本發(fā)明屬于溫度傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體的為一種鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置及方法。

背景技術(shù)：

電解鋁槽的槽殼溫度，特別是陰極鋼棒的溫度是生產(chǎn)運行中的重要參數(shù)。通過在線檢測陰極鋼棒溫度，可以實時監(jiān)測電解槽運行狀況，有效地避免漏槽等事故的發(fā)生，延長電解槽的使用壽命，同時為電解工藝的分析提供有效的參考數(shù)據(jù)。

電解槽車間環(huán)境特征明顯，主要有：1）現(xiàn)場存在強磁場，傳統(tǒng)電子式溫度傳感器無法使用；2）陰極鋼棒溫度極高，通常在250℃以上，對測溫傳感器提出了很高的要求。

傳統(tǒng)的電解鋁槽陰極鋼棒的溫度檢測辦法是通過儀器、儀表等測量工具進行人工檢測，雖然在一定程度上能夠滿足使用要求，但仍存在以下不足：

1）紅外測溫儀雖然操作簡單，但在強磁場環(huán)境下易失效，不能實時測溫，也就不能及時發(fā)現(xiàn)隱患，另外還存在工人勞動強度大，高溫、強磁場的工作環(huán)境也嚴重影響著工人的身體健康；

2）熱電偶雖然可以用來測量高溫，但是不易構(gòu)成多點分布式測量，另外，熱電偶的測溫采用電信號測量方案，容易受到電磁干擾，因此在電解槽上不適用；

3）若采用無線測溫方式，雖然安裝簡單，但仍是電信號測溫的原理，易受電磁干擾，測溫的范圍也滿足不了電解鋁的要求。

溫度作為判定電解槽爐體健康狀況的關(guān)鍵參數(shù)，傳統(tǒng)方式為人工手持紅外測溫槍進行測量，此種方法存在較大的監(jiān)測時間盲區(qū)，無法實現(xiàn)鋼棒溫度的連續(xù)實施監(jiān)控。因此，傳統(tǒng)測溫方式不能滿足鋁電解槽陰極鋼棒的特殊測溫要求，迫切需要一種新的可實現(xiàn)連續(xù)測溫的方式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置及方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對鋁電解槽陰極鋼棒溫度的在線檢測，而且可構(gòu)件構(gòu)成多點分布式測量，并具有耐高溫壓、耐腐蝕、抗電磁干擾和無源等優(yōu)點。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本發(fā)明首先提出了一種鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置，包括遠程監(jiān)控設(shè)備和與所述遠程監(jiān)控設(shè)備電連接的測溫裝置，所述測溫裝置上連接設(shè)有引導(dǎo)光纜，所述引導(dǎo)光纜上連接設(shè)有感溫光纜，所述感溫光纜上串聯(lián)設(shè)有至少一個測溫單元，所述測溫單元包括固定外殼和在所述感溫光纜上繞制設(shè)置的與鋁電解槽陰極鋼棒緊貼設(shè)置并用作感溫元件的光纜環(huán)，所述光纜環(huán)位于所述固定外殼內(nèi)，且所述固定外殼內(nèi)填充設(shè)有玻璃纖維；

所述測溫裝置包括用于發(fā)出光脈沖信號的脈沖光源發(fā)生器、用于對光信號進行濾波處理的波分復(fù)用器、用于對光信號進行光電轉(zhuǎn)化的光電探測器、用于采集和處理電信號的信號采集與處理單元和用于供電的供電單元，所述脈沖光源發(fā)生器發(fā)出的光脈沖信號經(jīng)所述波分復(fù)用器后進入所述引導(dǎo)光纜，且經(jīng)所述引導(dǎo)光纜進入的后向拉曼散射光經(jīng)所述波分復(fù)用器濾波處理后進入所述光電探測器，經(jīng)所述光電探測器光電轉(zhuǎn)化處理后得到的電信號進入所述信號采集與處理單元。

