CN100585018C - 一种预焙铝电解槽工艺参数测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

预焙铝电解槽工艺参数测量方法，包括：利用由步进电机驱动的测量探头下行插入电解槽中，控制步进电机转速的脉冲频率不断输入单片机中计数、存储；根据铝电解槽熔液中不同层面的电压变化特性，由相应的检测电路来检测电解质液面、阳极液面、阴极液面，将相应的检测信号输入单片机；单片机根据设定的数学模式计算出极距、铝水平及电解质水平；测量探头在铝液中下行垂直距离为60～100毫米时，测得电压是阴极压降；单片机将极距、阴极压降、铝水平、电解质水平与电解温度数据输入显示屏实时显示；回位行程开关使测量探头复位。测量装置主要有采样机，控制箱；控制箱安装极化层检测电路、定距测量阴极压降电路；采样机由数据采集装置与运行动力装置组成。

Description

一种预焙铝电解槽工艺参数测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种将机电一体化技术应用于电解铝生产过程中铝电解槽工艺参数自动测量方法，本发明还涉及应用该方法的测量装置。

背景技术

电解槽中的极距、阴极压降、电解温度、铝水平、电解质水平在电解铝的生产过程中是五项重要的工艺参数，保持这些工艺参数满足工艺要求，就能正常进行电解生产，原铝的产量、质量及能耗等生产指标就能达到较为理想的水平。

目前，电解铝厂均使用钢钎、热电偶人工插入的传统方法进行这五项工艺参数的测量工作，在测量过程中，由于电解槽槽底大多凹凸不平，以及所读取数值受到人为因素的影响，使得传统测量方法要达到较为准确的测量精度几乎是不可能的。测量误差过大则可能误导电解生产，造成铝水减产、能耗增大、电流效率降低、工人劳动强度增加等不良现象。中国实用新型专利200420117075.X公开的铝电解槽工艺参数自动测量装置，仅用于测量铝水平、电解质水平和电解槽温度，不能测量极距与阴极压降这两项重要的工艺参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种预焙铝电解槽工艺参数测量方法，来准确可靠地自动测量出极距、阴极压降、铝水平、电解质水平、电解温度五项铝电解槽工艺参数，为电解铝的生产提供可靠精确的数字依据。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种采用上述测量方法的测量装置。

一种预焙铝电解槽工艺参数测量方法，包括如下步骤：

(1)利用由步进电机驱动的测量探头下行插入电解槽中，控制步进电机转速的脉冲频率不断输入单片机中计数、存储；

(2)根据铝电解槽熔液中不同层面的电压变化特性，由电解质液面检测电路来检测电解质液面，极化层检测电路来检测阳极液面与阴极液面，即极化层，将相应的检测信号输入单片机；

(3)单片机根据设定的数学模式计算出极距、铝水平及电解质水平；

(4)测量探头下行在阴极即铝液中的垂直距离为60～100毫米时，定距测量阴极压降电路所测到电压值、并将相应的检测信号输入单片机读取、存储此刻的电压值，是阴极压降；

(5)单片机将极距、阴极压降、铝水平及电解质水平数据输入显示屏进行实时显示；

(6)动态测量探头测量出电解温度输入单片机、显示屏进行实时显示；

(7)回位行程开关控制测量探头复位。

一种预焙铝电解槽工艺参数测量装置，包括采样机，安装有单片机和电解质液面检测电路的控制箱；其特征是：它还包括安装于控制箱的极化层检测电路、定距测量阴极压降电路、基准电极N与测温电路；采样机由数据采集装置与运行动力装置组成；数据采集装置由测量探头、位于测量探头内的铠装热电偶组成；运行动力装置由步进电机、步进电机输出端连接的直线升降部件组成，直线升降部件与测量探头连接；通讯线将采样机与控制箱连接。

该预焙铝电解槽工艺参数测量装置还配备有UPS电源，采样机、控制箱、UPS电源均装在推车上，形成一套独立的自动测量装置，可进行逐槽流动测量。

极化层检测电路由阳极液面检测电路与阴极液面检测电路构成，阳极液面检测电路在测量探头下行到达阳极液面时，输出高电平，使阳极液面检测继电器吸合，完成阳极液面的检测工作，同时阳极液面检测继电器向单片机发送检测信号，单片机开始进行极距计算；阴极液面检测电路在测量探头下行到达阴极液面时，输出高电平，使阴极液面检测继电器吸合，完成阴极液面的检测工作，同时阴极液面检测继电器向单片机发送检测信号，使单片机完成对极距的计算工作，单片机将极距数据存储并输出到相应的数字显示屏显示。

