CN104316757A - 一种铝电解阳极分布电流精确测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铝电解阳极分布电流精确测量仪，有助于提高阳极电流的测量精度。所述测量仪包括：微处理器、信号调理电路、A/D转换模块、温度采集模块、通讯模块、数据存储模块和电源模块；所述信号调理电路对电压信号进行处理，并通过所述A/D转换模块将其转化为数字电压信号接入所述微处理器的第一输入端；所述温度采集模块包括温度传感器和温度处理模块，所述温度处理模块将温度传感器采集的温度信号转换为数字温度信号接入所述微处理器的第二输入端；所述微处理器对接入的所述数字电压信号和数字温度信号进行处理，并将处理结果存储在所述数据存储模块中且通过所述通讯模块发送至上位机。本发明适用于铝电解技术领域。

Description

一种铝电解阳极分布电流精确测量仪

技术领域

本发明涉及铝电解技术领域，特别是指一种铝电解阳极分布电流精确测量仪。

背景技术

铝电解是一个复杂的电化学反应过程，要受到电场、磁场、热场、流场等多个物理场的耦合作用。铝电解生产条件的复杂性与生产环境的恶劣导致缺少对铝电解过程在线监测的方法和设备，而阳极电流是铝电解生产中的一个十分重要的数据，它与铝电解生产中的多种状况有着密切联系。首先，它可以直接反应阳极过电流现象；其次，阳极电流分布与极距、铝液浓度均有十分密切的关系。因此，实现铝电解阳极电流实时测量，为铝电解过程的控制提供可靠的数据依据，对铝电解工业具有十分重要的意义。目前，铝电解工业现场仍采用人工离线的方法测量阳极电流，使用测量叉测量等距压降，用改装的毫伏电压表读取数据。这种传统的检测方法不能同时对所有阳极导杆进行测量，工作效率低，数据滞后严重，工人劳动强度大。

国内对铝电解阳极电流的在线测量也进行了大量的研究，在2010年公开的发明专利申请CN 201594106 U介绍了一种使用霍尔测量头实时监测阳极电流的方法，通过数码显示电流大小，该装置虽然可以实现在线测量，但是未考虑相邻导杆对被测导杆的磁场影响，阳极电流测量误差大。

在2011年公开的发明专利申请CN 101967659 A采用磁场探测器将导杆周围的磁场转化为与之成正比的电压值，再通过预先设定值k计算出导杆电流，虽然封闭的导磁金属管可以避免相邻导杆的影响，但是安装复杂，并且现场的强磁场干扰仍然不能消除，导致阳极电流测量误差大，而且k的取值不易选取。

在2011年公开的发明专利申请CN 201924090 U采用等距压降法对阳极电流进行测量，该装置对应测量点的导杆电阻计算不准确导致阳极电流测量精度低。

在2013年公开的发明专利申请CN 202643863 U采用编码解码的方式直接对阳极导杆的等距电压信号进行传输，数据通过中央处理芯片的处理在显示器上显示，传输的数据只有四位有效位，并且无温度补偿措施，导致阳极电流测量精度低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铝电解阳极分布电流精确测量仪，以解决现有技术所存在的阳极电流测量精确低的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种铝电解阳极分布电流精确测量仪，所述测量仪安装在测量夹具上，该测量夹具安装在阳极导杆上，且所述测量夹具上设有等距压降测量点，所述测量仪包括：微处理器、信号调理电路、A/D转换模块、温度采集模块、通讯模块、数据存储模块和电源模块；

