NO138787B - Fremgangsmaate og apparat for kontinuerlig bestemmelse av den indre motstand i en elektrolysecelle - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for

kontinuerlig bestemmelse av en elektrolysecelles indre motstand samt et apparat for utforelse av denne fremgangsmåte.

En elektrolysecelle omfatter et rom med innhold av et

elektrisk ledende bad og to elektroder, nemlig en anode tilsluttet den positive pol for en likestromkilde samt en katode tilsluttet likestrbmkildens negative pol. Den strom som flyter mellom disse to elektroder spalter elektrolysebadet eller en av dets bestanddeler i to komponenter som frembringes henhv. ved anode og katode. Denne elektrokjemiske prosess forbruker en viss mengde energi, som gir seg til kjenne ved et spenningsfall som er kjent under betegnelsen "motelektromotorisk kraft".

Hvis U betegner spenningen mellom cellens elektrodeklemmer,

R er cellens indre motstand mellom disse klemmer, E betegner elektrolyseprosessens motelektromotoriske kraft, og I er styrken av den elektriske strom som flyter gjennom cellen, kan folgende ligning oppstilles:

U = E + RI.

U I er den totale effekt som tilfores cellen, mens E . I er

den effekt som forbrukes under elektrolysecellen og R . I <2>er effekttapet i det indre av cellen.

Ved elektrolysecelle som anvendes for fremstilling av aluminium

ved elektrolyse av aluminiumoksyd opplost i kryolitt, gjor dette effekttap det mulig å holde elektrolysebadet ved en temperatur

over dets smel-tetemperatur, hvilket vil si omkring 950 til 1000°Co I dette tilfelle er de to elektroder utfort av karbon,

idet katoden danner bunnen av cellen og anoden utgjores av en eller flere karbonblokker som er neddyppet i badet. Aluminiumoksydet spaltes til aluminium som avsettes i form

av et væskeskikt på katoden, mens oksydionene avgis ved anodens overflate, som således er gjenstand for fortlopende forbrenning.

Hvis det bortsees fra ytre påvirkning, foreligger det to

hovedgrunner for variasjon av cellens indre motstand, nemlig okning av hoydenivået for det såkalte anodeplan, som danner grense for den sammenstilling av anoder som er vendt mot katoden, som er resultat av anodenes forbrenning og den fortlopende utarmning av elektrolysebadets innhold av aluminiumoksyd. Når innholdet av aluminiumoksyd faller under et kritisk nivå av storrelsesorden 1 til 3%, vil anodesiden bli polarisert, hvilket med andre ord innebærer at

elektrolyseprosessens karakter forandres, hvilket medforer betraktelige forandringer av både den indre motstand, og den motelektromotoriske kraft. Da et visst antall celler befinner

seg montert i serie, vil cellestrommen I, som er regulert neppe variere, og fenomenetsgir seg derfor til kjenne som en vesentlig okning av spenningen U mellom klemmene for den polariserte celle.

Det er derfor viktig å kjenne verdien av den indre motstand

for en elektrolysecelle, for derved å kunne regulere elektrolyseprosessen.

Dét er kjent at denne motstand kan beregnes ved hjelp av

folgende formel:

U og I er lett å måle, mens E er ukjent. Det antas fblgelig en viss empirisk middelverdi, som f.eks. 1,65 volt, for E. Dette er den såkalte "pseudo-motstand" som vanligvis anvendes for prosesser i forbindelse med elektrolyseceller.

Utviklingsarbeide som nylig er utfort med det formål å forbedre foreliggende driftsresultater, samtidig som det sikres automatisk og stabil celledrift, har gjort det aktuelt å soke etter storre noyaktighet ved bestemmelse av både den indre motstand og den motelektromotoriske kraft.

Tysk patentansokning nr. 2.050.126 som ble gjort offentlig tilgjengelig 20. april 1972, beskriver en fremgangsmåte for måling av indre motstand i en elektrolysecelle. I denne ansokning defineres cellens vekselstromreaktans X, samtidig som det postuleres at reaktansens forandring A X som folge av en liten forandring A 1 av anodeplanets hbydenivå, vil være proporsj onal med A 1:

A 1 = m A X

hvor m bare er bestemt av cellens konstruksjon.

Det angis videre at cellemotstandens forandring R som folge av en enhetsforskyvning av anodeplanet for små verdier av A 1 . kan skrives på folgende måte:

hvor k^ betegner konsentrasjonen av aluminiumoksyd og a^ og c er konstanter.

Hvis under forskyvningen^ 1, reaktansen er gjenstand for en vanasj on A X og motstanden for en variasjon A R, kan folgende ligninger oppstilles: hvilket forer til:

Det er tilstrekkelig å utfore to variasjoner av interpolar-avstanden, hver utfort ved en kjent aluminiumoksyd-konsentrasjon k^j for å bli i stand til å bestemme a^ og C. Det vil da være mulig å bestemme verdien av m for en celle samt også

å fastlegge forbindelsen mellom k1 og de to storrelser A R og A X.

I den nevnte tyske patentansokning angis at R kan sammenlignes med cellens vekselstrom-motstand R' ved meget lav frekvens f.

For å måle cellens impedans ved frekvens f, fores en

vekselstrom av samme frekvens gjennom cellen samtidig som spenningen mellom celleklemmene og cellestrommens styrke måles. Likestromkomponenten skilles fra vekselstrbm-komponenten ved filtrering. Veksel-komponentene av spenning og stromstyrke behandles i fire synkrondetektorer for bestemmelse av disse komponenters reelle og imaginære deler, idet en fasereferanse utledes fra den generator som tilforer vekselstrom til cellen.

På dette grunnlag utledes verdien R' som settes lik R, og på grunnlag av denne verdi beregnes den motelektromotoriske kraft E. Den frembragte informasjon overfores til digital form og behandles i samme tid av en regneenhet.

Den ovenfor beskrevede fremgangsmåte er basert på visse hypoteser som på ingen måte er bekreftet ved driftserfaringer i forbindelse med industrielle elektrolyseceller. For det forste soker den nevnte hypotese om vekselstroms-motstanden å sette cellens oppfffirsel lik en gruppe passive elementer. Erfaringer har imidlertid vist at celleimpedansen reelle del, hvilket vil si vekselstroms-motstanden, kan forsvinne og bli negativ, hvilket nodvendigvis betinger nærvær av aktive elementer.

Det postuleres videre at A 1 = mAx. Dette er bare

bekreftet for meget lave verdier ^ 1 og denne fremgangs-

måte kan derfor bare sammenlignes med en matematisk rekke-utvikling avgrenset til det lineære ledd.

På denne bakgrunn av kjent teknikk har oppfinnelsen som formål å angi en sådan fremgangsmåte for kontinuerlig bestemmelse av en elektrolysecelles indre motstand at de ovenfor angitte ulemper unngås.

Oppfinnelsen gjelder således en fremgangsmåte for kontinuerlig bestemmelse av den indre motstand for en elektrolysecelle på grunnlag av den spenning som foreligger mellom cellens tilkoblings-' klemmer og den strøm som flyter gjennom cellen, idet en svak vekselstrøm med en gitt frekvens overlagres elektrolysestrømmen.

Fremgangsmåtens særtrekk i henhold til oppfinnelsen består herunder i at den aktive del av cellens impedans overfor denne vekselstrøm bestemmes, hvoretter en ekstrapolering til frekvensens null-verdi utføres for den funksjon som angir den aktive del av nevnte impedans i avhengighet av frekvensen og den utledede null-verdi benyttes som et uttrykk for cellens indre motstand.

Oppfinnelsen gjelder også et apparat for kontinuerlig bestemmelse av den indre motstand i en elektrolysecelle ved den fremgangsmåte som er angitt ovenfor, idet apparatet omfatter synkrondetektorer og en frekvensgenerator som er utstyrt med en utgang for et sinus-formet signal samt eventuelt en utgang for et firkantformet signal i fase med sinus-signalet.

