АВТОНОМНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК ДЛЯ АСУ ТП ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ Российский патент 2006 года по МПК C25C3/20 

Изобретение относится к области средств измерений, контроля и автоматизации, а именно к линейным усилителям и преобразователям напряжения постоянного тока с переменной составляющей до 30 Гц с гальванической развязкой и согласованием с входами АСУ ТП электролиза алюминия.

Известно устройство для контроля технологического состояния алюминиевого электролизера (Авторское свидетельство СССР №889748, опубл. в БИ №46 от 15.12.81) содержащее: систему измерения колебаний тока серии, состоящую из последовательно включенного преобразователя напряжения с гальваническим разделением и активного фильтра; и цепь измерения переменной составляющей напряжения электролизера - активным фильтром, подключенным к выходу коммутатора; последовательно включенными сумматором, амплитудным детектором и анализатором, при этом входы сумматора подключены к выходам активных фильтров, выход анализатора подключен к последовательно включенным аналого-цифровому омметру и устройству вывода на печать, задатчиком среднего значения омического сопротивления, подключенным к активному фильтру токовой ветви, задатчиком длительности измерения, подключенным к входу коммутатора, ограничителем тока, подключенным к сумматору, устройством сравнения, соединенным по входу - с устройством вывода на печать, группой параллельно соединенных по входу и подключенных к выходу коммутатора ключей управления, выходы которых к активным фильтрам и к анализатору.

Недостатком устройства является низкая точность передачи информации от электролизера к системе принятия решений (к АСУ ТП электролиза). Существенные дополнительные погрешности связаны с задатчиками среднего значения омического сопротивления и длительностью измерения аналоговых сигналов. Кроме того, необходим дополнительный источник питания от сети 220 В.

Известен усилитель М-ДМ с гальванической развязкой (Авторское свидетельство СССР, №1358066, опубл. в БИ №45 от 07.12.87, прототип), содержащий входной фильтр нижних частот, преобразователь напряжение - частота, элемент гальванической развязки, преобразователь частота - длительность импульсов, широтно-импульсный демодулятор, преобразователь напряжение - ток, в котором выход входного фильтра нижних частот соединен с входом элемента гальванической развязки, через делитель напряжения и преобразователь напряжение - частота, а между выходом элемента гальванической развязки и входом широтно-импульсного демодулятора введен преобразователь частота - длительность импульсов.

Недостатком прототипа является существенная зависимость точности преобразования сигнала от напряженности электромагнитного поля в связи с несколькими каскадами преобразования сигнала, необходимость в источнике питания от сети 220 В, что снижает надежность работы устройства и повышает сложность его эксплуатации.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности, пропускной способности передачи сигнала от объекта на вход АСУТП, снижение погрешности измерения, расширение динамического диапазона входных сигналов и обеспечение питания узлов устройства от источника информационных сигналов - электролизера.

Для решения поставленной задачи в автономный измерительный блок для АСУ ТП электролиза алюминия, содержащий компаратор, делитель напряжения, активный фильтр нижних частот, элемент гальванической развязки, согласно предлагаемому изобретению дополнительно включены: усилитель нижних частот, ограничитель, конвертер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), стабилизатор напряжения; при этом входы ограничителя, активного фильтра нижних частот, делителя напряжения и сигнальный вход компаратора объединены и являются входом измерительного блока, а выход ограничителя соединен через конвертор с входом стабилизатора напряжения, первый выход, которого соединен с входами по питанию делителя напряжения, активного фильтра нижних частот, усилителя нижних частот, АЦП, элемента гальванической развязки и компаратора, второй выход стабилизатора напряжения подключен к опорному входу компаратора, кроме того, выход компаратора соединен с управляющим входом делителя напряжения и первым входом АЦП, а выход делителя напряжения подключен ко второму входу АЦП, а выход активного фильтра нижних частот соединен через усилитель нижних частот с третьим входом АЦП, выход которого через элемент гальванической развязки соединен с входом АСУ ТП электролиза алюминия.

Существенное отличие устройства заключается в том, что входы ограничителя, активного фильтра нижних частот, делителя напряжения и сигнальный вход компаратора объединены и являются входом измерительного блока от источника информационного сигнала - электролизера; а выход ограничителя соединен с входом конвертера, выход конвертера соединен с входом стабилизатора напряжения, первый выход стабилизатора напряжения соединен с входами по питанию делителя напряжения, активного фильтра нижних частот, усилителя нижних частот, АЦП, элемента гальванической развязки и компаратора, второй выход стабилизатора напряжения подключен к опорному входу компаратора. Такое включение блоков обеспечивает питание всех узлов устройства стабильным током, обеспечивающим работоспособность устройства в целом при изменении входного информационного сигнала - напряжения электролизера в пределах от 2 до 80 В.

Вторым существенным отличием является то, что, выход компаратора соединен с управляющим входом делителя напряжения и первым входом АЦП, а выход делителя напряжения подключен ко второму входу АЦП, кроме того, выход активного фильтра нижних частот соединен через усилитель нижних частот с третьим входом АЦП, а выход АЦП подключен к входу элемента гальванической развязки. Такое схемное решение обеспечивает высокую точность передачи информационных сигналов: рабочего напряжения электролизера, включая анодные эффекты, и переменную составляющую - технологические шумы электролизера в диапазоне 0-20 Гц, несущие полезную информацию о режиме работы электролизной ванны.