進一步，所述感溫光纜外設(shè)有耐高溫涂覆層。

進一步，所述耐高溫涂覆層采用聚酰亞胺涂覆層。

進一步，所述引導(dǎo)光纜為單模通訊光纜或多模光纜。

進一步，所述光纜環(huán)的繞制直徑大于等于60mm，且所述光纜環(huán)的繞制總長度大于等于1.5m。

本發(fā)明還提出了一種采用如上所述鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置的鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫方法，所述脈沖光源發(fā)生器發(fā)出光脈沖信號，所述光脈沖信號經(jīng)所述波分復(fù)用器濾波處理后進入所述引導(dǎo)光纜并傳輸至所述感溫光纜，且光脈沖信號在所述感溫光纜內(nèi)產(chǎn)生拉曼散射，攜帶鋁電解槽陰極鋼棒溫度信息的后向拉曼散射光將沿感溫光纜、引導(dǎo)光纜傳遞至所述波分復(fù)用器，經(jīng)所述波分復(fù)用器濾波處理后進入所述光電探測器進行光電轉(zhuǎn)化處理，經(jīng)所述光電探測器轉(zhuǎn)化得到的電信號進入所述信號采集與處理單元進行數(shù)字轉(zhuǎn)化處理，經(jīng)所述信號采集與處理單元處理得到的數(shù)字信號傳輸至所述遠程監(jiān)控設(shè)備進行解調(diào)處理，并最終得到每一個所述測溫單元的溫度數(shù)據(jù)。

進一步，遠程監(jiān)控設(shè)備對經(jīng)所述信號采集與處理單元處理得到的數(shù)字信號進行解調(diào)處理的方法如下：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強度均與所述感溫光纜所處溫度場存在正相關(guān)關(guān)系：

其中，I_s為斯托克斯光的強度；I_as為反斯托克斯光的強度；為斯托克斯光篩的波長，為反斯托克斯光的波長；

h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，C為真空中光速，為拉曼頻移，T為絕對溫度；

采用雙通道雙波長比較的方法，即對斯托克斯光和反斯托克斯光分別進行采集，利用兩者強度的比值解調(diào)溫度信號；由于反斯托克斯光對溫度更為靈敏，因此將反斯托克斯光作為信號通道，斯托克斯光作為比較通道，則兩者之間的強度比為：

即：

對于標定溫度T₀有：

則：。

進一步，在所述測溫單元間隔設(shè)置為至少兩個并構(gòu)成分布式在線測溫系統(tǒng)。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置及方法，針對鋁電解槽陰極環(huán)境特點和測溫需求，利用光纖測溫方式，解決了高溫和強磁場環(huán)境測溫可靠性問題，實現(xiàn)了溫度的連續(xù)實時監(jiān)測；

通過串聯(lián)設(shè)置至少一個測溫單元，實現(xiàn)所有鋁電解槽陰極電極點的溫度監(jiān)測；在線測溫裝置完成了分布式測溫方式到點式測溫方式的轉(zhuǎn)化，在不改變固有空間分辨率的情況下保證了針對小區(qū)域溫度的完整采集；同時，通過設(shè)置固定外殼和填充玻璃纖維，為陰極鋼棒測溫構(gòu)建了穩(wěn)定的溫度場環(huán)境，確保了測溫數(shù)據(jù)的準確和可靠，并為感溫光纜提供了可靠封裝和安全保護，保證了測溫系統(tǒng)敏感原件的使用壽命。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明：

圖1為本發(fā)明鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為測溫裝置的原理框圖；

圖3為測溫單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3的俯視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。

如圖1所示，為本發(fā)明鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例的鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置，包括遠程監(jiān)控設(shè)備5和與遠程監(jiān)控設(shè)備5電連接的測溫裝置1，測溫裝置1上連接設(shè)有引導(dǎo)光纜2，引導(dǎo)光纜2上連接設(shè)有感溫光纜3，感溫光纜3上串聯(lián)設(shè)有至少一個測溫單元4，測溫單元4包括固定外殼8和在感溫光纜3上繞制設(shè)置的與鋁電解槽陰極鋼棒緊貼設(shè)置并用作感溫元件的光纜環(huán)6，光纜環(huán)6位于固定外殼8內(nèi)，且固定外殼8內(nèi)填充設(shè)有玻璃纖維7。其中，引導(dǎo)光纜2為單模通訊光纜或多模光纜，本實施例的引導(dǎo)光纜2為單模通訊光纜。

具體的，本實施例的感溫光纜3外設(shè)有耐高溫涂覆層，且耐高溫涂覆層采用聚酰亞胺涂覆層。通過在感溫光纜3外設(shè)有耐高溫涂覆層，可以保證感溫光纜3在 300℃-350℃溫度環(huán)境下長期工作，以及在400℃溫度環(huán)境下短時工作，感溫光纜3可在300℃-350℃溫度環(huán)境下可保證使用 5年以上，不僅能夠滿足鋁電解槽陰極鋼棒高溫環(huán)境的使用要求，而且能夠有效提高使用壽命。

