автономный измерительный блок для асу тп электролиза алюминия

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.