DD160918A1 - Mikrocoulometrische anordnung mit endzeitanzeige - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit Endzeitanzeige, die keine zusaetzliche Wechselspannung zur Ausloesung des Schaltvorganges benoetigt. Sie besteht aus einem an sich bekannten Quecksilbercoulometer mit einem elektrolytischen Einschluss, das an dem anodenseitigen Ende erweitert ist. Der elektrolytische Einschluss tritt nach Erreichen einer gewissen Endzeit, die durch die gewaehlten geometrischen und elektrischen Parameter der Anordnung bestimmt und in weiten Grenzen einstellbar ist, aus der eigentlichen Kapillare in die Erweiterung ueber, wodurch das Quecksilber beide Elektroden kurz schliessen kann. Der dadurch erfolgende Zusammenbruch der ueber den Elektroden liegenden Spannung kann zu Signal- und Schaltzwecken genutzt werden. Die erfindungsgemaesse Anordnung kann zur Betriebszeitmessung, fuer Zuverlaessigkeitsuntersuchungen, zur Anzeige von Service- und Wartungsintervallen oder - bei eigener Batterie - als Langzeitschalter verwendet werden.

Description

Mikrocoulometrische Anordnung mit Endzeitanzeige Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine mikrocoulometrische Anordnung mit Endzeitanzeige, die ohne bewegte mechanische Teile arbeitet und wegen der geringen Spannung und des geringen Stromverbrauches zur Betriebszeitmessung in elektronischen und elektrischen Geräten und Anlagen eingesetzt werden kann. In einer möglichen Ausführungsform stellt sie ein neues Bauelement dar« das hinsichtlich der Gehäuseform und der Größe den üblichen mikroelektronischen Schaltkreisen entspricht. In Abhängigkeit von der äußeren Beschaltung gestattet die Anordnung, Betriebszeiten in der Größenordnung von wenigen Stunden bis zu etwa 10 000 Stunden zu messen. Das Ende dieser Intervalle wird durch einen Spannungssprung angezeigt, der zur Auslösung von Schaltvorgängen genutzt werden kann.

Die Feststellung der Betriebsdauer der elektrischen und elektronischen Geräte ist vor allem für Zuverlässigkeitsuntersuchungen, für den Service, für Garantie- und Durchsichtsarbeiten, aber auch für viele meßtechnische Zwecke von großer Bedeutung. и/egen der Einfachheit der Anordnung ist eine breite Anwendung möglich.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Coulometer beruhen auf der elektrischen, optischen oder mecha-

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niscden Messung einer durch Elektrolyse abgeschiedenen Stoffmenge, Bekannte Ausführungen sind das Knallgas-Coulometer _t bei dem die Ladung von 1 As unter Normalbedingungen durch Elektrolyse einer wäßrigen Lösung 0_f174 cm Knallgas bildet, das Kupferund das Silbervoltameter, in denen je As O_t329 mg Cu bzw. 1,118 mg Ag abgeschieden werden«

Ein auf diesem Prinzip beruhendes Gerät zur Leistungsmessung in Gleichstromnetzen mit Quecksilberfüllung und Elektrolyten ist als Stiazähler seit Jahrzehnten bekannt und war weit verbreitet.