Apparatets særtrekk i henhold til oppfinnelsen består herunder i at utgangen for det sinus-formede signal er forbundet med en strøm-omformer koblet mellom to punkter på cellens strømtilførsels-skinner på hver sin side av cellen for overlagring av sinusformet strøm på den likestrøm som flyter gjennom cellen, og frekvensgeneratorens utgang for firkantformet signal er forbundet med en inngang for en galvanisk isolert referanseforsterker; mens en induksjohssonde er anordnet for avføling av den overlagrede strøm på strømskinnene mellom nevnte punkter samt tilsluttet en første synkrondetektor, hvis referanseinngang er forbundet med en utgang for den galvanisk isolerte referanseforsterker og en forsterker/vekselstrømseparator, hvis inngang er koblet mellom cellens tilkoblingsklemmer og hvis utgang avgir vekselspenningskomponenten av spenningen mellom cellens poler, er koblet til en inngang for en annen synkrondetektor hvis referanseinngang også er tilsluttet utgangen for referanseforsterkeren, idet en divisjonsenhet er anordnet med sine innganger koblet til henholdsvis utgangen for den annen og utgangen for den første synkrondetektor, for frembringelse av kvotienten mellom detektorenes utgangssignaler.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjekp av utførelses-eksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 er et blokkskjema av et første utførelseseksempel av apparatet i henhold til oppfinnelsen; Fig. 2 viser en induktiv sonde for måling av veksel-komponenten av den strøm som flyter gjennom cellen; Fig. 3 er et grunnleggende koblingsskjerna for en operasjonsfor-sterker med tilbakekobling; Fig. 4 er et koblingsskjerna for en impedans-tilpassende og integrerende forsterker; Fig. 5 er grafiske fremstillinger av forsterknings- og fase-f or løpet i det integrerende trinn av forsterkeren i fig. 4.; Fig. 6 er et koblingsskjerna for en spenningsbegrenser; Fig. 7 viser et koblingsskjerna for en forsterker som sørger for impedans-tilpasning og utskillelse av vekselstrømmen; Fig. 8 viser et grunnleggende koblingsskjerna for et trinn i den forsterker som er vist i fig. 7; Fig. 9 er en grafisk fremstilling av forsterknings- og fase-forløp for dette trinn; Fig. lo og 11 er blokkskjemaer av elektrolysestrøm-omformere som

henhvo er anordnet for utledning og tilforsel av strom:

Fig. 12 viser et fullstendig koblingsskjema for en

utforelse av omformeren;

Fig. 13 er et blokkskjema som viser hvorledes en synkrondetektor arbeider; Fig. 14 er et koblingsskjerna for en bipolar kretsbryter med samme arbeidsfunksjon som detektoren; Fig. 15 - 19 viser forskjellige fremgangsmåter for strombrytning i detektoren; Fig. 20 er et koblingsskjema av en galvanisk isolert referanseforsterker; Fig. 21 er et koblingsskjema for en divisjpnsenhet; Fig. 22 er et blokkskjema av et annet utforelseseksempel av apparatet i henhold til oppfinnelsen og i en videreutviklet versjon i forhold til utfdreisen i figi 1, og Fig. 23 er et koblingsskjema av en multiplikasjons-enhet fulgt av en subtraksjons-enhet. I alle de nevnte figurer er samme henvisningstall benyttet for angivelse av innbyrdes tilsvarende komponenter.

Oppfinnelsens fremgangsmåte for kontinuerlig bestemmelse av

en elektrolysecelles indre motstand omfatter overlagring av en svak vekselstrom på elektrolysestrommen. Cellen betraktes som en impedans hvis aktive og reaktive del i rekkefolge bestemmes ved en gitt frekvens. Variasjonene av den aktive del som funksjon av frekvensen anvendes for bestemmelse av likestrom-motstandens verdi R for cellen ved ekstrapolering til frekvensens nullverdi. Likespenningen U mellom cellens klemmer og stromstyrken I av den likestrom som flyter gjennom elektrolysecellen, kan så måles og den motelektromotoriske kraft E

for elektrolyseprosessen bestemmes ved ligningen:

E = U - RI

Den således bestemte verdi av motstanden R kan så anvendes som referansepunkt for regulering av anodeplanets stilling, f„eks. ved hjelp av det arrangement som er beskrevet i fransk patentskrift 1.397.946. Likestrommen med stromstyrke I som flyter gjennom cellen er således blitt overlagret med en vekselstrom med frekvens f og stromstyrke if fortrinnsvis

-4 -5

av størrelsesorden 10 til 10 I. Den totale spenning V mellom cellens klemmer er således:

V = U + uf = E + RI + Zfif

hvor uf betegner den vekselspenning som frembringes av strommen if og Zf er cellens impedans ved frekvensen f.

Spenningen V måles og dens likestromskomponent U adskilles ved filtrering fra spenningens vekselstromkomponent uf. Strommen if måles samtidig, f.eks. ved hjelp av en induksjonsmetode.

Den komponent av spenningen uf som befinner seg i fase med strommen if samt den komponent som befinner seg i kvadraturfase med if bestemmes derved ved hjelp av en synkrondetektor. Ut fra

"resultatet av disse målinger kan det så utledes folgende:

hvor rf og Xf betegner de komponenter av impedansen Zf som befinner seg henhv. i fase og kvadratur med strommen if, og er fasevinklén mellom uf og if.

Den reelle del rf av impedansen tilsvarer den energi som utvikles i cellen av yekselstrbmmen med frekvens f, mens bare den effekt som går over i varme tilsvarer R. Hvis frekvensen f går

mot null, vil verdien rf gå mot R.

Kurven for rf som funksjon av frekvensen f opptrekkes derfor

for ved ekstrapolering til frekvensens nullverdi å oppnå

r (f=0) = R.

I praksis vil imidlertid denne prosess være noe mer komplisert. Den referanse som anvendes er det lavfrekvenssignal som anvendes for å modulere elektrolysestrommen for derved å oppnå den overiagrede strom if, idet uf og if behandles hver for seg ved synkron detektering, og de oppnådde resultater divideres for å frembringe verdien rf.

Fig. 1 er et blokkskjema av det anvendte apparat, mens det fullstendige koblingsskjema for hver av apparatets elementer er angitt i de etterfolgende figurer for fullstendig analyse av apparatet. Dette apparat er montert på en elektrolysecelle som omfatter en anode 1 samt en katode 2 og tilfore strom gjennom, ledende skinner 3. Apparatet er sammensatt av en krets for måling av utledet strom if, og som omfatter en induktiv sonde 4 for 'avfoling av strom samt en kombinert impedanstilpasser og integrator 5s en krets for måling av elektrolysespenningen V og som omfatter en overspenningsbeskytter 6 samt en impedanstilpasser og vekselstromseparator 7:, en strømomformer 8 koblet mellom cellens poler og styrt av en lavfrekvensgenerator 9;

en galvanisk isolert referanseforsterker 10 samt to synkrondetektorer 11, nemlig en for spenningen uf og den annen for strommen if, idet disse detektorer avgir sine utgangssignaler til en divisjonsenhet med henvisningstall 12 og som frembringer kvotienten uf. Apparat kan kompleteres med en frekvensmåler 13

if

som angir verdien av f samt et avlesningsinstrument 14 som angir den sokte motstandsverdi rf.

Apparatet i sin helhet tilfores drivspenning fra en symmetrisk spenningskilde ST med positiv pol STP og negativ pol STN samt et midtuttak STO forbundet med jord. I den utfbrelse som er vist er den avgitte spenning fra denne kilde to ganger 15 volt.

De forskjellige elementer som apparatet er oppbygd av, vil nå bli nærmere beskrevet. Noen av disse eleiaenter er spesielt konstruert for formålet og vil bli detaljert beskrevet, mens andre er kommersielt tilgjengelige elementer og vil ikke bli så inngående beskrevet. Det ber bemerkes at visse elementer opptrer på flere steder i det fullstendige kretsarrangement.

Kretsen for måling av avfolt strom vil forst bli beskrevet. Som vist i fig. 2, utgjores den induktive sonde 4 av en ringformet soleonid som omslutter den ledende skinne 3 som forer den strom if som skal måles. Denne soleonid er oppbygd av en boyelig spoleform 15 av et umagnetisk material, hvorpå det er viklet en ledende tråd 16 av lengde AJB' og som danner et antall N jevnt fordelte overflatevinninger S. Trådlengdene AA' og BB' SB»m danner sondens tilbakefbringsledninger, er 3 fort gj ennpm det indre av vinningene.

Hvis den strom if som flyter gjennom skinnen 3.er beskrevet ved folgende funksjon:

if = I i . (f) . sin 2 9f ft

hvor t er tiden, vil den spenning ef som opptrer mellom sondeklemmene A og B være lik

<y>a° er den magnetiske permeabilitet for gapet (4^ 10" 7) , 1 er antallet vinninger pr. meter, S er flateområdet for en vinning i kvadratmeter. Det vil innses at spenningen ef er faseforskovet etter strommen if. I den viste utfdreise utgjores sonden av

2

to ringformede soleonider 17 og 18 plassert ende mot ende, idet

deres respektive lengder er 1,5 og 2,5 m og deres respektive elektriske motstander er 29.9 og 46,5 ohm. Sondens koeffisient K er lik 2,065. 10~<6> i MKSA-enheter. Sonden har en vekt på 10 kg og er vel egnet for målinger i forbindelse med de storste celler som for nærværende er i bruk for fremstilling av aluminium, f.eks. celler med stromstyrke opptil 200 kgampere.