定距测量阴极压降电路通过测量探头下行在阴极，即铝液中的垂直距离，一般为60～100毫米(取值的理由是因为阴极液面附近为铝液、电解质的混合层，电解槽槽底又凹凸不平，从阴极液面下降60～100毫米为铝液的中间层，所受干扰最小，在此位置测量的阴极压降稳定、真实)，这时所反映的测量电极与基准电极之间的实际电压值，由定距继电器向单片机发送检测信号，单片机读取、存储此刻的电压值，就是阴极压降，单片机将此项数据输出到相应的数字显示屏显示，该电路还控制步进电机反转，使探头上行，自动返回原位，完成测量工作。

本发明的有益效果是：将电解铝厂传统的人工测量极距、阴极压降、电解温度、铝水平、电解质水平五项电解工艺参数实现了自动测量，提高了测量精度及测量可靠性，减轻了工人的劳动强度，完善了电解生产的计算机过程控制，从而有效地提高电流效率、减少吨铝电耗，实现节能、降耗、高产的理想目的。

附图说明

图1是本发明方法的工作原理流程图，

图2是本发明测量装置的示意图，

图3是图2中控制箱的面板结构示意图，

图4是图2中实施例1采样机机械构造图。

图5是本发明测量装置实施例1的极化层检测电路图，

图6是本发明测量装置实施例1的定距测量阴极压降电路图，

图7是本发明测量装置实施例1的电解质液面检测电路图，

图8是本发明测量装置的测量极距、阴极压降、电解温度、铝水平、电解质水平五项电解工艺参数的工作过程示意图，

图9是本发明测量装置现场应用示意图，

图10是本发明测量装置实施例2采样机的机械构造图，

图11是本发明测量装置实施例2极化层检测及定距测量阴极压降电路图。

图中：1-采样机，2-阴极钢棒，3-阴极(铝水熔液)，4-阴极液面，5-阳极液面，6-电解质熔液，7-氧化铝粉壳体，8-阳极，9-电解质液面，10-出铝口，11-气锤，12-通讯线，13-控制箱，14-UPS电源，15-电源推车，16-电源线，17-极距数字显示屏，18-阴极压降数字显示屏，19-电解温度数字显示屏，20-铝水平数字显示屏，21-电解质水平数字显示屏，22-步进电机，23-联轴器，24-隔热板，25-绝缘传力板，26-螺母，27-导向杆，28-绝缘底板，29-下端轴承固定座，30-测量探头，31-铠装热电偶，32-升降杆，33-滑道，34-接线盒，35-采样导线，36-弹簧型补偿导线，37-回位行程开关，38-丝杠，39-上端轴承固定座，40-联接法兰盘，41-接线端子，42-壳体，43-齿轮，44-齿条；-探头倾斜角度，Hj-极距，即极化层，Hy-探头在阴极中测量阴极压降的下行垂直距离，HL-铝水平，HZ-电解质水平，Hd-探头至地面的垂直距离，Hc-地面至电解槽槽底的垂直距离；Jjs-阳极液面检测继电器，Jjx-阴极液面检测继电器，JZ-电解质液面检测继电器，Jy-定距继电器，JjxA-Jjx输出开关的常开触点，JjxB-Jjx输出开关的常闭触点；T1、T2、T3、T4-三极管，R1、R2、R3、R4、R6、R8、R9、R10-限流电阻，Rj1、Rj2、Rj3、R5-电位器，R7-放电电阻，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7-滤波电容，E1-电解电容，P-测量电极，N-基准电极，IC-多路电压比较器，IC₁-单片机，IC₂-AD模数转换器，VP-测量电极P对基准电极N的电压，Vj1-阳极液面检测电路中的电压比较器的基准电压值、也称第一路基准电压值，Vj2-阴极液面检测电路中的电压比较器的基准电压值、也称第二路基准电压值，vj3-电解质液面检测电路中的电压比较器的基准电压值、也称第三路基准电压值。