所述信号调理电路对等距压降测量点引出的电压信号进行处理，并通过所述A/D转换模块将所述电压信号转化为数字电压信号接入所述微处理器的第一输入端；

所述温度采集模块包括温度传感器和温度处理模块，所述温度处理模块将温度传感器采集的温度信号转换为数字温度信号接入所述微处理器的第二输入端；

所述微处理器对接入的所述数字电压信号和数字温度信号进行处理，并将处理结果存储在所述数据存储模块中且通过所述通讯模块发送至上位机；

所述电源模块与所述微处理器、信号调理电路、A/D转换模块、温度采集模块、通讯模块及数据存储模块相连。

可选地，所述测量夹具上设有两个测点作为等距压降测量点，且所述测量仪通过屏蔽线与测量夹具上的等距压降测量点相连，所述屏蔽线应尽量的短。

可选地，所述温度传感器安装在所述测量夹具上并紧贴所述阳极导杆表面。

可选地，所述信号调理电路包括放大电路及滤波电路。

可选地，所述放大电路采用二级放大电路，该放大电路包括精密仪表放大器和自稳零型运算放大器，所述精密仪表放大器作为前置运放，所述自稳零型运算放大器作为第二级运放。

可选地，所述第二级运放采用非反转放大器结构。

可选地，所述滤波电路为低通滤波器，在所述低通滤波器的连接电源处设有旁路电容。

可选地，所述测量仪还包括数字隔离器，所述数字隔离器与所述电源模块相连，且所述通讯模块、A/D转换模块与温度处理模块分别通过所述数字隔离器与所述微处理器隔离。

可选地，所述测量仪封闭在屏蔽盒中。

本发明实施例所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪安装在测量夹具上，该测量夹具安装在阳极导杆上，且所述测量夹具上设有等距压降测量点，所述信号调理电路对等距压降测量点引出的电压信号进行处理，并通过A/D转换模块将所述电压信号转化为数字电压信号接入所述微处理器的第一输入端；所述温度处理模块将温度传感器采集的温度信号转换为数字温度信号接入所述微处理器的第二输入端；所述微处理器对接入的所述数字电压信号和数字温度信号进行处理转化为阳极电流信号，并将该阳极电流信号存储在所述数据存储模块中备份且通过所述通讯模块发送至上位机，这样，通过等距压降测量点确定阳极导杆的电压信号能够消除磁场对电压信号的影响并通过所述温度采集模块对阳极导杆电阻值做温度补偿，从而提高阳极电流的测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的铝电解阳极分布电流精确测量仪的分布结构示意图；

图2为本发明实施例提供的铝电解阳极分布电流精确测量仪结构示意图；

图3为图2中信号调理电路12的具体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的放大电路图；

图5为本发明实施例提供的有源低通滤波电路原理图；

图6为本发明实施例提供的RS-485接口电路图；

图7为本发明实施例提供的电源模块总体框图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的阳极电流测量精确低的问题，提供一种铝电解阳极分布电流精确测量仪。

参看图1和图2所示，本发明实施例提供的一种铝电解阳极分布电流精确测量仪，所述测量仪1安装在测量夹具上，该测量夹具安装在阳极导杆2上，且所述测量夹具上设有等距压降测量点，所述测量仪1包括：微处理器11、信号调理电路12、A/D转换模块13、温度采集模块15、通讯模块16、数据存储模块17和电源模块14；

所述信号调理电路12对等距压降测量点引出的电压信号进行处理，并通过所述A/D转换模块13将所述电压信号转化为数字电压信号接入所述微处理器11的第一输入端；

所述温度采集模块15包括温度传感器151和温度处理模块152，所述温度处理模块152将温度传感器151采集的温度信号转换为数字温度信号接入所述微处理器11的第二输入端；

所述微处理器11对接入的所述数字电压信号和数字温度信号进行处理，并将处理结果存储在所述数据存储模块17中且通过所述通讯模块16发送至上位机5；

所述电源模块14与所述微处理器11、信号调理电路12、A/D转换模块13、温度采集模块15、通讯模块16及数据存储模块17相连。

本发明实施例所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪1安装在测量夹具上，该测量夹具安装在阳极导杆2上，且所述测量夹具上设有等距压降测量点，所述信号调理电路12对等距压降测量点引出的电压信号进行处理，并通过A/D转换模块13将所述电压信号转化为数字电压信号接入所述微处理器11的第一输入端；所述温度处理模块152将温度传感器151采集的温度信号转换为数字温度信号接入所述微处理器11的第二输入端；所述微处理器11对接入的所述数字电压信号和数字温度信号进行处理转化为阳极电流信号，并将该阳极电流信号存储在所述数据存储模块中备份且通过所述通讯模块16发送至上位机5，这样，通过等距压降测量点确定阳极导杆的电压信号能够消除磁场对电压信号的影响并通过所述温度采集模块对阳极导杆电阻值做温度补偿，从而提高阳极电流的测量精度。