Impedanstilpasseren/integratoren 5 omfatter differansial-forsterker trinn med grunnleggende kretskobling som vist i fig. 3. Et sådant trinn 19 som f.eks. kan omfatte en transistorforsterker eller en integrert krets, har to differensialinnganger 20 og 21 samt en utgangsklemme 22. Trinnet omfatter ytterligere klemmer for korreksjonskretser samt tilslutning til kilden ST. Disse klemmer er ikke vist

i figuren. Inngangene 20 og 21 er tilsluttet to inngangsklemmer 23 og 24 gjennom impedanser henhv. Zl og Z3. Videre er den negative inngang 20 tilsluttet utgangen 22 over en impedans Z2, mens den positive inngang 21 er koblet til jord gjennom

en impedans Z4. Forsterkningen i dette trinn er uttrykt ved folgende ligning:

hvor overforingsfunksjonene Wl og W2 henhv. er lik:

Som vist i fig 4, omfatter impedanstilpasseren/integratoren 5 en differensialforsterker med hoy inngangsimpedans og som omfatter tre trinn 25, 26^eg '27 samt en integrator som utgjores av et trinn 28.

Den positive inngang 29 for trinnet 25 er forbundet med den ene ende av spolen 17 og jord, mens den positive inngang 30 for trinnet 26 er forbundet med den tilsvarende ende av spolen 18. I andre ender av hver av disse spoler 17 og 18 er sammen-koblet. Utgangene 31 og 32 for henhv. trinn 25 og trinn 26,

er koblet til de negative innganger, henhv. 33 og 34, for disse trinn. Utgangen 31 for trinnet 25 er oiær en motstand 35 koblet til den negative inngang 36 for trinnet 27, idet denne inngang 36 også er koblet til trinnets utgang 37 over en motstand 38 av samme verdi som motstanden 35. Den positive inngang 39 for trinnet 27 er koblet til glidekontakten for et potensiometer 40, som er koblet mellom utgangen 32 for trinnet 26 og jord. Ved tillempning av det som er angitt ovenfor til fig. 3, vil det inses at det på utgangssifiden av trinnene 25 og 26 vil foreligge spenninger som er lik og i fase med de inngangsspenninger som påtrykkes ved 29 og 30, idet disse spenninger foreligger henhv. ved 31 og 32. Ved anvendelse av betegnelsene i fig. 3 vil man ha: Zl = <XD , Z2 = 0, Z3 = 0,

Z4 = ^, og således Wl = 0 og W2 = . Inngangsimpedansen vil således være meget hoy og av størrelsesorden flere hundre megaohm, mens utgangsimpedansen er meget lav, av størrelsesorden noen få ohm, på grunn av at trinnene 25 og 26 har hoy forsterkning. Den spenning som tilfores trinnet 27 vil være lik forskjellen mellom inngangsspenningene 29 og 30, idet potensiometeret 40 tillater null innstilling ved å gjore spenningene ved 36 og 39 innbyrdes like.

Den negative inngang 41 for trinnet 28 er tilsluttet utgangen 37 for trinnet 27 over en kapasitet 42 i serie med en motstand 43, mens den positive inngang 44 er koblet til jord. Utgangen 45 for dette trinn 28 er forbundet med den negative inngang 41 gjennom en integrator-krets som omfattet en kapasitet 46 og en motstand 47 koblet i parallell.

Ved tillempning av det som er angitt ovenfor under henvisning til fig. 3 til trinnet 28, vil det innses at utgangsspenningen ved 45 er lik inngangsspenningen ved omvendt fortegn og multiplisert med Wl. Nå gjelder folgende ligning:

T = R(47) . C(42)

Tl = R(43) . C(42)

T2 = R447) . C(46)

hvor R(43) er verdien av motstanden 43 i ohm, C(42) er verdien av kapasiteten 42 i farad, etc. Hvis f.eks. R(43)= 4,75 KA , R(47) = 10 megaohm, C(42) = 100 ^uF og C(46) = 0,47 ^uF, vil man ha:

Det oppnås således et båndpass-filter av den art som er angitt

i fig. 5. JTntegrasjonsområdet vil besfinne seg ovenfor frekvensen f2, således at fasen vil være Tf . I betraktning av

2

fortegnsforandringen i trinn 28 vil utgangssignalet være i fase med if i integrasjonsområdet.

Det å ta sondens koeffisient K i betraktning, vil valg av grensefrekvens f tillate forsterkningen å bli innstilt på en hensiktsmessig verdi, som ved 45 vil gi et signal av størrelsesorden 1 millivolt pr. ampere for strømmen I.

Målenoyaktighetén for kretsen for avfolt strom er fullstendig avhengig av sonden. Kravene til denne sende er konstant vinnings-flate, jevn fordeling av vinningene langs ringformen samt at hvert vinningsplan står vinkelrett på spoleformens akse.

Kretsen for måling av elektrolysespenningen vil nå bli beskrevet. Overspenningsbeskytteren 6 omfatter en spenningsbegrenser 48 og en forsterker 49. Spenningsbegrenseren 48

er forbundet (fig. 6) mellom den positive pol 50, hvilket vil si anoden, og den negative pol 51, hvilket vil si katoden,

for cellen. Begrenseren omfatter en variabel motstand 53

koblet mellom den positive pol 50 og begrenserens positive utgang 52. Mellom den positive utgang 52 og den negative utgang 51 er det koblet en zener-diode 54, som gjor tjeneste som begrenser, idet den er koblet med sin pluss-pol til den positive utgang 52, mens det i serie med denne diode er koblet en identisk diode 55 i motsatt retning, nemlig med sin minus-pol forbundet med minus-polen for dioden 54 og med sin pluss-pol forbundet med den negative utgang 51 for begrenseren.

Denne begrenser-konstruksjon utforer to arbeidsfunksjoner.

På den ene side begrenser den målesignalet til en sikker! verdi for målekretsen i tilfellet polarisering av cellens anode,

og på den annen side korrigerer den spenningssignalets fase for kompensasjon av stromkretsens faseforskyvning. Under normal drift, hvilket vil si når inngangssignalet befinner seg under zener-diodens arbeidsspenning, kan kretsen sammenlignes med en krets av den type som omfatter en seriemotstand, nemlig motstanden 53, og en parallell kapasitet C, nemlig kapasitetene av diodene, linjen og inngangen til forsterkeren 49. Overforings-funksjonen for denne krets vil være:

hvor T = R(53) . C.

Ved variasjon av verdien for R(53), vil det være mulig å

innstille grensefrekvensen f = 1

2 <rT R(53) . C

og således fasen for utgangssignalet i forhold til inngangssignalet U. Det vil således være mulig å påfore spenningssignalet en fase-

korreksjon som kompenserer for stromkretsens faseforskyvning, som hovedsakelig skriver seg fra den induktive sonde.

Måleforsterkeren 47 omfatter (fig. 7) en differensiaiforsterker med hoy inngangsimpedans og to vekselstrom/likestrom-separatorer.

Differensialforsterkeren omfatter trinnene 56, 57 og 58, og

er identisk med den differensiaiforsterker som er beskrevet under henvisning til fig. 4. Forsterkerens beskrivelse kan således fremkomme ved erstatning av henvisningstallene 25-40

i beskrivelsen av fig. 4 henhv. med henvisningstallene 56, 57, 58, 51, 52 samt 59 - 68.

Den eneste forskjell mellom disse kretser er at det i fig. 7 foreligger en transistor 69, hvis basis 70 er koblet til utgangen 65 for trinnet 58, mens transitorens kollektor 71

er forbundet med den negative pol STN for likespenningskilden ST og transistorens emitter 72 er koblet til motstanden 66,

som i motsetning til tilsvarende motstand 38 i fig.4, ikke er tilsluttet utgangen 65 for trinnet 58, men i stedet til emitteren for transistoren 69.

