CN111521645B - 一种锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置及其方法，属于湿法冶金和电化学测量技术领域。本发明可以实现对锌电积过程中的阳极或阴极的电化学状态实时在线监测，通过快速获取电极的阻抗特征，基于阻抗组元的关键参数建模，经比对后实现电极特征的实时获取，得到包括阳极表面析氧、阳极泥和阴极表面锌沉积、表面活性剂的吸附等的定性或定量观测结果。本发明对于锌电积过程的阳极和阴极的状态实时监测，可以实现电积过程中故障的自动预警，从而提高电积效率和阴极锌的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置及其方法，属于湿法冶金和电化学测量技术领域。
背景技术
目前，世界上主要的炼锌方式是湿法炼锌，湿法炼锌中锌电积不仅消耗大量的电能，而且决定阴极锌质量。随着锌电积技术的发展，自动化水平不断提高，但是，对于锌电积过程中电极的实时在线监测技术鲜有报道，而实时检测电极表面状态对于及时更换阳极板，避免阴极烧板和控制电解液中有机物的含量极为重要，从而提高锌电积的自动化程度，避免了常规生产过程中的人工对极板的逐个检测，提高了生产的效率和精确性。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置及其方法。本发明可以实现对锌电积过程中的阳极或阴极的电化学状态实时在线监测，通过快速获取电极的阻抗特征，基于阻抗组元的关键参数建模，经比对后实现电极特征的实时获取，得到包括阳极表面析氧、阳极泥和阴极表面锌沉积、表面活性剂的吸附等的定性或定量观测结果。本发明通过以下技术方案实现。
一种锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置，锌电积过程中包括电极板9、电解槽10和电解液11，电极板9为阴极板或者阳极板，电解槽10内部放置电解液 11，电解槽10内部电解液11浸没电极板9下端，在电极板9上安装实时在线测量的装置，实时在线测量的装置包括电源1、电流计2、电子负载3、AD转换器4、计算机 5、电位计6、导线7和参比电极8，电源1依次与电子负载3、电流计2和电极板9 串联连接，电解槽10内部电解液11浸没参比电极8下端，电极板9与参比电极8间设有电位计6，电子负载3通过导线7与计算机5进行通讯，电流计2、电位计6均连接AD转换器4后与计算机5数据采集端连接。
一种锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置的应用方法，包括以下步骤：电子负载3随机产生电流震荡信号Δi，通过电极板9的电流i由电流计2测得，然后经模数转换4后，使用计算机5进行数据采集；电极板9的电位通过电位计6测量电极板9与参比电极8的电位差得到，后经模数转换4后，同时使用计算机5进行数据采集；最后将采集得到的电位和电流信号经小波变换后，计算出阻抗数据，用弛豫时间分布法和等效电路模型分析实时阻抗数据，得到电极状态特征，分析电极板9的工作状态，具体的实施步骤如下：
S1、选择的电子负载3电流震荡信号Δi为离散随机二进制信号，其幅值范围为电流i的0.1～10％。
S2、电子负载3电流震荡信号Δi的功率谱密度和测量频率范围分段确定可用带宽参数Fb，输入信号在其可用带宽范围(0-Fb)内能量达到一定强度，保证能够以足够的精度表征有用的频率。根据离散随机二进制信号的功率谱密度即公式(1)和测量频率范围分段确定离散随机二进制信号的可用带宽参数Fb，式(1)中a表示离散随机二进制信号的幅值，λ表示离散随机二进制信号的最小时间间隔；ω表示频率；φd(ω)表示离散随机二进制信号对应频率ω时的功率值：
S3、根据每一段可用带宽参数Fb和采样规则确定电流信号和电压的采样频率，根据采样频率进行采样，采样频率至少是每一段需要分析频段中最高频的30倍。
S4、对采样得到的电流信号和电压进行Morlet小波变换，得到不同频率下的小波系数，计算得到该频率下的阻抗。Morlet小波变化中的中心频率(ω0)决定了它的时频分辨率，对于较小的ω0，小波的形状有利于奇异时间事件的定位，而对于较大的ω0，高斯win-dow(包络)中正弦载波的更多周期使频率定位更好，需优化ω0以获取最优时频分辨率。