Eine Weiterentwicklung für elektronische Geräte sind die elektrolytischen Mikrocoulometer. Diese bestehen aus einer mit quecksilber gefüllten Kapillare, die an einer Stirnseite durch eine als Katode dienende Elektrode, an der anderen Stirnseite durch eine Anode abgeschlossen wird. Innerhalb der Quecksilbersäule befindet sich ein kleiner, mit Elektrolyt gefüllter Einschluß. Wenn durch diese Anordnung ein Gleichstrom fließt, so gilt für die ablaufenden Vorgänge das Faradaysche Gesetz, das in seiner Form für konstante Ströme M = A«I*4t lautet. Dabei sind M die abgeschiedene Stoffmenge in /gj, A das elektrochemische Äquivalent, d.h. eine Materialkonstante, die angibt, wieviel Gramm eines bestimmten Ions von einer As abgeschieden werden, I ist der Strom in [aJ und Ut die Stromflußzeit. Bei dem beschriebenen Mikrocoulometer gehen an der mit dem positiven Pol verbundenen Quecksilbersäule Hg-Ionen in Lösung, wandern durch den Elektrolyten und werden an der mit dem negativen Pol verbundenen Quecksilbersäule wieder abgeschieden. Das Quecksilber wandert also mit dem Strom vom positiven zum negativen Pol, d.h. die positive Quecksilbersäule wird kürzer, die negative dagegen länger; der mit Elektrolyt gefüllte Einschluß wandert somit entgegen der Stromrichtung. Bei konstantem Strom ist die durchwanderte Strecke der Stromflußzeit proportional. Ein solches Mikrocoulometer ist entsprechend der allgemeineren Form des Faradayschen Gesetzes M = A-/i(t)dt in bekannter rteise auch als Strom-Zeit-Integrator für zeitlich schwankende Ströme einsetzbar. Dabei entspricht die von dem Elektrolytzwischenraum zurückgelegte

Strecke'direkt aer transportierten Elektrizitätsmenge.

Neben der visuellen Ablesung der vom Einschluß zurückgelegten Wegstrecke können durch seitlich oder an den Stirnseiten zusätzlich in die Kapillare eingeführte Elektroden, über die schwache Wechselströme fließen, auch elektronische Signal- und Schaltvorgänge ausgelöst werden.

Durch Zusammenschaltung mehrerer solcher Anordnungen können quasidigitale Anzeigen mit größerer Genauigkeit erreicht werden. In einer weiteren Variante ist das Material der Kapillare halbleitend und läßt frei einstellbare Signal- oder Schaltzeiten innerhalb des Zeitmeßbereiches durch Schleifkontakte zu, die an der Außenseite der Kapillare angebracht sind. Weitere Anordnungen beschreiben Quecksilbercoulometer, in deren elektrolytischem Einschluß ein weichmagnetischer Körper schwimmt, der die Induktivität von außerhalb des zylindrischen Hohlraumes angeordneten Spulen verändert.

Hinsichtlich der technischen Ausführung wurde vorgeschlagen, die Kapillare bzw. den zylindrischen Hohlraum durch eine rillenartige Vertiefung im Inneren einer Sandwichanordnung aus zwei übereinanderliegenden Plättchen zu bilden und die Elektroden, Anschlüsse, Widerstände und Leiterbahnen auf diesen oder weiteren Plättchen öchichtförmig aufzubringen. Solche Mikrocoulometer sind hinsichtlich ihrer Wirkungsweise in einem weiten Temperaturbereich von etwa -30...+70 C temperaturunabhängig, wobei durch spezielle Werkstoffe eine Ausweitung auf + 125°C erreichbar sein soll.

Ein anderer Coulometertyp besteht aus RbAg.D- als Festelektrolyt mit Gold- und Silberelektrode. Auch er wird als Betriebsstundenzähler eingesetzt und läßt sich durch Stromumkehr umschalten. Am Ende des Elektrolyseprozesses entsteht über der Zelle ein als Signalgröße ausnutzbarer Spannungssprung.

Alle auf der Basis der Quecksilbercoulometer beruhenden Anordnungen benötigen zur Auslösung elektronischer Signal- oder Schaltvorgänge eine zusätzliche Wechselspannung. Dies ist bei

dem BetriebszeitinJtkator mit Festelektrolyt zwar nicht erforderlich, aber die bei diesem Typ eingesetzten Materialien sind recht kostspielig·

