Brevet FR2064374A1 — publié le 19710723

La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif électronique pour sa mise en oeuvre assurant la protection contre les surcharges et les courts-circuits dans les cellules électrolytiques et dispositifs similaires, en particulier dans 5 les cellules chlore-soude-amalgame . Comme on le sait, une cellule électrolytique chlore-soude-amalgame de type usuel comporte un bac au fond duquel reposent le mercure cathodique et la saumure; sur le bac sont disposés des châssis soutenant chacun un groupe d'anodes . q Les distances qui séparent le mercure cathodique et les ano des immergées dans la saumure sont ajustées en déplaçant les châssis porte-anodes; pour obtenir de bons rendements, ces distances doivent être très faibles ( quelques millimètres). L'alimentation électrique à basse tension continue sous une cj forte intensité de courant est effectué en reliant les cellules en série; des barres métalliques d'alimentation en cuivre amènent le courant aux anodes . A cause d'irrégularités de la surface de l'amalgame ou de différences dans la vitesse de consommation des anodes ou en rai-,q son d'autres irrégularités, il peut se produire des surcharges ou des courts-circuits entre une ou plusieurs anodes et la cathode avec, comme conséquence, un abaissement du rendement ou la production de phénomènes destructifs . Comme en général chaque barre de montée amène le courant 25 à plusieurs anodes ,.le court-circuit sur une anode détermine une augmentation proportionnelle du courant nominal de la barre plus faible que celle subie par le courant nominal de l'anode. Il existe déjà des dispositifs connus de protection qui mettent en action des moyens d'alarme et/ou des commandes d'inter-20 vention lorsque se produisent des surcharges ou des courts -circuits dans les cellules électrolytiques. Habituellement, le fonctionnement de ces dispositifs connus est basé simplement sur la détection des courants individuels des 35 barres de montée anodiques indépendamment les unes des autres ; on a constaté que ce procédé présente des inconvénients dus au fait que le courant total traversant la cellule et, de ce fait , les courants individuels dans les barres de montée peuvent s'écarter notablement des valeurs nominales même dans des con-40 ditions de fonctionnement normales, en particulier pour une faible 70 37118 2 2064374 charge de l'installation et, dans ce cas, les dispositifs peuvent ne pas intervenir. On connaît aussi des dispositifs dont le fonctionnement repose sue la détection des tensions entre divers groupes d'anodes (tensions transverses) ; ces tensions détectables même dans des conditions normales de fonctionnement, augmentent lors de courts-circuits. Ces dispositifs présentent également des désavantages, en t>ar-10 ticulier en ce oui concerne leur sensibilité réduite. En conséquence, l'invention a. oour but de fournir un procédé assurant la. détection d'anomalies de fonctionnement dans la distribution des. courants d'électrolyse et de surcharges dans les cellules électrolytiques, ce procédé éliminant les Inconvénients mention-15 nés en garantissant la sécurité et la précision de fonctionnement, auelle nue soit la charge' de.1'installation. Elle vise aussi un dispositif électroniaue pour la mise en oeuvre de ce procédé nui, tout en possédant les avantages du pro- -cédé lui-même, se distingue par une grande- précision, une facilité 20 de réglage, une insensibilité aux perturbatlons électrioues et une faible dérive thermique, le fonctionnement de ce dispositif étant bas»5 sur la détection et .1 'élaboration des grandeurs primaires, c'est-à-dire les courants. Le procédé suivant l'invention assurant la protection contre ?? les surcharges dans les cellules électrolyticmes et appareillages similaires, en partial 1er» les cellules chlore-soude à cathode de rercure camnortant un bac, contenant le mercure et la saumure, - sur lequel sont disposés des châssis porte-anodes, le courant étant-amené aux anodes par des barres métalliques de montée,est 3Ct caractérisé.en ce ou'11 consiste à assurer la détection des surcharges en effectuant, pour chaque châssis porte-anodes, la discrimination du courant de barre ayant la. plus forte intensité, à déterminer, .une grandeur électrinue fonction de la valeur d'au m^i-^s l'un -^es autres courants, et « comparer cet te.;j grandeur avec 35 une autre grandeur homoeè^e fonction .dudit courant-de,plus forte Intensité.