一种精确测量电渣炉渣阻的装置及其测量方法与流程

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种精确测量电渣炉渣阻的装置及其测量方法。

背景技术：

电渣炉采用电渣作为发热部件生热，熔化被炼电极，在熔炼过程中，电极与电渣接触的表面熔化为一层金属薄膜，在表面张力和重力的作用下金属膜形成了一个个细小的熔滴，这些熔滴经过电渣被吸附掉杂质，或掺入有用元素，最终落入锭子熔池，受控冷却结晶而形成纯净且各向同性的金属或合金材料。由于发热元件是熔化的电渣，在整个熔炼过程中电渣会被消耗，其化学成分也会发生变化，所以电渣的渣阻随时在变化，为保证熔化率的恒定(恒熔速控制)，需要随时掌握渣阻的变化，及时调整控制参数，必要时还需要提示加入新渣。

目前国内外主流的电渣炉都还是采用电压电流有效值来计算渣阻，并没有考虑到电源的非线性引起的高次谐波对计算出的渣阻的影响，也没有考虑到电源中电抗元件导致的电压电流的不同相，所以计算出来的渣阻偏差比较大，进而影响到电渣炉的恒熔速控制。所以要设计一种精确测量电渣炉渣阻的装置，以此来解决电源的非线性引起的高次谐波带来的渣阻计算的问题，解决电源中电抗元件导致的电压电流的不同相的问题，计算出来阻值不精确的问题，从而影响到电渣炉的恒熔速控制的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，本发明实现了一种精确测量电渣炉渣阻的装置，包括信号采样输入装置，信号采集计算装置、信号输出装置；

所述的信号采样输入装置还包括熔炼电源、电压互感器、电流互感器；所述的电压互感器的一端通过psv01通道、psv02通道连接至熔炼电源上；所述的电压互感器的另一端通过av01通道、av02通道连接至所述的滤波模块；所述的电流互感器通过互感线圈后，通过al01通道、al02通道连接至滤波模块；

所述的信号采集计算装置包括数字信号处理器，滤波模块、ad转换模块；所述的数字信号处理器通过lpsdp01通道、lpsdp02通道、lpsdp03通道、lpsdp04通道与滤波模块连接；所述的数字信号处理器通过adsdp01通道、adsdp02通道、adsdp03通道、adsdp04通道与ad转换模块连接；所述的数字信号处理器控制所述的滤波模块和所述的ad转换模块，进行ad转换的全过程，定时间隔地发出启动转换和读取数据的控制信号，电压和电流信号读取同步进行；

所述的信号输出装置还包括da转换模块、校准模块、通讯模块；所述的数字信号处理器通过sdpda01通道、sdpda02通道与da转换模块相连接，转换所述的数字信号处理器输出的电流信号；所述的数字信号处理器通过sdpda03通道、sdpda04通道与da转换模块相连接，转换所述的数字信号处理器输出的电压信号；所述的da转换模块通过oai01通道、oai02通道与所述的校准模块相连接；用于校准所述的数字信号处理器输出的电流信号；所述的da转换模块通过ovi03通道、ovi04通道与所述的校准模块相连接；用于校准所述的数字信号处理器输出的电压信号；

所述的数字信号处理器通过pfb01通道、pfb02通道与profibus通讯模块相连接；所述的profibus通讯模块与通过profibus与vpc3芯片相连，数字信号处理器把计算数据写入vpc3芯片中。

进一步，所述的数字信号处理器，滤波模块、ad转换模块、da转换模块、校准模块、通讯模块均与电源模块连接，提供电源。

进一步，所述的数字信号处理器为dsp处理器。

进一步，所述的滤波模块上的av01通道、av02通道输入值为交流0v-5v模拟量；所述的滤波模块上的al01通道、al02通道为4ma-20ma模拟量。

同时，在本技术方案中还提供了一种精确测量电渣炉渣阻的装置的测量方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤s10：初始化数字信号处理器的外部设备：初始化滤波模块的lpsdp01通道、lpsdp02通道、lpsdp03通道、lpsdp04通道的数值设置为0000；ad转换模块的adsdp01通道、adsdp02通道、adsdp03通道、adsdp04通道的数值设置为0000、da转换模块的sdpda01通道、sdpda02通道、sdpda03通道、sdpda04通道的数值设置为0000；通讯模块的pfb01通道、pfb02通道的数值设置成00；设置完成后，进入步骤s20；

