具有自校準(zhǔn)功能的鋁電解槽陽極分布電流精確測量儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁電解陽極電流分布檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種具有自校準(zhǔn)功能的鋁電解槽陽極分布電流精確測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁電解是一個復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，要受到電場、磁場、熱場、流場等多個物理場的耦合作用。鋁電解生產(chǎn)條件的復(fù)雜性與生產(chǎn)環(huán)境的惡劣導(dǎo)致缺少對鋁電解過程在線監(jiān)測的方法和設(shè)備，而陽極電流是鋁電解生產(chǎn)中的一個十分重要的數(shù)據(jù)，它與鋁電解生產(chǎn)中的多種狀況有著密切聯(lián)系。陽極電流分布改變，會引起電流效率的改變，會導(dǎo)致鋁液面不穩(wěn)定，會產(chǎn)生效應(yīng)，會影響陽極使用壽命，會導(dǎo)致能耗增加。
[0003]目前，鋁電解工業(yè)現(xiàn)場仍采用人工離線的方法測量陽極電流，即人工手持綁有萬用表的鋼釬，逐個檢測陽極導(dǎo)桿壓降，根據(jù)測試數(shù)據(jù)判斷陽極導(dǎo)桿與陽極大母線的接觸是否良好。這種傳統(tǒng)的檢測方法工人勞動強(qiáng)度大，不能同時對所有陽極導(dǎo)桿進(jìn)行測量，工作效率低，數(shù)據(jù)滯后嚴(yán)重，很難及時反應(yīng)陽極電流分布的變化。在工業(yè)現(xiàn)場測試過程中，由于生產(chǎn)中各種參數(shù)的測試數(shù)據(jù)對生產(chǎn)過程具有重要的意義，因此對各種測試數(shù)據(jù)精度要求較高。而對于傳統(tǒng)的傳感器，輸出的一般是毫伏級的微弱模擬信號，溫度特性差，而且在傳輸過程中信噪比明顯降低。每當(dāng)環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，或者器件的工作狀態(tài)改變(如輸入通道切換)、增益或數(shù)字濾波器陷波頻率變動、信號輸入范圍變化等發(fā)生時，數(shù)據(jù)測量的精度會產(chǎn)生較大的影響，因此需要對輸入的模擬信號進(jìn)行校準(zhǔn)，從而消除偏置和增益誤差。
[0004]國內(nèi)對鋁電解陽極導(dǎo)桿電流的在線測量也進(jìn)行了大量的研究，CN201220251734.3采用編碼解碼的方式直接對陽極導(dǎo)桿的等距電壓信號進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)通過中央處理芯片的處理在顯示器上顯示。但是數(shù)據(jù)測量精度低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有四位有效位，并且無溫度補(bǔ)償裝置;CN105242098A發(fā)明了一種基于差分放大的恒流源鋁電解陽極電流測量儀，因其差分放大模塊可以使采集到的電壓信號更加清晰，但是對于現(xiàn)場環(huán)境變化引起的溫度漂移沒有進(jìn)行誤差修正，達(dá)不到要求的測量精度;CN204714919U發(fā)明了一種鋁電解槽陽極電流分布在線監(jiān)測裝置，雖然對采集到的模擬信號進(jìn)行放大濾波處理，但并沒有針對零點(diǎn)漂移的校正功能，精度無法保障。
[0005]綜上所述，需要進(jìn)一步改進(jìn)鋁電解槽陽極電流分布的監(jiān)測水平，從而進(jìn)一步提高電解生產(chǎn)的控制水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有自校準(zhǔn)功能的鋁電解槽陽極分布電流精確測量儀，以解決現(xiàn)有的測量方式不能自動校正測量信號以及測量精度差等問題。
[0007]該測量儀包括自校準(zhǔn)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、溫度采集模塊、RS-485通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊和隔離保護(hù)模塊，其中，自校準(zhǔn)模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊電連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊與微處理器電連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊和微處理器之間設(shè)置隔離保護(hù)模塊，溫度采集模塊與微處理器電連接，溫度采集模塊和微處理器之間設(shè)置隔離保護(hù)模塊，RS-485通訊模塊與微處理器電連接，RS-485通訊模塊和微處理器之間設(shè)置隔離保護(hù)模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊與微處理器電連接，數(shù)據(jù)存儲模塊和微處理器之間設(shè)置隔離保護(hù)模塊，電源模塊為自校準(zhǔn)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、溫度采集模塊、RS-485通訊模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊供電。
