CN105242098A - 基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，其特征在于，主要由中央处理器，分别与中央处理器相连接的恒流源模块、差分放大模块、显示器、模数转换模块和存储模块，与模数转换模块相连接的温度传感器，以及与差分放大模块相连接的电压采集模块组成。本发明设置有差分放大模块，其可以使采集到的电压信号更加清晰，以便于中央处理器进行识别，避免中央处理器出现错误识别而影响本发明的测量精度。

Description

基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪

技术领域

本发明涉及铝电解领域，具体是指一种基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪。

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。阳极电流是铝电解生产中的一个十分重要的参数，它与铝电解生产中的多种状况有着密切联系。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工作效率低，数据滞后严重，工人劳动强度大。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的铝电解阳极电流测量方法效率低、数据滞后、且劳动强度大的缺陷，提供一种基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪。

本发明的目的用以下技术方案实现：基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，主要由中央处理器，分别与中央处理器相连接的恒流源模块、差分放大模块、显示器、模数转换模块和存储模块，与模数转换模块相连接的温度传感器，以及与差分放大模块相连接的电压采集模块组成；所述恒流源模块则由前端变压整流滤波电路，与前端变压整流滤波电路相连接的功率校正电路，与功率校正电路相连接的降压变换电路，同时与功率校正电路和降压变换电路相连接的滤波电路，以及与降压变换电路相连接的电压反馈电路组成；所述滤波电路的输出端与中央处理器相连接，前端变压整流滤波电路的输入端接市电。

进一步的，所述差分放大模块由放大器P1，放大器P2，场效应管MOS1，三极管VT4，三极管VT5，N极经电阻R7后与放大器P1的正极相连接、P极接地的稳压二极管D5，N极经电阻R9后与放大器P1的正极相连接、P极则与放大器P2的输出端相连接的二极管D7，正极经电阻R8后与放大器P1的负极相连接、负极则与三极管VT4的发射极相连接的电容C6，N极与放大器P2的负极相连接、P极则与三极管VT4的集电极相连接的二极管D6，正极与场效应管MOS1的源极相连接、负极接地的极性电容C8，串接在场效应管MOS1的源极和三极管VT5的基极之间的电容C9，一端与三极管VT5的集电极相连接、另一端接地的电阻R10，以及负极与二极管D7的N极相连接、正极则与放大器P1的输出端共同形成该差分放大模块的输出端的电容C7组成；所述稳压二极管D5的N极和电容C6的正极共同形成该差分放大模块的输入端；所述三极管VT4的集电极接地、其基极则与放大器P2的输出端相连接；所述场效应管MOS1的栅极与放大器P2的正极相连接、其漏极则与电容C7的负极相连接；所述三极管VT5的发射极与放大器P1的输出端相连接；所述差分放大模块的输入端与电压采集模块的输出端相连接、其输出端则与中央处理器相连接。

所述的前端变压整流滤波电路由变压器T，二极管整流器U，一端与变压器T原边的电感线圈的同名端相连接、另一端则与变压器T原边的电感线圈的非同名端共同形成该前端变压整流滤波电路的输入端的熔断器FU，以及串接在二极管整流器U的正极输出端和负极输出端之间的电容C1组成；所述二极管整流器U的一个输入端与变压器T副边的电感线圈的非同名端相连接、其另一个输入端则与变压器T副边的电感线圈的同名端相连接；所述二极管整流器U的正极输出端与降压变换电路相连接、其负极输出端则与功率校正电路相连接。

所述的功率校正电路由三极管VT1，正极与二极管整流器U的负极输出端相连接、负极则与降压变换电路相连接的电容C2，串接在电容C2的负极和三极管VT1的基极之间的电阻R3，N极与电容C2的正极相连接、P极则与三极管VT1的发射极相连接的二极管D1，以及N极与电容C2的正极相连接、P极则与三极管VT1的集电极相连接的二极管D2组成；所述电容C2的正极还与滤波电路相连接；所述三极管VT1的集电极与降压变换电路相连接。

所述的降压变换电路由处理芯片U1，场效应管MOS，以及串接在处理芯片U1的PWM管脚和场效应管MOS的栅极之间的电阻R5组成；所述处理芯片U1的SW管脚与电容C2的负极相连接、其VIN管脚则与三极管VT1的集电极相连接、VDD管脚则与滤波电路相连接、COMP管脚和GND管脚均接地、SENSE+管脚则与电压反馈电路相连接、其SENSE-管脚则与二极管整流器U的正极输出端相连接；所述场效应管MOS的漏极同时与滤波电路和处理芯片U1的VDD管脚相连接、其源极则与电压反馈电路相连接。