Vekselstromseparatoren 7 omfatter trinnene 73, 74 og 75. Gjennom et potensiometer 76 står emitteren 72. for transistoren 69 i forbindelse med den positive inngang 77 for trinnet 73, hvis utgang 78 er koblet til basis 79 for en transistor 80. Kollektoren 81 for denne transistor er koblet til den negative pol STN for likespenningskilden ST, mens transistorens emitter 82 på den ene side over en motstand 83 er forbundet med den positive pol STP for likespenningskilden ST, og på den annen side gjennom en motstand 84 med den negative inngang 85 for trinnet 73. Denne inngang er over en motstand 86 av samme verdi som motstanden 44 koblet til utgangen 87 for trinnet 74, samt også til trinnets negative inngang over en motstand 89. Den positive inngang 90 for dette trinn er forbundet med jord. Den positive inngang 91 for trinnet 75 er også koblet til jord, mens trinnets negative inngang 92 på den ene side er forbundet med emitteren 82 for transistoren 81 over en motstand 93 og på den annen side med utgangen 94 for dette trinn over en kapasitet 95„ Utgangen 94 for trinnet 75 er koblet til den negative inngang 88 for trinnet 74 over en motstand 96. Vekselstromutgangen 97 er tatt ut fra emitteren 82 for transistoren 80.

Bortsett fra transistoren 80, som utgjor en effektforsterker med spenningsforsterkning lik +1, er trinnet 73 utfort som vist i fig. 8, som er av samme art som fig. 3. Ved anvendelse av den formel som ble angitt i forbindelse med fig. 3, oppnås folgende resultater:

Hvis utgangen tilbakekobles til inngangen El med overforings-funksjonen W representert ved trinnene 75 og 74, oppnås folgende resultater:

Av dette folger:

Et hoypass-,filter med forsterkning på 1 er således oppnådd' som vist i fig. 4* Over grensefrekvensen f', vil utgangssignalet være i fase med inngangssignalet. Potensiometeret 76 tillater null-innstilling i fravær av periodiske signaler på forsterkerens inngangsside.

Vekselstroms-separatoren omfatter et forsterkertrinn 98 hvis positive inngang er forbundet med glidekontakten for et potensiometer 100, hvis ender henhv. er tilkoblet den positive pol STP og den negative pol STN for likestromkilden. Den negative inngang for dette trinn er gjennom en motstand 101 forbundet med sammenkoblingspunktet 102 mellom eh motstand 103, som på sin annen side er tilkoblet emitteren 72 for transistoren 69, og en kapasitet 104, hvis annen side er forbundet med jord. Utgangen 105 for trinnet 98 er tilkoblet basis 106 for en transistor 107, hvis kollektor 108 er forbundet med den negative pol STN for likestromkilden ST, mens transistorens emitter 109 er koblet til folgende punkter: Direkte til likestromutgangen 110, til den positive pol STP for likestromkilden ST gjennom en motstand 111, til trinnets negative inngang 113 gjennom en kapasitet 112 og til punktet 102 gjennom en motstand 104. Det bor bemerkes at motstandene 101, 103 og 114 har samme verdi.

Hvis etaitteren 72 for transistoren 69 tas som basis for kretsarrangementet, kan overforingsfuksjonen skrives som folger: hvor R ercen felles verdi for motstandene 101, 103 og 114, og hvor folgende verdier antas for b:

Et lavpass-filter av annen orden er således oppnådd. Hvis R = R(101) = R (103) = R(114) = 100 K_fL,

C(104) = 4,7^,uF og C(112) = 1>^uF, har man således:

b= 1,38, C = 2,17^uF, T = 0,217 sek. og f= 0,733 Hz.

Det oppnådde lavpass-filter har således praktisk talt samme grensefrekvens som det hoypass-filter som ble omtalt i

forbindelse med vekselstrom-separatoren. Utgangssignalet vil være i motsatt fase i forhold til inngangssignalet.

Det skal påpekes at det ved utgangen for hver av trinnene

58, 73 og 98, foreligger transistorer 69, 80 og 107 av pnp-type med felles kollektor. Dette kretsarrangement gjor det mulig å 6ke utgangseffekten for de tilsvarende trinn, samtidig som kretsene vil ha;hoy iringangsimpedans, lav utgangsimpedans, en spenningsforsterkning litt mindre enn 1 samt en meget stor båndbredde. Disse transistorer kan utelates hvis trinnene i seg selv har tilstrekkelig hoy utgangseffekt samt tilstrekkelig lav utgangsimpedans.

Omformeren 8 for elektrolysestrommen kan være av en av tre

.folgende typer:

direkte omforming .av kilden i nivå med likeretteren,

-> injeksjon av en strom,

- avledning av en strom.

Styresystemene:for et-industrielt elektrolyseanlegg" som benytter seg av autotransformatorer og variable motstander, er ikke egnet for direkte omforming, og begrenser denne i alle tilfeller til frekvensområdet under nettfrekvensen.

Det arrangement som vil bli beskrevet i det folgende kan både anvendes i forbindelse med stromutledning og ved strominjeksjon ved elektrolyseceller som benytter en ekstra kilde.

Fig. 10, som viser en utledningskrets, viser en generator med elektromotorisk kraft E og motstand r som tilforer strom til en belastningskrets med motelektromotorisk kraft E' og motstand R. Omformeren M utleder en strom med stromstyrke i2, mens belastningskretsen mottar en strom il og generatoren avgir en strom i. Folgende ligning gjelder således:

Fig. 11, som viser en injeksjonskrets, er forsynt med samme generator og samme belastningskrets,samti parallell med disse kretser, en ytterligere generator med elektromotorisk kraft E1 og motstand r' i serie med en omformer m. I dette tilfelle gjelder således ligningen:

Disse to kretser vil være gjenstand for folgende betraktninger: Når R = r, eller med andre ord når kilden er tilpasset belastningen, har man r = 1, og den omformede strom som

r + R 2

flyter gjennom elektrolysecellen vil i alminnelighet være lik, halvparten av den strom som kommer fra omformeren.

Den effekt som forbrukes i omformeren er lik P = (VM + A v) i2 hvor VM er den laveste spenning som trenges for tilfredsstillende drift av omformeren, nemlig laveste emitter/kollektor-spenning for reguleringstransistoren pluss indre spenningsfall;

v er forskjellen mellom høyeste og laveste spenningsverdi når en elektrolysecelle i normal drift.

I de tilfeller spenningen v ved generatorens eller mottagerens klemmer er mindre enn VM, er injeksjonskretsen nødvendig, og det vil således foreligge behov for å anordne en ekstra spenningskilde med elektromotorisk kraft E'<1> samt indre motstand r', av sådan starrelse at: E<11> - (VM + r' i2)_2—^ v- 1 alle øvrige tilfeller er det fordelaktig å anvende utledningskretsen, idet den ekfitra spenningskilde derved spares.

Omformeren (fig. 12) omfatter en effekttransistor 115 som

gjor tjeneste som serieregulator. Denne transistors kollektor 116 er tilsluttet elektrolysecellens positive pol 50, mens transistorens emitter 117 gjennom en beokyttelsesmotstand 118

er tilkoblet folgende elementer: en utgang for stromstyrkemåling 119, den negative inngang 120 for et forsterkertrinn 121 samt en lav motstand 122 som danner en shunt - kobling og på sin annen side er forbundet med cellens negative pol 51. Basis 123 for transistoren 115 er koblet til emitteren 124 for en ytterligere transistor 125, hvis basis 126 i sin tur er tilkoblet emitteren 127 for ennå en transistor 128. Kollektorene for de to ytterligere transistorer er forbundet med kollektoren 116 for transistoren 115. Basis 129 for transistoren 128 er tilsluttet utgangen 130 for trinnet 121.

En referansespenning, som frembringes av de to trinn 131 og 132, påtrykkes den positive inngang 133 for trinnet 121. Den positive inngang 134 for trinnet 131 er koblet til jord gjennom en motstand 135. Trinnets negative inngang 136 er tilsluttet trinnets utgang 137 gjennom en motstand 138, til et uttak 139 tilsluttet en vekselstrømkilde gjennom en motstand 140 og, gjennom en ytterligere motstand 141 til glidekontakten for et potensiometer 142, som er innkoblet mellom den negative pol STN for likespenningskilden ST og jord, som er tilkoblet

uttaket STO.

Motstandene 138, 140 og 141 har samme verdi. Den positive inngang 143 til trinnet 132 er direkte koblet til jord,mens trinnets negative inngang 144 på den ene side er forbundet med utgangen 137 for trinnet 131 gjennom en motstand 145,

og på den annen side med sin egen inngange146 gjennom en motstand 147. I tillegg er denne utgang kbblet til den positive inngang 133 for trinnet 121.