[0008]自校準(zhǔn)模塊主要包括自校準(zhǔn)電路、放大電路和濾波電路，可有效校準(zhǔn)輸入信號，并抑制共模信號干擾，減小輸入噪聲，保證測量精度。其中自校準(zhǔn)電路選用Maxim Integrated公司的MAX4932多路器開關(guān)1C，該多路開關(guān)為三通道，由微處理器直接通過兩位數(shù)字信號控制通道選擇，其中01、10、11分別控制通道一、通道二、通道三。上電默認(rèn)為00，即高阻態(tài)，以防止過電流對設(shè)備造成損壞。具體校準(zhǔn)過程為:先進(jìn)行零度標(biāo)定，即選擇一個通道使其短接到地，以得到用以確定校準(zhǔn)系數(shù)的零標(biāo)度點(diǎn)，方程一，其中分別是零標(biāo)度輸入值與輸出值，a為函數(shù)系數(shù)，b為常量;然后進(jìn)行滿度標(biāo)定，即選擇第二個通道接入標(biāo)準(zhǔn)信號源，得到方程二，其中分別是滿標(biāo)度輸入值與輸出值，標(biāo)準(zhǔn)信號源由Analog Devices公司的ADR4525芯片提供的1mV標(biāo)準(zhǔn)源;在上述兩個量程之間依據(jù)線性逼近理論，計算出系數(shù)a和常量b的值，選擇第三個通道即實(shí)際測量模擬信號，使其快速合理地進(jìn)行自動修正零偏誤差和增益誤差。
[0009]陽極導(dǎo)桿的等距壓降信號理論估算值為0.761mV?2.173mV，為了把如此小的電壓信號放大到A/D可以感知的水平，必須使用放大電路對其處理。選用TI公司的INA129精密儀表放大器，該運(yùn)放采用差分式結(jié)構(gòu)，將三個運(yùn)放集成于一個芯片中，保證了差分運(yùn)放的結(jié)構(gòu)上的完全對稱性，具有低失調(diào)電壓、超低低偏置電流、超低溫度漂移、高共模抑制比等優(yōu)點(diǎn)。只需一個增益電阻R即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)范圍從I?10000變化，采用高精度金屬膜電阻作為放大器的增益調(diào)節(jié)電阻。
[0010]為了防止混疊效應(yīng)并有效地濾除高頻噪聲，本設(shè)計在放大電路與A/D轉(zhuǎn)換器之間設(shè)置防混疊低通濾波器(LPF)。根據(jù)文獻(xiàn)資料以及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)介紹，陽極電流的變化頻率為
0.5Hz左右，為了更好的濾除高頻干擾并且更完整的復(fù)現(xiàn)陽極電流信號，設(shè)置濾波器的截止頻率為10Hz。設(shè)計三階二級巴特沃斯(Butterworth)有源低通濾波電路，并在電路設(shè)計時在連接電源處增加旁路電容，隔離了電源的交流噪聲。
[0011]濾波電路輸出的模擬信號經(jīng)限幅電路輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊，由于等距壓降信號較低(2mV左右)、測量精度要求高，按0.5級精度計算，則需要的A/D轉(zhuǎn)化模塊的分辨率至少為12位，考慮到系統(tǒng)的冗余性和性價比，本設(shè)計采用16位的A/D轉(zhuǎn)換芯片。綜合各方面因素，選用Analog Devices公司的AD7705芯片。該芯片為高速、低功耗、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，可滿足20Hz的采樣速率要求，運(yùn)用Σ-Δ技術(shù)可實(shí)現(xiàn)16位無誤碼性能。A/D轉(zhuǎn)換模塊與微處理器之間采用數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離。
[0012]對于現(xiàn)場環(huán)境溫度變化，本發(fā)明通過AD7705對偏移和增益漂移進(jìn)行校準(zhǔn)。本設(shè)計在自校準(zhǔn)模式中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器決定內(nèi)部校準(zhǔn)點(diǎn)AD7705的設(shè)置寄存器是一個8位寄存器，具體選擇哪種校準(zhǔn)可以由設(shè)置寄存器的MDl和MDO位來編程。令MD1MD0 = 01時，芯片進(jìn)行自校準(zhǔn)。用來確定校準(zhǔn)系數(shù)的零標(biāo)度點(diǎn)是用差分輸入對的輸入端在器件內(nèi)部短路，即AIN1( + ) =AINl (-)=內(nèi)部偏置電壓V2;滿標(biāo)度標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換是由ADR4525芯片提供的標(biāo)準(zhǔn)信號源2.5V電壓下完成的。在該校準(zhǔn)模式中，通過芯片邏輯輸出引腳來確定轉(zhuǎn)換何時結(jié)束且模擬輸入的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可用。校準(zhǔn)初始化時為高電平，直到外部模擬輸入的轉(zhuǎn)換結(jié)果可用時才變?yōu)榈碗娖健?br>[0013]微處理器選用ST公司的高性能工業(yè)級微處理器STM32F103，該芯片內(nèi)核為ARM公司的32位Cortex-M3處理器。微處理器主要完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理以及與上位機(jī)的通信功能。通過軟件設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對其進(jìn)行初始化、校時、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)查詢、控制命令等一系列操作。微處理器可以將帶有時間、電流、導(dǎo)桿編號等多種信息的數(shù)據(jù)包傳送給上位機(jī)。
