Содержание к диссертации
Введение
1 Области применения электротехнических комплексов цифрового электродозирования 13
1.1 О средствах учета и необходимости применения средств дозирования количества электричества в электрохимии 14
1.2 Применение устройств дозирования электрической энергии для совершенствования электротехнологических процессов 18
1,2.1 О средствах учета электрической энергии, используемых в электротехиологиях 24
1.3 Выводы 26
2 Применение принципа квантования по вольт-секундной площади в электротехнических комплексах цифрового дозирования количества электричества и электрической энергии 27
2.1 Основные понятия и определения 27
2.2 Цифровое дозирование количества электричества и электрической энергии 28
2.3 Выбор импульсного интегрирующего преобразователя в качестве квантователя измеряемой величины по вольт-секундной площади 29
2.4 Оценка погрешности импульсного интегратора при квантовании по вольт-секундной площади и способы ее снижения 37
2.5 Выводы 43
3 Вопросы разработки, применения и анализ электротехнических комплексов цифрового дозирования количества электричества 44
3.1 Выбор состава технических средств для реализации процедуры цифрового дозирования количества электричества 44
3.2 Выбор первичных преобразователей тока для построения дозаторов количества электричества 47
3.2.1 О возможности построения датчика сверхбольших постоянных токов с использованием феррозонда из электротехнической стали с непрямоугольной петлей гистерезиса 52
3.2.2 Оценка влияния температуры на магнитные характеристики сердечников феррозондового датчика 61
3.2.3 Анализ метрологических характеристик феррозондового датчика больших токов 63
3.3 Анализ влияния линии связи и входной цепи измерителя-дозатора количества электричества на процесс прохождения сигнала 68
3.4 Сквозная градуировка цифрового дозатора количества электричества
и результаты измерений 74
3.5 Оценка погрешности измерений устройства дозирования количества электричества 77
3.6 Выводы 79
4 Вопросы построения электротехнических комплексов дозирования электрической энергии 80
4.1. Сущность цифрового дозирования электрической энергии. Структурно-функциональная схема ЭТКД электрической энергии 80
4.2 Выбор датчиков переменного напряжения и тока в схемах дозирования электрической энергии 85
4.2.1 О необходимости применения пояса Роговского в качестве датчика переменного тока при контактной сварке 87
4.3 Обоснование выбора электрической схемы перемножающего устройства для измерителя-дозатора электрической энергии 91
4.3.1 Схема импульсного перемножающего устройства. Расчетные соотношения. Компьютерное моделирование процессов в ИЛУ 99
4.4 Особенности работы импульсного интегратора в устройствах дозирования электрической энергии 110
4.5 К вопросу выбора средств коммутации потоков энергии в электро-дозирующих устройствах 112
4.5,1 Электромеханические контактные аппараты коммутации в структурах дозирования 113
4.5.2 Электронные аппараты коммутации в структурах ЭТКД 116
4.6 Принцип управления коммутирующими ключами для рассматриваемых цифровых дозирующих устройств 122
4.7 Защита транзисторных ключей от перенапряжений при коммутациях 126
4.8 Критерий выбора величины кванта электрической энергии 130
4.9 Сквозная градуировка цифрового дозатора электрической энергии и результаты измерений 132
4.10 Анализ погрешности дозирования электрической энергии 134
4.11 Выводы 137
5 Расширение областей электро-технических комплексов цифрового дозирования 138
5.1 Применение схемы контроля количества электричества в устройстве для обнаружения блуждающих и теллурических токов . 138
5.1.1 Электротехнический измерительный комплекс для обработки и регистрации информации о блуждающих и теллурических токах . 142
5 1.2 Способ выделения информативного сигнала на фоне помех 146
5.1.3 Результаты наблюдений сигналов с заземлителей 150
5.2 Электротехнический комплекс для исследования характеристик химических источников тока и контроля заряда аккумуляторных батарей 153
5.3 Электротехнический комплекс для контроля время-токовых характеристик средств защиты и перегрузочных характеристик полупроводниковых приборов 156
5.4 Выводы 163
Заключение 164
Список использованных источников 166
Приложения 181
- О средствах учета и необходимости применения средств дозирования количества электричества в электрохимии
- Выбор импульсного интегрирующего преобразователя в качестве квантователя измеряемой величины по вольт-секундной площади
- Выбор первичных преобразователей тока для построения дозаторов количества электричества
- Сущность цифрового дозирования электрической энергии. Структурно-функциональная схема ЭТКД электрической энергии
Введение к работе
В настоящее время в связи с широким применением электротехнологий в различных отраслях промышленности существует потребность в проведении непрерывного контроля электрических параметров технологических процессов, позволяющего оперативно управлять ими и достигать высокого качества продукции при экономном расходовании электроэнергии и материалов.