具体实施方式

方法实施例  本发明的方法，其工作原理与过程如图1所示：测量时，将控制箱中的基准电极N与电解槽的阴极钢棒电连接，接通电源，采样机内的步进电机正转，驱动测量探头由初始位置向下运行，同时，控制步进电机转速的脉冲频率M不断输入到单片机中计数、存储；在电解质液面检测电路中，参见图5与图7，电压比较器的基准电压值Vj3＝f，该f为常数，一般取值10-30mv，f只要略大于0即可；当下降的探头未进入电解槽时，测量电极P对基准电极N之间没有电压，即VP＝0，则VP＜Vj3，此路比较器不发生翻转，其输出端为低电平，电解质液面检测继电器Jz不吸合；当下降的探头接触到电解质液面时，测量电极P对基准电极N所采集的电压值VP＝(V质+V极化+V阴)，在电解铝的生产中，电解槽中电解质的电解电压V质＝1500-1600mv，极化电压V极化＝1500-1600mv，阴极电压V阴＝500-700mv，则VP＞Vj3，此路比较器发生翻转，其输出端变为高电平，电解质液面检测继电器JZ吸合，完成电解质液面的检测工作，同时，JZ向单片机发送检测信号，单片机开始进行电解温度测量工作；本发明利用电解槽熔液中不同层面的电压变化特性来检测极化层，极化层的上端面为阳极液面，极化层的下端面为阴极液面；在极化层检测电路中，参见图5，阳极液面检测电路中的电压比较器的基准电压值Vj1＝(V极化+V阴+f)，阴极液面检测电路中的电压比较器的基准电压值Vj2＝(V阴+f)，Vj1＞Vj2；探头在未到达阳极液面时在电解质熔液中所采集的电压值VP＝(V质+V极化+V阴)，VP＞Vj1，VP＞Vj2，二路比较器不会发生翻转，其输出端为低电平，阳极液面检测继电器Jjs、阴极液面检测继电器Jjx均不吸合；只有当探头下行到达阳极液面时，此时测量电极P对基准电极N采集的电压值VP＝(V极化+V阴)，则VP＜Vj1，VP＞Vj2，此时阳极液面检测电路中的比较器发生翻转，此路比较器的输出端变为高电平，阳极液面检测继电器Jjs吸合，完成阳极液面的检测工作，同时Jjs向单片机发送检测信号，单片机开始进行极距计算，探头在极化层中继续下行；当探头穿过极化层下行到达阴极液面时，此时测量电极P对基准电极N采集的电压值就是阴极电压值V阴，VP＝V阴，则VP＜Vj2，此时阴极液面检测电路中的比较器也发生翻转，该路比较器的输出端变为高电平，阴极液面检测继电器Jjx吸合，完成阴极液面的检测工作，同时，Jjx向单片机发送检测信号，使单片机完成对极距的计算工作，单片机将此项数据存储并输出到相应的数字显示屏显示。

计算公式为：

式中：M为探头从阳极液面下行到阴极液面时步进电机获得的脉冲数，T为螺母的螺距，K为每个脉冲的转动角度，

为探头倾斜角度。

测量探头在到达阴极液面(铝液)后继续下行，定距测量阴极压降电路因Jjx吸合而向电解电容充电，开始延时，延时时间可通过调整电位器的阻值而改变；当探头从阴极液面下行的垂直距离达到设定的Hy时，此刻电解电容充电饱和，使三极管的基极有电流通过，三极管导通，Jy吸合，延时结束；同时，Jy向单片机发送检测信号，由单片机同步读取、存储在此位置测量到的VP电压值，此时的电压值VP即为真实的阴极压降，并输出到相应的数字显示屏显示；回位行程开关控制测量探头复位，步进电机自动反转，驱动测量探头上行至原位停止，测量工作结束。

计算公式为：

式中：t为延时时间(秒)，n为探头下行的线速度(mm/s)，

为探头倾斜角度。

当测量探头进入电解质熔液后，铠装热电偶就通过测量探头自动进行温度测量，此时，测量探头充当了热电偶的防腐保护管。在电解槽熔液中，阳极液面与阴极液面之间的极化层附近电离腐蚀最强。因此，本发明使用动态测量的方法，控制测量探头不会停留在电离腐蚀强的位置进行测量，延长了测量探头和热电偶的使用寿命。热电偶的温度数据经测温电路处理后输入到单片机中，由单片机读取、分析并自动存储达到热平衡后的电解温度值，在测量工作结束时，输出到相应的数字显示屏显示。

利用本发明测量、计算极距的方法，本发明能自动测量出电解槽熔液中的电解质水平，即电解质液面到阴极液面的垂直距离；本发明还能自动测量出铝水平，即阴极液面到槽底的垂直距离。

计算公式为：

式中：MZ-y为探头从电解质液面下行到阴极液面时步进电机获得的脉冲数，My为探头从初始位置下行到阴极液面时步进电机获得的脉冲数，Hd为探头至地面的垂直距离，Hc-为地面至电解槽槽底的垂直距离，T为螺母的螺距，K为每个脉冲的转动角度，

为探头倾斜角度。

测量装置实施例1

如图2所示：一种预焙铝电解槽工艺参数测量装置，包括采样机1，安装有极化层检测电路、定距测量阴极压降电路、单片机、电解质液面检测电路、基准电极N与测温电路的控制箱13；通讯线12将采样机1与控制箱13连接，基准电极N从控制箱13引出接头，用来与电解槽的阴极钢棒连接；测量探头30从采样机1伸出做直线移动。

