Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор современных способов измерения и анализа флуктуации межполюсного напряжения алюминиевого электролизера 10
1.1 Общие сведения о технологическом процессе электролиза алюминия 11
1.2 Контроль межполюсного напряжения электролизера
1.2.1 Современные способы измерения межполюсного напряжения электролизера 17
1.2.2 Принципы построения современных устройств для съема межполюсного напряжения электролизера 23
1.3 Флуктуации межполюсного напряжения электролизера 25
1.3.1 Общие сведения о флуктуациях межполюсного напряжения электролизера 26
1.3.2 Современные способы контроля флуктуации межполюсного напряжения электролизера 27
1.3.3 Методы диагностики технологического состояния электролизера на основе флуктуации межполюсного напряжения 30
Выводы и постановка задачи исследования 36
2 Анализ флуктуации межполюсного напряжения электролизера 39
2.1 Замыкание расплава алюминия на анод 40
2.1.1 Спектральный состав флуктуации межполюсного напряжения, вызванных подмыканием металла на анод 43
2.2 Волны на поверхности расплава алюминия 51
2.2.1 Спектральный состав и информационный потенциал флуктуации межполюсного напряжения, вызванных волнением металла 54
2.3 Газ под анодом 56
2.3.1 Зависимость падения напряжения в межполюсного промежутке от газосодержания 57
2.3.2Флуктуации межполюсного напряжения, обусловленные динамикой пузырьков 59
2.3.2.1 Спектральный состав флуктуации межполюсного напряжения, обусловленных динамикой пузырьков 62
2.3.3 Собственные колебания пузырьков 64
2.4 Оценка влияния емкости межполюсного промежутка 67
2.5 Система фильтрации межполюсного напряжения 70
Выводы 73
3 Устройство съема межполюсного напряжения электролизера 74
3.1 Способ съема напряжения с электролизера: структурная схема устройства 75
3.2 Функциональная схема устройства 78
3.2.1 Функциональная схема блока питания устройства 78
3.2.2 Функциональная схема измерительной части устройства 19
3.3 Реализация устройства 82
3.3.1 Фильтр нижних частот 82
3.3.2 Блок питания 3.3.2.1 Преобразователь 86
3.3.2.2 Стабилизатор 87
3.3.2.3 Лабораторные испытания блока питания 88
3.4 Выбор точек подключения к электролизеру для съема флуктуации межполюсного напряжения 88
Выводы 91
4 Эксперимент: проведение и анализ результатов 92
4.1 Подготовка и проведение эксперимента 92
4.2 Обработка и анализ результатов
4.2.1 Помехи в электролизном цехе 94
4.2.2 Выборочное среднеквадратичное отклонение 96
4.2.3 Спектральный состав 97
4.2.4 Поиск периодичностей и идентификация флуктуации межполюсного напряжения электролизера 99
4.2.5 Гармонические составляющие флуктуации межполюсного напряжения межполюсного промежутка электролизера 101
4.2.6 Подмыкания металла на анод 109
Выводы 113
Заключение 114
Список использованной литературы 115
- Принципы построения современных устройств для съема межполюсного напряжения электролизера
- Спектральный состав флуктуации межполюсного напряжения, вызванных подмыканием металла на анод
- Функциональная схема измерительной части устройства
- Выборочное среднеквадратичное отклонение
Введение к работе
Актуальность. Получение алюминия путем электролиза криолит-глиноземных расплавов является одним из самых энергоемких производственных процессов, сопровождается выбросами газов,вызывающих парниковый эффект и негативно влияющих на экологию окружающей среды и протекает в тяжелых, вредных для здоровья человека условиях.
