本發(fā)明涉及電解液阻抗測量技術(shù)領域，具體地說是一種在高溫、強磁場環(huán)境中基于阻抗變化的熔融電解質(zhì)液位、熔融電解鋁界位的自動測量方法及測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前電解鋁主要采用熔鹽電解工藝。其中，原材料為氧化鋁和氟化鹽，電解反應所用的直流電由整流所供給。將原料加到預焙陽極電解槽內(nèi)，在電解槽中通過預焙陽極導入強大直流電，在約950℃高溫條件下，溶解在電解質(zhì)中的氧化鋁經(jīng)過復雜的電化學反應，在槽底陰極上析出液態(tài)金屬鋁。

電解槽內(nèi)熔融電解質(zhì)的液位及與底層鋁液之間的界位是兩個重要的工藝參數(shù)。液位和界位不僅是決定電解槽熱平衡的重要因素，也影響電解過程的能耗和裝置的安全性。

目前，電解槽內(nèi)電解質(zhì)熔液、鋁液的液位和界位均由人工測量。操作人員在槽內(nèi)插入一根豎直探棒，然后取出探棒。由于鋁液、電解質(zhì)熔液存在顯著的比熱差異，粘附在探棒上的液體的凝固速率將顯著不同，迅速呈現(xiàn)出兩段不同亮度的分界線。分別測量探棒上兩段凝固層的長度，就是槽內(nèi)兩層液體的深度。這種人工測量存在一些問題：探棒表面分界線粗糙，位置判別的主觀誤差大，人工讀數(shù)的分辨率約為1cm；讀數(shù)必須迅速，待亮度消褪后無法分辨；操作探棒和測量長度需要兩個人協(xié)同工作，費時、低效；以筆、紙記錄數(shù)據(jù)，與企業(yè)信息化網(wǎng)絡不兼容；完成一次測量后，需要對探棒進行摔打清理，以備再次使用。因此，亟需開發(fā)一種自動的電解槽內(nèi)液位、界位測量系統(tǒng)。

所發(fā)明的系統(tǒng)必需能夠工作在近千度的高溫環(huán)境里，這對所有電子電氣部件都是嚴峻的考驗。同時，數(shù)百高斯的強磁場會對系統(tǒng)中的鋼鐵部件產(chǎn)生很強的吸引力，這往往會對運動機構(gòu)造成干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于阻抗變化的電解槽液位在線自主測量系統(tǒng)及方法，能夠可靠、快捷、自動、精確地測得電解槽液位和界位，為鋁電解生產(chǎn)過程提供實時數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于阻抗變化的電解槽液位在線自主測量系統(tǒng)，其特征在于，包括由底板和背板構(gòu)成的角形測試架、推桿及電子元件；所述底板下方設置滾輪和U型基準框架，所述底板上方設置傾角傳感器，所述底板右側(cè)設置與所述推桿配合的滑槽；還包括電機和阻抗探桿，所述阻抗探桿設置于所述背板前方，所述電機設置于其后方，所述電機驅(qū)動所述阻抗探桿運動；所述電子元件安裝于背板后方，分別與所述傾角傳感器、電機、阻抗探桿及推桿電連接。

優(yōu)選的，所述電機與阻抗探桿通過背板中間的蝸輪、背板前面的蝸桿及聯(lián)接頭相連。

優(yōu)選的，在所述背板前方的下端安裝有環(huán)繞所述阻抗探桿的C型環(huán)。

優(yōu)選的，所述阻抗探桿由高溫不銹鋼材料制成。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種基于阻抗變化的電解槽液位在線自主測量方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1-4所述任一裝置，具體包括以下步驟：

步驟一、所述角形測試架整體與火孔方向?qū)R，通過所述電子元件控制所述推桿持續(xù)向左推動所述角形測試架到達測試位置；

步驟二、所述電子單元發(fā)出液位測量指令，所述電機驅(qū)動蝸輪帶動所述蝸桿向下旋轉(zhuǎn)，所述聯(lián)接頭將所述蝸桿向下的轉(zhuǎn)動變換成所述阻抗探桿向下的滑動，所述阻抗探桿從所述電解槽的上方經(jīng)火孔插入到槽內(nèi)，并依次進入熔融的電解質(zhì)層和鋁液層測量阻抗并反饋給所述電子單元，同時，將電機轉(zhuǎn)角信號反饋到電子單元，以記錄阻抗探桿的下滑行程；

步驟三、完成測量后，所述電子單元發(fā)出所述探桿回收指令，此時所述電機反轉(zhuǎn)，則所述蝸桿反向旋轉(zhuǎn)，將所述阻抗探桿從所述電解槽內(nèi)拔出；