Under henvisning til fig. 3, kan det for dette trinn

131 skrives folgende ligning:

S(131) (a.jEl a2E2)

hvor El er spenningen på glidekontakten i potensiometeret 142 og E2 er vekselspenningen i punktet 139. Man har således:

hvorved S (131) = - (El + E2\

Likeledes har man for trinnet (132) :

Hvis R(145) =

10 . R(147), Z2 = 0,1, folger av dette at: S(132) = 0,1(E1 + É2) .

Zl

Ved hj elp av potensiometeret er det mulig å velge verdien av

El og således verdien av polariseringsstrommen, mens E2 tilfores fra en lavfrekvensgenerator med folgende spenningsfunksjon:

E2 = E . sin 2 Tf ft.

Transistoren 115 er konstruert for å drives som serieregulator.

I praksis anvendes ofte flere grupper av transistorer 115 og motstander 118 i parallell under hensyn til styrken av den strom som skal passere transistorene.

Forsterkertrinnet 121 måler kontinuerlig avviket mellom den referansespenning som påtrykkes den positive inngang 133 og den spenning som er lik produktet av motstandsverdien 122 og styrken av den strom i som flyter gjennom motstanden og representerer den strom som skal reguleres. Hvis i oker, vil utgangsspenningen 130 avbft? hvorved basisforspenningen for transistoren 115 reduseres for nedsettelse av den strom i som strømmer gjennom transistoren. Den motsatte virkning oppnås når i avtar. Da referansespenningen har en vekselstrøm-komponent, vil strømstyrken i variere i overensstemmelse med vekselstrdmskomponenteiB frekvens. Reguleringen er bedre enn o,l%.

Kretsen for en synkrondetektor 11 vil nå bli beskrevet. 1

denne forbindelse vil arbeidsprinsippet for synkrondetektering forst bli gjengitt under henvisning til fig. 13. Denne figur viser et system 148 under observasjon og som moduleres av en generator 9 som også styrer synkrondetektoren. Det observerte system 148 avgir et sinusformet signal:

E2 = E sin (2 <<>Tf f +

hvor f er frekvensen for generatoren 9, ^ er faseforskyvningen av Ef i forhold til signalet fra generatoren 9»

Det signal Ef som karakteriserer systemet under observasjon,

er skult i støy. Signalet passerer forst gjennom en selektiv forsterker 149 avstemt til frekvensen f, hvoretter det påtrykkes en av inngangene for vedkommende synkrondetektor 150. Generatoren 9 avgir også et firkantformet signal med frekvens

f i fase med det sinusfcorede moduleringssignal. Dette f irkantformede sdjgnal tilfores en f asef orskyver 150 og påtrykkes etter faseforskyvning den annen inngang for synkrondetektoren 150. Utgangssignalet fra synkrondetektoren tilføres en integrator 152, hvorfra det mottas av en belastning 153, som i foreliggende tilfelle er vist i form av et måleinstrument.

Den foreliggende synkrondetektor 150 kan sammenlignes

(fig. 14) med en dobbelt omkobler 154, som styres av generatoren 9 og som er innrettet for å vende retningen av spenningen Ef i takt med frekvensen f. Dette er ekvivalent med å multiplisere signalet Ef avvekslende med pluss 1 og med minus 1 i en takt lik signalets egen frekvens, hvilket vil si likeretting av signalet Ef.

Det frembragte utgangssignal Sf omfatter, som vist i fig. 15, skraverte områder som regnes positivt og blanke områder som regnes negativt. Signalets middelverdi er gitt ved uttrykket:

m <|T i E sin 2<77'ft dt = «JT E cos^

Hvis det målte signal Ef ikke er synkron med det signal som avgis fra generatoren 9, vil leddet (cos ) fluktuere mellom +1 og -1, og middelverdien vil nærme seg null med okende tid, og det vil derfor være en fordel å anordne en integrator 152 med hoy tidskonstant på utgangssiden av detektoren 150. Hvis signalet er synkront med signalet fra generatoren, vil verdien være konstant å ha en klart definert middelverdi. Det forste ovenfor angitte tilfelle tilsvarer behandling av stoy mens det annet tilfelle gjelder signalet Ef under observasjon. I hoyere harmoniske av signalet vil ha forskjellig virkning alt etter som de er odde eller like harmoniske komponenter. Fig. 16 viser forholdene ved en tredje harmoniske komponent, hvilket vil si en odde harmonisk, mens fig. 17 gjelder en annen harmonisk komponent, hvilket er en like harmonisk. De omhyllede signalområder som telles positivt i middelverdien er kraftig skravert, mens de som telles negativt er lett skravert. Den middelverdi som oppnås for hver stilling av referansesignalet, vil være 1 . 2 . E i fig. 16 (odde harmonisk).og null i fig. 17

3

(like harmonisk) .

De like harmoniske komponenter frembringer er pendling rundt en middelverdi lik null, mens de odde harmoniske komponenter frembringer en middelverdi som ikke er lik null.

Båndbredden bestemmes av tidskonstanten T = RC for

integratoren 152, som foreligger i form av en rekke motstander på R ohm fulgt av en parallell-kapasitet på C farad. Jo mere RC økes, jo smalere vil båndbredden være. Hvis f. = 1

2Tf RC

vil folgende frekvensbånd bli behandlet: f<*> f., 3f<+> f., 5f<+> f. o.s.v.

Det er for å eliminere denne ulempe at en selektiv forsterker

149 avstemt til frekvensen f er anordnet foran detektoren 150. Denne forsterker vil avvise frekvensene 3f, 5f, etc. således

at signalets frekvensbånd vil være nedsatt til f<+> f..

Arbeidsfuksjonen for faseforskyveren 151 er å forskyve referansesignalet med en vinkel ( f i forhold til det signal Ef

som skal detekteres. Det vil inses av fig. 18, hvor deteksjonen finner sted i fase, hvilket vil si cf = 0, at signalets middelverdi har sin største verdi i dette tilfelle, mens signalets middelverdi er null i fig. 19, hvor deteksjonen

finner sted i kvadratur <f = —j^-

På grunn av sin følsomhet anvendes deteksjon med et null-signal

for f aseinnstiling av ref eransesignalet til det signal Ef som skal måles.

Synkrondetektorer er kommersielt tilgjengelige apparater, således

at det ikke er noen mening med en mer detaljert beskrivelse her.

En sådan detektor omfatter de elementer 149 til 153 som er

omgitt av et stiplet rektangel i fig. 13.

Foreliggende apparat i henhold til oppfinnelsen anvender to detektorer, hvorav den ene er tilordnet uf og den annen if.

Fig. 20 er et koblingsdiagram for den galvanisk isolerte referanseforsterker 10.

Det referansesignal som avgis fra lavfrekvens-generatoren 9 befinner seg på elektrolysecellens potensial over strømomformeren 8, og det vil således foreligge behov for avkobling av generatoren fra cellespenningen. Denne funksjon utfores ved galvanisk isolering.

Referanseforsterkeren 10 begynner med et impedanstilpasnings-trinn med en vekselstrøminngang som omfatter en transistor 154, hvis emitter 155 er koblet til jord gjennom en motstand 156, mens transistorens basis 157 er forbundet med et potensiometer i form av en variabel motstand 158 tilsluttet den positive pol 159 for en ekstra spenningskilde, hvis negative pol er forbundet med jord, samt på den annen side en motstand 160 hvis annen side er koblet til jord. Den vekselspenning som foreligger i avtapningspunktet 161, overfores til basis 157 gjennom en kapasitet 162.

Kollektoren 163 for samme transistor 154 er koblet til den negative pol for en elektroluminisens-diode 164, hvis annen side er tilkoblet den positive pol 159 for den ekstra spenningskilde. Rett overfor denne diode 164 er det anordnet en fotodiode 165 som mottar det lys som avgis fra den førstnevnte diode. På denne måte oppnås et signal identisk med utgangssignalet fra transistoren 154 over klemmene for dioden 165, skjønt det ikke foreligger noen materiell forbindelse mellom de to dioder. Følgelig foreligger det en fullstendig galvanisk isolering. Den positive pol for nevnte fotodiode 165

er tilsluttet basis 166 for en impedanstilpasnings-transistor 167/ hvis emitter 168 er forbundet med jord, mens transistorens kollektor 169 er forbundet med den positive pol for den felles likespenningskilde ST gjennom en motstand 170. Den negative pol for fotodioden 165 er koblet til den positive pol STP

for kilden ST.

Kollektoren 169 for transistoren 167 er også over en motstand

171 forbundet med en inngang 172 for et trinn 173. Denne inngang 172 er videre på den ene side over en motstand 174

koblet til utgangen 175 for nevnte trinn samt til en "referanse"-utgang 176/ samt på den annen side over en motstand 177 til glidekontakten for et potensiometer 178 innkoblet mellom den negative pol STN for kilden ST og jordpunktet STO. Trinnets annen

inngang 179 er forbundet med jord. Utgangen 175 er over en motstand 180 forbundet med en inngang 181 for et trinn 182. Denne inngang er også forbundet med utgangen 183 fra trinnet over en motstand 184 med samme verdi som motstanden 180.