Эффективное решение этих задач возможно с помощью электротехнических комплексов цифрового дозирования (ЭТКД), включение которых в состав энергоустановок, где процедура дозирования является целесообразной, позволит выдавать в электрическую нагрузку заранее установленные дозы электрической энергии или количества электричества, которые необходимы для качественного прохождения технологического процесса.
В электрохимии потребность в электротехнических комплексах цифрового дозирования возникает в ходе управления процессами электролиза при производстве металлов или газов. Высокая эффективность от применения средств электродозироваиия возможна в гальваностегии при осаждении на металлические поверхности гальванических покрытий. При оптимальных режимах осаждения, которые, как правило, являются нестационарными, только непрерывный контроль параметров, наряду с дозированием позволяет обеспечить заданную толщину защитных слоев и гарантированное качество покрытий. Дозирующие устройства целесообразно применять также для контроля заряда вторичных химических источников тока и в других электрохимических технологиях.
С помощью электротехнических комплексов цифрового дозирования электрической энергии можно управлять технологическими процессами при электроконтактном или электродуговом нагреве металлов, а также в технологиях, где выделение тепловой энергии носит импульсный характер. Примерами использования данной процедуры на производстве служит применение дозаторов электроэнергии в контактной точечной сварке, при проведении
плавок в дуговых сталеплавильных печах, при разогреве заготовок в электроконтактных нагревательных установках, а также в процессах, где дозирование электрической энергии является обязательной операцией, поскольку самым непосредственным образом влияет на качество продукции.
Несмотря на то, что в промышленности в настоящее время уже применяются технологии с использованием дозаторов электрической энергии, нельзя считать, что все вопросы, связанные с разработкой и внедрением их в производство полностью исчерпаны. Существует потребность в проведении теоретических исследований и решении ряда схемотехнических задач, касающихся вопросов коммутации, а также выбора датчиков тока, напряжения и т. п.
Постановка вопроса о широком применении дозаторов способствует внедрению в различные отрасли промышленности новых, ресурсо- и энергосберегающих технологий, отвечающих требованиям современного производства,
Электротехнические комплексы цифрового дозирования можно эффективно применять не только для промышленных нужд, но также и в бытовой технике, для лечебных процедур и в научных исследованиях.
Вклад в развитие теории и практики построения средств дозирования внесли отечественные и зарубежные ученые; А.П. Альтгаузен и М.Д. Бер-шицкий - в области применения дозаторов электрической энергии при управлении работой сталеплавильных электропечей; Б.Д. Орлов, А.А. Чакалев, Л.В. Глебов, М. Greitmann, A. Kessler - в области применения дозаторов электроэнергии при контактной сварке, А.А. Булгаков - в области создания дозаторов на основе емкостных накопителей энергии для подкачки лазеров.
Основной целью данной работы является проведение исследований по разработке электротехнических комплексов цифрового дозирования количества электричества и электрической энергии для различных электротехнологий, обладающих необходимыми эксплуатационными характеристиками и минимальной аппаратурной избыточностью, применение которых позволит совершенствовать технологические процессы (улучшать качество продукции, осуществлять экономию материалов и электроэнергии).
7 Для реализации поставленной цели необходимо провести:
анализ существующих средств учета и дозирования количества электричества, электрической энергии и возможностей их совершенствования;
выбор и обоснование принципа построения устройств дозирования;
разработку структурных и принципиальных схем электротехнических комплексов цифрового дозирования и их математических моделей;
выявление искажающего действия линии связи и фильтров НЧ на выходной интегральный параметр, который представляет собой результат интегрирования текущих значений сигналов датчиков токов и напряжений;
определение требований к выбору силовых устройств коммутации;
решение вопросов помехоустойчивости;
исследование метрологических характеристик измерительных систем и предлагаемых технических решений.
