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~ a pr~ente inventlon, qui résulte de~ recherches de ~U.
Thierry BRAU~ et Jean-Claude IACROIX, a pour objet un proc~dé
pour la d~termination en continu de la rési~tance interne d'une
cuve d'électrolyse, ainsi ~u'un appareillage pour la mdse en
oeu~re de ce procéd~.
Uhe cellule d'électroly3e ou cuve, comprend u~ cai~son
¢ôntenant un bain conducteur de courant éle¢trique~ et deux élec-
trodes~ une anode réunie au pôle po~tif d'une source de coura~t
¢ontinu et une cathode réu~ie au p81e négati~ de cette source. ~e
courant circule e~tre ce~ deux électrodes~ et décompose le bain
d'électrolyse ou un de ses con#tituants en deux composant~ qui
apparais~ent l'un à l'anode et l'autre à la ¢athode. ~e processus
électro-chlmique consom~e une certaine quantité dté~ergie, qui se
traduit par une chute de ten~ion dites force ¢ontre-électromotri-
ce.
Si l'on dé~igne par:
U~ la te~sio~ aux bornes de~ électrodes~ ;
R, la résistance interne de la cellule d'électroly~e au~ bornes
ae laguelle est prise la tension U,
E, la force contre-électromotrice d'électroly~e~
I, l'inten9ité du courant éle¢trique traversant la cuve~ on ~ la
relation:
E~
U.I est la puissance totale fournie à la cu~e~ EoI e~t la puissan-
ce ooD~ommée par le processu~ d'électroly~e; RI2 e~t la puisoan-
oe dis~ipée dan~ la ré~istance interne de la cuve.
Dans le cas des ¢uves servant ~ la préparation de l'alu-
minium par électrol~se de l'alumine di9~0ute dans la cryolithe~
cette puissance dissipée permet de maintenir le bain d'électroly-
~e à une température supérieure à sa température de fusion ~oitenviron 950~ à 1000~C. Dans ce cas, les deux électrodes sont en
carbone, la cathode constituant le fond de la cuve et l'anode
.
1029~
~tallt ~orm~e d~ un ou plusieurs blocs de carbone plongeant dan~ le
~ bain. ~'alumine est d~composée e~ aluminium qui se d~po3e sous
forme d~une couche liquide ~ur la oathode, tandis que les ions
o~gde se d~chargent ~ la ~urface de l'anode qui subit ain~i une
combustion progressive.
En dehors de toute intervention ext~rieure~ la résistan- :
oe interne varie pour deu~ rai~ons principales~ d'une part la re-
montée du plan, dit plan anodique, qui limite le systame des ano-
des fa¢e ~ la cathode~ par suite de la combustion des anodes~
d'autre part l'appauvri~sement progre~if du bain d!électroly~e
en alumine. ~orsque la teneur en alumine tombe en dessous d'une
valeur critigue gui est de l'ordre de 1 à y%~ l'anode est polari-
sée~ o'e~t-~-dire que le prooe~u~ ~le¢trolytique change de natu-
re~ modifiant de façon importante la ré~istance intexne de la
force contre-éle¢tromotrice.
Comme un certaln nombre de cuves sont ~ ntées e~ ~érie~
le courant I~ qui est régulé ne varie pratiquement pas et le ph~-
nomène ~e traduit par une augmentation importante de la ten~ion U
au~ bor~e~ de la cuve polaris~e.
~ 20 Il est done important de conna~tre la valeur de la ré-
Z ~istanee interne d'une ¢uve d'~lectrolyse, afin de pou~oir régu-
lariser le proeessus d'électrolyse.
Il e~ t oonnu ae caleuler cette réslstance d'apras la
formules
R ~ ~
U et I ~o~t *aciles ~ mesurer~ mai~ E est inconnu. On
se eontente donc de prendre pour E une valeur moyenne constante~
telle que 1,65 ~olt. C'est le procédé dit do la "pseudo-ré~
tance~ aotuellement utilisée sur les cu~es.
~e# tra~au~ r~cent~ destiné~ à améliorer les performan-
ee~ aetuelles tout en assurant un fonctionnement ~table et auto- ~
matique~ ont conduit ~ chercher une plus grande préci~ion en dé-
- 2 -
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terminant ~ la ~oi~ la rési~tance lnterne et la ~or¢e contre-~lec-
tromotrice.
Ia demande allema~de N~ 2~ 050~126~ d~pos~e le 13 octo-
bre 1970 au nom de Siemens et publi~e avant examen le ~0 a~ril
1972, d~crit un proc~dé de mesure de la résistance interne d'une
cuve d'électrolyse. ~'auteux y d~finit la réac~ance X de la cuve
en courant alternatif et pose que~ pour une petite variation ~1
de la hauteur de plan anodique, la variation ~X de la r~actance
e~t proportionnelle 3
~ 1 = m ~ ~
où m ne dépend que de la construction de la cuve.
Il pose ensuite que la variation ~ R de la résistance de
la cu~e rapport~e ~ l'unit~.de longueur du déplacement du plan
anodique peut~ pour de faible~ valeurs de ~ écrire:
. R~ all k1 ~C
1 .
o~ K1 e~t la concentration en alumine~ et all et C sont de~ cons-
tante~.
Si~ au cours du deplacement ~ 1; la réacta~ce a varié de
~ 20 ~ X et la rési~tance de ~ R~ on a:
_ ~ all kl + C
dlo~ k~ R - C~
all ~;i~X /
j li suffit d'opérer deu~ variations de distance i~terpolai-
re~ chaoune étant faite pour une conoentration kl oonnue d'alumine~
pour déterminer all et C : on peut alors déterminer la ~aleur de
m pour la cuve donnée et par conséguent relier ~ à ~ R et ~
~ 'auteur suppose ensuite que R peut être agsimil~e ~la
résistance R' de la cu~e en courant alter~atif, à trè~ basse fré-
quence r.
Pour me~urer l'imp~dance de la cuve à la fr~quence f, ilinjecte dan~ celle-ci un courant alternatif de m8me fr~quence~ il
., .
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me~ure la ten~ion au~c bornes de la cuve et l~intensite du courant
qui la traverse. Par un filtrage~ pare la compo~ante co~tinue
et la composante alternative. ~e~ composantes alternative~ de la
tension et de l'inten~ité 80nt trait~es par quatre d~tecteurs ~yn-
¢hrones de raçon ~ déterminer les parties réelle~ et imaginaire~
de la ten~ion et de l'intensité, la référence de phase étant prise
sur le générateur du courant alternatif in~ecté. De ces dernier3,
il tire Rt qu'il assimile à R, et, à partir de là, la force contre-
~lectro~ trice E. ~'information est digitali~ée et traitée en
temps réel par un ordinateur.
~ e procédé décrit repose sur plusieure hypQthases gue
l'expérience ne confirme pas~ en particulier s~r des c~ves indus-
trielles.En premier lieu~ l'hypothèse sur~ la résistance en courant
alternatif re~ient à repré~enter le comportement de la cu~e par
celui d'ua ensemble d'él~ments pa~sifs. Or l'exp~rience ~ ntre,
au contraire que~ la p~rtie réelle de l'impedance~ c'est-'a-dire
la résistance en ¢ourant alternatif, peut s'annuler et devenir né-
~ative, ce qui implique la pré~ence d'él~ments actifs. ~'auteur
pose également que ~ 1 D mQX ceci n'e~t eonfir~é que pour des
~arlatio~ de ~ 1 e~trêmement faibles, et ¢ette façon de faire ne
peut a~oSr que la ~ignifi¢ation dtun développement en ~érie born~
~u terme linéaire,
... .
~ 'obJet de l'in~ention e~t u~ prooédé pour la détermina-
tion en oontinu de la r~Bistanoe interne d~une ou~e d~électrolyse
qui pallio ¢es inoon~nie~ts.
Un appareillage pour la mise en oeu~re de ce procédé ¢ons-
tltue u~ autro obJet de l~in~entlon.
Dans le proc~d~ selon l'invention, on superpo~e au cou-
rant continu d'électroly~e~ un faible courant altersatif ~if) de
fr~guence (f)~ on d~termine la partio active (rf) de l'imp~dance
gue pré~ente la cu~e a ce courant alternatif, pUiB l'on extrapole .
Jw gu'à la fr~guence z~ro la fonction donnant la partie acti~e
~ ' ' ' .
, ~, _
,
10~980~
(rf) de l'imp~dance en fonction de la fr~quenoe (f), cette valeur
acti~e tendant alor~ vers la r~sistance interne (r) de la cuve.
~'appareillage selon l'invention comprend un générateur
~ basse-fréquence possédant, d'une part une sortie ~inusoidale re-
liée ~ un modulateur de courant branché entre deux points pri~
sur les barres d'alimentation de la cuve~ de part et d'autre de
cette derni~re~ et superposant au courant continu (I) qui traver-
ee la cuve un courant sinuso~dale (if), d'autre part une ~ortie
signal carré reli~e à un amplificateur de r~férence ~ i301ation
galvanique, une sonde inducti~e de me~ure de courant (if) placée
entre les deux points ci-deesu~ et, .attaquant un premier détec-
teur ~ynchrone dont l'entrée de réf~rence e~t reli~e ~ la ~ortie
de l!amplificateur de référence à isolation galvanique~ un ampli-
ficateur séparateur continu-alternatif dont le~ entrées sont re-
liées aux pôle~ de la cuve et dont la sortie donna~t la composan- .
te alternative (uf) de la tension (V) aux pôle~ de la cuve atta-
que un deuxiame détecteur s~nchrone dont l'entrée de r~férence est
~galement reli~e a la sortie de l'amplificateur de.référence ~
isolation galvanique~ et un opérateur-divi~eur dont le~ entr~ee
eont re~peotlvement reliée9 au~ sorties (uof) et (iof) des d~tec-
teurs synohrone~ relatifs ~ (uf) et (if).
