CN101967659A - 铝电解槽电流分布在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝电解槽电流分布在线监测系统，属于铝电解技术领域包括：至少一套由等距压降测量叉或磁场探测传感器构成的测量装置；等距压降测量叉用于测量所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒的等距压降值；磁场探测传感器根据霍尔原理由阳极导杆或阴极钢棒周围的磁感应强度转换为与之成正比的电压值；与测量装置依次相连接的数据处理装置、无线网络以及上位机。本系统满足在高温、高粉尘以及高磁场强度的环境下的测量需求，系统的灵活性高，且有利于较远距离的信号传输；还可以实现多台铝电解槽的同时监测。

Description

铝电解槽电流分布在线监测系统

技术领域

本发明涉及铝电解技术领域，特别是涉及一种铝电解槽电流分布在线监测系统。

背景技术

铝电解槽中电流分布随着电解过程会发生变化，比如更换阳极、槽膛形状变化、槽底沉淀、阴极破损等。在焙烧过程中通过监测电流分布的变化，可以及时发现和调整阳极的接触状态，避免局部过热导致焙烧不均匀；在正常的点解过程中，通过测量电流分布，可以判断电解槽的运行状况。在铝电解槽焙烧和启动过程中，电流分布是否正常直接影响到焙烧和启动周期、以及完成的质量，所以实时监测铝电解槽的电流分布具有很重要的意义。

目前铝电解槽电流分布监测普遍采用下列方法：

(一)、通过每个班次人工测量一次铝电解槽阳极、阴极等距压降，通过手工记录，然后录入电脑进行离线分析；

(二)、采用测量导线连接等距压降测量叉和槽控箱或者电脑上的模数转换卡，实时采集、显示和上传数据；

(三)、采用安装电流互感器的方法实时监测电流分布情况。

在上述方法中，第一种方法虽可以实时监测电流的分布情况，但其缺点是无法实时反映出铝电解槽的电流分布情况，滞后效应较大，因此无法对铝电解槽的工作状态进行及时调整；且数据录入和数据分析方法原始，效率低。第二种方法虽然能够弥补第一种方法的不足，但是由于每个铝电解槽内阳极导杆和阴极钢棒的数量多达几十个，电解槽温度非常高，现场磁场干扰很强，会给信号连接、合理布线以及后期的调试工作带来很大的困难，因此无法保证测量的准确性。而最后一种方法，由于需要特殊定制超大容量的电流互感器，且测量点数太多，造成前期投资过大，无法在现场推广。

此外，前两种方法都忽略了测量部位温度差异对电流分布估计值产生的误差，而这个因素会对测量结果的准确性产生较大影响。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种片内谐波吸收结构。所述技术方案如下：

本发明的一种铝电解槽电流分布在线监测系统，包括：

至少一套测量装置；所述测量装置包括等距压降测量叉或磁场探测传感器；所述等距压降测量叉设置于待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒上，用于测量所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒的等距压降值；所述磁场探测传感器设置于待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒上，用于根据所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒周围的磁感应强度，将所述磁场信号转换为与之成正比的电压值；所述等距压降测量叉还包括温度传感器，用于测量所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒的温度值。

与所述测量装置相连接的数据处理装置；用于对所述测量装置直接测量得到的数据进行处理；

无线网络，用于将所述数据处理装置输出的信号发送至上位机；

上位机，用于监测铝电解槽的电流分布情况，并对所述铝电解槽电流分布在线检测系统进行设置。

本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统，所述数据处理装置包括嵌入式微处理器、与所述嵌入式微处理器相连接的滤波电路、实时时钟模块、A/D转换模块，以及与所述A/D转换模块相连接的滤波电路和温度测量电路；所述温度测量电路与所述温度传感器相连接；当所述测量装置为等距压降测量叉时，所述等距压降值和温度值通过所述A/D转换模块转换为数字信号后，由所述嵌入式微处理器根据预设的电阻值和基准温度进行信号修正；最终得到待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒的等效电流值。

当所述测量装置为磁场探测传感器时，所述电压值通过所述A/D转换模块转换为数字信号后，由所述嵌入式微处理器将电压值转换为等效电流值。

本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统，所述无线网络包括设置在所述数据处理装置上的无线通信模块、移动式路由器以及协调器；所述无线通信模块将所述数据处理装置输出的信号通过所述移动式路由器发射至所述协调器，再由所述协调器向所述上位机进行传输。