進一步的，光纜環(huán)的繞制直徑大于等于60mm，且光纜環(huán)的繞制總長度大于等于1.5m，本實施例的光纜環(huán)的繞制直徑等于75mm，且光纜環(huán)的繞制總長度大于等于2m。能夠有效保證在固有空間分辨（一般為1m）下的單點測溫效果，且通過限定光纜環(huán)的繞制直徑，可以防止感溫光纜3出現(xiàn)損傷。

本實施例的測溫裝置1包括用于發(fā)出光脈沖信號的脈沖光源發(fā)生器9、用于對光信號進行濾波處理的波分復(fù)用器10、用于對光信號進行光電轉(zhuǎn)化的光電探測器11、用于采集和處理電信號的信號采集與處理單元12和用于供電的供電單元13，脈沖光源發(fā)生器發(fā)出的光脈沖信號經(jīng)波分復(fù)用器后進入引導(dǎo)光纜，且經(jīng)引導(dǎo)光纜進入的后向拉曼散射光經(jīng)波分復(fù)用器濾波處理后進入光電探測器，經(jīng)光電探測器光電轉(zhuǎn)化處理后得到的電信號進入信號采集與處理單元。

具體的，本實施例采用上述鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置的鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫方法如下：脈沖光源發(fā)生器發(fā)出光脈沖信號，光脈沖信號經(jīng)波分復(fù)用器濾波處理后進入引導(dǎo)光纜并傳輸至感溫光纜，且光脈沖信號在感溫光纜內(nèi)產(chǎn)生拉曼散射，攜帶鋁電解槽陰極鋼棒溫度信息的后向拉曼散射光將沿感溫光纜、引導(dǎo)光纜傳遞至波分復(fù)用器，經(jīng)波分復(fù)用器濾波處理后進入光電探測器進行光電轉(zhuǎn)化處理，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)化得到的電信號進入信號采集與處理單元進行數(shù)字轉(zhuǎn)化處理，經(jīng)信號采集與處理單元處理得到的數(shù)字信號傳輸至遠程監(jiān)控設(shè)備進行解調(diào)處理，并最終得到每一個測溫單元的溫度數(shù)據(jù)。

進一步，遠程監(jiān)控設(shè)備對經(jīng)信號采集與處理單元處理得到的數(shù)字信號進行解調(diào)處理的方法如下：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強度均與感溫光纜所處溫度場存在正相關(guān)關(guān)系：

其中，I_s為斯托克斯光的強度；I_as為反斯托克斯光的強度；為斯托克斯光篩的波長，為反斯托克斯光的波長；

h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，C為真空中光速，為拉曼頻移，T為絕對溫度；

采用雙通道雙波長比較的方法，即對斯托克斯光和反斯托克斯光分別進行采集，利用兩者強度的比值解調(diào)溫度信號；由于反斯托克斯光對溫度更為靈敏，因此將反斯托克斯光作為信號通道，斯托克斯光作為比較通道，則兩者之間的強度比為：

即：

對于標定溫度T₀有：

則：。

進一步的，在測溫單元4間隔設(shè)置為至少兩個并構(gòu)成分布式在線測溫系統(tǒng)，本實施例的測溫單元4每隔1m設(shè)置為一個，以實現(xiàn)對鋁電解槽陰極鋼棒進行分布式在線測溫的技術(shù)目的。

本實施例鋁電解槽陰極鋼棒在線測溫裝置及方法，針對鋁電解槽陰極環(huán)境特點和測溫需求，利用光纖測溫方式，解決了高溫和強磁場環(huán)境測溫可靠性問題，實現(xiàn)了溫度的連續(xù)實時監(jiān)測；通過串聯(lián)設(shè)置至少一個測溫單元，實現(xiàn)所有鋁電解槽陰極電極點的溫度監(jiān)測；在線測溫裝置完成了分布式測溫方式到點式測溫方式的轉(zhuǎn)化，在不改變固有空間分辨率的情況下保證了針對小區(qū)域溫度的完整采集；同時，通過設(shè)置固定外殼和填充玻璃纖維，為陰極鋼棒測溫構(gòu)建了穩(wěn)定的溫度場環(huán)境，確保了測溫數(shù)據(jù)的準確和可靠，并為感溫光纜提供了可靠封裝和安全保護，保證了測溫系統(tǒng)敏感原件的使用壽命。

以上所述實施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實施例，本發(fā)明的保護范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準。