步驟四、所述電子單元發(fā)出撤離指令，所述推桿開始向右收縮，所述角形測試架依照與就位過程相反的動作，被逐步拉離所述電解槽，回到初始的路面位置上。

優(yōu)選的，所述步驟一中，具體的到位過程為：所述推桿通過所述滑槽推動所述角形測試架向左移動，直到所述滾輪抵住所述電解槽幫的右側(cè)面，所述推桿繼續(xù)向左伸長，所述角形測試架的所述底板將圍繞所述滾輪逆時針偏轉(zhuǎn)，直到所述U型基準框架下降并抵住所述電解槽幫的頂面，所述推桿繼續(xù)向左伸長，所述角形測試架將圍繞所述U型基準框架與所述槽幫頂面的接觸線而逆時針偏轉(zhuǎn)，所述滾輪被逐漸懸空，在上述過程中所述傾斜角由傾角傳感器連續(xù)測量并反饋到所述電子單元，當達到水平狀態(tài)時，所述電子單元發(fā)出停止指令，所述推桿停止外伸并鎖定位置。

優(yōu)選的，在所述步驟二中，如果阻抗大于幾兆歐姆，表明阻抗探桿前端還未接觸到融液；如果阻抗由幾兆歐姆突降到幾百歐姆，表明阻抗探桿前端開始接觸到電解質(zhì)融液；如果阻抗由幾百歐姆再次突降，低至幾十歐姆以下，表明阻抗探桿14前端開始接觸到鋁液，所述電子單元記錄下第一次、第二次阻抗突降時阻抗探桿的下滑行程l、L，按照所述角測試架的底板與背板之間的固定夾角θ換算成垂直行程，再結(jié)合所述U型基準框架的高度C，通過公式h＝lsinθ-C，H＝Lsinθ-C，計算出相對于所述基準面的電解質(zhì)融液液面h和鋁液界面H。

優(yōu)選的，所述步驟三，在拔出過程中，通過所述C型環(huán)15有效刮除附帶礦渣。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果在于：

本發(fā)明充分考慮了高溫、強磁、刮渣、基準面等實際問題，能夠可靠、快捷、自動、精確地測得電解槽液位和界位，為鋁電解生產(chǎn)過程提供實時數(shù)據(jù)，對節(jié)能、優(yōu)化、安全運行具有重要意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是測試過程流程圖；

圖3是角測試架的就位過程示意圖，左圖為測試架就位前的姿態(tài)，右圖為就位后的姿態(tài)；

圖4是液位測量過程示意圖，左圖為阻抗探桿伸出前的狀態(tài)，右圖為阻抗探桿伸出后的狀態(tài)；

圖5是C型環(huán)的結(jié)構(gòu)示意。

附圖標記說明：

1、電子單元；

2、推桿；

3、滑槽；

4、底板；

5、背板；

6、滾輪；

7、電解槽幫；

8、U型基準框架；

9、傾角傳感器；

10、電機；

11、蝸輪；

12、蝸桿；

13、聯(lián)接頭；

14、阻抗探桿；

15、C型環(huán)；

16、電解槽；

17、火孔；

18、電解質(zhì)融液；

19、鋁融液；

15-1、豁口；15-2、安裝螺孔。

具體實施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細描述。

參見圖1所示，一種基于阻抗變化的電解槽液位在線自主測量系統(tǒng)，包括由底板4和背板5構(gòu)成的角形測試架、推桿2及電子元件1；所述底板4下方設置滾輪6和U型基準框架8，所述底板4上方設置傾角傳感器9，所述底板4右側(cè)設置與所述推桿2配合的滑槽3；還包括電機10和阻抗探桿14，所述阻抗探桿14設置于所述背板5前方，所述電機10設置于其后方，所述電機10驅(qū)動所述阻抗探桿14運動；所述電子元件1安裝于背板5后方，分別與所述傾角傳感器9、電機10、阻抗探桿14及推桿2電連接，其中，這種角形結(jié)構(gòu)便于其在電解槽16上方的狹小空間內(nèi)靈活移動，此夾角的大小根據(jù)具體電解槽16上方的空間及火孔位置而確定，一般地說同一車間內(nèi)的情況是基本相同的，另外，背板5結(jié)構(gòu)將前面的火孔熱輻射與后面的電子電氣部件有效地隔離開，避免了電子電氣部件的熱損壞，此種測試系統(tǒng)的設計使得當外部裝置將測試架拖到與火孔對齊的路面位置后，只需在單自由度的推桿2的推動下，借助電解槽槽幫7、基準面的運動約束，就能將測試架的底板4置于基準面之上恒定高度的水平面內(nèi)，從而為高度測量提供了基準。

具體的，所述電機10與阻抗探桿14通過背板5中間的蝸輪11、背板5前面的蝸桿12及聯(lián)接頭13相連，將電機10的正、反轉(zhuǎn)動變換成阻抗探桿14的上下滑動。

具體的，如圖5所示，在所述背板5前方的下端安裝有環(huán)繞所述阻抗探桿14的C型環(huán)15，既作為阻抗探桿14的導向孔，也作為阻抗探桿14的刮渣孔，以刮除凝結(jié)在探桿上的高溫礦渣；此C型環(huán)15留有一個斷口，保證其受力后容易擴張，不會出現(xiàn)高溫探桿被卡死的現(xiàn)象。