Достоверность основных теоретических положений, приведенных в данной работе, подтверждается корректным применением методов теории цепей и сигналов, теории электромагнитного поля, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, положений теоретической физики, использованием современных средств компьютерного моделирования, а также сходимостью расчетных и экспериментальных данных, полученных в результате исследований.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. В данной работе получены результаты, характеризующие ее научную новизну и выносимые на защиту:
- предложен принцип построения цифровых дозирующих устройств,
основанный на квантовании по вольт-секундной площади аналогового сигнала
текущих значений тока или мгновенной мощности, с использованием при
аналого-цифровом преобразовании электронных КМОП-клточей, что позволяет
исключать влияние на измерительные процессы электромагнитных помех, и
улучшает метрологические характеристики дозирующих устройств;
- проведен анализ линейных электрических цепей, применяемых для
передачи сигналов и фильтрации электромагнитных помех, из которого установлен класс ЙІС-цепей с емкостной поперечной проводимостью, способных передавать интегральные значения (вольт-секундную площадь) входных аналоговых сигналов без искажения;
разработана математическая модель датчика больших выпрямленных токов, выполненного на основе феррозондовых преобразователей с сердечниками из электротехнических (трансформаторных) сталей, с помощью которой возможны расчет и оптимизация конструктивных параметров датчика;
предложен принцип управления силовыми ключами устройств цифрового дозирования, позволяющий на основе двухполярных импульсов повышенной частоты формировать неограниченные по длительности сигналы управления ключами при использовании маломощных разделительных трансформаторов;
разработаны помехоустойчивые электронные цепи дозирования количества электричества и электрической энергии,
Практическая ценность полученных результатов. В процессе проведения исследований:
предложена схема квантователя аналоговых сигналов по вольт-секундной площади, защищенная патентом на изобретение, а также методика расчета параметров схемы и погрешности квантования, которые могут быть использованы при проектировании различных устройств учета и дозирования количества электричества и электрической энергии;
предложены структурные и принципиальные схемы электротехнических комплексов цифрового дозирования, защищенные патентами на изобретения, которые могут найти применение на производстве при управлении электротехнологическими или электрохимическими процессами (электроконтактный нагрев, гальваностегия), а также в учебном процессе или в научных исследованиях;
предложена методика расчета феррозондового датчика больших токов.
Для проведения исследований по теме диссертации были разработаны и изготовлены:
опытный образец цифрового дозатора количества электричества, который может быть использован для исследования электрохимических процессов, протекающих в химических источниках тока;
опытный образец цифрового дозатора электрической энергии, позволяющий осуществлять выбор и оптимизацию технологических режимов при проведении электроконтактного нагрева или контактной сварки;
опытный образец феррозондов ого датчика для измерения сверхбольших выпрямленных токов;
опытный образец измерительного комплекса для обнаружения и регистрации блуждающих и теллурических токов, осуществляющий на основе принципа квантования по вольт-секундной площади и способа синхронного накопления (усреднения по времени) выделение информативных инфра-низкочастотных составляющих из сигналов, содержащих высокий уровень помех электромагнитной природы.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на:
II Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997);
4-м Международном симпозиуме по геотехнологиям окружающей среды и глобальному развитию (США, Бостон, 1998);
43-еЙ Международной научно-технической конференции «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера» (Омск, 2003);
расширенных научно-технических семинарах в Омском государственном техническом университете и в Сибирской автомобильно-дорожной академии.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе стендовый доклад на международном конгрессе по геотехнологиям окружающей среды: «Локальные изменения земных токов в
10 Западной Сибири и их связь с сейсмическими процессами» (Тез. докл. 4-го Международного конгресса по геотехнологиям окружающей среды и глобальному развитию, США, Бостон, 1998); 3 тезиса докладов на научно-технических конференциях: «Дозирование количества электричества в электрохимических процессах» (Тез. докл. II междунар. науч.-технич. конф. «Динамика систем, механизмов и машин» Омск, 1997); «Установка цифрового дозирования количества электричества для электролитического восстановления деталей», «Цифровая технология контактной сварки» (Сб. мат. 43-й междунар. науч.-технич. конф. «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера» Омск, 2003); 5 статей: «Локальные изменения теллурических токов в Омской области и их связь с сейсмическими процессами» (деп. в ВИНИТИ 01.04.1998), «Феррозондовый измеритель больших и сверхбольших постоянных и выпрямленных токов» (Омский научный вестник,- №7, 1999), «Цифровое дозирование электрической энергии» (журнал «Электрика».- №4, 2002), «Новое в технологии контактной сварки» (журнал «Энергосбережение и энергетика в Омской области» №2, 2003); «О влиянии параметров цепи передачи сигнала датчика тока на результаты измерений количества электричества» (Омский научный вестник.- №5 (39), 2006), получены 3 патента на изобретения: патент № 2120625 от 28.03.97 «Кулонометрическая установка», патент № 2190861 от 16.03.2000 «Электронный измеритель электрической энергии», патент № 2245236 от 10.02,03 «Цифровой дозатор электроэнергии для точечной сварки».
Материалы диссертационной работы изложены в пяти главах.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и поставлены задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены структура диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрена структурная схема, которая лежит в основе построения электротехнических комплексов дозирования, а также выполнен аналитический обзор средств учета количества электричества и электрической
энергии, способных работать в структурах электротехнических комплексов дозирования в качестве отдельных элементов этих структур. Отмечена необходимость совершенствования этих средств на основе разработки новых цифровых измерительных приборов, обладающих расширенными функциональными возможностями - способностями дозирования.
Во второй главе рассмотрен вопрос о применении принципа квантования интегральных значений измеряемой величины по вольт-секундной площади при аппаратной реализации аналого-цифровых преобразований входных сигналов. Представлено обоснование выбора схемы интегрирующего преобразователя - квантователя по вольт-секундной площади, предназначенного для работы в структурах дозирования количества электричества и электрической энергии и дана оценка погрешности разработанного импульсного интегратора.
