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Elektrochemischer Analogspeicher für digitale oder analoge Eingangssignale
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Analogspeicher für digitale oder
analoge Eingangssignale, insbesondere eine elektrolytische Zelle mit einem mit Elektrolyt
gefüllten Gefäß, in das zwei Elektroden ragen, auf die die Eingangssignale gegeben
werden und bei der die Messung des Analogwertes auf Grund der Verschiebung eines
Flüssigkeitsspiegels erfolgt.
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Im Zusammenhang mit der Lernmatrix ist schon eine elektrochemische
Anordnung bekanntgeworden, die für die Kreuzungspunkte der Lernmatrix verwendet
werden kann. Bei dieser Anordnung bestehen die Kreuzungspunkte aus einer aus zwei
Elektroden gebildeten, abgeschlossenen Zelle, bei der die Elektroden aus Silber
bestehen, das mit Silberbromit überzogen ist, so daß beim Fließen eines Stromes
durch die elektrochemisch wirksame Bromitschicht sich Silberfäden von der Kathode
zur Anode ausbilden.
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Diese Anordnung arbeitet anders als die Anordnung gemäß der Erfindung.
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Die bekannten elektrolytischen Zähler sind ebenfalls elektrochemische
Analogspeicher für digitale oder analoge Eingangssignale. Die Bestimmung des Analogwertes
erfolgt bei diesen Zählern nicht durch eine Widerstandsmessung des Zelleninhalts,
sondern es läßt sich mit einem bzw. zwei zusätzlichen Kontakten im Gefäß nur ein
ganz bestimmter Analogwert feststellen, und zwar dadurch, daß ein mechanischer oder
ein Flüssigkeitskontakt geschlossen wird. Für jeden weiteren Analogwert wären zusätzlich
Kontakte bzw. Elektroden notwendig. Ein beliebiger Analogwert kann bei den bekannten
Anordnungen nur durch Beobachtung eines Flüssigkeitsspiegels, also visuell und nicht
elektrisch, festgestellt werden (deutsche Patentschriften 608 082, 877 044, 893
532).
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Mit der Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Anordnungen
vermieden werden, bzw. es soll überhaupt ermöglicht werden, beliebige Analogwerte
elektrisch zu messen.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß an das Gefäß über ein
Verbindungsrohr ein zweites mit Gas gefülltes Gefäß angeschlossen ist und daß in
dem Verbindungsrohr eine oder mehrere mit dem Elektrolyt und untereinander nicht
mischbare Flüssigkeiten stehen, in die je eine Elektrode ragt, und daß durch das
beim Stromdurchgang durch die Eingangselektroden entstehende Gas die Flüssigkeiten
im Verbindungsrohr verschoben werden und daß zwischen einer der beiden ersten Elektroden
und einer der Elektroden im Verbindungsrohr oder zwischen den Elektroden im Verbindungsrohr
eine durch den elektrochemischen Vorgang hervorgerufene, den Ein-
gangssignalen proportionale
Widerstands änderung meßbar ist.
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Dieser allgemeine Erfindungsgedanke läßt sich am besten an einer
einfachen Anordnung erläutern. In einem hermetisch abgeschlossenen Gefäß, das mit
flüssigem Elektrolyt vollständig gefült ist, sind zwei Elektroden angeordnet. An
dieses Gefäß ist über ein Verbindungsrohr,. in dem sich ebenfalls leitende, jedoch
mit der Elektrolytflüssigkeit nicht mischbare Flüssigkeit befindet, ein zweites
Gefäß angeschmolzen, das mit einem trägen Gas gefüllt ist. Leitet man durch den
Elektrolyt Strom, so bildet sich Gas, das im ersten Gefäß nach oben steigt und die
im Verbindungsrohr befindliche Flüssigkeit verschiebt. Ein Maß für die Verschiebung
und damit für den Eingangsstrom, der vorzugsweise digital ist, ist die Änderung
des Widerstandes der Anordnung, gemessen zwischen einer der Elektroden im Elektrolyt
und einer weiteren Elektrode in der zweiten Flüssigkeit.
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Auch andere elektrochemische Anordnungen lassen sich nach der Erfindung
angeben. Eine solche Anordnung arbeitet mit metallischen Niederschlägen, die sich
in einem galvanischen Bad beim Stromdurchgang an einer Elektrode absetzen. Auch
hier ist
die Widerstandserhöhung ein Maß für den Stromdurchgang.
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Eine weitere Anordnung beruht auf der anodischen Oxydation in einer
geeignet aufgebauten elektrolytischen Zelle.
