DE2941191C2

DE2941191C2 - System zur Erzeugung und Selbstkontrolle des Kurvenverlaufs von Spannung oder Strom beim elektrolytischen Einfärben von eloxiertem Aluminium

Info

Publication number: DE2941191C2
Application number: DE2941191A
Authority: DE
Inventors: Jose Garcia Alicante Pelaez
Original assignee: Empresa Nacional Del Aluminio Sa Endasa Madrid Es
Current assignee: Empresa Nacional Del Aluminio Sa Endasa Madrid Es
Priority date: 1978-10-31
Filing date: 1979-10-11
Publication date: 1983-08-18
Also published as: DK458879A; LU81827A1; AU5158779A; KR840006010U; TR20677A; EG13767A; ATA678779A; IS1160B6; CU21008A; ZA795553B; IE48978B1; CA1146237A; NZ191972A; AT374636B; NO793487L; DD146968A5; YU264879A; AR221111A1; RO80666A; AU516345B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung und Selbstkontrolle des Kurvenverlaufes von Spannung oder Strom beim elektrolytischen Einfärben von eloxiertem Aluminium, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben ist.

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 Probleme 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 kontinuierliche Spannung entsteht, die von der Beschaffenheit der Elektroden und der Zusammensetzung des Elektrolyten abhängt. Wenn zwischen den Elektroden ein sinusförmiger Wechselstrom angelegt wird, ergibt sich, daß die vorgenannte Polarisationsspannung der Halbwelle desselben Vorzeichens hinzugerechnet und von der Halbwelle des entgegengesetzten Vorzeichens abgezogen werden muß, 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 Oxidschicht der Metalloberfläche zwei besondere Eigenschaften aufweist. Zunächst einmal handelt es sich um eine sehr dünne, nichtleitende Oxidschicht, die bei Einbringung zwischen dem Metall ind dem Elektrolyten als Kondensator wirkt. Weiterhin weist sie eine größere Transportfähigkeit der elektrischen Ladungen vom Metall zum Elektrolyten auf, wenn das Metall negativ ist. Dieser Halbleitereffekt zusammen mit dem Kondensatoreffekt führen bei Anlegung eines Wechselstromes dazu, daß die positive Halbwelle (bezogen auf das Aluminium) größere Strömungsschwierigkeiten aufweist als die negative, wodurch gleichzeitig unterschiedliche Spannungsabfälle in beiden Richtungen entstehen, so daß die aus der angelegten Spannung resultierende Welle nicht symmetrisch ist. Dieses bedeutet, daß eine nicht erwünschte Komponente eines bestimmten elektrischen Vorzeichens zur Wirkung kommt. Dieser Vorgang ist auf den Halbleitereffekt zurückzuführen, während sich andererseits aufgrund des Kondensatoreffekts bei Anlegung eines Wechselstroms zwischen dem Aluminium und der anderen Elektrode 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.

Hieraus ergibt sich, daß sowohl der Mittelwert als auch der Effektivwert der Spannung größer sind als die der angelegten Welle entsprechenden Werte und daß diese außerdem von Fall zu Fall verschieden sind, da sie als Folge der Kapazität der Anodenschicht von deren Dicke, Zustand. Herstellungsverfahren etc. abhängen.

Dieser Effekt ist insbesondere in der Industrie von Bedeutung, wenn zur Beeinflussung des Wechselstroms

Thyristoren Verwendung finden. In diesem Fall kann wegen der hohen Kapazität der üblicherweise verwendeten Werkstücke, die bis zu 5 · ΙΟ⁵ μΡ betragen kann, die sich ergebende Welle einen Mittelwert erreichen, der fast dem doppelten Wert der angelegten Spannung entspricht und auch hier ausschließlich von den Bedingungen und Eigenschaften der Oxidschicht abhängt.

