Urzadzenie do automatycznego regulowania odleglosci anodowej wanien elektrolitycznych Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do auto¬ matycznego regulowania odleglosci anodowej wa¬ nien elektrolitycznych, zwlaszcza do wanien elek¬ trolitycznych do produkcji aluminium, które po¬ siadaja ciagla anode lub do wanien, z których kaz¬ da wyposazona jest w odrebna anode.Znany jest sposób automatycznego regulowania od¬ leglosci anodowej wanien elektrolitycznych polega¬ jacy namierzeniu pozornej opornosci wedlug wzoru: U—e R=* w którym R oznacza opornosc, U — napiecie na zaciskach badanej wanny, e — sile przeciwelektro- motoryczna, I oznacza natezenie pradu przeplywa¬ jacego przez wanne. Wspomniana opornosc przy¬ równuje sie do zalozonej wartosci Ro, nastepnie silnik, który kieruje polozeniem jednej z elektrod otrzymuje impuls zalezny od róznicy R—Ra, przy czym odleglosc elektrod wzrasta jezeli wspomnia¬ na róznica R—Ro ma wartosc ujemna, a zmniejsza sie w przypadku przeciwnym.Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 63.207, w którym okresla sie przyblizona wartosc R opornosci wanny poprzez stosunek pomiedzy spadkiem napiecia U na wannie, równym róznicy pomiedzy róznica miedzy potencjalem U na zaci¬ skach wanny, zalozona wielkoscia A sily przeciw- elektromotorycznej, a natezeniem pradu I plynace¬ go przez wanne. Oblicza sie srednia wartosc (R) opornosci R w okresie od 1 sekundy do 10 minut 10 15 20 25 30 2 i przystosowuje sie polozenie elektrod do tak okre¬ slonej wartosci (R).Urzadzenie zawiera komparator fazy o czterech uzwojeniach, w którym przez pierwsze uzwojenie plynie prad I, drugie mierzy róznice U—a, podczas gdy trzecie jest podlaczone do zródla napiecia zmiennego o czestotliwosci f, czwarte natomiast za¬ sila detektor harmonicznych dostarczajacy napiecie o czestotliwosci f przesuniete w fazie o +- lub — — w stosunku do napiecia podawanego przez 2 zródlo napiecia zmiennego, zgodnie ze znakiem po¬ la w obwodzie magnetycznym komparatora. Silnik jest zasilany, z jednej strony zródlem napiecia zmiennego, z drugiej z detektora harmonicznych, obroty silnika sa proporcjonalne do R. Obwód war¬ tosci sredniej daje (R).Urzadzenie to jest drogie i wrazliwe na uszko¬ dzenia mechaniczne, a ponadto jest malo odporne na mechaniczne i chemiczne dzialanie otaczajacej atmosfery. Z drugiej strony prawidlowe dzialanie komparatora fazy moze zostac zaklócone polem ma¬ gnetycznym nowoczesnych wanien o duzych nate¬ zeniach pradu. W urzadzeniu tym brak jest ukla¬ du, który sygnalizowalby lub korygowal zla prace wanny. Urzadzenie to jest ponadto skomplikowane, kosztowne i ma elementy stosunkowo kruche, któ¬ re wymagaja ochrony od scierania i korozji, które to wystepuja w procesie elektrolizy. 