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Die Erfindung wird nun beispielsweise an Hand der Figuren näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine Anordnung zur Digital-Analog-Wandlung und Informationsspeicherung,
F i g. 2 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1,.
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F i g. 3 eine Schaltungsanordnung, bei der die Anordnung nach F ig.
2 verwendet ist, F i g. 4 eine Vielfach-Anordnung zur Digital-Analog-Wandlung und
Informationssp eicherung, Fig. 5 eine andere Ausführungsform der Erfindung, die
mit elektrolytischem Niederschlag arbeitet, F i g. 6 eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, die mit anodischer Oxydation arbeitet.
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Die Anordnung nach F i g. 1 besteht aus zwei mit einem Rohr 3 verbundenen
Gefäßenl und 2. Das Gefäß 1 ist mit einem flüssigen Elektrolyt 4 gefüllt, und zwei
Elektroden 5 und 6 im Elektrolyt 4 sind über ihre Leitungen 5a und 6a mit der (nicht
gezeigten) Eingangsschaltung verbunden. Der Elektrolyt steht auch in einem Teil
des Verbindungsrohres 3.
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Anschließend an den Elektrolyten befindet sich im Rohr 3 eine bestimmte
Menge elektrisch leitender Flüssigkeit 7 mit hohem spezifischem Widerstand.
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Die Flüssigkeit 7 und der Elektrolyt 4 befinden sich an der Verbindungsfläche
8 in elektrischem Kontakt.
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Die beiden Flüssigkeiten sind bezüglich ihrer chemischen Eigenschaften
so gewählt, daß die Verbindungsfläche bestehenbleibt, ohne daß sich die Flüssigkeiten
vermischen. Das Gefäß 2 ist mit einem trägen Gas 9 gefüllt. Eine Elektrode 10 befindet
sich in der Flüssigkeit 7, und diese ist mit einer Leitung 10 a verbunden.
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Fließt ein Strom zwischen den Elektroden 5 und 6, so läuft ein elektrochemischer
Vorgang im Elektrolyt 4 ab. Wenn der Elektrolyt 4 eine schwache Säure, z. B. verdünnte
Schwefelsäure ist, so wird bei dem elektrochemischen Vorgang Wasserstoff und Sauerstoff
frei, die nach oben steigen und eine Gastasche 11 im Gefäß 1 bilden. Die Menge des
Gases ist proportional dem Strom über die Elektroden 5 und 6.
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Die Gastasche 11 bewirkt einen Gasdruck im Gefäß 1, der den Elektrolyt
4 aus dem Gefäß 1 heraus und in das Verbindungsrohr 3 drückt. Dadurch wird wiederum
die Flüssigkeit 7 in dem Rohr 3 verschoben und drückt das träge Gas 9 im Gefäß 2
zur am men. Die Wirkung hört auf, wenn der Strom abgeschaltet wird und der Druck
in der Tasche 11 und des trägen Gases 9 im Gleichgewicht sind.
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Die Menge des abgeschiedenen Gases kann aus der Stellung der Verbindungsfläche
8 in dem Rohr 3 bestimmt werden, indem man den Widerstand zwischen den Elektroden
5 und 10 mißt. Er besteht einesteils aus dem Widerstand des Elektrolyts 4 zwischen
der Elektrode 5 und der Verbindungsfläche 8 und andererseits aus dem Widerstand
der Flüssigkeit zwischen der Verbindungsfläche 8 und der Elektrode 10. Wenn sich
die Verbindungsfläche 8 in Richtung zum Gefäß 2 verschiebt, steigt der Widerstand
des Elektrolyts an, und der Widerstand der Flüssigkeit nimmt ab. Da jedoch der Elektrolyt
4 einen niedrigen Widerstand und die Flüssigkeit 8 einen hohen Widerstand hat, nimmt
der gesamte Widerstand zwi-
schen den Elektroden 5 und 10 ab, wenn sich die Verbindungsfläche
8 in Richtung des Gefäßes 2 verschiebt.
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Liegt der Eingangsstrom als digitaler Wert vor, so kann die Ausgangsgröße
als analoger Wert betrachtet werden, und die Anordnung nach Fig. 1 ist damit ein
Digital-Analog-Wandler. Da die Gastasche 11 auch nach dem elektrochemischen Vorgang
erhalten bleibt, kann der Analogwert auch zu einem späteren Zeitpunkt bestimmt und
abgenommen werden.
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Die Anordnung ist also ein Speicher für Analogwerte.