本发明实施例中，可选地，所述测量夹具上设有两个测点作为等距压降测量点，用于阳极导杆2等距压降信号的引出，所述信号为电压信号，所述测量仪1通过高温屏蔽线与测量夹具上的等距压降测量点相连，为了减小传输过程中的信号衰减，所述屏蔽线应尽量的短。且为了防止铝电解槽3现场的磁场对所述测量仪1元器件的精度影响，整个测量仪1封闭在屏蔽盒中。

本发明实施例中，接入所述微处理器11第一输入端的是数字电压信号，采用等距压降法测量阳极电流时，还需要根据所述等距压降测量点之间的阳极导杆2电阻值来确定所述阳极电流值。然而，在铝电解槽3工作时阳极导杆2温度高达100度左右，会对阳极导杆2电阻值产生影响。

本发明实施例中，可选地，所述温度传感器151安装在所述测量夹具上并紧贴所述阳极导杆2表面，通过对所述等距压降测量点之间的阳极导杆2电阻值做温度补偿来消除铝电解槽3工作时阳极导杆2温度对阳极导杆2电阻值产生的影响。例如，可以采用PT100温度传感器作为温度测量元件，将PT100温度传感器安装在所述测量夹具上并紧贴阳极导杆2表面，所述PT100温度传感器采集的温度信号通过温度处理模块152转换为数字温度信号接入所述微处理器11的第二输入端，用于对阳极导杆2电阻值进行温度补偿，从而提高阳极电流测量精度。本发明实施例中，例如，温度处理模块152可以选用MAX31865芯片，该芯片内部集成15位的模数转换器(Analog to DigitalConverter，ADC)，它可以直接将采集的温度信号转换为所述微处理器11可以识别的数字信号。

本发明实施例中，为了减少测量夹具的空间，例如，可以将两个等距压降测量点之间的距离设定为10cm-15cm，阳极导杆2的等距压降电压信号理论估算值为0.761mV～2.173mV，为了把如此小的电压信号放大到A/D转换模块13可以感知的水平，必须使用放大电路对所述电压信号进行处理。

参看图3所示，本发明实施例中，可选地，所述信号调理电路12包括放大电路121及滤波电路122，通过所述放大电路121及滤波电路122对所述等距压降测量点引出的电压信号进行放大、滤波后接入所述A/D转换模块13。

参看图4所示，本发明实施例中，可选地，所述放大电路121采用二级放大，该放大电路121包括精密仪表放大器和自稳零型运算放大器，所述高精度仪表放大器作为前置运放，所述自稳零型运算放大器作为第二级运放。

本发明实施例中，例如，可以选用TI公司的INA129精密仪表放大器作为前置运放，能够减小共模信号干扰、减小噪声的引入，该前置运放采用差分式结构，将三个运放集成于一个芯片中，保证了差分运放的结构上的完全对称性，具有低失调电压、超低低偏置电流、超低温度漂移、高共模抑制比等优点。只需一个增益电阻R即可调节放大倍数范围从1——10000变化，采用高精度金属膜电阻作为前置运放的增益调节电阻。

本发明实施例中，例如，所述第二级运放可以采用Analog Devices公司的自稳零、轨到轨输出的运算放大器AD8638，该放大器具有极低的失调、漂移和偏执电流，在0.1Hz到10Hz之间电压噪声峰峰值仅为1.2μV。为提高放大器的输入阻抗，减小电阻的热噪声，本发明实施例中，可选的，所述第二级运放采用非反转放大器结构。本发明实施例中，例如，所述放大电路121的放大倍数可以为554，这样，运放的增益带宽积是一定的，采用二级放大电路，能够保证高增益下实现较宽的频带输出，保证放大后信号的线性度与不失真。

