一种基于阻抗变化的电解槽液位在线自主测量系统及方法与流程

本发明涉及电解液阻抗测量技术领域，具体地说是一种在高温、强磁场环境中基于阻抗变化的熔融电解质液位、熔融电解铝界位的自动测量方法及测量系统。

背景技术：

目前电解铝主要采用熔盐电解工艺。其中，原材料为氧化铝和氟化盐，电解反应所用的直流电由整流所供给。将原料加到预焙阳极电解槽内，在电解槽中通过预焙阳极导入强大直流电，在约950℃高温条件下，溶解在电解质中的氧化铝经过复杂的电化学反应，在槽底阴极上析出液态金属铝。

电解槽内熔融电解质的液位及与底层铝液之间的界位是两个重要的工艺参数。液位和界位不仅是决定电解槽热平衡的重要因素，也影响电解过程的能耗和装置的安全性。

目前，电解槽内电解质熔液、铝液的液位和界位均由人工测量。操作人员在槽内插入一根竖直探棒，然后取出探棒。由于铝液、电解质熔液存在显著的比热差异，粘附在探棒上的液体的凝固速率将显著不同，迅速呈现出两段不同亮度的分界线。分别测量探棒上两段凝固层的长度，就是槽内两层液体的深度。这种人工测量存在一些问题：探棒表面分界线粗糙，位置判别的主观误差大，人工读数的分辨率约为1cm；读数必须迅速，待亮度消褪后无法分辨；操作探棒和测量长度需要两个人协同工作，费时、低效；以笔、纸记录数据，与企业信息化网络不兼容；完成一次测量后，需要对探棒进行摔打清理，以备再次使用。因此，亟需开发一种自动的电解槽内液位、界位测量系统。

所发明的系统必需能够工作在近千度的高温环境里，这对所有电子电气部件都是严峻的考验。同时，数百高斯的强磁场会对系统中的钢铁部件产生很强的吸引力，这往往会对运动机构造成干扰。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于阻抗变化的电解槽液位在线自主测量系统及方法，能够可靠、快捷、自动、精确地测得电解槽液位和界位，为铝电解生产过程提供实时数据。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于阻抗变化的电解槽液位在线自主测量系统，其特征在于，包括由底板和背板构成的角形测试架、推杆及电子元件；所述底板下方设置滚轮和U型基准框架，所述底板上方设置倾角传感器，所述底板右侧设置与所述推杆配合的滑槽；还包括电机和阻抗探杆，所述阻抗探杆设置于所述背板前方，所述电机设置于其后方，所述电机驱动所述阻抗探杆运动；所述电子元件安装于背板后方，分别与所述倾角传感器、电机、阻抗探杆及推杆电连接。

优选的，所述电机与阻抗探杆通过背板中间的蜗轮、背板前面的蜗杆及联接头相连。

优选的，在所述背板前方的下端安装有环绕所述阻抗探杆的C型环。

优选的，所述阻抗探杆由高温不锈钢材料制成。

为实现上述目的，本发明还提供了一种基于阻抗变化的电解槽液位在线自主测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-4所述任一装置，具体包括以下步骤：

步骤一、所述角形测试架整体与火孔方向对齐，通过所述电子元件控制所述推杆持续向左推动所述角形测试架到达测试位置；

步骤二、所述电子单元发出液位测量指令，所述电机驱动蜗轮带动所述蜗杆向下旋转，所述联接头将所述蜗杆向下的转动变换成所述阻抗探杆向下的滑动，所述阻抗探杆从所述电解槽的上方经火孔插入到槽内，并依次进入熔融的电解质层和铝液层测量阻抗并反馈给所述电子单元，同时，将电机转角信号反馈到电子单元，以记录阻抗探杆的下滑行程；