В третьей главе рассмотрен вопрос о выборе состава структурной схемы ЭТКД количества электричества. При анализе датчиков внимание уделено вопросу разработки первичного феррозондового преобразователя для измерения больших токов. Проведен анализ влияния линии связи и входного .ЙІС-фильтра на интегральное значение информативного выходного параметра измерителя количества электричества.
В четвертой главе рассмотрен вопрос о выборе состава структурной схемы ЭТКД электрической энергии. Обоснован выбор импульсного перемножающего устройства, представлена его функциональная схема и расчетные соотношения. Проведен анализ устройств коммутации, способнвгх работать в структурах дозирования, и предложен для применения общий принцип управления, приемлемый для различных типов (контактных и бесконтактных) коммутирующих устройств.
В пятой главе показаны области применения, и схемы построения ЭТКД, функционирующих на основе принципа квантования по вольт-секундной площади, которые, благодаря достоинствам данных структур, можно эффективно использовать не только для производственных нужд, но и при создании средств измерений, предназначенных для научных исследований.
Представлена структурная схема электротехнического измерительного комплекса (ИК), предназначенного для непрерывной регистрации информации о блуждающих и теллурических токах. Обработка сигналов, снимаемых с установленных в земле электродов, содержащих высокий уровень помех различной природы, осуществляется на основе принципа квантования измеряемой величины по вольт-секундной площади. В данном приборе также реализован метод синхронного накопления, который заключается в регистрации усредненных уровней выделяемых сигналов за равные промежутки времени (дозирование по времени), позволяющий в процессе обработки существенно повысить в выходном параметре соотношение сигнал/помеха.
В работе рассмотрен структура построения ЭТКД количества электричества, предназначенного для исследования процессов заряда-разряда во вторичных химических источниках тока, который с помощью ЭВМ позволяет снимать и контролировать их зарядные и разрядные характеристики.
В последнем разделе работы показаны возможности ЭТКД электрической энергии, с помощью которого можно осуществлять проверку защитных характеристик тепловых реле, предохранителей и автоматических выключателей, а также проверять перегрузочные характеристики силовых полупроводниковых приборов, не подвергая их разрушению.
О средствах учета и необходимости применения средств дозирования количества электричества в электрохимии
Из курса электрохимии известно, что во время процесса электролиза из расплавов металлов или растворов солей на одном из электродов, находящихся в электролитической ванне, осаждается определенное количество металла или происходит выделение вблизи его определенного количества газов, по массе или объему пропорциональное израсходованному количеству электричества.
Основополагающим законом в электрохимии, является первый закон Фарадея, устанавливающий связь между количеством вещества G, выделившимся на электроде в процессе реакции, и израсходованном при этом количестве электричества Q [21, 39].
Для измерения количества электричества, потребляемого во время электролиза, используются кулонометры, интеграторы тока, счетчики ампер-часов. Известны различные типы электронных кулонометров и кулонометри-ческих установок, специфика которых зависит от характера электродных процессов [1]. Они применяются для проведения кулонометрического анализа в научно-исследовательских химических лабораториях. Кулонометры служат для измерения количества электричества, в импульсах тока, протекающих за время от 0,05 до 2 секунд при амплитуде тока от 20 до 200 мА. Например, милли-кулонометр типа М337 используется для диапазона измерений 0 + 150 мКл. Приведенная погрешность такого прибора обычно не превышает ± 5 %. Особенностью работы кулонометров является необходимость постоянства амплитуды импульса измеряемого тока, т.е. применение их ограничивается измерением количества электричества прямоугольных импульсов. К данным приборам можно отнести также кулонометры типа ЦЛА, К-], прецизионную установку ТЖУ-101, составными элементами которых, как правило, являются электрохимическая ячейка с набором электродов, потенциостат, интегратор тока, электронные потенциометры. Подсчет количества электричества, затраченного в ходе электрохимических процессов, осуществляется с помощью этих приборов посредством интегрирования в течение определенного времени / текущего значения тока электролиза г(і) Одним из типичных представителей такого ряда приборов, используемых для электрохимических исследований в заводских лабораториях, является интегратор кулонометрический ИПТ-1 [50]. Для определения количества электричества, протекающего в цепях постоянного тока в течение длительного времени, в промышленности нашли широкое применение две разновидности счетчиков количества электричества -электролитические и магнитоэлектрические.
Измерительным элементом в электролитических счетчиках является водородный кулонометр, производящий интегрирование тока. К таким приборам относится, например, счетчик Х603 [152], предназначенный для учета слабых токов и применяемый, в основном, в качестве счетчика мото-часов работы приборов. Аналогичный принцип действия имеют электролитические счетчики ампер-часов типа Х602А и Х15, служащие для учета количества электричества, протекающего в цепях аккумуляторных батарей [120]. Приведенная погрешность таких счетчиков может достигать ± (2- 4) %.
