DE3200399C2

DE3200399C2 - Elektrolysezelle für Actinometer

Info

Publication number: DE3200399C2
Application number: DE19823200399
Authority: DE
Inventors: Shigeru Tokio/Tokyo Suga
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-09-29
Filing date: 1982-01-08
Publication date: 1985-08-08
Also published as: DE3200399A1; JPS61587B2; JPS5855763A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrolysezelle für Actinometer zur Messung von Lichtenergie. Die Elektrolysezelle (11) ist durch eine Trennwand (13) in zwei Bereiche unterteilt. Der eine dieser Bereiche ist ein nach unten führendes Glasrohr (12), in welchem sich der bei der Elektrolyse abgeschiedene Quecksilberfaden (19) sammelt. Am Boden des anderen Bereiches befindet sich Quecksilber, in das ein Platindraht als Anode taucht. Die Kathode besteht aus Kohlenstoff, vorzugsweise in Form einer dünnen Platte. Sie enthält einen vertikalen Hohlraum, in den ein zweiter Platindraht eingeführt ist. In diesem Hohlraum befindet sich Quecksilber, der den Platindraht elektrisch mit dem Kohlenstoff verbindet. Als Elektrolyt (21) dient eine Quecksilberjodidlösung. Das bei der Elektrolyse entstandene Quecksilber fällt sofort in Form von feinen Teilchen von der Kohlenstoffelektrode ab und sammelt sich am Boden des Rohres (12). Da das Quecksilber nicht einige Zeit am Kohlenstoff haftet und sich zu größeren Partikelchen agglomeriert, ist die Messung mit der Elektrolysezelle der Erfindung auch in der Anfangsstufe sehr genau.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrolysezelle für Actinometer zur Messung von Lichtenergie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei herkömmlichen Actinometern, die für lichtbeständige und wetterfeste Prüfgeräte verwendet werden, werden Silicium-Photozellen für die Bereiche der Lichtaufnahme eingesetzt. Ein Photostrom, der der Energiemenge entspricht, wird zu der Elektrolysezelle geführt. Die gesamte Energie wird dann aufgrund der Menge an Quecksilber bestimmt, die an der Kathode infolge der Elektrolyse von Quecksilberjodid im Elektrolyten abgeschieden wird.

In F i g. 1 ist die Bauweise einer herkömmlichen Elektrolysezelle, wie sie im Prinzip aus der USiPS 38 09 905 entnehmbar ist, dargestellt. Sie enthält eine Separatorwand 3 aus einem Glasfilter, die im oberen zentralen Bereich des Glasgefäßes 1 der Zelle angeordnet ist. Quecksilber 4 befindet sich im unteren Bereich der einen Seite und ein Rohr 5 erstreckt sich auf der anderen Seite nach unten. Es enthält den Elektrolyten 6 und abgeschiedenes Quecksilber 7. Auf der einen Seite des Glasgefäßes 1, die durch die Trennwand 3 abgetrennt Ist, bilden der Elektrolyt und das Quecksilber zwei Schichten. Ein Platindraht 8 erstreckt sich in die Quecksilberschicht und bildet die Anode. Auf der anderen Seite des Glasgefäßes 1 erstreckt sich ein Platindraht 9 in den Elektrolyten. Er stellt die Kathode 10 dar. Die anderen Enden der Platindrähte sind mit einer lichtaufnehmenden Einheit verbunden. Obwohl die Empfindlichkeit gering ist, können mit dem beschriebenen herkömmlichen Actinometer Messungen ausreichend genau durchgeführt werden, wenn es über längere Zeiträume benutzt wird. Wenn beispielsweise die von einer Kohlelichtbogenlampe, die als Lichtquelle für lichtbeständige und wetterfeste Prüfgeräte benutzt wird, abgestrahlte Energie gemessen wird, dan.i wird das Actinometer auf einem Probenhalter des Prüfgerätes befestigt und um die Lichtquelle rotiert Wenn das Licht eine Woche lang aufgenommen wird, erreicht der in den Kathodenraum abgeschiedene Quecksilberfaden eine Länge von etwa 7 mm. Bei Lichtaufnahme während eines Monats erreicht das abgeschiedene Quecksilber eine Länge von etwa 30 mm. In Abhängigkeit von dieser Länge kann deshalb die angefallene kumulierte Energie ermittelt werden.

