Od Edisona do Krukowskiego – krótka historia liczników elektrolitycznych

Na początku lat 80. XIX wieku pojawiły się na rynku udoskonalone przez Edisona żarówki oraz wynalezione nieco wcześniej (w 1866 roku) przez Wernera von Siemensa prądnice. Spełnione zostały podstawowe warunki do zastosowania energii elektrycznej na większą skalę.

Pierwszymi odbiornikami były głównie urządzenia oświetleniowe, dlatego rozliczenia prowadzono według ilości posiadanych punktów świetlnych, mocy żarówek i ich szacunkowego czasu świecenia. Taki sposób wyrównywania rachunków nie mógł, oczywiście, na dłuższy czas zadowalać ani wytwórców, ani odbiorców energii elektrycznej. Stała się ona przecież towarem i sprzedawana była klientom podobnie jak węgiel, gaz, woda i inne media. Poza tym do żarówek dołączyły bardzo szybko inne odbiorniki, takie jak urządzenia grzejne i silniki, których obszary zastosowań powiększały się błyskawicznie. Dlatego też musiały zostać wynalezione odpowiednie przyrządy pomiarowe, za pomocą których można by prowadzić rozliczenia o wiele dokładniej. Zapotrzebowanie na taką właśnie aparaturę było w owym czasie olbrzymie.

Wielu inżynierów i fizyków w Ameryce Północnej i Europie skonstruowało wtedy pokaźną liczbę różnego rodzaju przyrządów pomiarowych, mierników zużycia i liczników elektryczności, z których tylko nieliczne znalazły praktyczne zastosowanie. Etiene de Fodor (dyrektor centralnej stacji energetycznej w Atenach) w roku 1891 wydał obszerne opracowanie „Mierniki zużycia energii elektrycznej”. W książce tej opisano szczegółowo niezwykłe i fascynujące konstrukcje, ale tylko kilka z nich zostało wykonanych i zastosowanych przez różne konsorcja energetyczne. Niemiecki badacz wynalazków W. Stumpner donosił, że do 1925 roku w samych tylko Niemczech wydano ok. 2000 patentów dotyczących liczników energii elektrycznej [1].

W XIX wieku znana była większość efektów, jakie powstają podczas przepływu prądu elektrycznego w przewodnikach i elektrolitach. Do najważniejszych z nich zaliczano działania cieplne i elektromagnetyczne (rys. 1) oraz świetlne i elektrochemiczne (rys. 2).

Rys. 1. Działania cieplne i magnetyczne prądu

Rys. 2. Działania świetlne i elektrochemiczne prądu

Efekty te próbowano wykorzystywać przy budowie urządzeń zliczających pobór energii elektrycznej. Ponieważ pierwsze generatory były maszynami prądu stałego, to okazało się szybko, że zjawisko elektrolizy nadaje się doskonale do skonstruowania licznika „elektryczności”. W taki sposób powstał cały szereg liczników elektrolitycznych, różniących się głównie stanem skupienia substancji osadzanej na ujemnej elektrodzie – katodzie.

Podstawy pomiarów energii elektrycznej z wykorzystaniem elektrochemicznego działania prądu

W roku 1834 genialny angielski fizyk i chemik Michael Faraday sformułował prawa elektrolizy [2]. Pierwsze z nich mówi, że ilość materiału osadzonego na katodzie podczas elektrolizy jest proporcjonalna do ładunku elektrycznego, który przepłynął przez elektrolit. Drugie ma natomiast następującą formę: masa pierwiastka osadzonego na katodzie, przy przepływie przez elektrolit określonego ładunku elektrycznego, jest proporcjonalna do jego masy atomowej i odwrotnie proporcjonalna do wartościowości.

Rys. 3. Michael Faraday w swoim laboratorium – akwarela Harrieta Moorea [3]

Pierwsze z praw wykorzystywane było dawniej do definiowania jednostki natężenia prądu elektrycznego – ampera. Urządzenie służące do tego celu nazywane jest woltametrem.