~ 'in~ention ain~i définie est expliquéo ~ l'aide d'exem-
ples de réall~atlon illu~tr~e par les figures Jointes.
. .~a flgure 1 est u~ schéma bloo;d'un premier exemple di'ap-
pareillage.
~ a figure 2 représente une sonde inducti~e pour la mesu-
re de la ¢omposante alternative du ¢ourant traYersant la ¢uve.
~ a figure 3 repré~ente le s¢héma de principe d'un étage
ampliflcateur opérationnel bouclé.
~ a figure 4 représente le schém~ d'un a Q lifi¢ateur adap-
j tateur d'impédsn¢e et intégrateur.
~ a figure 5 est un grsphique donnant le~ allure~ de gsin
.
. .
~~ - 5 -
-. - . - .
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et de phase concernant l'étage int~grateur de l'amplificateur que
représente la figure 4.
~ a figure 6 repr~sente le ~chéma d'un limitateur de ten-
8ion.
~ a figure 7 repré~ente le sch~ma dlun amplificateur adap-
tateur d'imp~dance et séparateur de courant alternatif.
~ a figure 8 repré~ente le schéma de pri~oipe d'un étage
de l'amplificateur de la figure 7, la figure 9 étant un graphique
donnant les allures de gain et de phase de cet étage.
~ee figure~ 10 et 11 représentent les ~chéma~ bloc de mo-
dulateurs de courant d'électroly~e, respectivement mont~s en déri-
vation et en in~ection de courant. ~a figure 12 est le schéma com-
plet d'un exemple de modulateur.
La figure 13 est un sché~a bloc permettant de comprendré
le fon¢tionnement d'un détecteur synchrone. ~a figure 14 donne le
~chéma d'un interrupteur bipolaire équivale~t au détecteur, les
figuree 15 à 19 illu~trent ¢omment, dans dif~érentes hypotha~es,
le courant ~ déte¢ter est découpé par le d~tecteur.
~ a ~igure 20 donne le ~chéma d'un amplificateur de réfé-
rence à isolation galvanique.
~ a rieure 21 représente le schéma d'un opérateur divi-
8cur.
la flgure 22 e~t le ~oh~m~ bloc d'un deuxiame exemple
d'apparelllage plu~ évolué ~ue celui qu'illU~tre la figure 1.
Ia figure 2~ repré3ente le schéma d'un opérateur multi-
pllcateur BUiVi d'un opérateur 60ustracteur.
Bur ces figure~ les mame6 repère~ représentent le~ mêmes
~l~ments.
~ e procédé pour la détermination en continu de la résis~
tance interne d'une cuve d'électrolyse, consiste à superposer un
faible courant alternatif au courant d'élec~roly~e. ~a cuve est
coneidérée comme une impédance dont la partie acti~e et la partie
,., . , ~ ~ ,. -
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réactive sont succe~sivement d~terminées ~ une fr~quence donnée.
~es variations de la partie active en fonction de la fr~quence
sont utilis~e~ pour d~terminer, par e~trapolation à la fréquence
- nulle, la valeur de la ré~istance en courant continu (R) de la
cuve. On peut me~urer ensuite la ten~ion continue (U) aux borne~
de la cuvé et l'inten~ité (I) du courant continu qui la traverse
et déterminer la foroe contre-électromotrice d'électrolyse (B)
par:
~ U _ RI -
IB valeur de (R) ain~i déterminée peut servir de point
de départ à la régulation de la po~ition du plan anodique~ par
e~emple grâce au dispo~itif décrit dans le brevet françai~ '
N~. 1.397.946, demandé le 29 mar3 1965 au nom de:PECHINEY, Compa-
gnie de Produit~ Chimiques et Electrométallurgique~.
On superpose donc au courant continue d'intensité (I)
qui traverse la cuve un courant alternatif de fréquence (f) et
d'inten61té ~if), de pré$érence de l'ordre de lO 4 à lO 5I. La
tension totale (V) aux bornes de la cuve est alors:,V- U+uf z
E ~ RI ~ Zfif , ,,
où uf e8t la tension alternative produite par le courant if.
et Zf est l'impédance de la cuve à la fréquence f.
On mesure tV),et~ par fil,trage~ on eépare sa composante
oontinu (U),de ea oompo,qante alternative (ufj; on mesure 8imulta-
n~ment (l~), par esemple par une méthode d',induction.
A l'aide d'un dëtecteu,r sgnchrone, on mesure la compo-
eante de (uf) qui e8t en phase avec (if)~ ainsi que oelle qui est
on quadrature avec (if). On en tire Zf =rf +~Xf t ~ f= Xf
.. . ... ~F
oùs rf et Xf sont les composantes de (Zf) qui sont respectivement
en phase et en quadrature avec (if), et ~ est l'angle de phase
de (uf) par rapport à (ir).
~ l'énergie di~sipée dans la cu~e par le courant alter-
natif de fréquence (f) correspond la partie réelle (rf) de l'~mpé-
,029808
dance, tandi~ que à (R) correspond seulement l'énergie di~sipée
par effet Joule. Si l'on fait tendre la fréguence (f) ver~ zéro,
(rf) tend ver~ (R). On trace donc la courbe donnant (rf) en fonc-
tion de la fréquence (f) et on extrapole ~usqu'à la valeur zéro
de la variable de façon ~ obtenir r(f=0)=R.
En pratique, on procède de façon un peu plu9 compliqu~e:
on prend comme référence le signal basse-fr~quence ~er~rant à mo-
duler le courant d'électroly~e en vue de l'obtention du courant
~uperposé (if) et l'on traite sép ~ ément (uf) et (if) par détec-
tion synchrone, pui~ l'on divise le~ résultat~ pour a~oir (rf).
La figure 1 donne le schéma bloc de principe de l'ap-
pareillage utilis~, le ~chéma complet de chacun de~ él~ments uti-
- lisés étant donné dans les figures suivantes~en vue de leur ana-
lyse détaillée. Cet appareillage e~t monté sur une cuve d'élec-
trolyse comprenant une anode (1), une cathode (2) et alimentée
par des bsrres conductice~ (3). Il ~e compose d'une voie de mesu-
re du courant modulé (if) qui comprend une sonde inductive (4) de
mesure de courant et un adaptateur d'impédance intégrateur (5)~
d'une ~oie de me~ure de la ten~ion d'électrolyse (V), qui comprend
un dispositif de protection contre les ~urtension~ (6) et un adap-
tateur d'impédance-~éparateur de courant alternatif (7)~ d'un modu-
lateur de courant (8) branché entre les poles de la cuve et pilo-
té par un g~nérateur basse-fréquence (9), d'un amplificateur de
référence ~ isolation gal~r~n~ue (10) et de deuY ensemblee de dé-
t~otion ~ynchrone (11) relati~ l'un a la ten~ion (uf)~ l'autre
au courant (if) et attaquant un opérateur-di~i~eur t~ ) qui porte
le repare (12). Il peut être complété par un fréquencematre (13)
donnant la ~,aleur de f~ et a~un appareil de lecture (14) donnant
(rf)-
L'ensemble de l'appareillage électronique est aliment~
par une source de tension symétrique ST po~édant un pôle po~itif
STP, un pôle négatif STN et un point milieu ST0 mis ~ la masse.
~ 8 ~
10Z9808
Dan~ l~e~emple réalisé, la tension de cette source est de deux
fois 15 ~olts.
On décrit ~ présent les divers él~ents qui composent
l'appareillage. Certains de ce~ ~léments sont réalis~s spéciale-
ment et sont décrits en d~tail, d'autres sont des éléments cou-
rsnts di~ponibles dans le commerce~ et sont décrits plu8 sommaire-
ment. Il est ~ noter que certains élément~ figurent en plusieurs
e~emplaires dans le schéma complet.
On décrit a'abord la voie de mesure du co~rant modulé.
~a So~de inductive (4) est constituée~ ~elon la figure
2, par un golénoIde en forme de tore, encerclant la barre conduc-
trice (~) parcourue par le courant (if) ~ mesurer. Ce soléno~de
est réalisé à partir d'un mandrin fle~ible (15) en matériau ama-
gnétique, sur leguel est enroul~ un fil conducteur A'E' (16)
formant (N) spires de surface (S) régulièrement réparties. ~es
longueurs (AA') et (BB') constituant le fil retour de la sonde
passent par le centre des ~pires.
Si le courant (if) circulant dans la barre (3) est de
la ~orme:
if = io (f).sin 2 ~ft
o~ t est le temps~
la tension (ef) apparaissant entre les bornes A et B est égale ~:
ef ~ K i. (~). 2 1~ ~ sln (2n~ ft
ou E ~ L S N
~ est la perméabilité magnétigue du vide ( 4~r 10 7)~ 1 est le
nombre de spires au m~tre~ S est la surface d'une spire en mètre
carr6s. On ~oit que la tension (ef) est décalée de ~ en arrière
de l'intensité (if).
