УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ
DEVICE FOR CONTROLLING CURRENT DISTRIBUTION IN ALUMINIUM ELECTROLYSIS CELLS

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия из глинозема, и может быть использовано для контроля силы тока в анодных штырях электролизеров с самообжигающимися анодами и в электролизерах с обожженными анодами, а также для контроля токораспределения по катодным блюмсам.
Известно «Устройство контроля токораспределения в анодном узле алюминиевого электролизера» (Пат. РФ. №2371524. Опубл. 27.10.2009 г., аналог), содержащее: коммутатор входных сигналов, электромагнитные датчики, линии связи электромагнитных датчиков с коммутатором входных сигналов, нормализатор входных сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор, устройство согласования, автоматизированную систему управления (АСУ), швеллер и элементы его крепления, швеллер с размещенными в нем электромагнитными датчиками и витыми парами проводников, соединяющих выходы датчиков, которые располагают ниже анодной шины по центру плоскости алюминиевых штанг, подводящих ток к штырям, электромагнитные датчики подключены к входам коммутатора входных сигналов, а выход коммутатора входных сигналов подключен через последовательно соединенные нормализатор и АЦП к микропроцессору, выход которого, через устройство согласования подключен к входу АСУ.
Внедрение таких устройств на всех электролизерах позволило бы в автоматическом режиме вести контроль качества подвода тока к анодам, но требует проведения монтажных работ на анодных узлах действующих электролизеров, что сопряжено с существенными технологическими трудностями и существенно увеличивает сроки внедрения, поскольку отключения электролизеров на капитальный ремонт производят через 3-5 лет, что следует отнести к основному недостатку данных устройств.
Известно также «Устройство контроля токораспределения в алюминиевых электролизерах» (Пат. РФ №2484183, опубл. 10.06.2013, бюл. №16, прототип), содержащее электромагнитный датчик силы тока, нормализатор входных сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор, в котором выход электромагнитного датчика силы тока подключен через последовательно соединенные нормализатор и АЦП к микропроцессору, отличающееся тем, что электромагнитный датчик силы тока расположен на одном конце шеста, выполненного из непроводящего ток материала, длина которого достаточна для свободного доступа к любой из штанг, подводящих ток к анодным штырям или блюмсам, причем в месте крепления датчика установлен ограничитель, обеспечивающий идентичность расположения электромагнитного датчика силы тока относительно штанги во время измерения протекающего в ней тока, а на противоположном конце шеста расположены последовательно соединенные нормализатор входных сигналов, АЦП, микропроцессор, при этом выход электромагнитного датчика силы тока соединен с входом нормализатора входных сигналов витой парой, а выход микропроцессора оснащен USB-разъемом для считывания накопленной информации об измеренных значениях силы тока в анодных штырях или блюмсах электролизера.
Испытания устройства на промышленных электролизерах с самообжигающимися анодами показали на наличие погрешностей измерения силы тока в штырях за счет влияния магнитного поля от рядом расположенных штырей.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение отмеченного недостатка, а именно повышение точности контроля токораспределения в анодных штырях или блюмсах электролизеров.
Для решения поставленной задачи в «Устройство контроля токораспределения в алюминиевых электролизерах», содержащее: электромагнитный датчик, нормализатор входных сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессор, причем электромагнитный датчик установлен на одном конце шеста, выполненного из непроводящего ток материала, длина которого достаточна для свободного доступа к проводнику с током, а его выход подключен через последовательно соединенные нормализатор входных сигналов и АЦП к микропроцессору, при этом выход микропроцессора оснащен USB разъемом для считывания накопленной информации об измеренных значениях тока, дополнительно оно снабжено вторым электромагнитным датчиком, установленным напротив первого датчика относительно центра проводника с током, при этом электромагнитные датчики соединены последовательно и зафиксированы с помощью ограничителя, а их общий выход подключен витой парой к входу нормализатора входных сигналов.
Существенным отличием данного технического решения является то, что устройство снабжено вторым электромагнитным датчиком, установленным напротив первого электромагнитного датчика относительно центра проводника с током, при этом электромагнитные датчики соединены последовательно и зафиксированы с помощью ограничителя, а их общий выход подключен витой парой к входу нормализатора входных сигналов.
Технический результат - снижение погрешности измерения силы тока в проводнике за счет компенсации внешних магнитных полей. Это достигается тем, что бесконтактный измеритель тока содержит по крайней мере два электромагнитных датчика, расположенных в плоскости, перпендикулярной проводнику с измеряемым током, при этом датчики жестко связаны между собой, расположены вдоль прямой, являющейся продолжением диаметра проводника.
На фиг. 1 представлена схема измерения тока, поясняющая снижение влияния индукции магнитного поля от соседних токопроводящих штырей.
На фиг. 2 представлена структурная схема устройства контроля токораспределения в алюминиевых электролизерах.