С переходом Росси на мировые стандарты цен, экологических норм, оплаты труда, повышаются требования к модернизации производства первичного алюминия
Одним из путей модернизации является развитие и внедрение средств автоматизации технологического процесса электролиза алюминия эффективность функционирования, которых определяется объемом и достоверностью информации о физико-технических параметрах электролизеров Поиск новых методов контроля обеспечивающих получение необходимой информации о состоянии технологического процесса является главной задачей в решении проблемы автоматизации процесса производства алюминия Из-за агрессивности среды, в которой происходит электролиз алюминия, на сегодняшний день задача непрерывного автоматического измерения решена только для двух параметров технологического процесса рабочее напряжение и ток серии
Анализ флуктуации (шумов) межполюсного напряжения электролизера является одним из методов уменьшения неопределенности состояния электролизера
Изучение флуктуации межполюсного напряжения начались в 50-х годах прошлого века. Первые работы по данной тематике опубликованы Г В Форсбломом, Л А Болдовским, А Г Аркадьева и А С Деркачем Обширное изыскание в области контроля и анализа электромагнитных и акустических шумов электролизера проведено в 1970-1984гг коллективом исследователей под руководством Г Я Шайдурова и А И Громыко, впервые рассмотрена проблема выбора средств съема информации Из современных отечественных и зарубежных исследований отметим работы авторов О. О. Роднова, П В Полякова, А И Березина, П. Д Стонта, L. Banta, С Dai, Р Biedler, A Tabereaux, L I Kiss, S Poncsak Исследуются взаимосвязи флуктуации межполюсного напряжения с технологическими параметрами процесса элек-
тролиза, разрабатываются аналитические и эмпирические алгоритмы диагностики состояний электролизера, однако до настоящего времени из-за ряда причин технического и методологического характера не решены задачи использования информации о флуктуациях межполюсного напряжения в целях контроля технологических параметров электролизеров
Таким образом, задача создания средств, позволяющих осуществить диагностику состояний и нарушений технологического процесса электролиза алюминия, основанную на контроле флуктуации межполюсного напряжения, является актуальной
Работа проводилась согласно планам НИР КГТУ по хоздоговорной теме с Инженерно-технологическим центром КрАЗа в рамках проекта разработки электролизера нового поколения «РА-500»
Цель диссертационной работы: исследование и разработка средств контроля параметров технологического процесса, позволяющих осуществлять диагностику технологических состояний и нарушений процесса электролиза алюминия.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи
Исследования помехоустойчивости способов съема информации с электролизера.
Статистического анализа флуктуации межполюсного напряжения электролизера и выявление связи их параметров с отклонениями технологического процесса от нормы
Разработки устройства, реализующего выделение и предварительную обработку флуктуации межполюсного напряжения электролизера
Записи и анализа флуктуации межполюсного напряжения электролизера с целью выделения информации о технологическом режиме электролизера Методы исследования. В процессе исследований были использованы методы
численного моделирования, математической статистики, корреляционного и спектрального анализа Обработка результатов эксперимента и моделирование проводилось с использованием программных пакетов STATISTICA и MathCAD
Научная новизна.
" Разработана эквивалентная модель, поясняющая процесс образования флуктуационных электромагнитных полей, обусловленных технологическим режимом электролизера.
Исследованы электромагнитные шумы электролизеров Показана возможность практической реализации контроля некоторых технологических параметров по статистическим характеристикам шумов, образующихся в межполюсном промежутке электролизера
Разработан помехоустойчивый способ съема информации о нарушениях технологического режима электролизных ванн
Выявлен частотный диапазон флуктуации межполюсного напряжения^ энергетические параметры которого наиболее сильно зависят от технологического режима работы электролизной ванны
На защиту выносится
" Способ и устройство съема информационных параметров, позволяющие вести диагностику технологического состояния электролизных ванн.
Разработанные способы и средства повышения помехоустойчивости информационных каналов измерительных систем
Модели образования электромагнитных шумов электролизера, раскрывающие связь энергетических параметров шумов с технологическим режимом
Практическая ценность работы:
Разработан, изготовлен, запатентован и передан Инженерно-технологическому центру «РУСАЛа» макет устройства съема и передачи информации о неконтролируемых ранее параметрах электролизных ванн
Предложен способ повышения помехоустойчивости средств контроля технологических параметров электролизных ванн
Внедрение разработанных способа и устройства контроля на алюминиевых заводах повысит эффективность их работы и улучшит условия труда обслуживающего персонала
Достоверность научных и практических результатов.