Nevnte utgang er forbundet med en "frekvens"-uttak 185. Trinnets annen inngang 186 er forbundet med j:ord.

Denne galvanisk isolerte referanseforsterker omfatter således folgende deler: - et impedanstilpasnings-trinn 154 med en vekselstrominngang 161, - et optp-elektronisk trinn 164 - 165 som sikrer galvanisk isolering,

- et tilpasnings-forsterkertrinn 173 - 182, gjennom hvilket

det er mulig ved påvirkning av potensiometeret 178 å eliminere utgangssignalets likestromkomponent samt å bringe dette tilbake i fase med inngangssignalet.

Lavfrekvensgeneratoren 9 er av en kommersielt tilgjengelig type. Den er i stand til å avgi både et sinus-formet signal og et firkantformet signal med samme variable frekvens f. Disse to signaler er i fase. Det skal påpekes at referanseforsterkeren 10 kan være tilkoblet lavfrekvensgeneratorens utgang for sinus-formet spenning, når synkrondetektoren, slik det vanligvis er tilfelle, omfatter en krets som omformer det sinuformede signal til et firkantsignal.

Divisjonsenheten 12 omfatter en divlsjonsmodul 186. Den

inngang 187 som er markert med "X", er forbundet med den utgang 188 som er merket med "S" samt til et utgangsuttak 189. Den inngang 190 som er merket med "y" er forbundet med et

uttak 191 tilsvarende en stromstyrke io, mens den inngang 192 som er merket med "z", er forbundet med et uttak 193 tilsvarende en spenning uo. Den inngang 194 som er merket med"G", er forbundet med glidekontakten for et potensiometer 195, som er innkoblet mellom den negative pol STN for likestromkilden ST

og jord, mens det uttak 196 som er merket med "B" er forbundet med glidekontakten for et potensiometer 197 innkoblet mellom den

positive pol STP for likestromkilden ST og jord. I andre uttak fra modulen er forbundet med hver sin av de tre uttak STP, STO og STN for likestromkilden ST. Det bor bemerkes at det er forbindelsen "x - s" som gir modulen 186

sin divisjonsegenskap. *

Det utgangssignal som opptrer på uttaket 189 er lik -10 uo .

io

Dette er et uttrykk for rf = uo slik som forklart ovenfor,

io

Apparatets virkemåte vil.nå bli beskrevet under henvisning

til det forenklede koblingsskjerna i fig. 1.

Lavfrekvensgeneratoren 9 har sin utgang for sinusformet strom

av frekvens f forbundet med inngangsinntaket 139 for strømomformeren.8, men generatorens utgang for firkantformede signaler med frekvens f er tilsluttet uttaket 158 for den galvanisk isolerte referanseforsterker 10. Stromomformerén 8 er i sin tur forbundet med klemmene 50, 51 for cellen 1-2,

og påvirker den strom i som flyter gj erinom cellen i overensstemmelse med en sinuskurve med frekvens f.

En strom if proporsjonal med strommen i måles av den

induktive sonde 4 og dens tilsluttede impedanstilpasser/ integrator 5. Denne sistnevnte komponent 5 sorger for å bringe det signal som avgis fra sonden 4 tilbake i fase og regulerer dette signal.

Potensiometeret 40 muliggjør null-iniistilling i fravær av inngangssignaler.

Det integrerte utgangssignal 45 påtrykkes inngangen for den selektive forsterker 149 i synkrondetektoren 11 med strømstyrken if. Faseforskyveren 151 i synkrondetektoren mottar nevnte firkantsignal med frekvens f fra lavfrekvensgeneratoren 9 gjennom den galvanisk isolerte referanseforsterker 10, hvis arbeidsfunksjon går ut på galvanisk adskille generatoren 9, som befinner seg på cellepotensialet, fra den synkrone detektor il.

Da den spenning som påtrykkes inngangen for synkrondetektoren

er proporsjonal med if= io sin ( <2>* u + '), og idet faseforskyveren 151 er innstilt for å kompensere.for faseforskyvningen , oppnås et utgangssignal proporsjonalt med 2 io, slik som forklart ovenfor,i forbindelse med synkrondetektoren.

Spenningen V over cellens klemmer påtrykkes inngangen for spenningsbegrenseren 48, som klipper den mottatte spenning i tilfelle det foreligger overspenning på grunn av anode-polarisering. Utgangen 52 for begrenseren er tilkoblet inngangen for impedanstilpasseren og vekselstromseparatoren 7 som omfatter en diferensiaiforsterker 56, 57, 58, hvis null-punkt er innstilt ved påvirkning av potensiometeret 68 samt vekselstromseparatoren 73, 74, 75, hvis null-punkt innstilles ved påvirkning av potensiometeret 76 i fravær av signaler på - den inngangside. Utgangen 97 for tilpasseren/separatoren er tilsluttet inngangen for den selektive forsterker 149 i synkrondetektoren 11, hvis faseforskyver 151 tilfores firkantsignalet fra lavfrekvensgeneratoren 9 gjennom den galvanisk isolerte referanseforsterker 10.

Da den spenning som påtrykkes inngangen for synkrondetektoren

er proporsjonal med uf = uo sin (2-1^f + og idet faseforskyveren 151 er innstilt for å kompensere for faseforskyvningen 1 , oppnås et utgangssignal proporsjonalt med 2^ uo slik som forklart ovenfor. 11

Det signal som tilsvarer io påtrykkes, inngangen 191 for divisjonsenheten 12, mens det signal som tilsvarer uo påtrykkes inngangen 193 for samme divisjonsenhet. Et signal proporsjonalt, med rf = uo oppnås ved utgangen 189. Dette signal måles av

io

avlesningsinstrumentet 14 som kan direkte graderes i verdier av rf.

Ved avtagende verdier av frekvensen f , opptegnes en kurve som angir rf som funksjon av f, fulgt av ekstrapolering til null-verdien av.f. Idet r (f = 0) = R, vil cellens indre motstand

på denne måte være oppnådd.

Dette arrangement kan forbedres således at motstanden R og

den motelektromotoriske kraft E for cellen kan beregnes.

I dette tilfelle er apparatet forsynt med et analogt eller numerisk regneverk.

I henhold til fig. 22, er referansesignalet underlagt stromfasen if.

Lavfrekvensgeneratoren 9 har sin utgang for sinuformet signal tilsluttet inngangen for strømomformeren 8, som i sin tur er koblet mellom positiv og negativ pol 50, 51 for cellen 1-2. Generatorens firkantformede signal overfores til inngangen for

den galvanisk isolerte referanseforsterker 10 hvis utgang er tilsluttet inngangen for en servo-faseforskyver 198, som avgir to firkantsignaler med 90° innbyrdes faseforskyvning.

Den induktive sonde 4 for måling av strommen if er tilsluttet forsterker/integratoren 5, som er tilkoblet en selektiv forsterker 199 identisk med den som er vist i fig. 13 (henhv. 149). Utgangen fra denne forsterker 199 er forbundet med to synkrondetektorer 200 og 201 som er av samme utførelse som detektoren 150 i fig. 13, og hvorav den ene.200 styres av signalet i kvadratur med referansesignaler, mens den annen 201 styres av signalet i fase med referansesignalet, idet nevnte to signaler avgis av servo-faseforskyveren 198. Utgangen fra detektoren 200 er tilsluttet styreinngangen for f asef orskyveren 198. klemmene for cellen 1 - 2 er forbundet med inngangen for begrenseren 6, hvis utgang er tilsluttet impedanstilpasseren/ vekselstromseparatoren 7, som i sin tur er tilsluttet inngangen for en selektiv forsterker 202, som er identisk med forsterkeren 149 i fig. 130 Utgangen fra denne forsterker er tilsluttet synkrondetektoren 203 som styres av firkant-signalene i fase med det referansesignal som avgis av faseforskyveren 198.

Utgangene fra synkrondetektorene 201 og 203 er tilsluttet hver

sin inngang for en divisjonsenhet 204 av samme art som angitt i fig.21, bortsett fra at den foreliggende enhet er utstyrt med en tredje inngang tilsluttet et trinn 205 for frembringelse av en korrigerende faktor K, slik det vil bli forklart i det folgende. Utgangen fra divisjonsenheten 204 er forbundet med et avlesningsinstrument 206 som angir cellens motstandsverdi R.

