本实用新型专利技术提供一种具有自校准功能的铝电解槽阳极分布电流精确测量仪，属于铝电解阳极电流分布检测技术领域。该测量仪包括微处理器、自校准模块、A/D转换模块、温度采集模块、RS‑485通讯模块、数据存储模块、电源模块和隔离保护模块，微处理器将处理后电压和温度信号进一步分析计算，转换为阳极电流信号，再经工业级RS‑485总线的方式传送至上位机。该测量仪带有信号自校准功能以及DC/DC隔离电源模块，通过数字隔离芯片把所有数字信号与微处理器隔离开来，可实现对阳极分布电流的实时精确监测，测量精度高、可靠性强、数据管理方便，可最终获得铝电解槽各阳极导杆电流，可最终得到电解槽阳极电流分布变化情况。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及铝电解阳极电流分布检测
，特别是指一种具有自校准功能的铝电解槽阳极分布电流精确测量仪。
技术介绍
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。阳极电流分布改变，会引起电流效率的改变，会导致铝液面不稳定，会产生效应，会影响阳极使用寿命，会导致能耗增加。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，即人工手持绑有万用表的钢钎，逐个检测阳极导杆压降，根据测试数据判断阳极导杆与阳极大母线的接触是否良好。这种传统的检测方法工人劳动强度大，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，很难及时反应阳极电流分布的变化。在工业现场测试过程中，由于生产中各种参数的测试数据对生产过程具有重要的意义，因此对各种测试数据精度要求较高。而对于传统的传感器，输出的一般是毫伏级的微弱模拟信号，温度特性差，而且在传输过程中信噪比明显降低。每当环境温度和工作电压发生变化，或者器件的工作状态改变(如输入通道切换)、增益或数字滤波器陷波频率变动、信号输入范围变化等发生时，数据测量的精度会产生较大的影响，因此需要对输入的模拟信号进行校准，从而消除偏置和增益误差。国内对铝电解阳极导杆电流的在线测量也进行了大量的研究，CN201220251734.3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。但是
数据测量精度低，传输的数据只有四位有效位，并且无温度补偿装置；CN105242098A专利技术了一种基于差分放大的恒流源铝电解阳极电流测量仪，因其差分放大模块可以使采集到的电压信号更加清晰，但是对于现场环境变化引起的温度漂移没有进行误差修正，达不到要求的测量精度；CN204714919U专利技术了一种铝电解槽阳极电流分布在线监测装置，虽然对采集到的模拟信号进行放大滤波处理，但并没有针对零点漂移的校正功能，精度无法保障。综上所述，需要进一步改进铝电解槽阳极电流分布的监测水平，从而进一步提高电解生产的控制水平。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种具有自校准功能的铝电解槽阳极分布电流精确测量仪，以解决现有的测量方式不能自动校正测量信号以及测量精度差等问题。该测量仪包括自校准模块、A/D转换模块、微处理器、温度采集模块、RS-485通讯模块、数据存储模块、电源模块和隔离保护模块，其中，自校准模块与A/D转换模块电连接，A/D转换模块与微处理器电连接，A/D转换模块和微处理器之间设置隔离保护模块，温度采集模块与微处理器电连接，温度采集模块和微处理器之间设置隔离保护模块，RS-485通讯模块与微处理器电连接，RS-485通讯模块和微处理器之间设置隔离保护模块，数据存储模块与微处理器电连接，数据存储模块和微处理器之间设置隔离保护模块，电源模块为自校准模块、A/D转换模块、微处理器、温度采集模块、RS-485通讯模块和数据存储模块供电。自校准模块主要包括自校准电路、放大电路和滤波电路，可有效校准输入信号，并抑制共模信号干扰，减小输入噪声，保证测量精度。其中自校准电路选用Maxim Integrated公司的MAX4932多路器开关IC，该多路开关为三通道，由微处理器直接通过两位数字信号控制通道选择，其中01、10、11分别控制通道一、通道二、通道三。上电
默认为00，即高阻态，以防止过电流对设备造成损坏。具体校准过程为：先进行零度标定，即选择一个通道使其短接到地，以得到用以确定校准系数的零标度点，方程一，其中分别是零标度输入值与输出值，a为函数系数，b为常量；然后进行满度标定，即选择第二个通道接入标准信号源，得到方程二，其中分别是满标度输入值与输出值，标准信号源由Analog Devices公司的ADR4525芯片提供的10mV标准源；在上述两个量程之间依据线性逼近理论，计算出系数a和常量b的值，选择第三个通道即实际测量模拟信号，使其快速合理地进行自动修正零偏误差和增益误差。阳极导杆的等距压降信号理论估算值为0.761mV～2.173mV，为了把如此小的电压信号放大到A/D可以感知的水平，必须使用放大电路对其处理。选用TI公司的INA129精密仪表放大器，该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放大器的增益调节电阻。