一种铝电解阳极导杆分布电流检测与控制装置及系统的制作方法

本实用新型属于铝电解阳极电流检测技术领域，更具体地，涉及一种铝电解阳极导杆分布电流检测与控制装置及系统。

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。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关，流传统测量方法是采用人工离线的方法测量阳极电流，使用测量叉着密切联系。阳极导杆分布电流可以反应铝电解过程状况，对铝电解工艺过程具有重要的意义。阳极电测量等距压降，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，工人劳动强度大。

目前对铝电解阳极导杆电流的测量也进行了大量的研究，CN203653718U发明了一种铝电解槽阳极电流分布检测系统，采用集中器和测量装置采用无线通信，采用人工安装和拆卸装置，但每一个测量点的操作时间平均为3分钟，按一台铝电解槽48个测量点计算，需要近3个小时的时间，工作强度大，工作时间长，而且需要操作工人在盖板上工作，有较大隐患；CN105624734A发明了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，采用有线通信，装置缺乏集中控制和遥控，部分元器件寿命不长，工作易用性差，可靠性不高。CN103014774A发明了一种基于铝电解槽阳极电流分布的在线测量装置，探针采用普通金属探针，在工业现场易被腐蚀，导致探针与阳极导杆接触不良，阳极电流测量不准确。

综上所述，需要进一步优化阳极导杆电流测量装置和开发控制器。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种铝电解阳极导杆分布电流检测与控制系统，实现测量装置探针耐腐蚀，装置安装和拆卸便捷，测量装置与集中器通信能抗电磁干扰，能够集中手工控制和移动端远程遥控，提高元器件寿命，测量结果不易受环境影响，可靠性高，操作人员易于实时监控。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种铝电解阳极导杆分布电流检测与控制装置，包括：传感与控制模块，传感信号预处理及电机驱动模块，微处理器，CAN总线通信模块，电源模块；

其中，所述传感与控制模块包括四路传感与控制模块，所述传感信号预处理及电机驱动模块包括四路传感信号预处理及电机驱动模块，每一路传感与控制模块与每一路传感信号预处理及电机驱动模块一一对应电连接，每一路传感信号预处理及电机驱动模块均与所述微处理器电连接，并在每一路传感信号预处理及电机驱动模块与所述微处理器之间设置信号隔离模块，所述微处理器与所述CAN总线通信模块电连接，所述电源模块与所述微处理器、所述传感与控制模块、所述传感信号预处理及电机驱动模块以及所述CAN总线通信模块连接。

优选地，所述传感与控制模块包括温度传感器、拉压力传感器、等距电压测量触点和步进电机，其中，所述温度传感器采用PT1000铂热电阻，所述拉压力传感器采用膜盒式拉压力传感器，所述步进电机采用24V小型步进电机。

优选地，所述等距电压测量触点采用镀金触点。

优选地，所述传感信号预处理及电机驱动模块包括低电压放大电路、滤波电路、温度信号调理电路、拉压力信号调理电路、步进电机驱动电路、A/D驱动电路和信号隔离电路，其中，低电压放大电路、滤波电路和A/D驱动电路依次串联，温度传感器、温度信号调理电路和A/D驱动电路依次串联，拉压力传感器、拉压力信号调理电路和A/D驱动电路依次串联，步进电机、步进电机驱动电路和信号隔离电路依次串联。

优选地，所述低电压放大电路采用两级放大，分别为前置放大和接收放大，其中前置放大采用ADI公司的AD620仪用放大器，接收放大器采用ADI公司的轨到轨自稳零运放AD8629，所述滤波电路采用5阶低通椭圆滤波电路。

优选地，所述微处理器采用意法半导体公司生产的带有CAN通信接口的工业级芯片STM32F407ZGT7。

优选地，所述传感和控制模块和所述传感信号预处理及电机驱动模块采用带屏蔽层双绞线连接。

优选地，所述传感信号预处理及电机驱动模块、所述微处理器、所述CAN总线通信模块和所述电源模块封闭于镀锌铁壳屏蔽盒中。

优选地，所述CAN总线通信模块包括CAN驱动电路和光电隔离电路，CAN驱动电路采用TI公司生产的工业级CAN驱动芯片SN65HVD233SJD芯片，光电隔离电路采用采用TI公司的光隔芯片ISO7221MD，且CAN驱动电路与CAN总线电缆连接，接口统一采用航空插头。