Licznik elektrolityczny Edisona

W roku 1881 Tomas Alva Edison zbudował pierwszy licznik elektrolityczny (rys. 5) i zastosował go z powodzeniem w praktyce. Składał się on z dwóch komór. W górnej znajdowały się dwie celki elektrolityczne, natomiast w dolnej zasadniczym elementem był bocznik, przez który przepływało 99,9% prądu odbiorników [4]. Naczynia, w których odbywała się elektroliza, napełnione były 20-procentowym roztworem siarczanu cynku (ZnSO4). W każdym z nich zanurzone były po dwie elektrody cynkowe. W dolnej komorze, oprócz bocznika, znajdowały się jak na owe czasy dosyć skomplikowane urządzenia (także opracowane i opatentowane przez Edisona).

Ponieważ przewodność elektrolitu w znacznym stopniu zależy od jego temperatury,to tuż pod komórkami elektrolitycznymi zamontowana została żarówka z włóknem węglowym, która szczególnie w niskich temperaturach miała ogrzewać elektrolit.

Regulacja następowała przez termometr bimetalowy. Oprócz tego stałość temperatury zapewniał termistor, włączony w szereg z ustrojem licznika. Podczas przepływu prądu na katodzie osadzał się cynk w ilości, w jakiej ubywało go na anodzie. W określonych odstępach czasu elektrody były wyjmowane i ważone. Z różnicy mas można było po pomnożeniu przez stałą licznika obliczyć zużytą przez klienta energię elektryczną.

Wspominany już Fodor wymieniał w swojej książce wiele cech pierwszego licznika Edisona, między innymi fakt, że do odczytu 200 takich liczników w ciągu jednego miesiąca trzeba było zatrudnić trzy osoby [1]. Jeżeli zakład energetyczny miałby wielu odbiorców, to liczba zatrudnionych inkasentów wpływałaby znacząco na cenę energii. Ironizując, można by powiedzieć, że liczniki Edisona byłyby dzisiaj doskonałym antidotum na likwidację bezrobocia, gdyż do obsługi 500 tys. sztuk trzeba by zatrudnić około 7500 osób.

Bardzo dużą wadą tego rodzaju liczników było to, że „wskazanie” należało pomnożyć przez tysiąc. Błędy ważenia odgrywały tu niebagatelną rolę. Wydano więc odpowiednie przepisy dotyczące tego procesu, a obsługa zaopatrzona została w niezwykle dokładne wagi, celem wyeliminowania najważniejszych źródeł błędów.

Ustalono też, że katoda będzie ważona co 14 dni, natomiast anoda co miesiąc. Istotną wadą pierwszych liczników było również to, że odbiorca nie mógł sam dokonać odczytu i nie miał praktycznie żadnej kontroli co do zużywanej energii. Dlatego też pod koniec XIX wieku liczniki te wyszły z użycia, mimo że Edison próbował je udoskonalać na różne sposoby.

Najbardziej znanym rozwiązaniem jest chyba to, które różnicę mas anody i katody przenosiło automatycznie na układ zliczający. Odbywało się to w taki sposób, że anoda i katoda zawieszone były na ruchomej belce. Jeżeli tylko nastąpiła zmiana ich mas, to cięższa elektroda zaczynała zanurzać się bardziej w elektrolicie. Ruch ten był przenoszony na kółka z cyferkami, podobnie jak ma to miejsce w dzisiejszych licznikach indukcyjnych. W następnych rozwiązaniach pomyślano również o tym, aby katoda i anoda zmieniały się automatycznie rolami. Tak więc żadna z nich nie obrastała nadmiernie, a druga nie traciła swej masy, gdyż po pewnym czasie anoda stawała się katodą, a katoda anodą.

Historia tego pierwszego licznika jest bardzo długa i z pewnością przekracza ramy jednego artykułu. Nawet po wycofaniu się z pomysłu licznika z osadem ze stałym stanem skupienia, idei liczników elektrolitycznych nie odłożono do lamusa. Należy również wspomnieć, że wynalazek licznika energii elektrycznej przez Edisona był częścią programu elektryfikacji nie tylko Nowego Jorku, ale i innych części Stanów Zjednoczonych.