Actinometer wurden bisher als Steuergeräte verwendet, wobei bei einer Abweichung der Intensität der Lichtquelle von den bestimmten Energiewerten die Lampe, welche die Lichtquelle darstellt, überprüft und so eingestellt wird, daß die Intensität des Lichts wieder in den bestimmten Bereich fällt.

Derzeit besteht jedoch wegen der Notwendigkeit, die Meßgenauigkeit zu erhöhen und Energie einzusparen, ein steigendes Bedürfnis nach der Entwicklung von Elektrolysezellen, mit denen Messungen in weniger als einem Tag durchgeführt werden können. Wenn mit einem herkömmlichen Actinometer eine Messung in einem Tag durchgeführt wird, dann ist die Länge des abgeschiedener Quecksilberfadens geringer als 1 mm, so daß genaue Ergebnisse kaum erhalten werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle für Actinometer zu schaffen, mit der genaue Ergebnisse durch Messungen innerhalb kurzer Zeit erhalten werden können. Diese Aufgabe wird bei einer Elektrolysezelle der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Verwendung von Kohlenstoff als Elektrodenmaterial bei einer Elektrolysezelle ist an sich aus der US-PS 10 69211 bekannt.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit auf der Grundlage des gleichen Prinzips wie im Stand der Technik könnte an eine Erhöhung der Zahl der Silicium-Photozellen oder an die Verwendung von Silicium-Photozellen mit höherer Empfindlichkeit (große Dimension) gedacht werden, um den Photostrom zu vergrößern und damit auch die Menge des abgeschiedenen Quecksilbers. Experimentell ist jedoch die Obergrenze der Stromdichte durch die Platinelektrode auf 1,25 mA/ 31,4 mm² = 0,4 A/cm² festgelegt. Wenn die Stromdichte diesen Wert übersteigt, ist die Beziehung zwischen der Energie und dem Strom nicht mehr linear. Eine einfache Erhöhung der Empfindlichkeit der Silicium-Photozellen führt also nicht zu einer Lösung des Problems, wenn die Elektrodenflächen nicht vergrößert werden. Dazu könnten Platinbleche anstelle von Platindrähten verwendet werden. Die Verwendung von Platinblechen ist

32 OO 399

jedoch nicht nur teuer, sondern ergibt noch eine größere Schwierigkeit: Wenn sich nämlich das Quecksilber an der Elektrodenoberfläche abscheidet, dann haften zunächst kleine Quecksilberteilchen an dem Platindraht in einer Art, als wenn der Platindraht benet>:t wäre. Diese feinen Quecksilberteilchen koagulieren dann zu kleinen Partikeln, die vom Draht abfallen und sich am Boden des Glasrohres ansammeln. Am Beginn der Elektrolyse sammelt sich also noch kein Quecksilber in der Quecksilberablage an. Messungen, die in kurzer Zeit durchgeführt werden, haben deshalb einen beträchtlichen Fehlergrad. Die Erscheinung der Quecksilberanhaftung wird mit dem Anstieg der Oberfläche der Platineiektrode zu einer beträchtlichen Schwierigkeit Deshalb wird, auch wenn das Problem der Stromdichte gelöst ist, die Genauigkeit in der Anfangsstufe der Elektrolyse weiter verschlechtert. Experimentell wurde jedoch bestätigt, daß bei Verwendung einer Kohlenstoffelektrode anstelle einer Platinelektrode die feinen Quecksilberteilchen, die abgeschieden werden, nicht zu klek.en Partikeln koagulieren, sondern in Form der feinen Teilchen abfallen.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird die Erscheinung des Anhaftens des Quecksilbers an der Überfläche der Eiektrode durch die Verwendung einer Kohlenstoffelektrode verhindert Diese ist in Form einer Platte ausgebildet, um die Oberfläche zu vergrößern. Dadurch ändert sich die Stromdichte in Abhängigkeit von der Menge an Lichtenergie. Die Kohlenstoffelektrode und der Platindraht sind über Quecksilber verbunden, um Fehler auszuschalten, die von einer mechanischen Verbindung zwischen dem Platindraht und dem Kohlenstoff herrühren könnten. Die Kohlenstoffelektrode ist in die Glaszelle eingeschlossen und wird an einem Teil des Platindrahts gehalten, um die Schwierigkeiten zu vermeiden, die bei einem direkten Einschließen des Kohlenstoffs in dem Glas entstehen können.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine herkömmliche Elektrolysezelle,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Elektrolysezelle gemäß der Erfindung,

