РЕФЕРАТ
Дипломный проект состоит из 109 листов пояснительной записки, содержащей 12 таблиц и 17 иллюстраций, и 6 листов графической части. В дипломном проекте использовано 61 наименование источников литературы.
Ключевые слова: дозирование, количество электричества, электрическая энергия, квантователь, электротехнический комплекс, погрешность дозирования.
В данном дипломном проекте проведен обзор средств учета количества электричества и электрической энергии, имеющихся в настоящее время в промышленности и представлен анализ потребности современного производства в устройствах дозирования с обоснованием их внедрения.
С этой целью разработаны схемы устройств дозирования количества электричества и электрической энергии, принцип действия которых основан на квантовании измеряемой величины по вольт-секундной площади и проведен анализ их метрологических характеристик.
Разделы пояснительной записки:
Использование дозатора электрической энергии при проведении контактной сварки.
Вопрос квантования текущего значения количества электричества и электрической энергии.
Разработка комплекса технических средств для цифрового дозирования количества электричества и электрической энергии.
Анализ метрологических характеристик.
Экономический расчет.
Охрана труда.
THE ABSTRACT
The degree project consists from 109 of sheets of an explanatory slip containing 12 of the tables and 17 of illustrations, and of 6 sheets of a graphic part. In the degree project are used 61 of the names of sources of the literature.
Key words: batching, quantity of electricity, electrical energy, quantizer, electrotechnical complex, error of batching.
In the given degree project are produced analyze of means of account of quantity of electricity and electrical energy, existing in current time in industry and is presented of needs of modern production in devises of batching with analyses of their introducing.
With this purpose are developed circuits of devices of batching of quantity of electricity and electrical energy, which principle of action grounded on quantization on the volt-second area and also the analysis of their metrological characteristics is carried out.
Sections of an explanatory slip:
Position of question of batching of quantity of electricity and electrical energy in modern production.
Question of quantization of the current meaning of an electric quantity and electrical energy.
Design of devises of batching.
The analysis of metrology performances.
Economic account.
Labour safety.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Состояние вопроса дозирования количества электричества и электрической энергии в современном производстве
1.1 Анализ потребности производства в устройствах дозирования количества электричества
1.2 Аналитический обзор средств учета количества электричества, применяемых в электрохимии
1.3 Потребность производства в устройствах дозирования электрической энергии
1.4 О средствах учета электрической энергии, используемых в электротехнологиях
2 Вопрос квантования текущего значения количества электричества и электрической энергии
2.1 Основные понятия и определения по вопросу квантования количества электричества Q(t) и электрической энергии W(t)
2.2 Цифровое дозирование количества электричества и электрической энергии
2.3 Обоснование выбора интегрирующего преобразователя в качестве квантователя измеряемой величины по вольт-секундной площади
3 Проектирование устройств дозирования
3.1 Разработка схемы устройства цифрового дозирования количества электричества
3.2 Разработка схемы устройства цифрового дозирования электрической энергии
4 Анализ метрологических характеристик
4.1 Оценка погрешности квантователя по вольт-секундной площади и способы ее снижения
4.2 Определение погрешности устройства дозирования количества электричества
4.3 Определение погрешности устройства дозирования электрической энергии
4.4 Зависимость погрешности дозирования от состава технических средств комплексов дозирования
5 Экономический расчет
6 Охрана труда
6.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте оператора ЭВМ
6.2 Микроклимат
6.3 Освещение
6.4 Шум
6.5 Вибрация
6.6 Электробезопасность
6.7 Электромагнитное излучение
6.8 Эргономика рабочего места
6.9 Противопожарная безопасность
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
В настоящей работе рассматривается вопрос о целесообразности и актуальности использования в современном производстве устройств дозирования количества электричества и электрической энергии, обеспечивающих более полную автоматизацию процессов электролиза, а также способствующих внедрению в производство новых, ресурсосберегающих и энергосберегающих электротехнологий, отвечающих требованиям настоящего времени.
В технической литературе термин «дозирование» наиболее широко употребляется для характеристики нормированного расхода веществ и материалов, а также штучных предметов, к которым можно отнести жидкие, газообразные, сыпучие вещества и прочие материалы. Существует большой перечень устройств и установок, выполняющих данные функции. Из электрических величин таким термином можно охарактеризовать только те величины, которые имеют способность накапливаться в течение определенного времени. К ним в первую очередь относятся заряд (количество электричества) и электрическая энергия.
Для учета количества электричества, затраченного в ходе той или иной электрохимической реакции, используются кулонометры, интеграторы тока, счетчики ампер-часов. Широкое применение электрохимических технологий во многих отраслях промышленности требует совершенствования средств учета и контроля количества электричества. Однако на многих предприятиях электрохимии эти средства по своим техническим возможностям не всегда отвечают требованиям современного производства.
В настоящее время для оперативного управления процессами электролиза необходимы средства автоматического контроля, способные не только измерять и контролировать количество электричества, но также и дозировать его.
Велика потребность в устройствах дозирования в гальваностегии, где дозаторы могут применяться при управлении процессами нанесения гальванических и антикоррозийных покрытий металлов с целью обеспечения заданной толщины защитных слоев. Высокой эффективности от дозирования можно добиться, если использовать дозаторы в процессе осаждения защитных или декоративных покрытий из драгоценных металлов (золота, платины и т.п.) для поддержания оптимального режима с целью экономии их расхода. Дозирование целесообразно использовать для контроля заряда при тренировках аккумуляторных батарей и в других электрохимических технологиях.
