150945 (Средства учета количества электричества и электрической энергии), страница 2

(1.1),

где – электрохимический эквивалент вещества, выделяемого на электроде [г];

F – постоянная Фарадея (F 96500) (Кл);

А – атомная масса элемента;

n – валентность элемента.

Для измерения количества электричества, потребляемого во время электролиза, используются специальные приборы: баллистические гальванометры, кулонометры, интеграторы тока, счетчики ампер-часов.

Самыми чувствительными приборами из перечисленных являются баллистические гальванометры, которые применяют для измерения малых количеств электричества, протекающих в течение коротких промежутков времени. Например, баллистический гальванометр типа М17/13, обладает разрешающей способностью С_Q = 0,810^-9 Клм/мм. Погрешность измерения баллистическим гальванометром в значительной мере зависит от соотношения времени прохождения импульса тока через катушку гальванометра и периода свободных колебаний его подвижной части и может составлять (5 ÷ 10)%.

Известны различные типы электронных кулонометров и кулонометрических установок, специфика которых зависит от характера электродных процессов [4]. Они применяются в основном 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, милликулонометр типа М337 используется для диапазона измерений 0 ÷ 30 мКл и 0 ÷ 150 мКл. Основная 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-1, прецизионную установку ПКУ-101, составными элементами которых, как правило, являются электрохимическая ячейка с набором электродов, потенциостат, интегратор тока, электронные потенциометры. Подсчет результатов измерений в ходе электрохимических процессов осуществляется с помощью этих приборов посредством интегрирования в течение определенного времени текущего значения тока электролиза

(1.2)

где Q(t) - текущее значение количества электричества ( Кл );

i(t) - текущее значение силы тока в цепи электролиза ( А );

t - время интегрирования ( с ).

Одним из типичных представителей такого ряда приборов, используемых для электрохимических исследований в заводских лабораториях, является интегратор кулонометрический ИПТ-1[5].

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 [6], предназначенный для учета слабых токов и применяемый, в основном, в качестве счетчика моточасов работы приборов. Аналогичный принцип действия имеют электролитические счетчики ампер-часов типа Х602А и Х15, служащие для учета количества электричества, протекающего в цепях аккумуляторных батарей [7]. Приведенная погрешность таких электролитических счетчиков ампер-часов может достигать (2÷ 4) %.

Наиболее широкое применение на предприятиях электрохимии в качестве приборов контроля количества электричества, расходуемого во время процессов электролиза, в силовых установках постоянного тока имеют магнитоэлектрические счетчики ампер-часов типов СА-М640, СА-М640У и СА-Ф603П [7]. В этих цепях они, как правило, используются в комплекте с измерительными преобразователями или добавочными устройствами (Р640), рассчитанными на работу с большими токами (до сотни килоампер). Относительная погрешность таких счетчиков ампер-часов лежит в диапазоне (1,0 ÷ 3,0) % без учета погрешностей шунтов.

В настоящее время, наряду с электролизом при стационарных режимах работы на постоянном, относительно стабильном токе, применяют электролиз в нестационарных режимах – на токах сложной формы, для которых характерны следующие показатели. В моменты переходов из одного режима в другой плотность тока электролиза может резко изменяться по величине, а также происходить реверсирование или прерывание постоянного тока с последующей стабилизацией электрических параметров. Изменение режимов способствует интенсификации технологического процесса вследствие устранения отрицательных явлений, сопутствующих повышению плотности тока, к которым относятся снижение качества катодного осадка, потеря благородных металлов и пассивация анодов [8]. Рассмотренный динамический режим характеризуется кратковременным превышением значений тока, в 210 раз превосходящих рабочие величины. Одним из сложных для реализации является ассиметричный реверсивный режим, применяемый для гальванического «осталивания» деталей, в котором используется импульсный ток с крутыми фронтами [9].

Применение магнитоэлектрических счетчиков для измерения количества электричества, потребляемого при таких режимах, приводит к увеличению погрешностей в измерениях, вследствие инерционности подвижных механизмов счетчиков, которые не успевают отрабатывать эти изменения. Еще большие погрешности измерений накапливаются в процессе периодических операций "реверсирования" тока.

Наиболее энергоемкими приемниками электроэнергии на предприятиях цветной металлургии являются электролизеры алюминия, магния, цинка, меди и никеля. Их мощности на постоянном токе достигают 1000 ÷ 2500 МВт.

Как известно [9], 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 по указанным выше причинам оно не может быть учтено магнитоэлектрическими счетчиками ампер-часов, что приводит к дополнительным погрешностям измерений.

Известно, что силовые установки электролизеров при производстве меди и никеля рассчитаны на токи нагрузки 2560 кА [10], а токи электролиза при производстве алюминия могут достигать значений до 200 кА [11], поэтому при использовании в качестве измерительных приборов указанных счетчиков, величины погрешностей, возникающих при измерениях могут быть достаточно высокими.

В электрохимии назрела ситуация, когда требуется обновить парк морально устаревших и не отвечающих требованиям времени измерительных приборов и приложить определенные усилия к созданию электронных средств измерений количества электричества, обладающих высокими точностными характеристиками.