79 96179 961 3 4 Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do auto¬ matycznej regulacji odleglosci anodowej wanien elektrolitycznych, proste, malo kosztowne i malo wrazliwe na srodowisko procesu.W urzadzeniu wedlug wynalazku wytwarza sie napiecie proporcjonalne do U—RI, gdzie U oznacza napiecie na zaciskach wanny, I — natezenie pradu przez nia przeplywajacego, zas R jest zalozona wartoscia opornosci wewnetrznej wanny wyznaczo¬ nej jako wanna odniesienia, przy czym tak otrzy¬ mana wartosc przyrównuje sie do e — sily prze- ciwelektromotorycznej elektrolizy, nastepnie zasila sie silnik, który steruje polozeniem jednej z elek¬ trod, anody lub katody wanny, we wszystkich przy¬ padkach jezeli wartosc U—IR jest rózna od e, tym wiecej im wieksza ustali sie róznica i w taki spo¬ sób, azeby odleglosc anodowa byla ograniczona, je¬ zeli U—RI jest wieksze od e + a i zeby ona wzro¬ sla jezeli U—RI jest mniejsze od e — a. Urzadzenie to wyróznia sie tym, ze zawiera pierwszy obwód skladajacy sie z przetwornicy napiecia dostarczaja¬ cej napiecie kU proporcjonalne do U, drugi obwód zawierajacy przetwornice natezenia, dostarczajaca prad i = k'I proporcjonalny do napiecia panujace¬ go na zaciskach bocznika polaczonego szeregowo z wanna i w konsekwencji do natezenia pradu prze¬ plywajacego przez te ostatnia, a takze potencjo¬ metr zamontowany do zacisków powyzszej drugiej przetwornicy dostarczajacej napiecie k'k"I propor¬ cjonalne do k'I, której regulacja pozwala spelnic wyrównanie do kRI, gdzie R jest zadana wartoscia opornosci wewnetrznej wanny, oraz w koncu trzeci obwód zawierajacy co najmniej jeden przekaznik graniczny wlaczony szeregowo z dwoma pierwszymi obwodami, które same sa polaczone wzgledem sie¬ bie przeciwnie. Przekaznik ten wysyla impuls elektryczny za kazdym razem jezeli k(U—RI) jest rózne od ke ponad z góry okreslona wartosc, który to impuls ma znak zalezny od znaku wartosci ke—k (U—RI).Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogólny schemat urzadzenia do regula¬ cji, fig. 2 — wykres dzialania urzadzenia wedlug fig. 1, a fig. 3 — odmiane urzadzenia wedlug fig. 1.Zgodnie z wynalazkiem regulator moze zawierac elementy nieruchome, malo kosztowne, odporne na otoczenie, spelniajace elektrycznie wartosc U—RI, gdzie R jest zadana wartoscia opornosci wewnetrz¬ nej wanny, dajac uporzadkowana regulacje przez impuls elektryczny identyczny w kazdym przypad¬ ku, jezeli U—RI przekroczy granice zawarta mie¬ dzy dwoma wartosciami granicznymi e—a i e + a, gdzie a jest polowa zakresu przewidzianego dla wartoscie. "**MI Tak wiec urzadzenie wedlug wynalazku sklada sie z wanny elektrolitycznej 5 majacej katode 51 polaczona z biegunem 54 i anode polaczona z bie¬ gunem 53. Anoda moze oyc wprowadzana w ruch przesuwny prostopadly za pomoca silnika elektrycz¬ nego 55 zasilanego wedlug zalozenia na rysunku pradem stalym jednofazowym na zaciskach 56 i 57.Prad elektryczny wlywa do wanny przez biegun 53, przeplywa przez anode 52, przez przestrzen mie¬ dzy elektrodowa, nastepnie przez katode 51 i wy¬ plywa przez biegun 54. Napiecie miedzy bieguna¬ mi 53 oznaczone jest symbolem U, zas prad prze¬ chodzacy przez wanne — symbolem I.W przypadku ogniowej elektrolizy tlenku glinu, 5 proces prowadzi sie pod bardzo slabym napieciem, rzedu 4 volt i bardzo wysokim natezeniem, rzedu 65—125 kiloamperów. Powoduje to koniecznosc po¬ laczenia pewnej liczby wanien w szereg, w celu podwyzszenia calkowitego napiecia. Z szeregiem po¬ laczonych wanien laczy sie bocznik 