Подтверждается корректностью поставленной задачи, обоснованностью принятых допущений и адекватностью использованных математических моделей рассматриваемых процессов
Основные научные положения диссертационной работы подтверждаются совпадением полученных результатов с имеющимися данными других авторов и результатами эксперимента проведенного, на промышленном объекте
Личный вклад автора заключается в разработке представленных моделей образования электромагнитных шумов электролизера на основе данных полученных другими исследователями Автором спроектировано и изготовлено устройство для реализации способа съема напряжения с электролизера, разработанного коллективом сотрудников с участием автора под общим руководством д т н А И Громыко. Также автором проведена основная часть экспериментальных исследований и обработка полученных данных В совместных публикациях вклад авторов был примерно равным
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Инженерно-технологического центра КрАЗа, а также на следующих конференциях XII международная конференция «Алюминий Сибири - 2006», Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция молодых ученых и студентов, посвященная 109-й годовщине Дня радио (Красноярск 2004), Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция молодых ученых и студентов, посвященная 110-й годовщине Дня радио (Красноярск 2005)
Публикации.
По теме диссертационного исследования было опубликовано 5 работ, в том числе одна статья в рецензируемом журнале и патент на изобретение
Объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и четырех приложений Материалы диссертации изложены на 123 страницах основного текста, включая три таблицы и 64 рисунка
Принципы построения современных устройств для съема межполюсного напряжения электролизера
Существует большое число различных способов съема межполюсного или рабочего напряжения электролизера.
Известны способы измерения межполюсного напряжения электролизера с помощью зондов, запеченных в анод, например [6]. Целью таких способов является получение более точной информации о межполюсном напряжении, без влияния падения напряжения в аноде (измеряется лишь потенциал нижней границы (подошвы) анода) и снижение влияния перестановки штырей. В [6] также описан способ, в котором съем напряжения осуществляется между кожухом анода и каждой из катодных шин, с последующим вычислением сопротивления и выделением наименьшего значения измеренного сопротивления, по которому поддерживают межполюсное расстояние (МПР). В [7], сопротивление электролизера измеряют между анодной и катодной шинами секционированного токоподвода на одном из торцевых участков электролизера, одновременно относительно катодной шины измеряют разность сопротивлений катодных шин середины и противоположного торца электролизера. Целью подобных способов является получение более адекватной информации об изменении величины МПР и сопротивления электролизера на отдельных участках, например, в продольном направлении.
В обзоре, проведенном авторами [7], описывается способ, в котором измеряется падение напряжения между блюмсом и соответствующим анодным штырем, таким образом можно контролировать флуктуации сопротивления элемента объема ванны, что позволило бы в свою очередь осуществить качественный контроль, например, волнения металла. Однако такой способ съема, в силу ограниченности контролируемого объема ванны, не позволяет диагностировать большое число других технологических нарушений, очевидно, что для устранения этого недостатка необходимо увеличение числа контролируемых элементов объема ванны и соответственно рост числа точек подключения к анодным штырям и блюмсам, а это сопряжено с организационными и тех ническими трудностями. Кроме того, электрическое сопротивление жидкого алюминия, находящегося на подине электролизера, составляет не более 3-10 7Ом и при токе 160кА падение напряжения в металле не превышает 0,ЗмВ, т.е. жидкий металл практически эквипотенциален, поэтому распределение тока в катодной ошиновке электролизера никак не связанно с распределением тока в аноде [8].
Недостатками описанных способов съема напряжения являются: трудо-затратность и экономическая невыгодность, обусловленные определенными технологическими трудностями (запекание электрода в анод) и увеличением длинны и количества линий связи. Использование описанных способов целесообразно для экспериментальных исследований процесса электролиза, а не для текущего контроля.
Во всех известных АСУ ТП электролиза съем рабочего напряжения осуществляют традиционно - «зачеканкой» (подключением) контрольного провода 5-Юм длины к анодной и катодной шинам электролизера. Такое подключение равносильно последовательному соединению с электролизером индукционной рамки площадью до 10м2, что снижает достоверность информации ввиду наводок. Таким образом, напряжение, поступающее в ШУЭ, представляет собой сумму обратной ЭДС и падения напряжений в катоде, аноде и ошиновке плюс, наведенные на контрольные провода внешние помехи. Никаких специальных мер, чтобы обеспечить помехозащищенность на данном этапе, не предпринимается. Так, в одной из распространенных на российских заводах АСУ ТП «Тролль», разработанной компанией «ТоксСофт», группа блоков управления электролизерами соединена между собой коаксиальным кабелем, для организации технологической сети ArcNet используется оптоволокно, для построения общезаводской сети - витая пара, а доставка напряжения электролизера до ШУЭ происходит по обычным не помехозащищенным линиям связи [9, 10].