Do 1881 roku w mieście zostały ułożone podziemne kable w systemie trójprzewodowym. W tym czasie Edison wynalazł także bezpieczniki, przyrządy pomiarowe i udoskonalone generatory elektryczne. 4 września wspomnianego roku ruszyła pierwsza na świecie publiczna elektrownia przy Pearl Street. Generatory były maszynami prądu stałego. Każdy, a było ich 6 – napędzany był turbiną parową. Ważyły po 27 ton i dostarczały po 100 kW mocy, co wystarczało wtedy na zasilenie około 1100 żarówek. 1 października 1882 roku sprzedawano energię 59 klientom. Rok później było ich już 513.

Do budowy elektrycznego systemu zasilania Edison wykorzystał w doskonały sposób model, który sprawdził się już uprzednio w przemyśle gazowym. W systemie elektrycznym funkcjonowały wszystkie jego ogniwa: centralna stacja (zbiornik gazu) – elektrownia, rurki gazowe – przewody elektryczne, liczniki gazowe – liczniki elektryczne, a lampy gazowe to żarówki [6, 7].

Pewnego razu ktoś zauważył, że pomiar objętości wydzielonej podczas elektrolizy substancji będzie o wiele prostszy niż skomplikowane ważenie. W taki sposób powstały liczniki, w których osadzająca się na katodzie substancja występowała w ciekłym lub gazowym stanie skupienia. Pierwszy licznik z osadem ciekłym skonstruował w roku 1900 Artur Wright. Był to elektrolityczny licznik rtęciowy. Pierwszy licznik, w którym na katodzie wydzielał się gaz był dziełem Charlesa Ormea Bastiana. Pochodził z 1898 roku i był licznikiem wodorowym [6].

Liczniki rtęciowe

Na początku XIX wieku zaczęto używać nowego wówczas systemu licznika elektrolitycznego, mającego jedną elektrodę rtęciową i jedną platynową. Elektrolitem był azotan rtęci (Hg₂NO₃). Liczniki te były udoskonaleniem liczników elektrolitycznych Edisona, po wygaśnięciu na nie ochrony patentowej. Wydzielona na katodzie podczas przepływu prądu rtęć kapała do wąskiej rurki pomiarowej, zaopatrzonej w podziałkę wyskalowaną najpierw w Ah, a następnie w Wh. W ten sposób objętość wydzielanej podczas elektrolizy rtęci zastąpiła skomplikowane ważenie, jakie występowało przy pierwszych licznikach elektrolitycznych.

Na rysunku 7 przedstawiono konstrukcję i schemat połączeń elektrolitycznego licznika rtęciowego. Najważniejszą jego częścią była dolna kapilara pomiarowa M, za którą przymocowana była skala. W części górnej rurka ta miała o wiele większą średnicę, tworząc tzw. komorę elektrodową, przedzieloną ścianą W z porowatego szkła.
W taki sposób powstały komora anodowa A i katodowa K.

Identycznie jak w przypadku licznika Edisona, komórka licznika rtęciowego była przyłączona równolegle do bocznika RN, przez który płynęło 99,9% prądu odbiorników. W szereg z anodą a włączony był dodatkowy opornik RV . Prąd licznika przy znamionowym obciążeniu wynosił 20 mA, a spadek napięcia na nim ok. 0,8 V.

Podczas przepływu prądu rtęć – tworząca anodę a – „wędrowała” do leżącego poniżej ścianki działowej platynowego poczernionego lejka, tworzącego katodę k. Z lejka spływała ona do rurki pomiarowej. Całkowite wypełnienie dolnej kapilary rtęcią odpowiadało osiągnięciu przez licznik jego zakresu pomiarowego. Przez przewrócenie go „do góry nogami” możliwe było wyzerowanie jego wskazań, gdy zgromadzona w rurce pomiarowej rtęć przepłynęła w całości z powrotem przez rurkę r do komory anodowej A.

Największe zastosowanie – i w związku z tym największe znaczenie – zyskały elektrolityczne liczniki rtęciowe produkowane w pierwszych dziesięcioleciach XX wieku przez niemiecką firmę Schott&Genossen z Jeny.