具體的，考慮到所述阻抗探桿14被頻繁插入到電解槽16內(nèi)實施阻抗測量，需要具有耐高溫的性能，因此所述阻抗探桿14由高溫不銹鋼材料制成。

為了明確操作方式，本發(fā)明還給出了一種基于阻抗變化的電解槽液位在線自主測量方法，采用上述裝置，如圖2所示，具體包括以下步驟：

步驟一、所述角形測試架整體與火孔方向?qū)R，通過所述電子元件1控制所述推桿2持續(xù)向左推動所述角形測試架到達測試位置；

具體來說，如圖3所示，過程如下：所述推桿2通過所述滑槽3推動所述角形測試架向左移動，直到所述滾輪6抵住所述電解槽幫7的右側(cè)面，所述推桿2繼續(xù)向左伸長，所述角形測試架的所述底板4將圍繞所述滾輪6逆時針偏轉(zhuǎn)，直到所述U型基準框架8下降并抵住所述電解槽幫7的頂面，所述推桿2繼續(xù)向左伸長，所述角形測試架將圍繞所述U型基準框架8與所述槽幫7頂面的接觸線而逆時針偏轉(zhuǎn)，所述滾輪6被逐漸懸空，在推桿2不斷伸長的過程中，測試架底板4依靠不同支點而不斷地逆時針偏轉(zhuǎn)，逐漸趨向水平狀態(tài)，在上述過程中所述傾斜角由傾角傳感器9連續(xù)測量并反饋到所述電子單元1，當達到水平狀態(tài)時，所述電子單元1發(fā)出停止指令，所述推桿2停止外伸并鎖定位置；

步驟二、如圖4所示，所述電子單元1發(fā)出液位測量指令，所述電機10驅(qū)動蝸輪11帶動所述蝸桿12向下旋轉(zhuǎn)，所述聯(lián)接頭13將所述蝸桿12向下的轉(zhuǎn)動變換成所述阻抗探桿14向下的滑動，所述阻抗探桿14從所述電解槽16的上方經(jīng)火孔插入到槽內(nèi)，并依次進入熔融的電解質(zhì)層和鋁液層測量阻抗并反饋給所述電子單元1，同時，將電機10轉(zhuǎn)角信號反饋到電子單元1，以記錄阻抗探桿的下滑行程；

具體測量過程為：如果阻抗大于幾兆歐姆，表明阻抗探桿14前端還未接觸到融液18；如果阻抗由幾兆歐姆突降到幾百歐姆，表明阻抗探桿14前端開始接觸到電解質(zhì)融液18；如果阻抗由幾百歐姆再次突降，低至幾十歐姆以下，表明阻抗探桿14前端開始接觸到鋁液19，所述電子單元1記錄下第一次、第二次阻抗突降時阻抗探桿的下滑行程l、L，按照所述角形測試架的底板4與背板5之間的固定夾角θ換算成垂直行程，再結(jié)合所述U型基準框架8的高度C，通過公式h＝lsinθ-C，H＝Lsinθ-C，計算出相對于所述基準面的電解質(zhì)融液18液面h和鋁液19界面H；

步驟三、完成測量后，所述電子單元發(fā)出所述探桿回收指令，此時所述電機反轉(zhuǎn)，則所述蝸桿反向旋轉(zhuǎn)，將所述阻抗探桿從所述電解槽16內(nèi)拔出，即當阻抗探桿14接觸到鋁液19后，見圖4右，電子單元1將發(fā)出探桿回收指令，此時電機10反轉(zhuǎn)，則蝸桿12反向旋轉(zhuǎn)，將阻抗探桿14從電解槽內(nèi)拔出；

步驟四、所述電子單元1發(fā)出撤離指令，所述推桿2開始向右收縮，所述角形測試架依照與就位過程相反的動作，被逐步拉離所述電解槽16，回到初始的路面位置上，至此測試過程完全結(jié)束。

具體的，所述步驟三拔出過程中，通過所述C型環(huán)15有效刮除附帶礦渣，在拔出過程中，阻抗探桿14的表面將凝結(jié)大量的礦渣。在背板5下方接近火孔處所設置的C型環(huán)15將有效刮除這些礦渣，保證了阻抗探桿14的潔凈及下次能夠正常使用；C型環(huán)的結(jié)構(gòu)見圖5，所留出的豁口15-1增大了變形量，避免了高溫膨脹后的阻抗探桿14不被卡死；兩個螺孔15-2用于將其固定安裝在測試架的背板5上。

本發(fā)明充分考慮了高溫、強磁、刮渣、基準面等實際問題，能夠可靠、快捷、自動、精確地測得電解槽液位和界位，為鋁電解生產(chǎn)過程提供實時數(shù)據(jù)，對節(jié)能、優(yōu)化、安全運行具有重要意義。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。