В АСУ «Электра» [11, 12] линии цифровой связи в пределах электролизера и локальной вычислительной сети выполнены парноперевитым кабелем. Доставка напряжения до измерительного устройства происходит по обычным линиям, однако, само устройство (в контексте [11], КУП-контроллер управления приводом) устанавливается на самом электролизере, что является преимуществом системы, поскольку сокращает затраты на установку и монтаж АСУ ТП, а также уменьшает влияние помех на линии связи (хотя этот факт авторами [11, 12] не отмечается), за счет снижения протяженности измерительных и управляющих цепей. Однако при таком способе установки измерительного устройства возникает необходимость прокладки питающих линий.
Функции съема напряжения, нормирования сигнала и гальванической развязки в известных АСУ ТП, как правило, выполняют преобразователи типа Е846 [13, 14, 15, 16, 17]. В АСУ «Электра» преобразование напряжения Up в цифровой вид осуществляется путем промежуточного преобразования Up в частоту следования импульсов F(UP) с последующим преобразованием частоты в цифровой эквивалент [11].
Как правило, рабочее напряжение оцифровывается в ШУЭ. В АСУ ТП «Тролль» [18, 19], частота дискретизации составляет 18,182Гц (т.е. период равен 55мс), затем напряжение усредняется на интервале Т ср=1с и по усредненным значениям осуществляется расчет приведенного напряжения, по усредненному на интервале 1-КЗмин приведенному напряжению рассчитывают его производную. В системе ALUMAT [20], разработанной фирмой SIEMENS, частота дискретизации напряжения составляет 5Гц, а интервалы усреднения для вычисления приведенного напряжения и его производной составляют Н5с и 1 -5мин соответственно. В системе «Электра» опрос аналоговой входной информации (напряжения электролизера) происходит с циклом 20мс (что соответствует частоте 50Гц), с последующим усреднением [12].
В зарубежных АСУ ТП, где, как правило, управление электролизером осуществляется на основе измерения псевдосопротивления, используются средние значения псевдосопротивления, усредненные на интервале от 30 секунд до нескольких минут [21, 22]. В работах [23, 24] авторы отмечают, что в современных АСУ ТП электролиза рабочее напряжение измеряется каждые 0,5-1с с последующим усреднением на интервале от 10 до 12с и с расчетом приведенного напряжения по результатам усреднения на этом интервале. Для решения задач управления электролизером (прогнозирование анодных эффектов, управление концентрационным режимом и др.) используются усредненные на интервале от 2 до 5мин значения приведенного напряжения.
Спектральный состав флуктуации межполюсного напряжения, вызванных подмыканием металла на анод
В нашей работе рассмотрение процесса волнообразования ограничим исследованием наиболее вероятного частотного диапазона «волнового шума» на основе, данных приводимых различными авторами.
В [4] показано, что для электролизеров С8Б изменения средней толщины гарниссажа от 5 до 20см при постоянной высоте расплава ведут к увеличению частоты колебаний расплава от 0,17 до 0,185Гц, при деформации подины частоты возрастают и лежат в пределах от 0,4 до 0,5Гц.
Авторами [30] обнаружено, что на электролизерах с предварительно обожженными анодами существуют две устойчивые гармоники около 0,27Гц и 0,45Гц соответствующие рассчитанным рэлеевским частотам стоячих волн на поверхности металла.
В работе [32] авторы определяют частотный диапазон «волнового шума», лежащим в полосе от 0,02 до 0,067Гц, в [53] от 0,01 до 0,2Гц.
