CN115453178A - 一种铝电解槽阴极电流测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阴极电流测量技术领域，尤其涉及一种铝电解槽阴极电流测量装置和方法，装置包括：光纤电流测量仪、光纤跳线盒和传感光纤，传感光纤用于套在铝电解槽中的待测量阴极钢棒上，传感光纤和光纤电流测量仪分别与光纤跳线盒可拔插连接；光纤电流测量仪用于：接收传感光纤返回的信号；光纤电流测量仪还用于：对传感光纤返回的信号进行处理，得到待测量阴极钢棒的阴极电流。本发明的一种铝电解槽阴极电流测量装置的有益效果如下：通过光纤电流测量仪能够准确测定铝电解槽中的待测试阴极钢棒的阴极电流，效率高，能够有效降低人工成本，而且，只需要一个光纤电流测量仪就能够完成多个待测试阴极钢棒的阴极电流，进一步降低成本。

Description

一种铝电解槽阴极电流测量装置和方法

技术领域

本发明涉及阴极电流测量技术领域，尤其涉及一种铝电解槽阴极电流测量装置和方法。

背景技术

从1988年到现在，Hall-Heroult的冰晶石-氧化铝熔盐电解法，已近120年发展历史。此电解炼铝的工艺和方法原理没有变化，然而电解槽的结构发生了变化。电解槽的容量(电流)由最初的几千安培增加到现在的600kA.

随着铝电解槽容量越来越大型化，其生产运行的稳定程度与阴极电流分布的均匀性越相关，阴极电流分布不均极大影响着电解槽的电流效率、能耗、槽内铝液水平电流和槽外母线系统电流分布的均匀性等重要指标。严重情况下，会造成铝电解槽频繁病槽，甚至出现破损，使得铝电解槽的槽寿命降低，铝液漏出，母线系统冲断，导致严重的经济损失，也会严重影响供电网络的波动。为此，对阴极电流进行实时检测和测量是十分必要的。由于受电解槽阴极部分空间狭小、高温、强磁场等因素的影响。阴极电流检测及测量设备研发十分困难。

目前，预焙烧式电解铝生产过程中，依据等距压降方法、水平母线电位测量方法，霍尔电磁感应测量方法得到的电流主要是建立一个整体点电流模型后估计得到的，获得的是电流变化趋势而不是准确的电流值。依托估计得到的电流值进行控制或故障检测，其效果和精度受到显著影响。虽然阳极电流变化可以很好的控制阳极效应，但由于测量的电流数据准确度不够，产生了较大的副作用，因此阳极电流准确测量也是非常有必要的。

目前，现代铝电解工艺虽然有了计算机控制系统，但由于可在线检测的参数有限，因此还需要辅以多种由人工进行的常规测定，才能全面地掌握电解槽的运行状况，效率低，人工成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种铝电解槽阴极电流测量装置和方法。

本发明的一种铝电解槽阴极电流测量装置的技术方案如下：

包括光纤电流测量仪、光纤跳线盒和传感光纤，所述传感光纤用于套在铝电解槽中的待测量阴极钢棒上，所述传感光纤和所述光纤电流测量仪分别与所述光纤跳线盒可拔插连接；

所述光纤电流测量仪用于：接收所述传感光纤返回的信号；

所述光纤电流测量仪还用于：对所述传感光纤返回的信号进行处理，得到所述待测量阴极钢棒的阴极电流。

本发明的一种铝电解槽阴极电流测量装置的有益效果如下：

通过光纤电流测量仪能够准确测定铝电解槽中的待测试阴极钢棒的阴极电流，效率高，能够有效降低人工成本，而且，只需要一个光纤电流测量仪就能够完成多个待测试阴极钢棒的阴极电流，进一步降低成本。