ц-1
п-1
л-1
п-2
л-2
ц-2
1
2
На фиг. 1 приняты следующие обозначения: проводник с измеряемым током - ПЦ; проводники с током, создающие магнитные поля помехи - ПП, ПЛ; точки в которых устанавливают электромагнитные датчики - 1, 2; вектор индукции магнитного поля - В, создаваемый проводником (ПЦ) в точке (1); вектор индукции магнитного поля - В,создаваемый проводником (ПП) в точке (1); вектор индукции магнитного поля - В, создаваемый проводником (ПЛ) в точке (1); вектор индукции магнитного поля - В, создаваемый проводником (ПП) в точке (2); вектор индукции магнитного поля - В, создаваемый проводником (ПЛ) в точке (2); вектор индукции магнитного поля - В, создаваемый проводником (ПЦ) в точке (2); суммарный вектор индукции магнитного поля - В в точке (1), суммарный вектор индукции магнитного поля - В в точке (2), расстояния между проводниками - h; диаметр - d проводников.
1
2
На фиг. 2, введены следующие обозначения: 1 - анодный штырь; L, L - электромагнитные датчики; 2 - выход электромагнитных датчиков; 4 - ограничитель; 3 - витая пара проводников для соединения выводов индукционных датчиков с входом нормализатора входных сигналов - 5; 6 - АЦП; 8 - микропроцессор; 10 - источник питания; 9 - USB разъем, для считывания накопленной информации об измеренных значениях тока в анодных штырях или блюмсах; 7 - кнопка «измерение» подключает сигнал с выхода АЦП к входу микропроцессора, после того как электромагнитные датчики зафиксированы на штыре или блюмсе; 11 - кнопка включения электропитания прибора.
Поясним технический результат решения поставленной задачи - снижение погрешности измерения силы тока в проводнике за счет компенсации наводимого магнитного поля в электромагнитных датчиках, от вблизи расположенных проводников с током. Рассмотрим два варианта компенсации внешних электромагнитных полей.
В силу симметрии магнитного поля вокруг измеряемого проводника имеем:
п-2
п-1
л-2
л-1
1. Для случая h>>d и d→0 можно принять В≈В, В≈В,
суммарный вектор индукции магнитного поля в точке 1:
Суммарный вектор индукции магнитного поля в точке 2:
вычтем (1) из (2) и преобразуем:
Согласно выражению (3) происходит полная компенсация внешних магнитных полей от проводников, расположенных на одной линии с измеряемым проводником и электромагнитными датчиками.
Следовательно, ЭДС на выходе электромагнитных датчиков пропорциональна протекающему току в измеряемом штыре.
п-1
п-2
п
л-2
л-1
л
2. Для случая h~d имеем В=В-ΔВ, В=В-ΔВ,
п
л
где ΔВ, ΔВ - величины изменения вектора индукции магнитного поля с учетом конечного диаметра d измеряемого проводника ПЦ от влияющих проводников ПП и ПЛ соответственно. Тогда выражения (1), (2), (3) перепишутся в следующем виде:
Суммарный вектор индукции магнитного поля в точке 1:
Суммарный вектор индукции магнитного поля в точке 2:
вычтем (1′) из (2′) и преобразуем:
ц
п
ц
л
в силу того, что В>>ΔВ и В>>ΔВ, принимаем
Согласно выражению (4) происходит частичная компенсация внешних магнитных полей от проводников, расположенных на одной линии с измеряемым проводником и электромагнитными датчиками.
Следовательно, на ЭДС на выходе электромагнитных датчиков практически не оказывают влияние магнитные поля соседних проводников. Величина ЭДС в измеряемом штыре на выходе датчиков пропорциональна протекающему в нем току.
1
2
1
2
Устройство (Фиг. 2) контроля токораспределения в алюминиевых электролизерах работает следующим образом. В исходном положении выход электромагнитных датчиков (2) соединен с входом нормализатора (5) с помощью витой пары проводников (3). Выход нормализатора (5) подключен к входу АЦП (6), выход которого через кнопку (7) подключен к микропроцессору (8). Перед началом измерений кнопкой (11) включают электропитание прибора. Подносят электромагнитные датчики (L, L) к штырю анодного узла с протекающим по нему током. Расположение датчиков на штыре с протекающим током фиксируют с помощью ограничителя (4), обеспечивая идентичность расположения электромагнитного датчика относительно штыря во время измерения протекающего в нем тока. После того как электромагнитные датчики (L, L) зафиксированы на штыре, нажимают кнопку «измерение», в результате сигнал с выхода электромагнитного датчика (2), пропорциональный силе тока в анодном штыре, поступает на вход нормализатора входных сигналов (5), который обеспечивает необходимую фильтрацию, усиление и согласование по уровню с выходом АЦП (6) для преобразования в цифровой код. Преобразованный в АЦП (6) цифровой сигнал поступает на микропроцессор (8), который рассчитывает ток, протекающий через анодный штырь (1). Измеренные показания тока в каждом штыре записывают в память микропроцессора. По окончании замеров полученные данные переносят в АСУ ТП через USB разъем (9), необходимую для технологов информацию выводят на дисплей и/или печать в виде графика.
Данное техническое решение позволяет повысить точность и технологичность контроля токораспределения по штырям в анодном узле электролизеров или в катодных блюмсах, своевременно принимать решения по перестановке анодных штырей и фиксировать развитие процесса разрушения подины, что сократит потери энергии в анодном узле и количество технологических расстройств работы электролизеров.
Положительный технический эффект от реализации данного способа контроля токораспределения по анодным штырям заключается в стабилизации технологического режима процесса электролиза, снижении потерь электроэнергии в анодном узле за счет своевременного устранения перекосов в распределении электрического тока по анодным штырям.
Предлагаемое техническое решение может быть реализовано промышленным способом.