步骤s20：启动定时器：将数字信号处理器的定时器开启，进行采样时间的计时；开始后进入步骤s30；

步骤s30：采样时间判断：当数字信号处理器的定时器大于采样时间时，进入步骤s40；：当数字信号处理器的定时器小于采样时间，进入步骤s20；

步骤s40：启动ad数据转换：数字信号处理器通过lpsdp01通道、lpsdp02通道、lpsdp03通道、lpsdp04通道按照步骤s30中的定时器时间，设置数据转换触发脉冲，ad转换模块按照触发脉冲的频率，将电压互感器、电流互感器采集的电压和电流信号，经过滤波模块以后，进行模拟信号转换成数字信号；并通过adsdp01通道、adsdp02通道、adsdp03通道、adsdp04通道传输至数字信号处理器；采样时间达到后，进入步骤s50；

步骤s50：读取数据：将步骤s40中的数字信号，寄存在数字信号处理器中，完成后，进入步骤s60；

步骤s60：判断数据个数：直至在数字信号处理器中达到96个数据后，进入步骤s70，

步骤s70：电压、电流fft计算：通过数字信号处理器上的fft通道，按照快速傅里叶变换的公式，进行电压、电流转换后，进入步骤s80；

步骤s80：计算电流、电压有效值：通过将步骤s70中转化后的电压、电流进行有效值计算，计算出电流、电压有效值后，进入步骤s90；

步骤s90：计算有功功率：按照p＝u*i*cos(φ1-φ2)公式计算，其中u和i分别为计算出的电压、电流有效值，根据1/1.414*电压电流最大值，计算出电压、电流有效值；φ1为计算出的电流相位，φ2为计算出的电压相位，保证相位差为正值，计算后取绝对值；进入步骤s100；

步骤s100：计算渣阻阻值：在通过数字信号处理器上的运算器，按照公式渣阻r＝p/i2计算出渣阻值；进入步骤s110；

步骤s110：渣阻阻值传送，将步骤s110中的渣阻值，写入vpc3芯片发送缓冲区和da转换器，写入vpc3芯片的数据由vpc3芯片自动实现与主站通讯；进入步骤s120；

步骤s120：重置定时器：完成步骤s110后，将数字信号处理器上的定时器重置后，回到步骤s20。

上述的技术方案，主要解决以下问题：(1)基于渣阻呈线性特性，可以将电压、电流的基波分量作为计算渣阻的依据；(2)考虑电压、电流基波的不同相，所求得的实部即为渣阻值；⑶通过数字链路直接将渣阻的数值传输到主控设备，包括plc或者工控机等控制设备。

在本技术方案中采用快速傅立叶变换，分离出炉口电压和熔炼电流的基波分量，电压电流的基波分量一般有正交的实部和虚步，将电压电流的向量值相除后取得的实部即为渣阻值。

在本技术方案有以下突出优点：1)采用高速数字信号处理技术分离出电压、电流的基波分量，精确渣阻值；精度可达到万分之一；2)抗电磁干扰性能好，在强电磁环境中保证信号的精确性和可靠性；3)不同于常规渣阻变送器通过4-20ma模拟量将渣阻值传送到plc，再由plc进行a/d转换，本装置可以把计算获得的渣阻值通过工业以太网或串口直接传送到plc，以避免反复d/a，a/d转换造成转换误差；4)装置全数字处理，免校验。

附图说明

图1是本发明的精确测量电渣炉渣阻的装置示意图。

图2是本发明的精确测量电渣炉渣阻的装置测量方法的控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合附图1中所示，本发明中公开了一种精确测量电渣炉渣阻的装置，包括信号采样输入装置10，信号采集计算装置20、信号输出装置30；