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Auf die Elektroden können sowohl analoge als auch digitale Werte gegeben
werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, mit der Anordnung digitale und/oder
analoge Informationen aufzunehmen und das Ergebnis zu speichern und die gespeicherte
Information als Analogwert auszugeben.
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In der Anordnung nach F i g. 2 sind getrennte Paare von Eingangs-
und Ausgangselektroden vorgesehen. Die Gefäße 12 und 13 sind mit dem Rohr 14 verbunden,
das eine Verengung 15 aufweist. Die hochohmige Flüssigkeit 16 befindet sich zwischen
dem Elektrolyt 17 und einer weiteren Menge niederohmiger Flüssigkeit 18, die ebenfalls
in dem Rohr 14 eingeschlossen ist. Das Gefäß 13 ist ebenso wie bei der Ausführung
nach Fig. 1 mit einem trägen Gas 19 gefüllt. Die Eingangselektroden 20 und 21 ragen
in den Elektrolyt 17 und die eine Ausgangselektrode 22 in die Flüssigkeit 16 und
die zweite Ausgangselektrode 23 in die Flüssigkeit 18.
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Bei dieser Anordnung dienen die Eingangselektroden, wie oben beschrieben,
dazu, eine Gastasche 24 im Gefäß 12 zu erzeugen. Die gespeicherte Information wird
durch Messung des Gesamtwiderstandes zwischen den Ausgangselektroden22 und 23 abgelesen.
Dieser hängt von der Stellung einer Verbindungsfläche zwischen zwei Elektroden ab.
In diesem Fall ist dies die Verbindungsfläche 25 zwischen den Flüssigkeiten 16 und
18. Die Verengung 15, die mit hochohmiger Flüssigkeit gefüllt ist, ist ein sehr
hoher Widerstand, der den Eingangsteil der Anordnung vom Ausgangsteil elektrisch
trennt und trotzdem die Flüssigkeiten mechanisch verbindet. Die niederohmige Flüssigkeit
18 kann die gleiche wie der Elektrolyt sein, z. B. eine schwache Säure.
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Als Elektrolyt ist jede leitende Flüssigkeit geeignet, die bei der
Elektrolyse Gase abscheidet, die genügend stabil und im Elektrolyt und in der hochohmigen
Flüssigkeit unlöslich sind. Als hochohmige Flüssigkeit kann jede leitende Flüssigkeit
verwendet werden, sofern diese sich nicht mit dem Elektrolyt mischt und sofern diese
keine Gase abgibt, wenn ein Strom durch sie geleitet wird. Jede wässerige Lösung
einer mineralischen Säure entspricht der ersten und eine beliebig konzentrierte
Lösung von Jodin-Chloroform der zweiten Forderung. Ein typischer Elektrolyt ist
eine Lösung von zehntelnormaler Schwefelsäure (0,1nH2SO4) in Wasser, und eine typische
hochohmige Flüssigkeit ist eine 0,10/oige Lösung von Jod in Chloroform.
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Die Anordnung nach F i g. 2 kann in einem Schaltkreis nach F i g.
3 verwendet werden. In diesem Schaltkreis werden digitale oder analoge Werte auf
den Eingang im Punkt X gegeben, und die gespeicherten Analogwerte können am Punkt
Y abgenommen werden.
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Die Schaltung nach F i g. 3 enthält ein Paar Transistoren T 1 und
T2 in Emitterschaltung. Die Widerstände
R20-22 und R22 23 entsprechen
den Widerständen zwischen den Eingangselektroden 20 und 21 und den Ausgangselektroden
22 und 23 nach F i g. 2.
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Ein bei X auf die Basis des Transistors T 1 gegebener Impuls schaltet
den Transistor T1 ab und den Transistor T 2 an, der so lange angeschaltet bleibt,
bis der Kondensator C über R22.28 + R wieder geladen ist. Durch das Laden und Entladen
des Kondensators C erhält man einen rechteckigen Ausgangsimpuls am Punkt Y. Die
Dauer dieses Ausgangsimpulses ist bestimmt durch die Geschwindigkeit, mit der sich
der Kondensator C wieder lädt. Diese Geschwindigkeit hängt wiederum ab von der Zeitkonstante
(R + R2223) C. Der rechteckige Ausgangsimpuls, der über R2o 21 entladen wird, bewirkt
den elektrolytischen Vorgang in der elektrolytischen Zelle und ändert dadurch den
Wert des Widerstandes R22 23. Jeder folgende Eingangsimpuls bei X hat deshalb einen
Ausgangsimpuls bei Y zur Folge, der zur Summe der vorhandenen Eingangsimpulse addiert
wird.