Более широкое применение на предприятиях электрохимии в качестве приборов учета количества электричества, расходуемого во время процессов электролиза, в силовых установках постоянного тока имеют магнитоэлектрические счетчики ампер-часов типов СА-М640, СА-М640У и электронный счетчик СА-Ф603ГТ [120]. Относительная погрешность таких счетчиков лежит в диапазоне ±(1 3) % без учета погрешностей шунтов. Электронный счетчик СА-Ф606 предназначен для учета количества электричества в цепях постоянного тока электролизных цехов предприятий цветной металлургии [57], а также применяется в гальванических цехах. Он может использоваться в комплекте с измерительными преобразователями тока в напряжение или добавочными устройствами (Р640), рассчитанными на работу с большими токами (до 50 кА).
В настоящее время, наряду с электролизом при стационарных режимах работы на постоянном, относительно стабильном токе, применяют электролиз в нестационарных режимах - на токах сложной временной формы, обусловленных резким изменением их по величине и по направлению (реверсирование). Чередование режимов способствует интенсификации технологических процессов вследствие устранения отрицательных явлений, сопутствующих повышению плотности тока, к которым относятся снижение качества катодного осадка, потеря благородных металлов и пассивация анодов [105]. Такие динамические режимы характеризуются кратковременным превышением значений тока, в 2н-10 раз превосходящих рабочие величины. Одним из сложных для реализации является асимметричный реверсивный режим, применяемый для гальванического осталивания деталей [72], в котором используется импульсный ток с крутыми фронтами [17].
Наиболее энергоемкими приемниками электроэнергии на предприятиях цветной металлургии являются электролизеры алюминия, магния, цинка, меди и никеля. Их мощности на постоянном токе достигают 2500 Мвт [157].
Как известно [17], основными источниками питания электролизных и электротермических установок являются полупроводниковые преобразователи электрической энергии. Во время их работы в силовых цепях тиристорных преобразователей возникают периодически повторяющиеся обратные выбросы тока (с частотой, кратной 50 Гц), поступающие в нагрузку. Их воздействие в определенной мере влияет на процесс электролиза, однако вследствие инерционности подвижных механизмов счетчиков, оно пе может быть учтено магнитоэлектрическими счетчиками ампер-часов. Известно, что силовые установки электролизеров при производсіве меди и никеля рассчитаны на токи нагрузки 25-ь60 кА [99], а токи электролиза при производстве алюминия могут достигать значений до 200 кА [32], поэтому при использовании в качестве измерительных приборов указанных счетчиков, погрешности, возникающие при измерениях, мо J у і: быть достаточно высокими. В последнее время на некоторых предприятиях электрохимии начинают использовать электронные счетчики количества электричества, которые существенно превосходят все названные типы счетчиков по показателям точности. Погрешность таких счетчиков, как правило, не превышает 1 %, однако внедрение их и производство не имеет массового характера [92]. Следует отметить, что по состоянию на настоящий момент в электрохимическом производстве дозирование количества электричества практически не применяется. Этот факт подтверждается тем, что ни в одном из перечисленных лабораторных приборов, а также ни на одной из промышленных установок для электролиза не предусмотрена процедура автоматического отключения источника тока (энергии), которое должно осуществляться после получения нагрузкой заданной дозы количества электричества, расходуемого в электрохимическом процессе. Наиболее острая потребность в приборах дозирования существует в гальваностегии при осаждении на металлические поверхности антикоррозийных или декоративных покрытий. Поскольку эта проблема до сих пор остается открытой, на некоторых предприятиях ее решают в частном порядке, путем внедрения в процесс самостоятельно изготовленных образцов дозирующих устройств [99].
Выбор импульсного интегрирующего преобразователя в качестве квантователя измеряемой величины по вольт-секундной площади
На значение общей погрешности существенное влияние оказывает дрейф нуля интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы его компенсации, не ухудшающие быстродействия. Например, схема компенсации может состоять из дополнительной интегрирующей цепи и усилителя постоянного тока типа МДМ (с модуляцией и демодуляцией), который имеет очень малый собственный дрейф нуля [36]. Модули электронных интегрирующих преобразователей, как правило,
выполняются на основе прецизионных операционных усилителей, которые обеспечивают линейность интегрирования от 0,1% до 0,001% [4]. Точность интегрирования таких преобразователей зависит от динамического диапазона, спектральных характеристик входных сигналов и частотных характеристик самих операционных усилителей. Схемы подобных преобразователей подробно рассмотрены в работах [4, 30, 54, 147], где показаны различные варианты их построения, причем некоторые из них могут быть взяты в качестве базовых при проектировании дозирующих устройств.
