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Verfahren zur Messung der Stromdichte in galvanischen Bädern
Bei den
bisher bekannten zur Stromdichtemes-SUlig in einem galvanischell Bad dienenden Vorrichtungen
lestethen Fehlermöglichkeiten infolge des Auftretens von Polarisation an den angewandten
Ltilfselektroden und infolge des Widerstandes des in den WIeßkreis eingeschalteten
Meßinstruments.
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L)erartige Fehler treten bei dem im folgenden beschriebenen Verfahren
nicht auf. Dieses Meßverfahren gründet sich auf der Induktionswirkung des Stromes,
der durch einen abgegrenzten Teilquerschnitt des Bades fließt, Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird an die Stelle, an der im Bad die Stromdichte gemessen werden soll,
als Sonde eine ringförmige Meßspule gebracht und in dem durch sie abgegrenzten Teilquerschnitt
die Stromstärke des Wechselstromanteils durch die Induktionswicklung des abgegrenzten
Teilstromes auf die Meßspule gemessen.
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Die Meßspule ist im Bild A im Schnitt und im Bild B von vorn dargestellt.
Der Kern I der Meßspule ist ein Hohlzylinder von gleichmäßiger Wandstärke. Dieser
ringförmige Kern 1 ist möglichst gleichmäßig mit isoliertem Draht (Induktionswicklung
2) bewickelt. Die Zuleitungen der Induktionswicklung 2 sind mit 3 und 4 bezeichnet.
Die ringförmige Meß, spule und die Zuleitungen 3 und 4 sind mit einer elektrisch
leitenden Schicht 5 umkleidet, die eine durch einen Isolator ausgefüllte Fuge 6
aufweist. Die Fuge 6 verhindert, daß in der Schicht 5 Induktionsströme um den Kern
I auftreten, wodurch die Induktionswirkungen in der Induktionswicklung 2 geschwächt
würden. Eine solche Fuge muß nicht unbedingt vorhanden sein. Die Schicht 5 wird
geerdet zwecks Vermeidung von Störungen. Eine
der beiden Zuleitungen
3 oder 4 kann mit der Schicht 5 leitend verbunden werden. Die leitende Schicht 5
ist noch mit einem elektrisch isolierenden, gegen das zu untersuchende Bad chemisch
bestänteigen Uberzug versehen. Die NIeßspule ist also eine Ringspule, die einen
zylindrischen Raum umgibt, dessen geometrische Achse 7 als Achse der Meßspule und
dessen kreisförmiger Querschnitt mit Durchmesser 8 also Öffnung der Meßspule bezeichnet
wer-] den. Die Größe der Öffnung wird also als Fläche gemessen. Bei der praktischen
Ausführung ist selbstverständlich ein möglichst kleines Verhältnis der Dicke9 zum
Durchmesser8 anzustreben. Der Kern I kann aus einem ferromagnetischen, permanent
magnetischen oder elektrisch isolierenden Stoffs bestehen, Letzterer ist in Bädern
mit hohen Strom-(lichten angebracht.
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Die Induktionswicklung 2 kann cine oder mehrere Wicklungslagen haben.
Das Bild C zeigt das Wicklungsschema für eine einzige Wicklungslage. Die Zuleitung
10 führt zum Wicklungsanfang 11 von dem aus der Wicklungsdraht möglichst gleichmäßig
um den Krrn, der im Bild C nicht eingezeichnet ist, gewickelt wird. vom Wicklungsende
12 wird nun die zweite Zuleitung der Meßspule nicht unmittelbar nach oben abgeführt,
sondern es wird der Wicklungsdraht vom Wicklungsende 12 um die Ringspule herum (Drahtstück
13) zum Wicklungsanfang 11 zurückgeführt und erst von dort die zweite Zuleitulig
14 angeschlossen. Würde man die zweite Zuleistung unmittelbar am Wicklungsende I2
nach oben anschließen, so würde die Induktionswicklung zuaniinen Illit den Zuleitungen
eine \N'indung um die Öffnung der Meßspule darstellen, und es würden in ihr unerwünschte,
die Messung beeinträchtigende Induktionswirkungen durch Ströme auftreten, die selbst
nicht durch die Öffnung der Meßspule gehen, deren magnetische Kraftlinien jedoch
die Öffnung der Meßspule durchsetzen, wodurch bei der Messung Störungen entstehen,
welche sich insbesondere bei einein Kern, der aus Isolationsmaterial besteht, bemerkbar
machen, während sie vielleicht bei einem ferromagnetischen Kern zu vernachlässigen
sind.
