崔運(yùn)生

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，國家對鋁的需求量日漸提高，每年的鋁生產(chǎn)量也飛速增長。電解鋁是工業(yè)化生產(chǎn)鋁的主要方法。在電解鋁過程中溫度要維持在一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，過高過低都會對生產(chǎn)產(chǎn)生不良的后果，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一款基于ARM的嵌入式初晶溫度檢測設(shè)備，為電解鋁過程中的溫度測量提供幫助。

關(guān)鍵詞：ARM；初晶溫度檢測系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 電解質(zhì)初晶溫度以及國內(nèi)外研究

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質(zhì)，以碳素體作為陽電解鋁極，鋁液作為陰極，通入強(qiáng)大的直流電后，在910℃-980℃下，在電解槽內(nèi)的兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，即電解。在電解鋁過程中一般是使電解液從高溫逐步降低冷卻，當(dāng)溫度降低到特定的溫度時(shí)候就會有晶體析出來，這個(gè)溫度即鋁的初晶溫度。對于鋁電解質(zhì)的初晶溫度如果溫度過高就會造成溫度過熱，在電解過程中熱能是由電能轉(zhuǎn)換而來，然而生產(chǎn)出一噸鋁的耗電量高達(dá)14500kWh左右，這樣對于大型鋁廠電能的消耗是巨大的，造成了巨大的資源浪費(fèi)。同時(shí)如果溫度過低就會造成電解槽的損壞，嚴(yán)重甚至?xí)斐缮a(chǎn)設(shè)備的損壞，對于誤工以及設(shè)備的維護(hù)損失是相當(dāng)巨大的。為了預(yù)防這種情況的發(fā)生，對于電解質(zhì)溫度的控制意義是巨大的。一般鋁電解液的溫度在910℃-980℃之間，在國內(nèi)的大型鋁廠一般位置溫度過熱在20-40℃之間，然后一般認(rèn)為最適當(dāng)?shù)臏囟仁沁^熱10℃左右。如果能降低這一點(diǎn)也會對企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對人們的生活也會帶來巨大的影響。

2 初晶溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 初晶溫度上端設(shè)計(jì)

這款基于ARM初晶溫度監(jiān)測系統(tǒng)，主要由初晶溫度檢測上端，嵌入式ARM核心板以及ARM外擴(kuò)三大部分組成，其中初晶溫度檢測上端由前端電路調(diào)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換、失調(diào)電壓調(diào)節(jié)、電源指示部分以及振鈴與指示燈部分組成。

圖1 初晶溫度檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)

在本設(shè)計(jì)中電信號是由測溫槍上的熱電偶傳感系統(tǒng)采集鋁電解槽中電解質(zhì)的溫度并把溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過初晶溫度檢測上端設(shè)計(jì)經(jīng)過對電信號的調(diào)理，包括濾波電路與放大電路，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)紸RM核心板上，這是初晶溫度檢測上端設(shè)計(jì)，其硬件方框圖如圖2。

圖2 初晶溫度檢測上端系統(tǒng)硬件方框圖

在初晶溫度檢測上端測溫槍經(jīng)過熱電偶溫度傳感，將熱信號轉(zhuǎn)換為電流信號，由于在熱電偶兩個(gè)不同的導(dǎo)體在相同的溫度下墊子的濃度不盡相同導(dǎo)致出現(xiàn)電動勢，這樣在產(chǎn)生了一個(gè)電流回路的情況下，將電流輸入到嵌入式初晶溫度檢測系統(tǒng)中，經(jīng)過信號調(diào)理電路，在信號調(diào)理電路當(dāng)中包括對電流信號的過濾與雙重放大過程，一級信號放大電路采用的芯片為INA118，INA118是一款小功率通用儀表放大器，通過更換一個(gè)外部電阻的阻值可以設(shè)置任何增益，由于經(jīng)過一級放大電路輸出的信號會有噪聲的干擾，為了保證信號的準(zhǔn)確性，用一個(gè)OP297芯片設(shè)計(jì)一個(gè)二階低通有源巴特沃斯濾波器對其進(jìn)行低通濾波，濾波器的截至頻率為40Hz。經(jīng)過一級放大和低通濾波的信號由于只被一次放大，還不能夠達(dá)到后端A/D采集的要求，所以需要對其進(jìn)行二次放大。二級放大采用THS4131差分放大器，由于是差分輸出，所以放大器能夠很好的抑制共模信號的干擾。這樣可以得到一個(gè)穩(wěn)定的模擬電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換將電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到ARM7核心板中。

2.2 初晶溫度檢測系統(tǒng)核心板及外擴(kuò)設(shè)計(jì)

嵌入式主板模塊是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和邏輯控制的核心部分。主處理器采用ARM7系列的Cortex-A8芯片，主要負(fù)責(zé)各個(gè)外部接口連接，將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號存儲以及將信號向外輸出的功能。

ARM Cortex A8，簡稱A8或Cortex A8.是第一款基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，使用了能夠帶來更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb-2技術(shù)。它首次采用了強(qiáng)大的NEONTM信號處理擴(kuò)展集，對H.264和MP3等媒體編解碼提供加速。性價(jià)比最高的處理器解決方案，高性能低成本。支持雙核ARMCortexA8簡稱A8或CortexA8.是第一款基與于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，使用了能夠帶來更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb-2技術(shù)。它首次采用了強(qiáng)大的NEONTM信號處理擴(kuò)展集，對H.264和MP3等媒體編解碼提供加速。Cortex-A8解決方案還包括Jazelle-RCTJava加速技術(shù)，對實(shí)時(shí)（JIT）和動態(tài)調(diào)適編譯（DAC）提供最優(yōu)化，同時(shí)減少內(nèi)存占用空間高達(dá)三倍。

通過延伸ARM核心板的各種外圍接口，在外部添加一些必要的外圍器件和芯片就可以組成所需要的一些外部接口，用以與外部設(shè)備連接。在本系統(tǒng)當(dāng)中需要的外部擴(kuò)展的設(shè)備或者器件主要有SD卡、LCD觸摸屏、USB通用設(shè)備、無線通信設(shè)備及其他的一些特定功能的設(shè)備或器件。擴(kuò)展板的各種功能接口如圖3。

圖3

3 結(jié)束語

在工業(yè)化的道路上，鋁的生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，在電解鋁的過程中要達(dá)到工業(yè)所滿足的要求——實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性，對生產(chǎn)會給予很大的經(jīng)濟(jì)效益?；贏RM的初晶溫度檢測系統(tǒng)的研究給電解鋁提供了一條新的方法。