铝电解槽阴极钢棒在线测温装置及方法与流程

本发明属于温度传感技术领域，具体的为一种铝电解槽阴极钢棒在线测温装置及方法。

背景技术：

电解铝槽的槽壳温度，特别是阴极钢棒的温度是生产运行中的重要参数。通过在线检测阴极钢棒温度，可以实时监测电解槽运行状况，有效地避免漏槽等事故的发生，延长电解槽的使用寿命，同时为电解工艺的分析提供有效的参考数据。

电解槽车间环境特征明显，主要有：1）现场存在强磁场，传统电子式温度传感器无法使用；2）阴极钢棒温度极高，通常在250℃以上，对测温传感器提出了很高的要求。

传统的电解铝槽阴极钢棒的温度检测办法是通过仪器、仪表等测量工具进行人工检测，虽然在一定程度上能够满足使用要求，但仍存在以下不足：

1）红外测温仪虽然操作简单，但在强磁场环境下易失效，不能实时测温，也就不能及时发现隐患，另外还存在工人劳动强度大，高温、强磁场的工作环境也严重影响着工人的身体健康；

2）热电偶虽然可以用来测量高温，但是不易构成多点分布式测量，另外，热电偶的测温采用电信号测量方案，容易受到电磁干扰，因此在电解槽上不适用；

3）若采用无线测温方式，虽然安装简单，但仍是电信号测温的原理，易受电磁干扰，测温的范围也满足不了电解铝的要求。

温度作为判定电解槽炉体健康状况的关键参数，传统方式为人工手持红外测温枪进行测量，此种方法存在较大的监测时间盲区，无法实现钢棒温度的连续实施监控。因此，传统测温方式不能满足铝电解槽阴极钢棒的特殊测温要求，迫切需要一种新的可实现连续测温的方式。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝电解槽阴极钢棒在线测温装置及方法，不仅能够实现对铝电解槽阴极钢棒温度的在线检测，而且可构件构成多点分布式测量，并具有耐高温压、耐腐蚀、抗电磁干扰和无源等优点。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明首先提出了一种铝电解槽阴极钢棒在线测温装置，包括远程监控设备和与所述远程监控设备电连接的测温装置，所述测温装置上连接设有引导光缆，所述引导光缆上连接设有感温光缆，所述感温光缆上串联设有至少一个测温单元，所述测温单元包括固定外壳和在所述感温光缆上绕制设置的与铝电解槽阴极钢棒紧贴设置并用作感温元件的光缆环，所述光缆环位于所述固定外壳内，且所述固定外壳内填充设有玻璃纤维；

所述测温装置包括用于发出光脉冲信号的脉冲光源发生器、用于对光信号进行滤波处理的波分复用器、用于对光信号进行光电转化的光电探测器、用于采集和处理电信号的信号采集与处理单元和用于供电的供电单元，所述脉冲光源发生器发出的光脉冲信号经所述波分复用器后进入所述引导光缆，且经所述引导光缆进入的后向拉曼散射光经所述波分复用器滤波处理后进入所述光电探测器，经所述光电探测器光电转化处理后得到的电信号进入所述信号采集与处理单元。

进一步，所述感温光缆外设有耐高温涂覆层。

进一步，所述耐高温涂覆层采用聚酰亚胺涂覆层。

进一步，所述引导光缆为单模通讯光缆或多模光缆。

进一步，所述光缆环的绕制直径大于等于60mm，且所述光缆环的绕制总长度大于等于1.5m。

本发明还提出了一种采用如上所述铝电解槽阴极钢棒在线测温装置的铝电解槽阴极钢棒在线测温方法，所述脉冲光源发生器发出光脉冲信号，所述光脉冲信号经所述波分复用器滤波处理后进入所述引导光缆并传输至所述感温光缆，且光脉冲信号在所述感温光缆内产生拉曼散射，携带铝电解槽阴极钢棒温度信息的后向拉曼散射光将沿感温光缆、引导光缆传递至所述波分复用器，经所述波分复用器滤波处理后进入所述光电探测器进行光电转化处理，经所述光电探测器转化得到的电信号进入所述信号采集与处理单元进行数字转化处理，经所述信号采集与处理单元处理得到的数字信号传输至所述远程监控设备进行解调处理，并最终得到每一个所述测温单元的温度数据。

进一步，远程监控设备对经所述信号采集与处理单元处理得到的数字信号进行解调处理的方法如下：拉曼散射包括斯托克斯光和反斯托克斯光，且斯托克斯光和反斯托克斯光的强度均与所述感温光缆所处温度场存在正相关关系：

其中，I_s为斯托克斯光的强度；I_as为反斯托克斯光的强度；为斯托克斯光筛的波长，为反斯托克斯光的波长；

h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，C为真空中光速，为拉曼频移，T为绝对温度；

采用双通道双波长比较的方法，即对斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集，利用两者强度的比值解调温度信号；由于反斯托克斯光对温度更为灵敏，因此将反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为比较通道，则两者之间的强度比为：