Demnach ändert sich die sich aus derselben angelegten Spannung ergebende Spannung in Oberein-Stimmung mit den elektrischen Eigenschaften des Werkstückes, so daß die Kontrolle sehr schwierig ist Bei Verfahren wie der elektrolytischen Einfärbung, bei denen die Anlegung der elektrischen Energie mit sehr genauer Dosierung erfolgen muß, bedeutet die vorgenannte Wirkung einen ernsthaften Nachteil, dessen Behebung bisher durch indirekte Kontrollsysteme ohne tatsächlichen Erfolg versucht wurde.

Weiterhin verursacht die Verwendung von Thyristoren in der Industrie zur Kontrolle des Wechselstromes häufig schwerwiegende und kaum lösbare Interferenzstörungen durch Radiofrequenzen als Folge der Leitungsstellung des Thyristors, wenn die engelegte Spannung vom Nullpunkt abweicht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes System so zu verbessern, daß die aufgezeigten Nachteile ausgeschaltet und eine zuverlässige Kontrolle der im Verfahren verwandten Welle erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem System der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst

Das erfindungsgemäße System besteht aus einer symmetrischen Gleichstromquelle mit dem entsprechenden Transformator, Gleichrichtern, Filtern etc., die ausgehend von einem dreiphasigen Speisenetz eine positive und eine negative Spannung desselben Wertes in bezug auf einen Nullpunkt liefert, der die Speisung einer der Elektroden bildet.

Ausgehend von dieser Speisequelle weist das System gemäß der Erfindung eine Leistungssteuerstufe auf, die durch zwei Gruppen von Hochleistungstransistoren gebildet ist, einen Operationsverstärker zur Kontrolle der Form der an das einzufärbende Werkstück angelegten Spannung oder Stromstärke, eine außenliegende Halbwellenüberwachung, bestehend aus einer Gruppe von diskreten Komponenten geeigneter Werte und entsprechend angeordnet, um das detektierte Signal zu behandeln und es an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers weiterzuleiten, ein Programmiersystem, das aus zwei (inearen Zeitprogrammierern besteht, und zwar einem für die Programmierung der Anodenwelle und dem anderen für die Kathodenwelle, und einen Signalerzeuger, der am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers liegt.

Schließlich ist auch ein System zur Messung und Registrierung vorgesehen, das die elektrischen Parameter des an das Aluminium angelegten Stroms aufnimmt und trennt und das die Anoden- und Kathodenspannung sowie die Anoden- und Kathodenstromstärke grafisch und zeilabhängig registriert,

Auf diese Weise wird im elektrolytischen Bad eine Welle einer Spannung oder Stromstärke angelegt, die aufgrund der erfindungsgemäßen Regelung stets frei von jeglicher Deformierung ist, und zwar jeweils unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des einzufärbiinden Gegenstandes wie Kapazität, Polarisation etc.

Da" jede Wellenart ohne jegliche Defbrmierung Verwendung finden kann, werden im Falle von sinusförmigen Wellen die Probleme der Störungen durch Radiofrequenzen vermieden, die bei den bisherigen Systemen auftreten, die Thyristoren mit Steuerung durch Änderung des Durchschaftwinkels verwenden.

Die Gleichgewichtsstörungen der Ladung, die durch die Verwendung von nichtkontinuierlichen einzelnen Signalen verursacht werden, verteilen sich auf drei

i" Linien, so daß sich das System stets im Gleichgewicht befindet

Durch den stetigen Vergleich des Bezugsgrößensignals mit der tatsächlich angelegten Spannung oder Stromstärke und durch ausgleichenden Eingriff auf beide Größen bleibt das System eigenstabil, so daß nach Festlegung der Ausgangswerte diese stets konstant gehalten werden, ohne daß die Größe des einzufärbenden Gegenstandes hierauf Einfluß hat oder Änderungen erforderlich macht

-o Das erfindungsgemäße System erlaubt die Verwendung aller Arten von Elektroprogra* .-nen für jegliche Einfärbungsverfahren, ohne daß Änderungen der Vorrichtung erforderlich sind. Weiterhin können Programme für andere elektrolytische Verfahren wie Eloxierung, Ablagerung etc. durchgeführt werden.

