CH652151A5 - Einrichtung zur steuerung des kurvenverlaufs der spannung oder stromstaerke zwischen den elektroden einer elektrolysezelle. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung des Kurvenverlaufs der Spannung oder der Stromstärke zwischen den Elektroden einer Elektrolysezelle bei der elektrolytischen Behandlung von Gegenständen, insbesondere bei der elektrolytischen Einfärbung von Aluminiumgegenständen.
Auf dem Gebiet der elektrolytischen Verfahren im allgemeinen und der elektrolytischen Einfärbeverfahren im besonderen treten bei der Verwendung von Wechselstrom eine Reihe von Beschränkungen und Problemen verschiedener Art auf.
So ist es bei den elektrolytischen Verfahren als normal anzusehen, dass beim Eintauchen von zwei Elektroden verschiedener Beschaffenheit in einen Elektrolyten zwischen diesen eine Gleichspannung entsteht, die von der Beschaffenheit der Elektroden und der Zusammensetzung des Elektrolyten abhängt. Wenn an die Elektroden ein sinusförmiger Wechselstrom angelegt wird, so zeigt sich, dass die vorgenannte Polarisationsspannung zu den Halbwellen desselben Vorzeichens hinzukommt und von den Halbwellen des entgegengesetzten Vorzeichens weggenommen ist, so dass sich in grösserem oder kleinerem Masse eine asymmetrische Wellenform ergibt.
Im konkreten Fall der elektrolytischen Einfärbung von eloxiertem Aluminium ergibt sich, dass die Oxydschicht der Metalloberfläche zwei besondere Eigenschaften aufweist. Zunächst einmal handelt es sich um eine sehr dünne, nicht leitende Oxydschicht, die bei Einbringung in den Elektrolyten zwischen dem Metall und dem Elektrolyten als Kondensator wirkt. Weiterhin weist die Oxydschicht eine grössere Transportfähigkeit der elektrischen Ladungen vom Metall zum Elektrolyten auf, wenn das Metall negativ polarisiert ist. Dieser Halbleitereffekt zusammen mit dem Kondensatoreffekt bewirken bei Anlegung eines Wechselstromes, dass die positive Halbwelle (bezogen auf das Aluminium) grössere Durchtrittsschwierigkeiten hat als die negative, wodurch gleichzeitig unterschiedliche Spannungsabfälle in beiden Richtungen entstehen, so dass die aus der angelegten Spannung resultierende Wellenform nicht symmetrisch ist. Dieses bedeutet, dass eine nicht erwünschte Gleichstromkomponente eines bestimmten elektrischen Vorzeichens zur Wirkung kommt. Dieser Vorgang ist auf den Halbleitereffekt zurückzuführen, während sich andererseits aufgrund des Kondensatoreffekts bei Anlegung eines sinusförmigen Wechselstroms zwischen dem Aluminiumgegenstand und der anderen Elektrode der Elektrolysezelle der auf dem Aluminium gebildete Kondensator mit der Spitzenspannung der angelegten Welle auflädt und sich langsamer entlädt als die Abnahme der Spannung aufgrund der sinusförmigen Änderung erfolgen würde.
Hieraus ergibt sich, dass sowohl der Mittelwert als auch der Effektivwert der resultierenden Spannung grösser sind als die entsprechenden Werte der angelegten Wechselspannung und dass diese Werte ausserdem von Fall zu Fall verschieden sind, dass sie als Folge der elektrischen Kapazität der Oxydschicht von deren Dicke, Zustand, Herstellungsverfahren etc. abhängen.
Dieser Effekt ist insbesondere in der Industrie von Bedeutung, wenn zur Steuerung des Wechselstroms Thyristoren Verwendung finden. In diesem Fall kann wegen der hohen Kapazität der üblicherweise eingesetzten Aluminiumgegenstände, die bis zu 5 x 105 Mikrofarad betragen kann, die resultierende Wellenform einen Mittelwert erreichen, der fast dem doppelten Wert der angelegten Spannung entspricht und auch hier ausschliesslich von der Beschaffenheit und den Eigenschaften der Oxydschicht abhängt.
Demnach ändert sich die aus der angelegten Spannung resultierende Spannung je nach den elektrischen Eigenschaften der Aluminiumgegenstände, so dass die Steuerung des elektrolytischen Prozesses sehr schwierig ist. Bei Verfahren, wie bei der elektrolytischen Einfärbung, bei denen die Zufuhr der elektrischen Energie mit sehr genauer Dosierung erfolgen muss, bedeuten die vorgenannten Effekte einen ernsthaften Nachteil, dessen Behebung bisher durch indirekte Steuerung ohne tatsächlichen Erfolg versucht wurde.