所述滤波电路由三极管VT2，串接在电容C2的正极和三极管VT2的发射极之间的电阻R4，正极与三极管VT2的集电极相连接、负极则与场效应管MOS的漏极相连接的电容C5，以及N极与电容C2的正极相连接、P极则经电感L1后与场效应管MOS的漏极相连接的稳压二极管D3组成；所述三极管VT2的基极与处理芯片U1的VDD管脚相连接；所述稳压二极管D3的N极和P极共同形成该滤波电路的输出端。

所述的电压反馈电路由三极管VT3，正极与场效应管MOS的源极相连接、负极则与三极管VT3的发射极相连接的电容C4，一端与三极管VT3的集电极相连接、另一端接地的电阻R6，正极与场效应管MOS的源极相连接、负极则与三极管VT3的基极相连接的极性电容C3，以及N极与三极管VT3的基极相连接、P极则顺次经电阻R2和电阻R1后与处理芯片U1的SENSE+管脚相连接的二极管D4组成。

所述的处理芯片U1为SD42560集成芯片。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明可以实时的对铝电解阳极的电流进行检测，其检测效率高，实时性强，可以大大降低劳动强度。

(2)本发明具有温度补偿作用，其可以对阳极导杆电阻值做温度补偿来消除铝电解槽工作时阳极导杆温度对阳极导杆电阻值产生的影响，从而提高本发明的测量精度。

(3)本发明采用恒流源进行供电，可以提高本发明的稳定性。

(4)本发明设置有差分放大模块，其可以使采集到的电压信号更加清晰，以便于中央处理器进行识别，避免中央处理器出现错误识别而影响本发明的测量精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的恒流源模块的电路结构图。

图3为本发明的差分放大模块的电路结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的一种基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，主要由中央处理器，分别与中央处理器相连接的恒流源模块、差分放大模块、显示器、模数转换模块和存储模块，与差分放大模块相连接的电压采集模块，以及与模数转换模块相连接的温度传感器组成。

其中，电压采集模块用于采集阳极导杆上的电压信号，差分放大模块可以对采集到的电压信号进行处理使电压信号更加清晰，温度传感器则用于采集阳极导杆上的温度信号，模数转换模块用于把温度信号转换为数字电信号，中央处理器则作为本发明的处理中心，恒流源模块用于给本发明提供恒定的工作电流，显示器用于显示阳极的实时电流值，存储模块用于把测量到的电流值进行存储。该中央处理器采用深圳市伟博创科技有限公司生产的LPC1200系列微处理器。温度传感器则采用北京九纯健科技发展有限公司生产的JCJ100TLB型温度传感器。电压采集模块则采用深圳百斯特控制技术有限公司生产的VI-12系列电压采集模块。模数转换模块、显示器以及存储模块则采用现有技术即可实现。

工作时，电压采集模块采集阳极导杆上的电压信号并经差分放大模块处理后传输给中央处理器，同时温度传感器则采集阳极导杆上的温度信号，该温度信号由模数转换模块转换为数字电信号并传输给中央处理器。该中央处理器把数字电信号进行识别并根据检测到的温度对阳极电阻的温度进行补偿，计算出具体的电流值后发送给显示器和存储模块。

如图2所示，所述恒流源模块则由前端变压整流滤波电路，与前端变压整流滤波电路相连接的功率校正电路，与功率校正电路相连接的降压变换电路，同时与功率校正电路和降压变换电路相连接的滤波电路，以及与降压变换电路相连接的电压反馈电路组成；所述滤波电路的输出端与中央处理器相连接，前端变压整流滤波电路的输入端接220V市电。

所述的前端变压整流滤波电路把220V交流市电转换为15V平顺的直流电输出。其由变压器T，二极管整流器U，熔断器FU以及电容C1组成。

连接时，熔断器FU的一端与变压器T原边的电感线圈的同名端相连接、其另一端则与变压器T原边的电感线圈的非同名端共同形成该前端变压整流滤波电路的输入端。电容C1则串接在二极管整流器U的正极输出端和负极输出端之间。所述二极管整流器U的一个输入端与变压器T副边的电感线圈的非同名端相连接、其另一个输入端则与变压器T副边的电感线圈的同名端相连接。所述二极管整流器U的正极输出端与降压变换电路相连接、其负极输出端则与功率校正电路相连接。

所述的功率校正电路由三极管VT1，电容C2，电阻R3，二极管D1以及二极管D2组成。连接时，电容C2的正极与二极管整流器U的负极输出端相连接、其负极则与降压变换电路相连接。电阻R3则串接在电容C2的负极和三极管VT1的基极之间。二极管D1的N极与电容C2的正极相连接、其P极则与三极管VT1的发射极相连接。二极管D2的N极与电容C2的正极相连接、其P极则与三极管VT1的集电极相连接。所述电容C2的正极还与滤波电路相连接；所述三极管VT1的集电极与降压变换电路相连接。