Fig.3 eine Seitenansicht der Elektrolysezelle nach Fig. 2,

Fig.4 einen Schnitt durch die Kohlenstoffkathode und

F i g. 5 die Kohlenstoffkathode, gesehen von der Trennwand.

Eine Ausfühi ungsform der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Elektrolysezelle und Fig.3 eine Seitenansicht davon. In dieser Ausführungsform bildet ein Glasrohr 12 mit einem inneren Durchmesser von 2 mm dem unteren Bereich der Glaszelle 11. Das untere Ende des Glasrohr? 12 ist geschlossen. Der obere Bereich der Zelle wird durch eine Trennwand 13 aus einem Glasfilter in zwei Kammern geteilt. Mit Ausnahme der Oberseite ist die Trennwand mit den Wänden der Zelle verschmolzen. Das obere und untere Ende einer Kohlenstoffelektrode 16 sind mit der Trennwand durch einen Klebstoff verbunden. Ein Ende eines Platindrahts 15 ist in einen vertikalen Hohlraum 17 in der Kohlenstoffelektrode 16 eingeführt und taucht dabei in Quecksilber ein, das sich in dem Hohlraum 17 befindet. Dadurch ist der Platindraht über Quecksilber mit der Kohlenstoffelektrode verbunden. Das andere Ende des Platindrahts ist an der Oberseite der Zelle 11 abgedichtet und mit einer externen lichtaufnehmenden Einheit verbunden. In F i g. 4 ist zu erkennen, daß ferner ein enges durchgehendes Loch 17' ausgebildet ist, das die Elektrode im rechten Winkel zum Hohlraum 17 durchstößt Das enge durchgehende Loch 17' hat einen Durchmesser, der ein Fließen de« Elektrolyten erlaubt nicht jedoch das Fließen von Quecksilber. GemäG Fig.5 hat die Kohlenstoffelektrode die Form einer flachen Platte mit einem ausgeschnittenen Bereich 18 am unteren Ende. Quecksilber, das auf der Seite der

ίο Trennwand 13 abgeschieden wird, fällt durch den ausgeschnittenen Bereich 18 nach unten und führt zum Aufbau des Quecksilberfadens 19 im Rohr IZ Gemäß F i g. 2 ist Quecksilber in der Kammer auf der rechten Seite enthalten. Es kann nicht durch die Trennwand in die linke Kammer fließen. Ein Ende des Platindrahtes 14 taucht in das Quecksilber 20 ein und bildet die Anode. Das andere Ende ist an der Oberseite der Zelle 11 abgedichtet und außerdem mit der lichtaufnehmenden Einheit verbunden. Die Füllhöhe des Elektrolyten liegt etwas unter dem oberen Rand der Trennwand 13 und fast in gleicher Höhe wie das obere Ende der Kohlenstoffkathode 16. Der Elektrolyt und das Quecksilber werden durch die Spitze 22 der Zelle bei ihrer Herstellung eingefüllt Nach dem Einfüllen wird die Spitze 22 verschlossen. Der Platindraht ist mit der Kohlenstoffelektrode über Quecksilber verbunden, da bei einer einfachen mechanischen Verbindung des Platindrahtes mit der Kohlenstoffelektrode der Kontaktwiderstand zwischen dem Draht und dem Kohlenstoff in dem Elektrolyten sich im Verlauf der Zeit ändert, wie bei üblichen Elektroden festzustellen ist.