6, którego je¬ den zacisk 61 polaczony jest z biegunem 54 wanny, zas zacisk drugi 62 — z obojetnym zaciskiem urza¬ dzenia zasilajacego wanny z szeregu.Urzadzenie do regulowania zawiera pierwszy obwód stanowiacy przetwornice wejsciowa napie¬ cia 1, drugi obwód stanowiacy co najmniej jeden przekaznik graniczny 4.Przetwornice wejsciowe pozwalaja odizolowac urzadzenie do regulacji od potencjalu wanny regu¬ lowanej. Kazda przetwornica moze zawierac tytu¬ lem przykladu modulator, transformator lub demo¬ dulator. Przetwornica wejsciowa napiecia 1 dostar¬ cza napiecie kU proporcjonalne do U. Zawiera ona dwa zaciski wejsciowe 11 i 12 polaczone na krótko z biegunami 54 i 53 wanny i dwa zaciski wyjscio¬ we 13 i 14, miedzy którymi panuje napiecie kU.Przetwornica wejsciowa natezenia 2 dostarcza prad i = k'I proporcjonalny do I. Jest ona polaczo¬ na przez swe zaciski wejsciowe 21 i 22 na krótko z zaciskami 61 i 62 bocznika 6.Potencjometr 3 ma dwa zaciski wejsciowe 31 i 32 polaczone na krótko z zaciskami wyjsciowymi 23 i 24 przetwornicy wejsciowej natezenia 2. Jego re¬ gulacji dokonuje sie za pomoca suwaka 33. Dostar¬ cza on wiec miedzy swymi zaciskami wyjsciowymi 33 i 32 napiecie proporcjonalne do jego pradu wyj¬ sciowego k'l, to znaczy napiecie równe k'k"I. Po¬ tencjometr reguluje sie tak azeby k'k"I = kRI.W istocie potencjometr moze byc wprost wykali- browany na wartosc R, a zatem na wartosc zalo¬ zonej opornosci wewnetrznej wanny 5.Dwa obwody, z których pierwszy utworzony jest przez przetwornice wejsciowa napiecia 1, drugi przez polaczenie przetwornicy wejsciowej nateze¬ nia 2 i potencjometr 3 sa polaczone przeciwnie wzgledem siebie. W nastepstwie tego zaciski 14 i 32 sa miedzy soba polaczone; zatem takze miedzy za¬ ciskami 13 i 3(3 napiecie jest równe k(U—RI).Przekaznik 4 ma dwa zaciski wejsciowe 41 i 42 polaczone na krótko z zaciskami 13 i 33 oraz dwa zaciski wyjsciowe 43 i 44 polaczone z biegunami 57 i 56 silnika 55 sterujacego ruchem przemieszczania anody 52. W koncu, przekaznik 9, którego rola be¬ dzie wyjasniona dalej, którego zaciski 93 i 94, jak równiez przekaznik graniczny 4 otrzymuje napiecie równe k(U—RI).Jezeli wanna jest prawidlowo regulowana napie¬ cie to jest równe ke, gdzie e jest sila elektromoto¬ ryczna elektrolizy. Przekaznik ma granice ka tzn., ze daje na swe zaciski wyjsciowe 43 i 44 impuls pradowy zawsze identyczny, przy czym tylko w przypadku jezeli k(U—RI) wykracza poza zakres k(e—a) i k(e + a), tzn. jezeli U—RI wykracza poza granice (e—a) i (e + a). Jesli tak jest istotnie, to 15 20 25 30 35 40 45 50 55 605 przekaznik 4 wysyla impuls o tej samej intensyw¬ nosci, którego jednak zwrot zalezy od znaku róz¬ nicy U—RI—e. Jezeli U—RI jest wieksze od e + a, zwrot jest taki, zeby uruchamiany silnik 55 ogra¬ niczal odleglosc anodowa, a przeciwnie, jezeli U—RI jest mniejsze od e—a, zwrot jest odwrotny, tzn., ze silnik 55 zwieksza odleglosc anodowa.W istocie wedlug opisanego sposobu reguluje sie U—e nie opór pozorny R= , lecz wartosc zblizona I wystarczajaco do wartosci praktycznej. Na wykre¬ sie, który przedstawia fig. 2, natezenie I przedsta¬ wia odcieta, zas napiecie