信号采样输入装置10还包括熔炼电源11、电压互感器12、电流互感器13；电压互感器12的一端通过psv01通道、psv02通道连接至熔炼电源11上；电压互感器12的另一端通过av01通道、av02通道连接至滤波模块22；电流互感器13通过互感线圈后，通过al01通道、al02通道连接至滤波模块22，利用电压互感器12、电流互感器13采集熔炼电源11上的电压和电流的信号；利用滤波模块22对于采集的电压和电流的信号进行滤波。

信号采集计算装置20包括数字信号处理器21，滤波模块22、ad转换模块23；数字信号处理器21通过lpsdp01通道、lpsdp02通道、lpsdp03通道、lpsdp04通道与滤波模块22连接，通过psdp01通道、lpsdp02通道、lpsdp03通道、lpsdp04通道接受经过滤波模块22滤波后的非线性电压和电流的信号，为数字信号处理器21计算电压值和电流值，提供了传输通道；数字信号处理器21通过adsdp01通道、adsdp02通道、adsdp03通道、adsdp04通道与ad转换模块连接；对于通过adsdp01通道、adsdp02通道、adsdp03通道、adsdp04通道传输过来的非线性电压和电流的信号转化成数字信号，数字信号处理器21控制滤波模块22和ad转换模块23，对于非线性电压和电流的信号转换成数字信号，数字信号处理器21控制滤波模块22和ad转换模块23进行，模拟和数字转换的全过程，利用数字信号处理器21内部的定时器定时间隔地发出启动转换和读取数据的控制信号，实现了电压和电流信号读取同步进行；为后续的电压、电流的有效值计算奠定基础。

信号输出装置30还包括da转换模块31、校准模块32、通讯模块33；数字信号处理器21通过sdpda01通道、sdpda02通道与da转换模块31相连接，转换数字信号处理器21输出的电流信号；数字信号处理器21通过sdpda03通道、sdpda04通道与da转换模块31相连接，转换数字信号处理器21输出的电压信号；按照快速傅里叶变换的公式，进行电压、电流转换后，计算电流、电压有效值后，并计算有功功率：按照p＝u*i*cos(φ1-φ2)公式计算，其中u和i分别为计算出的电压、电流有效值，根据1/1.414*电压电流最大值，计算出电压、电流有效值；φ1为计算出的电流相位，φ2为计算出的电压相位，保证相位差为正值，计算后取绝对值；并计算出渣阻阻值并将渣阻阻值，通过da转换模块31转换成数字信号；数字信号处理器21经过da转换模块31通过oai01通道、oai02通道与校准模块32相连接；用于校准数字信号处理器21输出的电流信号；da转换模块31通过ovi03通道、ovi04通道与校准模块32相连接；用于校准数字信号处理器21输出的电压信号；将输出的渣阻阻值，进行校准，这样可以精确地控制输出的渣阻，即为电渣的渣阻阻值，避免反复d/a，a/d转换造成转换误差，以此达到分离出电压、电流的基波分量，精确渣阻值；精度可达到万分之一，同时，规避了熔炼电源11产生的电磁干扰，采用上述的转换过程以及校准过程，具有抗电磁干扰性能好，在强电磁环境中保证信号的精确性和可靠性的功能。

数字信号处理器21通过pfb01通道、pfb02通道与profibus通讯模块33相连接；profibus通讯模块33与通过profibus与vpc3芯片相连，数字信号处理器21把计算数据写入vpc3芯片34中，计算数据主要包括渣阻写入vpc3芯片34中，用于本装置与plc或者工控设备进行数据显示，这样是实现了不同于常规渣阻变送器通过4-20ma模拟量将渣阻值传送到plc，再由plc进行a/d转换，本装置可以把计算获得的渣阻值通过工业以太网或串口直接传送到plc，以避免反复d/a，a/d转换造成转换误差的技术问题，实现了装置全数字处理，免校验的功能。