本发明实施例中，可选地，在所述放大电路121与所述A/D转换器之间设置滤波电路，能够防止混叠效应并有效地滤除高频噪声，可选的，所述滤波电路可以为防混叠低通滤波器(LPF)。根据文献资料以及现场经验，阳极电流的变化频率为0.5Hz左右，为了更好的滤除高频干扰并且更完整的复现阳极电流信号，可以设置所述滤波器的截止频率为10Hz，且可以采用三阶二级巴特沃斯(Butterworth)有源低通滤波电路，可选的，在所述滤波电路的连接电源处增加旁路电容，从而隔离了电源的交流噪声，该滤波电路原理图，参看图5所示。

本发明实施例中，所述滤波电路122输出的模拟信号经限幅电路输入到A/D转换模块13，由于等距压降电压信号较低(2mV左右)、测量精度要求高，按0.5级精度计算，则需要的A/D转化器的分辨率至少为12位，考虑到所述测量仪1的冗余性和性价比，例如，可以采用16位的A/D转换芯片，综合各方面因素，选用Analog Devices公司的AD7685芯片。该芯片为高速、低功耗、逐次逼近型A/D转换器，吞吐率高达250ksps，可满足20Hz的采样速率要求，且可实现16位无误码性能。

本发明实施例中，所述微处理器11对接入的所述数字电压信号和数字温度信号进行处理生成阳极电流信号。例如，所述微处理器11可以选用ST公司的高性能工业级微处理器STM32F407，该芯片内核为ARM公司的32位Cortex-M4处理器，集成了新的数字信号处理(digital signal processing，DSP)和浮点运算器(floating point unit，FPU)指令，最大时钟频率可达168M。微处理器11主要完成相关数据的处理以及与上位机5进行通信，例如，所述微处理器11将带有时间、阳极电流、阳极导杆2编号等多种信息的数据包传送给上位机5，同时可以通过所述上位机5对所述微处理器11进行控制。

本发明实施例中，所述数据存储模块17用以暂存微处理器11输出的各种数据作为备份，避免通信故障时所述数据的丢失，用以保证数据的完整性，还可以补充传输过程中的错误或遗漏的数据。例如，所述数据存储模块17可以采用存储容量为32Mb的SST25VF032B芯片，该芯片的时钟频率最高可达80MHz，存储速度快；擦除方便，可选择扇区擦除、32kB或64kB块擦除、整片擦除四种擦除方式；存储容量大，对于采样周期为0.05s的采集数据，可连续存储9个小时左右。

本发明实施例中，所述通讯模块16将带有时间、阳极电流、阳极导杆2编号等多种信息的数据包实时上传给上位机5，传送到上位机5的数据延迟不超过48秒；并可以通过所述上位机5对所述测量仪1进行控制以及对所有的阳极电流进行实时监测。本发明实施例中，例如，可以采用菊花链式总线方式的工业级RS-485传输所述数据包，并支持无限扩展，信号通信稳定。从微处理器11输出的阳极电流信号为TTL电平，需要通过电平转换芯片将其转换为符合RS-485通信标准的差分信号，参看图6所示，本发明实施例中，例如，可以采用SIPEX公司的SP485EEN高速USART芯片将所述阳极电流信号转换为符合RS-485通信标准的差分信号，驱动器和接收器的通讯速率可达10Mbps。

本发明实施例中，可选地，所述测量仪1还包括数字隔离器，所述数字隔离器与所述电源模块14相连，且所述通讯模块16、A/D转换模块13与温度处理模块152分别通过所述数字隔离器与所述微处理器11进行隔离，从而进一步保证所述测量仪1的测量精度和测量结果可靠性。

本发明实施例中，所述测量仪1需要测量的电压等级较多，且对电源的性能要求较高并且要求体积小、重量轻，例如，所述电源模块14可以采用高性能开关电源的形式为所述微处理器11、信号调理电路12、A/D转换模块13、温度采集模块15、通讯模块16、数据存储模块17及数字隔离器供电，根据供电需求，设计了四种等级的供电电路，该方案能很好的满足低压电路的需求，所述电源模块14总体框图，参看图7所示。所述测量仪1用电采用工频220V电压，经过开关电源和电压转换电路转换后为不同器件供电，所述220V电压直接从操控机电源引出，取电方便，无需经常更换电池。