U — rzedna. Na osi U nanosi sie punkty (e—a),ei (e+a), przy czym war¬ tosc pierwsza i ostatnia stanowia wartosci granicz¬ ne, zabezpieczone przez regulacje od sily przeciw- elektromotorycznej elektrolizy. Zaklada sie, ze na¬ tezenie normalnie równe Io moze zmieniac sie mie¬ dzy Ii i I2. Wyznacza sie proste z nastepujacych równan: U = e(R + r)I U = e + a + RI U = e —a + RI oraz U = e + (R — r)I, które przecinaja prostopadla odcietej I, scisle w punktach A, A', D' i D oraz prostopadla odcietej I2 scisle w punktach B, B', C i C. r wyznacza gra¬ nice regulacji oparu pozornego R.Poza tym wyznacza sie prosta z równania: U = e + RI, która przecina prostopadla odcietej Iq w punkcie 0.W teoretycznej regulacji oporu pozornego, wanna nie bedzie regulowana podczas, gdy dziala tak, ze odpowiedni jej punkt pozostanie wewnatrz trapezu ABCD, ograniczonego prostymi: U = e + (R + rI oraz U = e + (R + r)I, ograniczajacymi zakres regulacji.W istocie, w urzadzeniu wedlug wynalazku tra¬ pez ABCD zostal zastapiony diagramem równole¬ glych A'B'C'D', ograniczonym prostymi: U = e + a + IR oraz U = e + a + RI.Róznica regulacji, zerowa dla normalnego nate¬ zenia Io, wzrasta ze zmiana natezenia.Tytulem przykladu okresla sie niewielki wplyw tej róznicy; w przypadku wanien I = 80kA regulo¬ wanych do U = 3,9 V dla natezenia nominalnego, w granicach ± 0,04v (a = 0,004v), odchylenie gra¬ nic regulacji wynosi 5mV dla spadku pradu lOkA (I1 = 70kA). Wartosc ta jest do przyjecia w prak¬ tyce, zwlaszcza jezeli szeregi nowoczesnych wanien sa takze regulowane pod wzgledem natezenia, w nastepstwie czego, zmiany I sa bardzo niewielkie i wiekszosc regulacji dotyczy scisle natezenia nomi¬ nalnego. Nalezy takze zauwazyc, ze róznica ta pro¬ wadzi do rozszerzenia zakresu wskutek spadków natezenia w przypadku jak wyzej, z 0,04v do 0,045v. Nie ryzykuje sie wiec wyslania polecenia regulacji do wanny, której punkt dzialania bedzie miescil sie w granicach okreslonych dla natezenia normalnego. Nie bedzie mialo to natomiast miejsca w przypadku wzrostu natezenia, w którym granice — odwrotnie — sa wyzsze, jednakze przypadek 961 6 taki praktycznie nie zaistnieje dla szeregu o regu¬ lowanym natezeniu.Korzystnie jest kiedy w przypadku zaklócenia istnieje mozliwosc szybkiego wydobycia anody 52. 5 W tym celu laczy sie równolegle do przekaznika granicznego 4, którego granica jest wyregulowana na k—a, drugi przekaznik 7, wlaczony scisle w ten sam sposób, tzn. ze jego zaciski wyjsciowe 71 i 72 sa polaczone z odpowiednimi zaciskami 41 i 42 io przekaznika 4, zas zaciski wyjsciowe 73 i 74 sa po¬ laczone z odpowiednimi zaciskami 43 i 44, Prze¬ kaznik ten nie dziala jak tylko gdy U—RI jest mniejsza od e—a', gdzie a' jest wartoscia uprzed¬ nio ustalona i wysoce przewyzszajaca a (piec razy 15 w przypadku urzadzenia wykonanego przez zgla¬ szajacego, w celu spelnienia stawianych mu wy¬ mogów). Przekaznik 7 wysyla do silnika 55 impuls elektryczny silniejszy lub dluzej trwajacy od tego, który wysylany jest przez przekaznik4. . 