Verfahren zur Überwachung einer Elektrolysezelle und Einrichtung zur
Ausführung dieses Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Elektrolysezelle sowie eine Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Im Betrieb von Elektrolysezellen müssen die Anoden von Zeit zu Zeit nachgestellt werden. Dabei besteht die Ge fahr, dass Kurzschlüsse auftreten, welche die Zellen beschä digen könnten. Auch während des normalen Betriebes kön nen Störungen auftreten, die zu Kurzschlüssen führen und dadurch Schaden verursachen.
Es ist deshalb schon verschiedentlich versucht worden, Überwachungseinrichtungen zu schaffen, die das Auftreten von Kurzschlüssen feststellen, Meldung erstatten und selbsttätig Massnahmen zur Beseitigung einleiten können.
Es bestehen Einrichtungen, die als Kriterium die Zellenspannung messen und beim Abfallen dieses Messwertes ein Signal auslösen, oder auch Geräte, die den zeitlichen Differentialquotienten der Zellenspannung ermitteln und dadurch eine Meldung erstatten.
Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass mit den vorhandenen Einrichtungen die Erfassung von Kurzschlüssen nicht immer gewährleistet ist, anderseits aussenstehende Einflüsse, wie Lastabsenkungen, Ausfall von Gleichrichtern, Signale auslösen, ohne dass ein Kurzschluss eingetreten ist. Insbesondere bei Zellen mit hohen Stromstärken ist die Erfassung von Störungen zu wenig selektiv und daher unbefriedigend.
Andere Einrichtungen benützen als Kriterium die unregelmässige Gasabscheidung an den Graphitanoden, welche mit einer gewissen Frequenz auftritt. Beim Eintritt von Kurzschlüssen verschwindet dieser Effekt, womit eine Meldung ausgelöst werden kann. Da bei Metallanoden der Gasabscheidungseffekt nur sehr schwach auftritt, ist die Empfindlichkeit wesentlich geringer.
Zweck der Erfindung ist, die angeführten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens schaffen zu können, die zur Überwachung von Elektrolysezellen mit Graphit- oder Metallanoden gleich zuverlässig sind.
Erfindungsgemäss ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Spannungskennlinie der Elektrolysezellen durch Messen der momentanen Zellenspannung, durch Subtrahieren des konstanten Betrages der Polarisationsspannung der Zelle von der gemessenen Zellenspannung und durch Dividieren dieser Differenz durch die zugehörige Stromstärke ermittelt wird, dass die ermittelte Kennlinie mit einer vorgegebenen Soll-Kennlinie verglichen wird und dass bei einer Abweichung der ermittelten Kennlinie von der Soll-Kennlinie ein Signal ausgelöst wird.
Die Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch mindestens zwei der Elektrolysezellen zugeordnete, an Speiseklemmen für die Elektrolysezelle angeschlossene Messbrücken, bei welchen je eine Gruppe von Anoden der Elektrolysezellen einen ersten Zweig bildet, in einem zweiten Zweig ein vom Elektrolysestrom der Gruppe durchflossener Messwiderstand angeordnet ist und in die beiden übrigen Zweige eine Gegenspannungsquelle bzw.
ein Kompensationswiderstand geschaltet ist, und bei welchen in der Brückendiagonale ein Nullindikator vorgesehen ist, derart, dass bei sinkender Differenz der Zellenspannung und Polarisationsspannung und/oder bei steigender Spannung am Messwiderstand am Nullindikator eine der Änderung des Quotienten aus der genannten Differenz und der Elektrolysestromänderung proportionale Spannungsänderung auftritt, welche diesen bei abgeglichener Messbrücke auslöst.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen von Überwachungseinrichtungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Überwachungseinrichtung für eine Elektrolysezelle,
Fig. 2 Betriebskennlinien einer Elektrolysezelle und eine Auslösekennlinie der Überwachungseinrichtung der Fig. 1,
Fig. 3 das Schaltbild einer Überwachungseinrichtung für eine in mehrere Gruppen von Anoden aufgeteilte Elektrolysezelle.
Gemäss Fig. 1 tritt an Klemmen E2 und E3 einer Elektrolysezelle, die durch ihren dynamischen Widerstand Rd und ihre konstante Polarisationsspannung Up dargestellt und über eine Stromschiene mit dem Gleichstrom I gespeist ist, die Zellenspannung Uz auf. In der Stromschiene ist ein im wesentlichen vom Strom I durchflossener Messwiderstand Rm angeordnet, wobei an den Klemmen El und E2 die am Messwiderstand Rm abfallende, den Strom proportionale Spannung abgegriffen werden kann. Zweckmässigerweise ist der Messwiderstand Rm ein Stück der vom Strom I durch- flossenen Stromschiene unmittelbar vor der positiven Klemme der Elektrolysezelle, d. h. ren Anoden. Die Reihenschaltung der Elektrolysezelle Rd, Up und des Messwiderstandes Rm bilden zwei Reihenzweige einer in die Stromschiene geschalteten Brückenanordnung.