为了实现上述的功能，数字信号处理器21，滤波模块22、ad转换模块23、da转换模块31、校准模块32、通讯模块33均与电源模块35连接，提供电源。

在实施例中采用的数字信号处理器21为dsp处理器。

在实施例中，滤波模块22上的av01通道、av02通道输入值为交流0v-5v模拟量；滤波模块22上的al01通道、al02通道为4ma-20ma模拟量。

为了解决上述的技术问题，本发明中还提供了一种精确测量电渣炉渣阻的装置的测量方法，主要包括以下步骤：

步骤s10：初始化数字信号处理器21的外部设备：初始化滤波模块22的lpsdp01通道、lpsdp02通道、lpsdp03通道、lpsdp04通道的数值设置为0000；ad转换模块23的adsdp01通道、adsdp02通道、adsdp03通道、adsdp04通道的数值设置为0000、da转换模块31的sdpda01通道、sdpda02通道、sdpda03通道、sdpda04通道的数值设置为0000；通讯模块33的pfb01通道、pfb02通道的数值设置成00；设置完成后，进入步骤s20；

步骤s20：启动定时器：将数字信号处理器21的定时器开启，进行采样时间的计时；开始后进入步骤s30；

步骤s30：采样时间判断：当数字信号处理器21的定时器大于采样时间时，进入步骤s40；：当数字信号处理器21的定时器小于采样时间，进入步骤s20；

步骤s40：启动ad数据转换：数字信号处理器21通过lpsdp01通道、lpsdp02通道、lpsdp03通道、lpsdp04通道按照步骤s30中的定时器时间，设置数据转换触发脉冲，ad转换模块23按照触发脉冲的频率，将电压互感器12、电流互感器13采集的电压和电流信号，经过滤波模块22以后，进行模拟信号转换成数字信号；并通过adsdp01通道、adsdp02通道、adsdp03通道、adsdp04通道传输至数字信号处理器21；采样时间达到后，进入步骤s50；

步骤s50：读取数据：将步骤s40中的数字信号，寄存在数字信号处理器21中，完成后，进入步骤s60；

步骤s60：判断数据个数：直至在数字信号处理器21中达到96个数据后，进入步骤s70，

步骤s70：电压、电流fft计算：通过数字信号处理器上的fft通道，按照快速傅里叶变换的公式，进行电压、电流转换后，进入步骤s80；

步骤s80：计算电流、电压有效值：通过将步骤s70中转化后的电压、电流进行有效值计算，计算出电流、电压有效值后，进入步骤s90；

步骤s90：计算有功功率：按照p＝u*i*cos(φ1-φ2)公式计算，其中u和i分别为计算出的电压、电流有效值，根据1/1.414*电压电流最大值，计算出电压、电流有效值；φ1为计算出的电流相位，φ2为计算出的电压相位，保证相位差为正值，计算后取绝对值；进入步骤s100；

步骤s100：计算渣阻阻值：在通过数字信号处理器21上的运算器，按照电阻公式r＝p/i2计算出渣阻值；进入步骤s110；

步骤s110：渣阻阻值传送，将步骤s110中的渣阻值，写入vpc3芯片发送缓冲区和da转换器，写入vpc3芯片的数据由vpc3自动实现与主站通讯；进入步骤s120；

步骤s120：重置定时器：完成步骤s110后，将数字信号处理器21上的定时器重置后，回到步骤s20。

采用了上述的精确测量电渣炉渣阻的装置的测量方法，可以提高渣阻的精确阻值，这样解决了避免反复d/a，a/d转换造成转换误差，以此达到分离出电压、电流的基波分量，精确渣阻值；精度可达到万分之一，同时，规避了熔炼电源11产生的电磁干扰，采用上述的转换过程以及校准过程，具有抗电磁干扰性能好，在强电磁环境中保证信号的精确性和可靠性的功能。

作为本发明优选的实施例，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，也是本发明的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。