本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统，所述无线网络包括设置在所述数据处理装置上的无线通信模块、移动式路由器、固定式路由器以及协调器，所述无线通信模块将所述数据处理装置输出的信号通过所述移动式路由器传输至所述固定式路由器，再由所述固定式路由器转发至所述协调器，最后由所述协调器向所述上位机进行传输。

本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统，所述磁场探测传感器包括两片或四片型号相同的霍尔元件；所述霍尔元件相对设置于与待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒电流方向垂直的同一平面内，保证由所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒电流产生的磁场垂直穿过所述霍尔元件。

本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统，所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒外围设置封闭的导磁金属管，用于保证只有被测导体自身的电流产生的磁场穿过所述霍尔元件。

本发明提供的技术方案的有益效果主要包括以下几点：

1、本发明采用无线网络(如无线MESH网)替代传统的有线通讯网络，满足在高温、高粉尘以及高磁场强度的环境下的测量需求，降低了施工难度，提高了系统的灵活性，且有利于较远距离的信号传输；

2、本发明采用的无线网络的可扩展性强，可以实现多台铝电解槽的同时监测；

3、本发明的电流分布在线监测系统具有温度补偿功能，在测量装置采用等距压降测量叉进行导体等距压降值测量时，温度传感器测量被测导体的温度，系统根据阳极导杆或阴极钢棒的测量温度与基准温度的差异自动修正测量的等距压降值，并根据修正后的压降值计算出导体的电流值，从而大大消除因温度差异造成的电流分布估算误差；

4、本发明的电流分布在线监测系统还可以根据霍尔效应原理利用磁场探测传感器测量导体的电流值，且这种测量方式不用考虑阳极导杆或阴极钢棒的温度影响；此外，在磁场探测传感器外围加设导磁金属管，可以引导有用的磁场穿过线性霍尔元件，避免相邻的导体内电流产生的磁场对本导体磁场探测传感器产生的干扰，进而可以更为准确的计算导体流过的电流值；

5、本发明中的测量装置体积紧凑，可以直接安装在阳极导杆或者阴极钢棒上；

6、本发明的铝电解槽电流分布在线检测系统的采样周期可根据实际需要进行设定，其采样周期从1秒钟到数十天连续可调；

7、本发明的铝电解槽电流分布在线检测系统采用高温电池供电，在采样周期1分钟的情况下可以连续工作1年以上，保证了供电的连续稳定性，避免了频繁更换电池的工作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的铝电解槽电流分布在线监测系统结构示意图；

图2是本发明铝电解槽电流分布在线监测系统中测量装置为等距压降测量叉的实施例提供的中数据处理装置的结构示意图；

图3是本发明铝电解槽电流分布在线监测系统中测量装置为磁场探测传感器的实施例提供的中数据处理装置的结构示意图；

图4是本发明铝电解槽电流分布在线监测系统中导体与磁场探测传感器安装示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的铝电解槽电流分布在线检测系统主要包括三个主要部分：测量装置2、数据处理装置3、无线网络以及上位机6。

测量装置1可采用两种形式实现。

第一种为等距压降测量叉，该等距压降测量叉19沿用现有的等距压降测量方法，直接固定在待测导体1的铝电解槽的阳极导杆或阴极钢棒上。

由于铝电解过程的温度非常高，一般导杆的温度可以达到200℃，因此如果不考虑温度影响会给等距压降测量方式带来较大误差。为解决上述问题，本发明的测量装置2部分还包括温度传感器14，温度传感器14测量到的温度值用于对等距压降值进行修正，消除温度差异造成的电流分布估计误差，以精确计算出被测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒1的电流分布情况。

测量装置2的另一种实现形式为采用磁场探测传感器20进行测量。这种方式通过磁场探测传感器20进行测量监测待测导体1铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒周围的磁场强度间接测量电流分布情况。

下式为导体周围某点磁感应强度计算公式：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·I}{2\mathrm{\π}\·r}$

式中：

B：磁感应强度；

常数4π·10^-7

I：被测导体中流过的电流；

r：该点距导体中心的距离；

根据霍尔原理，下图中霍尔元件的输出电压与垂直穿过霍尔元件的磁感应强度成正比，即

u_h＝k·B

其中，k为一常数，与具体采用的器件信号有关。

显然，u_h与导体中流过的电流成正比。换言之，通过采集电压信号u_h就可以算出流过导体的电流I。

本发明中的磁场探测传感器20主要由两片霍尔元件构成，本实施例中选用的霍尔元件为霍尔传感器芯片21。上述霍尔传感器芯片21应选用量程相同、规格型号亦相同的器件：如高精度线性霍尔元件。磁场探测传感器20内部集成温度补偿电路，可以有效消除温度变化造成的微小测量误差；