[0014]溫度采集模塊主要包括溫度傳感器和溫度信號處理模塊，本設(shè)計采用PT100溫度傳感器作為溫度測量元件。將PTlOO溫度傳感器安裝在夾具上并緊貼陽極導(dǎo)桿表面，其采集的信號經(jīng)溫度信號處理模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號作為微處理器的輸入，用于對陽極導(dǎo)桿電阻值的計算進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度處理模塊選用MAX31865芯片，內(nèi)部集成15位的ADC，它可以直接將RTD的阻值信號轉(zhuǎn)換為微處理器可以識別的數(shù)字信號。
[0015]RS-485通訊模塊為數(shù)據(jù)傳輸模塊，用以將帶有時間、電流、導(dǎo)桿編號等多種信息的數(shù)據(jù)包實(shí)時傳送給上位機(jī)，并將上位機(jī)發(fā)送的控制命令與設(shè)置參數(shù)傳送至微處理器。數(shù)據(jù)通信采用菊花鏈?zhǔn)娇偩€方式的工業(yè)級RS-485傳輸。從微處理器輸出的信號為TTL電平，需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換為符合485通信標(biāo)準(zhǔn)的差分信號，本設(shè)計選用AnalogDevices公司的ADM2687E芯片，數(shù)據(jù)速率可達(dá)16Mbps。
[0016]為了保證數(shù)據(jù)的安全，本發(fā)明中設(shè)計了數(shù)據(jù)存儲模塊，用以暫存微處理器輸出的各種信息數(shù)據(jù)，避免通信故障時數(shù)據(jù)的丟失。存儲芯片采用存儲容量為32Mb的SST25VF032B芯片，該芯片的時鐘頻率最高可達(dá)80MHz，存儲速度快;擦除方便，可選擇扇區(qū)擦除、32kB或64kB塊擦除、整片擦除四種擦除方式;存儲容量大，對于采樣周期為0.05s的采集數(shù)據(jù)，可連續(xù)存儲9個小時左右。
[0017]電源是整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行的關(guān)鍵，因此，電源設(shè)計的好壞直接影響系統(tǒng)的性能及其穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)需要的電壓等級較多，而系統(tǒng)對電源的性能要求較高并且要求體積小、重量輕，因此，采用高性能開關(guān)電源的形式，根據(jù)供電需求以及考慮現(xiàn)場的環(huán)境因素，加入了金升陽科技有限公司出品的DC/DC隔離電源模塊(內(nèi)部1500V隔離)，可以提高系統(tǒng)的安全性及可靠度，提高EMC(Electro magnetic compatibility電磁兼容性)的特性并保護(hù)二次側(cè)。本發(fā)明設(shè)計了三種等級的供電電路，每級都經(jīng)過隔離電源模塊。該方案能很好的滿足低壓電路的需求。
[0018]為了對微控制器進(jìn)行保護(hù)，在微處理與A/D轉(zhuǎn)換模塊、溫度采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、RS-485通訊模塊之間設(shè)計了隔離保護(hù)模塊，主要采用Si8662型號的數(shù)字隔離芯片。Si86622數(shù)字隔離器的工作溫度范圍廣，可承受鋁電解現(xiàn)場80°C左右的高溫;數(shù)據(jù)傳輸速率150Mbps，是目前業(yè)界最高的水平;與同類產(chǎn)品比較，抖動性能最低，可保證具有最低的數(shù)據(jù)傳輸錯誤和誤碼率;抗干擾能力最強(qiáng)，抗電場干擾能力為300V/m，抗磁場干擾能力為1000A/mD
[0019]本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下:
[0020](I)本設(shè)計采用等距壓降法測量陽極電流，并帶有自校準(zhǔn)功能，能夠消除偏置和增益誤差，同時利用微處理器的軟件濾波算法和比例回歸算法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測量精度尚達(dá)0.32%。
[0021](2)本設(shè)計采用485總線傳輸技術(shù)，支持無限擴(kuò)展，信號通信穩(wěn)定。可以通過上位機(jī)對測量儀進(jìn)行初始化、校時、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)查詢、控制命令等一系列操作，實(shí)現(xiàn)對所有陽極電流的實(shí)時監(jiān)測，傳送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)延遲不超過48秒。
[0022](3)本設(shè)計采用AD7705數(shù)據(jù)校準(zhǔn)功能，當(dāng)現(xiàn)場測試環(huán)境發(fā)生變化時，可通過自動校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，以消除器件的內(nèi)部誤差、偏移和增益以及傳感器漂移誤差。
[0023](4