К сожалению, попытки большинства авторов найти зависимость между характеристиками «волнового шума» и параметрами процесса электролиза носят бессистемный характер. Наиболее общее исследование в этой области проведено авторами [4], где показано, как зависит частота колебаний поверхности металла от высоты металла, ширины зеркала металла и изменения толщины гарнисажа. С ростом высоты слоя расплава алюминия увеличивается частота колебаний его поверхности и наоборот. С увеличением ширины зеркала частота колебаний уменьшается, диапазон расчетных частот в зависимости от высоты расплава алюминия и ширины зеркала металла лежит в преде лах от 1 до 1,7Гц. В работе [57] получены аналогичные результаты.
Авторы [30] произвели расчет рэлеевской частоты стоячих поверхностных волн границы электролит - жидкий алюминий и нашли, что низшая гармоника флуктуации имп, имеющая наибольшую амплитуду, соответствует первой гармонике волн по-Рэлею.
Таким образом, наиболее вероятный частотный диапазон для флуктуации Uмп вызванных волнением металла лежит в пределах от 0,01 до 2Гц.
Нормальное течение процесса электролиза, в электролизерах, работающих по методу Эру-Холла, сопровождается выделением на аноде газов СО} и СО Наличие газов в электролите уменьшает эффективное сечение проводящего слоя, вследствие этого сопротивление МП увеличивается. На участках анода, покрытых газовой пленкой оно возрастает в тысячи раз. Вызванное газодинамикой изменение сопротивлений элементарных объемов МП создает флуктуации напряжения электролизера, статистические характеристики которых можно измерять. По данным [4] весь спектр газодинамических явлений создает флуктуации в диапазоне от 1 до 230Гц.
Образование, слияние и перемещение пузырьков обеспечивают перемешивание прианодного слоя электролита, способствуя доставке кислородсодержащих ионов к аноду. Если бы не было такого перемешивания, был бы невозможен электролиз, так как прианодный слой быстро обеднялся бы по ионам кислорода и ванна выходила бы в режим анодного эффекта даже при концентрации глинозёма 5%масс из-за трудностей с его доставкой к подошве анода [52] Различные нарушения процесса электролиза вносят аномалии в динамику образования и схода пузырьков.
Следовательно, знание причинно-следственных связей газодинамики с технологическим состоянием электролизера позволит использовать статистические методы оценки флуктуации для контроля технологического режима. 2.3.1 Зависимость падения напряжения в межполюсного промежутке от газосодержания
С включением тока на подошве анода возникает множество пузырьков, равномерно распределенных по всей подошве анода. Присутствие множества пузырьков под анодом увеличивает сопротивление МП, следовательно, создает дополнительное падение напряжения в МП.
Авторы [60, 61] определили, что для интерпретации экспериментальных результатов наиболее пригодной является модель, которая описывает дополнительное сопротивление МП, создаваемое пузырьками, как функцию толщины слоя пузырей и площади анода (в процентах) покрытой пузырьковой пленкой.
Толщину газонаполненного слоя можно определить по эмпирической зависимости, предложенной в [62] на основе данных [60, 61]:
Для}А=0,9А/см2, 7Л/О, =Ю%масс, г}АІ20зАЗ=\,\%масс, В.О.=\,4%, формула (2.15) даст результат: U„y3=0,26B, что соответствует покрытию пузырьками 54% площади анода. Формулы (2.14), (2.15) служат для нахождения средних значений параметров, по литературным данным среднее значение U„y3 лежит в пределах от 0,15 до 0,35В [21,39].
Рисунок 2.13 - Выход газа из-под анода Поскольку пузырьки находятся в постоянном движении, то сопротивление МП и, следовательно, напряжение меняется (флуктуирует). Пузырьки зарождаются, растут, затем происходит отрыв пузырьков и последующее движение к кромке анода вплоть до выхода из-под анода (сход пузырьков), по ходу движения пузырьки продолжают расти. Все эти процессы сказываются на спектре флуктуации напряжения МП, кроме того, влияние оказывает собственная частота колебаний отдельных пузырьков.
Мгновенные значения скоростей и направлений движения пузырьков, а также формы их поверхности имеют случайный характер, но усредненные величины этих параметров стационарны. Средняя скорость движения пузырьков по подошве анода составляет приблизительно 10см/с [52]. В процессе слияния мелкие пузырьки движутся к более крупным, среднее время перемещения не более 0,02с. Упругие колебания пузырька, вызванные процессом слияния, воздействуют на соседние пузырьки, вызывая возрастание скорости их перемещения и спонтанные слияния. Рост пузырька увеличивает площадь его контакта с анодом, в результате замедляется перемещение пузырьков в направлении кромки анода [4].