20 Korzystnie jest dodac trzeci przekaznik 8 powo¬ dujacy w przypadku niestabilnego dzialania wanny szybkie wyciagniecie anody. / Przekaznik ten jest tego samego typu co przekaz¬ nik 7, jednakze jeden z jego zacisków, np. zacisk 25 81 jest polaczony z odpowiednim zaciskiem 41 prze. kaznika 4 posredni kondensator 85, który nie prze* puszcza drgan niestabilnosci. Inny zacisk wejscio¬ wy 82 polaczony jest z zaciskiem 42, podczas gdy zaciski wyjsciowe 83 i 84 sa polaczone z odpowied- 30 nimi zaciskami 43 i 44.Korzystnie jest jezeli w urzadzeniu znajduje sie czwarty przekaznik 9, którego rola jest przerwanie regulacji wanny, która znajdzie sie za bardzo poza normalnymi granicami regulacji. Zaciski wejsciowe 35 91 i 92 tego przekaznika sa polaczone z zaciskami 41 i 42, podczas gdy zaciski wyjsciowe 93 i 94 wla¬ czone w jedno z polaczen np. 43—57 regulatora silnika 55. Przekaznik 9 jest identyczny jak prze¬ kaznik 4, jednak jego granica ustawiona jest na 40 ka", gdzie a" jest wyzsza od a'.Przekaznik (9), w normalnych warunkach, zwiera swoje styki (93) i (94), i laczy biegun (43) z biegu¬ nem (57). Odlacza on regulacje, to znaczy oddziela bieguny (43)—<73)—(83) i (93) z jednej strony, od 45 biegunów (94) i (57), które sa polaczone na stale, kiedy wanna odchodzi zbytnio od równowagi pozy¬ cyjnej okreslonej przez wskaznik regulacyjny.Dzialanie urzadzenia jest proste. Po wyregulowa¬ niu potencjometru 3, napiecie równe k(U—RI) pa¬ so nuje miedzy zaciskiem 13 a suwakiem potencjome¬ tru 3. Napiecie to przylozone jest wprost na wyj¬ sciu przekazników 4, 7 i 9 oraz poprzez kondensa¬ tor 85 na wyjsciu przekaznika 8.Podczas gdy k(U—RI) pozostaje zawarte miedzy 55 k(e + a) i k(e —a), dzialanie jest stabilne, nic sie nie wytwarza, silnik 55 nie jest zasilany i anoda 52 jest unieruchomiona. Jezeli k(U—RI) staje sie wie¬ ksze niz k(e + a) lub mniejsze niz k(e —a), nie osiagajac jednak k(e + a), dziala tylko przekaznik 60 4 i wysyla do silnika 55 impuls pradu powodujacy zmiane polozenia anody 52. R(U—RI) przybiera za¬ tem wartosc bliska ke i z reguly nizsza od warto¬ sci zawartych w przedziale k(e+a) i k(e — a).Jezeli w nastepstwie zaklócenia opór wewnetrz- 65 ny wanny spada nagle i wystarczajaco abyk(U—RI)79 961 7 stalo sie nizsze niz (ke—a') zostaje uruchomiony przekaznik 7 i wysyla do silnika 55 impuls pradu o wiele silniejszy lub trwajacy w czasie dluzszym, uruchamiajacy ten silnik z najwieksza szybkoscia i powodujacy tym samym szybkie wyciagniecie ano¬ dy do czasu az wartosc k(U—RI) stanie sie ponow¬ nie bliska ke.Jezeli z jakiejkolwiek przyczyny dzialanie wan¬ ny stanie sie niestabilne, k(U—RI) ulega szybkim zmianom, które przetworzone przez kondensator &5 dzialaja na przekaznik 8 zas ten ostatni dziala tak jak przekaznik 7, zapewniajac szybkie wycia¬ ganie anody.W koncu, jesli k(U —RI) zmienia sie nagle i spa¬ da do wartosci mniejszej niz k(e — a") przekaznik 9 przerywa kontakt miedzy zaciskami 93 i 94 po¬ wodujac przerwanie regulacji.Urzadzenie wedlug wynalazku moze byc stoso¬ wane zarówno do regulowania jednej wanny o wy¬ starczajaco szerokich granicach parametrów pracy, jak i do regulowania wiekszej liczby wanien.W tym celu wystarczy polaczyc polaczenia 11—54, 12—53 oraz 94—57 pod warunkiem