Dan8 l'exemple r~alisé, la sonde est constitu~e de deu~
sol~no~des toriques (17) et (18) (figure 4) mis bout à bout, leur9
longeurs respecti~e~ sont 1~50 et 2~50 mètres, leurs résistances
électriques 2g~9 et 46~5 OhmB. ~e coefficient K de la 30nde est
_ g _
.
~OZ98Q8
~gal à 2~065.10 6 en unit~ MKSA. ~e poid~ est de 10 kg. Cette
~onde convient pour les me~ure~ sur le~ cuves de pr~paration de
l'aluminium les plus importantes~ par exemple celles dont l'inten-
~it~ du courRnt d'~lectroly~e atteint 200 kiloamp~re~.
~ L'a~aptateur d'impédance-int~grateur (53 comprend de~
étage~ opérationnel3 dif~érentiels à boucle~ dont le ~chéma de
pr~ncipe est mppel~ par la figure ~. ~n étage (19)~ par exemple
un amplificateur ~ transistor~ ou un circuit int~gr~ a deux en-
trée~-(20) et (21) diff~rentielles, et une borne de sortie (22)~
Il po~s~de de plu8 de~ borne~ per~mettant de connecter des circuit~ -
de correotion et des bornes d'alimentation ~ relier ~ la ~ource
ST, ¢eg bornes ne sont pas repré~entées sur les figures. ~es en-
trées (20) et (21) ~ont connect~es ~ deu~ bornes (23) et (24)
d'entrée générale par des impédan¢e~ (Zl) et(Z~ 'entrée négati-
~e (20) est d'autre part oonnect~e à la sortie (22) par une impé-
dance (Z2)~ tandi~ que l'entrée po#itive (21) e~t connectée ~ la
ma88e par une impédance (Z4).
~e gain de cet étage e~t donné par:
Sz - E1~1 ~ E2W2 1-+ W1-
. 1 1 W2
o~ les ~onctions de tran~fert (W1) et (W2) sont égale~ à :
~W1 ~ Z2~ et ~e= Z~ ~
ecl étant rappelé~ l'adaptateur d'impédance-intégrateur
(5) comprend~ selon la figure 4~ un amplificateur différentiel à
. grsnde impédance d'entrée~ constitué par les trois ~tages (25)~
(2~) et (27)~ et par un intégrateur~ constitué par l'étage (28).
~'entr~ée po~itive (29) de l'étage (25) est reli~e à l'une
~ de8 e~trémités du bobinage (17) et à la mas~e~ celle (30) de l'é-
tage (26) étant reliée ~ l'eYtrémité correspondante du bobinage
30 (18), ~'autre extrémité de chacun de ce~ bobinagee (17) et (18)
~ e~t mlse en série. ~es sortie~ (31) re~pectivement (32) de~ éta-
ges (25) et (26) sont reliées ~ l'entrée négative (33) re~pecti-
.
. _ 10 --
- ' . ~. .
- ~oz98o8
vement (34) du même ~tage~ La ~ortie (31) de l'~tage (25) est re-
~ liée, par une ré~i~tance (35) ~ l'entrée nbgative (36) de l'~tage
(27), cette entr~e (76) ~tant d'autre part reli~e ~ la sortie (37)
par une résistance (38) de valeur égale ~ celle de (35). ~'entrée
~ positi~e (39) de llétage (27j e~t reli~e au curseur d'un potentio-
~ mètre (40) branch~ entre la sortie (32) de l'étage (26) et la mas-
- se.
~ E~ appliquant ce qui e~t expo~é ci-dessus à propos dela figure 3, on voit que, à la sortie des.étages (25) et (26),
10 . on obtient, en (~1) et (~2)~ des tension~ ~gale~ et en phase
avec les tensions d'entrée~ appliquées en (29) et (30). En effet,
~n a, a~ec les notations de la figure 3: Zl~ ~o , i2= O, Z3- ':
o, z4=cx~ , d'o~: Wi= 0 et ~2= ~. L'impédance d'entrée est très
grande~ de plusieurs centaines de m~gohm~ tandie que l'impédance
de eort~e est très faible~ de quelques Ohm8~ car lee étages (25)
et (26j sont à gain important~ ~a tension appliquée ~ l'étage (27)
e#t égale à la différence entre les tension~ d'entrée (29) et (30),
le poten~iomètre (40) permettant le réglage du zéro en rendant
~gale le~ tens~ons en (36) et (39).
. ~'entr~e négative (41) de l'étage (28) est connectée à
~: la sortie (37) de I'~tage (27)par un condensateur (42) en série
a~eo une r~istance (43)~ l'entré.e positi~e (44) étant ~ la mas~e.
Ia ~ortie (45) de cet étage (28) ëst conneotée ~ l'entrée n~gati-
~o (41) par ~n circuit intégrateur oomprenant~ montés en paralla-
le~ un oondensateur ~46) et une résistance (47).
En appliquant ~ l'étage (28) ce qui est expoeé a propos
' do la flgure 3~ on ~oit que la tension de sortie~ en (45)~ est
~ ~ égale à la ten~ion d'entr~e~ changée de ~igne~ multipliée par Wl.
; Or:
; 30 ~la T~ ~ a~ec:
~ Tlp) (1 ~T2p)
T 3 Rt47)~C(42)
,
. - . . . ~
' lOZ9808
Tl = ~(43?.C(42)
T2 = R(47).C(46)
où R(43) e~t la valeur de la rési~tance (43) en ohm8~ a(42) la
valeur du condensateur (42) en farads, etc... A titre d~e~emple,
Bi R(43) = 4~75 E J~ R(47) - 10 mégohms~ C(42) - 100 ~ ~ et C(46)
- 0~47 ~f~ on a-. .
fO = 1 = 1,59.10-4
~ 2 ~ T
~ fl --_ 1 = 0J033 Hz
2 ~r T2
F2 ~ -' - 0,335 Hz
2 ~
On obtient un filtre pa~se-bande~ ~elon la figure 5; la
zone d~intégration ~e #itue au delà de la fréquence f2 et la pha~e
est alors ~ . Compte tenu de l~inver~ion de signe dans
~ l~étage (28)~ le eignal de sortie est en pha~e avec (if) dans la
~ane d~intégration.
~ e choix de la fréquence de coupure fO permet, compte
tenu du coefficie~t K de la ~onde~ de placer le gain ~ une ~aleur
.~ .
ad~quate d~nnant~en (45)~ un ~ignal de l~ordre de 1 millivolt par
: 20 ampare mesuré de I.
. ~a pr~cision de la voie de mesure du courant modulé dé-
; pend complatement de la ~onde. Celle-oi exige une seotion constan
te des eplre~ une r~partition uniforme de ¢e~ derni~res au long
~ du tore et le plan de chague ~pire perpendiculaire à l~axe du man-
'~ drin support du boblnage.
On décrit ~ présent la vole de mesure de la teneion dlé-
~: lectrolyse.
.. ~e di~po~itif (6) de protection contre lee surtension~ :
comprend un limiteur de tension (48) et un amplificateur (49).
~e limiteur de tension (48) e#t branch~ (figure 6) en-
tre le pôle po#itif (50) c~est-à-dire l~anode, et le pôle négatif
(51) c~e~t-à-d$re la cathode,de la cuve. Il comprend, branch~e
~ _ 12 -
~ . ~
lOZ9808
entre le pôle positif (50) et la sortie positive (52) du limiteur,
une résistance r~lable (53). Entre la sortie po~itive (52) et
la sortie négative (51) sont mont~e~ une diode zener (54) mont~e
en limiteur~ c'e~t-à-dire ~ont pôle "plus" connecté ~ la sortie
po~iti~e (52), et, en ~rie avec cette diode une diode identique
~55), montée en sens in~erse, son pôle "moins" connect~ au pôle
"moins" de ~54) et sont pôle "plus" connecte ~ la sortie négati~e
. (51) du limiteur.
~ . ~e limiteur a deux fonction~, d'une part limiter, en
; lO cas de polari~ation de l'anode de la cuve~ le signal à une ~aleur
non dangereuse pour le circuit de mesure~ d'autre part apporter
une corre¢tion de phase sur le signal tension afin de compenser le
déphasage de la ~oie ¢ourant. En ef~et, en fonctionnement normal ..
¢'est-~-dire pour un ~ignal d'entrée inférieur à la tension de
fonctionnement de la diode zener~ le .circuit peut être assimilé à
un cir¢uit de type rési~tance s~rie, ici la résistance (53), et
capacité C parallèle, ici les capacités de~ diodes, de la ligne
et de l entrée de l'amplificateur (49). Ce circuit a pour fonction
de transfert: ~ G 1 ' ,. '
~:- 20 . . l ~p
; ~~ T ~ ~ (53).C
. En Jouant sur la ~aleur de R (53)~ on modifie la $r~quen- -
:~ oc de ooupuro f ~ l e~ par conséquent la phase du
Z ~ ~ ~5-~.C
8ignal .de ~ortie par rapport à celle du slgnal d'entrée U. On peut
ainsi apporter, ~ur le signal tension, une ¢orreotion de phase
~ oompensant le d6phasage de la ~oie courant~ dû eesentiellement à
eondo inducti~e.
