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.
Method for monitoring an electrolytic cell and device for
Perform this procedure
The present invention relates to a method for monitoring an electrolytic cell and a device for carrying out this method.
When operating electrolysis cells, the anodes must be readjusted from time to time. There is a risk that short circuits could occur which could damage the cells. Faults can also occur during normal operation that lead to short circuits and thus damage.
Attempts have therefore been made on various occasions to create monitoring devices that can detect the occurrence of short circuits, report them and automatically initiate corrective measures.
There are devices that measure the cell voltage as a criterion and trigger a signal when this measured value drops, or devices that determine the time differential quotient of the cell voltage and thereby report a message.
Experience has shown, however, that the existing facilities do not always guarantee the detection of short circuits, on the other hand external influences such as load drops, failure of rectifiers, trigger signals without a short circuit having occurred. In the case of cells with high currents in particular, the detection of faults is insufficiently selective and therefore unsatisfactory.
Other devices use the irregular gas separation on the graphite anodes, which occurs with a certain frequency, as a criterion. If a short circuit occurs, this effect disappears, which can trigger a message. Since the gas separation effect occurs only very weakly with metal anodes, the sensitivity is significantly lower.
The purpose of the invention is to avoid the disadvantages mentioned and to be able to create a method and a device for carrying out the method which are equally reliable for monitoring electrolysis cells with graphite or metal anodes.
According to the invention, the method is characterized in that the current-voltage characteristic of the electrolysis cells is determined by measuring the instantaneous cell voltage, by subtracting the constant amount of the polarization voltage of the cell from the measured cell voltage and by dividing this difference by the associated current intensity, that the determined characteristic with a predetermined nominal characteristic is compared and that a signal is triggered in the event of a discrepancy between the determined characteristic and the nominal characteristic.
The device for carrying out this method is characterized according to the invention by at least two measuring bridges assigned to the electrolysis cells, connected to supply terminals for the electrolysis cell, in each of which a group of anodes of the electrolysis cells forms a first branch, and a measuring resistor through which the electrolysis current of the group flows is arranged in a second branch and in the two other branches a counter voltage source or
a compensation resistor is connected, and in which a zero indicator is provided in the bridge diagonal, such that when the difference between the cell voltage and polarization voltage and / or when the voltage at the measuring resistor rises at the zero indicator, a voltage change proportional to the change in the quotient of the said difference and the change in electrolysis current occurs, which triggers this when the measuring bridge is balanced.
The method according to the invention is explained in more detail below using exemplary embodiments of monitoring devices. Show it:
1 shows the basic circuit diagram of a monitoring device for an electrolysis cell,
FIG. 2 operating characteristics of an electrolytic cell and a triggering characteristic of the monitoring device of FIG. 1,
3 shows the circuit diagram of a monitoring device for an electrolytic cell divided into several groups of anodes.
According to FIG. 1, the cell voltage Uz occurs at terminals E2 and E3 of an electrolysis cell, which is represented by its dynamic resistance Rd and its constant polarization voltage Up and is fed with the direct current I via a busbar. A measuring resistor Rm through which the current I essentially flows is arranged in the busbar, and the voltage that drops across the measuring resistor Rm and is proportional to the current can be tapped at the terminals El and E2. The measuring resistor Rm is expediently a piece of the busbar through which the current I flows immediately before the positive terminal of the electrolytic cell, i.e. H. ren anodes. The series connection of the electrolysis cell Rd, Up and the measuring resistor Rm form two series branches of a bridge arrangement connected into the busbar.
The other two branches of the bridge arrangement lying in series are formed by a compensation resistor Rk on the one hand and by the series connection of an adjusting resistor Re and a counter-voltage source Ug. A zero indicator N is connected in the diagonal of the bridge arrangement shown, which indicates whether the bridge is in equilibrium or not, and which can also perform a switching function, as will be described further below.
The compensation resistor Rk is provided to compensate for the temperature influence on the measuring resistor Rm, which has the effect of a temperature dependency of the measuring voltage dropping across the measuring resistor.
The compensation resistor Rk therefore expediently consists of a material with the same temperature coefficient as the material of the measuring resistor Rm, in particular the material of the busbar, e.g. B. made of copper like the busbar. In addition, it is advantageous to attach the compensation resistor Rk directly to the busbar section serving as a measuring resistor, electrically insulated from it, in order to achieve matching temperatures. This measure achieves sufficient accuracy of the current measurement.
The setting resistor Re, which in the illustrated embodiment is composed of an adjustable and a fixed resistor, serves to maintain the bridge equilibrium for a certain potential of the terminal E2, i.e. H.
set the nominal value for the zero indicator N. The fixed voltage of the counter-voltage source Ug is selected to be the same as the constant polarization voltage Up of the cell.