Otto Schott nie był elektrotechnikiem, lecz technikiem szklarstwa i chemikiem. Po studiach odbytych w kilku niemieckich uniwersytetach – m.in. w Aachen, Würzburgu i Lipsku – doktoryzował się na uniwersytecie w Jenie, w zakresie chemii szkła. Jego ścisła współpraca z fizykiem Ernstem Abbe doprowadziła do tego, że wraz z Roderichem i Carlem Zeissem założyli w Jenie laboratorium szklarskie, z którego powstała właśnie firma Schott&Genossen.

Przedsiębiorstwo zanotowało na swym koncie wiele sukcesów w zakresie produkcji szkieł różnego rodzaju. Przykładem tego może być produkcja szklanej części licznika rtęciowego. Używane do tego celu szkło musiało być niezwykle odporne na działanie czynników chemicznych i mechanicznych. Wytwarzanie korpusu licznika przyczyniło się do tego, że Otto Schott wszedł do historii elektrotechniki (skrót STIA określający ten rodzaj liczników powstał z pierwszej i ostatniej litery nazwiska Schott oraz pierwszej i ostatniej litery nazwy miasta Jena). Należałoby jeszcze dodać, że konstruktorem licznika rtęciowego był Max Grossmann.

Rysunek 8 przedstawia zachowane do dzisiaj elektrolityczne liczniki rtęciowe. Bardzo często można na nich spotkać napis Unter STIA. Oznacza to, że pracowały one u pewnego dużego odbiorcy energii elektrycznej, np. w domu wielorodzinnym i zliczały energię pojedynczych użytkowników. Nad nimi czuwał licznik zbiorczy, kontrolujący zużycie sumaryczne (gdyż kradzieży prądu nie wymyślono w dzisiejszych czasach).

Bardzo dużo liczników rtęciowych wyprodukowała również firma F. Lux z Ludwigshafen. Ich zaletą było to, że posiadały dwie rurki (dwa zakresy) pomiarowe i po napełnieniu się pierwszej z nich, o zakresie od 0 do 100 kWh, rtęć spływała samoczynnie do drugiej, o zakresie do 1000 kWh. Możliwe stało się więc rzadsze kasowanie wskazań – raz, do dwóch razy w roku.

Liczniki wodorowe produkcji Siemens-Schuckertwerke 

Z przedstawionego już opisu zasad działania liczników elektrolitycznych wynika, że w liczniku Edisona od anody do katody transportowany był cynk – osadzanie substancji następowało w stałym stanie skupienia. W licznikach STIA od anody do katody przenoszona była rtęć, ponieważ anoda wykonana była właśnie z rtęci. Nasuwa się więc wniosek, że aby na katodzie mógł osadzać się gaz, obydwie elektrody powinny być elektrodami gazowymi – wodorowymi.

Wielu uzdolnionych inżynierów i konstruktorów głowiło się nad tym, jak skonstruować takie elektrody. Olbrzymie zasługi na polu konstrukcji i udoskonalania liczników wodorowych miał polski inżynier, profesor Politechniki Lwowskiej Włodzimierz Krukowski (1887–1941). W latach 1912–1926 pracował on w Siemens-Schuckertwerke (SSW) w Norymberdze.

Ewenementem na skalę europejską było to, że w kraju takim jak Niemcy – w „ojczyźnie elektrotechniki” – zastępcą kierownika olbrzymiego jak na owe czasy laboratorium elektrycznego został obcokrajowiec. Było to w roku 1914, zaledwie rok po uzyskaniu przez Krukowskiego dyplomu inżyniera. Szczegółowa znajomość fizyki i elektrotechniki, znakomite powiązanie teorii z praktyką, zręczność w wykonywaniu precyzyjnych pomiarów i eksperymentów oraz wybitny zmysł konstruktorski został doceniony i 1 stycznia 1918 roku Krukowski awansował na kierownika laboratorium. Pod koniec tegoż roku zanotował jeszcze jeden olbrzymi sukces – w grudniu uzyskał stopień doktora za pracę z zakresu liczników i kompensatorów. Praca doktorska ukazała się w 1920 roku, jako pozycja książkowa wydana przez Springera. Wraz ze swoim zespołem Włodzimierz Krukowski opracowywał nowe rozwiązania, jak również udoskonalał już istniejące – i to zarówno w zakresie liczników indukcyjnych, jak i elektrolitycznych.