~ 'amplificateur de mesure (49) ¢omprend (figure 7) un
amplifi¢ateur différentiel à grande impédan¢e d'entrée et deux
dispositifs séparateurs alternatif continu.
~ ~'amplificateur différentiel co~prend les ~tages (56),
(57) et (58): il est ldentiq~e à celui gui est décrit ci-des~u~
opos de la n gure 4. Sa description s'obtient en remplaçant,
- _ 13 _
~ 029808
dans la de~cription de la figure 4, le3 repère~:(25), (26)~
(27), (29), (30), (31), (32), (33)) (34), (35), (36), -(37), (38)7
(~9) et (40) respectivement par: (56), [57), (58), (51), (52),
(59)~ (60), (61), (62), (63), (64), (65), (66), (67) et (68).
Une différence résulte de la pré~ence du tra~sistor
(69) dont la base (70) e~t reli~e à la sortie (65) de llétage
(58)~ le collecteur (71) ~tant relié au pôle nëgatif ST~ de la
source de tension côntinue ST, tandis que l'émetteur (72) est
relié à la ré8istance (66) qui n'est pa~, comme la résistance
(38) correspondant de la figure 4, reliée à la sortie (65) de l'é-
tage (58) mais à l'~metteur du transistor (69).
~ e dispositif séparateur-alternatif (7) comprend le~
étages (73), (74) et (75).
L'émetteur (72). du transistor (69) attaque, par l'in-
termédiaire d'un potensiomètre (76), l'entrée positire (77) de
l'étage (73) dont la sortie (78) e~t reliée à la base (79) d'un
transistor (80). ~e collecteur (81) de ce transistor est réuni
au pôle n~gatif STN de la source de tension continue ST~ tandis
qu- eon émetteur (82) e~t réuni, d'une part par une ré~i~tance
(83) au pôle positif STP de la 60urce de tension continue ST,
d'autre part par une résistance (84) à l'entrée négative (85) de
tage (73). Cette dernière entrée est connect~e par une r~is-
tanoe (86) do ~aleur égale à celle de (84)~ à la sortie (87) de
tage (74)~ réunie d'autre part à l'entrée négative (aB) de
~ 1'6tage par une résistance (89). ~'entrée positive (90) de cet
: otage est mis à la masse. ~'étage (75) a son entrée positive (91)
la masse, son, entrée négative (92) étant reliée, d'une part
à l'émetteur (82) du transi~tor ~80) par une ré~istance (93)~
d'autre part à la sortie (94) de l'étage par un condensateur (95).
~a sortie (94) de l'étage (75) est reliée à l'entrée négative
(88) de l'étage (74~ par une résistance (96). ~a sortie alterna- .
ti~e (97) est prise ~ur l'émetteur (82) du transistor (80).
-- 14 --
10 Z9 8 0 8
Si l'on fait abstraction du tr~lsi~tor (80) qui consti-
tue un s~parateur amplificateur de pui~sance de gain en tension
(~1), l'~tage (73) peut être repr~senté ~elon la figure 8 qui e~t
analogue à la figure 3. En appliquant le~ formules rappel~es à
propos de cette dernière figure, on peut écrire;
S - -Bl + E2 a~ec : Wl = Z2 - 1 et W2 - Z4 = 1
Zl Z3
Si l'on reboucle la sortie sur l'entr~e El par la fonction de
transfert W' con~tituée par les étages (75) et (74), on a:
10 S - -SW~ + E2, ¢~est-à-dire S
~ 1 + w~
Or :W' = W (75)~ W (74), avec
W (75) = -1 et W (74) - _R(89)
~ R~96)
Si l'on prend R(89) = 100, il vient:
~(96J
W' z 100 1 = 1 = 1
100
avec : T' = ~ = 0,22 secondes
ei l'on fait R (93) = 220 k ~ et C (95) = 100 ~ f
Il résulte gue:
~ = ~ 2~
~ , '.
d'o~ f' - ~ 1 = 0,723 Hz
~2 ~ .
On obtient ainsi un filtrc paJse-haut de gain 1, ~oit
d~clbel, eelon la figure 9. Au deseus de la fréquence de coupure
f', la ~ortle e~t en phase a~ec l'entr~e. ~e potentiomètre (76)
per~et de régler le zéro en l'absence de signaux périodiques à
l'entrée de l'amplifi¢ateur.
~ e dispositif ~éparateur continu comprend un étage'
d'amplification (98) dont l'entrée po~itive (99) est reliée au
cureeur d'un potentiomètre ~100) aont le~ extrémité~ ~ont reliée~
respectivement au pôle positif STP et au pôle négatif S~N de la
source d'alimentation en courant continu. L'entrée négative de
- 15 -
lOZ9808
cet étage est reli~e, par l'interm~diaire d'une résistance (101)
au point commun (102) entre une ré~istance ~103) d'autre part
reliée à l'émetteur (72) du transistor (69), et d'un conden~ateur
(104) d'autre part relié à la masae. ~a ~ortie (105) de l'~tage
(98) est reliée ~ la ba~e (106) d'un transistor (107) dont le col-
lecteur (108) est relié au pôle négatif STN de la source de cou-
rant continu S~ et dont l'~metteur (109) est relié aux points
suivants: directement ~ la sortie continue (110), par l'intermé-
diaire d'une résistance (11l), au pôle positif STP de la source
de courant continu ST, par l'interm~diaire d'un conden~ateur (11?)
à l'entrée négative (113) de l'étage~ et enfin~ par l'intermédiai-
re d'une résistance (114), au point (102). Il e~t à noter que les
résistances (101), (103) et (114) ~ont de ~a~eur égaleO
Si l'on prend pour origine de ce montage l'émetteur
(72) au transi~tor (69)~ la fonction de tran~fert peut s'~crire:
. .1~. . ~ .
o~ R est la ~aleur commune des résistances (101), tlO3) et (114),
et où l'on pose:
b - 3~ rC~(1122 ~ C = C(104).b = 3C (112)
. V a ~104) 3 ~ ~ b
; On a un filtre passe-bas du 2ame ordre,
~i l'on prend: R - R (101) z R (103) ~ R (114) ~ 100
C (104) = 4,7~ ~ et C (112) - 1 ~ f~ on as
b ~ 1!38~ C ~ 2~17 ~ T = 0~217 seconde et f z 0~733 Hz
On a ainsi un filtre passe-bas possédant ~ensiblement
la même ~réquenoe de coupure que le filtre passe-haut étudié à
propo~ du diepositif séparateur alternatif. Ia sortie est en ~PP~-
d tion de phase a~ec l'entrée.
On remarque qu'on a disposé~ à la ~ortie de chacun de~
étage~ (58), (73) et (98) un transistor (69), (80) et (107), du
type PNP monté en collecteur commun. Ce montage permet d'augmenter
la puissance de l'~tage correspondant, pr~sente une
impédance d'entrée ~lev~e, une impédanoe
- 16 -
....
1029808
de sortie faible, un gain de tension l~gèrement inf~rieur ~ l'u-
nité et une trè~ Parge bande pa~sante. ae~ transistor~ peu~ent
être supprim~ ei le~ étapes qu'il~ complétent ~ont ~uffisamment
~ puis~ant~ et possèdent des impédance~ de ~ortie ~uffisamment
faibles. . . --
~ e modulateur (8) du courant d'électrolyse peut être
de l'un de~ tro1s types sui~ants:
- modulation directe de la source, au niveau du redre~seur,
- in~ection d'un courant,
- dérivation d'un courant
Leg dlgpo~itif~ de r~glage d'une ~érie industrielle
d'électrolyse, qui mettent en oeuvre de~ auto-transformateurs et
aes r~actance3 réglables, ~e prêtent mal à une modulation directe
et, en tous cas, la l1m;te au domaine de~ fréquences inférieure~
la fréquence du r~seau.
~ e dispositi$ décrit ci-après peut atre employé indif-
féremment en dérivation ou en in~ection ~ur les cu~es d'électroly-
se~ en utilisant une source d'appoint.
Selon la figure lO, qui illustre le montage en dériva-
tion~ on considère un générateur de force éle¢tromotri¢e (E)~ de
:~ résist~nce (r)~ d~bitant sur un circuit d'utilisation de for¢e
contre-électromotri¢e (E'j et de rés1stan¢e (R). ~e modulateur (M)
déri~e un ¢ourant a'intensité (i2)~ alore que le ¢irouit d'utilisa-
tlon reçoit un ¢ourant (il) et que le générateur débite un oourant
(1) on a: .
E_,E~R_,ri2 , . ..
Sur la figure ll~ qui illus~re le montage par inJection~
on retrouve le même générateur et le même ¢ir¢uit d'~tilisation~ et,
en déri~ation sur ces ¢ircuits, un gén~rateur auxilliaire de force
électromotrice (E~), de ré~istance (r'), en série a~e¢ un modula-
teur (M).
On a: il z E - E' +-ri2
? r ~ R
~ - 17 -
- ,.~. . ~
lOZ9808
Ce~ deu~ montages appellent le~ remarque~ ~uivantes:
~or~que R = r, c~e~t_~-dire lor~gue la source est adap-
tée à l'utilisation,~ et, dan~ le ca~ g~n~ral, le courant
modulé traver~ant la ~érie d'~lectroly~e est ~gal ~ la moiti~ du
courant is~u dU modulateur.