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Die Anordnungen nach den Fig.1 und 2 sind irreversibel, d. h., die
Analoginformation kann nur in einer Richtung geändert werden, d. h. zunehmen oder
abnehmen, da der elektrolytische Vorgang nicht umkehrbar ist.
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Die Anordnungen nach den F i g. 1 und 2 können für verschiedene Zwecke
eingesetzt werden, z. B. als Zähler in der Fertigung, wenn es verlangt ist, daß
nach bestimmter Betriebszeit ein Ausgangssignal auftritt. Als erstes Beispiel ist
es denkbar, daß jedesmal, wenn ein Werkstück die Prüfstrecke durchfährt, ein Impuls
gleicher Länge erzeugt wird, der, auf die Elektroden 5, 6 oder 20, 21 (F i g. 2)
gegeben, jeweils die gleiche Gasmenge erzeugt. Nach der gewünschten Werkstückzahl
ist genügend Gas abgeschieden, und dieses hat die Verbindungsfläche um einen bestimmten,
vorgegebenen Betrag verschoben. Als zweites Beispiel kann der Fall genannt werden,
bei dem ein Dauerstrom auf die Elektroden gegeben wird. In beiden Fällen wird das
Ausgangssignal dann abgegeben, wenn die vorgegebene Widerstandsänderung erreicht
ist. Bei sich wiederholenden Vorgängen kann die Anordnung auf mehrere gleiche oder
verschiedene Widerstände eingestellt werden.
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Eine weitere Anwendung der Anordnung nach F i g. 1 ist bei den sogenannten
lernenden Maschinen möglich. Das System sei so ausgelegt, daß ein Signal vom Punkt
A über Anordnungen nach F i g. 1 zu Punkt B oder C weitergeleitet werden kann und
daß zu Beginn die Möglichkeiten gleich sind, daß das Singal nach B oder C gelangt
und der Weg von A nach B sei gewünscht. Wenn nun eine Signalübertragung von A nach
B auftritt, so hat diese einen Impuls über die zentralen Elektroden zwischen A und
B zur Folge, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, daß der nächste Impuls
von A den Punkt B erreicht. Damit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, ein richtiges
Ergebnis zu erhalten, um so mehr, je mehr Impulse bereits von A nach B übertragen
wurden. Die Anordnung lernt so, immer mehr Impulse von A nach B und weniger von
A nach C zu übertragen.
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Die Irreversibilität, die oben erwähnt wurde, muß auch unter dem
Gesichtspunkt betrachtet werden, daß eine Rückstellbarkeit der Anordnung vorgesehen
werden kann. Dazu kann ein Auslaßventil im Gefäß 1 (Fig. 1) vorgesehen sein, durch
das die Gase ent-
weichen und die verbrauchte Flüssigkeit ersetzt bzw. die fehlende
nachgefüllt werden kann.
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Man kann aber auch zwei oder mehr solcher Anordnungen so anordnen,
daß sie einander kompensieren, wie es in F i g. 4 gezeigt ist.
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Die Anordnung nach F i g. 4 besteht aus drei Gefäßen 26, 27 und 28,
die mit den Rohren 29, 30 und 31 verbunden sind. Die drei Verbindungsrohre haben
einen gemeinsamen Punkt 32, der als kleines Gefäß ausgebildet ist. Jedes der Gefäße
26, 27 und 28 ist mit dem Elektrolyt 33 und die Verbindungsrohre 29, 30 und 31 und
das Gefäß 32 sind mit einer hochohmigen Flüssigkeit 34 gefüllt. Das Gefäß 26 hat
zwei Eingangselektroden 35 und 36, das Gefäß 27 zwei Elektroden 37 und 38 und das
Gefäß 28 die Elektroden 39 und 40. In den Verbindungsrohren 29, 30 und 31 sind die
Elektroden 41, 42 und 43 vorgesehen. Bei dieser Anordnung werden in den Gefäßen
26, 27 und 28 beim elektrolytischen Vorgang Gastaschen gebildet, und die Flüssigkeit34
bewegt sich in den drei Zweigen der Anordnungen so lange, bis ein Gleichgewichtszustand
zwischen den drei Gasdrücken eingetreten ist. Wenn nun in einem Gefäß der elektrolytische
Vorgang fortgesetzt wird und dabei die Flüssigkeit 34 in dem entsprechenden Verbindungsrohr
in Richtung zum Gefäß 32 bewegt wird, so wird die Flüssigkeit 34 in den anderen
beiden Verbindungsrohren in Richtung zu den zugeordneten Gefäßen gedrückt. Soll
nun die Wirkung in dem ersten Gefäß umgekehrt werden, so können dazu eines oder
beide der anderen Gefäße verwendet werden, um die Flüssigkeit34 in Richtung des
ersten Gefäßes zu bewegen.