测量时，两片或四片霍尔传感器芯片21应相对设置于与被测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒1电流方向垂直的同一平面内，每片霍尔传感器芯片21接受磁力线的面皆与被测阳极导杆或阴极钢棒1的电流方向平行，保证由待测阳极导杆或阴极钢棒1电流产生的磁场可以垂直穿过霍尔传感器芯片21。为便于安装设置，可以将霍尔传感器芯片21用金属框架根据被测导体的外围形状进行固定，并套装在被测的阳极导杆或阴极钢棒1的外围。完成一次测量后，磁场探测传感器20根据霍尔传感器芯片21接受导体周围的磁感应强度，将所述磁场信号转换为与之成正比的电压值进行输出。

与常规霍尔电流互感器相比，本发明采用的磁场探测传感器内部集成温度补偿电路，因此可以有效消除温度变化造成的测量误差；此外，本发明采用的磁场探测传感器测量范围宽，可以达到40kA，这是常规霍尔电流互感器无法实现；另外，本发明采用的磁场探测传感器体积小，重量轻，成本非常低，只需要2～4个霍尔传感器芯片和相应支架即可实现。

采用磁场探测传感器进行测量时，相邻的阳极导杆或阴极钢棒的磁场可能会互相干扰，引起磁场探测传感器测量误差。为解决这个问题可以在此磁场探测传感器中设置封闭的导磁金属管，将被测的阳极导杆或阴极钢棒以及设置在导体外部的霍尔传感器芯片封闭在其中，这样就可以保证只有被测导体自身的电流产生的磁场穿过设置在其上的两片霍尔传感器芯片，而其他导体磁场的磁力线被隔绝在外。

测量装置2的数量根据被测的铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒1的数量确定，根据测量现场的实际情况和测量需要可以任意扩展。

与测量装置2相连接的是数据处理装置3，用于对上述测量装置2直接测量得到的数据进行处理。

数据处理装置3主要包括嵌入式微处理器10、与所述嵌入式微处理器10相连接的电源模块11、实时时钟模块12、A/D转换模块18，以及与所述A/D转换模块18相连接的滤波电路15和温度测量电路16。

由测量装置2的等距压降测量叉测量得到的铝电解槽阳极导杆的等距压降信号和磁场探测传感器测量得到的电压信号经过滤波电路15滤波后送入A/D转换模块18转换为数字量输入嵌入式微处理器10。

当本发明采用等距压降测量方法，其测量装置2采用等距压降测量叉进行测量时，温度传感器测量14的温度信号通过温度测量电路16后也输入A/D转换模块18转换为数字量T_n输入嵌入式微处理器10。

嵌入式微处理器10根据测得的导杆温度信号T_n对阳极导杆的等效电阻进行修正，得到下列公式：

$R_n={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ref}}(1+\mathrm{\ϵ}(T_n-T_{\mathrm{ref}}))\·\frac{L}{S};$

式中：

Rn----被测铝电解槽阳极导杆的实际电阻值；

ρ_ref----25℃时被测铝电解槽阳极导杆的电阻率；

ε----电阻率的温度系数；

L----等距压降测量叉的两个电极的中心距离；

S----被测铝电解槽阳极导杆的截面积；

T_n----为第n个导杆的实际温度，

T_ref----基准温度。

嵌入式微处理器10根据测得的电压信号u_n，和修正后的被测铝电解槽阳极导杆的实际电阻值R_n即可计算出等效的电流i_n；

当本发明采用霍尔原理进行测量时，其测量装置2采用磁场探测传感器。磁场探测传感器测量得到的电压信号经过滤波电路15滤波后送入A/D转换模块18转换为数字量u_n输入嵌入式微处理器10。嵌入式微处理器10根据输入的电压信号u_n，和预先设定的系数k计算出被测的铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒的等效电流值i_n＝k×u_n。

与第一种等距压降测量方法测量铝电解槽阳极导杆和阴极钢棒的方式相比，第二种采用霍尔原理进行测量的方法可以直接根据预先建立的数学关系根据传感器输出精确在线电流值；此外，这种方法可以消除等距压降折算电流过程中导体温度变化造成的测量误差(当温度变化较大时，误差可能高达百分之几十)；另外，这种方法无需安装温度传感器进行温度补偿，结构简单；相比较等距压降测量叉来说，磁场探测传感器体积小，重量轻，具有很大的优势。