~a pui~ance di3sipée dan~ le modulateur e~t égale ~:
P _ (VU I ~) i2
o~ ~ est la tension minimale néoessaire au bon fonctionnement du
moaulateur: tension émetteur collecteur minimale du transistor de
régulation plus ¢hute de tension interne.
est la dif$érence entre les ~aleur~ e~trême~ de la teneion
à~une série d~éle¢trolyse en marche normale.
Da~8 le cas o~ la tension (~) au~ bornes du g~nérateur
(ou du r~cepteur) est in~érieure à (V~)~ le montage par inJect~on
~impo80~ d'où la néce~it~ de prévoir une source d'appoint de
oroe électromotrioe ~(E~ et-de ré~istance intérieure (r~) telle
que~s~EP~ + r'~i2)~ > ~. '
Dan~ tou~ l-s autres oas~ on a a~antage ~ ut$1iser le
cona4o~à déri~ation qui éoonomi~e~la: source d'appolnt.
~20 ~e~moaulateur~oomprend (~igure 12) un trt~neistor de
puleean¢e (115)~ ~onté en~régulateur séries ~on ¢ollecteur (116)
ost relié au p81e positif (50) de la cU~o d'éleotroly~e~ tandle
.
que~ eo~ émetteur (117) ~st relié~ à tra~ers une r~sistance de pro-
t~ct~on (118) aus organes suivantss une sortie (119) de mesure
d l'inten~té~ l'entr~e négati~e (120) d'un étage a~plifioateur
(121) ~t une r~istanoe (122) de fsible ~aleur ¢on~tituant un
s~u~t~ d'autre part rell~e au p81e négatif (51) de la cu~e. ~a ba~e
(12~j du transistor (115) est attaquée par l'~metteur (124) d'un
ti ~ tor (125) dont la base (126) est à 80n tour attaquée par
1'~metteur (127) d'un deuxième tran~istor (128). ~es collecteurs
de oes deux transistors sont reliés au collecteur (116) du tran-
sistor (115). ~a base (129) du transistor (128) est reliée ~ la
,.
- 18 -
10~9 8 0 8
sortie (1~0) de l'~tage (121).
~ Une tension de r~férence, élaborée par deux ~tages
(131) et (132), est fournie ~ l'entrée po~itive (133) de l'~tage
(121)~ ~'étage (131) a son entr~e po~iti~e (134) reli~e ~ la masse
par l'interm~diaire d'une r~sistance (135). Son entrée n~gatire -
(136) est reliée; à la sortie (137) de l'~tage par une résistance
(138), ~ une pri~e (139) reliée a.une source de courant alterna-
tif~ par une r~sistance (140), enfin, par l'intermédiaire d'une
~ré~istance (141), au curseur d'un poten~iomètre (142) monté entre
le p81e négatif (STP) de la ~ource de tension continue S~ et la
ma~se elle-même reli~e au p81e ~TO~ ~es résistances (1~8)~ (140)
et (141) sont d'~gale valeur. ~'étage (132) a son entrée positi~e
(143) reliée d~rectement à la masse, son entrée négati~e (144)
étant reliée, d'une part à la eortie (137) de l'étage (131) par
l'intermédiaire d'une résistance (145)~ d'autre part à ~a propre
sortie (146) par une résistance (147). Cette sortie (146) est en
: outre reliée à l'entrée positive-(133) de l'étage (121).
, .
Si l'on se reporte à la figure 3~ on peut éorire~ pour
l'étage ~131):
8 (131) - _ (alEl ~ a2E2)
o~: E1 est la tension au cur~eur du potensiomètre (1~2) et E2 la
ton~ion alternati~e sur (139).
On a a~ ~ a2 - ~2r ~l
d'o~ ~ (131) ~ - (E~ + E2)
D~ même pour l'étage (1~2)
~ 8 (132) ~ - S (131) 2~
~'on fait R (145) - 10. R(147)~ ~ = 0,1 ; il s'en suit que
(S(132) - 0~1 (E1 ~ E2 ).
~e potentlomètre permet de choid r la raleur de E~ donc
celle du courant de polarisation, tandi~ que E2 est fourni par un
g~nérateur basse fr~quence:
E2 = EPsin 2 ~' ft.
' ' ' ' ,
.
-- 19 -- .
" lUZ980~
~ e transistor (115) est mo~té en régulateur série: en réa-
lité~ on utilise plusieurs groupes de transistor ~115)- ré~istan-
ce (118) montés ~n parall~le, ~ cause de l'importance du courant
qui le~ traverse. ~létage ampli~icateur (121) me~ure en perma-
nence l'erreur entre la tension de ré~érence appliquée à l'entrée
positivë (133), et la tension égale au produit de la ~aleur de la
- r~si~tance (122) par l'intenslté du.courant (i) qui la tra~erse
et qui constitue l'image du courant à réguler. Si- (i) croit, la
~ tension de sortie (130) décro~t, dim;nuant la polari~ation de base
~ 10 - du transistor (115) de m~n;ère à réduire le courant (i) qui le
traverse. ~'effet oppos~ se produit lorsque (i) diminue. Comme la ~.
ten~io~ de rérére~ce ~ une composante alternative~l'inten~it~ (i)
du courant varie ~elon la ~réquence de cette composante. ~e taux
~ de r~gulation est meilleur que ~,1%.
On décrit a pré~ent un en~embl~. d~tecteur synchrone
(11). A oet e~fet, o~ rappelle d'abord le.principe de la détection
synchrone, d'après la figure 13.
Soit.un système ~tudié (148), modul~ par un g~nérateur
(9) qul pilote ~galement le détecteur synchrone. ~e ~y~tème étu-
di~ .(148) ~et u~ ~ignal ~inu~oldal Ef = E. ~in ( 2 ~r r + f)
~ o~ i est la rréquence du générate.ur (9)
e~t le dépha~age de (E~) par.rapport au ~ignal du générateur
~9)~
ae 8ign81 (Ef) e~t noyé dans le bruit : il cara¢térise le sy~tème
étudier. Il passe d~abord dans un ampli~i¢ateur sélectii (149)
oalé sur la rréquen¢e r, pUi8 il est appliqué à l'une des entrées
du déte¢teur ~ynchrone proprement dit (150). ~e genérateur (9~ é-
~ ~et également un sienal carré de ~r~quence (rj, en phase avec le
~ignal de modulation ~inusoldalO Ce si~nPl ¢arré est appliqué à
un d~pha~eur (151) puis~ aprè~ d~pha~age, à la deuxi~me entr~edu détecteur syn¢hrone (1~4). ~e sign~l de sortie de ce dernier
passe dans un intégrateur (152) et de là, dan~ un appareil d'uti-
.
-- 20 _ .
'
' lOZ98Q8
lisation (153), qui est representé sous ~orme d~un appareil deme~ure.
~ e d~tecteur synchrone proprement dit (150) peut atre
assimilé (~igure 14) ~ un in~erseur double (154) qui serait piloté
par le g~nérateur (9) et qul inverserait le ~en~ de la tension
: (E~)~ a la fréquence (~). Ceci re~ient à multiplier le YigLal
(Ef) successivement par (+l) et par (-1), à une fréquence égale
~a iréquence propre, c'est-~-dire ~ redre~ser le signal (Ef).
~ e ~ignal de ~ortie (sr) ¢omprend do~c~ ~elon la fi~ure
15~ de~ arche~ ~onc~es comptées positivement ~ des arches claires
~ . comptées négati~ement .Sa valeur moyenne est ~gale à :
si moyO = 1 ~t ~r B. ~in 2 7r it dt ~ ~ . Eo cos ~.
~/r tt
Si le signal mesuré (Ef) n'est pas synchrone de celui du
g~nerateur (9) le terme (co~ ~ ) iluctue entre (+1) et (-1), et
~ sa ~aleur ~oyenne tend ~ers zéro lorsque le temp8 augmente~ d'où
: l~int~rê~ de di8po~er, ~ la sortie du détecteur (150) d~u~ int~-
grateur (152) à constante de temps éle~ée. Si le signal est syn-
chrone de celui du ~n~rateur~ ~ ~ e~t con~tant et ~a ~aleur
. 20 ~oyenne une ~aleur bien d~terminbe. ~e premier oa~ e~t celui
. du bruit, le deuxième cas est celui du ~ignal ~tudi~ (Ei).
. IR~ harmonique~ du Bignal ont une iniluence dii~érente
.. sui~ant qu~il s~agit d'harmonique~ de rang impair ou pair. ~a ~i-
. gure 16 conoerné un harmonique~de rang 3~ o~est-~-dire impair~ la
rigure 17 un harmonique de rang 2~ o~est-a-dire pair. ~e~ arches
au ~ignal comptéo~ po#itiveme~t dans la ~leur moyenne sont ha-
ohurées ioncé~ celles comptées négati~ement ~ont hachurées clair.
Pour chaque position du ~ignal de r~érence, on obtient une ~a~
leur moyeune:
- de ~ ~ E. dans le ca~ de la ~igure 16 (harmonique de rang
impair)
nulle aans le cas de la figure 17 (harmonique de rang pair).