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Die Anordnung nach Fig.4 ist besonders geeignet, um Informationen
von einer Mehrzahl von Eingabestellen zu bearbeiten, insbesondere dann, wenn die
Ausgangsinformation von der Informationsänderung einer Eingabestelle abhängt, deren
Information wiederum von anderen Eingabestellen abhängt. Beispielsweise liegt oft
die Aufgabe vor, daß eine Ausgangsgröße verlangt wird, die von der Wechselwirkung
von Temperatur und Druck oder anderen Faktoren abhängt, die alle zum Ergebnis beitragen.
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Andere Ausführungsformen der elektrolytischen Zelle, die zur Digital-Analog-Wandlung
und zur Speicherung verwendet werden können, sind in den F i g. 5 und 6 gezeigt.
F i g. 5 zeigt eine elektrolytische Zelle, in der der elektrochemische Vorgang ähnlich
wie bei der Galvanisierung verläuft. Eine dünne Platte 46 aus einem hochohmigen
Halbleiter-Werkstoff vom p-Typ - mit einer Trägerdiffusionslänge der gleichen Ordnungszahl
wie seine Dicke - ist mit angeformten, niederohmigen Stegen 47 und 48 versehen,
die aus Halbleiterwerkstoff vom p-Typ bestehen. Ein Gefäß 44 ist als hermetischer
Abschluß über der anderen Seite der Platte angebracht. In dem Gefäß 44 befindet
sich eine wässerige Kupfersulphatlösung; zwei Paare parallellaufender leitender
Streifen 49 a, 49 b, 49c und 49d sind auf der Oberseite der Platte 46 angebracht.
Jedes Paar der metallischen Streifen sitzt einem der negativen Stege 47 bzw. 48
gegenüber. Die Streifen sind leitend mit der Oberfläche des positiven Werkstoffes
46 verbunden. Anschlußdrähte 47 a und 48 a sind an den negativen Stegen 47 und 48
befestigt; ebenso hat jeder metallische Streifen einen Anschlußdraht. Eine Kupferanode
50 befindet sich im Elektrolyt über den metallischen Streifen 49a bis 49 d.
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Die Informationen werden als Impulse zwischen einem oder beiden der
Leitungen 47a und 48a und der Anode 50 angelegt. Wird ein Impuls an die Leitungen
47a und 50 angelegt, dann werden Elektronen von der n-p-Verbindungsstelle zwischen
dem n-Werkstoff 47 und dem p-Werkstoff 46 injiziert und diffundieren durch den p-Teil,
ohne sich wesentlich auszubreiten. Dadurch wird metallisches Kupfer an der Oberfläche
des p-Werkstoffes neben den metallischen Streifen 49 a und 49 b abgelagert. Nimmt
man an, daß eine genügende Trennung zwischen jedem Paar metallischer Streifen vorhanden
ist, dann wird die Ablagerung von metallischem Kupfer in der Umgebung des einen
Streifenpaares keine Wirkung auf ein danebenliegendes Streifenpaar haben. Die Information
ist jetzt als elektrolytisch niedergeschlagener Kupferfilm gespeichert, die den
Widerstand zwischen den Streifen 49a und 49b herabsetzt. Die Information kann als
Analogwert durch Messung des Widerstandes zwischen den Streifen 49 a und 49b abgelesen
werden.
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F i g. 6 zeigt eine einfache Zelle 51, in der der Stromdurchgang
zwischen einem Elektrodenpaar 52, 53 die Bildung einer anodisch oxydierten Schicht
auf einer der Elektroden bewirkt. Eine solche Oxydschicht beeinflußt die Kapazität
zwischen den Elektroden, und diese ist wiederum ein Maß für den Stromdurchgang durch
die Zelle. Werkstoffe, die in einer solchen Zelle verwendet werden, können reine
Aluminiumplatten für die Elektroden 51 und 52 und Elektrolyt aus einer borsauren
Ammoniaklösung sein.
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Es sind auch andere geometrische Anordnungen denkbar. Es können die
Gefäße und Verbindungsrohre geeignete Vertiefungen und Erhöhungen in keramischen
Werkstoff sein, wobei die Anordnung dann durch eine ebene Platte aus Glas oder keramischem
Material mit eingeschmolzenen Elektroden abgeschlossen wird.