- - - ■ .; - Toujours conformément * -1,-' invention» . pour la rrise en, oeuvre du procéd" vi?p, il est prévu-un dispositif électronique -comprenant un amplificateur opérationnel- à entrée différentielle,-pour chacune 40 des barres.de montre r1 'anode, ces divers amplificateurs étant' pourvus d'un circîuit de réaction pour le réglage du gain et alimentés BAD ORIGINAL 70 37118 3 2064374 par des chutes de tension prélevées sur les barres et comprenant des circuits de compensation des effets dus aux variations de température des barres et des circuits filtres passe-feas servant h élimine^ d'éventuelles perturbations dans l'installation, les 5 tensions de sortie de ces amplificateurs opérationnels alimentant un circuit d'établissement de moyenne de type résistif pour la détermination de la tension moyenne, et un circuit discrimi^ateur à diodes pour la détermination de la tension maximale en valeur absolue, les sorties de ces circuits d'établissement moyenne et de discrimination aboutissant à un circuit comparateur associé par l'intermédiaire d'un amplificateur et d'un circuit a retard à une unité d'alarme et/ou de commande, ce dispositif comportant enfin un instrument à entrée commutable pour la mesure de ces tensions de sortie de ces amplif1cateurs opérationnels et de la 15 tension moyenne. La description ci-après illustre l'invention dans un exemple non limitatif en se référant aux dessins annexés otî les parties identiques ou équivalentes portent les mêmes références, et sur lesquels : 20 la Pig. 1 est une représentantion sous forme schématinue d'un groupe d'éléments anodiaues oui relient la cathode d'une cellule chlore-soude h cathode de mercure aux anodes d'une ^ellule suivante et d'un dispositif associé de protection, réalisé selon l'invention ; 25 la. Fig. 2 représente un schéma simplifié plus détaillé du dispositif de protection de la Fig. 1 ; la Fig. 3 représente des circuits particuliers de régulation et de compensation du dispositif représenté sur les Fig. 1 et 2. En se référant à la Fig. 1, des barres de montée anodi-3® ques cuivre par exemple, assurent la connexion entre la cathode de mercure de la cellule ? avec les groupes respectifs d'anodes 3,3'>3"».de la cellule 4 oui fait suite et nui est montée en série avec la cellule 2. Sur une portion de longueur déterminée de chaque barre 1, l',l"(,sont prélevées des chutes de tension oui 55 constituent les tensions d'entrée des amplificateurs opérationnels 5,5' ,5.".è entrées différentielles du type à circuit intégré. Les sorties des amplificateurs 5>5Î 5"„sont reliées h un circuit discriminateur 6, au circuit d'établissement de moyenne 7 et à un voltmètre 8 à entrée commutable qui peut être connecté également avec la sortie du circuit d'établissement de moyenne 7 et est 70 37118 4 2064374 pourvu d'échelles convenables pour la lecture des courants de barre et du courant moyen. Le circuit discriminateur 6 et le circuit d'établissement de moyenne 7 sont reliés à un circuit- comparateur 9 qui, à son tour, est relié, par l'intermédiaire d'un 5 circuit à retard 10 à une unité d'alarme 11. Dans le schéma simplifié de la Fig.2, qui est relatif (comme la Fig.l) à un dispositif de protection pour un élément de cellule à six barres, est représentée une alimentation stabilisée 12 qui délivre les tensions d'alimentation au dispositif au moyen 10 de connexions qui, pour des raisons de simplicité,n'ont pas été représentée. Les entrées des amplificateurs différentiels 5>5'» 5.".sont pourvus d'éléments 13,. 13', 13".-. de réglage du gain montés dans un circuit de réaction, et reliées aux barres 1, l', l'.'..au moyen 15 d'éléments thermosensibles 14, 15, 14', 151* 14", 15"... montés au contact direct de ces barres, afin de compenser l'effet de leurs variations de température, comme il sera précisé ci-après. Ces éléments thermosensibles 14, 15, 14', 15', 14", 15"... sont constitués d'éléments ou de réseaux passifs ayant un coeffi-20 cient de température égal à celui du matériau dont sont formées les barres 1, lf, l".. Aux sorties des amplificateurs 5, 5'* 5"... on recueille six tensions proportionnelles aux courants traversant les barres respectives 1, l', l"... 25 Ces tensions de sortie sont rapportées à -un point commun du fait que les amplificateurs 5» 5'> 5"sont pourvus de circuits de rejet des tensions à modé cbmmun pouvant apparaître en raison des tensions anodiques transverses. Par lfintermédiaire de résistances 16, 16', 16"... qui sont 30 montées en étoile, des résistances 17, 18 (cette dernière étant à la masse) et du potentiomètre 19 de réglage du niveau d'alarme, qui constituent le circuit 7 représenté sur la Fig.l, on prélève au curseur du potentiomètre 19 une tension proportionnelle à la valeur moyenne des tensions de sortie des amplificateurs 35 5i 5' > 5"-.. clont le niveau est réglable depuis une valeur minimale prise comme tension moyenne jusqu'à une valeur maximale supérieure . de 75$ à la tension moyenne. Le circuit discriminateur schématisé sur la Fig.l est formé d'un réseau en étoile de diodes 20, 20', 20"..., de résistances 