На чертеже представлена функциональная электрическая схема устройства, где введены следующие обозначения: источник информационного сигнала - электролизер 1, ограничитель 2, активный фильтр нижних частот 3, делитель напряжения 4, компаратор 5, конвертор 6, стабилизатор напряжения 7, усилитель нижних частот 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, элемент гальванической развязки 10, АСУ ТП 11.

Автономный измерительный блок для АСУ ТП электролиза алюминия работает следующим образом. Информационный сигнал с выхода электролизера 1 поступает одновременно на входы ограничителя 2, активного фильтра нижних частот 3, делителя напряжения 4 и на сигнальный вход компаратора 5. Ограничитель 2 выполнен на транзисторах и стабилитроне, ограничивает напряжение на уровне 5,1 В, чем обеспечивает устойчивый режим работы конвертора и источника питания в целом, при изменениях рабочего напряжения электролизера в пределах от 2 до 80 B. С выхода ограничителя 2 напряжение 5,1 В поступает на вход конвертора 6, который преобразует входное напряжение в напряжение ±15 В. Это напряжение поступает на вход стабилизатора напряжения 7, который выполнен на интегральных схемах и обеспечивает стабильное напряжение ±12 В на первом выходе, которое используется для питания всех активных элементов измерительного блока. Со второго выхода стабилизатора напряжения снимается стабильное напряжение +10 В и подается на опорный вход компаратора 5, чем обеспечивается высокая стабильность работы делителя напряжения 4.

С выхода компаратора 5, напряжение "0" или "1", поступает на первый вход АЦП 9. Напряжение "0" соответствует режиму деления 1:1, т.е. режиму без анодного эффекта, а "1" - режиму деления 1:10 при анодном эффекте.

С выхода делителя напряжения 4, управляемого компаратором 5, рабочее напряжение электролизера поступает на второй вход АЦП 9.

С выхода активного фильтра нижних частот 3, сигнал с частотой среза 20 Гц и подавлением промышленной частоты 50 Гц на - 40 дБ, поступает на вход усилителя нижних частот 8, где усиливается и подается на третий вход АЦП 9.

С выхода АЦП 9 сигнал в последовательном цифровом коде поступает на элемент гальванической развязки 10, с выхода которого передается по витой паре или по радиоканалу на вход АСУ ТП 11 или любую другую систему сбора и обработки информации.

В предлагаемом устройстве решена проблема гальванической развязки выносного измерительного блока от сети переменного тока 220 В, поскольку устройство питается непосредственно от электролизера и может располагаться на шине, подводящей ток к электролизеру. Применение в качестве элемента гальванической развязки радиоканала исключает линии связи электролизера с АСУ ТП, что повышает не только надежность информационных средств, но и безопасность работы обслуживающего персонала электролизного корпуса. В предлагаемом техническом решении уменьшена погрешность от влияния магнитных полей, расширен динамический диапазон входных сигналов, сокращено количество линий связи, повышена надежность работы всего устройства.

Изобретение относится к области средств измерений, контроля и автоматизации и может быть использовано в АСУ ТП электролиза алюминия. Технический результат - повышение надежности, пропускной способности, снижение погрешности измерения, расширение динамического диапазона. В устройстве решена проблема гальванической развязки выносного измерительного блока от сети переменного тока 220 В, поскольку устройство питается непосредственно от электролизера и может располагаться на шине, подводящей ток к электролизеру. Применение в качестве элемента гальванической развязки радиоканала исключает линии связи электролизера с АСУ ТП, что повышает не только надежность информационных средств, но и безопасность работы обслуживающего персонала электролизного корпуса. В предлагаемом техническом решении уменьшена погрешность от влияния магнитных полей, расширен динамический диапазон входных сигналов, сокращено количество линий связи, повышена надежность работы всего устройства. 1 ил.

Автономный измерительный блок для АСУ ТП электролиза алюминия, содержащий компаратор, делитель напряжения, активный фильтр нижних частот, элемент гальванической развязки, отличающийся тем, что он снабжен усилителем нижних частот, ограничителем, конвертером, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), стабилизатором напряжения, при этом входы ограничителя, активного фильтра нижних частот, делителя напряжения и сигнальный вход компаратора объединены и являются входом измерительного блока, а выход ограничителя соединен через конвертер с входом стабилизатора напряжения, первый выход которого соединен с входами по питанию делителя напряжения, активного фильтра нижних частот, усилителя нижних частот, АЦП, элемента гальванической развязки и компаратора, второй выход стабилизатора напряжения подключен к опорному входу компаратора, выход компаратора соединен с управляющим входом делителя напряжения и первых входом АЦП, выход делителя напряжения подключен ко второму входу АЦП, выход активного фильтра нижних частот соединен через усилитель нижних частот с третьим входом АЦП, выход которого через элемент гальванической развязки соединен с входом АСУ ТП электролиза алюминия.