在上述方案的基础上，本发明的一种铝电解槽阴极电流测量装置还可以做如下改进。

进一步，包括多个传感光纤，每个传感光纤用于套在相应的待测量阴极钢棒上，所有传感光纤首尾连接，组成传感光纤队列，所述传感光纤队列的两端与所述光纤跳线盒可拔插连接；

所述光纤电流测量仪还用于：对所述传感光纤队列返回的信号进行处理，得到所有待测量阴极钢棒的阴极电流之和。

进一步，传感光纤通过保偏光纤跳线或单模跳线与所述光纤跳线盒可拔插连接。

进一步，所述光纤电流测量仪通过单模跳线与所述光纤跳线盒可拔插连接。

进一步，所述光纤电流测量仪设有显示屏，所述显示屏用于显示所述待测量阴极钢棒的阴极电流。

本发明的一种铝电解槽阴极电流测量方法的技术方案如下：

S1、光纤电流测量仪接收传感光纤返回的信号，其中，所述传感光纤套在铝电解槽中的待测量阴极钢棒上，所述传感光纤和所述光纤电流测量仪分别与所述光纤跳线盒可拔插连接；

S2、所述光纤电流测量仪对所述传感光纤返回的信号进行处理，得到所述待测量阴极钢棒的阴极电流。

本发明的一种铝电解槽阴极电流测量方法的有益效果如下：

通过光纤电流测量仪能够准确测定铝电解槽中的待测试阴极钢棒的阴极电流，效率高，能够有效降低人工成本，而且，只需要一个光纤电流测量仪就能够完成多个待测试阴极钢棒的阴极电流，进一步降低成本。

在上述方案的基础上，本发明的一种铝电解槽阴极电流测量方法还可以做如下改进。

进一步，还包括：

S3、所述光纤电流测量仪对传感光纤队列返回的信号进行处理，得到所有待测量阴极钢棒的阴极电流之和，其中，每个传感光纤套在相应的待测量阴极钢棒上，所有传感光纤首尾连接，组成所述传感光纤队列，所述传感光纤队列的两端与所述光纤跳线盒可拔插连接。

进一步，传感光纤通过保偏光纤跳线或单模跳线与所述光纤跳线盒可拔插连接。

进一步，所述光纤电流测量仪通过单模跳线与所述光纤跳线盒可拔插连接。

进一步，所述光纤电流测量仪设有显示屏，所述显示屏用于显示所述待测量阴极钢棒的阴极电流。

附图说明

图1为本发明实施例的一种铝电解槽阴极电流测量装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例的一种铝电解槽阴极电流测量装置的结构示意图之二；

图3为本发明实施例的一种铝电解槽阴极电流测量装置的结构示意图之三；

图4为原理示意图；

图5为本发明实施例的一种铝电解槽阴极电流测量方法的流程示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的本发明的一种铝电解槽阴极电流测量装置，包括光纤电流测量仪1、光纤跳线盒2和传感光纤3，传感光纤3用于套在铝电解槽中的待测量阴极钢棒4上，传感光纤3和光纤电流测量仪1分别与光纤跳线盒2可拔插连接；

其中，光纤电流测量仪1通过单模跳线5与光纤跳线盒2可拔插连接。

其中，传感光纤3通过单模跳线5与光纤跳线盒2可拔插连接。

光纤电流测量仪1用于：接收传感光纤3返回的信号；

光纤电流测量仪1还用于：对传感光纤3返回的信号进行处理，得到待测量阴极钢棒4的阴极电流。

通过光纤电流测量仪1能够准确测定铝电解槽中的待测试阴极钢棒的阴极电流，效率高，能够有效降低人工成本；

而且，若需要测量多个待测量阴极钢棒4的阴极电流时，在每个待测量阴极钢棒4上分别套一个传感光纤3，光纤电流测量仪1通过接通不同的传感光纤3，能够测量每个待测量阴极钢棒4的阴极电流，也就是说，只需要一个光纤电流测量仪1就能够完成多个待测试阴极钢棒的阴极电流，进一步降低成本。

如图2所示，传感光纤3通过保偏光纤跳线8与光纤跳线盒2可拔插连接，传感光纤3通过反射镜6和1/4波片7将检测的信号传至保偏光纤跳线8，然后光纤电流测量仪1对传感光纤3经保偏光纤跳线8返回的信号进行处理，得到待测量阴极钢棒4的阴极电流；