40 21 et 22 et d.'une diode 23-- cette dernière ayant pour fonction de 70 37118 5 2064374 compenser les variations avec la température de la tension directe des diodes 20, 20', 20"... - et permet de sélectionner la tension de la valeur la plus élevée parmi les six tensions de sortie des amplificateurs 5, 5f, 5"••• ^ Une tension proportionnelle à cette tension la plus élevée apparaît au point commun entre la résistance 21 et la diode 23 avec le même facteur d'échelle que la tension moyenne. Un amplificateur d'erreur 24 à l'entrée duquel sont appliquées la.tension proportionnelle à la tension la plus élevée et celle 2Q qui est prélevée au potentiomètre 19, donne en sortie un signal de polarité déterminée lorsque la tension la plus élevée dépasse la moyenne d'une valeur que l'on peut déterminer à l'avance à l'aide du potentiomètre 19 taré en % de la tension moyenne. je- Dans ce cas, le circuit à retard 10 est mis en action, au bout d'un intervalle de temps réglable au moyen d'un potentiomètre 25, et ferme le contact 26 de l'unité d'alarme 11.Par contre, les irrégularités momentanées n'ont aucun effet. Sur la Fig.3 est représenté le schéma de principe simplifié de l'amplificateur 5 (les autres amplificateurs 5', 5"... étant identiques à celui-ci). Les éléments thermosensibles 14, 15 sont formés de deux résistances de cuivre égales, de valeur R^, contenues dans des boîtiers qui sont vissés directement sur la barre 1 de manière à 2^ se trouver à la même température qu'elle. Le réglage du gain de l'amplificateur 5 est obtenu àu moyen d'un élément 13 formé d'un potentiomètre de valeur de résistance égale à KRg (avec K variable), disposé en contre-réaction dans le réseau en H de résistances comprenant quatre résis tances égales 27, 28, 29, 30 (cette dernière ayant une extrémité à la masse) de valeur R^, avec, en outre, un condensateur 31 de filtrage passe-bas placé entre les extrémités des résistances 27, 28 tandis qu'un autre condensateur 32 est relié entre les extrémités des résistances 29, 30. Les condensateurs 31 et 32 ont pour fonction de filtrer d'éventuelles ondulations alternatives et les sautes de tension pou- 35 vant apparaître dans le signal utilisé. Les résistances du réseau en H, au lieu d'être toutes égales, peuvent être égales seulement deux à deux sur les cotés opposés. L'amplificateur 5 décrit est du type différentiel, c'est-à-^ dire que la tension de sortie ne dépend que de la différence de 70 37118 6' 2064374 tension aux bornes d'entrée et non du niveau à l'une ou l'autre de ces bornes. En outre, la présence des résistances de cuivre 14, 15 rend la sortie de l'amplificateur indépendante des variations de température de la barre 1 qui, à égalité de courant, provoquent 5 des variatinns dans la chute de tension. L'amplificateur opérationnel 5 à circuit intégré comprend en outre d'autres circuits auxiliaires, non représentés afin de ne pas surcharger le dessin. En particulier, il comporte des circuits réactifs d'amortissement des auto-oscillations à haute fréquence de 10 l'amplificateur et des dispositifs de protection contre les surtensions d'entrée. Ces derniers peuvent être constitués par un couple de diodes mises en parallèle mais tête-bêche, reliées entre les bornes d'entrée de l'amplificateur 5; pour les tensions normales de fonctionnement ces diodes n'ont pour effet que d'abaisser 15 légèrement l'impédance d'entrée. En raison de la diversité des barres 1, l', l".. il peut arriver que l'on observe, malgré l'égalité des courants les traversant, des chutes de tension différentes aux bornes des amplificateurs 5, 5*i 5"..- Pour cela., les gains.des amplificateurs 20 5> 5'i 5"... sont réglés de façon à obtenir des tensions de sortie égales lorsqu'on a égalité des courants traversant les barres 1, l', 1" Diverses données relatives à un prototype du dispositif décrit sont indiqués ci-après.: chute de tension prélevées sur les 25 barres = 12 mVj longueur de la portion de prélèvement de la tension = 470 mm (barres de 270 x 20 mm de section, parcourues par des courants individuels de 8000 A); tension de sortie des amplificateurs 5s 5'j 5"... = 5 V; dérive thermique à l'entrée des amplificateurs 5, 5 ', 5"..pour une excursion de température de 30°C = 30 15.0 uV; erreur maximale dans la comparaison entre le courant le plus élevé et le courant moyen des barres 1, 1', -l"... - 1 durée du, retard du circuit à retard 10 (pour éviter, de prendre en compte des transitoires = réglable de 0 à 15 secondes. Un complément possible à ce dispositif consiste à utiliser 35 le signal sortant du circuit à retard 10 pour .commander automatiquement le relèvement du châssis porte-anodes. . -, , Une; autre variante consiste encore, à munir l'installation d'un dispositif par cellule au lieu d'un dispositif pour chaque châssis porte-anodes-. 