-- 21 --
.. ~ .
: . . -
10'~9S08
~ e~ harmo~ique~ de rang pair donnent en sorte un batte-
ment autour d~une ~aleur moyenne nulle; le8 harmoniqu~s de rang
impair donnent lieu ~ une ~aleur ~oyenne non nulle.
La bande passante dépend de la constante de temps: T _~C
de l~intégrateur (152) con~titué par une résistance série de R
obm~ suivie d~un condensateur parnllèle de C ~arads plus RC aug-
~ente, plus la bande passante est étroiteO Si :io = ~ ~ ~ on
tran~met aln8i le~ bande~ de ~r~quences: f+ fO~ ~r+ fO~ 5f~0...
Clest pour remédier à ce dé~aut gue l~on place,!en amont du détec-
tëur (150), un ampliilcateur sélectii (149) centré ~r la ~réquen-
¢e i; cet ampliiicat6ur re~ette les fréquences 3~ 5~ etcO.. de :~
~orte que la bande du ~ignal est réduite à ~-+ fo.
~e rôle du déphaseur (151) e~t de dé¢aler d~un angle j
la référence par rapport au ~ignal E~ à détecter. On ~oit que la
~igure 18, o~ la déte¢tio~ se fait en pha~e, c'est-~-dire o~ ~ = O,
que la ~aleur mo~enne du signal est m~x;male~ tàndis que ~ur la
i~gure 19, o~ la détection ee fait en quadrature ( ~ ~ ~ , la
~aleux du ~i4nal e~t nulle.
ha détection a~ec ~len~l nul~ du iait de ~a ~ensib1lité,
e~t utill~ée pour ¢aler en phase le signal de r~rence ~ur le
~igo~l (Ef) ~ mesurer.
he d~tecteur synchrone e~t un appareil qui ~e trou~e tout
~ ~ait dans le ¢~mmer¢e~ il n~e~t donc pas utile de le ~écrire
da~antage. Il comprend les ~l~ment~ (149) ~ (153) e~tour~ d~un
re¢tangle ~~ tiret~ sur la figure 13.
~'appareillage utllise deux déte¢teurs, dont l'un concer-
~e (ui), l~utre (ii).
~'a~pliiicateur de rérérence à isolation galvanlque (10)
est monté selon le schéma de la ~igure 20.
~e signal de ré$érence en pro~enance du générateur basse-
iréquence (9) se trouve, par l~intermédiaire du modulateur de cou-
rant (8), au potentiel de la cu~e d'éleotrolyse, d~où la nécessité
- 22 -
lOZ9808
de la d~coupler par rapport au ~ig~al de la tension de la cuve:
o'e~t le r~le de l~isolation gal~anique.
. .
, Cet ampli~icateur de r~érence (10) d~bute par u~ ~tage
adaptateur d~i~p~dance ~ entrée alternative comportant un transis-
tor (154')dont l~émetteur (155~ e~t mi~ à la mas~e par l'intermé-
diaire d'une r~sistan¢e (156)~ la base (157) ~tant attaquée par
un potentiomètre con~tituée par une r~ tance ~ariable (158) co~-
nect~e au p81e po~iti~ (159) d~une ~ource de tension auxiliaire
dont le p81e n~gatif est à la masse~ et d'une r~si~tance (160)
, d~autre part conne¢tée à la masse. ~a ten~ion alternative~ amenée
par une prise (161),e~t achemin~e ~er~ la ba~e (157) par l~inter-
médiaire d'u~ ¢ondensateur (162).
~e collecteur (163) du m8me tran~istor (154) e6t relié au
p81e négatir d~une diode éle¢troluminescente (16~) d~autre part
.
reliée au pôle positii (159)de la source de tension auYiliaire. En
face de cette di~de (164) on.trou~e u~ photo-diode (165) rece~ant
le ragonnement ~mi~ par la première. De cette faço~ on retrou~e
au~ borne~ de la diode (165) un 8i~ ide~tique au. 8ign~l de sor-
tie de transistor (154) sans qu'aucune liai~on matérieile e~iste
entre les deu~ diodes :.l'isolation gal~n~que est donc totale. ~e
.p~le positir de cette photo-diode (165) attaque la base (166) d'u~
tran~istor adaptateur d'impédance (167) dont l'émetteur (168) est
a la masse~ le oollecteur (169) étant reli~ au pale po~itir de la
~ ~ource commune de tension continue ST par.l'intermédiaire d'une
r~sistance (170). ~e p~le négatif de la photo-diode (165) est relié
.
au pôle positir STP de la ~ource ST. I
~e ¢ollecteur (169) du transistor (167) est ~galement
réuni par une résistance (171) à une entrée (~72) d'un étage (173).
Cette entrée (172) est encore reliée, d'une part par une résistan-
ce (174) à la sortie (175) de l'étage et ~ une sortie "référence"
(176)~ d'autre part, par une r~sist~n~e (177), au curseur d'un po-
tentiometre (178) branché entre le p~le négatif S~N de la source
. 23
~0Z9 8 0 8
S~ et la masse STOo ~lautre entrée (179) de l~tage est ~ la
masse. ~a sortie (175) est reliée, par une résisti~nce (180), ~ une
entrée (181) d'un ~tage (182)~ cette entrée ~tant également reliée
la sortie (183) de l'étage par un~ r~sistance (184) de ~aleur
égale i~ celle de (180). Cette ~ortie est reliee à une prise "Fré-
queuce ~ ~185). ~a 2ème entrée (186) de l~étage est i~ la ma~seO
i En ré~um~ cet ampli~icateur de r~férenwe ~ isolation
~ gialvianique comprend:
- un étage (154) adaptateur d'impédi~nce ~ entrée alternati~e (161),
- u~ étage opto-électronique (164 -165) as~urant l'isolation gal-
n~ que~ -
- un étage adaptateur-i~mplificateur (173 - 182) pe~mettiant, par
action sur le potentiomètre (178~ d'~liminer la compo~ante conti-
nue du signal de sertie~ et de rémettre ce dernier en phase avec
le sl~nai d'entr~e.
~ e g~nérateur bas~e-~réquence (9) e3t d'u~ modèle qui se
trou~e couramment dans le commerce; il donne ~ la ~ois un signal
~i~u~o dal et un ~ignal carré de m~me ~réquence (f), réglable.Ce8
deux signaux sont en phase. n eet à noter que l'ampliiicateur
2Q de référence (10) peut-être connecté sur la sortie sinusoldale
du g~n~rateur bas~e_rréquence~ lorsque comme ¢ela est sou~ent le
ca~ le déteoteur ~y~chrone comprend un ¢~cuit trans~ormant le
~igDal einu~o7dal en ~ignal carré.
~ 'opérateur-di~iseur (12) comprend un module di~iseur
(186'~ 'entrée (187) repérée nx" est reliée à la sortie (188) re-
pérée " S n et ~ une prise de sortie (189). ~'entr~e (190) repé-
rée n y N est reliée a une prise (191) ¢orrespondant ~ une inten-
~lté (io) et l'entrée (192) repér~e l~ z n e~t reliée à une prise
.
(193) correspondant ~ une tension (uo)0 ~'entrée ~194) repérée
30 n G ~ est reliée au curseur d'un potentiomètre (195) braDché
entre le p~le négatii STN de la source continue ST et la masse~
tandis que la prise (196) repérée ~ B n est reliée au curseur d'un
- 24 -
~ O'Z9 8 ~ 8
potentiomatre (197) branché entre le pOle pO~itir STP de la source
continu S~ et la mas~e. ~e~ autres prises du module ~ont branchés
respecti~ement aux trois p81es S~P~ STO et S~N de la source de
~ten~ion continue ST. Il est à noter que c'e~t la liaison " X - S "
qui donne au module (186) son c~ract~re de di~i~eur.
- Le ~ignal de sortie apparais4ant sur la pri~e (189) est
~gal à: -10 uo il est l'image de rf = uo ain~i qu~il est expliqu~
ci-aprè~O
On explique le ~onctionnement de l~appareillage ~elon le
~chéma ~implifié de la iigure 1.
~ e g~n~rateur bas~e-ir~queDce (9) a ~a ~ortie en courant
8inusoidal de fr~quence (f) reliée ~ la prise d~entr~e (1~9) du mo-
. dulateur de courant (8) et sa ~ortie en ~ignal carré de iréquence(i? reliée ~ la prise (~6~) de l'amplificateur de r~rence ~ i~o-
latlon gal~anique (10). ~e modulateur de courant (8) branch~ aux
bornes (50)- (51) de la cu~e (1-2), module donc le courant I tra-
~ersant la cuve ~elon une sinusoide de fréquence (i).
