Установка экспресс-определения содержания глинозема в криолит-глиноземном расплаве

(правообладатель ООО "Инженерно-технологический центр ОК РУСАЛ")

предназначена для определения концентрации глинозёма (Al2O3) в электролизных ваннах путем создания локального анодного эффекта и регистрации параметров критического тока.
Установка обеспечивает передачу результатов измерения по радиоканалу в карманный персональный компьютер либо персональный компьютер. Общий вид установки приведен на рис. 1.

В основе работы устройства лежит метод съёмки хроновольтамперограмм с линейной развёрткой потенциала. Установка позволяет поляризовать графитовый анод датчика до возникновения анодного эффекта, регистрируя ток и сопротивление датчика. По пиковой критической плотности тока определяют концентрацию растворённого глинозёма в криолит-глинозёмном расплаве (к.г.р.).

Рис.1. Общий вид установки в полном составе

В состав установки входят: 
1- Датчик;
2- Блок управления;
3- Механическая опора;
4- Комплект проводов;
5- Кейс переносной;
6- Карманный персональный компьютер (КПК);
7- Персональный компьютер (в комплект поставки не входит);
8- Зарядное устройство аккумулятора блока управления.

Техническая характеристика

Установки:

 диапазон измеряемых концентраций, масс. % Al2O3.........................................................................от 1 до 6;
 погрешность измерения концентрации глинозёма, масс. % Al2O3...........................................................0,5.

Блока управления:

 форма напряжения питания электрохимической ячейки........................................................пилообразная;
 нелинейность пилообразного напряжения, %, ..............................................................................не более 10;
 диапазон изменения пилообразного напряжения, В .......................................................................от 0 до 10;
 максимальное рабочее значение тока, А ...........................................................................................................10;
 питание .....................................................................................................................автономное от аккумуляторов;
 рабочая температура..................................................................................................................... от −40 до +60 °С.
 время автономной работы, ч, ................................................................................................................ не менее 8;
 габаритные размеры блока управления, мм, ..........................................................не более 300 х 200 х 100;
 масса блока управления, кг, ....................................................................................................................не более 3.

Датчика:

материал анода/катода ....................................................................................................................... графит МПГ-6;
материал диэлектрика ........................................................................................... пиролитический нитрид бора;
материал токоподводов .............................................................................................жаростойкая сталь, нихром;
рабочая температура, °С, ...................................................................................................................не более 1000;
количество измерений между обработками поверхности, .........................................................не менее 300;
ресурс датчика (кол-во измерений), ............................................................................................... не менее 2000;
размеры датчика:
                  длина с анодным токоподводом, мм................................................................................................. 600;
                  диаметр, мм .................................................................................................................................................35;
                  диаметр анода, мм...................................................................................................................................... 8;
 площадь анода, кв. см ............................................................................................................................................0,72;
 масса датчика, кг, ........................................................................................................................................не более 4.

Устройство датчика

 Датчик установки имеет коаксиальную конструкцию (стержень в трубе) и состоит из двух графитовых электродов (анод – внутренний стержень, катод — труба) и токоподводов к ним (рисунок 2). Анодом служит графитовый стержень диаметром 8 мм. Катод – графитовая трубка с наружным диаметром 25 мм. В качестве диэлектрика между анодом и катодом используется трубка из пиролитического нитрида бора с толщиной стенки ≈1 мм.
Анод и катод выполнены из графита марки МПГ-6. Электроды помещены в трубу из жаростойкой стали и вместе с изолятором плотно притёрты друг к другу без зазоров для исключения протекания электролита внутрь датчика. Внутренний токоподвод к аноду осуществляется через нихромовый стержень (токоподводом к катоду служит труба-корпус датчика). Внутреннее пространство датчика заполнено теплоизолятором (порошок глинозёма и/или нитрида бора). Торец датчика плоско срезан под углом 45° к оси трубы для быстрого удаления пузырьков CO2 с поверхности анода во время работы.

Рис. 2. Конструкция датчика

1- засыпка из порошка глинозёма/нитрида бора; 2 — труба из жаростойкой стали – токоподвод катода; 3,5 — графитовые катод и анод соответственно; 4 — нихромовый токоподвод к аноду; 6 — диэлектрик – трубка из нитрида бора.

Устройство блока управления

Блок управления выполнен в металлическом корпусе переносного типа, с габаритными размерами 90 х 250 х 270 мм. Для удобства ношения блока имеется поворотная ручка. На лицевой панели установлено минимальное количество органов управления и светодиодных индикаторов, а также узел передачи данных по радиоканалу типа «Bluetooth». Структурная схема блока управления приведена на рис.3.

Рис. 3. Структурная схема блока управления

Обозначения:
ПН — Преобразователь напряжения 12В/5В; G — Аккумулятор 12В/10А\ч.; РИН — Регулируемый источник напряжения; ЦАП — Цифроаналоговый преобразователь; Bluetooth — Узел передачи данных CPU – Контроллер; ОЗУ – Оперативно  запоминающее устройство; Ш — Шунт 10А/75мВ.

Принцип работы блока управления основан на формировании одного или нескольких циклов развёртки повышения потенциала на аноде датчика по линейному (от времени) закону с автоматической регистрацией изменения тока.
При поступлении команды о выполнении задачи от кнопки управления (с прибора кнопка «РАБОТА», КПК или ПЭВМ по радиоканалу), контроллер (CPU) подаёт на вход преобразователя (ЦАП) в цифровом виде сигнал плавного увеличения напряжения до заданного значения, а затем уменьшает его с заданной скоростью до нуля. ЦАП преобразует цифровой сигнал в аналоговый вид, а РИН его усиливает. В результате чего на аноде датчика возникает развёртка потенциала. При возникновении потенциала на датчике в выходной цепи по шунту протекает ток, который усиливается в измерительном узле и поступает на вход АЦП контроллера. Так же контроллер не только подаёт напряжение на датчик, но и измеряет напряжение на датчике, для компенсации падения напряжения на проводах, подходящих к датчику. Развёртка приведена на рис.4.

                                                                                  Рис. 4 Развертка

По заданному алгоритму контроллер обрабатывает сигналы одной или нескольких развёрток и рассчитывает концентрацию глинозёма в электролите. Расчётное значение высвечивается на цифровых индикаторах лицевой панели.
Прием и передача данных между блоком управления и КПК (ПК) осуществляется по беспроводной связи при помощи встроенного модуля Bluetooth.
Блок управления функционирует в автономном режиме с возможность передачи управления на компьютер (настольный или карманный). В энергонезависимой памяти хранится конфигурация и список задач на выполнение. Конфигурация и задачи настраиваются с КПК (ПК). Благодаря встроенным часам блок управления автоматически контролирует расписание выполнения поставленных задач. В блоке управления задействована функция переключения в режим сна для экономии заряда аккумулятора.

Внешний вид лицевой панели с установленными органами управления и индикации параметров приведен на рис.5.

Рис. 5 Блок управления. Внешний вид лицевой панели