8AD ORIGINAL 70 37118 7 2064374 REVENDT CATTO NS 1 - Procédé pour la protection contre les surcharges survenant dans les cellules électrolytiques, en particulier les cellules du type chlore-soude à cathode de mercure comportant un bac renfermant le mercure et la saumure, sur lequel sont disposés 5 des châssis porte-anodes dont les anodes sont alimentées en courant par des barres de montée ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer la détection des surcharges en discriminant entre un certain nombre de courants traversant ces barres celui dont l'intensité est la plus grande 10 à déterminer une grandeur, de préférence électrinue, fonction de la valeur d'au moins l'un des autres courants et h comparer cette grandeur avec une autre grandeur homogène fonction de ce courant de plus grande intensité. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce eue 15 la première grandeur à comparer avec la grandeur oui lui est homogène, fonction du courant de plus grande intensité est une grandeur fonction de la valeur moyenne de tous ces courants. 3 - Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits courants sont les courants relatifs aux barres 20 de montée aboutissant aux anodes d'un châssis norte-anodes. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce aue les opérations définies dans ces revendications sont effectuées séparément pour chaaue groupe de courants relatifs aux barres de montée de chaaue châssis porte-anodes. 25 5 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconaue des revendications 1 a 4, caractérisé en ce au'il comprend un amplificateur opérationnel pour chacune des barres de montée anodioue, ces amplificateurs ayant un gain réglable, étant alimentés sur des entrées différentielles avec des chutes 30 de tension prélevées sur les barres et comprenant des circuits de compensation des effets dûs aux variations de température des barres et des circuits de rejet des tensions de mode commun dues aux tensions anodicrues transverses, les tensions de sortie des amplificateurs opérationnels alimentant un circuit d'établis-35 sement de moyenne servant à déterminer la tension moyenne et m circuit discriminateur détectant la tension la plus élevée, les sorties de ces deux derniers circuits étant reliées à un circuit 70 37118 8 2064374 comparateur lui-même associé à une unité d'alarme et/ou de commande. 6 - Dispositif se''on la revendication caractérisé en ce nue chacun des amplificateurs opérationnels comprend un réseau 5 résistif en H monté en contre-réaction pour le réglage du gain, ce réseau en H comprenant dans sa branche centrale un potentiomètre . . . 7 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce oue les auatre autres éléments du réseau sont formés de résis- 1° tances égales deux à deux sur les cotés opposés du réseau. 8 - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce nue les circuits de compensation des effets dus aux variations de température des barres sont formé»? de résistances, ou de réseaux passifs ayant un coefficient de température égal à celui 1 c du matériau dont sont constituées les barres, et sont au contact de ces barres, en série"avec les bornes d'entrée desdits amplificateurs opérationnels. 9 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce nue le circuit d'établissement de moyenne est constituée par un réseau en étoile de résistances reliées aux sorties des amplificateurs opérationnels et comprend en outre un potentiomètre de réglage du niveau d'alarme. 10 - Dispositif selon la revendication 5 caractôr>ip4 en ce nue le circuit discriminateur détectant la tension la plus «lovée est formé par un réseau en étoile de diodes reliées en sér1® sur les sorties r'es amplificateurs opérationnels et v une p"i~r>e dio^e pour la compensation des variations de tension directe sur ces diodes en. fonction de la température. 11 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce 3° nue entre le circuit comparateur et l'unité d'alarme et/ou de commande est disposé un circuit à. retard pourvu d'un potentiomètre de réglage du retard. 12 - Dispositif selon la revendication 5» caractérisé en ce nue les amplificateurs opérationnels comprenant des circuits de 31? filtre nasse-bas disposés en contre-réaction. 13 - Dispositif selon la revendication ■->, caractérisé en ce nu'il comprend un voltmètre ? entrée commutable sur les sorties r!es amplificateurs opérationnels et du circuit d'établissement, de moyenne pour la lecture de l'intensité des courants des barres 40 et de leur moyenne. 14 - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte une unité d'alarme et /ou de commande pour chaque châssis porte-anode ou pour un groupe quelconque d'anodes déterminé. , ^ BAD ORIGINAL.