为实现上述目的，按照本实用新型的另一个方面，提供了一种铝电解阳极导杆分布电流检测与控制系统，包括分布电流信号集中控制器、后台服务器、移动数字终端模块以及如上任意一项所述的铝电解阳极导杆分布电流检测与控制装置；

其中，所述分布电流信号集中控制器与所述铝电解阳极导杆分布电流检测与控制装置通过CAN总线连接，并与所述后台服务器通过以太网连接，所述移动数字终端模块与所述后台服务器通过无线网络连接。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要有以下的技术优点：

(1)本实用新型采用CAN总线与分布电流信号集中控制器进行通信，CAN总线可以实现系统各节点之间实时、可靠和高速的数据通信，且不会出现发生在RS-485网络中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。

(2)本实用新型设计的移动数字终端可以远程遥控测量装置的安装和拆卸，而且可以接受测量装置采集的数据，并以图表的形式显示，操控简便，操作人员可以远离工业现场进行监控。

(3)本实用新型采用镀金工艺的探针测量阳极电流，能够保证测量装置与阳极导杆的良好接触，减缓测量探针被腐蚀，减少故障发生率。

(4)本实用新型采用PT1000铂热电阻作为温度传感器，提高测量温度的精度，同时采用三线制测温，能减小测量线路电阻的干扰。

(5)本实用新型采用拉压力传感器与步进电机配合进行测量装置的安装和拆卸，解决因测量探针未贴紧阳极导杆而导致测量结果不准确的故障。

(6)本实用新型采用五阶低通椭圆滤波器对阳极导杆电压差进行滤波，能有效滤除信号源频率范围以外的信号干扰。

(7)本实用新型采用STM32F407ZGT7作为微处理器，该芯片集成了12位A/D转换器和CAN通信接口，能减少外接芯片数量，降低成本，缩小设备体积。

(8)本实用新型设计镀锌铁盒作为测量控制装置的屏蔽盒，能够有效减小工业现场电磁场的干扰。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种电流检测与控制装置总体设计框图；

图2为本实用新型实施例提供的一种电机驱动原理图；

图3为本实用新型实施例提供的一种阳极导杆电压两级放大电路原理图；

图4为本实用新型实施例提供的一种温度测量及信号调理电路原理图；

图5为本实用新型实施例提供的一种五阶有源低通椭圆滤波器电路原理图；

图6为本实用新型实施例提供的一种CAN总线驱动电路原理图；

图7为本实用新型实施例提供的一种拉压力传感器安装图；

图8为本实用新型实施例提供的一种电流检测与控制系统的整体框图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1传感与控制模块，2传感信号预处理及电机驱动模块，3微处理器，4CAN总线通信模块，6分布电流信号集中控制器，28电源模块，6-1CAN驱动电路，6-2光电隔离电路，1-1阳极导杆，1-2拉压力传感器，1-3推杆，1-4绝缘触板，8-1测量与执行机构，8-2阳极大母线，8-3电解槽，8-4阳极导杆，8-5CAN总线，8-6分布电流信号集中控制器，8-7测量与控制装置，8-8后台服务器，8-9无线访问点，8-10移动数字终端。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型针对现有的阳极导杆电流测量装置故障频发、集中操控和遥控不便、测量结果可靠性不高的问题，提供一种铝电解阳极导杆分布电流检测与控制系统，有助于对铝电解阳极导杆分布电流的监测及对监测装置的控制。

如图1所示，本实用新型公开的一种铝电解阳极导杆分布电流检测与控制装置包括传感与控制模块1、传感信号预处理及电机驱动模块2、微处理器3、CAN总线通信模块4、电源模块28，其中，