即：

对于标定温度T₀有：

则：。

进一步，在所述测温单元间隔设置为至少两个并构成分布式在线测温系统。

本发明的有益效果在于：

本发明铝电解槽阴极钢棒在线测温装置及方法，针对铝电解槽阴极环境特点和测温需求，利用光纤测温方式，解决了高温和强磁场环境测温可靠性问题，实现了温度的连续实时监测；

通过串联设置至少一个测温单元，实现所有铝电解槽阴极电极点的温度监测；在线测温装置完成了分布式测温方式到点式测温方式的转化，在不改变固有空间分辨率的情况下保证了针对小区域温度的完整采集；同时，通过设置固定外壳和填充玻璃纤维，为阴极钢棒测温构建了稳定的温度场环境，确保了测温数据的准确和可靠，并为感温光缆提供了可靠封装和安全保护，保证了测温系统敏感原件的使用寿命。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明铝电解槽阴极钢棒在线测温装置实施例的结构示意图；

图2为测温装置的原理框图；

图3为测温单元的结构示意图；

图4为图3的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明铝电解槽阴极钢棒在线测温装置实施例的结构示意图。本实施例的铝电解槽阴极钢棒在线测温装置，包括远程监控设备5和与远程监控设备5电连接的测温装置1，测温装置1上连接设有引导光缆2，引导光缆2上连接设有感温光缆3，感温光缆3上串联设有至少一个测温单元4，测温单元4包括固定外壳8和在感温光缆3上绕制设置的与铝电解槽阴极钢棒紧贴设置并用作感温元件的光缆环6，光缆环6位于固定外壳8内，且固定外壳8内填充设有玻璃纤维7。其中，引导光缆2为单模通讯光缆或多模光缆，本实施例的引导光缆2为单模通讯光缆。

具体的，本实施例的感温光缆3外设有耐高温涂覆层，且耐高温涂覆层采用聚酰亚胺涂覆层。通过在感温光缆3外设有耐高温涂覆层，可以保证感温光缆3在 300℃-350℃温度环境下长期工作，以及在400℃温度环境下短时工作，感温光缆3可在300℃-350℃温度环境下可保证使用 5年以上，不仅能够满足铝电解槽阴极钢棒高温环境的使用要求，而且能够有效提高使用寿命。

进一步的，光缆环的绕制直径大于等于60mm，且光缆环的绕制总长度大于等于1.5m，本实施例的光缆环的绕制直径等于75mm，且光缆环的绕制总长度大于等于2m。能够有效保证在固有空间分辨（一般为1m）下的单点测温效果，且通过限定光缆环的绕制直径，可以防止感温光缆3出现损伤。

本实施例的测温装置1包括用于发出光脉冲信号的脉冲光源发生器9、用于对光信号进行滤波处理的波分复用器10、用于对光信号进行光电转化的光电探测器11、用于采集和处理电信号的信号采集与处理单元12和用于供电的供电单元13，脉冲光源发生器发出的光脉冲信号经波分复用器后进入引导光缆，且经引导光缆进入的后向拉曼散射光经波分复用器滤波处理后进入光电探测器，经光电探测器光电转化处理后得到的电信号进入信号采集与处理单元。

具体的，本实施例采用上述铝电解槽阴极钢棒在线测温装置的铝电解槽阴极钢棒在线测温方法如下：脉冲光源发生器发出光脉冲信号，光脉冲信号经波分复用器滤波处理后进入引导光缆并传输至感温光缆，且光脉冲信号在感温光缆内产生拉曼散射，携带铝电解槽阴极钢棒温度信息的后向拉曼散射光将沿感温光缆、引导光缆传递至波分复用器，经波分复用器滤波处理后进入光电探测器进行光电转化处理，经光电探测器转化得到的电信号进入信号采集与处理单元进行数字转化处理，经信号采集与处理单元处理得到的数字信号传输至远程监控设备进行解调处理，并最终得到每一个测温单元的温度数据。

进一步，远程监控设备对经信号采集与处理单元处理得到的数字信号进行解调处理的方法如下：拉曼散射包括斯托克斯光和反斯托克斯光，且斯托克斯光和反斯托克斯光的强度均与感温光缆所处温度场存在正相关关系：

其中，I_s为斯托克斯光的强度；I_as为反斯托克斯光的强度；为斯托克斯光筛的波长，为反斯托克斯光的波长；

h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，C为真空中光速，为拉曼频移，T为绝对温度；

采用双通道双波长比较的方法，即对斯托克斯光和反斯托克斯光分别进行采集，利用两者强度的比值解调温度信号；由于反斯托克斯光对温度更为灵敏，因此将反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为比较通道，则两者之间的强度比为：

即：

对于标定温度T₀有：

则：。

进一步的，在测温单元4间隔设置为至少两个并构成分布式在线测温系统，本实施例的测温单元4每隔1m设置为一个，以实现对铝电解槽阴极钢棒进行分布式在线测温的技术目的。

本实施例铝电解槽阴极钢棒在线测温装置及方法，针对铝电解槽阴极环境特点和测温需求，利用光纤测温方式，解决了高温和强磁场环境测温可靠性问题，实现了温度的连续实时监测；通过串联设置至少一个测温单元，实现所有铝电解槽阴极电极点的温度监测；在线测温装置完成了分布式测温方式到点式测温方式的转化，在不改变固有空间分辨率的情况下保证了针对小区域温度的完整采集；同时，通过设置固定外壳和填充玻璃纤维，为阴极钢棒测温构建了稳定的温度场环境，确保了测温数据的准确和可靠，并为感温光缆提供了可靠封装和安全保护，保证了测温系统敏感原件的使用寿命。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。