В электрохимии вопрос дозирования количества электричества имеет чрезвычайно важное значение, поскольку дозирующие устройства способны исполнять функции элементов автоматизации процессов электролиза.
В современном производстве при выполнении некоторых технологических операций нередко возникает потребность, а порой и необходимость, дозировать также и электрическую энергию. Выполнение этой процедуры подразумевает подачу в электрическую нагрузку заранее отмеренной порции энергии. Например, перед штамповкой в процессе предварительного электронагрева металлических заготовок, а также во время контактной точечной сварки дозирование электрической энергии является обязательной технологической операцией, поскольку самым непосредственным образом влияет на качество продукции.
Технологии с использованием дозирования электрической энергии могут широко применяться при термических процессах в химическом производстве, в оборонной, в пищевой и обрабатывающей промышленностях, в электротехнике, микроэлектронике и т. д.
Средства учета электрической энергии, используемые в настоящее время на предприятиях в электротехнологиях, зачастую не отвечают современным требованиям по автоматизации производства. В связи с этим, существует потребность в создании устройств измерений, обладающих дополнительными возможностями, в число которых входит функция дозирования.
Основной целью данной работы является разработка комплексов технических средств дозирования количества электричества и электрической энергии, способных обеспечивать применение прецизионных технологий при электролизе и осуществлять прецизионное дозирование электрической и тепловой энергии при электроконтактном или электродуговом нагреве металлов, а также при электротермическом нагреве различных материалов.
Для реализации поставленной цели требуется решение следующих задач:
обоснование технических требований к разрабатываемым приборам;
анализ существующих средств учета количества электричества и электрической энергии на пригодность работы в структуре дозаторов;
обоснование технических требований и выбор схемы квантователя, наиболее пригодной для практического использования;
исследование метрологических характеристик схемы квантователя;
разработка средств дозирования, обеспечивающих требуемую точность.
1. Состояние вопроса дозирования количества электричества и электрической энергии в современном производстве
В любой отрасли промышленности всегда имеется потребность либо в продуктах электрохимии, либо непосредственно в самом электрохимическом производстве. На большинстве предприятий машиностроительного профиля для проведения электрохимической обработки изделий существуют гальванические цеха, функционируют электрохимические лаборатории.
К электрохимическому методу обработки часто прибегают тогда, когда никакими другими методами изготовить или обработать изделие нельзя. В первую очередь это относится к гальваностегии – методу электроосаждения металлопокрытий, который повсеместно применяется с целью защиты изделий от коррозии, для защитно-декоративной отделки, а также для повышения сопротивления механическому износу наиболее ответственных деталей механизмов и образованию у них поверхностной твердости.
Кроме электролитического существуют и другие способы нанесения металлопокрытий, например, погружение изделий в расплавленный металл, распыление расплавленного металла, термическая диффузия металла в поверхностные слои изделия, плакирование – совместная горячая прокатка металла и покрытия, химическое восстановление, вытеснение металла из раствора его соли. Однако электролитический метод по сравнению с другими имеет ряд преимуществ, основное из которых – возможность получения осадков разнообразной структуры на металлических и неметаллических изделиях с регулируемой толщиной покрытия (от долей микрона до нескольких миллиметров) [1].
Важное практическое значение имеет технология восстановления изношенных деталей механизмов твердым электролитическим железом [2], которая представляет наиболее эффективный и экономически рациональный способ ремонта изношенных поверхностей в машиностроении.
Особого внимания заслуживает технология покрытия изделий благородными металлами с целью придания их поверхностям высокой способности к электро- и теплопроводности, а также к повышению химической устойчивости по отношению к агрессивным средам. При реализации подобных покрытий самое широкое распространение имеет метод электролитического золочения [1]. Однако, при использовании данного метода электроосаждения существует проблема соблюдения оптимальной технологии металлопокрытий, которая заключается, с одной стороны, в обеспечении качества покрытий, а с другой стороны, в экономии драгоценных металлов. Именно для такой технологии требуется наиболее эффективно применять процедуру дозирования количества электричества.
Целесообразно также применять дозирующие устройства для контроля заряда аккумуляторных батарей особенно при проведении тренировочных или восстановительных циклов с реверсированием тока заряда. Поддержание емкости аккумулятора в процессе его эксплуатации в допустимых пределах продлевает срок его эффективной работы, что отвечает современным требованиям по развитию ресурсосберегающих технологий.
Необходимость учета, а вместе с ним и дозирования количества электричества, вытекает из условия обеспечения непрерывного автоматизированного контроля за ходом процесса электролиза и управления им по заранее заданной программе.
Из курса электрохимии известно, что во время процесса электролиза из расплавов металлов или растворов солей на одном из электродов, опущенных в ванну, происходит осаждение определенного количества металлов или выделение вблизи его определенного количества газов, по своей массе или объему пропорциональное израсходованному количеству электричества.
Основополагающим законом в электрохимии, подтверждающим сказанное выше, является первый закон Фарадея, устанавливающий связь между количеством вещества G, выделившимся на электроде в процессе реакции, и количеством израсходованного при этом электричества Q [3].
(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 СQ = 0,8×10-9 Кл×м/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 2¸10 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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