Ziel der Erfindung

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, auf der Basis von Quecksilber-Mikrocoulometern eine elektronische Endzeitanzeige ohne zusätzliche Wechselspannungsquelle zu realisieren· Die Endzeit soll in weiten Grenzen einstellbar und ihre Anzeige weitgehend temperaturunabhängig sein. Spannung und Verbrauch der Anordnung sollen; dabei in einem so niedrigen Bereich liegen, daß sie in den üblichen elektronischen Schaltkreisen verwendet werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem an sich bekannten Quecksilber-Mikrocoulometer durch Veränderung der Stromflußbahn die elektrische und elektronische Anzeige der Endzeit des durch die äußere Beschaltung eingestellten Zeitintervalles zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein an sich bekanntes Mikrocoulometer entsprechend Figur 1, dessen Quecksilberfaden 1 durch einen Einschluß aus einem wäßrigen Elektrolyten 2 in zwei Abschnitte geteilt wird, an einem Ende stark erweitert wird. Wird die Katode K dieser Anordnung mit dem negativen Pol und die Anode A mit dem positiven Pol einer Elektrolyse-Gleichspannung verbunden, so wird Quecksilber von der positiven Säule abgetragen und über den Elektrolyt an der negativen Säule angelagert. Die positive Säule wird bei Stromfluß somit kürzer, und die negative Säule wird länger. Da der elektrolytische Einschluß in seiner Länge unverändert bleibt, wandert er somit vom negativen zum positiven Pol. ti/enn er am positiven Pol die Erweiterung der Kapillare erreicht hat, verläßt er die Kapillare und wird sich je nach der räumlichen Lage der Anordnung als kleines Tröpfchen an der Innenwand des

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erweitertet Teiles der Kapillare innerhalb der Quecksilbertnenge anlagern« Der Strom von A nach K wird dann nicht mehr durch den Ohmechen Wideretand des Einschlusses reduziert« sondern fließt nur noch durch Quecksilber. Der über A und K bei Vorhandensein des elektrolytischen Einschlusses in der Kapillare bestehende Spannungsabfall bricht somit beim Austritt des Einschlusses aus der Kapillare zusammen· Dieser Spannungesprung kann durch nachfolgende elektronische Schaltungen in vielfältiger Weise zur Signalisierung benutzt werden.

In Figur 2 ist eine nach dem erfindungsgemäßen Prinzip wirkende Anordnung dargestellt₍ bei der die Kapillare an ihrer Anodenseite ein Stück in eine Hohlkugel hineinragt. Der Spannungssprung ist hier gegenüber der Anordnung nach Figur 1 steiler ausgeprägt und völlig unabhängig von der räumlichen Lage der Anordnung. Gegenüber der Anordnung nach Figur 1 macht sich dies bei senkrechter Stellung des Röhrchens bemerkbar, wenn A den Fußpunkt bildet. Für manche Anordnungen ist es auch von Vorteil, daß bei der Anordnung nach Figur 2 in einer solchen Lage der Spannungssprung nur einmal auftritt, während in der Anordnung nach Figur 1 ein mehrfaches Oszillieren zu beobachten ist.

In dieser beschriebenen senkrechten Stellung kann allerdings die Anordnung nach Figur 1 durch Umpolung des Elektrolysegleichstromes regeniert werden, weil das Tröpfchen durch seine gegenüber dem Quecksilber geringere Dichte nach der höchsten Stelle treibt, den Eingang zur eigentlichen Kapillare versperrt und durch Elektrolyse wieder zurück zur Katode K wandert. Diese Regenerierung ist bei der Anordnung gemäß Figur 2 nicht möglich.

Für die Zusammensetzung des wäßrigen Elektrolyten und seinen elektrischen Widerstand sind zahlreiche Angaben bekannt. Seine Wanderungsgeschwindigkeit folgt in ebenfalls bekannter Weise dem Gesetz I»At « const., wenn mit I der längs durch die Quecksilbersäulefür den Zeitraum ^t fließende Strom bezeichnet wird. Die Wanderungsgeschwindigkeit des elektrolytischen Einschlusses ist somit durch den Strom I einstellbar. Größere

Strcne згдзЬел eine größere tfanderungsgeschwindigkeit. Wird eine solche Anordnung in einem zu überwachenden Gerät an die konstante Betriebsspannung über einen Vorwiderstand angeschlossen, so ist der von dem elektrolytischen Einschluß zurückgelegte Weg ein Maß für die Summe der Einschaltzeiten. Der durch die Anordnung fließende Strom, im wesentlichen charakterisiert durch Vorwiderstand und Betriebsspannung, bestimmt zusammen mit den Abmessungen der Kapillare die maximale anzeigbare Betriebszeit. Es kann abgeschätzt werden, daß dafür eine Ladung von einigen Milliamperestunden erforderlich ist. Bei einer Länge der Kapillare von 30...40 mm ergibt sich damit eine Betriebszeitanzeige von einigen 10 bis zu 10 000 Stunden. Die Ströme liegen dann bei Werten von weniger als 1 Milliampere bis weniger als 1 Mikroampere.