Auch ist es möglich, andere Stromfrequenzen als die der Speiseleitung zu verwenden, die bei Einfärbungsverfahren sehr vorteilhaft sind.
Schließlich werden stets die Veränderlichen des Verfahrens registriert, so daß es ebifach ist, den Verfahrensverlauf zu kontrollieren, das Auftreten von Defekten zu erkennen, Irrtümer zu berichtigen, statistische Kontrollen durchzuführen und das gesamte Verfahren zu automatisieren.

^r' Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems zur Erzeugung und Regelung der Form der WeIL-und Spannung oder Stromstärke zur Anwendung bei elektrolytischen Einfärbungsverfahren von eloxiertem Aluminium;

⁴' F i g. 2 eine grafische Darstellung der resultierenden Welle im Vergleich zur angelegten Welle infolge des Kondensatoreffektes und

Fig.3 eine ähnliche Darstellung wie in Fig.2 und Vergleich derselben Wellen infolge der Steuerung der

■'" Welle durch Thyristoren.

Aus der Zeichnung, insbesondere Fig.2, ist ersichtlich, wie infolge des Kondensatoreffektes bei Anlegung eines Wechselstroms 1 zwischen dem Aluminiumwerkstück rnd der anderen Elektrode eine Welle 2 erzeugt

'' wird, die sowohl im Mittelwert als auch im Effektiv wert gegenüber der angelegten Welle 1 erhöht ist.

Wenn bei Industrieanlagen der Wechselstrom wegen der großen Kapazität der verwendeten Werkstücke unter Verwendung von Thyristoren gesteuert wird.

^b0 kann die resultierende Welle 2 die in F i g. 3 dargestellte Form annehmen. Wie ersichtlich, beträgt der Mittelwert dieser Weile fast das Doppelte in bezug auf den Wert der angelegten Spannung 1 und ist wie im vorgenannten Fall ausschließlich von den Bedingungen und Eigen-

" schäften der Oxidschicht abhängig.

Mittels des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Systems werden diese Probleme ausgeschaltet und die an das Werkstück angelegte Spannung ist stets

vollkommen geregelt.

Der Stromkreis geht aus von einem normalerweise dreiphasigen Speisenetz 3. wobei ein Gleichrichter-Transformator 4 zwischengeschaltet wird, mit dessen Hilfe eine positive Spannung 5 und eine negative Spannung 6 in bezug auf einen Nullpunkt 7 erzeugt wird.

Dieser Nullpunkt 7 bildet die direkte Speisung einer der Elektroden 8 des Elektrolyten 9.

Die beiden vom Gleichrichter-Transformator 4 gelieferten Spannungen 5 und 6 werden an eine Leistungssteuerstufe weitergeleitet, die durch zwei Gruppen von Hochleistungstransistoren gebildet ist, einen pnp-Transistor und einen npn-Transistor. die die elektrischen Parameter des negativen bzw. positiven Signals steuern, die an dem im Elektrolytbad 9 einzufärbenden Werkstück angelegt sind.

Auch wenn zur Vereinfachung des Schaltbildes pnp-Transistoren und npn-Transistoren Verwendung finden, können in der Praxis auch ausschließlich Leistungs-npn-Transistoren verwendet werden.

Weiterhin gehört zum Stromkreis ein zweipoliger Operationsverstärker 11, der die Steuerung der Form der Spannung oder Stromstärke übernimmt, die an den einzufärbenden Gegenstand angelegt wird. Dieser Verstärker besitzt zwei Eingänge, einen nichtinvertierenden Eingang, über den an den Operationsverstärker 11 ein schwaches, vom Generator 12 erzeugtes Signal angelegt wird und dessen Form mit dem an das einzufärbende Werkstück angelegten übereinstimmt, und einen invertierenden Eingang für das Signal, das tatsächlich an den Elektroden 8 des Elektrolyten 9 nach entsprechender Behandlung existiert.