该测量装置配备有UPS电源14，UPS电源14通过电源线16向控制箱13供电，倾斜

角度的采样机1、控制箱13、UPS电源14均装在推车15上，形成一套独立的自动测量装置，可进行逐槽流动测量，

参见图3：极距数字显示屏17、阴极压降数字显示屏18、电解温度数字显示屏19、铝水平数字显示屏20、电解质水平数字显示屏21均安装在控制箱13的面板上。

如图4所示：采样机1由数据采集装置与运行动力装置组成；数据采集装置由测量探头30、位于测量探头30内的铠装热电偶31组成；运行动力装置由步进电机22、构成直线升降部件的丝杠螺母组件与升降杆32组成；采样机的壳体42内固定装有绝缘底板28，绝缘底板28固装有上端轴承固定座39和下端轴承固定座29；丝杠螺母组件由丝杠38、导向杆27、螺母26及绝缘传力板25构成；螺母26套装在丝杠38和导向杆27上，导向杆27限制螺母26转动，使螺母26直线运行，螺母26经绝缘传力板25与升降杆32固接，进行直线运动动力传递；丝杠38和导向杆27固定安装于上、下端轴承固定座39、29；作为动力源的步进电机22经法兰盘40固定安装于上端轴承固定座39，步进电机22输出端通过联轴器23与丝杠38连接；采样机的壳体42内下端、绝缘底板28上固定有滑道33，升降杆32下端位于滑道33内腔与其滑动连接，滑道33是升降杆32的直线运行轨道；测量探头30固定安装于升降杆32下端，铠装热电偶31的热端位于中空的测量探头30头部，作为温度测量电路的输入端，在螺母26的驱动下，升降杆32带动测量探头30、铠装热电偶31进入电解槽进行动态数据采集和测量；测量探头30既是测量电极P，又是热电偶31的防腐保护管；热电偶31的冷端穿过中空的升降杆32与弹簧型补偿导线36的一端在接线盒34中连接，补偿导线36的另一端与在环境温度相对稳定的接线端子41连接，弹簧型补偿导线36通过伸缩可与升降杆32随动；测量探头30、升降杆32、滑道33三者导通，形成测量电极P；采样导线35的一端与滑道33电连接，另一端与接线端子41连接；升降杆32最上端装有回位行程开关37，使测量探头30能够自动回位；上端轴承固定座39下端装有隔热板24，使步进电机22、接线端子41的环境温度相对稳定，回位行程开关37、接线端子41固定安装在绝缘底板28上。

如图5所示：极化层检测电路由多路电压比较器IC、二个电位器Rj1、Rj2、四个限流电阻R1、R2、R3、R4、四个滤波电容C1、C2、C3、C4、二个三极管T1、T2和阳极液面检测继电器Jjs与阴极液面检测继电器Jjx组成。

阳极液面检测电路的构成：多路电压比较器IC的基准端3脚与电位器Rj1的可调端、滤波电容C1相连接，滤波电容C1并联在Rj1的可调端与接地端，组成IC第一路比较器的基准电压端Vj1，多路电压比较器的IC的比较端2脚串联限流电阻R2与测量电极P连接，基准电极N接地，P、N组成此路比较器的电压输入端，滤波电容C2并联在P、N二端，多路电压比较器IC的工作电压负极4脚、电位器Rj1的一端与基准电极N一起接地；多路电压比较器IC的输出端1脚串联限流电阻R1与三极管T1的基极连接，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极与阳极液面检测继电器Jjs连接，继电器Jjs的另一端、比较器IC的工作电压正极8脚与电位器Rj1的另一端接电源正极。

阴极液面检测电路的构成：多路电压比较器IC的基准端5脚与电位器Rj2的可调端、滤波电容C4相连接，滤波电容C4并联在Rj2的可调端与接地端，组成IC第二路比较器的基准电压端Vj2，多路电压比较器IC的比较端6脚串联限流电阻R3与测量电极P连接，基准电极N接地，P、N组成此路比较器的电压输入端，滤波电容C3并联在P、N二端，电位器Rj2的一端与基准电极N一起接地；多路电压比较器IC的输出端7脚串联限流电阻R4与三极管T2的基极连接，三极管T2的发射极接地，三极管T2的集电极与阴极液面检测继电器Jjx连接，继电器Jjx的另一端与电位器Rj2的另一端接电源正极。