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Das Bild D zeigt das Wicklungsschema für eine zweilagige Induktionswicklung.
Die zweite XVicklungslage, die sich ja tatsächlich über der ersten befindet, ist
konzentrisch neben diese gezeichnet; selbstverständlich sind beide Lagen im gleichen
Sinne gewickelt, so daß also die Spannungen, die in beiden Lagen von einem durch
die Öffnung fließenden Strom induziert werden, nicht gegeneinander wirken, Verbindet
man die Zuleitungen einer solchen Meßspule mit einem Meßinstrumnet, das schwache
Wechselströme anzeigt, und läßt man in einem beliebig gestalteten, durch die Öffnung
der Meßspule gehenden Leiter Wechselstrom fließen, so induziert dieser in der Induktionswicklung
einen Wechselstrom, dessen Stärke von der Stärke des induzierenden Wechselstromes
abhängt. Das Meßinstrument kamin geeicht werden, indem man Wechselströme bekannter
Stärke durch die Öffnung leitet. Die Eichung gilt natürlich nur für Wechselströme
derselben Art mit gleicher Frequenz und Wellenform, Wechselströme, die irgendwie
außerhalb der Meßspule fließen, üben auf die Meßspule keine induzierende Wirkung
aus oder höchstens eine geringe, die dann auf eine nicht gleichmäßige Beschaffenheit
der Meßspule zurückzuführen ist, Somit ist die Meßspule eine geeignete Vorrichtung,
um die Stromdichte in einem galvanischen Bad, das mit Wechselstrom betrieben wird,
zu messen. Taucht man nämlich eine mit einem entsprechend geeichten Meßinstrument
verbundene Meßspule als Sonde in ein derartiges galvanisches Bad, so zeigt das Meßinstrument
nur den Stromanteil an, der durch den von der Meßspule abgegrenzten Badquerschnitt
geht. Der Quotient aus dem angezeigten Stromwert und der Größe der Meßspulenöffnung
ist dann gleich der gesuchten Stromdichte an der betreffenden Stelle des Bades,
Eine weitere Möglichkeit, die Stärke eines in einem galvanischen Bad durch die Äfeßspulenöffnung
fließenden Wechselstromes zu messen, besteht darin, daß man seine induzierende Wirkung
auf die Meßspule kompensiert durch die induzierende Wirkung eines Stromes derselben
Art, der in entgegengesetzter Richtung die Meßspulenöffnung in einem isolierten
Leiter durchfließt, wobei das an die Zuleitungen der Meßspule angeschlossene Meßinstrument
nur als Nullinstrument dient. Dafür wird die Älefispule zweckmäßigerweise über der
leitenden Schicht 5 mit einer zeiten Wicklung (Kompensationswicklung) versehen die
von dem kompensierenden Strom so durchflossen werden muß, daß die Richtung des kompensierenden
Stromes innerhalb der Meßspulenöffnung entgegengesetzt der Richtung des durch die
Öffnung fließenden Badstromes ist.
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Die Stärke des letzteren ist gleich dem Produkt aus der Windungszahl
der Kompensationswicklung und der Stärke des kompensierenden Stromes. Dieses Kompensationsmeßverfahren
hat den Vorteil, daß es sich für jede Art Wechselstrom eignet, ohne daß eine besondere
Eichung nötig ist, Die galvanischen Bäder werden im allgemeinen mit Gleichstrom
betrieben. Das KompensationsmeB-verfahren bietet die Möglichkeit, die Stromdichte
in Gleichstrombädern zu bestimmen, sofern der Gleichstrom von Dynamomaschinen oder
durch Gleichrichtung aus Wechselstrom erzeugt wirtl, Ein solcher Gleichstrom ist
nicht rein, sondern mit Wechselstrom überlagert; er induziert deshalb, wenn er die
Öffnung der Meßspule durchsetzt, einen Wechselstrom in der Induktionswicklung und
kann daher durch Kompensation mit einem Strom derselben Art bestimmt werden, ohne
daß bei dem angeweandten Strom das Verhältnis vom Gleichstrom zum Wechselstrom bekannt
ist. Zur Ermittlung der Stromdichte nach dem Kompensationsmeßverfahren in einem
galvanischen Bad, das mit reinem Gleichstrom betrieben wird, muß dem Badstrom ein
schwacher Wechselstrom überlagert werden.