Der Operationsverstärker 11 vergleicht stets den Wert der Spannung oder Stromstärke des anzulegenden Signals mit dem Wert das tatsächlich angelegten Signals und wirkt auf den anderen Parameter. Stromstärke oder Spannung ein, um zu bewirken, daß der Unterschied cwiSCncn ucn uciucH tlingängcfi giciCn Null Ϊ5Ϊ, So UaD das an den Gegenstand angelegte Signal bezüglich Spannung oder Stromstärke mit dem Signal überein- ■ stimmt, das an dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1! angelegt ist.

Wie bereits ausgeführt, wird an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11 das Signal angelegt, das nach entsprechender Behandlung tatsäch- ■> lieh an den Elektroden 8 des Elektrolyten 9 existiert. Diese Behandlung erfolgt durch die außenliegende Kontrollvorrichtung 13 der Halbwellen, die aus einer Gruppe von diskreten Komponenten. Widerständen. Potentiometer etc. entsprechender Werte besteht, so "' daß bei Parallelschaltung dieser Widerstände mit den Elektroden der detektierte Wert der Spannung entspricht; das an die Last angelegte Signal hat dieselbe Form wie eins Ikv.ugssigmil. das von dem Generator 12 geliefert wird. Auf dieselbe Weise wird bei Serienschallung der Widerstände der Wert der Stromstärke delektiert, und dieser ist identisch mit dem der durch den Generator erzeugten Stromstärke.

In bezug auf den Wert der genannten diskreten Komponenten. Widerstände, Potentiometer etc. verändert die Verwendung des einen oder anderen den Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers II. Da die Kontrollen für jede Halbwelle unabhängig sind, kann man für ein perfekt symmetrisches Eingangssignal ein Ausgangssignal erzeugen, bei dem die Relation der Spannung oder Stromstärke der positiven Welle zu der negativen Welle jeglichen gewünschten Wert haben kann.

Das Programmiersystem besteht aus zwei linearen Zeitprogrammierern, nämlich 14 für die Programmierung der Anodenwclle und 15 für die Kathodenwelle. Im Prinzip besieht der Programmierer aus einem Widerstand, der kontinuierlich und mit vorbestimmter konstanter Geschwindigkeit eine Wertänderung erfährt. Wenn dieser Widerstand die Widerstände in der Vorrichtung zur Kontrolle der Halbwellen 13 ersetzt, die die Verstärkung des Operationsverstärkers Il verändern, so ändert sich der Verstärkungsfaktor linear in Übereinstimmung mit der Funktion C = f(t), sowohl für die Anodenwelle als auch für die Kathodenwelle.

Der Signalgenerator 12 kann jeglichen kontinuierlichen oder abwechselnden Signaltyp erzeugen und ermöglicht demnach die Erzeugung von sinusförmigen, dreieckigen oder quadratischen Wellen bei kontinuierlich einstellbaren Frequenzen zwischen 0.1 Hz und 5 MHz und mit der Möglichkeit einer asymmetrischen Kurvenform auch innerhalb einer Halbwelle, einstellbarer Relation zwischen den aktiven und inaktiven Zeiträumen, veränderlicher Relation zwischen den Anoden- und Kathodenwellen, Mischung der kontinuierlichen und wechselnden Signale eic.

Schließlich weist der Stromkreis ein Meß- und Registriersystem 16 (Fig. 1) auf. das aus einer elektronischen Vorrichtung besteht, die die elektrischen Parameter des an den einzufärbenden Gegenstand angelegten Stroms detektiert und trennt. Diese Vorrichtung erzeugt einen unmittelbaren Meßwert sowie eine grafische Aufzeichnung der zeitlichen Veränderung der Anoden- und Kathodenspannung sowie der Anoden- und Kathodenstromstärke.