所述的降压变换电路由处理芯片U1，场效应管MOS，以及串接在处理芯片U1的PWM管脚和场效应管MOS的栅极之间的电阻R5组成。所述处理芯片U1的SW管脚与电容C2的负极相连接、其VIN管脚则与三极管VT1的集电极相连接、VDD管脚则与滤波电路相连接、COMP管脚和GND管脚均接地、SENSE+管脚则与电压反馈电路相连接、其SENSE-管脚则与二极管整流器U的正极输出端相连接。所述场效应管MOS的漏极同时与滤波电路和处理芯片U1的VDD管脚相连接、其源极则与电压反馈电路相连接。为了达到更好的实施效果，所述的处理芯片U1为SD42560集成芯片来实现。

所述滤波电路由三极管VT2，电阻R4，电容C5，电感L1以及稳压二极管D3组成。其中，电阻R4串接在电容C2的正极和三极管VT2的发射极之间。电容C5的正极与三极管VT2的集电极相连接、其负极则与场效应管MOS的漏极相连接。稳压二极管D3的N极与电容C2的正极相连接、其P极则经电感L1后与场效应管MOS的漏极相连接。所述三极管VT2的基极与处理芯片U1的VDD管脚相连接。所述稳压二极管D3的N极和P极共同形成该滤波电路的输出端。

所述的电压反馈电路由三极管VT3，电容C4，极性电容C3，电阻R6，电阻R1，电阻R2以及二极管D4组成。

连接时，电容C4的正极与场效应管MOS的源极相连接、其负极则与三极管VT3的发射极相连接。电阻R6的一端与三极管VT3的集电极相连接、其另一端接地。极性电容C3的正极与场效应管MOS的源极相连接、其负极则与三极管VT3的基极相连接。二极管D4的N极与三极管VT3的基极相连接、其P极则顺次经电阻R2和电阻R1后与处理芯片U1的SENSE+管脚相连接。

工作时，经前端变压整流滤波电路处理后的电压输入到处理芯片U1进行变压处理并从处理芯片U1的PWM管脚输出。电压反馈电路则对处理芯片U1的PWM管脚输出的电压进行采样，并反馈到处理芯片U1的SENSE+管脚，处理芯片U1根据反馈回来的采样电压调整其内部的脉冲占空比从而使其PWM管脚输出的电流保持恒定；滤波电路可以把电压进行滤波后输出。

如图3所示，所述差分放大模块由放大器P1，放大器P2，场效应管MOS1，三极管VT4，三极管VT5，电阻R7，电阻R8，电阻R9，电阻R10，电容C6，电容C7，极性电容C8，电容C9，稳压二极管D5，二极管D6以及二极管D7组成。

连接时，稳压二极管D5的N极经电阻R7后与放大器P1的正极相连接、其P极接地。二极管D7的N极经电阻R9后与放大器P1的正极相连接、其P极则与放大器P2的输出端相连接。电容C6的正极经电阻R8后与放大器P1的负极相连接、其负极则与三极管VT4的发射极相连接。二极管D6的N极与放大器P2的负极相连接、其P极则与三极管VT4的集电极相连接。极性电容C8的正极与场效应管MOS1的源极相连接、其负极接地。电容C9则串接在场效应管MOS1的源极和三极管VT5的基极之间。电阻R10的一端与三极管VT5的集电极相连接、其另一端接地。电容C7的负极与二极管D7的N极相连接、其正极则与放大器P1的输出端共同形成该差分放大模块的输出端。

同时，所述稳压二极管D5的N极和电容C6的正极共同形成该差分放大模块的输入端。所述三极管VT4的集电极接地、其基极则与放大器P2的输出端相连接。所述场效应管MOS的栅极与放大器P2的正极相连接、其漏极则与电容C7的负极相连接。所述三极管VT5的发射极与放大器P1的输出端相连接。所述差分放大模块的输入端与电压采集模块的输出端相连接、其输出端则与中央处理器相连接。

工作时，采集到的阳极电压经稳压二极管D5后输入给放大器P1进行放大，而放大器P2则可以对电压进行零点校正，因此可以不失真的对电压信号进行放大，从而提高电压信号的清晰度。

如上所述，便可很好的实现本发明。

Claims (8)

1.基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，其特征在于，主要由中央处理器，分别与中央处理器相连接的恒流源模块、差分放大模块、显示器、模数转换模块和存储模块，与模数转换模块相连接的温度传感器，以及与差分放大模块相连接的电压采集模块组成；所述恒流源模块则由前端变压整流滤波电路，与前端变压整流滤波电路相连接的功率校正电路，与功率校正电路相连接的降压变换电路，同时与功率校正电路和降压变换电路相连接的滤波电路，以及与降压变换电路相连接的电压反馈电路组成；所述滤波电路的输出端与中央处理器相连接，前端变压整流滤波电路的输入端接市电。