多路电压比较器IC的二个电源输入端8脚与4脚分别与5V工作电源的正、负极相连接，比较器IC的第一路基准端3脚、电位器Rj1、滤波电容C1组成IC第一路的基准电压端Vj1，调节Rj1的阻值可改变基准电压Vj1的大小；P、N组成第一路比较器的电压输入端，滤波电容C2并联在P、N二端，输入电压为测量电极P、基准电极N在电解槽中采集的电压值Vp；多路电压比较器IC的第二路基准端5脚电位器Rj2、滤波电容C4组成比较器IC的第二路基准电压端Vj2，调节Rj2的阻值可改变基准电压Vj2的大小；P、N同时也是第二路比较器的电压输入端，滤波电容C3也并联在P、N二端，输入电压也为测量电极P、基准电极N在电解槽中采集的电压值Vp；第一路基准电压Vj1＞第二路基准电压Vj2；当采集的电压值VP＞Vj1，VP＞Vj2时，IC的二路比较器均不翻转，其输出端均为低电平，T1、T2不导通，Jjs、Jjx均不吸合；当Vj2＜VP≤Vj1时，IC的第二路比较器不发生翻转，第一路比较器发生翻转，第一路比较器的输出端变为高电平，T1的基极有电流通过，T1导通，Jjs吸合，表明阳极液面已经检测到，Jjs同时向单片机发出开关量检测信号，使单片机开始进行极距计算。当VP≤Vj2时，IC的第二路比较器发生翻转，此路比较器的输出端变为高电平，T2的基极有电流通过，T2导通，Jjx吸合，则表明阴极液面已经检测到，Jjx同时向单片机发出开关量检测信号，使单片机完成对极距的计算工作。

如图6所示：定距测量阴极压降电路由定距继电器Jy、限流电阻R6、放电电阻R7、三极管T3、电位器R5、电解电容E1和阴极液面检测继电器Jjx的一组开关组成；定距继电器Jy的一端与三极管T3的集电极连接，另一端接电源正极，三极管T3的发射极接地，基极串联一个限流电阻R6与电解电容E1的正极、阴极液面检测继电器Jjx的一组输出开关的公共触点连接，该组输出开关的常开触点JjxA串联一个电位器R5后接电源正极，常闭触点JjxB串联一个放电电阻R7后与电解电容E1的负极一起接地。

在阴极液面检测继电器Jjx未吸合时，电解电容E1通过放电电阻R7对地放电，使电解电容E1没有电压，其正极端为低电平，三极管T3的基极没有电流通过，T3不导通，Jy不吸合；当探头到达阴极液面，继电器Jjx吸合，其输出开关的常开触点JjxA闭合，常闭触点JjxB断开，则电路由放电状态转为充电状态，电流经电位器R5的限流后向电解电容E1充电，电路开始延时，探头在阴极，即铝液中下行，延时时间可通过调整电位器R5的阻值而改变；当探头从阴极液面下行的垂直距离达到设定的Hy时，此时测量电极P对基准电极N采集的电压值VP即为真实的阴极压降，此刻电解电容E1充电饱和，其正极端为高电平，使三极管T3的基极有电流通过，T3导通，Jy吸合，延时结束；同时，Jy向单片机发送检测信号，由单片机读取、存储此刻的VP电压值，并控制步进电机反转，使探头上行，自动返回原位，完成测量工作。

如图7所示：电解质液面检测电路由IC的第三路比较器、电位器Rj3、二个限流电阻R8、R9、二个滤波电容C5、C6、三极管T4和电解质液面检测继电器JZ-组成；多路电压比较器IC的第三路比较器的基准端10脚与电位器Rj3的可调端连接，Rj3的一端接地，另一端接电源正极；滤波电容C6并联在Rj3的可调端与接地端，组成IC第三路比较器的基准电压端，第三路比较器的比较端9脚串联一个限流电阻R8与测量电极P连接，基准电极N接地，P、N组成此路比较器的电压输入端，滤波电容C5并联在P、N两端，输入电压为测量电极P、基准电极N在电解槽中采集的电压值Vp；第三路比较器的输出端11脚串联一个限流电阻R9与三极管T4的基极连接，三极管T4的集电极与电解质液面检测继电器JZ连接，JZ另一端接电源正极，三极管T4的发射极接地。

当下降的探头未进入电解槽时，测量电极P对基准电极N之间没有电压，VP＝0，则VP＜Vj3，第三路比较器不发生翻转，其输出端为低电平，电解质液面检测继电器JZ不吸合；当下降的探头接触到电解质液面时，测量电极P对基准电极N所采集的电压值VP＝(V质+V极化+V阴)，则VP＞Vj3，第三路比较器发生翻转，其输出端变为高电平，电解质液面检测继电器JZ吸合，完成电解质液面的检测工作，同时，JZ向单片机发送检测信号，单片机开始进行电解温度测量工作。