Nachstehend wird die Funktionsweise der Elektrolysezelle erläutert. Der Elektrolyt 21 besteht beispielsweise aus 34,1 g Quecksilber (Il)-jodid, 12,5 g Kaliumjodid nd 100 cm³ destilliertem Wasser. Die Länge des Quecksilberfadens 19 muß vor einer Messung bestimmt werden. Wenn das Quecksilber zu hoch ist oder wenn der Beginn der Messung von der Quecksilberhöhe Null aus gewünscht wird, wird die Elektrolysezelle umgedreht, so daß sich das gesamte Quecksilber an der Stelle 20 sammelt Die Elektrolyse beginnt, wenn ein Photostrom von der lichtaufnehmenden Einheit durch die Elektroden in die Elektrolysezelle fließt An der Anode wird Quecksilber in Quecksilberionen umgewandelt, die sich in dem Elektrolyten auflösen. An der Kathode werden Quecksilberionen zu metallischem Quecksilber entladen, das. sich auf der Oberfläche der Kohlenstoffelektrode abscheidet und in Form von feinen Teilchen herabfällt. Es sammelt sich als Quecksilberfaden 19 im Rohr 12. Das auf der Oberfläche der Kohlenstoffelektrode auf der Seite der Trennwand abgeschiedene Quecksilber fällt längs der geneigten Oberfläche durch den viereckigen Ausschnitt 18 am unteren Ende der Kohlenstoffelektrode in das Rohr 12. Bekanntermaßen ist die Menge des

ss abgeschiedenen Quecksilbers proportional der Menge des Photostroms, so daß die gesamte Lichtmenge (Wl cm²) aus der Länge des Quecksilberfadens 19 bestimmt werden kann, wenn die Elektrolysezelle an eine Photozelle angeschlossen und mit einer getrennten, bekannten Vorrichtung kalibriert ist, beispielsweise einer Standardlampe mit bekannter Strahlungsenergie.

Nachstehend wird die Füllung des vertikalen Hohlraums der Kohlenstoffkathode mit Quecksilber beschrieben. Fig.4 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die Kohlenstoffkathode und Fig. 5 ist eine Seitenansicht der Kohlenstoffkathode von der Seite der Trennwand. Zunächst hängt der Platindraht 15 in den Hohlraum 17, wobei der elektrische Kontakt zwischen dem

32 OO 399

Platindraht und der Kohlenstoffkathode schlecht ist. Beim Eingießen des Elektrolyten nach dem Aufbau der Elektrolysezelle füllen sich die Hohlräume 17 und 17' mit dem Elektrolyten und der Platindraht ist über den Elektrolyten elektrisch mit der Kohlenstoffkathode verbunden. Wenn unter dieser Bedingung ein Gleichstrom zugeführt wird, erfolgt Elektrolyse in dem System aus dem Platindraht in dem vertikalen Hohlraum, der Kohlenstoffelektrode und dem Elektrolyten. Dabei scheidet sich Quecksilber ab und sammelt sich in dem vertikalen Hohlraum 17 an. Dadurch wird der Platindraht über das Quecksilber elektrisch mit der Kohlenstoffkathode verbunden. Diese Maßnahme wird einmal nach der Herstellung der Elektrolysezelle durchgeführt. Beim folgenden Gebrauch scheidet sich das Quecksilber nur an der Oberfläche der Kohienstoffkaihode ab. nicht dagegen an dem Platindraht. Außerdem fließt das Quecksilber, wenn der Durchmesser des vertikalen Hohlraumes genügend klein ist, nicht aus ihm heraus, auch nicht, wenn die Zelle zum Leeren des Ouecksilberbehälters 19 umgedreht wird. Das Erfordernis der Verbindung des Platindrahts mit der Kohlenstoffkathode über Quecksilber ist damit erfüllt. Es kann auch durch Einfüllen von Quecksilber in den vertikalen Hohlraum 17 und anschließendes Einbringen des Plalindrahtes erreicht werden. Einfacher ist jedoch das erstgenannte Verfahren.