而且，若需要测量多个待测量阴极钢棒4的阴极电流时，在每个待测量阴极钢棒4上分别套一个传感光纤3，光纤电流测量仪1通过接通不同的传感光纤3，能够测量每个待测量阴极钢棒4的阴极电流，然后分别通过保偏光纤跳线8向光纤电流测量仪1返回信号，然后光纤电流测量仪1对传感光纤3经保偏光纤跳线8返回的信号进行处理，得到每个待测量阴极钢棒4的阴极电流；也就是说，只需要一个光纤电流测量仪1就能够完成多个待测试阴极钢棒的阴极电流，进一步降低成本。

可选地，在上述技术方案中，如图3所示，包括多个传感光纤3，每个传感光纤3用于套在相应的待测量阴极钢棒4上，所有传感光纤3首尾连接，组成传感光纤3队列，传感光纤3队列的两端与光纤跳线盒2可拔插连接；

光纤电流测量仪1还用于：对传感光纤3队列返回的信号进行处理，得到所有待测量阴极钢棒4的阴极电流之和。

例如，铝电解槽中共有100个待测量阴极钢棒4，可均分为10组，每组对应一个传感光纤3队列，能够测量每组中的所有待测量阴极钢棒4的阴极电流之和。能够用1组传感光纤队列，分别测量10组阴极钢棒电流。

可选地，在上述技术方案中，光纤电流测量仪1设有显示屏，显示屏用于显示待测量阴极钢棒4的阴极电流，还可显示所有待测量阴极钢棒4的阴极电流之和。

传感光纤3作为一种相位调制型光纤传感器，将电流的变化转换为光纤中光波相位的变化，通过相干检测和数字闭环反馈技术检测穿过传感光纤3所形成环中的电流的信息，然后通过光纤电流测量仪1对反馈信息进行处理，得到电流，传感光纤3具有绝缘性能好、体积小、重量轻、测量范围大、动态特性好、全数字化、可同时测量交、直流信号等一系列优点，在特高压直流工程、柔性直流输电工程、新一代智能变电站、冶金、电化学、发电、核物理、脉冲功率、管道阴极保护等复杂电磁环境下电流测量领域有着独特的技术优势。

传感光纤3即光纤电流传感器已经应用到电解厂系列电流的精确测量中，由于可以形成闭环回路避免背景磁场的干扰，具有很好的便携性，并且能够实现电解槽的状态检测和故障诊断。但因光纤电流测量仪1的制造成本高昂，难以大范围推广。

本发明的一种铝电解槽阴极电流测量装置，能够实现对待测量阴极钢棒4上的阴极电流的快速测量和记录，以便于判断铝电解槽的健康状况，同时，只需要一个光纤电流测量仪1就能够完成多个待测试阴极钢棒的阴极电流，解决成本高的难题。

而且，传感光纤3和光纤电流测量仪1分别与光纤跳线盒2可拔插连接；测量方案能够灵活选置。安装、测试、校准等测量优势突出。

光纤电流测量仪1外接存储设备传感光纤3模型自适应匹配，运行状态环境温度检测及故障存储，模拟/数字(Modbus标准通讯协议)信号输出，能够手持就地测量。

如图4所示，本发明的一种铝电解槽阴极电流测量装置采用磁光效应和法拉第效应测量原理，主要包括电源模块、光路模块、电路模块、显示模块，具体地：

1)电源模块：可采用锂电池、充电宝、电源适配器为光纤电流测量仪1供电。

2)光路模块：超辐射发光二极管(SLD)光源发出的光经过耦合器后，经起偏器起偏，变为线偏振光，线偏振光经过45°熔点时，光功率平均地分配到保偏光纤的两个正交偏振轴上独立传输，这两束正交模式的线偏振光经过λ/4波片7，分别被转换为左旋和右旋圆偏振光并进入传感光纤3；受到电流产生磁场的作用，两束圆偏振光发生法拉第磁光效应产生相位差，经过反射镜6端面处反射后，两束光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)并沿原路返回，再次经过传感光纤3时两束光再次发生法拉第磁光效应，相位差加倍；这两束光第二次经过λ/4波片7时，被恢复为线偏振光，并在起偏器处发生干涉；最后，携带相位差信号的光经由耦合器进入光电探测器被转换为电信号。根据法拉第磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与两束光的相位差成正比，因此，通过提取干涉光信号中的相位差即可计算出待测电流大小。