jednak, ze moz¬ na stosowac te sama wartosc R dla wszystkich wa¬ nien polaczonych z tym samym regulatorem. Jesli zamierza sie uzyskac te wartosc niezalezna dla kaz¬ dej wanny, nalezy polaczyc takze polaczenia 33—82 i 23—31 i przewidziec dla kazdej wanny oddzielny potencjometr.Mozna w sposób prosty uniknac tego dodatko¬ wego i stosunkowo kosztownego laczenia przez umieszczenie dodatkowego potencjometru 10 w ob¬ wodzie napiecia, wedlug fig. 3. Po polaczeniu tego obwodu, wszystkie dodatkowe polaczenia staja sie zbedne. Zaciski 101 i 102 na zakonczeniu uzwojenia wspomnianego potencjometru 10 sa na krótko po¬ laczone z biegunami 53 i 54 wanny, podczas gdy suwak i zacisk 102 polaczone sa z zaciskami wej¬ sciowymi 11 i 12 przetwornicy 1 przez element po¬ sredni przelacznika wanien.Potencjometr 10 pozwala wysylac do regulatora nie napiecie wanny, lecz frakcje U' tego napiecia.W tym przypadku regulator utrzymuje wanne pod wyzszym napieciem, takim zeby U' stalo sie równe Un, czyli wartosci zadanej dla uzyskania natezenia normalnego.Nastepujace wyliczenie pozwala obliczyc blad regulacji indywidualnej wanien. Przyjeto, ze wan¬ na ma potencjometr 10 wyregulowany na maximum tzn., ze suwak 103 jest w polozeniu 101. Regulator reguluje ja na natezenie normalne Ih, do zalozonej wartosci Un takiej jak: Uft = Rnln + c Przesuwajac potencjometr do regulatora wysyla sie napiecie U'= hU, gdzie zaklada sie, ze n jest zawarte miedzy 0,8 al.Dla natezenia normalnego, wanna doprowadzona jest do regulacji takiej jak U' = Uh, przy czym odpowiadajacy opór R' okreslony jest przez: TI R I U = —2- = n n = R'I + e h h skad R<=_V+ei^ 8 W celu zmiany natezenia i doprowadzenia nate¬ zenia wanny do wartosci I4, napiecie na jej zaci¬ skach staje sie: Ut = R'Ii + e 5 Wysyla sie wiec do regulatora napiecie: UA = hUt = h(R% + e) = = hli [^- + e ^- + he I = RJt + L" hln J + — e(l—h) + he W regulatorze, napiecie to przyrównane jest do napiecia Uhl wanny regulowanej do wartosci zalo- 15 zonej, z potencjometrem na maximum (h—1): blad ze stosowania potencjometru 10 jest równy róznicy: AU = U'1-Unl " Ii A U = Rnl! + — e(l—h) + he — RIj — e In AU = ef^-(l—h) + h-ll U zanika dla Ii = In i dla h = 1 oraz wzrasta ze zmiana natezenia i przy przesuwaniu suwaka.Tytulem przykladu, dla wanny zasilanej pradem 80kA i regulowanej do 4V oraz dla zmiany nateze- w nia o lOkA blad wynosi 0,01V przy h = 0,95 tzn. dla poprawki + 0,2V. Osiaga on 0,02V przy h = 0,90 tzn. dla poprawki + 0,4V, która rzadko jest osiagana w praktyce.Przy poprawkach, których w praktyce dokonuje 35 sie przez zwiekszenie odleglosci anoda-katoda, moz¬ na przyjac jako pozycje normalna potencjometru 10 te, która odpowiada h = 1 tzn. suwak 103 w po¬ lozeniu 101.Fakt wyslania za pomoca zespolu przekaznika 4 40 zawsze identycznego impulsu wykazuje duze zalety, a mianowicie: mozna za pomoca licznika impulsów okreslic w kazdym momencie jego czestotliwosc powtarzania oraz zarówno opóznic jak i przyblizyc efekt anodowy przez stopniowe podnoszenie tej 45 czestotliwosci. Jest wiec mozliwe ulepszenie wanny aluminium, czemu przeszkadza niespodziewany efekt anodowy. PL