Weiterhin verursacht die in der Industrie gebräuchliche Verwendung von Thyristoren zur Steuerung des Wechselstromes häufig schwerwiegende und kaum behebbare radio-frequente Störungen als Folge der Zündung des Thyristors in einem vom Nulldurchgang der Spannung abweichenden Zeitpunkt.
Mit der erfindungsgemässen Einrichtung sollen nun die aufgezeigten Nachteile ausgeschaltet und eine zuverlässige Steuerung der an die Elektroden einer Elektrolysezelle angelegten Wellenform erreicht v/erden, wobei die Einrichtung mit denselben Vorteilen sowohl im Laboratorium als auch in der Industrie verwendbar sein soll.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist durch die im Patentanspruch 1 definierten Merkmale gekennzeichnet.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung wird erreicht,
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dass in der elektrolytischen Zelle die Wellenform der Spannung oder Stromstärke stets frei von jeglicher Deformation ist, und zwar unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des zu behandelnden Gegenstandes, wie Kapazität, Polarisation etc.
Da jede beliebige Wellenform ohne jegliche Deformierung Verwendung finden kann, werden im Falle von sinusförmigen Wellen die durch radiofrequente Störungen bedingten Probleme vermieden, die bei den vorbekannten Einrichtungen auftreten, die Thyristoren mit Steuerung durch Änderung des Leitwinkels verwenden.
Durch den laufenden Vergleich des Bezugssignals mit der tatsächlich vorliegenden Spannung oder Stromstärke und durch ausgleichenden Eingriff auf beide Grössen bleibt die Einrichtung eigenstabil, so dass nach Festlegung der Anfangswerte diese stets konstant gehalten werden, ohne dass die Grösse des zu behandelnden Gegenstandes hierauf Einfluss hat oder Änderungen bzw. Regulierungen erforderlich macht.
Die erfindungsgemässe Einrichtung erlaubt die Verwendung aller Arten von elektrischen Programmen insbesondere für jegliche Einfärbungsverfahren, ohne dass Änderungen der Einrichtung erforderlich sind/Weiterhin können Programme für andere elektrolytische Verfahren wie Eloxierung, Ablagerung etc. durchgeführt werden.
Auch ist es möglich, andere Stromfrequenzen als die Netzfrequenz zu verwenden, die insbesondere bei Einfärbungsverfahren sehr vorteilhaft sind.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäss ausgebildeten Einrichtung zur Steuerung des Kurvenverlaufs der Spannung oder Stromstärke bei der elektrolytischen Einfärbung von eloxiertem Aluminium;
Fig. 2 eine grafische Darstellung der infolge des Kondensatoreffektes resultierenden Wellenform im Vergleich zur angelegten Wellenform; und Fig. 3 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 2 für den Fall der Steuerung durch Thyristoren.
Aus der Zeichnung, insbesondere Fig. 2, ist ersichtlich, wie infolge des Kondensatoreffektes beim Anlegen eines sinusförmigen Wechselstroms 1 an den elexierten Aluminiumgegenstand und an die Gegenelektrode eine Wellenform 2 resultiert, bei der sowohl der Mittelwert als auch der Effektivwert gegenüber den entsprechenden Werten der angelegten Wellenform 1 erhöht sind.
Wenn bei Industrieanlagen der Wechselstrom unter Verwendung von Thyristoren gesteuert wird, kann wegen der grossen Kapazität der eingesetzten Chargen die resultierende Welle 2 die in Fig. 3 dargestellte Form annehmen. Wie ersichtlich beträgt der Mittelwert der resultierenden Spannung fast das Doppelte des Mittelwertes der angelegten Spannung 1 und ist, wie im vorgenannten Fall, ausschliesslich von der Beschaffenheit und den Eigenschaften der Oxydschicht abhängig. Mittels der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung werden diese Problem ausgeschaltet, und die an die Elektroden der Elektrolysezelle angelegte Spannung ist stets vollkommen selbstgeregelt.
Die Stromversorgung erfolgt aus einem üblichen dreiphasigen Speisenetz 3, an welches eine Gleichrichter-Transfor-mator-Anordnung 4 angeschlossen ist, mit deren Hilfe eine positive Gleichspannung 5 und eine negative Gleichspannung 6 symmetrisch in bezug auf einen Nullpunkt 7 erzeugt werden.
Dieser Nullpunkt 7 ist direkt mit einer der Elektroden 8 der Elektrolysezelle 9 verbunden.