与嵌入式微处理器相连接的电源模块11包括高温电池和电压变换电路，完成数据处理装置的系统供电。

本发明中与数据处理装置输出端相连接的是无线网络，用于将数据处理装置3输出的信号发送至上位机6。嵌入式微处理器10输入的数据等效电流数据，连同预先写入的数据处理装置的设备编号、位置编号、温度、时间信息(年、月、日、时、分)等相关信息一起通过无线网络上传至上位机6。上位机6或操作人员可以根据传输的设备编号、位置编号以及时间信息立刻了解被测的每一根铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒的电流分布情况。

无线网络可以选用MESH网络。为提供网络运行的可靠性，降低施工难度，本实施例采用符合国际802.15.4标准的无线MESH网络(但不仅限于该标准)替代传统的有线通讯网络。无线网络主要包括设置在数据处理装置3上的无线通信模块、移动式和/或固定式路由器4以及协调器5。无线通信模块负责上传数据并接受上位机6发送的指令，以完成参数的设置和查询操作。移动式路由器4安装在可移动式网络中继车上，该车可以根据测量任务的需要移动到被监测电解槽附近，实现铝电解槽上测量装置与数据处理装置的无线数据中继功能。如果测量装置2与数据处理装置3和上位机6的距离较远，则这些数据需要再通过安装在车间墙上的固定路由器4转发到协调器5上，协调器5将收到的数据通过有线通信接口形式传输到厂区放置装有数据采集软件的上位机6控制装置上。

另一种数据传输的方式：测量装置2与数据处理装置3通过车间的无线局域网，将数据上传到工区办公室的网络数据收发器上，再通过企业内部的有线局域网将实测数据与上位机6控制装置上的网络数据库之间实现双向传输。

综上所述，无线网络数据传输的途径有三种情况：

1)电流分布在线监测仪→移动式路由器→协调器→电脑→企业局域网→服务器(上位机)；

2)电流分布在线监测仪→移动式路由器→固定式路由器→协调器→电脑→企业局域网→服务器(上位机)；

3)电流分布在线监测仪→移动式路由器→固定式路由器→网络数据收发器→企业局域网→服务器(上位机)。

本发明的上位机可以只是一台计算机，也可以是包括计算机和与之相连的企业局域网和服务器。

上位机6的电脑或服务器上的数据采集/接口软件实现数据库和无线网络的连接，完成电流测量装置参数设置、数据接收、曲线绘制以及其它必要的设置工作。

以上是本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统的具体结构以及各部分的功能。

本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统本实施例的工作过程基本如下：

如测量装置采用等距压降测量叉，则首先确定测量装置的采样周期，每个采样周期完成如下工作：

1、查询采样周期到否？如果到，则转入2，；否则继续等待；

2、通过嵌入式微处理器唤醒A/D转换模块、无线通信模块、温度测量电路和等距压降测量卡具上的温度传感器；

3、延时2ms后开始进行等距压降信号、导杆温度信号、内部温度信号A/D转换；

4、嵌入式微处理器控制A/D模块、无线通信模块、内部温度测量电路、测量装置上的温度传感器进入休眠模式；

5、根据测得的导杆温度信号T_n对阳极导杆的等效电阻R(R＝铝的电阻率*L/S：L为测量叉上两个探针的距离；S为阳极导杆的截面积)进行修正，得到：

$R_n={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ref}}(1+\mathrm{\ϵ}(T_n-T_{\mathrm{ref}}))\·\frac{L}{S};$