Рассмотрим флуктуации напряжения электролизера (Д{ЛП1,3), порождаемые сходом газа из-под анода (рисунок 2.13).
В момент схода пузырьков площадь анода, покрытая газом, резко уменьшается. Рассмотрим величину амплитуды флуктуации U nyi, для этого произведем оценку освобождаемой во время схода пузырьков площади анода.
По расчетам, выполненным в [4], на промышленном электролизере за 1с выделяющийся газ займет площадь, равную приблизительно 1/6 (=17%) всей поверхности анода, закон сохранения требует, чтобы за 1с ровно такое же количество газа было удалено. Изменение площади, покрытой пузырьками на 17%, при средней площади покрытия 54%, согласно (2.15) повлечет изменение и пуз на 0,184В, что показано на рисунке 2.14. Следовательно амплитуда флуктуации, вызванной периодическим сходом пузырей составит 92мВ. Частота цикла накопление-сход газа равна 1Гц. Если частота цикла 0,5Гц, то амплитуда составит 206мВ, т.е. во время схода газа освободится уже 34% поверхности анода (рисунок 2.15), при таком значении амплитуды, флуктуации U-4iyi становятся доминирующим фактором среди всех шумов U\m промышленного электролизера, а многочисленные экспериментальные данные показывают, что это не так.
Функциональная схема измерительной части устройства
Блок питания предназначен для преобразования рабочего напряжения электролизера в напряжения питания остальных блоков устройства. Использование электролизера в качестве источника питания накладывает ряд условий на реализацию блока: с одной стороны, блок питания должен быть защищен от скачков напряжения во время анодных эффектов (до 80В), с другой -должен обеспечивать стабильный уровень выходного напряжения при низкой величине напряжения на входе, напряжение анод-катод электролизера составляет приблизительно 3,6В (заказчиком был задан уровень еще ниже - 2В). Следовательно, ограничитель, входящий в состав блока питания, должен вносить минимальные собственные потери. Кроме того, в схеме измерительной части устройства использован активный фильтр на основе операционных усилителей, напряжение питания которых двухполярное, а верхний предел динамического диапазона сигнала на входе фильтра равен 10В, автоматический делитель построен так же на базе операционного усилителя. Сформулируем основные требования к блоку питания:
Поскольку на сегодняшний день не существует преобразователей в интегральном исполнении работающих от входного напряжения 2В и при этом обеспечивающего напряжения питания от минус 15В до плюс 15В, а разработка нового преобразователя с такими характеристиками представляется трудоемкой и нецелесообразной, для реализации преобразователя использова лось двухкаскадное решение: схема, состоящая из двух DC/DC-конвертеров (MAX 743 и МАХ756), включенных последовательно рисунок (3.10). Преобразователь ступенчато повышает напряжение, сначала до 5В, а затем до 15В.
В качестве ограничителя использовалась схема стабилизации, показанная на рисунке 3.11. Такая схема обладает рядом преимуществ; используя современные транзисторы с большим (3 и малым падением напряжения, мы добились того, что падение напряжения на ограничителе составляет менее 0,4 В, что обеспечивает стабильный запуск DC/DC-конвертера (МАХ756) от напряжения порядка 2В. Входной диапазон напряжений DC/DC-конвертера (МАХ756) ограничивается 6В, в качестве элемента непосредственно осуществляющего ограничение напряжения использовался стабилитрон с напряжением стабилизации 5,1 В.
Были проведены лабораторные испытания преобразователя и ограничителя. Ток нагрузки составлял ЮОмА.
При входном напряжении 1В произошел запуск преобразователя, при этом наблюдались большие пульсации выходного напряжения (до 5В), с повышением входного напряжения до 1,8В работа преобразователя стабилизировалась и пульсации не превышали ЮмВ. Повышение напряжения на входе вплоть до 80В не отразилось на стабильности работе преобразователя. Срыв преобразования происходит при понижении входного напряжения до уровня менее одного вольта.