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Die beiden von der Gleichrichter-Transformator-Anordnung 4 gelieferten Spannungen 5 und 6 sind an eine Leistungssteuerstufe 10 angelegt, die durch zwei Gruppen von Hochleistungstransistoren gebildet ist, einer mit der Polarität P und die andere mit der Polarität N, die die elektrische Energiezufuhr zur Elektrolysezelle 9 steuern.
Obgleich zur Vereinfachung des Schaltbildes je ein pnp-Transistor und ein npn-Transistor gezeichnet sind, können in der Praxis auch ausschliesslich npn-Leistungstransistoren verwendet werden.
Die Steuerelektroden der Leistungstransistoren sind über elektrische Ventile gemeinsam mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 11 verbunden, der die Steuerung der Wellenform der Spannung oder Stromstärke übernimmt, die an den einzufärbenden Gegenstand und die Gegenelektrode angelegt wird. Der Verstärker 11 besitzt zwei Eingänge, nämlich einen positiven oder nicht-invertierenden Eingang, dem ein von einem Generator 12 erzeugtes Bezugssignal mit der Soll-Wellenform zugeführt wird, und einen negativen oder invertierenden Eingang, an den ein von der tatsächlichen Spannung oder Stromstärke zwischen den Elektroden 8 der Elektrolysezelle 9 abgeleitetes Istwertsignal zurückgeführt ist.
Der Operationsverstärker 11 vergleicht laufend den Momentanwert der Spannung oder Stromstärke des Bezugssignals mit dem Momentanwert der tatsächlich zwischen den Elektroden 8 herrschenden Spannung oder Stromstärke und bewirkt, dass der Unterschied zwischen den Signalen am positiven und am negativen Eingang gleich Null wird, so dass die Wellenform der zwischen den Elektroden 8 der Elektrolysezelle vorliegenden Spannung oder Stromstärke mit der Wellenform des Bezugssignals übereinstimmt, das an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 11 angelegt ist.
Wie bereits erwähnt, ist an den negativen oder invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11 das Signal angelegt, das von den tatsächlich an den Elektroden 8 der Elektrolysezelle 9 existierenden Spannung oder Stromstärke abgeleitet ist. Die Amplitude dieses Istwertsignals ist mittels einer Steuervorrichtung 13 veränderbar, und zwar getrennt für die Anoden- und die Kathodenhalbwellen. Die Steuervorrichtung 13 weist zwei parallele Zweige mit je einem veränderbaren Widerstand, Potentiometer oder dergleichen und einem elektrischen Ventil auf, wobei die Ventile in den beiden Zweigen entgegengesetzt gepolt sind. Die voneinander unabhängig veränderbaren Widerstände, Potentiometer oder dergleichen dienen als Stellglieder zum Verändern des Verstärkungsgrades des Operationsverstärkers 11, so dass für die Anoden- und die Kathodenhalbwellen unabhängige Multiplikationsfaktoren für das vom Generator 12 gelieferte Soll-Wellenformsignal einstellbar sind. Da auf diese Weise die Halb wellen unabhängig voneinander steuerbar sind,
kann man z.B. bei einem perfekt symmetrischen Soll-Wellenformsignal zwischen den Elektroden der Elektrolysezelle 9 eine Spannung oder Stromstärke erzielen, bei welcher das Verhältnis der positiven Halb wellen zu den negativen Halbwellen jeden gewünschten Wert haben kann.
Wenn das Istwertsignal z.B. an einem der Elektrolysezelle 9 parallel geschalteten Widerstand abgegriffen wird, ist das Istwertsignal proportional der tatsächlich zwischen den Elektroden 8 liegenden Spannung, und die Wellenform dieser Spannung wird durch den Operationsverstärker 11 und die Leistungssteuerstufe so geregelt, dass sie mit der Wellenform des Bezugssignals vom Generator 12 übereinstimmt. Wird hingegen das Istwertsignal an einem mit der Elektrolysezelle 9 in Reihe liegenden Widerstand abgegriffen, so ist das Istwertsignal proportional der tatsächlichen Stärke des durch die Elektrolysezelle fliessenden Stromes und die Wellenform dieses Stromes wird identisch mit der Wellenform des Bezugssignals vom Generator 12.
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Die Steuervorrichtung 13 ist mit zwei linearen Zeitpro- mit der Möglichkeit, die Wellen asymmetrisch zu gestalten grammsteuerwerken 14und 15 verbunden, nämlich 14fürdie und/oder mit einer kontinuierlichen oder periodischen
Programmierung der Amplitude der Anodenhalbwellen und Gleichspannung zu überlagern. Ferner bietet der Generator
15 für die Kathodenhalbwellen. Im Prinzip vermag jedes der die Möglichkeit, das Verhältnis von Zeiträumen mit und
Zeitprogrammsteuerwerke 14,15 einen der veränderbaren s ohne Signalabgabe oder Gleichspannungsüberlagerung und
Widerstände oder dergleichen in der Steuervorrichtung 13 das Verhältnis der Anodenhalbwellen zu den Kathodenhalb-
kontinuierlich und mit vorgegebener Geschwindigkeit zu ver- wellen zu verändern.