由于参与干涉的两束偏振光始终在同一根光纤中传输，光路具有完全的空间互易性和良好的时间互易性，对双折射、温度、微弯、振动等干扰因素具有优异的抑制效果。

3)电路模块：数字闭环信号检测模块和光源控制模块。

数字闭环信号检测模块的关键器件包含前置放大器、A/D转换器、数字逻辑电路、D/A转换器和运算放大器，其中，前置放大器用于对探测器的输出电压信号进行模拟放大；A/D转换器用于对放大后的模拟电压信号进行高速数据采集；数字逻辑电路是整个信号处理电路的核心，它的主要功能包括：实现整个信号处理流程的时序控制，实现数字相关解调，进行数字积分，产生数字相位阶梯波以及偏置调制信号，生成反馈信号实现闭环控制，内部状态量的实时监测，获取数字量信号，进行数字滤波并作为传感器的数字输出；D/A转换器与运算放大器用于将数字信号转换为模拟电压信号施加在相位调制器上进行相位调制和反馈，对于测量准确度要求高的场合，信号处理电路中需使用第二闭环回路，通过控制反馈通道中D/A转换器的参考电压或运算放大器的增益来减小因相位调制器半波电压随温度变化导致的复位误差。

光源控制模块主要实现对光源管芯温度和驱动电流的精确控制，工作环境状态监测，为传感器的测量精度和运行可靠性提供必要保障。

4)显示模块：液晶显示与光电模块采用485接口Modbus标准协议进行数据通讯，实时显示电流测量值、运行状态指示、内存、温度、波形曲线、参数设置、校准调试等功能。

光纤电流测量仪1可连接外置存储器，自适应匹配光电模块及传感光纤3温度参数模型，精准测量电流。

本发明的一种铝电解槽阴极电流测量装置，光纤电流测量仪1和传感光纤3通过光纤跳线盒2直接插接测量，每个被测阴极或阳极即待测测点只需要固定安装一个传感光纤3跳线，大大降低了成本，又兼顾了测量的灵活性；还可根据测量需求可配置1个或多个光纤电流测量仪1，可实现1路或多路电流的测量，还能够外接存储设备，光电模块参数及温度模型独立存储及自适应匹配传感光纤3，自适应匹配参数及保存报表；光纤电流测量仪1可手持测量，运行记录及校准电流便捷，光纤电流测量仪1温度采集、状态检测、波形记录、存储曲线。具有如下有益效果：

1)依据电解槽容量，经济运行状况，灵活选择测量方案；

2)传感光环卡槽式固定绕制，拆装灵活便捷，重复安装位置误差精度＜0.05％，有效解决测量对象更换时光纤重复熔接问题；

3)光纤电流测量仪1温度及参数模型独立存储自动匹配识别传感光纤3，减少采集器数量降低制造成本；

4)可排除强磁场、换极、高温等复杂环境因素干扰；

5)光纤电流测量仪1运行指示及状态检测，为故障分析提供解决方案。

如图5所示，本发明实施例的一种铝电解槽阴极电流测量方法，包括如下步骤：

S1、光纤电流测量仪1接收传感光纤3返回的信号，其中，传感光纤3套在铝电解槽中的待测量阴极钢棒4上，传感光纤3和光纤电流测量仪1分别与光纤跳线盒2可拔插连接；

S2、光纤电流测量仪1对传感光纤3返回的信号进行处理，得到待测量阴极钢棒4的阴极电流。

通过光纤电流测量仪1能够准确测定铝电解槽中的待测试阴极钢棒的阴极电流，效率高，能够有效降低人工成本，而且，只需要一个光纤电流测量仪1就能够完成多个待测试阴极钢棒的阴极电流，进一步降低成本。