Die weiteren zwei in Reihe liegenden Zweige der Brückenanordnung sind durch einen Kompensationswiderstand Rk einerseits und durch die Reihenschaltung eines Einstellwiderstandes Re und einer Gegenspannungsquelle Ug gebildet. In die Diagonale der dargestellten Brückenanordnung ist ein Nullindikator N geschaltet, der anzeigt, ob sich die Brücke im Gleichgewicht befindet oder nicht, und der zudem eine Schaltfunktion ausüben kann, wie noch weiter beschrieben wird.
Der Kompensationswiderstand Rk ist dazu vorgesehen, den T°mperatureinfluss auf den Messwiderstand Rm, der sich in einer Temperaturabhängigkeit der am Messwiderstand abfallenden Messspannung auswirkt, zu kompensieren.
Zweckmässigerweise besteht deshalb der Kompensationswiderstand Rk aus einem Material mit dem gleichen Temperaturkoeffizienten, den das Material des Messwiderstandes Rm also insbesondere das Material der Stromschiene aufweist, z. B. aus Kupfer wie die Stromschiene. Zudem ist es von Vorteil, zur Erzielung übereinstimmender Temperaturen den Kompensationswiderstand Rk direkt auf dem als Messwiderstand dienenden Stromschienenabschnitt von diesem elektrisch isoliert anzubringen. Durch diese Massnahme wird eine ausreichende Genauigkeit der Strommessung erzielt.
Der Einstellwiderstand Re, der sich im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem einstellbaren und einem festen Widerstand zusammensetzt, dient dazu, das Brückengleichgewicht für ein bestimmtes Potential der Klemme E2, d. h.
den Sollwert für den Nullindikator N, einzustellen. Die feste Spannung der Gegenspannungsquelle Ug wird gleich gross wie die konstante Polarisationsspannung Up der Zelle gewählt.
In Fig. 2 sind beispielsweise die Betriebskennlinien einer Zelle, d. h. die Zellenspannung Uz (Volt) in Funktion des Stroms I der Stromschiene (Kiloampere), für verschiedene Anodenlagen der Zelle dargestellt. Die Betriebskennlinie 1 entspricht dem grössten Verhältnis der Zellenspannung zum Strom und liegt dann vor, wenn die Anoden der Zelle nicht nachgestellt sind. Die Betriebskennlinie 2 entspricht der kleinsten, für gleiche Stromwerte erreichbaren Zellenspannung bei optimal nachgestellten Anoden. Zur Überwachung der Zelle und zum Feststellen eines Kurzschlusses soll die in Fig. 1 dargestellte Brückenanordnung eine Auslösekennlinie 3 aufweisen, deren Neigung nicht kleiner, mit Vorteil, wie dargestellt, etwas grösser als diejenige der minimalen Betriebskennlinie 2 ist.
Die Neigung der Kennlinien ist gemäss Fig. 2 gegeben durch den Quotienten AUlAl, der gleich dem dynamischen Widerstand Rd einer Zelle ist, da die Polarisationsspannung Up konstant ist. Es ist nun aus Fig. 1 ersichtlich, dass die vorliegende Brückenmessanordnung den dynamischen Widerstand Rd, d. h. die Neigung der Betriebskennlinie der Zelle überwacht, da am Nullindikator N eine Spannung liegt, die einerseits proportional einer Änderung der um die Polarisationsspannung Up mittels der Gegenspannungsquelle Ug verminderten Zellenspannung Uz und anderseits umgekehrt proportional einer Änderung des Spannungsabfalls am Messwiderstand Rm, also umgekehrt proportional einer Änderung des Zellenstroms list, also proportional AUlAl = Rd, d. h. der Neigung der jeweiligen Betriebskennlinie ist.
Hierbei kann die Brückenanordnung mittels des Widerstandes Re für einen bestimmten Wert dieses Quotienten abgeglichen werden, bei dessen Unterschreiten der Nullindikator ansprechen soll. In Fig. 2 ist ein Einstellbereich H beispielsweise eingezeichnet.
Ändert sich nun in der Zelle infolge eines Kurzschlusses die Spannungsdifferenz zwischen Zellenspannung und Polarisationsspannung oder die Stromstärke in dem Sinne, dass der Quotient AUlAl kleiner wird und unter den voreingestellten, dem Brückengleichgewicht entsprechenden Wert sinkt, so ändert die am Nullindikator liegende Spannung ihr Vorzeichen und nimmt einen negativen Wert an, so dass der Nullindikator anspricht und einen Steuerbefehl abgeben kann.
Anhand der Fig. 1 und 2 ist das vorliegende Messprinzip erläutert worden. Da die Summe der Anodengruppenströme einer Elektrolysezelle konstant ist, bzw. konstant gehalten wird, müssen für die vorliegende Überwachung mindestens zwei Anodengruppen mit je einer Messbrücke vorliegen.