参看图1和图2所示，本发明实施例中，所述测量仪1直接安装在测量夹具上，测量夹具安装在阳极导杆2上，且铝电解槽3的每根阳极导杆2上均安装有一个测量仪1。从阳极导杆2等距压降测量点引出的电压信号经过放大电路121的放大、滤波电路122滤波后经限幅电路和A/D转换模块13转换为数字电压信号，该数字电压信号通过数字隔离器接入到微处理器11第一输入端；同时所述温度处理模块152将温度传感器151采集的温度信号转换为数字温度信号通过数字隔离器接入所述微处理器11的第二输入端，用以对阳极导杆2电阻值做温度补偿；所述微处理器11对接入的所述数字电压信号和数字温度信号进行处理对阳极电流信号进行修正，所述阳极电流的测量精度高达0.32％。

本发明实施例中，每个铝电解槽3都设有一个集中器4，微处理器11输出的数据先经过RS-485通讯模块发送给本铝电解槽3的集中器4，经过集中器4的处理、集中后上传至上位机5。同时可以通过上位机5对测量仪1进行控制。每次采样完成时，微处理器11将带有时间、阳极电流、导杆编号、终端地址等数据传送给集中器4，并将所述数据存储至数据存储模块17中。所述测量仪1测量精度高、体积小、结构紧凑简单、成本低，外部物理接口均采用航空插头，方便拆卸，适合在工业现场大面积应用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种铝电解阳极分布电流精确测量仪，其特征在于，所述测量仪安装在测量夹具上，该测量夹具安装在阳极导杆上，且所述测量夹具上设有等距压降测量点，所述测量仪包括：微处理器、信号调理电路、A/D转换模块、温度采集模块、通讯模块、数据存储模块和电源模块；

所述信号调理电路对等距压降测量点引出的电压信号进行处理，并通过所述A/D转换模块将所述电压信号转化为数字电压信号接入所述微处理器的第一输入端；

所述温度采集模块包括温度传感器和温度处理模块，所述温度处理模块将温度传感器采集的温度信号转换为数字温度信号接入所述微处理器的第二输入端；

所述微处理器对接入的所述数字电压信号和数字温度信号进行处理，并将处理结果存储在所述数据存储模块中且通过所述通讯模块发送至上位机；

所述电源模块与所述微处理器、信号调理电路、A/D转换模块、温度采集模块、通讯模块及数据存储模块相连。

2.根据权利要求1所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪，其特征在于，所述测量夹具上设有两个测点作为等距压降测量点，且所述测量仪通过屏蔽线与测量夹具上的等距压降测量点相连，所述屏蔽线应尽量的短。

3.根据权利要求1所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪，其特征在于，所述温度传感器安装在所述测量夹具上并紧贴所述阳极导杆表面。

4.根据权利要求1所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪，其特征在于，所述信号调理电路包括放大电路及滤波电路。

5.根据权利要求4所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪，其特征在于，所述放大电路采用二级放大电路，该放大电路包括精密仪表放大器和自稳零型运算放大器，所述精密仪表放大器作为前置运放，所述自稳零型运算放大器作为第二级运放。

6.根据权利要求5所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪，其特征在于，所述第二级运放采用非反转放大器结构。

7.根据权利要求4所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪，其特征在于，所述滤波电路为低通滤波器，在所述低通滤波器的连接电源处设有旁路电容。

8.根据权利要求1所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪，其特征在于，还包括数字隔离器，所述数字隔离器与所述电源模块相连，且所述通讯模块、A/D转换模块与温度处理模块分别通过所述数字隔离器与所述微处理器隔离。

9.根据权利要求1所述的铝电解阳极分布电流精确测量仪，其特征在于，所述测量仪封闭在屏蔽盒中。