步骤三、完成测量后，所述电子单元发出所述探杆回收指令，此时所述电机反转，则所述蜗杆反向旋转，将所述阻抗探杆从所述电解槽内拔出；

步骤四、所述电子单元发出撤离指令，所述推杆开始向右收缩，所述角形测试架依照与就位过程相反的动作，被逐步拉离所述电解槽，回到初始的路面位置上。

优选的，所述步骤一中，具体的到位过程为：所述推杆通过所述滑槽推动所述角形测试架向左移动，直到所述滚轮抵住所述电解槽帮的右侧面，所述推杆继续向左伸长，所述角形测试架的所述底板将围绕所述滚轮逆时针偏转，直到所述U型基准框架下降并抵住所述电解槽帮的顶面，所述推杆继续向左伸长，所述角形测试架将围绕所述U型基准框架与所述槽帮顶面的接触线而逆时针偏转，所述滚轮被逐渐悬空，在上述过程中所述倾斜角由倾角传感器连续测量并反馈到所述电子单元，当达到水平状态时，所述电子单元发出停止指令，所述推杆停止外伸并锁定位置。

优选的，在所述步骤二中，如果阻抗大于几兆欧姆，表明阻抗探杆前端还未接触到融液；如果阻抗由几兆欧姆突降到几百欧姆，表明阻抗探杆前端开始接触到电解质融液；如果阻抗由几百欧姆再次突降，低至几十欧姆以下，表明阻抗探杆14前端开始接触到铝液，所述电子单元记录下第一次、第二次阻抗突降时阻抗探杆的下滑行程l、L，按照所述角测试架的底板与背板之间的固定夹角θ换算成垂直行程，再结合所述U型基准框架的高度C，通过公式h＝lsinθ-C，H＝Lsinθ-C，计算出相对于所述基准面的电解质融液液面h和铝液界面H。

优选的，所述步骤三，在拔出过程中，通过所述C型环15有效刮除附带矿渣。

本发明的上述技术方案的有益效果在于：

本发明充分考虑了高温、强磁、刮渣、基准面等实际问题，能够可靠、快捷、自动、精确地测得电解槽液位和界位，为铝电解生产过程提供实时数据，对节能、优化、安全运行具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种测试系统结构示意图；

图2是测试过程流程图；

图3是角测试架的就位过程示意图，左图为测试架就位前的姿态，右图为就位后的姿态；

图4是液位测量过程示意图，左图为阻抗探杆伸出前的状态，右图为阻抗探杆伸出后的状态；

图5是C型环的结构示意。

附图标记说明：

1、电子单元；

2、推杆；

3、滑槽；

4、底板；

5、背板；

6、滚轮；

7、电解槽帮；

8、U型基准框架；

9、倾角传感器；

10、电机；

11、蜗轮；

12、蜗杆；

13、联接头；

14、阻抗探杆；

15、C型环；

16、电解槽；

17、火孔；

18、电解质融液；

19、铝融液；

15-1、豁口；15-2、安装螺孔。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

参见图1所示，一种基于阻抗变化的电解槽液位在线自主测量系统，包括由底板4和背板5构成的角形测试架、推杆2及电子元件1；所述底板4下方设置滚轮6和U型基准框架8，所述底板4上方设置倾角传感器9，所述底板4右侧设置与所述推杆2配合的滑槽3；还包括电机10和阻抗探杆14，所述阻抗探杆14设置于所述背板5前方，所述电机10设置于其后方，所述电机10驱动所述阻抗探杆14运动；所述电子元件1安装于背板5后方，分别与所述倾角传感器9、电机10、阻抗探杆14及推杆2电连接，其中，这种角形结构便于其在电解槽16上方的狭小空间内灵活移动，此夹角的大小根据具体电解槽16上方的空间及火孔位置而确定，一般地说同一车间内的情况是基本相同的，另外，背板5结构将前面的火孔热辐射与后面的电子电气部件有效地隔离开，避免了电子电气部件的热损坏，此种测试系统的设计使得当外部装置将测试架拖到与火孔对齐的路面位置后，只需在单自由度的推杆2的推动下，借助电解槽槽帮7、基准面的运动约束，就能将测试架的底板4置于基准面之上恒定高度的水平面内，从而为高度测量提供了基准。

具体的，所述电机10与阻抗探杆14通过背板5中间的蜗轮11、背板5前面的蜗杆12及联接头13相连，将电机10的正、反转动变换成阻抗探杆14的上下滑动。

具体的，如图5所示，在所述背板5前方的下端安装有环绕所述阻抗探杆14的C型环15，既作为阻抗探杆14的导向孔，也作为阻抗探杆14的刮渣孔，以刮除凝结在探杆上的高温矿渣；此C型环15留有一个断口，保证其受力后容易扩张，不会出现高温探杆被卡死的现象。