En motstand 207 med meget liten motstandsverdi er koblet i serie

med cellen etter polklemmen 51. Denne motstand, som er felles for alle celler i et anlegg, er utstyrt med en forbikobling som tillater måling av likestrømmen I gjennom cellen. Klemmene for denne motstand er forbundet med inngangen for en galvanisk isolert måleforsterker av samme art som vist i fig. 20, bortsett fra at den er utstyrt med en differensialinngang. Utgangen for denne forsterker er forbundet med "stromstyrke "-inngangen for en multiplikasjonsenhet 209, hvis 'motstands"-inngang er tilsluttet utgangen fra divisjonsenheten 204. Utgangen fra multiplikasjonsenheten 209 er tilsluttet inngangen for en substraksjonsenhet 210, hvis utgang er tilsluttet et måleapparat 211 innrettet for angivelse av cellens motelektromotoriske kraft„

Strommen I kan også måles ved hjelp av en induktiv sonde. I dette tilfelle vil ikke den galvaniske isolasjon være nødvendig. Virkemåten for det arrangement som er vist i fig. 22 vil nå

bli beskrevet.

Det firkantformede referansesignal med frekvens f, og som avgis

fra lavfrekvensgeneratoren 9 gjennom den galvanisk isolerte referanseforsterker 10, påtrykkes inngangen for faseskifteren 198 som

avgir to firkantformede signaler med innbyrdes faseforskyvning på 90°.

Det signal if som kommer fra den induktive sonde 4 forsterkes

i forsterkeren 5, filtreres i den selektive forsterker 199 og måles derpå ved hjelp av de to synkrone detektorer 200 og 201, hvorav den forste styres av det signal som befinner seg i kavdratur med referansesignaler, og avgis fra 90°-utgangen fra den servostyrte faseforskyver 198, mens den annen 201 styres av signalet i fase med referansesignaler,og som avgis fra fase-forskyverens 0°- utgang. Den hovedsakelig variable fasevinkel

jh som foreligger mellom den strom (if) som flyter gjennom cellen, og referansesignalet frembringer på utgangssiden av den synkrone detektor 200 et signal,: io sin ff, hvor io er modulen av if. Denne synkrone detektor 200 gjor tjeneste som en nulldetektor

og står i forbindelse med styreinngangen for faseforskyveren

198 ved negativ tilbakekobling. Et hvert faseavvik mellom referansesignalet og modulen for if gjenspeiler seg således i detektorens påvirkning av servo-faseforskyveren 198. 0°-utgangen for faseforskyveren 198 befinner seg således i fase med modulen av if, således at synkrondetektoren 201 måler io.

Den spenning V som tas ut fra cellens klemmer begrenses av begrenseren 6 og påtrykkes så impedans- tilpasseren/vekselstrom-separatoren 7, som skiller spenningens likestromskomponent U

fra vekselstromskomponenten uf. Vekselstromskomponenten passerer gjennom den selektive forsterker 202 og måles derpå av synkrondetektoren 203, hvis referansesignal avgis fra 0°-utgangen for servofaseforskyveren 198, således atdette er ± fase med if. Utgangssignalet fra denne detektor 203 utgjores således av leddet uo cosj^ , hvor * f er fasevinklen Uf i forhold til if.

Divisjonsenheten 204 utforer regneoperasjonen

Den spenning som tas ut fra forbikoblingen 207 er et uttrykk for cellestrommen I og fores gjennom den galvanisk isolerte måleforsterker 208 for å påtrykkes multiplikasjonsenheten 209, som også mottar signalet Rf. Denne enhet beregner således produktet Rf . I, hvilket i sin tur påtrykkes substraksjonsenheten 210, som også mottar det signal U som avgis fra forsterkeren og separatoren 7 (fig. 7, uttak 110), således at denne enhet beregner og avgir et utgangssignal i overensstemmelse med verdien U - Rfi,, hvilket vil si at verdien Ef angis av apparatet 211.

Hvis frekvensen for generatoren 9 bringes til å nærme seg null-verdien, vil verdien Rf nærme seg verdien R, mens spenningsverdien Ef vil gå mot verdien E. Skjbht det ved laboratorieprover i denne forbindelse er mulig å gå ned til frekvenser av størrelsesorden 0,1 til 0,2 Hz, er dette desverre ikke mulig ved industrielle anlegg. Det vil folgelig bare være mulig å gå ned til en frekvens på noen få hertz samt å ekstrapolere til frekvensens null-verdi den kurve som angir Rf og Ef som funksjoner av frekvensen.

I praksis vil det være tilstrekkelig å anvende en forenklet empirisk metode. Med kjennskap til Rf ved lav frekvens vil det være mulig å utlede R samt faktoren K=, R som funksjon av

Rf

frekvensen. Ved en hensiktsmessig valgt enkelt frekvens vil det på dette grunnlag være mulig å oppnå verdien Rf samt, ved multiplikasjon med koeffisienten K, å komme frem til det onskede resultat R = K . Rf.

Verdien av K kan således innstilles i behandlingsenheten 205,

som er innrettet for å avgi et signal som angir denne storrelse til divisjonsenheten 204. Denne enhet beregner så på dette grunnlag produktet KRf, hvilket vil si R. Av dette folger at substraksjonsenheten 210 beregner verdien E = U-RI.

Alle elementer i det apparat som er beskrevet ovenfor under henvisning til fig. 1 - 21 er kommersielt tilgjengelige, bortsett fra multiplikasjonsenheten 209 og substraksjonsenheten 210. De kretser som utgjor disse to elementer er derfor vist i fig. 23.

I denne figur har en multiplikasjonsmodul 211 sin første

inngang 212, som er merket med "x", forbundet med utgangen fra den galvanisk isolerte måleforsterker 208, som avgir verdien I, samt sin annen inngang 213, som er merket "y", forbundet

med utgangen 214 for et impedanstilpasningstrinn 215, hvis negative inngang 216 på den ene side over en motstand 217

er tilsluttet utgangen for den divisjonsenhet 204 som beregner verdien R, og på den annen side over en motstand 218, som er lik motstanden 217, med utgangen 214. Den positive inngang 219

for trinnet 215 er koblet til jord. En tredje inngang 220,

som er merket med "G" , for modulen 211 er forbundet med glidekontakten for et potensiometer 221 tilsluttet de negative klemmer for spenningskilden ST hvilket vil si mellom klemmene STO og STN,mens den fjerde inngang 222 er koblet til utgangen 223, hvilket, gir modulen dens multiplikator-egenskaper. En ekstra utgang 214, merket med "Bal", er forbundet med glidekontakten for et potensiometer 225 innkoblet mellom klemmene STO og STP for spenningskilden ST. De tre spenningsførende forbindelser 226, 227 og 228 er henhv. tilsluttet STN, STO og STP for kilden ST.

Inngangen U, som er forsynt med henvisningstallet 229, er tilsluttet utgangen llo for separatoren 7 i fig. 7. Denne utgang er over en motstand 230 forbundet med trinnets utgang 234. Trinnets positive inngang 235 er forbundet med jord.

Utgangen 234 fra trinnet 232 er over en motstand 236 koblet

til den positive inngang 237 for et trinn 238. Denne inngang er også forbundet på den ene side over en motstand 239 med utgangen 223 for modulen 211, samt på den annen side over en motstand 240 med jord. De tre motstander 236, 239 og 240 har samme verdi. U og RI må ha samme proporsjonalitets-koeffisient. Utgangen 241 for trinnet 238 er forbundet med basis 242 for en transistor 243 som sørger for impedanstilpassing og kraftforsterkning, og hvis kollektor 244 er forbundet med den negative pol STN for likespenningskilden ST, mens transistorens emitter 245 er koblet til den utgang 246 som avgir utgangssignalet tilsvarende E, samt videre på den ene side over en motstand 247 til den positive pol STP

for kilden ST og, på den annen side, over en motstand 248

til den negative inngang 249 for trinnet 238, som i seg selv er tilsluttet jord, hvilket vil si midtpunktet STO for kilden ST, over en motstand 250.

Virkemåten for multiplikasjonsenheten og substraksjonsenheten

er innlysende. Modulen 211 mottar et signal I ved 212, samt ved 213 et signal R over en lav impedans bestemt av trinnet 215o Da inngangen Z er forbundet med ut-gangen S vil modulen fungere som en forsterker og over sin utgang 223 avgi et signal proporsjonalt med produktet XY, hvilket vil si RI. Dette signal U, som impedanstilpasses i trinnet 232, adderes til signalet RI

ved inngangen 237 for trinnet 238, samt overfores til utgangen 246 over lav impedans og med hoy effekt ved hjelp av transsitoren 243.