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich technologisch einfach auch dadurch realisieren, daß die Kapillare mit dem erweiterten Hohlraum durch eine beispielsweise verklebte Sandwichanordnung von 2 ebenen Plättchen gebildet wird, von denen ein Plättchen die entsprechenden Vertiefungen enthält, während auf das andere Plättchen die Stromanschlüsse als Schichten aufgebracht sind* Die konkrete Ausführungsform ergibt sich aus dem speziellen Anwendungsfall. Diese Sandwichanordnung stellt somit ein neues elektronisches Bauelement dar, das in seinen Abmessungen den Gehäuseformen der üblichen integrierten Schaltkreise angepaßt werden kann. Die Schichtelektroden werden zweckmäßigerweise aus Platin aufgedampft oder aufgesputtert. Als .Verkstoff für die beiden Plättchen kommen die in der Dünn- und Dickschichttechnik üblichen Substratwerkstoffe in Betracht, insbesondere, wenn die Stellung des Einschlusses auch visuell beobachtet werden soll, oder Keramik. Es ist jedoch auch denkbar, geeignete Plastwerkstoffe zu verwenden. Die angegebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht es weiterhin, Widerstände nach den bekannten Verfahren der Dick- und Dünnschichttechnik auf einem Plättchen aufzubringen und so die kostengünstige Technologie der Mikroelektronik zu nutzen.

Bei der Betriebszeitmessung in iVechseIstromkreisen ist eine externe Gleichrichtung durch Dioden erforderlich, die als Z-

Dioden in bekannter '.Veise gleichzeitig für Stabilisierungszwecke genutzt werden können. »Venn die Elektrolyse durch eine eigene Batterie gespeist wird, so kann die Anordnung als Langzeitschaltuhr dienen.

Ausführungsbe ispie I

Eine Ausführungsform für einen Betriebszeitmesser besteht aus einer Glaskapillare von 20 mm Länge mit einem Kölbchen am anodenseitigen Ende. Katode und Anode sind eingeschmolzene Platindrähte· Der mit wäßrigem Elektrolyt gefüllte Einschluß, der u.a. aus einer Mischung von KCl und Hg₂Cl₂ besteht, wurde auf 0,5 mm Länge bemessen. Die verfügbare Wegstrecke für den mit Elektrolyt gefüllte Einschluß betrug in dieser Ausführung ca. 18 mm. Diese Strecke wurde bei einem Elektrolysestrom von 4xiA in 1000 Stunden durchlaufen, bei einem Elektrolysestrom von 2^jA in 2000 Stunden. Auf Grund des Prinzips ist dieses Bauelement im Temperaturbereich von mindestens -20...+70⁰C ohne Temperaturabhängigkeit betriebsfähig, die Meßgenauigkeit beträgt 2%. Der Widerstand des Elektrolyten lag bei ca. 100 Ohm. Im ersten Fall betrug der Spannungssprung über den Elektroden 0,4 mV, im zweiten Falle 0,2 mV. Durch Wahl der entsprechenden Vorwiderstände kann die Anordnung vielen Betriebsspannungen und Betriebszeitintervallen angepaßt werden.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch

   1. Mikrocoulometrische Anordnung mit Endzeitanzeige, bestehend aus einer mit Quecksilber gefüllten Kapillare mit einem Einschluß aus einem wäßrigen Elektrolyten, gekennzeichnet dadurch, daß der Durchmesser der Kapillare an einem Ende stark erweitert ist.
2. 2. Mikrocoulometrische Anordnung mit Endzeitanzeige gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kapillare mit einem offenen Ende in einen kugelförmigen Hohlraum hineinragt.
3. 3. Mikrocoulometrische Anordnung mit Endzeitanzeige gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kapillare mit der Erweiterung an einem Ende durch einen Hohlraum in
   einer aus zwei Plättchen bestehenden Sandwichanordnung gebildet wird.

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