传感与控制模块1与传感信号预处理及电机驱动模块2电连接，接口为航空插头，传感信号预处理及电机驱动模块2与微处理器3由隔离芯片隔离，微处理器3与CAN总线通信模块4电连接，微处理器3与CAN总线通信模块4之间设置隔离模块。

其中，传感与控制模块1包括等距电压测量触点14、温度传感器信号检测15、拉压力传感器信号检测16和24V步进电机，传感与控制模块1安装在贴近阳极导杆的传感与执行装置上，温度传感器和等距电压测量触点固定在绝缘板上，绝缘板与推杆之间安装拉压力传感器检测推杆对绝缘板的推力值，由微处理器判断传感与执行装置是否压紧或松开，推杆由步进电机转子上的齿轮驱动，步进电机接收控制信号推紧推杆或拉回推杆。等距电压测量触点共两个，用于测量阳极导杆近距离两点的电压差值，再通过欧姆定理求阳极导杆的电流值，等距电压测量触点采用镀金工艺，能够极大提高探针耐腐蚀能力，保证探针与阳极导杆的良好接触。

传感信号预处理与电机驱动模块2包括前置放大电路18、接收放大电路19、五阶低通滤波电路20、A/D驱动电路21、多路选择器22、信号隔离电路23、温度电压信号调理模块24、拉压力传感器信号调理模块25、步进电机驱动器26，CAN总线通信模块4包括CAN驱动电路6-1和光电隔离电路6-2。各传感信号均由传感与控制模块1通过屏蔽线传输获得，传感信号输入接口为航空插头。且传感信号预处理及电机驱动模块2、微处理器3、CAN总线通信模块4和电源模块28封闭于镀锌铁壳屏蔽盒中。

每一个测量与控制装置7都包括第一路传感信号预处理与电机驱动模块2、第二路传感信号预处理与电机驱动模块9、第三路传感信号预处理与电机驱动模块11、第四路传感信号预处理与电机驱动模块13、微处理器3和CAN总线通信模块4，由一个微处理器3对四根阳极导杆上的传感信号进行处理并与分布电流信号集中控制器进行通信。

所述的传感与控制模块1测量阳极导杆上的电位差、温度、探针对导杆的压力和控制探针与导杆的距离，阳极导杆1-1电压信号通过绝缘板1-4上固定距离的探针进行测量，为使装置体积不过大，两探针的距离设置为10cm，两探针的之间的电位差很小，为能够准确测量阳极导杆的电压信号就需要进行放大和滤波，探针测量的电压差分信号接入传感信号预处理及电机驱动模块2中的前置放大电路18。所述的两级放大电路如图3所示。

所述的前置放大电路18采用仪表放大器，由于检测阳极导杆靠近高压电源端，电流检测放大器需要有很高的抗共模电压能力，仪表放大器具有高共模抑制比。例如，采用ADI公司的仪表放大器AD620SQ，工作温度-40℃～+125℃该芯片具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50μV)和低失调漂移(最大0.6μV/℃)特性，工作温度为是精密数据采集系统的理想之选，具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗的特性。

所述的接收放大电路19采用轨到轨运放对阳极导杆电压信号进行进一步放大，接收放大电路19将放大后的信号输入五阶低通滤波电路20。例如，接收放大电路采用ADI公司的轨到轨输出型运算放大器ADA4522-1ARZ，工作温度-40℃～+125℃，该放大器具有零漂移、低噪声、低功耗、单电源供电时输入可以到0V和轨到轨输出的特性，具有宽工作电压和温度范围、高开环增益、极低直流和交流误差，能够放大极小的输入信号并再现较大的信号。

所述的滤波电路采用五阶低通椭圆滤波器20，输入的电压信号频率范围在0～10Hz，设计的五阶低通椭圆滤波电路截止频率为10Hz，滤波电路如图5所示，该滤波器采用有源滤波，放大器采用AD8599ARZ，工作温度为-40℃～+125℃，在滤波电路的输入端接入一个电压跟随器。