In Fig. 2, for example, the operating characteristics of a cell, i. H. the cell voltage Uz (volts) as a function of the current I of the busbar (kiloampere), shown for different anode positions of the cell. The operating characteristic 1 corresponds to the greatest ratio of the cell voltage to the current and is available when the anodes of the cell are not adjusted. The operating characteristic 2 corresponds to the lowest cell voltage that can be achieved for the same current values with optimally adjusted anodes. To monitor the cell and to detect a short circuit, the bridge arrangement shown in FIG. 1 should have a tripping characteristic 3, the inclination of which is not less, and advantageously somewhat greater than that of the minimum operating characteristic 2, as shown.
According to FIG. 2, the slope of the characteristics is given by the quotient AUlAl, which is equal to the dynamic resistance Rd of a cell, since the polarization voltage Up is constant. It can now be seen from FIG. 1 that the present bridge measuring arrangement measures the dynamic resistance Rd, i.e. H. the inclination of the operating characteristic of the cell is monitored, since the zero indicator N has a voltage that is proportional to a change in the cell voltage Uz reduced by the polarization voltage Up by means of the counter voltage source Ug and inversely proportional to a change in the voltage drop at the measuring resistor Rm, i.e. inversely proportional to a change of the cell current list, i.e. proportional to AUlAl = Rd, d. H. the slope of the respective operating characteristic.
In this case, the bridge arrangement can be adjusted by means of the resistor Re for a specific value of this quotient, below which the zero indicator should respond. An adjustment range H is shown in FIG. 2, for example.
If the voltage difference between the cell voltage and the polarization voltage or the current intensity changes in the cell as a result of a short circuit in the sense that the quotient AUlAl becomes smaller and falls below the preset value corresponding to the bridge equilibrium, the voltage on the zero indicator changes its sign and decreases a negative value so that the zero indicator responds and can issue a control command.
The present measurement principle has been explained with reference to FIGS. 1 and 2. Since the sum of the anode group currents of an electrolysis cell is constant or is kept constant, at least two anode groups, each with a measuring bridge, must be present for this monitoring.
In Fig. 3 a practical embodiment is shown schematically, which is based on an electrolysis cell 4 divided into several groups of anodes, each of the four groups shown has its own busbar, which feeds several anodes, not shown, within the group. Each group is assigned a measuring bridge of the type shown in FIG. 1, in which the target characteristic is specified. Each measuring bridge has a signal output which is linked to an output stage in such a way that a common signal is emitted when one of the measuring bridges responds.
A part of each measuring bridge is spatially assembled with the relevant group of anodes within the electrolysis cell 4. As in FIG. 1, each anode group is indicated by the dynamic resistance Rd and the polarization voltage Up and has the terminals E2 and E3.
The measuring resistor Rm designed as a busbar section is connected in the respective busbar between the terminals El and E2. A compensation resistor Rk, which is in thermal contact with the measuring resistor Rm, is connected to each terminal El. Lines from each compensation resistor Rk and each terminal E2 and E3 lead via fuses S to connection terminals of a monitoring device 5 which is set up spatially separated from the electrolytic cell 4.
The monitoring device 5 contains a number of device circuit parts MNV, the number of which is equal to that of the anode groups and which are connected via the fuses S to the associated anode groups. Each circuit part MNV contains the remaining elements of the measuring bridge of FIG. 1, namely the counter-voltage source Ug, the setting resistor Re and the zero indicator N.
Furthermore, an amplifier is provided in each circuit part MNV. The signal outputs of all circuit parts MNV are connected to inputs of an OR gate 0 is connected to a switching device SG, the indicated switching contacts of which are connected to output terminals 6 of the monitoring device 5. The monitoring device 5 is supplied with AC voltage via feed lines 7 to feed the circuit parts MNV, the OR gate 0 and the switching device SG. In order to achieve a galvanic separation of the supply lines 7 from the circuit parts MNV, the supplied supply voltage is advantageously supplied via a transformer and then rectified in the circuit parts MNV to generate the required DC voltages. The circuit part MNV expediently controls a multivibrator for the transformer transmission of the output signal to the gate 0.
The counter-voltage sources Ug of FIG. 1 can be designed as Zener diodes. The switching device SG separates the circuits of the monitoring device 5 from the output terminals 6. Any signal or control device can be connected to the terminals 6.
The zero indicators provided in the circuit parts MNV can be designed in any manner known per se, for example as electromagnetic zero indicators of the type of a pointer instrument or as electronic zero indicators, and when the input signal of the zero indicators starts from zero with a balanced measuring bridge in the direction which changes one polarity or reaches the zero value from the other polarity, should emit an output signal. It is useful to design each zero indicator and associated amplifier as a circuit unit, for example in the form of a flip-flop.
If, as already mentioned with reference to FIG. 1, the voltage difference between the cell voltage and the polarization voltage of the group in question or the current intensity to the anode group changes in one or more of the anode groups or the quotient of these two variables, the input signal also changes of the zero indicator in the associated circuit part MNV. When the input signal reaches the zero value corresponding to the set zero balance of the measuring bridge or, depending on the design of the zero indicator, exceeds this zero value, the circuit part MNV emits an output signal that actuates the switching device SG via the OR gate 0.