetkreises veränderlich,
oder
so, daß der Strom i merklich konstant ist, was für diese Kreise besser bestimmte
magnetische Bedingungen ergibt, wobei jedoch die Spannung U veränderlich ist, wobei
übrigens die obigen Gleichungen unverändert bleiben.
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Für die Feststellung der verschiedenen Verteilungen wird ein Differentialrelais
23 bekannter Bauart verwendet, welches zwei einander entgegenwirkende Spulen besitzt.
Die eine dieser Spulen 25 liegt an einer Potentialdifferenz, die der Spannung u1,
u2 oder u", je nach dem betrachteten Relais, proportional und durch Gleichrichter
29 gleichgerichtet ist. Die zweiten Spulen 26 aller Relais liegen in Reihe an der
mittels des Gleichrichters 24 gleichgerichteten Spannung U.
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Zwei entgegengesetzte Rückholfedern bewirken, daß das Rückholmoment
Null wird, wenn sich das bewegliche System des Relais in einer Mittelstellung befindet.
Andererseits kann das Antriebsmoment positiv oder negativ werden, so daß das bewegliche
System des Relais 23 den Kontakt 27 oder 28 schließt, je nachdem, ob die Amperewindungen
der Spule 25 größer oder kleiner als die der Spule 26 sind.
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Unter diesen Bedingungen arbeitet das Relais folgendermaßen: Es bedeuten
a1 die Amperewindungen der Spule 25, a2 die Amperewindungen der Spule 26.
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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
der Kontakt 27 oder der Kontakt 28 geschlossen wird, während für e = o die beiden
Kontakte 27 und 28 offen bleiben.
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Wenn man die erste Elektrode ro betrachtet, so erhält man
worin n die Zahl der Elektroden der betrachteten Elektrolysezelle bedeutet. Man
erhält somit
Da K1 = K2 = K ist, ergibt sich
Das bewegliche System des Relais befindet sich also im Gleichgewicht. und die Kontakte
27 und 28 sind offen, wenn
ist.
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In diesem Augenblick gilt jedoch
worin f1 die Funktion darstellt, welche u1 mit dem Strom Il in der betrachteten
Elektrode und mit dem Wechselstrom i in der Wicklung aller Kreise verknüpft. Wenn
alle magnetischen Kreise gleich sind, so gilt f1 = f2 = f-
= f.
Da andererseits gilt u1 + u2 + un = U,
so erhält man
f (Il, Z) + f (12, i) + f (In, i) = U.
Da der Strom i
der gleiche für alle Kreise ist, wenn
ist, so erhält man
Da sich das Relais im Gleichgewicht befindet für
so erhält man für diesen Zustand
Anders ausgedrückt, das Relais befindet sich im Gleichgewicht, wenn der die Elektrode
durchfließende Gleichstrom gleich dem Quotient aus dem Gesamtstrom und der Elektrodenzall
ist. Andererseits ist der eine Kontakt geschlossen für
und der andere Kontakt für
und zwar unabhängig von demWert desWechselstromes i und der Funktion f, unter der
Bedingung, daß tatsächlich gilt f1 - f2 - f.
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oder, mit anderen Worten, daß alle magnetischen Kreise tatsächlich
identisch sind.
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Man kann die Kontakte 27 und 28 entweder für eine einfache Anzeige
der Abweichungen oder für eine selbsttätige Regelung der Elektroden benutzen.
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Die oben beschriebenen Vorrichtungen gestatten die Vorausbestimmung
der Polarisationserscheinungen dadurch, daß Anzeigekontakte in einer solchen Stellung
angebracht werden, daß sowohl eine bestimmte Abweichung von dem normalen Strom,
der durch jede Elektrode fließen soll, als auch ein wesentlich kleinerer Strom als
dieser Normalstrom angezeigt werden.
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Bei Elektrolysezellen mit mehreren Elektroden, in welchen Polarisationseffekte
auftreten, ist bemerkt worden, daß die Polarisation nicht in derselben Weise gleichzeitig
an allen Elektroden auftritt, sondern daß im Gegenteil einige Zeit vor der Gesamtpolarisation
eine Polarisation an der einen oder der anderen Elektrode festgestellt werden kann.
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Die Vorrichtungen nach der Erfindung gestatten eine Vorausbestimmung
der Polarisationserscheinungen, wenn sie mit zwei Kontaktsätzen versehen werden,
von denen der erste durch geringe Abweichungen von der Gleichgewichtsstellung geschlossen
wird und somit zur selbsttätigen Regelung der Eintauchtiefe oder zu anderen Zwecken
dient, während der zweite Kontaktsatz eine bedeutende Verringerung des Stromes in
einer Elektrode anzeigt, was auf eine sich vorbereitende Polarisation hinweist.
Es können entweder Apparate benutzt werden, welche die beiden obigen Kontaktsätze
besitzen, oder zwei Apparate je Elektrode, wobei der eine so eingestellt ist, daß
er seine Kontakte bei kleinen Abweichungen schließt, während der andere seine Kontakte
bei einer bedeutenden
Verringerung des Stromes in einer Elektrode
zur Bestimmung des gewünschten Polarisationseffektes schließt.
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Dieser zweite Kontaktsatz oder dieser zweite Apparat kann auch nur
an einer einzigen Elektrode angeordnet sein, welche dann so eingestellt ist, daß
der sie durchfließende Strom dauernd größer als der jede der anderen Elektroden
durchfließende Strom ist, was eine schnellere Elektrolyse in der entsprechenden
Badzone bewirkt, wodurch es möglich ist, eine Polarisation zu erhalten, welche an
der betreffenden Elektrode beginnt.