具体的，考虑到所述阻抗探杆14被频繁插入到电解槽16内实施阻抗测量，需要具有耐高温的性能，因此所述阻抗探杆14由高温不锈钢材料制成。

为了明确操作方式，本发明还给出了一种基于阻抗变化的电解槽液位在线自主测量方法，采用上述装置，如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤一、所述角形测试架整体与火孔方向对齐，通过所述电子元件1控制所述推杆2持续向左推动所述角形测试架到达测试位置；

具体来说，如图3所示，过程如下：所述推杆2通过所述滑槽3推动所述角形测试架向左移动，直到所述滚轮6抵住所述电解槽帮7的右侧面，所述推杆2继续向左伸长，所述角形测试架的所述底板4将围绕所述滚轮6逆时针偏转，直到所述U型基准框架8下降并抵住所述电解槽帮7的顶面，所述推杆2继续向左伸长，所述角形测试架将围绕所述U型基准框架8与所述槽帮7顶面的接触线而逆时针偏转，所述滚轮6被逐渐悬空，在推杆2不断伸长的过程中，测试架底板4依靠不同支点而不断地逆时针偏转，逐渐趋向水平状态，在上述过程中所述倾斜角由倾角传感器9连续测量并反馈到所述电子单元1，当达到水平状态时，所述电子单元1发出停止指令，所述推杆2停止外伸并锁定位置；

步骤二、如图4所示，所述电子单元1发出液位测量指令，所述电机10驱动蜗轮11带动所述蜗杆12向下旋转，所述联接头13将所述蜗杆12向下的转动变换成所述阻抗探杆14向下的滑动，所述阻抗探杆14从所述电解槽16的上方经火孔插入到槽内，并依次进入熔融的电解质层和铝液层测量阻抗并反馈给所述电子单元1，同时，将电机10转角信号反馈到电子单元1，以记录阻抗探杆的下滑行程；

具体测量过程为：如果阻抗大于几兆欧姆，表明阻抗探杆14前端还未接触到融液18；如果阻抗由几兆欧姆突降到几百欧姆，表明阻抗探杆14前端开始接触到电解质融液18；如果阻抗由几百欧姆再次突降，低至几十欧姆以下，表明阻抗探杆14前端开始接触到铝液19，所述电子单元1记录下第一次、第二次阻抗突降时阻抗探杆的下滑行程l、L，按照所述角形测试架的底板4与背板5之间的固定夹角θ换算成垂直行程，再结合所述U型基准框架8的高度C，通过公式h＝lsinθ-C，H＝Lsinθ-C，计算出相对于所述基准面的电解质融液18液面h和铝液19界面H；

步骤三、完成测量后，所述电子单元发出所述探杆回收指令，此时所述电机反转，则所述蜗杆反向旋转，将所述阻抗探杆从所述电解槽16内拔出，即当阻抗探杆14接触到铝液19后，见图4右，电子单元1将发出探杆回收指令，此时电机10反转，则蜗杆12反向旋转，将阻抗探杆14从电解槽内拔出；

步骤四、所述电子单元1发出撤离指令，所述推杆2开始向右收缩，所述角形测试架依照与就位过程相反的动作，被逐步拉离所述电解槽16，回到初始的路面位置上，至此测试过程完全结束。

具体的，所述步骤三拔出过程中，通过所述C型环15有效刮除附带矿渣，在拔出过程中，阻抗探杆14的表面将凝结大量的矿渣。在背板5下方接近火孔处所设置的C型环15将有效刮除这些矿渣，保证了阻抗探杆14的洁净及下次能够正常使用；C型环的结构见图5，所留出的豁口15-1增大了变形量，避免了高温膨胀后的阻抗探杆14不被卡死；两个螺孔15-2用于将其固定安装在测试架的背板5上。

本发明充分考虑了高温、强磁、刮渣、基准面等实际问题，能够可靠、快捷、自动、精确地测得电解槽液位和界位，为铝电解生产过程提供实时数据，对节能、优化、安全运行具有重要意义。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。