Un ¢ourant (ii) proportionnel à ce dernier e~t mesur~ par
la sonde inductl~e (4) et son adaptateur d~imp~dance intégrateur
(5). Ce dernier remet en phase le 8ignal i8~U de la sonde (4) et le
, r~gularise. :
. ~e potentiamètre (40) permet de r~gler le zéro en l'absen-
oe de signauY a l~entrée. -.
la sortie int~gr~e (45) est appliquée a l~entrée de l~am-
plificateur sélectif ~149)de l~ensemble de détection synchrone (ll)
..
relat~ à l~i~tensit~ (if).~e déphaseur .(151)de ¢et ensemble est
attaqué par le signal ¢arré de ~réquence (f)issu du g~nérateur bas-
.. se-férquence (9) par l~intermédiaire de l'amplifi¢ateur de référen-
ce ~ isolation gal~anique (lO)dont le rôle est de séparer le géné-
3~ rateur (9)qui est à la tension de la cu~e,de l'amplificateur ~ dé-
tection syn¢hrone (ll).Comme la tension appliquée a l'entrée du d~-
tecteur synchrone est porportionnelle ~ if=io sin(2 ~+ ~ ) et
. 25
.~.. , , ' ~, , ~r -
~ 0~9~io'~
que le d~phaseur (151) e~t r~glé de raçon ~ compe~er le d~pha~age
( 7 ), on obtient un gignal de sortie proportionnel ~: 2 io ainsi
qu'il est expliqué ci-de~su~ ~ propo-~ du détecteur ~ynchrone.
~ a tenaion V aux boxne~ de la cuve est ~ppliqu~e ~ l~en-
tré du limiteur d~ tension (i8) qui écrète la tension recueiliie
en ca8 de surten~on d~e en particulier ~ la polarisation de l'ano-
de. ~a sortie (52) du iimiteur e~t connectée ~ l'entrée de l'adap-
. tateur d'impédance-3~parateur continu-alternatir (7) qui comprend
un ampli~icateur diiiérentiel t56-57-58) dont le zéro e~t réglé
par action sur le potentiom~tre (68), et le séparateur alternatif-
continu (7~-74-75)~ dont le z~ro e~t réglé par action ~ur le poten-
tio~etre (76) en l'ab8ence de gignaux ~ l'entrée.~a sortie (97) da
l'adaptateur-séparateur est reli~e à l'entrée de l'ampliricateur
sélectii (149) de l'ampli~icateur-d~tecteur ~~nchrone (11) dont
,,
le d~pha~eur (151) est attaqué par le Bignal carré i8~U du géné-
rateur bas~e-iréquence (9), par l'intermédiaire de l'a~pliiicateur
de r~i~ren¢e à isolation galvanique (10). Comme la tension appli-
.. quée ~ l'.entr~e du détecteur synchrone e~t proportionnelle ~ u~ =uo sin (2 ~r r +~ ~' ) et que le déphaseur (151) est r~glé derac~o~
~ ¢ompen~er le déphasage ( ~ ) on obtient un sienal de sortie
proportionnel ~: 2 Uo ain~1 qu'il est expliqué ci-des~us.
~ e signal correspondant à (io) est appliqué à l'entr~e
(191) de l'opérateur-di~loeur (12)~ tandi# que le 8ienP~ corre8pon-
.da~t ~ (uo) e#t appliqu~ ~ l'entrée ~193) du m8me diviseur; on
obtient ~ la ~ortie (189) un signal proportionnel ~:
rr ~ uo . Ce ~ignal est mesur~ par l'appareil de le¢ture (14) gui
.
pout être gradué directement en ~leur de (ri).
0~ opère à des ~aleurs d~croiseantes de la iréquence (i),
on trace la courbe donnant (ri) en fonction de (f) et on extrapole
~usqu'~ la ~aleur zéro de (i)s on obtient alor~ r (i=o) = R, résis-
tance de la cu~e.
Ce dispositii peut être perfectio~n~ de iaçon ~ per~ettre
- 26 -
~ i
1 02 ~
le calcul de la r~sistance R et de la ~orce contrélec~romotrice
E de la cu~e; on le complète alors par un sy~t~me analogique ou
numérique.
On a~servit selon la figure 22, le ~ignal de référence
à la phase de courant (if).
~ e g~n~rateur ba~se-~réquonce ~9) à sa ~ortie sinu~oid~'e
réunie ~ l'entrée du modulateur de courant (8)~ lui-m8me monté
entre les pôles~positi~s (50) et n~gat~f (51) de la cuve (1-2).
~a sortie signal carr~ du générateur (9) e~t reli~e ~ l'entrée de
l'amplificateur de réiérence ~-isolatio~ gal~anique (lOj dont la
~ortie est reliée à l'entrée d'un déphaseur asservi (198)~ d~
~rant deux signaux carrés déphasé l'un par rapport ~ l'autre de
90 ~
~ a #onde inducti~e (4) de mesure du courant (ii) attaque
l'a~plificateur intégrateur (5) qui attague u~ amplificateur s~-
lëcti~ (199) ide~tigue à celui 'qui ~ur la figure 13, porte le re-
p~re (149)-~a sortie de cet ampliricateur (199) est conne¢t~e à
deux détecteurs s~nabrone~ (200) et (201)~ identiques au détec-
teur (150)~ de la figure 13, et pilot~s; le premier (200) par le
~ignal e~ guadrature a~ec la r~f~rence~ le deuxlème (201) a~ec le
~14onl en phase avec la réf~re~ce~ ces aeus ~ignaux ~tant déli-
;~ ~rée par le déphaseur aseer~i (198). ~a sortie du d~teoteur (2~0)
eet reliée à l'entrée d'a~ser~i~sement du d~phaseur (198).
~ e~ bornes de la cu~e (1-2) 80nt connect~es à l'entree du
l~m~teur (6) do~t la sort~e est rellée à l'adaptateur d'impédance
ot e~parateur continu-alternatir (7). ~a sortie de ce dernier est
~; reliée à l'entrée d'un a~pliiicateur sélootir (202) identique à
(149) de la iigure 13, et dont la sortie attaque le détecteur
., I .
oynchrone (203) pilot~ par le ~ignal carr~ en phase avec la r~fé-
rence~ u du dépha~eur as~erri (198).
~e~ ~orties respecti~es des détecteurs 8ynchrones (201)
et (203) sont reliée~ aux entrée~ d'un op~rateur-di~iseur (204)
- 27 -
~ ..
~0'~9~08
analogue ~ celui de la ~lgure 21, mai~ qui poss~de une troi~ me
e~trée reliée ~ un ~laborateur (205) d'un facteur correctii K ex-
pliqu~ ci-dessousO ~a sortie de l'opérateur-di~iseur (204) est
.reli~e à u~ appareil de lecture (206) affichant la ~aleur de la
rési~tance R de la cuve.
Une résistance (207) de très faible valeur est placée en
~érie avec la cuve après le p81e (51): cette.résistance, qu~ est
commune aux cuves d'une série, con~titue un shunt permettant la
mesure du courant continu I traver~a~t la ¢uve. ~es bornes de cette
ré~i~tance sont reliées ~ l'entrée d'un amplificateur de mesure
à isolation gal~anique (208j ide~tiqùe.~ celui que repr~se~te la
figure 20, maiQ muni d'uae entrée di~i~rentielleO. ~a ~ortie de
~ ¢et ampliricateur est r~unie à l~entr~e ~-intensité ~t d~un opéra-
teur multiplioateur (209) dont l'entrée "résistanoe" eQt rel1ée
~ la ~ortie de l'opérateur di~i~eur t204)o ~a ~ortie du multipli-
cate~r (209) est reliée à l'entr~e d'un opérateur sou~tracteur
(210) dont la sortie e~t reliée ~ un appare~l de mesure (211)
aiiichaat la ~orce ¢ontre-électromotrice de la cuve.
Se courant I peut également atre me~uré au mo~en d'une
~onde ~duct1~s. Dan~ ce ca~ olat~on gal~anique n'est pius né-
ce~saire.
On expligue à présent le io~ctionnement du dispo~itlr .
8elon la ilgurc 220
~ e 8ignal carré de r~férence ~ la rréquen¢e (i)~ en pro-
~en~nce du générateur basse-~réquence (9) par l'intermédiaire de
l'ampliiicateur de r~i~rence à isolation gal~anique (10)~ est ap-
pliqué à l'entrée du déphaseur a~8ervi (198)~ qui d~livre deus
8ignaux carrés déphasés l'un par rapport à l'autre de 90~O
~ e slgnal (ir) provena~t de la sonde inducti~e (4) est
~ 30 ampliiiée da~s l'ampliiicateur (5), iiltré dans l'ampliiicateur
sélectii (199)~ puis mesuré par les deux détecteurs synchrones
(200) et (201) pilotés, le ~remier (200) par le signal en quadra-
. _ 28 -
.. . .
- ,
lOZ9808
ture avec la r~f~rence, donn~ par la ~ortie,"90~" du déphaseur
asser~i (198)~ le de~xi~me ~201) par le signal en phase avec la
re~érence, donné par la ~ortie noOn du déphaseur a~servi (198).
~'angle de phase essentiellement variable (Q ) qui exi~te entre
le courant (i~) tra~ersant la cellule et le ~i~na' de ré~érence
e~tra~ne~ en ~ortie du détecteur synchrone (200)~ un sig~al : io
ai~ ~ , où (io) e~t le module de (i~). Ce d~tecteur synchrone (200)
travaille en détecteur de zéro et il attaque en contreréaction
l'entrée d'as~er~is~ement du déphaseur (198). AiD~i toute erreur
de phase entre le signal de ré~érence et le module de (ii) est
corrigée par l'action du d~tecteur (200) ~ur le déphaseur asser-
~i (198); la ~ortie n o~n de ce dernier est donc bien en phase
a~ec le module de (i~)~ de 8erte que le d~tectsur synchrone (201)
~esure (io).