Данному типу преобразователей, выполненных на основе интегрирующего ПНЧ с импульсной обратной связью, по существу соответствует краткое название «импульсный интегратор», поэтому имеет смысл ввести такой термин в настоящей работе для дальнейшего применения.
В схеме ПНЧ, рассмотренной выше, интегрирующий усилитель работает в однополярном и однотактном режиме, поскольку информативный входной параметр подвергается интегрированию только в одном первом такте цикла, в результате чего интегрирующая емкость получает заряд определенного уровня. Во втором такте за счет импульса обратной связи, формируемого посредством кратковременного подключения на вход интегратора источника опорного сигнала с полярностью, противоположной входному сигналу, происходит разряд емкости до нулевого уровня. При такой работе в процессе интегрирования неизбежны пропуски информации о входной величине на интервале второго такта преобразования, Несмотря на то, что длительность времени разряда при этом составляет величину, равную примерно 1/100 времени заряда, подобные прерывания измерительного процесса в некоторых случаях недопустимы, поскольку могут заметно повлиять на точность измерений.
Существование такого недостатка приводит к выводу о необходимости использования двухполярной схемы импульсного интегратора (ИИ), которая, в отличие от однополярной, сможет обеспечить непрерывность преобразования информации и, следовательно, более высокую точность измерений. В ряде случаев целесообразно использовать схему ИИ (рис. 2.4), которая рассмотрена в [128] и удовлетворяет требованиям разработки.
Однако для использования в дозирующих устройствах предлагается схема ИИ, представленная на рис. 2.5, которая в отличие от схемы (рис. 2.4) имеет характерную особенность. На входе интегрирующего усилителя вместо двух биполярных транзисторов установлены два аналоговых ключа на КМОП-транзисторах, обладающих двусторонней проводимостью. Данная отличительная особенность схемы запатентована автором [94]. В качестве аналоговых ключей целесообразно использовать полевые транзисторы, которые обладают значительными преимуществами по отношению к биполярным за счет того, что проводящий канал способен пропускать аналоговый сигнал любой полярности. При этом гораздо легче создается гальваническая развязка канала аналогового сигнала с цепью управления, а сопротивление при закрытом состоянии достаточно велико - примерно на шесть порядков выше открытого состояния [40]. Применение аналоговых КМОП-ключей во входной цепи интегрирующих усилителей, позволяет уменьшить суммарный ток утечки по входу и выходу ключей, определяемый, в основном, обратными токами /?-и-переходов, а противофазное управление ключами уменьшает уровень динамической помехи, возникающей вследствие перезаряда емкостей затвор-сток [142]. Введение таких ключей в схему позволяет учитывать в процессе интегрирования кратковременные броски обратной полярности входных сигналов, не превышающих по временным параметрам длительность одного такта. Учет их воздействия необходим, поскольку они вносят заметные изменения при подсчете результата, а подобные режимы неизбежно возникают, например, во время работы полупроводниковых вентилей выпрямительных агрегатов, питающих установки для электролиза, а также в других случаях, когда динамика исследуемого процесса допускает появление обратных импульсов тока. Предлагаемая для использования в дозирующих устройствах схема ИИ (рис. 2.5) содержит в своем составе инвертор, повторитель, аналоговые электронные ключи, интегрирующий усилитель и компаратор. Данный преобразователь является двухполярвьш, т.е. напряжение на выходе интегрирующего усилителя в процессе работы периодически меняет полярность. Входящий в состав преобразователя компаратор, собран на основе операционного усилителя по схеме триггера Шмитта и имеет два устойчивых состояния. Компаратор напряжения срабатывает в тот момент времени, когда напряжение на его неинвертирующем входе переходит через нулевой уровень. Рассмотрение принципа действия ИИ следует начать с момента нахождения компаратора в одном из устойчивых состояний, например, =0 (рис. 2.6), когда на вход интегрирующего усилителя через аналоговый ключ SW1 подается напряжение -uB t), а его выходное напряжение UM{t) = UUA4= -Un.
Выбор первичных преобразователей тока для построения дозаторов количества электричества
Измерение количества электричества, затрачиваемого на электролиз для различных электрохимических процессов, приходится осуществлять в разных диапазонах величин, как при наличии в цени кратковременных импульсов тока, незначительных по амплитуде, когда величины зарядов составляют единицы милликулон, так и при воздействии сверхбольших токов, протекающих в цепи электролиза в течение длительного времени, когда итоговый уровень заряда может достигать величин в 10 Кл. При этом допускаемая погрешность измерений количества электричества, независимо от выбранного диапазона величин зарядов, должна находиться в пределах ± 5 % [92].