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Bild E zeigt eine andere Ausführungsart der Kompensaiton. 15 und
16 seine die Pole einer Stromquelle, die einen mit Wechselstrom überlagerten Gleichstrom
erzeugt, etwa einer Gleichstrom-
dynamomaschine, welche den Strom
liefert für das galvanische Bad in der Wanne 17 mit den Elektroden 18 und 19. In
dieses Bad taucht als Sonde die Meßspule 20, Außerhalb des Bades befindet sich eine
zweiter der Meßspule 20 genau geleichende Ringspule 21, die Kompensationsspule genannt
wird. Vond er Elektrode 18 vunhrt die Leitung 23 durch die Kompensationsspule 21
über den veränderlichen Widerstand 24 und das Gleichstromamperemeter 25 zur Elektrode
19. Die Meßspule 20 und die Kompensationsspule 21 sind mit dem Instrument 22, das
shcwache Wechselströme anzeigt, zu einem Stromkreis verbunden. und zwar derartig,
daß die in der Meßspule 20 durch den Badstrom induzierte Sapnnung und die in der
Kompensationsspule 21 durch den Strom in der Leitung 23 induzierte Spannung gegeneinander
wirken. Der Widerstand 24 wird so cingestellt, daß die beiden induzierten Spannungen
gleich werden und sich also kompensieren, was sich durch Stromlosigkeit des Instrumentes
22 kundgibt.
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In diesem Falle sind die induzierenden Wechselströme, die drurch die
Öffnungen der Meßspule 20 und der Kompensationsspule 21 fließen, einander gleich
und damit auch die Gleichströme durch die Öffmmgen der beiden Spulen, da die beiden
Ströme von derselben Stromquelle stammen und in ihnen das Verhältnis vom Wechselstrom
zum Cleichstrom gleich ist. IM Zustande der Kompensation zeigt also das Gleichstromamperemeter
25 die Stärke des Badgleichstromes durch die Öffnung der Meßspule 20 all l)er Quotient
aus dem angezeigten Wert und der Größe dr Meßspulenöffnung ergibt die Stromdichte.
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Das Verhältnis vom Wechselstrom zun Cleichstrom braucht nicht bekannt
zu sein, es kann auch schwanken. ohue das Meßverfahren zu beeinflussen.
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Die anwendung einer besonderen Kompensationsspule bringt Vorteile
mit sich. Die Dicke 9 (Bild B) der Meßspule ist geringer als bei einer mit einer
Kompensationswicklung versehenen Meßspule, die außerdem unhan dlicher ist. da sie
außer den zuleitungen zur Induk tionswicklung auch noch Zuleitungen für die Kompensationswicklung
benötigt. Anstatt wie in Bild E den kompensierenden Strom nur ein einziges Mal drch
die Öffnung der Kompensationsspule zu führen. wird er zweckmäßigerweise in einer
Kompensationswicklung öfters hindurchgeleitet, Diese Kompensaitonswicklung kann
nun hier bei der Kompensaitonsspule außerhalb des Bades aus großen. auf der Kompensationsspule
nicht dicht aufliegenden Windungen bestehen, wie in Bild F angedeutet ist. Solche
großen Windungen dürfen alle in einer Ebene liegen, sie brauchen sich nicht uber
gnaze Kompenstionsspule zu verteilen. Durch eine Kompensationswicklung mit großen
Windungen werden Meßfehler, die durch eine etwa nicht gleichmäßige Beschaffenheit
der Kompensationsspule hervorgerufen werden, herabgesetzt, Die Anwendung einer Kompensationswicklung
an Stelle einer nur einmaligen Durchleitung des kompensierenden Stromes gestattet
die Anwendung geringerer Leitungsquerschnitte bei der gesamten Meßeinrichtung Es
ist vorteilhaft, die Kompensationswicklung an verschiedenen Stellen anzuzapfen,
so daß die Anzahl der zur Kompensaiton benutzten windungen durch einfaches Schalten
verärrdert werden kann.
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Bei der Beschreibung des Bildes E wurde zugrunde gelegt, daß die
Kompensationsspule 2I hinsichtlich ihrer Beschaffenheit der Meßspule genau gleiche.
Diese Gleichheit ist nicht unbedingt erforderlich, jedoch ist natürlich im Falle
der Ungleichheit eine Eichung des Instrumentes 25 notwendig, die dadurch erfolgt,
daß man durch die Öffnung der Meßspule 20 Ströme bekannter Stärke leitet. Die Kompensationsspule
kann sich von der Meßspule etwa hinsichtlich der Windungszahlen der Induktionswicklung
und in den Abmessungen unterscheiden. aber auch in der Form. Eine ringspule mit
Induktions- und Kompensationswicklung kann als Transromator aufgefaßt werden, und
es besteht die Möglichkeit, zur Kompensation einen nicht ringförmigen Transformator
zu benutzen.
