具有自校准功能的铝电解槽阳极分布电流精确测量仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型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。
【专利说明】
具有自校准功能的铝电解槽阳极分布电流精确测量仪
技术领域
[0001]本实用新型涉及铝电解阳极电流分布检测技术领域，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。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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发明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发明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。
[0005]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。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型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。
[0007]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。
[0008]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1C，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1mV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。
[0009]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I?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。
[0010]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。
[0011]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Σ-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。
[0012]对于现场环境温度变化，本实用新型通过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MD I和MDO位来编程。令MD IMDO = 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AINl(+ ) =AINU-) =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。
[0013]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。
[0014]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PTlOO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，用于对阳极导杆电阻值的计算进行温度补偿。温度处理模块选用MAX31865芯片，内部集成15位的ADC，它可以直接将RTD的阻值信号转换为微处理器可以识别的数字信号。
[0015]RS-485通讯模块为数据传输模块，用以将带有时间、电流、导杆编号等多种信息的数据包实时传送给上位机，并将上位机发送的控制命令与设置参数传送至微处理器。数据通信采用菊花链式总线方式的工业级RS-485传输。从微处理器输出的信号为TTL电平，需要通过电平转换芯片将其转换为符合485通信标准的差分信号，本设计选用AnalogDevices公司的ADM2687E芯片，数据速率可达16Mbps。
[0016]为了保证数据的安全，本实用新型中设计了数据存储模块，用以暂存微处理器输出的各种信息数据，避免通信故障时数据的丢失。存储芯片采用存储容量为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。
[0017]电源是整个系统的正常运行的关键，因此，电源设计的好坏直接影响系统的性能及其稳定性。由于系统需要的电压等级较多，而系统对电源的性能要求较高并且要求体积小、重量轻，因此，采用高性能开关电源的形式，根据供电需求以及考虑现场的环境因素，加入了金升阳科技有限公司出品的DC/DC隔离电源模块(内部1500V隔离)，可以提高系统的安全性及可靠度，提高EMC(Electro magnetic compatibility电磁兼容性)的特性并保护二次侧。本实用新型设计了三种等级的供电电路，每级都经过隔离电源模块。该方案能很好的满足低压电路的需求。
[0018]为了对微控制器进行保护，在微处理与A/D转换模块、温度采集模块、数据存储模块、RS-485通讯模块之间设计了隔离保护模块，主要采用Si8662型号的数字隔离芯片。Si86622数字隔离器的工作温度范围广，可承受铝电解现场80°C左右的高温;数据传输速率150Mbps，是目前业界最高的水平;与同类产品比较，抖动性能最低，可保证具有最低的数据传输错误和误码率;抗干扰能力最强，抗电场干扰能力为300V/m，抗磁场干扰能力为1000A/mD
[0019]本实用新型的上述技术方案的有益效果如下:
[0020](I)本设计采用等距压降法测量阳极电流，并带有自校准功能，能够消除偏置和增益误差，同时利用微处理器的软件滤波算法和比例回归算法对测量数据进行处理，测量精度局达0.32 % ο
[0021](2)本设计采用485总线传输技术，支持无限扩展，信号通信稳定。可以通过上位机对测量仪进行初始化、校时、参数设置、参数查询、控制命令等一系列操作，实现对所有阳极电流的实时监测，传送到上位机的数据延迟不超过48秒。
[0022](3)本设计采用AD7705数据校准功能，当现场测试环境发生变化时，可通过自动校准来实现数据校准，以消除器件的内部误差、偏移和增益以及传感器漂移误差。
[0023](4)本设计的阳极分布电流精确测量仪所有模块与微处理器之间均设有数字隔离模块，能有效的保护微处理器并维持信号的稳定性。
[0024](5)本设计的阳极分布电流精确测量仪结构简单，运行可靠，测量精度高，成本低，适合在工业现场大面积应用。
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型的具有自校准功能的铝电解槽阳极分布电流精确测量仪的结构示意图；
[0026]图2为该测量仪的自校准模块电路图；
[0027]图3为该测量仪的自校准流程图；
[0028]图4为该测量仪的A/D转换模块电路图；
[0029]图5为该测量仪采用的AD7705读取数据流程图；
[0030]图6为该测量仪的电源模块结构图；
[0031 ]图7为该测量仪的隔离保护模块电路图；
[0032]图8为该测量仪应用时的分布结构示意图。