S5、用弛豫时间分布法(DRT)和等效电路模型可以得到电极实时的容抗、感抗和电阻等基元特征参数，据此分析电极的工作状态。
本发明的有益效果是：
(1)具有测试速度快、测试时间短和低频下与被测系统的实际阻抗分布误差小等效果；
(2)施加特定幅值、特定带宽的离散随机二进制电流信号，保证电流激励能够准确反映锌电积电极反应过程和对电极界面化学过程准确表征；
(3)提供了一种精准测量电积过程中电极实时状态的技术，可以实现生产过程的精准控制。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2是本发明实施实例1采集得到的电流信号图；
图3是本发明实施实例1采集得到的电位信号图；
图4是本发明实施实例1对电流和电位信号进行小波变化后的Nyquist图；
图5是本发明实施实例1对得到的阻抗数据进行DRT分析图；
图6是本发明实施实例1依据DRT分析结果得到施加信号电极的电路模型图；
图7是本发明实施实例2采集得到的电流信号图；
图8是本发明实施实例2采集得到的电位信号图；
图9是本发明实施实例2对电流和电位信号进行小波变化后的Nyquist图；
图10是本发明实施实例1对得到的阻抗数据进行DRT分析图；
图11是本发明实施实例2依据DRT分析结果得到施加信号电极的电路模型图。
图中：1-电源，2-电流计，3-电子负载，4-AD转换器，5-计算机，6-电位计， 7-导线，8-参比电极，9-电极板，10-电解槽，11-电解液。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，该锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置，锌电积过程中包括电极板9、电解槽10和电解液11，电极板9为阳极板，电解槽10内部放置电解液11，电解槽10内部电解液11浸没电极板9下端，在电极板9上安装实时在线测量的装置，实时在线测量的装置包括电源1、电流计2、电子负载3、AD转换器4、计算机5、电位计6、导线7和参比电极8，电源1依次与电子负载3、电流计2和电极板9串联连接，电解槽10内部电解液11浸没参比电极8下端，电极板9与参比电极8间设有电位计6，电子负载3通过导线7与计算机5进行通讯，电流计2、电位计6均连接AD 转换器4后与计算机5数据采集端连接。
该锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置的应用方法，包括以下步骤：在50mA×cm-2的稳定电流密度下，调节电子负载3，使得电路产生幅值为0.5mA×cm-2的伪随机二进制电流震荡波动。设定系统分析的频率范围为0.05-20000Hz。计算对应的可用带宽参数Fb为2500/3，250/3，5/3。然后开始采样，采样频率为100kHz，采样时间75s，得到电流信号图(图3)和相应的响应电压信号图(图2)；最后将采集得到的电位和电流信号经小波变换后，依据不同的频段设置Morlet小波中心频率分别为 3π,20π,100π。将采集的电流和电压信号进行小波变换，获取小波系数，计算系统阻抗值，得到Nyquist图(如图4所示)。计算出阻抗数据，用弛豫时间分布法和等效电路模型分析实时阻抗数据，阻抗数据进行DRT分析图如图5所示。依据DRT分析结果得到施加信号电极的电路模型图如图6所示，模型中5Ω电阻通常为溶液电阻，其大小取决于电解液中电解质的浓度的改变；28Ω电阻通常表示了阳极析氧过程的阻力大小，越小的数值表示电极的催化活性越大，如果突然变大，表明该阳极失效；15μF的电容表示出电极表面的粗糙程度和吸附阳极泥的状态。因此，依据电路的基元和数值变化，得到阳极的实时工作状态，达到在线监测的目的。
实施例2