所述的温度传感器15测量阳极导杆的温度，由于本实用新型是通过欧姆法测量阳极导杆的电流，由测量得到的电压与阳极导杆固定距离的电阻求电流，而阳极导杆的电阻值随温度而改变，为能够测得精确的电流值需要进行温度补偿，温度传感器15安装在绝缘板1-4上，采用三线制测温电路，温度传感器测得的信号需进行调理，温度信号调理电路如图4所示，包括测温电桥及稳压源和电压跟随器、放大电路。温度传感器两端接入测温电桥，稳压源给电桥供电，电桥两桥臂的差动电压接入仪表放大器AD620SQ，工作温度-40℃～+125℃。

例如，温度传感器采用高精度铂热电阻PT1000，采用恒压源进行供电，稳压器采用可调并联稳压器TL432，测温电路采用桥式测温，由三端子的可调并联稳压器TL432提供稳定的电压信号，通过外部电阻的调节，输出参考电压可以在2.5V到36V之间变化，且TL432的输出噪声低，为增强稳压源的带负载能力在稳压源输出端接电压跟随器AD8691AUJZ-R2，工作温度为-40℃～+125℃，电压跟随器输出接电桥，电桥两桥臂的电压差经屏蔽线传输给所述传感信号预处理与电机驱动模块。

所述的温度电压信号调理模块24对温度传感器测得的信号进行放大，为抗共模干扰，放大器采用仪表放大器，例如采用ADI公司生产的AD620SQ。

所述的拉压力传感器模块测量绝缘触板1-4对阳极导杆的推力，将推力信号转换为电压信号输入到拉压力传感器1-2信号调理模块进行调理，拉压力传感器1-2安装位置如图7所示，当微处理器控制装置靠近阳极导杆1-1时，推杆1-3受电机推动往阳极导杆1-1方向移动，当触板1-4接触阳极导杆1-1时，推杆1-3就会受到阳极导杆1-1的反作用力，拉压力传感器1-2就将压力值转换为电压信号，提供给微处理器进行分析。例如，拉压力传感器采用JLMB-1膜盒式拉压力传感器，该传感器体积小，能测量100N左右的压力，拉压力传感器调理电路采用仪表放大器AD620SQ。

所述的24V步进电机17接收由微处理器3发出经驱动器26驱动的控制信号，控制传感器与控制模块1的安装和拆卸，推动推杆1-3的前后移动，步进电机相对于直流电机控制更精准，对于控制测量触点的前后移动更为精确。例如，步进电机采用2相4线制步进电机42BYGH4815，扭矩为0.5N·M。

所述的步进电机驱动器26将微处理器3输出的控制信号转换为驱动步进电机运行的电信号，提高输出电压和输出电流，驱动电路如图2所示。例如，采用意法半导体公司生产的步进电机驱动芯片L298N，该芯片工作电压高，最高可达46V，输出电流大，峰值最高可达3A，功率为25W，工作温度为-40℃～+150℃。

所述的A/D驱动模块21采用电压跟随器，起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。例如，A/D驱动模块采用放大器AD8691作为电压跟随器，放大倍数设为1。

所述的多路选择器22通过微处理器3的控制选择阳极导杆电压信号、拉压力传感器信号和温度传感器信号其中之一传输给微处理器3，减少元器件的使用。例如，多路选择器22采用AD公司的低压CMOS模拟多路复用器ADG708BRU，工作温度-40℃～+125℃。微处理器控制多路选择器选择通过的信号，多路选择器输出的信号经信号隔离电路输入微处理器进行A/D转换。

所述的信号隔离模块23采用模拟信号隔离放大器，能够有效隔离输入端与微处理器3，保护微处理器。例如，模拟信号隔离放大器选择TI公司的模拟信号精密隔离放大器ISO120SG，工作温度为-55℃～+125℃，选择的传感器信号经信号隔离后输入微处理器进行A/D转换，模拟电压信号转换为数字信号。