2.根据权利要求1所述的基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，其特征在于，所述差分放大模块由放大器P1，放大器P2，场效应管MOS1，三极管VT4，三极管VT5，N极经电阻R7后与放大器P1的正极相连接、P极接地的稳压二极管D5，N极经电阻R9后与放大器P1的正极相连接、P极则与放大器P2的输出端相连接的二极管D7，正极经电阻R8后与放大器P1的负极相连接、负极则与三极管VT4的发射极相连接的电容C6，N极与放大器P2的负极相连接、P极则与三极管VT4的集电极相连接的二极管D6，正极与场效应管MOS1的源极相连接、负极接地的极性电容C8，串接在场效应管MOS1的源极和三极管VT5的基极之间的电容C9，一端与三极管VT5的集电极相连接、另一端接地的电阻R10，以及负极与二极管D7的N极相连接、正极则与放大器P1的输出端共同形成该差分放大模块的输出端的电容C7组成；所述稳压二极管D5的N极和电容C6的正极共同形成该差分放大模块的输入端；所述三极管VT4的集电极接地、其基极则与放大器P2的输出端相连接；所述场效应管MOS1的栅极与放大器P2的正极相连接、其漏极则与电容C7的负极相连接；所述三极管VT5的发射极与放大器P1的输出端相连接；所述差分放大模块的输入端与电压采集模块的输出端相连接、其输出端则与中央处理器相连接。

3.根据权利要求2所述的基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，其特征在于，所述的前端变压整流滤波电路由变压器T，二极管整流器U，一端与变压器T原边的电感线圈的同名端相连接、另一端则与变压器T原边的电感线圈的非同名端共同形成该前端变压整流滤波电路的输入端的熔断器FU，以及串接在二极管整流器U的正极输出端和负极输出端之间的电容C1组成；所述二极管整流器U的一个输入端与变压器T副边的电感线圈的非同名端相连接、其另一个输入端则与变压器T副边的电感线圈的同名端相连接；所述二极管整流器U的正极输出端与降压变换电路相连接、其负极输出端则与功率校正电路相连接。

4.根据权利要求3所述的基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，其特征在于，所述的功率校正电路由三极管VT1，正极与二极管整流器U的负极输出端相连接、负极则与降压变换电路相连接的电容C2，串接在电容C2的负极和三极管VT1的基极之间的电阻R3，N极与电容C2的正极相连接、P极则与三极管VT1的发射极相连接的二极管D1，以及N极与电容C2的正极相连接、P极则与三极管VT1的集电极相连接的二极管D2组成；所述电容C2的正极还与滤波电路相连接；所述三极管VT1的集电极与降压变换电路相连接。

5.根据权利要求4所述的基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，其特征在于，所述的降压变换电路由处理芯片U1，场效应管MOS，以及串接在处理芯片U1的PWM管脚和场效应管MOS的栅极之间的电阻R5组成；所述处理芯片U1的SW管脚与电容C2的负极相连接、其VIN管脚则与三极管VT1的集电极相连接、VDD管脚则与滤波电路相连接、COMP管脚和GND管脚均接地、SENSE+管脚则与电压反馈电路相连接、其SENSE-管脚则与二极管整流器U的正极输出端相连接；所述场效应管MOS的漏极同时与滤波电路和处理芯片U1的VDD管脚相连接、其源极则与电压反馈电路相连接。

6.根据权利要求5所述的基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，其特征在于，所述滤波电路由三极管VT2，串接在电容C2的正极和三极管VT2的发射极之间的电阻R4，正极与三极管VT2的集电极相连接、负极则与场效应管MOS的漏极相连接的电容C5，以及N极与电容C2的正极相连接、P极则经电感L1后与场效应管MOS的漏极相连接的稳压二极管D3组成；所述三极管VT2的基极与处理芯片U1的VDD管脚相连接；所述稳压二极管D3的N极和P极共同形成该滤波电路的输出端。

7.根据权利要求6所述的基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，其特征在于，所述的电压反馈电路由三极管VT3，正极与场效应管MOS的源极相连接、负极则与三极管VT3的发射极相连接的电容C4，一端与三极管VT3的集电极相连接、另一端接地的电阻R6，正极与场效应管MOS的源极相连接、负极则与三极管VT3的基极相连接的极性电容C3，以及N极与三极管VT3的基极相连接、P极则顺次经电阻R2和电阻R1后与处理芯片U1的SENSE+管脚相连接的二极管D4组成。

8.根据权利要求7所述的基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，其特征在于，所述的处理芯片U1为SD42560集成芯片。