[0033]其中:1-自校准模块;2-A/D转换模块;3-微处理器;4_温度采集模块;5-RS-485通讯模块;6-数据存储模块;7-电源模块;8-隔离保护模块；1-1-自校准电路；1-2-放大电路；1-3-滤波电路;9-阳极分布电流精确测量仪;10-阳极导杆;11-电解槽;12-集线器;13-上位机。
【具体实施方式】
[0034]为使本实用新型要解决的技术问题、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。
[0035]本实用新型针对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，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。
[0036]如图1所示，该测量仪包括自校准模块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I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。
[0037]如图2所示，该测量仪的自校准模块I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转换模块2相连，放大电路1-2采用高精度金属膜电阻作为增益调节电阻，滤波电路1-3的截止频率为1Hz;自校准电路1-1采用Maxim Integrated公司的MAX4932多路器开关1C，放大电路1-2采用TI公司的INAl 29精密仪表，滤波电路1-3采用防混叠低通滤波器。
[0038]自校准模块按照图3所示流程进行自校准。
[0039]如图4所示，A/D转换模块选用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Σ - △技术可实现16位无误码性能。
[0040]对于现场环境温度变化，本测量仪通过AD7705对偏移和增益漂移进行校准。AD7705读取数据流程图如图5所示。
[0041]如图6所示，电源模块采用高性能开关电源的形式，根据供电需求以及考虑现场的环境因素，加入了金升阳科技有限公司出品的DC/DC隔离电源模块(内部1500V隔离)，可以提高系统的安全性及可靠度，提高EMC(Electro magnetic compatibility电磁兼容性)的特性并保护二次侧。本实用新型设计了三种等级的供电电路，每级都经过隔离电源模块。该方案能很好的满足低压电路的需求。图中的供电对象为自校准模块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。
[0042]隔离保护模块主要采用Si8662型号的数字隔离芯片，电路图如图7所示。
[0043]此外，微处理器3采用ST公司的高性能工业级微处理器STM32F103。温度采集模块4包括温度传感器和温度信号处理模块，温度传感器为PTlOO温度传感器。
[0044]该测量仪在实际应用中如图8所示，本实用新型的阳极分布电流精确测量仪9直接安装在测量夹具上，测量夹具安装在阳极导杆10上，电解槽11的每根阳极导杆上均安装有一个阳极分布电流精确测量仪9。为了尽量减少测量夹具的空间，两个测量头之间的距离设定为1cm?15cm，阳极导杆10的等距压降信号理论估算值为0.76ImV?2.173mV，为了把如此小的电压信号放大到可以感知的水平，必须使用放大电路1-2。从等距压降测量头引出电压信号经过放大、滤波后经过限幅电路与A/D转换模块2相连，考虑到冗余性与性价比本实用新型采用16位的AD7705转换芯片。A/D转换模块2与微处理器3之间采用隔离保护模块8进行隔离，经过A/D转换模块2转换后的数字电压信号流经隔离保护模块8后输入到微处理器3。
[0045]采用等距压降法测量导杆电流时，微处理器3接收的是电压信号，需要计算出对应测量头之间的阳极导杆1电阻值，在电解槽11工作时阳极导杆1温度高达100度左右，会对阳极导杆10电阻值产生影响，因此设置了导杆表面温度采集模块4，用以对阳极导杆10电阻值做温度补偿。温度采集前端采用PTlOO温度传感器，由温度传感器采集的温度信号传送至阳极分布电流精确测量仪9的温度采集模块4，经数据处理后输入到微处理器3。
[0046]微处理器3的输出端为RS-485通讯模块5与数据存储模块6。每个电解槽11都设有一个集线器12，微处理器3输出的数据先经过RS-485通讯模块5发送给本电解槽11的集线器12，经过集线器12的处理、集中后传送至上位机13。可以通过上位机13对阳极分布电流精确测量仪9进行各种操作，包括初始化、校时、参数设置、参数查询、控制命令等。每次采样完成时，微处理器3将带有时间、终端地址、阳极电流等信息的数据传送给集线器12，并将数据存储至数据存储模块6中。
[0047]整个阳极分布电流精确测量仪9用电采用工频220V，经过开关电源和电压转换电路转换后为不同器件供电，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。
[0048]以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
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(I)、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(I)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(I)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转换模块(2)相连，放大电路(1-2)采用高精度金属膜电阻作为增益调节电阻，滤波电路(1-3)的截止频率为1Hz。3.根据权利要求1或2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:所述自校准电路(1-1)采用Maxim Integrated公司的MAX4932多路器开关1C，所述放大电路(1-2)采用TI公司的INA129精密仪表，所述滤波电路(1-3)采用防混叠低通滤波器。4.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A/D转换模块(2)的分辨率不少于12位。5.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:所述微处理器(3)采用ST公司的高性能工业级微处理器STM32F103。6.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:所述温度采集模块(4)包括温度传感器和温度信号处理模块，温度传感器为PT100温度传感器。7.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:所述电源模块(7)为DC/DC隔离电源模块。8.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:所述隔离保护模块(8)采用Si8662型号的数字隔离芯片。
【文档编号】G01R19/25GK205501431SQ201620228391
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】尹怡欣, 王家齐, 崔家瑞, 肖高奇, 徐正光, 张森, 王粉花
【申请人】北京科技大学