I praksis utgjores alle apparatets trinn av integrerte kretser

av typen 2301 A, bortsett fra trinnene:(28) fig. 4 som er av typen 8018, (121) figur 12 som er av typen 1322, samt (173)og

(182) figur 20 som er av typen AD 301 AH„

Zener-diodene 54 og 55 i fig. 6 er av typen 207 Z4for en

variabel motstand 53 på 110 ohm. Transistorene 69, 80 og 107

1 fig. 7 er av typen 2 N 2905. I fig. 12 er transistorene 115 og 125 av typen 2 N 3055 for motstander 118 lik 1 ohm og en forbikobling 122 på 0,01 ohm, idet transistorene 115 kjoles ved tvungen luftsirkulasjon. Endelig er transistoren 128 av typen 2 N 2219. I fig. 20 er transistoren 154 av typen 2 N 3053, mens i fig. 23 transistoren 243 er av typen 2 N 2905 og den sammenstilling som dannes av diodene 164, 165 og transistoren 167 er kommersielt tilgjengelig under referansebetegnelsen 5082 - 4350. Multiplikasjons-og divisjons-kretsene 186 i fig. 21 og 211 i fig. 23 er begge av typen 107C

Den oppnådde verdi av R kan anvendes for styring av et automatisk system for regulering av cellens anodeavstand. En samtidig okning

av verdiene R og E kan anvendes for utlosning av aluminiumoksyd-tilforsel til cellen.

Oppfinnelsen fremgangsmåte og apparat kan anvendes for

bestemmelse av motstanden i en hvilken som helst elektrolysecelle, og særlig elektrolyseceller beregnet for fremstilling av aluminium ved smelteelektrolyse av aluminiumoksyd.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for kontinuerlig bestemmelse av den indre motstand (R) for en elektrolysecelle på grunnlag av den spenning (U) som foreligger mellom cellens tilkoblingsklemmer og den strøm (I) som flyter gjennom cellen, idet en svak vekselstrøm (if) med en gitt frekvens (f) overlagres elektrolysestrømmen; karakterisert ved at den aktive del (rf) av cellens impedans (zf) overfor denne vekselstrøm bestemmes, hvoretter en ekstrapolering til frekvensens null-verdi utføres for den funksjon som angir den aktive del (rf) av nevnte impedans i avhengighet av frekvensen (f), og den utledede null-verdi benyttes som et uttrykk for cellens indre motstand (R).

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1", ved utnyttelse av synkrondetektering, karakterisert ved at et signal utledes fra vekselstrømmen (if) ved induksjon fra en skinne som fører strøm til cellen, det utledede signal bringes i fase med vekselstrømmen og signalet derpå måles ved synkrondetektering ved en referanse dannet av en spenning med nevnte gitte frekvens (f); samtidig som en spenning (V) tas ut over cellens klemmer, og denne spennings vekselspenningskomponent (uf) adskilles fra spenningen forøvrig samt måles ved synkrondetektering ved samme referansespenning med nevnte gitte frekvens (f); hvoretter vekselspenningskomponentens amplitude (uo) deles med vekselstrømsignalets amplitude (io) for å oppnå den aktive komponent (rf) av cellens impedans, fulgt av en ekstrapolering ved forskyvning av den gitte frekvens (f) mot null-verdien, for derved å bringe den aktive komponent (rf) mot verdien (r) for cellens indre motstand.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at fasen for det referansesignal med gitt frekvens (f) som anvendes ved nevnte synkron-detekteringer, er synkronisert med fasen for vekselstrøm-komponenten (if) for den strøm som flyter gjennom cellen.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte ekstrapolering til frekvens null-verdi utføres ved opptegning av den kurve som representerer celleimpedansens aktive komponent (rf) som funksjon av frekvensen (f), idet denne kurve forlenges til frekvensens null-verdi for derved å oppnå verdien r = rf (f=0), hvoretter en gitt frekvensverdi (f) velges og forholdet (K) mellom cellens indre motstand (R) og celleimpedansens aktive komponent (rf) ved den valgte frekvens (f) antas å være konstant, hvilket gjør det mulig å beregne den indre motstand (R) ved multiplikasjon av celleimpedansens aktive komponent målt ved den valgte frekvens (f), med den konstante forholdsverdi (K).

5. Apparat for kontinuerlig bestemmelse av den indre motstand i en elektrolysecelle ved en fremgangsmåte som angitt i krav 1-4, idet apparatet omfatter synkrondetektorer (11) og en frekvensgenerator (9) som er utstyrt med en utgang for et sinusformet signal samt eventuelt en utgang for et firkantformet signal i fase med sinus-signalet; karakterisert ved at utgangen for det sinus-formede signal er forbundet med en strømomformer (8) koblet mellomto punkter (5o og 51) på cellens strømtilførselsskinner (3) på hver sin side av cellen (1 - 2), for overlagring av sinus-formet strøm (if) på den likestrøm (I) som flyter gjennom cellen, og frekvensgeneratorens utgang for firkantformet signal er forbundet mec^ en inngang for en galvanisk isolert referanseforsterker (lo); mens en induksjonssonde (4) er anordnet for av-føling av den overlagrede strøm (if) på strømskinnene mellom nevnte punkter (5o, 51) samt tilsluttet en første synkrondetektor (11), hvis referanseinngang er forbundet med en utgang (176) for den galvanisk isolerte referanseforsterker (lo), og en forsterker/ vekselstrømseparator (7), hvis inngang er koblet mellom cellens tilkoblingsklemmer (1, 2) og hvis utgang (97) avgir vekselspenningskomponenten (uf) av spenningen (U) mellom cellens poler, er koblet til en inngang for en annen synkrondetektor (11), hvir referanseinngang også er tilsluttet ut-gangen for referanseforsterkeren (lo), idet en divisjonsenhet (12) er anordnet med sine innganger koblet til henholdsvis utgangen for den annen og utgangen for den første synkrondetektor (11), for frembringelse av kvotienten mellom detektorenes . utgangssignaler.

6. Apparat som angitt i krav 5, og hvis frekvensgenerator (9) bare er utstyrt med en utgang for sinusformet signal, karakterisert ved at inngangen for den galvanisk isolerte referanseforsterker (lo) er tilsluttet nevnte utgang for sinusformet signal, mens forsterkerens utgang er tilsluttet referanseinngangene for synkrondetektorene (11) gjennom en omformerinnretning som omdanner nevnte sinusformede signal til et firkantformet signal.

7. Apparat som angitt i krav 5, karakterisert ved at det omfatter en signal-generator (2o5) innrettet for å frembringe et utgangssignal tilsvarende en faktor K og som påtrykkes en multiplikasjonsinngang for divisjonsenheten (2o4), således at produktet K » rf = R oppnås på utgangssiden av denne enhet.

8. Apparat som angitt i krav 5-7, med en shunt-kobling (2o7) for måling av strømstyrken av den like-strøm (I) som flyter gjennom cellen,'og koblet "i serie med cellens strømtilførselsskinner (3), idet shunt-koblingens utgangsklemmer er forbundet med hver sin inngang for en galvanisk isolert måleforsterker (2o8); karakterisert ved at utgangen (R) for divisjons enheten (2o4) er forbundet med en inngang for en multiplikasjons-enhet (2o9), hvis annen inngang er tilsluttet utgangen for den galvanisk isolerte forsterker (2o8), og hvis utgang (223) er tilkoblet en inngang for en subtraksjonsenhet (21o), hvis annen inngang er koblet til en utgang (llo) for nevnte forsterker/ generator (7) som avgir et signal tilsvarende cellens likespenning (U), således at subtraksjonsenhetens utgangssignal representerer elektrolysens motélektromotoriske kraft, E = U - RI.

9. Apparat som angitt i krav 8, karakterisert ved at en annen inngang for multiplikasjonsenheten (2o9) er koblet direkte til induksjons-sonden (4).

10. Apparat som angitt i krav 5-9, karakterisert ved at strømmodulatoren (8) omfatter minst en krafttransistor (115.) koblet i serie med en motstand (122) mellom nevnte to punkter (5o, 51) på cellens strøm-tilførselsskinner på hver sin side av cellen, idet transistorens basis er koblet til utgangen for'en forsterker (121, 125, 128) med et par differensial-inngariger, hvorav den ene (12o) er koblet til motstanden (122), mens den annen er forbundet med frekvensgeneratorens utgang for sihusformet signal gjennom en forsterker (131, 132).