Zanim zakłady w Norymberdze zaczęły produkować liczniki wodorowe, znanych już było kilka ich rozwiązań. Pierwszy zastosowany w praktyce pochodził chyba od Holdena, który zgłosił i opatentował go w Anglii pod numerem 3327. Licznik ten miał jednak wiele wad, co eliminowało jego dalsze użytkowanie. Na rysunku 11 przedstawiono konstrukcję i schemat połączeń tego licznika. Nie różnił się on w zasadniczy sposób od opisanych uprzednio. Tu również 99,9% prądu przepływało przez bocznik,a tylko 0,1% przez ustrój licznika. Samo naczynie do elektrolizy przypominało kształt litery U o różnej wysokości i średnicy ramion.

To dłuższe, węższe, tworzyło rurkę pomiarową, w której znajdowała się katoda. Wydzielający się na niej wodór, wędrując do góry, spychał elektrolit do dołu. W krótszym i szerszym ramieniu znajdowała się anoda. Przed początkiem działania licznika, rurka pomiarowa była w całości wypełniana elektrolitem.  Komora anodowa wypełniana była cieczą tylko w pewnej objętości i to w taki sposób, że anoda stykała się zarówno z elektrolitem, jak też z wodorem znajdującym się w jej górnej części [14].

Zmyślna konstrukcja katody pozwalała na to, że również ona stykała się częściowo z elektrolitem i po części z wodorem. Obydwie elektrody były pokryte czernią platynową. Podczas przepływu prądu dodatni jon wodoru przemieszczał się w kwaśnym elektrolicie do katody, był tam zobojętniony i w postaci gazowej wznosił się do góry rurki pomiarowej.

Rysunek 12 przedstawia katodę wodorową Hatfielda, która w pewnym okresie zyskała duże zastosowanie. Była ona używana między innymi w wodorowych licznikach E2 produkcji SSW. Katoda ta składała się ze szklanej półkuli, zamkniętej platynową siatką o małych oczkach. Jeżeli tak ograniczoną przestrzeń wypełniano wodorem, tworzyła się elektroda wodorowa, gdyż czerń siatki tworząca właściwą elektrodę stykała się zarówno z elektrolitem, jak i z wodorem. Małe oczka siatki i związane z nimi siły kapilarne zapobiegały przedostawaniu się cieczy do wnętrza półkuli – przynajmniej w normalnych warunkach pracy. Podczas przepływu prądu wydzielony na katodzie wodór łączył się z wodorem zamkniętym wewnątrz elektrody. Następował wzrost ciśnienia gazu aż do momentu przekroczenia napięcia powierzchniowego cieczy największego z oczek. Wydzielony wodór wypływał wtedy w formie małego pęcherzyka do rurki pomiarowej.

Mimo prostoty budowy przedstawionej elektrody, i – jak się wydaje – braku wad takiej konstrukcji, nie była ona doskonała. Największą niedogodnością było to, że podczas transportu licznika, przy większych wstrząsach ciecz dostawała się do środka katody. Jeżeli licznik uruchomiony został w takim stanie, to ilość gazu odpowiadająca objętości cieczy, która dostała się do wnętrza, nie została zarejestrowana. W szczególnym przypadku, np. gdy cała objętość elektrody wypełniona została elektrolitem, wodór nie mógł się w niej zbierać, pozostając w roztworze. Licznik nie wskazywał wówczas praktycznie żadnego zużycia energii.

W 1915 roku Zakłady SSW zapoczątkowały produkcję liczników dwukierunkowych, mających zastosowanie przy pobieraniu energii z akumulatorów i przy ponownym ich ładowaniu. Można tu wspomnieć o takim szczególe technicznym, jakim było użycie dwóch elektrod siatkowych – dokładnie takich jak katoda Hatfielda. W tym samym roku rozpoczęto wytwarzanie licznika E1.