В практике электрических измерений, осуществляемых при электролизе, для определения уровня заряда приходится измерять постоянные токи в широком диапазоне их величин, начиная от 10" А до 10 А, Чтобы производить такие измерения с минимальными погрешностями для каждого диапазона величин требуются датчики токов различных конструкций и размеров. Например, для слаботочных схем в цепях постоянного тока наиболее часто в качестве датчиков тока используются высокоточные четырехзажимные образцовые резисторы, которые для исключения влияния на результат измерения сопротивлений соединительных проводов и переходных контактов имеют два входных (токовых) вывода и два выходных (потенциальных) вывода, подключаемые к входной цепи измерительного устройства. Обычно такой датчик включается в цепь источника тока последовательно с нагрузкой и служит в качестве измерительного преобразователя тока в напряжение. Измеряемый ток электролиза определяется из следующего отношения где uR(t) - падение напряжения на образцовом резисторе R0. Для получения минимальных погрешностей сопротивление резистора RQ должно быть много меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток. Как известно, наибольшие трудности имеют место при измерениях чрезвычайно малых или весьма больших постоянных токов. При измерении малых токов эти проблемы, в основном, обусловлены наличием термо-ЭДС, возникающих в местах соединения разнородных металлов, а также наличием резистивных связей измерительной цепи с посторонними источниками напряжений, шумами элементов и другими причинами. Полностью устранить влияние отмеченных факторов не удается, поэтому измерения малых токов осуществляются с относительно большими погрешностями [92]. Из рабочих средств измерений постоянных токов наименьшую погрешность дают компенсаторы тока, при помощи которых малые токи измеряются косвенно с применением катушек электрического сопротивления. Например, при использовании катушек типа Р324 класса точности 0,002 и компенсатора типа Р332 можно измерять токи с погрешностью не более + 0,0025 %. В настоящее время широко применяются измерительные преобразователи тока в виде шунтов, которые обычно изготовляются из манганина, обладающего низким температурным коэффициентом сопротивления. На небольшие токи (до 30 А) применяются внутренние шунты (встроенные в корпус прибора), а на большие токи (до 6000 А) - наружные. Наружные шунты обычно изготавливаются калиброванными и взаимозаменяемыми, т. е. рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. В соответствии со стандартом шунты должны иметь номинальные падения напряжений на потенциальных зажимах 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150 и 300 мВ. Из-за нагрева шунтов и электрических соединений погрешность их измерений не может быть лучше 0,4 - 0,5 % [67]. Расширение пределов измерений токов в сторону увеличения имеет свои особенности. При измерениях больших постоянных токов с использованием шунтов для уменьшения рассеиваемой мощности и устранения перегрева требуется увеличивать их габариты или применять дополнительные меры по искусственному охлаждению, вследствие чего при измерении постоянных токов очень большой величины (свыше 10000 А) использование шунтов становится нецелесообразным [151]. В этом случае для измерения токов применяют устройства, называемые измерительными трансформаторами постоянного тока. Эти датчики позволяют электрически изолировать цепь измеряемого тока от измерительной схемы при любых рабочих напряжениях силовой цепи. Принцип действия таких датчиков подробно описан в [113, 151, 152]. По существу данные трансформаторы являются нелинейными устройствами, индуктивность рабочих обмоток которых управляется постоянным током, протекающим в силовой цепи по шине, являющейся обмоткой управления. В соответствии с законом полного тока выходной переменный ток данных преобразователей после выпрямления пропорционален току управления. Одним из основных недостатков измерительных трансформаторов постоянного тока является увеличение погрешности измерений с уменьшением измеряемого тока, что объясняется неидеальностью прямоугольной петли гистерезиса материала сердечников магнитного усилителя [113]. Диапазон измеряемых токов этих датчиков находится в пределах от 20 до 20000 А, а основная погрешность составляет І-г-2 % [151]. На современном производстве, например, в химической и металлургической промышленностях, в системах электроснабжения электролизеров при производстве алюминия, титана магния и других металлов, существует необходимость измерения больших постоянных токов (несколько сотен тысяч ампер). В настоящее время для преобразования больших постоянных токов в информативный сигнал используются довольно громоздкие и массивные (до нескольких сот килограмм) измерительные преобразователи тока, которые выпускаются рядом зарубежных фирм, в частности, «Siemens» (Германия), «Haltar Electronics Corp.» (США), а также несколькими малыми предприятиями в нашей стране. Такие датчики тока имеют ряд особенностей, что связано с уникальностью исполнения цепей большого постоянного тока свыше 100 кА. При выборе преобразователей, работающих в диапазоне таких величин токов, преимущество отдается датчикам с бесконтактными методами преобразований параметров, которые обусловлены связыо между электрическими и магнитными полями [62, 74, 118, 119, 152] с погрешностью не более 1 %. Перспективным является оптико-электронный метод измерения тока с использованием магнитооптического эффекта Фарадея [7, 48, 150], предназначенный для измерения постоянных, переменных и импульсных токов в установках и линиях любого напряжения. Он основан на повороте плоскости поляризации линейно-поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль силовых линий магнитного поля, созданного измеряемым постоянным, переменным или импульсным током. При этом угол р, на который поворачивается плоскость поляризации луча, пропорционален напряженности магнитного поля Н и длине пути /, проходимому световым лучом в веществе где Ве - постоянная Верде, зависящая от свойств вещества и длины волны.