~ a tensio~ (V) pr~le~ée aux bor~e~ de la cu~e est ltmi-
tée par le l~m~teur (6) pUi8 appliquee à l'adaptateur d'imp~dance
et~8éparateur continu-alternatii (7) qui sëpare la composa~te con-
t1nu ~(;U)~d- 1- camposante alter~ati~e (ui). Cett- der~ière passe
rav-r l~amplii1oat-ur ~lectii (202)~ puis elle est me~ur~e
20 ~ ~ar le d~te¢teur sy~chrone (203) dont la r~iéren¢e e~t is~ue de la
eortie ~oon du d:épbaseur asservi (198), donc en phase avec (if).
~a~#orti- d- oe d~teot-ur (203) donne donc le terme s Uo C0#~
o~ ( ~ ) est l'angle de pha#e (Uf) par rapport a (if).
operateur di~i~eur (204) iait l'opération
Rr 3 Uo C08
io
IB te~ion pr~levée au~ bornes du shunt (207)~ qui est
l~lmage de I~ pa~se par l~ampliricateur de mesure à isolation
.: galY~nlqu (208), puis est ~ppliquée à l'opérateur mNltiplicateur
(209) qui reçoit d'autre part le 8ignal (Ri) il ~laborc donc
~30 (Ri.I)~ qui est~ à son tour~ appliqu~ ~ l'opérateur~sou~tracteur
(210) qui reçoit d'autre part le 9ignal (U) émi~ par l'amplifica-
teur séparateur (7)~ ~oir ~igure 7~ prise (110) ,et qui~ par con-
.
,
02 9 8 Q 8
~quent, ~ournlt: .U - R~I, c'est-~-dire (E~)~ qu'a~iche 1'appareil (211).
,
Si llon pouvait ~aire tendre la fréquence du générateur
(9) vers zéro, R~ tendrait vers(R) et (E~) vers (E). ~alheureuse-
ment, s'il est possible~ en laboratoire, de descendre à des ~ré-
quences de l'ordre de 0~1 ~ 0,2 Hz~ cela est Impossible en ste-
lierO On doit donc ~e contenter deldescendre jusqu'à une ~réquen-
ce de quelque~ Hertz~ et d~extrapoler à la ~réquence nulle la cour-
be donnant (R~) et (~) en fonction de la fréque~ce.
En pratique~ on peut se contenter d'une m~thode empirique
simplifiee. De la ¢onnaissance de (Xi) ~ basse ~réquence, on tire
R et le iacteur K = R en ~onction de la ~réque~ceO DèQ lors,
une mesure à une seule ~réquence (i) correctement choisie permet
d'avoir (R~) et, par multiplication par ce coef~icient K, d'accé-
der à R = K Ri.
Au~si inscrit-on à la ~aleur de K dans l'élaborateur
(205) qui introduit dans l'opérateur diviseur (204) une i~ge de
K. De~ lors, cet op~rateur élabore: ERf, c'est-~-dire R. Il en
r~sulte que l'opérateur-soustracteur t210) élabore E = U~
~ous les él~ments de cet appareillage existent dans le
commerce où sont décrits ci-des~us ~ propos des figures 1 à 21,
part l'opérateur multiplicateur (209) et l'opérateur soustrac-
teur (210). ~e ~ch~ma de l'ensemble de oe~ deux él~me~ts est don-
n~ par la figure 23.
Un module multipli¢ateur (21I'~a sa premiere entrée (212)
repérée "Xa reli~e ~ la sortie de l'amplificateur de mesure ~
isolat1o~ galvanique (208) qui donné I~ sa deuxi~me entr~e (213)
repérée "Y" reli~e ~ la sortie (214) d'un ~tage adaptateur d'impé-
dance (215j dont l'entrée négative (216) est reliée, d'une part
par une résistance ~(217)à la sortie de l'opérateur-diviseur (204)
qui donne R, d'autre part par une résistance (218)égale ~ la rési~-
; tance (217), à sa sortie (214). ~'entré positive (219) de
~ 1'étage (215)
.
- 30 -
,.
~OZ980~
est reli~e au curseur dlun potentiom~tre (221) branché aux bornes
négatives de la source de tension S~, c'est-~-dire entre le~
bornes S~0 et S~N, tandi~ que la quatri~me entrée (222) est reliée
~ la ~ortie (223) do~nant ainsi au module ~o~ caractère de multi-
plicateur. Une sortie auxiliaire (224) repérée "Bal", est reliée
~u curseur d'un potentiomètre (225) branché entre ST0 et STP de la ;
~ource de tension ST. Les troi~ prise~ d'alimentatio~ (226)~ (227)
et (228) sont respectivement reliées ~ ST~ S~0 et S~P de la sour-
oe S~. ,
~'entrée U~ qui porte le repère (229) e~t reliée à la sor-
tie (110) du ~parateur (7) repr~enté par la ~igure 70 Elle est
reliée~ par u~e résistance (230) ~ l'entree n~gati~e (231) d'un éta-
ge (232), entrée d'autre part co~nectée par une résistance (233)
., . I
egale à (230)~ ~ la eortie (234) de l'étage. ~'entrée po~iti~e
(235) de ce dernier e~t ~ la mas~e.
ha sortie (234) de l'étage (232) e~t reliée par une rési~-
tance (236) à l'entrée positi~e (237) d'un ~tage (238). Cette
entrée ~st en,outre reliée~ d'u~e part par une rési~tan~e (239) à
,la sortie (223) du module (211)~ d'autre~part par une résistance
20, (240) à la ma~se; le~ trois r~sistances (236), (239) et (240)
sont égales; il est nécessaire que (U) et (~ oient a~reoté~ du
ma~e coei~i¢lent de proportionnalité. ~a sortie (241) de l'étage
(238) est reliée à la base (242) d'un trao~istor adaptateur d'imp~-
da~ce et ampliiicateur de puissance (243) dont le collecteur (244) 1 ,
e8t reli~ au pôle n~gatir STN de la source de ten~ion continue St
et dont l'émetteur (245) est relié à la sortie (246) donnant (E) et,
., . I
d'une part p~r une résistance (247) au pOle positif ST~ de la so,ur-
ce ST~ d'autre part par une résl~tance (248) ~ l'e~trée négat~e
(249) de l'étage (238), elle-même reliée à la masse~ c'est-~-dire
au point milieu S~O de la source ST~ par une r~istance (250)o
~e ionctionnement des op~rateurs ~tiplicateurs et sous-
tracteurs e~t évident. ~e module (211) reç~it, en (212) u~ #igna
(I), en (213) un signal R sous une imp~dan~e faible donnée par
,, 31
lOZ9 8 ~ 8
l~étage (215); co~me l~entrée (z) est reli~e ~ la sortie (s), le
module fonctionne en multiplicateur et donne, ~ S8 ~ortie (223),
un signal propoxtionnel ~ (XY), c'est-~-dire à (RI)o ~e signal (U)~
adapte en impéda~ce par l'~tage (232)~ e~t additionn~ au ~ignal
(~T) ~ l'entrée (237) de l~tage (23~) et tra~smi~ ~ la sortie
(246) ~ous ~aible impédance et forte puissance par le transis-
tor (243~.
Dan~ l~appareillage r~alisé, les ~tage8 sont tous con~-
titués par de~ circuits intégré~ 2301 ~ à l~exception des étages:
- t28) figure 4, qui est du type 8018~
(121) iigure 12~ qui e8t du type 1322,
(173) et (182) rigure 20, qui so~t du type AD 301 ~H~ .
~es diodes Zener (54) et (55) de la iigure 6 ~ont des 207 Z4 pour
une r~si~tan~e ~ariable (53) de 110 ohms. ~e~ tran~istor~ (69)~
(80) et (107) de la i ~ e 7 80~t du t9pe 2 N 2905. DaD8 la figu-
re 12 les transi~tors (115) et (125) ~ont de~ 2 N 3055 pour dea
résistances (118) ~ales a 1 obm et un ~hunt (122) de 0~01 obm~
les transistor3 (115) étant re$roidis par c~culation rorcée
d'alr~ eniin le tran~istor (128) est un 2 N 2219. Dans la iigure
20, le tran~istor (154) est un 2 N 3053 et dan3 la iigure 23~ le
tra~sl#tQr (243) est ~n 2 N 2905~ l'en~emble ¢on~titué par le~ dlo-
de~ (164)~ (165) et le tran~istor (167) e~i~te dax~ le commer¢e
~ou~ la réf~re~ce 5082 - 4350. ~e~ cirouits multiplicateurs-di~i-
~eur~ (186) de la ~igure 21 et (211) de la ~i~ure 23 sont tous deux
du type 107 C.
~a Yaleur de R obtenue permet de piloter un appareil auto-
~atigue d- commande de la distance anodique de la ¢uve. ~ne aug-
mentation simultan~e des valeurs de ~ et de E peut ~ervir ~ d~clen-
cher l'alimentation de la cu~e en alu~ine.
1 30 ~e proc~dé et le dispositi~ s'appliquent ~ la détermina-
tion de la résistan¢e de toute cuve d'electrolyse et, plus particu
li~rement des cuves destin~es à la pr~paration de l'aluminium par
~lectrolyse ign~e de l'alumine.
~, .
_ 32 ~
.1 . _r 1