测量装置实施例2

在图10中：采样机1由数据采集装置与运行动力装置组成；数据采集装置由测量探头30、位于测量探头30内的铠装热电偶31组成；运行动力装置由步进电机22、构成直线升降部件的齿轮齿条组件组成；滑道33固定在外壳42，作为动力源的步进电机22固装在滑道33，步进电机22的输出轴安装齿轮43，测量探头30与齿条44固定连接，齿轮43与位于滑道33中的齿条44啮合，进行动力传递，滑道33是齿条44的运行轨道，齿条44在滑道33中滑动直线运行；测量探头30、齿条44、滑道33三者导通，采样导线35的一端与滑道33电连接，另一端与固定安装在外壳42上的接线端子41连接，形成测量电极P。本实施例其余的机械装置与实施例1相同。

如图11所示：本实施例的极化层检测电路和定距测量阴极压降电路由单片机IC1、AD模数转换器IC2、限流电阻R₁₀和滤波电容C₇组成；单片机IC₁与AD模数转换器IC2的工作电源正极接电源正极，工作电源负极接地，AD模数转换器IC₂的输出端与单片机IC₁连接，AD模数转换器IC₂输入端串联限流电阻R₁₀与测量电极P连接，基准电极N接地，滤波电容C₇一端接IC₂的输入端，另一端接地，测量电极P与基准电极N组成AD模数转换器IC₂的模拟信号输入端，模拟信号为测量电极P、基准电极N在电解槽中采集的电压值V_p；电压值V_p经限流电阻R₁₀限流、滤波电容C₇滤波后输入到IC₂中，由IC₂转换为数字信号后提供给单片机IC₁读取。在单片机IC₁的运行程序中设置了二个基准电压Vj₁、Vj₂，V_j1＞V_j2；当采集的电压值V_P＞V_j1，V_P＞V_j2时，测量探头继续下行采集数据；当V_j2＜V_P≤V_j1时，表明阳极液面已经检测到，单片机IC₁从此刻起开始单独对步进电机的脉冲数进行计数、存储，开始进行极距计算；当V_P≤V_j2时，则表明阴极液面已经检测到，单片机IC₁依据从阳极液面到阴极液面的脉冲总数完成对极距的计算工作。测量探头继续下行开始在阴极(铝液)中采集阴极压降，单片机IC₁从此时起又开始单独对步进电机的脉冲数进行计数、存储，进行H_y定距计算；当测量探头下行的垂直距离达到设定的H_y时，单片机IC₁通过AD模数转换器IC₂读取、存储此刻的V_P电压值，此时的V_P电压值即为真实的阴极压降。随后单片机IC₁控制步进电机反转，使探头上行，自动返回原位，完成测量工作。

本发明的测量装置工作过程如图8所示：当下行的测量探头30即测量电极P接触到电解质液面9时，完成电解质液面检测工作，装在测量探头30内部的热电偶31开始进行电解温度测量工作，温度数据经测温电路处理后不断输入到单片机中，由单片机读取、分析并自动存储达到热平衡后的电解温度值；当下行的测量探头30接触到阳极液面5时，完成阳极液面检测工作；测量探头30继续下行；当下行的测量探头30接触到阴极液面4时，完成阴极液面检测工作；阳极液面5与阴极液面4之间的垂直距离即为极距Hj，由单片机依据此段行程的脉冲数计算出极距Hj；单片机同时还可依据检测到的电解质液面9、阴极液面4，利用完成对应行程的脉冲数计算出电解质水平HZ和铝水平HL。测量探头30在阴极即铝液中继续下行，当下行的垂直距离Hy达到设定的数值60～100毫米时，由单片机同步读取、存储在此位置测量到的VP电压值，此值即为电解槽中真实的阴极压降；随后，探头自动上行、回位，完成测量工作。

本发明的测量装置现场应用的情形如图9所示：将装有采样机1、与采样机1用通讯线12连接通讯的控制箱13、UPS电源14的推车15推至电解槽旁，将测量探头30至地面的垂直距离调整为Hd，把从控制箱13中引出的基准电极N接到电解槽的阴极钢棒2上，用气锤11打开出铝口10，将测量探头30对准出铝口，打开电源开关，测量探头30以的倾斜角度自动进入电解槽熔液中进行测量，测量完成后自动回位。

Claims (10)

1、一种预焙铝电解槽工艺参数测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)利用由步进电机驱动的测量探头下行插入电解槽中，控制步进电机转速的脉冲频率不断输入单片机中计数、存储；