可选地，在上述技术方案中，还包括：

S3、光纤电流测量仪1对传感光纤3队列返回的信号进行处理，得到所有待测量阴极钢棒4的阴极电流之和，其中，每个传感光纤3套在相应的待测量阴极钢棒4上，所有传感光纤3首尾连接，组成传感光纤3队列，传感光纤3队列的两端与光纤跳线盒2可拔插连接。

可选地，在上述技术方案中，传感光纤3通过保偏光纤跳线8或单模跳线5与光纤跳线盒2可拔插连接。

可选地，在上述技术方案中，光纤电流测量仪1通过单模跳线5与光纤跳线盒2可拔插连接。

可选地，在上述技术方案中，光纤电流测量仪1设有显示屏，显示屏用于显示待测量阴极钢棒4的阴极电流。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

上述关于本发明的一种铝电解槽阴极电流测量方法中的各步骤是实现，可参考上文中关于一种铝电解槽阴极电流测量装置的实施例中内容，在此不做赘述。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种铝电解槽阴极电流测量装置，其特征在于，包括光纤电流测量仪、光纤跳线盒和传感光纤，所述传感光纤用于套在铝电解槽中的待测量阴极钢棒上，所述传感光纤和所述光纤电流测量仪分别与所述光纤跳线盒可拔插连接；

所述光纤电流测量仪用于：接收所述传感光纤返回的信号；

所述光纤电流测量仪还用于：对所述传感光纤返回的信号进行处理，得到所述待测量阴极钢棒的阴极电流。

2.根据权利要求1所述的一种铝电解槽阴极电流测量装置，其特征在于，包括多个传感光纤，每个传感光纤用于套在相应的待测量阴极钢棒上，所有传感光纤首尾连接，组成传感光纤队列，所述传感光纤队列的两端与所述光纤跳线盒可拔插连接；

所述光纤电流测量仪还用于：对所述传感光纤队列返回的信号进行处理，得到所有待测量阴极钢棒的阴极电流之和。

3.根据权利要求1或2所述的一种铝电解槽阴极电流测量装置，其特征在于，传感光纤通过保偏光纤跳线或单模跳线与所述光纤跳线盒可拔插连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种铝电解槽阴极电流测量装置，其特征在于，所述光纤电流测量仪通过单模跳线与所述光纤跳线盒可拔插连接。

5.根据权利要求1所述的一种铝电解槽阴极电流测量装置，其特征在于，所述光纤电流测量仪设有显示屏，所述显示屏用于显示所述待测量阴极钢棒的阴极电流。

6.一种铝电解槽阴极电流测量方法，其特征在于，包括：

S1、光纤电流测量仪接收传感光纤返回的信号，其中，所述传感光纤套在铝电解槽中的待测量阴极钢棒上，所述传感光纤和所述光纤电流测量仪分别与所述光纤跳线盒可拔插连接；

S2、所述光纤电流测量仪对所述传感光纤返回的信号进行处理，得到所述待测量阴极钢棒的阴极电流。

7.根据权利要求6所述的一种铝电解槽阴极电流测量方法，其特征在于，还包括：

S3、所述光纤电流测量仪对传感光纤队列返回的信号进行处理，得到所有待测量阴极钢棒的阴极电流之和，其中，每个传感光纤套在相应的待测量阴极钢棒上，所有传感光纤首尾连接，组成所述传感光纤队列，所述传感光纤队列的两端与所述光纤跳线盒可拔插连接。

8.根据权利要求6或7所述的一种铝电解槽阴极电流测量方法，其特征在于，传感光纤通过保偏光纤跳线或单模跳线与所述光纤跳线盒可拔插连接。

9.根据权利要求6或7所述的一种铝电解槽阴极电流测量方法，其特征在于，所述光纤电流测量仪通过单模跳线与所述光纤跳线盒可拔插连接。

10.根据权利要求6所述的一种铝电解槽阴极电流测量方法，其特征在于，所述光纤电流测量仪设有显示屏，所述显示屏用于显示所述待测量阴极钢棒的阴极电流。

Images