Сущность цифрового дозирования электрической энергии. Структурно-функциональная схема ЭТКД электрической энергии
Цифровое дозирование электрической энергии можно осуществлять только с применением специальных электронных аппаратов (электротехнических устройств), способных выполнять функции выдачи от источника энергии в нагрузку определенной дозы электрической энергии, величина которой должна быть заранее задана в цифровой форме с пульта управления.
От аппаратов, предназначенных для таких целей в ряде случаев, как уже отмечалось ранее, во многом зависит качество выполнения той или иной технологической операции, в ходе которой требуется обеспечить защиту, как от избыточности, так и от недостаточности поступления электрической энергии в нагрузку. Известно, что в процессе электроконтактного или электродугового нагрева количество выделяемой тепловой энергии пропорционально величине потребляемой при этом электрической энергии. Эта зависимость дает возможность осуществлять дозирование теплового воздействия посредством ограничения расхода электрической энергии, затрачиваемой в процессе.
Цифровое дозирование электрической энергии можно эффективно использовать при медицинских или биологических исследованиях в сельскохозяйственном производстве, в оборонной и пищевой промышленностях, в химическом производстве, в бытовой технике и т. д.
Каждая область применения имеет свою специфику и предъявляет, в соответствии с выполняемыми функциями, свои требования по величине теплового воздействия (импульса), по величине напряжения или тока, по времени действия, скорости срабатывания и времени отключения.
Независимо от области применения, цифровые дозирующие устройства должны обеспечивать следующие наиболее важные функции: - воспринимать задание величины (дозы) электрической энергии в цифро вой форме; - обеспечиватв коммутацию электрической энергии (подключение и отключение источника энергии от нагрузки); - выполнять операции вычисления текущего значения электрической энергии, поступающей в нагрузку; - производить сравнение текущего значения электрической энергии с заданной дозой; - осуществлять с помощью измерительных датчиков преобразование текущих значений тока и напряжения на нагрузке в электрический сигнал. Важными узлами электротехнических комплексов дозирования являются устройства коммутации. Их выбор и схемы включения во многом зависят от источника энергии, уровня напряжения, тока нагрузки, величины и длительности импульса электрической энергии и т.п. В настоящее время существует довольно большое разнообразие электрически управляемых средств коммутации, к числу которых относятся силовые тиристорные и транзисторные коммутаторы. Появившиеся в последнее десятилетие сверхмощные быстродействующие транзисторы типов JGBT и MOSFET [52], благодаря преимуществам по отношению к традиционным, позволяют расширить области применения полупроводниковых устройств коммутации с возможностью работы, в том числе и в комплексах дозирования. Ниже рассмотрен комплекс вопросов, связанных с разработкой электрических схем дозирующих устройств, способных производить многократные отключения и включения электрической нагрузки с подачей в нагрузку заданной дозы электрической энергии. Эти устройства позволяют с высокой точностью осуществлять заданный режим дозирования в условиях нестабильности напряжений источников электрической энергии, а также изменяющихся во времени параметров нагрузки. Достоинством разработки является тот факт, что техническая реализация перечисленных функций не требует использования сложных электронных систем. Как известно, простота и надежность - основные требования, предъявляемые к электрическим и электронным аппаратам широкого применения. Этим требованиям удовлетворяют электрические схемві устройств дозирования, рассмотренные в данном разделе диссертационной работы. Они имеют определенные достоинства по сравнению с известными автору приборами подобного назначения. При построении электротехнических комплексов дозирования электрической энергии, так же, как и в случае с комплексами дозирования количества электричества, их функционирование следует рассматривать в неразрывной связи с работой электротехнологических установок, в технологические линии и схемы которых дозирующие устройства должны органично встраиваться. Электрическая энергия, выделяемая в нагрузке за некоторый промежуток времени определяется, как известно, следующим образом: Структурно-функциональная схема дозирующего устройства, основывается на зависимости, характеризуемой выражением (4.1), из которой следует, что электронный измеритель электрической энергии в режиме реального времени должен выполнять процедуру вычисления произведения текущих значений напряжения и тока нагрузки, т.е. содержать в своем составе устройство умножения двух операндов и интегратор. В соответствии с алгоритмом работы комплекса дозирования электроэнергии в его состав должны входить первичные преобразователи напряжения, тока и квантователь текущего значения электрической мощности. Кроме того, его необходимо дополнить устройством коммутации электрической энергии, блоком задания дозы и блоком управления устройством коммутации.