Выбор точек подключения к электролизеру для съема флуктуации межполюсного напряжения Необходимо выбрать точки подключения для съема напряжения, которые отвечали бы условиям минимального уровня помех и соответствия флуктуации процессам, происходящим в межполюсном промежутке.
Традиционные точки съема напряжения, «зачеканка» на токонесущих шинах, не отвечают выдвинутым условиям, так как перераспределение тока в блюмсах или анодных штырях из-за ухудшения контактов или других процес сов, не имеющих отношения к межполюсному промежутку, вызывает соответствующее перераспределение тока в шинах. Учитывая, что коэффициент неравномерности тока, к примеру, в стояках может достигать 0,5 [73], становится понятным, что при использовании традиционных точек съема понижается достоверность информации о флуктуациях UMm этот вывод справедлив и применительно к съему постоянной составляющей напряжения электролизера.
Существенное влияние на точность измерений также оказывают и наведенные помехи. Использование для съема напряжения применяющихся в АСУ ТП контрольных проводов равносильно последовательному соединению с электролизером индукционной рамки площадью до Юм2. Электролизный цех характеризуется сложной электромагнитной обстановкой, на каждый квадратный метр индукционной рамки наводится ЭДС со средним значением 6мВ, в итоге среднее значение общего уровня шумов на входе гальванических разделителей АСУ ТП при использовании традиционных линий связи составляет более 40мВ. Учитывая наличие корреляционных связей сигнала с шумом, выделить полезный сигнал при существующих линиях связи весьма затруднительно. Существенно снизить площадь эквивалентной индукционной рамки, можно применив в качестве линии связи, витую пару, что снижает уровень шума до уровня от ЮмВ до 15мВ [36, 37].
Ранее коллективом исследователей [34, 35] были проведены замеры потенциала кожуха катода и анода в различных точках. В ходе экспериментов было установлено, что катодный кожух является эквипотенциальной поверхностью, т.е. потенциал одинаков во всех точках катода, что можно объяснить наличием большого числа утечек. В результате измерений потенциала кожуха анода, было установлено, что с торца анода минимальное влияние оказывает расположение анодных штырей. іі ЗРЭ /
Точки подключения для съема флуктуации межполюсного напряжения Итак, наиболее оптимальными точками подключения для съема напряжения с электролизера представляются центр торца анодного и катодного кожухов (рисунок 3.12), кроме того, использование указанных мест подключения витой пары проводников к электролизеру снижает уровень шума до 1-ЗмВ. В этом случае задача измерения параметров информационного сигнала становится реальной [36, 37].
Выборочное среднеквадратичное отклонение
Как видно из таблицы 4.1 изменение уровня гармоники 50Гц в зависимости от различных точек подключения, показанное на рисунке 4.1, характерно для всей группы исследованных электролизеров. Таким образом, подключение к оптимальным точкам для съема напряжения электролизера, а также использование витой пары в качестве линии связи позволяет значительно снизить уровень помех. Результаты нашего исследования подтверждают данные, полученные ранее [34, 36]: площадь эквивалентной индукционной рамки, образованной контрольными проводами, питающими шинами и электролизером при точках подключения анодный-катодный кожухи, минимальна по сравнению с другими точками подключения, следовательно меньше уровень наведенных помех
Для всех полученных реализаций были рассчитаны оценки выборочного СКО, результаты расчетов представлены в таблице 4.2.
В таблице 4.2 помечены значения выборочного СКО, которые были исключены из анализа ввиду того, что во время записи реализаций, на соответствующих электролизерах проводились регламентные работы или были подвижки анода. Вычисленные значения выборочного СКО согласуются с экспе риментальными данными для среднего значения шумов электролизера (от 1 до ЗОмВ) в диапазоне от 0,5 до 20Гц полученного авторами [35].
По рассчитанным оценкам амплитудных спектров флуктуации UMn для каждой реализации была вычислена ширина спектра по уровню 1мВ, полученные результаты приведены в таблице 4.3.