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J)ie im Bild E dargestellte Schaltung setzt voraus, daß das N'erhältnis
vom Wechselstrom zum Gleichstrom überall im galvanischen Bad gleich ist. Diese Voraussetzung
wird bei galvanischen Bädern im allgemeinen erfüllt sein, da der Skineffekt des
Wechselstromes in Elektrolyten gering ist. Mittels einer etwas abgeänderten Schaltung,
wie sie in Bild F gezeigt wird. ist das Kompensationsmeßverfahren auch bei solchen
Bädern anwendbar, in denen sich Gleichstrom und Wechselstrom in verschiedener Weise
verteilen. Im Bild F seien 26 und 27 die Pole einer Stromquelle, die einen mit Wechselstrom
überlagerten Gleichstrom erzeugt, ertwa einer Gleichstromdynamomaschine, welche
den Strom liefert für das galvanische Bad in der Wanne 28 mit den Elektroden 29
und 30. In dieses Bad taucht als Sonde die Meßspule 31. Außerhalb des Bades. befindet
sich die Kompensationsspule 32, die genau so beschaffen ist wie die meßspule 31.
Von der Elektrode 29 geht die Leitung 33 zu der Kompensationswicklung 34 der Kompensaitonsspule
32. Die Kompensaitonswicklung 34 soll 100 Windungen haben, von denen im Bild F nur
zwei angedeutet sind. Die Kompensationswicklung 34 ist andererseits über den veränderlichen
Widerstand 35 mit dem Gleichstromamperemeter 36 verbunden. Von dieseem führt die
Leitung 37 in das Bad. sie endet innerhalb des Bereiches der Meßspue 31, Die Leitung
37 ist gegen das Bad curch die Umkleidung 38 isoliert. die nur das Ende 39 der Leitung
37 frei läßt, Die Meßspule 31 und die Kompensaitonsspule 32 sind mit dem Instrument
40, das schwache Wechselströme anzeigt, zu einem Stromkreis verbunden, und zwar
derartig, daß die in der Meßspule 31 durch den Badstrom induzierte Spannung und
die in der Kompensationsspule 32 durch den Strom in der Kompensationswicklung 34
induzierte Spannung gegeneinander wirdken. Der Widerstand 35 wirdk so eingestellt,
daß die beiden induzierten Sapnnungen gleich werden und sich also kompensieren,
was sich durch Stromlosigkeit des Instrumentes 40 kundgibt. In diesem Falle sind
die induzierenden Weshselströme, die durch die Öffnungen der Meßspule 31 und der
Kompensationsspule 32 fleißen. eninander gleich und damit auch die Gleichströme
durch die Öffnungeit der beiden Spu-
len, da der kompensierende
Strom, der im Wicklungsdraht der Kompensationswicklung 34 fließt, durch das Ende
39 der Leitung 37 innerhalb des Bereiches der Äleßspule 31 aus dem Bad entnommen
wird und deshalb dasselbe Verhältnis vom Wechselstrom zum Gleichstrom aufweist wie
der durch die Öffnung der Meßspule 3I fließende Badstrom. Da die Kompensationswicklung
34 aus 100 Windungen besteht, so ist die Stärke des Badgleichstromes durch die Öffnung
der Meßspule 3I gleich dem IOO-fachenWert der vom Gleichstromamperemeter36 im Zustande
der Kompensation angezeigten Stromstärke. Der Quotient aus dem so ermittelten Wert
und der Größe der Meßspuletlöffnung ergibt die Stromdichte. Die Entnahme des kompensierenden
Stromes durch das Leitungsende 39 aus dem Bad verursacht natürlich einen Fehler
in der Messung, der aber sicher nicht größer ist als der prozentuale Anteil des
entnommenen Stromes an dem gesamten durch die Meßspulenöffnung fließenden Badstrom.
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Dieser Anteil beträgt hier I °/0. Der Fehler kann verkleinert werden
durch Vergrößerung der Windungszahl der Kompensationswicklung 34. Die Entnahme des
kompensierenden Stromes muß nicht unbedingt innerhalb der Meßspulenöffnung erfolgen
wie im Bild F, sie ist auch außerhalb der Meßspule in ihrer Nähe möglich.