Дипломная работа: Средства учета количества электричества и электрической энергии
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
1.1 Анализ потребности производства в устройствах дозирования количества электричества
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.
1.2 Аналитический обзор средств учета количества электричества, применяемых в электрохимии
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)