Licznik E1

Zasadniczym elementem odróżniającym ten licznik od licznika Hatfielda była zupełnie inna konstrukcja katody. Zaproponował ją pracujący w zespole Włodzimierza Krukowskiego Trümpler. Miała ona taką zaletę, że przy przestrzeganiu odpowiednich przepisów dotyczących instalacji, licznik zaczynał od razu zliczanie zużytej energii elektrycznej. Inaczej mówiąc, pozostawała ona nawet po transporcie katodą wodorową.

Rysunek 13 przedstawia przekrój przez dolną, szklaną część licznika E1. A – to poczerniona anoda, M jest rurką pomiarową, a G oznacza naczynie katodowe wraz z komorą katodową K. Katoda ukształtowana była w formie wydrążonego cylindra, którego wewnętrzną część pokrywała cienka, poczerniona, platynowa folia. Ujście wydzielonego podczas przepływu prądu elektrycznego wodoru następowało z owiniętej wokół górnej części katody rurki kapilarnej R1. Dolną część komory katodowej tworzyła zagięta pod kątem prostym rurka kapilarna R2 z wieloma otworami, pełniąca funkcję dławika.

Odpowiednie zwymiarowanie rurki R1 zapewniało to, że elektrolit wypełniał komorę katodową zawsze do krawędzi elektrody. Katoda zanurzona była tylko nieznacznie w elektrolicie, a jej większa część stykała się z gazem. Była więc elektrodą wodorową. Przed dławikiem R2 postawiono zadanie tłumienia ruchu cieczy, która mogłaby się przedostawać do wnętrza katody podczas transportu. Gdyby jednak do tego doszło, można było przy jej pomocy opróżnić katodę z nadmiaru elektrolitu.

Licznik E1 pracował w następujący sposób. Wydzielający się na katodzie wodór łączył się z tym, który ją wypełniał. Objętość gazu wzrastała, a poziom cieczy w komorze katodowej obniżał się. Ciśnienie wewnątrz kapilary R1 rosło, aż do momentu pokonania w niej siły kapilarnej zamykającej ją cieczy. Wtedy to gaz w postaci małego pęcherzyka unosił się do rurki pomiarowej M. W następstwie tego, elektrolit podnosił ponownie swój poziom, a jego szybkim ruchom zapobiegał dławik R2. Do pokrywania elektrod czernią używano w liczniku E1 rodu. Otrzymywano go także na drodze elektrolizy z jego chlorku. Prezentowany licznik dopuszczony był w Niemczech do użytku pod numerem systemowym 112.

Licznik E2

Licznik E2 różnił się od licznika E1 tym, że zastosowano w nim opisaną już katodę Hatfielda. Została ona jednak udoskonalona i nie wykazywała już opisanych wad. Rozwiązanie to zostało zaproponowane przez Kesslera, który był współpracownikiem Krukowskiego i wspólnie z nim publikował artykuły na temat liczników.

Na rysunku 14 przedstawiono przekrój przez dolną, szklaną część licznika (M oznacza rurkę pomiarową, łączącą się na dole z komorą katodową). Różnica w konstrukcji komory katodowej w porównaniu z komorą licznika E1 polegała na tym, że wychodziła z niej cienka rurka R, która kończyła się w komorze anody.

Podczas normalnej pracy była ona całkowicie wypełniona elektrolitem. Zastosowana kapilara służyła do opróżniania katody z płynu, który mógł się ewentualnie dostać do jej wnętrza podczas transportu licznika na miejsce jego montażu.

Przedstawione rozwiązanie zapewniało to, że licznik zaraz po instalacji mógł rozpocząć normalną pracę. Anodę stanowiła cienka platynowa folia, którą – w odróżnieniu od starszych typów liczników – wprasowywano na stałe do szklanego cylindra, co zapewniało jej bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną. Podobnie jak w każdym liczniku wodorowym, katoda była zanurzona częściowo w elektrolicie, a częściowo stykała się z wodorem. Elektrolitem, jak w poprzednich modelach liczników SSW, był 20-procentowy roztwór kwasu fosforowego H3PO4. Samo naczynie licznika wykonane zostało z bardzo odpornego na czynniki chemiczne szkła, a więc i kwas, co sprawiało, że liczniki te miały bardzo dużą żywotność.