В последнее время на некоторых предприятиях электрохимии начинают использовать электронные счетчики количества электричества, которые существенно превосходят все названные типы счетчиков по показателям точности, однако внедрение их в производство не имеет массового характера [12]. Погрешность таких электронных счетчиков, как правило, не превышает 1%.

Следует отметить, что по состоянию на настоящий момент в электрохимическом производстве дозирование количества электричества практически не применяется. Этот факт подтверждается еще и тем, что ни в одном из перечисленных лабораторных приборов, а также ни на одной из промышленных установок для электролиза не предусмотрено автоматическое отключение источника тока, которое должно осуществляться после получения нагрузкой заданной дозы количества электричества, расходуемого в электрохимическом процессе. Как уже было отмечено, наиболее острая потребность в приборах дозирования существует в гальваностегии при осаждении на металлические поверхности антикоррозийных или декоративных покрытий. На некоторых предприятиях эту задачу решают в частном порядке путем внедрения в процесс самостоятельно изготовленных образцов дозирующих устройств [10].

Отсутствие промышленных приборов дозирования количества электричества принципиально не позволяет решать задачи автоматизации технологических процессов электролиза.

Средства учета количества электричества, какими являются, например, кулонометры, интеграторы тока, счетчики ампер-часов, не наделены функциями подключать и своевременно отключать электрическую нагрузку от источников тока [13].

Современные технические требования, ориентированные на внедрение в производство энерго- и ресурсосберегающих технологий, в основу которых положен принцип непрерывного контроля за ходом технологических процессов, а также необходимость проведения мероприятий по сокращению времени присутствия оперативного персонала в цехах с вредными условиями труда, заставляют совершенствовать имеющиеся и создавать новые средства автоматизации производства.

1.3 Потребность производства в устройствах дозирования электрической энергии

Одной из возможных областей применения разрабатываемого прибора - дозатора электрической энергии является управление процессом проведения контактной точечной сварки, где на сварку каждой точки должно выделяться определенное количество энергии, которое будет задаваться заранее с помощью набора переключателей блока задания дозы.

Выбор в качестве объекта управления установки для контактной сварки не случаен. Область применения контактной сварки чрезвычайно широка — от крупногабаритных строительных конструкций, космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем. В настоящее время около 30 % всех сварных соединений выполняют различными способами контактной сварки. Среди других способов сварки она отличается очень высокой степенью механизации, роботизации, автоматизации и, как следствие, высокой производительностью.

Этот способ сварки широко используют в автомобиле- и вагоностроении, строительстве, радиоэлектронике и т. д. Например, в конструкциях современных лайнеров насчитывается несколько миллионов сварных точек, легковых автомобилей – до 5000 точек. Диапазон толщины свариваемых элементов – от нескольких микрометров до 10 – 30 мм. Точечной сваркой соединяются элементы жесткости и крепежные детали с листами, тонкостенными оболочками и панелями.

Электрическая энергия, потребляемая в нагрузке за определенный промежуток времени вычисляется по формуле:

(1.3)

где u, i, p – мгновенные значения напряжения, тока и мощности на нагрузке;

t – время интегрирования.

Электронный счетчик электрической энергии должен реализовывать процедуру вычисления интеграла от произведения мгновенных значений напряжения и тока нагрузки, поэтому в его состав должны входить первичные преобразователи напряжения, тока, множительное и интегрирующее устройства.

Известны различные варианты построения схем электронных счетчиков, предназначенных для систем учета и контроля электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока, где используются аналоговые множительные устройства с широтно-импульсной и амплитудной модуляцией с последующим преобразованием полученного напряжения в частоту. К таковым можно отнести, например, счетчики типа Ф441, Ф652 и т.п.

Потребность в использовании разрабатываемого дозатора электрической энергии может возникнуть при управлении технологическими процессами, проходящими с применением тепловой энергии, выделяемой при электрическом или электродуговом нагреве, например в машиностроении для предварительного прогрева металла перед штамповкой, при точечной и стыковой сварке деталей, при плавке металлов в дуговых электрических печах, при термических процессах в химическом производстве, в пищевой промышленности, в медицинской технике и т. д.

Во время работы электротермических и электросварочных установок энергия из электрической практически полностью превращается в тепловую.

Основным электрическим параметром для учета выделенной тепловой энергии в электродуговой установке является активная мощность, потребляемая ей за время горения электрической дуги, так как ток дуги может меняться в широких пределах при неизменной мощности установки.

Проектируемый прибор дает возможность дозировать подачу заранее определенного количества электрической энергии в электрическую нагрузку, и контролировать количество тепловой энергии, выделяющейся в зоне формирования электрической дуги, при одинаковых повторяющихся электродуговых процессах. Именно поэтому наибольший эффект от применения дозатора будет наблюдаться на автоматизированных линиях.

Конечной целью нормированного дозирования электрической энергии является стабилизация теплового импульса энергии, необходимого для обеспечения качественного выполнения технологической операции и снижения суммарных потерь энергии. Наибольшего экономического эффекта при дозировании энергии можно добиться, используя дозирующие устройства на автоматизированных поточных линиях в циклически повторяющихся операциях.

Создание дозирующих устройств на основе, например, широко распространенных цифровых измерителей мощности с аналоговыми преобразователями не составит больших экономических затрат.