ändern. Die Zeitprogrammsteuerwerke 14,15 können selbst Schliesslich kann eine elektronische Mess- und Registrierte einen gemäss dem gewünschten Programm zeitlich veran- vorrichtun 16 (Fi 1} vorgesehen werden, welche die elektri-derlichen Widers and aufweisen, der den entsprechenden i« schen Parameter des an den einzufärbenden Aluminiumge-Widerstand der Vorrichtung 13 ersetzt. Der Verstarkungs- nd d ten Stroms detektiert. Diese Vorrichtung 16 grad G des Verstärkers 11 wird mittels der Zeitprogramm- e ^ unmittelbaren Messwert sowie eine graphische Steuerwerke 14,15 zeitlich verändert, wobei sich der Multipli- Aufzeich der zeitiichen Veränderungen der Spannung kationsfaktor linear in Ubereinstimmung mit der Funktion G ^ def Stromstärk und zwar getrennt für die Anoden. und = f (t) ändert getrennt fur die Anodenhalbwellen und die is Kathodenhalbwellen.
Kathodenhalbwellen.
Der Generator 12 kann ein Bezugssignal mit beliebiger Mit Hilfe dieser Mess- und Registriervorrichtung 16 ist es
Wellenform erzeugen und ermöglicht demnach die Erzeu- einfach, den Prozessablauf bei der elektrolytischen Einfär-
gung von Wechselspannungen mit sinusförmigen, dreieck- bung zu verfolgen, das Auftreten von Defekten festzustellen,
förmigen oder rechteckförmigen Wellen bei kontinuierlich 20 Irrtümer zu berichtigen, statistische Kontrollen durchzu-
einstellbaren Frequenzen zwischen 0,1 Hz und 5 MHz und führen und auch den gesamten Prozess zu automatisieren.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
- 652151PATENTANSPRÜCHEEinrichtung zur Steuerung des Kurvenverlaufs der Spannung oder der Stromstärke zwischen den Elektroden einer Elektrolysezelle bei der elektrolytischen Behandlung von Gegenständen, insbesondere bei der elektrolytischen Entfärbung von eloxierten Aluminiumgegenständen, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullpunkt (7) einer symmetrischen Gleichrichteranordnung (4) direkt an eine der Elektroden (8) der Elektrolysezelle (9) angelegt ist, dass die positive und die negative Gleichspannung über Leistungstransistoren (10) in Mittelpunktschaltung an die Gegenelektrode der Elektrolysezelle (9) angeschlossen sind, dass die Steuerelektroden der Leistungstransistoren (10) gemeinsam mit dem Ausgang eines Regelverstärkers (11) mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Eingang verbunden sind, und dass einem der Eingänge des Regelverstärkers (11) ein Wechselstrombezugssignal aus einem Generator (12) für die Soll-Wellenform zugeführt ist und an den andern Eingang des Regelverstärkers (11) ein von der Elektrolysezelle (9) abgeleitetes Istwertsignal über Stellglieder (13) zurückgeführt ist, welche für die Anoden- und die Kathodenhalbwellen getrennt in Abhängigkeit von Programmsteuerwerken (14, 15) zeitlich veränderbar sind.
- 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder (13) unabhängig voneinander veränderbare Widerstände oder Potentiometer sind, die in Reihe mit entgegengesetzt gepolten elektrischen Ventilen liegen und je durch ein zugeordnetes Zeitprogrammsteuerwerk (14,15) einstellbar sind, so dass für die Anoden- und die Kathodenhalbwellen unabhängige Multiplikationsfaktoren für das vom Generator (12) gelieferte Bezugssignal kontinuierlich gemäss einer linearen oder nicht-linearen Funktion zeitlich steuerbar sind.
- 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (12) für das Bezugssignal ein Steuergenerator für ein Signal mit sinus-, dreieck- oder recht-eckförmigem Kurven verlauf und mit kontinuierlich zwischen 0,1 Hz und 5 MHz verstellbarer Frequenz ist, mit der Möglichkeit asymmetrischer Kurvenformen und veränderlicher Relationen zwischen den positiven und den negativen Halbwellen sowie der Möglichkeit einer Überlagerung einer Gleichspannungskomponente und mit einem einstellbaren Verhältnis zwischen Zeiträumen mit und ohne Signalabgabe.
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