所述的微处理器3将输入的传感器模拟信号转换为数字信号，且通过计算将温度值和阳极导杆电压值转换为电流值，微处理器3通过CAN总线5与分布电流信号集中控制器6进行通信，微处理器3将测量得到的电流值、导杆标号传输给分布电流信号集中控制器6，分布电流信号集中控制器6对测量装置的控制信号通过CAN总线5传输给微处理器3，由微处理器3控制电机运行。例如，采用意法半导体公司的STM32F407ZGT7作为微处理器，该芯片集成了12位A/D转换器和CAN通信接口，能减少外接芯片数量，降低成本，缩小设备体积。

所述的CAN总线通信模块4包括CAN驱动电路6-1和数字隔离电路6-2，微处理器3通过CAN总线可以实现系统各节点之间实时、可靠和高速的数据通信。例如，CAN驱动电路6-1采用TI的CAN收发器接口芯片SN65HVD233SJD，信号速率可达1Mbps，能够适应恶劣的环境条件，工作温度为-55℃～+210℃，利用无屏蔽双绞或平行电缆，具有±36V的过电压和短路故障保护性能和±100V的共模瞬间保护性能。光隔芯片采用TI公司的ISO7221MD，工作温度-40℃～+125℃，ISO7221MD是双通道数字隔离器，能够承受高达4000V峰峰值的电压，可以有效阻止数据总线上的噪声电流流入本地信号回路，减小噪声对敏感电路的干扰。CAN总线通信模块如图6所示。

所述的电源模块28采用开关电源和DC/DC转换电路，外部220V电压经电缆传输到电流检测装置，经开关电源转换为24V直流电，电源模块28需要给电流检测装置各个模块供电，而部分模块的工作电压低于24V，DC/DC转换电路将24V转换为各模块正常工作电压。

图8所示为分布电流信号集中控制器8-6，控制一个电解槽多个(一般为36或48个)阳极导杆上的测量装置测量与执行机构8-1的拆卸和安装，控制信号通过CAN总线8-5传输给测量与控制装置8-7，每一个测量与控制装置8-7测量4根阳极导杆8-4上的电流信号，并控制4路测量与执行机构8-1。分布电流信号集中控制器8-6通过网络将所测的该电解槽的分布电流信号输入后台服务器8-8，后台服务器8-8保存数据供操作人员调用，后台服务器8-8与移动数字终端8-10通过无线网络进行通信，数据通过无线访问点8-9进行中转。整个系统各模块的通信连接如图8所示，其中，分布电流信号集中控制器8-6与测量与控制装置8-7通过CAN总线连接，并与后台服务器8-8通过以太网连接，移动数字终端模块8-10与后台服务器8-8通过无线网络连接。

其中，移动数字终端模块在Android平台上进行开发，该模块载体为移动端，该移动端通过无线网络与后台服务器进行通信，用户登录APP客户端进入系统，通过该软件可以调用后台服务器的数据，移动端可以图形化显示每台铝电解槽的各个阳极导杆电流测量点及编号、查看报表、显示导杆分布电流实时图，远程遥控每个测量点执行机构的安装和拆卸，向后台服务器发送压紧或松开指令，用户在移动端发出的控制命令经无线发送到后台服务器，后台服务器通过以太网将指令传送到分布电流信号集中控制器，分布电流信号集中控制器将指令传达给对应的阳极导杆电流测量装置，实现对应的测量装置的压紧或松开。

综上，本实用新型提供的铝电解阳极导杆分布电流检测与控制系统的工作方式为：传感与控制模块检测阳极导杆电压信号、温度信号和测量端对导杆的推力信号，并根据微处理器发送的控制信号控制电机的运行；传感信号预处理及电机驱动模块对采集的传感器信号分别进行放大和滤波、驱动A/D转换、信号隔离和驱动电机运行；微处理器将采集的各传感器模拟信号转换为数字信号并进行进一步计算，与分布电流信号集中控制器CAN通信，控制电机；分布电流信号集中控制器与后台服务器进行网络通信，后台服务器接收数据并保存；移动数字终端通过无线网络与后台服务器通信，显示电流数据并控制电流检测控制器。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。