(2)根据铝电解槽熔液中不同层面的电压变化特性，由相应的检测电路来检测电解质液面、阳极液面、阴极液面，将相应的检测信号输入单片机；

(3)单片机根据设定的数学模式计算出极距、铝水平及电解质水平；

(4)动态测量探头下行在阴极即铝液中的垂直距离为60～100毫米时，相应检测电路所测到、将相应的检测信号输入单片机读取、存储此刻的电压值，是阴极压降；

(5)单片机将极距、阴极压降、铝水平及电解质水平数据输入显示屏进行实时显示；

(6)动态测量探头测量出电解温度输入单片机、显示屏进行实时显示；

(7)回位行程开关控制测量探头复位。

2、一种实现权利要求1所述方法的测量装置，包括采样机(1)，安装有单片机和电解质液面检测电路的控制箱(13)；其特征是：它还包括安装于所述控制箱(13)的极化层检测电路、定距测量阴极压降电路、基准电极N与测温电路；所述采样机(1)由数据采集装置与运行动力装置组成；所述数据采集装置由测量探头(30)、位于测量探头(30)内的铠装热电偶(31)组成；所述运行动力装置由步进电机(22)、步进电机(22)输出端连接的直线升降部件组成，所述直线升降部件与所述测量探头(30)连接；通讯线(12)将所述采样机(1)与所述控制箱(13)连接。

3、根据权利要求2所述的测量装置，其特征是：所述直线升降部件由丝杠螺母组件与升降杆(32)组成；所述采样机(1)的壳体(42)内固定装有绝缘底板(28)，所述绝缘底板(28)固装有上端轴承固定座(39)和下端轴承固定座(29)；所述丝杠螺母组件由丝杠(38)、导向杆(27)、螺母(26)及绝缘传力板(25)构成；所述螺母(26)套装在所述丝杠(38)和所述导向杆(27)上，所述螺母(26)经所述绝缘传力板(25)与所述升降杆(32)固接，所述丝杠(38)和所述导向杆(27)固定安装于所述上、下端轴承固定座(39、29)；所述步进电机(22)经法兰盘(40)固定安装于所述上端轴承固定座(39)，所述步进电机(22)输出端通过联轴器(23)与所述丝杠(38)连接；所述壳体(42)内下端、所述绝缘底板(28)上固定有滑道(33)，所述升降杆(32)下端位于所述滑道(33)内腔与其滑动连接；所述测量探头(30)固定安装于所述升降杆(32)下端，所述铠装热电偶(31)的热端位于中空的测量探头(30)头部，所述热电偶(31)的冷端穿过中空的升降杆(32)与弹簧型补偿导线(36)的一端在接线盒(34)中连接，所述补偿导线(36)的另一端与接线端子(41)连接；所述测量探头(30)、所述升降杆(32)、所述滑道(33)三者导通形成测量电极(P)；采样导线(35)的一端与所述滑道(33)电连接，另一端与所述接线端子(41)连接；所述升降杆(32)最上端装有回位行程开关(37)；所述上端轴承固定座(39)下端装有隔热板(24)，所述回位行程开关(37)、所述接线端子(41)固定安装在所述绝缘底板(28)上。

4、根据权利要求2所述的测量装置，其特征是：所述直线升降部件是齿轮齿条组件；滑道(33)固定在壳体(42)，所述步进电机(22)固装在所述滑道(33)，所述步进电机(22)的输出轴安装齿轮(43)，所述测量探头(30)与齿条(44)固定连接，所述齿轮(43)与位于所述滑道(33)中的所述齿条(44)啮合，所述测量探头(30)、所述齿条(44)、所述滑道(33)三者导通，采样导线(35)的一端与所述滑道(33)电连接，另一端与固定安装在所述壳体(42)上的接线端子(41)连接，形成测量电极(P)。

5、根据权利要求2所述的测量装置，其特征是：所述测量装置配备有UPS电源(14)，所述采样机(1)、所述控制箱(13)、所述UPS电源(14)均装在推车(15)上；极距数字显示屏(17)、阴极压降数字显示屏(18)、电解温度数字显示屏(19)、铝水平数字显示屏(20)、电解质水平数字显示屏(21)均安装在所述控制箱(13)的面板上。

6、根据权利要求2至5任意一项所述的测量装置，其特征是：所述极化层检测电路由阳极液面检测电路与阴极液面检测电路构成，阳极液面检测电路在测量探头下行到达阳极液面时，输出高电平，使阳极液面检测继电器吸合，完成阳极液面的检测工作，同时阳极液面检测继电器向单片机发送检测信号，单片机开始进行极距计算；阴极液面检测电路在测量探头下行到达阴极液面时，输出高电平，使阴极液面检测继电器吸合，完成阴极液面的检测工作，同时阴极液面检测继电器向单片机发送检测信号，使单片机完成对极距的计算工作，单片机将此项数据存储并输出到相应的数字显示屏显示；

定距测量阴极压降电路通过测量探头下行在阴极，即铝液中的垂直距离60～100毫米，这时所反映的测量电极与基准电极之间的实际电压值，由定距继电器向单片机发送检测信号，单片机读取、存储此刻的电压值，就是阴极压降，单片机将此项数据输出到相应的数字显示屏显示，并控制步进电机反转，使探头上行，自动返回原位，完成测量工作。