In Fig. 3 ist schematisch ein praktisches Ausführungsbeispiel dargestellt, welchem eine in mehrere Gruppen von Anoden aufgeteilte Elektrolysezelle 4 zugrunde liegt, wobei jede der vier dargestellten Gruppen eine eigene Stromschiene hat, die jedoch innerhalb der Gruppe mehrere nicht dargestellte Anoden speist. Jeder Gruppe ist eine Messbrücke der in Fig. 1 dargestellten Art zugeordnet, in der die Soll-Kennlinie vorgegeben wird. Jede Messbrücke weist einen Signalausgang auf, der mit einer Ausgangsstufe derart verknüpft ist, dass beim Ansprechen einer der Messbrücken ein gemeinsames Signal abgegeben wird.
Ein Teil jeder Messbrücke ist räumlich mit der betreffenden Gruppe von Anoden innerhalb der Elektrolysezelle 4 zusammengebaut. Wie in Fig. 1 ist jede Anodengruppe durch den dynamischen Widerstand Rd und die Polarisationsspannung Up angedeutet und weist die Klemmen E2 und E3 auf.
In die jeweilige Stromschiene ist zwischen den Klemmen El und E2 der als Stromschienenabschnitt ausgebildete Messwiderstand Rm geschaltet. An jede Klemme El ist ein Kompensationswiderstand Rk angeschlossen, der in Wärmekontakt mit dem Messwiderstand Rm steht. Leitungen von jedem Kompensationswiderstand Rk und jeder Klemme E2 und E3 führen über Sicherungen S zu Anschlussklemmen eines Überwachungsgeräts 5, das räumlich getrennt von der Elektrolysezelle 4 aufgestellt ist.
Das Überwachungsgerät 5 enthält eine Anzahl Geräteschaltungsteile MNV, deren Anzahl gleich derjenigen der Anodengruppen ist und die über die Sicherungen S mit den zugeordneten Anodengruppen verbunden sind. Jeder Schaltungsteil MNV enthält die übrigen Elemente der Messbrücke der Fig. 1, nämlich die Gegenspannungsquelle Ug, den Einstellwiderstand Re und den Nullindikator N.
Ferner ist in jedem Schaltungsteil MNV ein Verstärker vorgesehen. Die Signalausgänge aller Schaltungsteile MNV sind an Eingänge eines ODER-Gatters 0 ist mit einem Schaltgerät SG verbunden, dessen angedeutete Schaltkontakte mit Ausgangsklemmen 6 des Überwachungsgerätes 5 verbunden sind. Dem Überwachungsgerät 5 wird über Speiseleitungen 7 Wechselspannung zur Speisung der Schaltungsteile MNV, des ODER-Gatters 0 und des Schaltgeräts SG zugeführt. Um eine galvanische Trennung der Speiseleitungen 7 von den Schaltungsteilen MNV zu erreichen, wird die zugeführte Speisespannung mit Vorteil über einen Transformator zugeführt und dann in den Schaltungsteilen MNV zur Erzeugung der benötigten Gleichspannungen gleichgerichtet. Der Schaltungsteil MNV steuert zweckmässigerweise einen Multivibrator zur transformatorischen Übertragung des Ausgangssignals auf das Gatter 0.
Die Gegenspannungsquellen Ug der Fig. 1 können als Zener-Dioden ausgebildet sein. Das Schaltgerät SG trennt an sich die Stromkreise des Überwachungsgerätes 5 von den Ausgangsklemmen 6. An die Klemmen 6 kann eine beliebige Signal- oder Steuervorrichtung angeschlossen werden.
Die in den Schaltungsteilen MNV vorgesehenen Nullindikatoren können in beliebiger, an sich bekannter Weise ausgebildet sein, beispielsweise als elektromagnetische Nullindikatoren von der Art eines Zeigerinstrumentes oder als elektronische Nullindikatoren, wobei sie dann, wenn das Eingangssignal der Nullindikatoren vom Nullwert aus bei abgeglichener Messbrücke in der Richtung der einen Polarität ändert oder von der anderen Polarität aus den Nullwert erreicht, ein Ausgangssignal abgeben sollen. Zweckmässig ist es, jeden Nullindikator und zugehörigen Verstärker als Schaltungseinheit auszubilden, beispielsweise in der Art eines Flip-Flop.
Wenn sich, wie bereits anhand der Fig. 1 erwähnt, in einer oder mehreren der Anodengruppen die Spannungsdifferenz zwischen der Zellenspannung und der Polarisationsspannung der betreffenden Gruppe oder die Stromstärke zur Anodengruppe ändert bzw. der Quotient aus diesen beiden Grössen, so ändert sich auch das Eingangssignal des Nullindikators im zugehörigen Schaltungsteil MNV. Wenn das Eingangssignal den dem eingestellten Nullabgleich der Messbrücke entsprechenden Nullwert erreicht oder, je nach Ausbildung des Nullindikators, diesen Nullwert überschreitet, gibt der Schaltungsteil MNV ein Ausgangssignal ab, das über das ODER-Gatter 0 das Schaltgerät SG betätigt.