Характерные оценки СПМ полученных реализаций показаны на рисунке 4.3, в 90 процентах случаев в спектре флуктуации межполюсного напряжения присутствуют две группы частот: первая занимает диапазон от 0 до 0,1 Гц, во второй группе частотные составляющие сосредоточены в диапазоне от 0,4 до 1,7Гц. Амплитуды первой группы частот меняются в широких пределах от 2 до 600мВ2/Гц, среднее значение - 65,75мВ2/Гц, амплитуды второй группы частот - от 0,3 до 18мВ2/Гц, среднее 3,23мВ2/Гц (данные для амплитуд даны по результатам обработки реализации замера 1: между торцами анодного и катодного кожухов).
Спектральный анализ показал наличие периодических компонентов в составе флуктуации межполюсного напряжения электролизера. Для обнаружения скрытых периодичностей были вычислены и проанализированы оценки автокорреляционных функций полученных реализаций. Перед расчетом оценок АКФ все реализации были центрированы, для анализа использовались нормированные АКФ. Число отсчетов в реализации, N=23000; шаг дискретизации 0,008с; т.е. длительность реализации 184с. Исходное выражение для определения оценки АКФ [74]:
Расчет оценок АКФ производился для реализаций флуктуации, полученных в диапазоне от 0,05 до 20Гц, высокочастотная фильтрация и усиление осуществляемое в канале переменной составляющей разработанного устройства, позволили выделить данные, касающиеся маломощных флуктуации [/щ, на рисунках 4.4, 4.5 приведены оценки АКФ, рассчитанные для реализаций полученных в одном замере, но в различных частотных диапазонах (первая реализация подвергалась предварительной обработке в канале переменной составляющей, вторая - нет).
Наличие во флуктуациях межполюсного напряжения электролизера такого типа периодичностей свидетельствует о наличии низкочастотных колебаний всей массы расплава, обусловленных МГД-явлениями. На рисунке 4.7 представлены соответствующие спектральная плотность мощности и эпюр напряжения флуктуации.
Тип 2. АКФ с четко выраженной гармонической коротковолновой периодичностью (рисунок 4.8). Для различных случаев (11 реализаций) диапазон частот составил 0,8 до 1,6Гц. На семинаре, проведенном в Инженерно-технологическом центре КрАЗа, технологами-практиками было высказано общепринятое мнение, что флуктуации, лежащие в диапазоне 0,8 до 1,6Гц, являются «пузырьковым шумом», однако, как показал анализ, проведенный во втором разделе данной работы, «пузырьковый шум» (флуктуации межполюсного напряжения, обусловленные динамикой пузырьков под анодом), может носить периодический, но никак не гармонический характер. Из рисунка 4.8 видно, что флуктуации напряжения в указанном диапазоне носят ярко выраженный гармонический характер, наиболее вероятной причиной образования флуктуации подобного типа являются волны на поверхности металла. На рисунке 4.9 представлены соответствующие оценки спектральной плотности мощности и эпюры напряжения флуктуации.
Кроме составляющих флуктуации UMn, рассмотренных выше, были обнаружены компоненты флуктуации не гармонического характера. Анализ обработанных данных выявил одну из причин возникновения негармонических флуктуации - подмыкания металла на анод. Эпюры межполюсного напряжения, соответствующие локальным периодическим подмыканиям, показаны на рисунке 4.11, хорошо видны отрицательные выбросы напряжения порядка 40мВ на первой кривой и 80мВ на второй, возникающие в момент подмыкания. Подмыкания сопровождаются расширением спектра (рисунок 4.11) и появлением составляющих с частотами, равными f, 2f, 3f..., где f- частота колебания на поверхности металла, верхушки волн которого вызывают подмыкания, модель флуктуации UUu при подмыканиях рассмотренная в (см. п.2.1.1 ) согласуется с экспериментальными данными. Оценки АКФ реализаций флуктуации Uмп при подмыкании показаны на рисунке 4.10, особенностью данных АКФ является ломаный характер графика.
Анализируя данные о количестве угольной пены, удаленной из межполюсного промежутка в день проведения эксперимента, мы пришли к выводу, что другой причиной возникновения негармонических флуктуации является повышенное содержание угольной пены в межполюсном промежутке. Наличие пены также искажает гладкий синусоидальный характер АКФ за счет распределения пены по гребням и впадинам волн на поверхности металла.