7、根据权利要求6所述的测量装置，其特征是：极化层检测电路由多路电压比较器(IC)、二个电位器(R_j1、R_j2)、四个限流电阻(R₁、R₂、R₃、R₄)、四个滤波电容(C₁、C₂、C₃、C₄)、二个三极管(T₁、T₂)和阳极液面检测继电器(J_js)与阴极液面检测继电器(J_jx)组成；

阳极液面检测电路的构成：多路电压比较器(IC)的基准端3脚与电位器(R_j1)的可调端、滤波电容(C₁)相连接，滤波电容(C₁)并联在(R_j1)的可调端与接地端，组成(IC)第一路比较器的基准电压端，多路电压比较器的(IC)的比较端2脚串联限流电阻(R₂)与测量电极(P)连接，基准电极(N)接地，(P、N)组成第一路比较器的电压输入端，滤波电容(C₂)并联在(P、N)二端，多路电压比较器(IC)的工作电压负极4脚、电位器(R_j1)的一端与基准电极(N)一起接地；多路电压比较器(IC)的输出端1脚串联限流电阻(R₁)与三极管(T₁)基极连接，三极管(T₁)发射极接地，三极管(T₁)集电极与阳极液面检测继电器(J_js)连接，继电器(J_js)的另一端、比较器(IC)的工作电压正极8脚与电位器(R_j1)另一端接电源正极；

阴极液面检测电路的构成：多路电压比较器(IC)的基准端5脚与电位器(R_j2)的可调端、滤波电容(C₄)相连接，滤波电容(C₄)并联在(R_j2)的可调端与接地端，组成(IC)第二路比较器的基准电压端，多路电压比较器的(IC)的比较端6脚串联限流电阻(R₃)与测量电极(P)连接，基准电极(N)接地，(P、N)组成第二路比较器的电压输入端，滤波电容(C₃)并联在(P、N)二端，电位器(R_j2)的一端与基准电极(N)一起接地；多路电压比较器(IC)的输出端7脚串联限流电阻(R₄)与三极管(T₂)的基极连接，三极管(T₂)的发射极接地，三极管(T₂)集电极与阴极液面检测继电器(J_jx)连接，继电器(J_jx)的另一端与电位器R_j2的另一端接电源正极。

8、根据权利要求6所述的测量装置，其特征是：定距测量阴极压降电路由定距继电器(Jy)、限流电阻(R₆)、放电电阻(R₇)、三极管(T₃)、电位器(R₅)、电解电容(E₁)和阴极液面检测继电器(J_jx)的一组开关组成，定距继电器(J_y)的一端与三极管(T₃)的集电极连接，另一端接电源正极，三极管(T₃)的发射极接地，基极串联一个限流电阻(R₆)与电解电容(E₁)的正极、阴极液面检测继电器(J_jx)的一组输出开关的公共触点连接，该组输出开关的常开触点(J_jxA)串联一个电位器(R₅)后接电源正极，常闭触点(J_jxB)串联一个放电电阻(R₇)后与电解电容(E₁)的负极一起接地。

9、根据权利要求7所述的测量装置，其特征是：定距测量阴极压降电路由定距继电器(Jy)、限流电阻(R6)、放电电阻(R₇)、三极管(T₃)、电位器(R₅)、电解电容(E₁)和阴极液面检测继电器(J_jx)的一组开关组成，定距继电器(J_y)的一端与三极管(T₃)的集电极连接，另一端接电源正极，三极管(T₃)的发射极接地，基极串联一个限流电阻(R₆)与电解电容(E₁)的正极、阴极液面检测继电器(J_jx)的一组输出开关的公共触点连接，该组输出开关的常开触点(J_jxA)串联一个电位器(R₅)后接电源正极，常闭触点(J_jxB)串联一个放电电阻(R₇)后与电解电容(E₁)的负极一起接地。

10、根据权利要求6所述的测量装置，其特征是：极化层检测电路和定距测量阴极压降电路由单片机(IC₁)、AD模数转换器(IC₂)、限流电阻(R₁₀)和滤波电容(C₇)组成；单片机(IC₁)与AD模数转换器(IC₂)的工作电源正极接电源正极，工作电源负极接地，AD模数转换器(IC₂)的输出端与单片机(IC₁)连接，AD模数转换器(IC₂)输入端串联限流电阻(R₁₀)与测量电极(P)连接，基准电极(N)接地，滤波电容(C₇)一端接(IC₂)的输入端，另一端接地，测量电极(P)与基准电极(N)组成AD模数转换器(IC₂)的模拟信号输入端，模拟信号为测量电极(P)、基准电极(N)在电解槽中采集的电压值(V_p)。

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