Durch dieses Meß- und Aufzeichnungssystem 16 ist es einfach, den Verfahrensablauf der elektrolytischen Einfärbung zu verfolgen, das Auftreten von Defekten festzustellen. Irrtümer zu berichtigen, statische Kontrollen durchzuführen und auch das gesamte Verfahren zu automatisieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. System zur Erzeugung und Selbstkontrolle des Kurvenverlaufs von Spannung oder Strom beim elektrolytischen. Einfärben von eloxiertem Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullpunkt einer symmetrischen Gleichstromquelle direkt an das einzufärbende Werkstück angelegt ist, während die positive und negative Spannung durch eine Leistungssteuerstufe geleitet ist, die aus einem Operationsverstärker besteht, dessen (positiver) nicht-invertierender Eingang an einen Signalgenerator angeschlossen ist, und an dessen (negativen) invertierenden Eingang das Signal angelegt wird, das tatsächlich an den Elektroden im Elektrolyten existiert, wobei dieses Signal über eine Schaltung geleitet ist, in der es für Anoden- und Kathodenhalbwelle getrennt gemäß einem zeitlichen Programm in seiner Größe variierbar isL

2. SysteiB gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisiungsstcuerstufe aus zwei Hochleistungstransistoren besteht, von denen ein npn-Transistor den Anodenstrom und ein pnp-Transistor den Kathodenstrom steuert, wobei diese Transistoren derart geschaltet sind, daß die Verbindung der Emitter beider Transistoren die Speisung einer der Elektroden im Elektrolyten bildet, während die andere direkt an den Nullpunkt der Gleichstromquelle angeschlossen ist, und daß die Steuerung der Transistoren über einen Verstärker erfolgt, in d'*ni stets der Wert der an das Werkstück angelegten Spannung oder Stromstärke mit dem einer Bezugsspannung oder -Stromstärke verglichen wird, die in diesem Mr-ment an den Verstärker angelegt ist, wodurch der Opei ationsverstärker auf diese Werte der Spannung oder Stromstärke einwirkt und die Unterschiede zwischen denselben ausgleicht, so daß die an das Werkstück angelegte Wellenform mit der an den Verstärker angelegten Bezugswellenform identisch ist.

3. System gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Operationsverstärkers durch externe diskrete und in zwei Gruppen angeordnete Komponenten erfolgt, eine für die Steuerung der Anodenwelle und die andere für die Steuerung der Kathodenwelle, wobei diese diskreten Komponenten durch Programmierer gesteuert sind, und zwar einen für jede Halbwelle, so daß die Multiplikationsfaktoren des Bezugssignals kontinuierlich zeitveränderlich sind gemäß einer linearen oder nicht linearen Funktion, die für beide Halbwellen gleich oder verschieden sein kann.

4. System gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator des Bezugssignals ein Generator geringer Leistung ist, der sinusförmige, dreieckige und rechteckige Kurvenformen erzeugen kann mit kontinuierlich regulierbaren Frequenzen zwischen 0,1 Hz und 5 MHz mit der Möglichkeit einer asymmetrischen Kurvenform, einstellbarem Verhältnis zwischen Zeiträumen, in denen eine Spannung abgegeben wird bzw. in denen keine Spannung abgegeben wird, veränderlicher Relation zwischen den Anoden- und Kathodenwerten sowie der Möglichkeit einer Überlagerung einer Gleichspannungs- und einer Wechsclspannungskomponente.

5. System gemäß den vorhergehenden Ansprü

chen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Registriersystem vorgesehen ist, mit dem kontinuierlich alle Änderungen der elektrischen Parameter der Anoden- und Kathodenhalbwelle während des gesamten elektrolytischen Verfahrens grafisch aufzeichenbarsind.