Die Füllhöhe des Elektrolyten in der Zelle soll so sein, daß das obere Ende der Kohlenstoffkathode gerade noch eintaucht, so daß sich kein Quecksilber am Platindraht abscheidet.

Die Elektrolysezelle hat folgende Wirkung beim Betrieb. Es werden Messungen unter Verwendung einer Kohlenstoffbogenlampe (Entladung bei 135 V und 16 A) eines lichtbeständigen, wellerfesten Prüfgeräts durchgeführt. Wenn das Licht unter Verwendung einer Silicium-Photozelle 10 Stunden lang aufgenommen wird, sammelt sich ein Quecksilberfaden von 15 mm Länge an. Nach 20 Stunden Lichtaufnahme beträgt die Länge des Quecksilberfadens 30 mm. Die beiden genannten Werte, die vollständig proportional sind, zeigen, daß das Quecksilber sofort nach der Abscheidung in Form von feinen Teilchen von der Kohlenstoffelektrode abfällt und daß eine Kohlenstoffelektrode in Form einer flachen Platte die Menge an abgeschiedenem Quecksilber erhöht ohne daß irgendwelche anderen Schwierigkeiten auftreten. Dagegen fällt beim herkömmlichen Verfahren das Quecksilber während der Anfangsstufe der Elektrolyse nicht ab, wodurch die Meßgenauigkeit verschlechtert wird. Durch Verwendung der vorgeschlagenen Elektrolysezelle kann jedoch dieser Nachteil überwunden werden. Unter der Annahme, daß die Ablesegenauigkeit der Länge des Queckiiiberfadens mit dem Auge 0,2 mm beträgt, hat die Messung eine Fehlergrenze von

55 (0,2:30) · 100% = 0,7%.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

60

65

Claims

32 OO 399 Patentansprüche:

1. Elektrolysezelle für Actinometer zur Messung von Lichtenergie, die durch eine Trennwand (13) in einen Anodenraum und einen Kathodenraum unterteilt wird, wobei sich am Boden des Anodenraumes Quecksilber (20) befindet, in das ein Platindraht (14) als Anode eintaucht, der Kathodenraum nach unten in Form eines unten geschlossenen Rohres (12) verlängert ist, der Elektrolyt (21) eine Quecksi'berionen enthaltende Lösung darstellt, und die Elektroden mit einer außerhalb der Zelle befindlichen, Licht aufnehmenden Einheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (16) aus einer Kohlenstoffelektrode in Form einer Platte besteht, die in ihrem oberen Teil einen Hohlraum (17) aufweist, der mit Quecksilber gefüllt Ut, in das ein Platindraht (15) eintaucht, der die Kathode (16) mit der das Licht aufnehmenden Einheit verbindet, und daß die Trennwand (13) aus einem für den Elektrolyten durchlässigen Glasfilter besteht, welcher am Boden und an den Seiten mit der Zelle verbunden ist, während an ihrer Oberseite ein Übergang vom Kathoden- zum Anodenraum offen ist

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (16) an ihrem oberen und unteren Ende mit der Trennwand (13) verbunden ist.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich der Kathode (16) eine Aussparung (18) vorgesehen ist, durch die das auf der der Trennwand (13) zugewandten Seite der Kathode (16) abgeschiedene Quecksilber in das Rohr (12) fallen kann.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode senkrecht zum Hohlraum (17) eine Bohrung (17') aufweist, die für den Elektrolyten, nicht aber für Quecksilber durchlässig ist.

5. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllhöhe des Elektrolyten nicht ganz bis zur Oberkante der Trennwand (13) reicht, jedoch die Oberseite der Kathode (16) gerade noch bedeckt.