如图1所示，该锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置，锌电积过程中包括电极板9、电解槽10和电解液11，电极板9为阴极板，电解槽10内部放置电解液11，电解槽10内部电解液11浸没电极板9下端，在电极板9上安装实时在线测量的装置，实时在线测量的装置包括电源1、电流计2、电子负载3、AD转换器4、计算机5、电位计6、导线7和参比电极8，电源1依次与电子负载3、电流计2和电极板9串联连接，电解槽10内部电解液11浸没参比电极8下端，电极板9与参比电极8间设有电位计6，电子负载3通过导线7与计算机5进行通讯，电流计2、电位计6均连接AD 转换器4后与计算机5数据采集端连接。
该锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置的应用方法，包括以下步骤：在50mA×cm-2的稳定电流密度下，调节电子负载3，使得电路产生幅值为0.5mA×cm-2的伪随机二进制电流震荡波动。设定系统分析的频率范围为0.05-20000Hz。计算对应的可用带宽参数Fb为2500/3，250/3，5/3。然后开始采样，采样频率为100kHz，采样时间75s，得到电流信号图(图8)和相应的响应电压信号图(图7)；最后将采集得到的电位和电流信号经小波变换后，依据不同的频段设置Morlet小波中心频率分别为 3π,20π,100π。将采集的电流和电压信号进行小波变换，获取小波系数，计算系统阻抗值，得到Nyquist图(如图9所示)。计算出阻抗数据，用弛豫时间分布法和等效电路模型分析实时阻抗数据，阻抗数据进行DRT分析图如图10所示，得到电极状态特征，依据DRT分析结果得到施加信号电极的电路模型图如图11所示，模型中8Ω电阻通常为溶液电阻，其大小取决于电解液中电解质的浓度的改变；200Ω电阻通常表示了阴极对与电解液中表面活性剂等的吸附的致密状态等；35μF的电容表示出电极表面的吸附表面活性剂等的吸附的厚度等状态，依据该数据可以判定是否需要在电解液中补加有机添加剂；1kΩ电阻通常表示锌电沉积过程的阻力大小，越小的数值表示电极的沉积过电位越小，有利于节能，但是如果过小，可能有烧板现象发生；9μF的电容表示出电极表面的平整程度。因此，依据电路的基元和数值变化，得到阴极的实时工作状态，达到在线监测的目的。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (1)
1.一种锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的装置，锌电积过程中包括电极板（9）、电解槽（10）和电解液（11），电极板（9）为阴极板或者阳极板，电解槽（10）内部放置电解液（11），电解槽（10）内部电解液（11）浸没电极板（9）下端，其特征在于：在电极板（9）上安装实时在线测量的装置，实时在线测量的装置包括电源（1）、电流计（2）、电子负载（3）、AD转换器（4）、计算机（5）、电位计（6）、导线（7）和参比电极（8），电源（1）依次与电子负载（3）、电流计（2）和电极板（9）串联连接，电解槽（10）内部电解液（11）浸没参比电极（8）下端，电极板（9）与参比电极（8）间设有电位计（6），电子负载（3）通过导线（7）与计算机（5）进行通讯，电流计（2）、电位计（6）均连接AD转换器（4）后与计算机（5）数据采集端连接；
该锌电积过程中对阴阳极实时在线测量的方法，其包括以下步骤：电子负载（3）随机产生电流震荡信号Δi，通过电极板（9）的电流i由电流计（2）测得，然后经模数转换（4）后，使用计算机（5）进行数据采集；电极板（9）的电位通过电位计（6）测量电极板（9）与参比电极（8）的电位差得到，后经模数转换（4）后，同时使用计算机（5）进行数据采集；最后将采集得到的电位和电流信号经小波变换后，计算出阻抗数据，用弛豫时间分布法和等效电路模型分析实时阻抗数据，得到电极状态特征，分析电极板（9）的工作状态；
所述电子负载（3）随机产生电流震荡信号Δi为离散随机二进制信号，其幅值范围为电流i的0.1～10%；
所述电子负载（3）电流震荡信号Δi的功率谱密度和测量频率范围分段确定可用带宽参数Fb；
所述计算机（5）采样频率至少是每一段需要分析频段中最高频的30倍；
所述将采集得到的电位和电流信号进行Morlet小波变换。
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