Z komorą anodową połączone było jeszcze tzw. naczynie przelewowe U, które miało za zadanie utrzymywanie stałego poziomu elektrolitu. Wypchnięty przez wodór z rurki pomiarowej elektrolit przelewał się właśnie do tego naczynia.

Katoda i anoda ukształtowane zostały do najdrobniejszych szczegółów konstrukcyjnych, a doprowadzenia do nich wykonano przewodami zatopionymi w szkle (podobnie jak to ma miejsce w żarówkach).

Na rysunku 15a widoczna jest w całości szklana część licznika wraz z jej mocowaniem do metalowej płyty konstrukcyjnej, do której przykręcana jest również obudowa. Rozpoznać można m.in. przewody doprowadzające prąd oraz rurkę pomiarową i balon anody. Kapilara pomiarowa mocowana jest jeszcze raz na swym górnym końcu do płyty. Płyta ta jest jednocześnie elementem skali licznika. Taka konstrukcja zapewniała bezpieczeństwo podczas transportu. Na rysunku 15b widać cały licznik, wraz z zawieszeniem, umożliwiającym obrócenie licznika „do góry nogami”, celem jego wyzerowania.

Najważniejsze parametry techniczne licznika E2 przedstawiały się następująco. Spadek napięcia na jego zaciskach przy obciążeniu znamionowym ok. 0,5 V. Znamionowy prąd płynący przez komórkę elektrolityczną był zależny od  pojemności licznika i wahał się w granicach od 50 do 100 μA. Oporność pozorna samego ogniwa była stała i wynosiła ok. 100 Ω. Całkowita oporność licznika zwiększa się do 5 lub 10 kΩ, w zależności od oporności szeregowej, włączonej w obwód ustroju pomiarowego (komórki elektrolitycznej). Czas, po którym licznik osiągnął kres swojej pojemności to 180 lub 360 godzin pracy, przy znamionowym obciążeniu. Zakres pomiarowy w kilowatogodzinach wahał się – w zależności od prądu i napięcia znamionowego licznika – i wynosił zwykle 100-800 kWh. W szczególnych przypadkach zastosowań przytoczone dane mogły być zmieniane w dosyć szerokich granicach, np. dla dużego  natężenia prądu spadek napięcia na liczniku mógł zostać zredukowany do 0,1 V.

Licznik HE3

Firma Siemens-Schuckertwerke, w której od roku 1918 inż. Włodzimierz Krukowski pracował już jako doktor nauk technicznych, z dużą uwagą śledziła rozwiązania konstrukcyjne liczników elektrolitycznych, wspierała ich rozwój i nowatorskie opracowania. Przykładem tego może być licznik o symbolu HE3, opracowany w dużej mierze przez K. Kesslera. Zasadę jego działania można prześledzić na rysunku 16.

W stanie początkowym (rys. 16a) dolna rurka pomiarowa 1 wypełniona jest elektrolitem, natomiast górna 2, o dużej podziałce – wodorem. Wydzielający się podczas przepływu prądu gaz wznosi się od katody 16 w formie pęcherzyków do rurki pomiarowej 1

Z chwilą, gdy w dolnej rurce pomiarowej 1 poziom elektrolitu pokazuje 99 działek, słupek cieczy dochodzi do krawędzi spadku do grubszej rurki pomiarowej 2 (rys. 16d). Przy stanie 100 kWh (w dolnej rurce) elektrolit zostaje przepchnięty do rurki górnej i zajmuje położenie 100 (rys. 16e), a znajdujący się uprzednio pod nim gaz przechodzi przez rurkę wyrównawczą 3 do zbiornika zapasowego 14, podczas gdy kapilara 1 wypełnia się elektrolitem. Powraca ona zatem do stanu początkowego.