为了防止混叠效应并有效地滤除高频噪声，本设计在放大电路与A/D转换器之间设置防混叠低通滤波器(LPF)。根据文献资料以及现场经验介绍，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，设置滤波器的截止频率为10Hz。设计三阶二级巴特沃斯(Butterworth)有源低通滤波电路，并在电路设计时在连接电源处增加旁路电容，隔离了电源的交流噪声。滤波电路输出的模拟信号经限幅电路输入到A/D转换模块，由于等距压降信号较低(2mV左右)、测量精度要求高，按0.5级精度计算，则需要的A/D转化模块的分辨率至少为12位，考虑到系统的冗余性和性价比，本设计采用16位的A/D转换芯片。综合各方面因素，选用Analog Devices公司的AD7705芯片。该芯片为高速、低功耗、逐次逼近型A/D转换器，可满足20Hz的采样速率要求，运用∑-Δ
技术可实现16位无误码性能。A/D转换模块与微处理器之间采用数字隔离器进行隔离。对于现场环境温度变化，本技术通过AD7705对偏移和增益漂移进行校准。本设计在自校准模式中，模数转换器决定内部校准点。AD7705的设置寄存器是一个8位寄存器，具体选择哪种校准可以由设置寄存器的MD1和MD0位来编程。令MD1MD0＝01时，芯片进行自校准。用来确定校准系数的零标度点是用差分输入对的输入端在器件内部短路，即AIN1(+)＝AIN1(-)＝内部偏置电压V2；满标度标准转换是由ADR4525芯片提供的标准信号源2.5V电压下完成的。在该校准模式中，通过芯片逻辑输出引脚来确定转换何时结束且模拟输入的转换数据可用。校准初始化时为高电平，直到外部模拟输入的转换结果可用时才变为低电平。微处理器选用ST公司的高性能工业级微处理器STM32F103，该芯片内核为ARM公司的32位Cortex-M3处理器。微处理器主要完成相关数据的采集、处理以及与上位机的通信功能。通过软件设计，可以实现上位机对其进行初始化、校时、参数设置、参数查询、控制命令等一系列操作。微处理器可以将带有时间、电流、导杆编号等多种信息的数据包传送给上位机。温度采集模块主要包括温度传感器和温度信号处理模块，本设计采用PT100温度传感器作为温度测量元件。将PT100温度传感器安装在夹具上并紧贴阳极导杆表面，其采集的信号经温度信号处理模块转换为数字信号作为微处理器的输入，用于对阳极导杆电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有自校准功能的铝电解槽阳极分布电流精确测量仪，其特征在于：包括自校准模块(1)、A/D转换模块(2)、微处理器(3)、温度采集模块(4)、RS‑485通讯模块(5)、数据存储模块(6)、电源模块(7)和隔离保护模块(8)，其中，自校准模块(1)与A/D转换模块(2)电连接，A/D转换模块(2)与微处理器(3)电连接，A/D转换模块(2)和微处理器(3)之间设置隔离保护模块(8)，温度采集模块(4)与微处理器(3)电连接，温度采集模块(4)和微处理器(3)之间设置隔离保护模块(8)，RS‑485通讯模块(5)与微处理器(3)电连接，RS‑485通讯模块(5)和微处理器(3)之间设置隔离保护模块(8)，数据存储模块(6)与微处理器(3)电连接，数据存储模块(6)和微处理器(3)之间设置隔离保护模块(8)，电源模块(7)为自校准模块(1)、A/D转换模块(2)、微处理器(3)、温度采集模块(4)、RS‑485通讯模块(5)和数据存储模块(6)供电。
【技术特征摘要】
1.一种具有自校准功能的铝电解槽阳极分布电流精确测量仪，其特征在于：包括自校准模块(1)、A/D转换模块(2)、微处理器(3)、温度采集模块(4)、RS-485通讯模块(5)、数据存储模块(6)、电源模块(7)和隔离保护模块(8)，其中，自校准模块(1)与A/D转换模块(2)电连接，A/D转换模块(2)与微处理器(3)电连接，A/D转换模块(2)和微处理器(3)之间设置隔离保护模块(8)，温度采集模块(4)与微处理器(3)电连接，温度采集模块(4)和微处理器(3)之间设置隔离保护模块(8)，RS-485通讯模块(5)与微处理器(3)电连接，RS-485通讯模块(5)和微处理器(3)之间设置隔离保护模块(8)，数据存储模块(6)与微处理器(3)电连接，数据存储模块(6)和微处理器(3)之间设置隔离保护模块(8)，电源模块(7)为自校准模块(1)、A/D转换模块(2)、微处理器(3)、温度采集模块(4)、RS-485通讯模块(5)和数据存储模块(6)供电。2.根据权利要求1所述的具有自校准功能的铝电解槽阳极分布电流精确测量仪，其特征在于：所述自校准模块(1)包括自校准电路(1-1)、放大电路(1-2)和滤波电路(1-3)，自校准电路(1-1)、放大电路(1-2)和滤波电路(1-3)依次串联，滤波电路(1-3)与A/D转...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹怡欣，王家齐，崔家瑞，肖高奇，徐正光，张森，王粉花，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：新型
国别省市：北京;11
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