式中：

Rn----被测铝电解槽阳极导杆的实际电阻值；

ρ_ref----25℃时被测铝电解槽阳极导杆的电阻率；

ε----电阻率的温度系数；

L----等距压降测量叉的两个电极的中心距离；

S----被测铝电解槽阳极导杆的截面积；

T_n----为第n个导杆的实际温度，

T_ref----基准温度。

6、根据测得的电压信号u_n，和修正后的实际电阻R_n计算等效的电流i_n；

7、通过MESH无线网络进行数据上传，上位机收到数据后，利用数据接口软件进行曲线绘制和数据显示；同时数据添加到特定的数据库中；

8、安装在服务器上的数据分析软件可以对数据进行管理、分析、报表、报警等；返回1。

如果测量装置采用磁场探测传感器，则需首先确定磁场探测传感器的采样周期，每个采样周期完成如下工作：

1、确认采样周期到否？到转(2)；否则继续等待；

2、通过嵌入式微处理器唤醒A/D模块、无线通信模块、内部温度测量电路、磁场探测传感器；

3、延时2ms后开始进行磁场探测传感器输出电压信号进行A/D转换；

4、嵌入式微处理器控制A/D模块、无线通信模块、磁场传感器进入休眠模式，以节省电池；

5、根据测得的电压信号u_n，和预先设定的系数k计算等效的电流i_n：i_n＝k×u_n；

6、通过MESH无线网络进行数据上传，上位机收到数据后，利用数据接口软件进行曲线绘制和数据显示；同时数据添加到特定的数据库中；

7、安装在服务器上的数据分析软件可以对数据进行管理、分析、报表、报警等；返回(1)。

此外，本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统具有丰富的自诊断功能。

首先可以对网络连接情况进行自诊断：每个采样周期均判断无线模块与无线网络的连接情况，当连续5个采样周期无法连接到无线网络时，为了节省电池，延长使用寿命，自动切断无线模块电源。

其次，本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统具有设备过热诊断功能：通过测量专职内部的温度传感器实时监视内部温度，当内部温度超过设定温度时通过上位机进行报警。

另外，本发明的铝电解槽电流分布在线监测系统具有电池电压低报警功能：当供电用高温电池电压低于设定电压值时，通过上位机进行预警，提示更换电池。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铝电解槽电流分布在线监测系统，其特征在于，包括：

至少一套测量装置；所述测量装置为等距压降测量叉或磁场探测传感器；所述等距压降测量叉设置于待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒上，用于测量所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒的等距压降值；所述磁场探测传感器设置于待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒上，用于根据所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒周围的磁感应强度，将所述磁场信号转换为与之成正比的电压值；所述等距压降测量叉还包括温度传感器，用于测量所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒的温度值；

与所述测量装置相连接的数据处理装置；用于对所述测量装置直接测量得到的数据进行处理；

无线网络，用于将所述数据处理装置输出的信号发送至上位机；

上位机，用于监测铝电解槽的电流分布情况，并对所述铝电解槽电流分布在线检测系统进行设置。

2.根据权利要求1所述的铝电解槽电流分布在线监测系统，其特征在于，所述数据处理装置包括嵌入式微处理器、与所述嵌入式微处理器相连接的电源模块、实时时钟模块、A/D转换模块，以及与所述A/D转换模块相连接的滤波电路和温度测量电路；所述温度测量电路与所述温度传感器相连接；

当所述测量装置为等距压降测量叉时，所述等距压降值和温度值通过所述A/D转换模块转换为数字信号后，由所述嵌入式微处理器根据预设的电阻值和基准温度进行信号修正；最终得到待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒的等效电流值；

当所述测量装置为磁场探测传感器时，所述电压值通过所述A/D转换模块转换为数字信号后，由所述嵌入式微处理器将电压值转换为等效电流值。

3.根据权利要求1所述的铝电解槽电流分布在线监测系统，其特征在于，所述无线网络包括设置在所述数据处理装置上的无线通信模块、移动式路由器以及协调器；所述无线通信模块将所述数据处理装置输出的信号通过所述移动式路由器发射至所述协调器，再由所述协调器向所述上位机进行传输。

4.根据权利要求1所述的铝电解槽电流分布在线监测系统，其特征在于，所述无线网络包括设置在所述数据处理装置上的无线通信模块、移动式路由器、固定式路由器以及协调器，所述无线通信模块将所述数据处理装置输出的信号通过所述移动式路由器传输至所述固定式路由器，再由所述固定式路由器转发至所述协调器，最后由所述协调器向所述上位机进行传输。

5.根据权利要求1所述的铝电解槽电流分布在线监测系统，其特征在于，所述磁场探测传感器包括两片或四片型号相同的霍尔元件；所述霍尔元件相对设置于与待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒电流方向垂直的同一平面内，保证由所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒电流产生的磁场垂直穿过所述霍尔元件。

6.根据权利要求5所述的铝电解槽电流分布在线监测系统，其特征在于，所述待测铝电解槽阳极导杆或阴极钢棒外围设置封闭的导磁金属管，用于保证只有被测导体自身的电流产生的磁场穿过所述霍尔元件。

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