Powyższe przebiegi powtarzają się aż do osiągnięcia stanu 999. Z chwilą opuszczenia się cieczy w rurce 1 do poziomu 100 słupek elektrolitu 9 zostaje znowu przepchnięty do rurki 2 (stan 1000); rurka 2 jest wskutek tego odgrodzona od przejścia 3. W tym momencie całe ciśnienie rurki 1 działa na zawartość rurki 2 i powoduje przepłynięcie jej przez rurkę 13 do zapasowej komory 14. W ten sposób cały licznik wraca do położenia początkowego.

Napięcie na liczniku wynosi 0,9 V, a prąd między elektrodami 0,1 mA. Czas pracy przy obciążeniu znamionowym to ok. 1000 godzin. Przebiegi w rurce 1 zależą w małym stopniu od stanu elektrolitu w naczyniu zapasowym 14. Licznik był tak wyregulowany, że jego średni uchyb był równy zeru.

Uwagi końcowe

Od początku stosowania liczników elektrolitycznych (niezależnie od stanu skupienia produktu elektrolizy osadzającego się na katodzie), starano się przestrzegać trzech zasad:

• Elektroliza musiała odbywać się w zamkniętym naczyniu, tak aby nie mogło występować parowanie cieczy.
• Po wydzieleniu się określonej zakresem pomiarowym masy produktu elektrolizy, należało w najprostszy sposób przywrócić licznik do stanu wyjściowego, w celu umożliwienia dalszej jego pracy.
• Oporność licznika musiała być bardzo mała albo mieć przy wszystkich wartościach przepływającego prądu stałą wartość. Spełnienie tego warunku było konieczne, gdyż ze względów praktycznych liczniki takiego typu przyłącza się do zacisków bocznika, o czym już wspomniano.

Licznik o symbolu HE3 usuwał niedogodność związaną z punktem drugim. Po osiągnięciu całkowitego zakresu wskazań, wracał on samoczynnie do stanu początkowego. Osiągnięto to przez odpowiednie ukształtowanie naczyń szklanych i kapilar oraz odpowiednie połączenie ich między sobą [15].

Wodorowe liczniki elektrolityczne produkcji SSW należały do najlepszych tego rodzaju przyrządów na świecie. Działały jeszcze wiele lat po zakończeniu II wojny światowej w regionach, gdzie funkcjonowały sieci prądu stałego. Dopiero powszechne stosowanie prądu zmiennego w elektroenergetyce wyparło je całkowicie.

LITERATURA

[1] Bearbeitungen des Zählermuseums der Stadtwerke München Elektrizitätswerke. München-Schwabing, Franzstraβe 9

[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Faradaysche_Gesetze

[3] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c8/M_Faraday_Lab_H_Moore.jpg

[4] Jäger K.: Lexikon der Elektrotechniker. VDE Verlag GmbH, Berlin und Offenbach 1996

[5] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Edison_in_his_NJ_laboratory_1901.jpg

[6] http://www.zeno.org/Lueger-1904/A/Elektrizitätszähler+[1]

[7] http://de.wikipedia.org/wiki/Thomas_Alva_Edison

[8] http://www.google.com/patents?vid=251545

[9] Podstawy techniki licznikowej [w:] Pośmiertne wydanie prac W. Krukowskiego. PWN, Warszawa 1955

[10] http://www.google.pl/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/94/Otto_Schott.jpg

[11] http://www.thestorff.de/elektro-museum.php

[12] http://www.uibk.ac.at/exphys/museum/en/details/electr/stromz.html.de

[13] Polacy zasłużeni dla elektryki. Początki elektrotechnicznego szkolnictwa wyższego, pionierzy elektryki. Praca zbiorowa pod redakcją Jerzego Hickiewicza, PTETiS, Warszawa – Gliwice – Opole 2009

[14] Kessler K., Krukowski W.: Der Wasserstoff-Elektrolytzähler der Siemens-Schuckertwerke. Sonderdruck aus der Elektrotechnischen Zeitschrift 1925 Heft 35

[15] Krukowski W.: Grundzüge der Zählertechnik. Springer Verlag, Berlin 1930

AUTOR:
dr inż. Andrzej Przytulski, Politechnika Opolska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Instytut Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej