CN117795323A

CN117795323A - 一种用于确定铝生产池中的铝生产熔池的至少一种属性的方法、一种用于确定该至少一种属性的系统、以及一种用于从铝生产池捕获样品的探头

Info

Publication number: CN117795323A
Application number: CN202280047290.8A
Authority: CN
Inventors: C·A·N·迪亚兹
Original assignee: Norda Technology Co
Current assignee: Norda Technology Co
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2022-07-01
Publication date: 2024-03-29
Also published as: EP4384812A1; AU2022305124A1; WO2023275385A1; CA3224208A1

Abstract

本发明涉及一种用于确定铝生产池的电解熔池的至少一种属性的方法，该方法包括以下步骤：将探头降入到铝生产池的熔池中，以通过探头收集熔池的样品，取出带有样品的探头，记录带有样品的探头的一系列图像，并且基于所记录的一系列图像计算获得至少一种属性。

Description

一种用于确定铝生产池中的铝生产熔池的至少一种属性的方法、一种用于确定该至少一种属性的系统、以及一种用于从铝生产池捕获样品的探头

技术领域

本发明涉及一种监测铝生产池的热性能、电解熔池的化学组成和材料平衡的方法。池的这些属性随时间的推移决定了重要的生产指标，例如工艺生产率和能源效率。

发明背景

天然铝以氧化形式存在，通过还原溶解在电解熔池中的氧化物来获得原铝。该工业过程属于能源密集型，需要12-16kWh/kg Al。因此，该工艺的能源效率和电力供应脱碳化对于原铝的可持续生产至关重要。工艺仪器创新是提高生产力和可持续性的一种途径。

根据Hall-Heroult工艺，还原池包含熔盐以溶解金属氧化物，即氧化铝(Al₂O₃)。电解质主要由冰晶石(Na₃AlF₆)组成，并含有各种添加剂，包括萤石(CaF₂)、氟化铝(AlF₃)、氟化锂(LiF)和氟化镁(MgF₂)，以改变其电化学属性，例如降低熔池熔融温度和控制氧化铝溶解度。

在Hall-Heroult池中，一组浸入熔池中的碳质阳极允许施加通过熔池循环流向位于池最底部的阴极的直流电流。电解反应的主要产物是熔融铝，其密度较大，并在含有添加剂和氧化铝的熔融冰晶石下方形成。当液态铝覆盖阴极时，由于其电子导电性，它使阴极向上电延伸。因此，随着更多金属的产生，阳极和阴极之间的距离需要修正。池的正确管理涉及及时提取金属成分，称为出料过程(tapping process)。

Hall-Heroult工艺有许多潜在变量，工艺仪器必须应对腐蚀性和高温环境(通常为950℃)。由于工艺生产率和能源效率取决于在最佳参数下运行的池，因此适当的工艺仪器和控制在工厂关键性能指标中发挥着关键作用。

在铝生产过程中，熔池中还会产生有毒排放物，并且用于将铝离子转化为金属铝原子的大电流(通常为数十万安培)会产生强磁场，因此人们最好不要离得太近。

鉴于这种环境特点，其应用要求使得传统仪器技术的实施和维护成本高昂。现有仪器体积庞大，在工厂内操作起来非常耗费体力。测量的可靠性很大程度上取决于操作员的技术水平，即使熟练的操作员也可能会出现连续的测量失败。每个样品的仪器测量时间为4–7分钟不等。如果测量失败，则可能需要多次重复才能获得正确的池参数值。即使在拥有数百个运行池的小工厂中，监测过程也是一项艰巨的任务。现有仪器的价格在4,000至100,000欧元之间，即Heraeus Electro-Nite International NV(比利时Houthalen)的FiberLab和STAS(加拿大魁北克省Chicoutimi)的STARProbe。后者使用差示量热法，并需要更复杂的探头。此外，还有仪器特定的运营成本，每次测量的下限为2.00–3.00欧元。目前的实践还涉及通过X射线衍射仪对冷冻熔池样品进行系统分析，需要收集池样品并将其运送到实验室。

现有的池控制器没有有关池状态的大量信息。对铝还原池使用的数字孪生的先进控制方法缺乏足够的操作数据基础。目前的最大努力包括从不同的地方收集数据，并将其存储在一个集中式平台中。通过这样的数据平台，可以设制定复杂的算法，试图理解从传感器和子系统获得的噪声数据，而这些传感器和子系统最初并不是为了满足控制所需的准确性和可靠性而设计的。

发明内容

考虑到上述现有技术，本发明的一个目的是避开传统工艺仪器的障碍，提供一种确定池的材料和化学平衡的廉价和可持续的解决方案。

该目的可以通过根据权利要求1的方法来实现。

基于所记录的一系列图像获得至少一个属性的步骤可以意指基于所记录的一系列图像来计算至少一个属性的步骤。

本发明包括基于计算机视觉的测量系统，用于监控铝生产池中的材料和化学平衡，同时使用一组视觉传感器，并借助物理和数据驱动的建模来提高测量精度和可靠性。

非接触式测量将样品环境和传感设备分离开来，从而限制了稳健且廉价的探头的磨损，并且使其具有较长的使用时间和相对较低的成本。

记录探头和/或样品的一系列图像的步骤可以通过图像记录单元来完成，例如照相机，优选是数码照相机，例如CCD照相机。

探头可以由机器人操作，机器人可以被指示将带有样品的探头放置在图像记录单元(例如照相机)前面，这样人类就不需要靠近铝生产池。

探头可以在铝生产熔池中保持足够长的时间以与熔池达到热平衡。记录探头的图像序列的步骤可以在浸入期间执行；并同时取出含有熔池样品的探头。记录带有样品的探头的图像序列可以涉及使用冷却气体，其中该气体可以是空气。

一旦离开池，熔池样品开始冷却并经历各种相变，直到样品完全凝固，然后达到环境温度。

该一系列图像可以是50张以上的后续图像，优选100张以上的后续图像，更优选200张以上的后续图像，甚至更优选500张以上的后续图像，并且最优选1000张以上的后续图像。

该一系列图像可以是40000张以下的后续图像，优选10000张以下的后续图像，更优选5000张以下的后续图像，甚至更优选1000张以下的后续图像，并且最优选500张以下的后续图像。

在一个实施方案中，该一系列图像可以由二维传感器阵列记录。

根据普朗克定律，所有温度高于0K的物体都会发出热辐射。合适的探测器必须对物体发射的波长范围敏感。物体发射的波长范围取决于物体的温度。用于研究铝熔池冷却样品的相关波长范围可以在可见光和近/中/远红外范围内。

二维传感器阵列可以是超过100×100像素、优选超过500×500像素、更优选超过1000×1000像素的阵列。

二维图像传感器阵列可以提供数以百万计的像素，对应于探头和样品表面的点观测，可以捕捉整个冷却过程。每个图像可提供或不提供数百万像素，但是一系列后续图像将一起提供数百万像素或数以百万计的像素。

在一个实施方案中，至少一种属性可以是熔池温度。

熔池温度是铝生产池稳定运行的一个重要属性。熔池温度过高会导致能源浪费-池侧凸缘厚度减小，池寿命缩短，热量散失，熔池蒸发增加，电流效率降低。熔池温度过低会限制铝的产量，甚至会损害池的运行稳定性，因为氧化铝溶解度降低，电解质和液态金属的密度变得相似(并且减弱了它们的分离)，并且电解质开始凝固。

在一个实施方案中，可以确定探头和/或样品的不同位置处的样品温度以确定至少一种属性，其中可以基于一系列图像来确定样品温度。

通过记录样品表面不同位置处和不同时间下的样品温度的时间变化，可以表征冷却过程的内部动态，并且可以更准确地计算至少一种属性。

优选地，可以确定样品的不同位置处的样品温度的时间依赖性，这将使得进一步实现熔池的至少一种属性。

在一个实施方案中，可以使用有限元分析(FEA)来计算样品的不同位置处的样品温度，而不排除诸如有限差分法(FDM)、有限体积法(FVM)或类似数值技术等变化，或者甚至它们的组合。

FEA是一种用于执行工程分析的计算工具。当应用于冷却样品的传热问题时，使用连续域(即样品探头体积)的网格离散化为一组离散元件，允许解决边界值问题(BVP)，其中基础物理由热方程控制。

域的小元件代表物理系统中有限但微小的体积。暴露于传感器阵列的靠近表面的有限元件的温度可以从热图像中获得。

每个像素可以对应于FEA中的一个元件。

BVP的解决方案最大限度地减少了样品内部元件的测量模糊性，并允许量化热流并间接但准确地估计内部元件的温度。

应用FEA方法时，探头和样品表面的温度分布可用于确定BVP实例中的边界条件。

在一个实施方案中，至少一种属性可以是熔池的液相线温度。

当样品冷却时，样品温度将达到液相线温度。液相线温度决定相变的开始，在这种情况下，相变可以是熔池中的盐结晶。熔池温度应优选高于液相线温度，以维持池中的生产稳定性，因为盐结晶将减少甚至消除熔池中的铝生产。为了保持能源效率，熔池温度应高于但接近液相线温度。通过精确确定熔池的液相线温度，熔池温度可以保持在液相线温度以上几度，例如比液相线温度高不到10℃，从而浪费很少的能量。优选地，熔池温度可保持在液相线温度之上小于8℃，并且最优选地在液相线温度之上小于5℃。

由于氧化铝溶解是一个吸热过程，需要150至200kJ/mol，间歇性的熔池进料会导致温度在几秒钟内下降。因此，准确的液相线温度值可以允许更有效地控制池。

在一个实施方案中，该属性可以是熔池的至少一种成分的浓度，其中该方法包括基于一系列图像计算至少一种成分的浓度的步骤。

最佳的池操作取决于将电解熔池中所有离子种类的浓度维持在一定范围内。该成分可以是盐，例如AlF₃，或金属氧化物，即氧化铝。当添加到熔池中时，所有成分以适当的量分解成各自的阳离子和阴离子。

在计算至少一种成分的浓度时可以考虑到至少一种成分凝固成沉淀物所产生的焓。凝固是放热的，因此由于持续冷却而降低的样品温度在凝固过程中短暂地趋于稳定。由于凝固发生在相对较窄的温度区间内，并且各种沉淀物显示出不同的凝固温度，因此可以确定与不同成分相关的热量。相变影响冷却曲线，并表现为由于各种沉淀物(例如冰晶石、锥冰晶石、氧化铝)的形成焓而导致来自样品发射的辐射的变化。通过感测样品辐射，人们可以随后计算样品温度随时间的演变、每单位质量成分释放的热量以及熔池中成分的初始浓度。

利用计算热力学，人们可以模拟相平衡及其动力学。此外，文献中描述的实验工作有助于验证当在相图内部(例如，在四元系统Na₂AlF₆-AlF₃-CaF₂-Al₂O₃中，在相应成分的相关浓度范围内)移动时发生的相变-。

市场上用于探索多组分系统相平衡的通用工具是Thermfact/CRCT(加拿大蒙特利尔)和GTT-Technologies(德国亚琛)开发的FactSage软件。它根据第一原理(即使用calphad建模)推导出相平衡，系统中存在的离子种类的属性来自热力学数据库。

在一个实施方案中，铝生产池的至少一种成分可以是金属盐或金属氧化物。

了解熔池中金属盐或金属氧化物的浓度很重要，因为熔池中金属盐或金属氧化物的浓度应在一定范围内，以达到最佳的铝生产。

在一个实施方案中，所述至少一种属性可以是池的熔池液位，和/或在池的液态铝水和电解熔池之间形成的电解质-金属界面的液位；其中探头的至少一部分可以分别降入到熔池液位或电解质-金属界面液位以下。熔池液位和/或电解质-金属界面的电解质-金属液位基于一系列图像来确定。

这些液位测量确定铝生产池距离其最大容量还有多远，以及生产池可以取出多少液态铝。

当探头尖端下降到池电解质-金属界面以下时，可以确定电解质-金属液位，从而得知池中液态铝的量。电解熔池和粘附在探头上的液态金属会在热谱图、可见光范围和/或红外范围内的图像中产生明显不同的像素；允许使用图像分割和校准图像记录单元的空间分辨率估算出反应器的熔池面和金属液位。

使用适当的地面水平基准、电解质-金属界面到地面的距离以及池底部到地面的距离，可以得出池中熔融铝含量的体积或质量的代表。体积校准有助于补偿池侧凸缘的变化和阴极上的沉降。例如，可以通过在用少量金属放出熔池之前和之后测量熔池-金属界面高度来进行体积校准。知道提取的金属的重量，就可以得到金属体积与高度差的对应关系。如有必要，可以在熔池-金属界面的多个液位上重复校准。

这种确定液位的方法降低了替代方法的成本和风险。

确定池金属液位是正确管理池的必要且频繁的例行程序。对每个池的金属含量进行充分准确的估算，使得可以监控池的金属产量，并在整个工厂内协调池出料(tapping)、池监控和池维护操作。

在一个实施方案中，金属盐可以是氟化铝(AlF₃)。添加AlF₃会降低熔点，并增加电解质的电导率。添加的氟(F₂)例如以氟化氢(HF)的形式离开池。尽管进入池的氧化铝通过气体洗涤系统捕获了部分氟，但总会有逸散性排放物释放到大气中。因此，确定电解质中的AlF₃浓度允许添加正确量的AlF₃，以在熔池中保持6–13wt％AlF₃内的最佳平衡。

在一个实施方案中，该成分可以是氧化铝(Al₂O₃)。氧化铝是熔池中生产金属铝的主要反应物。溶解在熔池中的氧化铝会随着生产出更多的铝而耗尽。因此，氧化铝需要定期添加到熔池中。电解熔池中氧化铝的典型浓度优选保持在的1.8–4wt％范围内。氧化铝的浓度对于维持池稳定性至关重要。如果溶解的氧化铝达到其最大熔池浓度(～4wt％)，进一步的添加物在阴极积累并破坏整个阴极表面的电流分布曲线。因此，调节池内流体位移的磁流体动力学也受到干扰。最初的后果之一可能是熔池-金属界面不规则，通常称为噪声池。当Al₂O₃含量低于1.8wt％时，池进入一种称为阳极效应的状态，池电压从正常的4–4.5V增加到20–50V。这是一种非常不希望出现的状态。阳极效应导致用于覆盖阳极的大量的下部壳(lower crust)材料迅速损失。不仅如此，氧化铝浓度低于1.8wt％会导致能量浪费并扰乱池平衡。此外，氧化铝浓度低于1.8wt％也极大地加剧了阳极处温室气体排放物(例如，CF₄和C₂F₆)的产生和释放。

在一个实施方案中，金属盐可以是CaF₂。添加CaF₂可降低熔池熔点，并提高电解质电导率，从而降低功耗。此外，CaF₂可以阻止溶解的铝离子再氧化，这是逆化学反应的一部分。CaF₂还增加熔池粘度，降低铝原子从金属液层(metal pad)扩散并返回熔池的速率。铝的解离和扩散到熔池中都会对工艺电流效率产生不利影响。确定电解质中的CaF₂浓度可以将其保持在最佳值，通常在4–7wt％范围内。

在一个实施方案中，该方法可以包括以下步骤：对于一系列图像的至少一部分，确定自探头从池中取出后的温度分布演变。

时间温度分布的演变使我们能够感知样品-探头冷却过程中释放的热量。热量包括例如沉淀物的形成焓。

冷却过程开始后立即记录图像有助于更准确地确定系统的热状态。物理模型以BVP形式表示，有助于将系统的热状态外推到不存在图像的任意时间点，并插值到两个现有图像之间的点。

与单独任何独立传感器观测的相应不确定性相比，基于模型的预测和一定量级的传感器观测的组合有助于减少由此产生的不确定性。

在一个实施方案中，该系列图像可以以每秒至少10个图像、优选地每秒至少20个图像、更优选地每秒至少100个图像、甚至更优选地每秒至少500个图像，进一步更优选地每秒至少1000个图像，甚至进一步更优选地每秒至少5000个图像，并且最优选地每秒至少10000个图像的速率来记录。

在一个实施方案中，可以开始比结束时更高的动态速率来记录系列图像。这可能是有利的，因为温度在开始时比之后下降得更快。开始时较高的图像记录速率可以让用户以良好的分辨率看到样品的变化，而后期较低或逐渐减小的速率意味着记录的图像较少，因此一系列记录的图像不会占用太多的存储空间。

在一个实施方案中，图像可以将光强度显示为所记录的来自从探头-样品反射的辐射源的辐射。可以使用可见光照相机获得图像。光可以源自第二光源，例如特定安装的第二光源。光从探头-样品表面反射，而不是由探头-样品本身发出。

这些图像可以用光场照相机(也称为全光照相机)获得，其包含从探头-样品反射的光强分布，并包括光线在空间中传播的方向。光源自第二光源，而不是由探头-样品本身发出。

光场可以确定探头和样品的瞬时几何形状。通过减去固体探头的固定几何形状，可以估算出样品的几何形状及其体积。此外，可以使探头反射与样品颜色不同的另一种颜色。

在一个实施方案中，探头和/或样品的一系列图像可以是由第一传感器阵列记录的第一系列图像，并且该方法还包括由第二传感器阵列记录探头和/或样品的第二系列图像的步骤。

第一和第二传感器阵列可以各自或其两者都具有上述传感器阵列的任何特征或特征的任何组合。

第一和第二传感器阵列可以同时记录。第一传感器阵列和第二传感器阵列可以彼此相邻放置，使得第一传感器阵列和第二传感器阵列从几乎相同的角度记录样品的几乎相同部分。

第一和/或第二传感器阵列可以对不同的波长范围敏感，使得第一和第二传感器阵列的组合可以覆盖比第一和第二传感器阵列中的每一个都大的波长范围或者覆盖不彼此邻接的两个波长范围。

收集图像的第一和/或第二传感器阵列可以在物理上独立于支持计算和数据处理的硬件，并由无线网络辅助。使用集中处理方法可以提高计算硬件的可靠性、可重用性和可扩展性。这降低了仪器成本并促进数据收集、修剪和再利用。

在实施方案中，第一传感器阵列和/或第二传感器阵列可以记录波长在400nm至700nm之间的图像。因此，图像可以包含从样品反射的光场。

在可见光范围内(400nm至700nm之间)，可以轻松确定探头-样品轮廓以及样品与探头之间的边界。这样就可以量化样品的量(体积)，从而提高确定样品中成分浓度的准确性，进而提高熔池中成分浓度的准确性。

在一个实施方案中，第一传感器阵列或第二传感器阵列可以记录波长为700nm以上的的图像。

波长在700nm以上的范围称为红外线范围。如果温度低于4000K，根据Wien位移定律，辐射强度达到峰值的波长将高于700nm，因此通过记录物体发出的辐射，可以使用对700nm以上波长敏感的传感器阵列来确定高达4000K左右的物体温度。在正常程序中，熔池温度低于1300K，红外线范围是相关波长范围。

具有红外范围内光谱灵敏度的照相机传感器允许在照相机具有足够的辐射或热成像校准的情况下确定表面温度。其结果是热分析图，其中包含捕获场景中热辐射强度的可视化。因此，可以使用Stefan-Boltzmann定律唯一地确定探头样品的表面温度。此外，红外传感器通过捕获由探头-样品表面的光学特性改性的反射光来丰富场景，该光学特性可能随着波长的增加而不同。也可以通过使用近红外光源(如LED阵列)照射探头-样品，来实现将观察从可见光扩展到近红外。

在实施方案中，第一传感器阵列或第二传感器阵列可以记录波长在1微米至14微米之间的图像。

对于温度在300K到3000K之间的黑体，根据Wien位移定律，发射辐射的峰值在10微米到1微米之间的范围内，因此温度在300K到3000K之间的样品可以通过在此波长范围内记录的传感器阵列来计算。

在实施方案中，可以通过热像仪、微测辐射热计、锑化铟(InSb)传感器、砷化铟镓(InGaAs)传感器以及CCD和/或CMOS传感器来记录图像。

在一个实施方案中，该一系列图像、第一系列图像和/或第二系列图像可以包括至少10个图像，优选至少20个图像，更优选至少50个图像，或最优选至少100个图像。

为了提取至少一个属性，有利的是，该一系列图像、第一系列图像和/或第二系列图像包括至少10个图像，优选地至少20个图像，更优选地至少50个图像，或者最优选至少1000个图像。通过至少10个图像，可以以可接受的准确度确定至少一种属性。

在实施方案中，该方法还可包括通过热敏电阻或热电偶测量探头和/或样品的温度以提供温度读数的步骤。

热敏电阻或热电偶可以安装在探头内部。优选地，可以在探头内部安装多个热敏电阻或热电偶，以测量探头多个位置的温度。如果基于所记录的一系列图像计算出的至少一个属性是样品不同位置处的样品温度，则多个热敏电阻或热电偶将提供多个点的校准，使得对探头和熔池的实际描述可以是更确切的。

热电偶或热敏电阻提供探头主体已知位置(例如热电偶位置)的地面真实温度值。热电偶或热敏电阻测量的温度提高了熔池温度测量的准确性和可靠性，并允许补偿热电偶或热敏电阻所在的探头表面的发射率。这样，热图像中热电偶安装位置的温度就可以通过热电偶或热敏电阻的读数来增强，例如通过使用传感器融合技术。

热电偶或热敏电阻将允许准确确定探头位置处的探头温度，从而提供一种具有独立于热像仪读数的故障和错误模式的测量技术。此外，传感器融合和传热建模相结合，可以提高热电偶安装位置之外的温度读数的准确性。

在一个实施方案中，来自热电偶的温度读数可以作为边界条件被馈送到数据处理设备，该数据处理设备包括具有计算工具的处理器，该计算工具被配置为执行解决传热问题的步骤。计算工具被配置为通过考虑附加边界条件来解决传热问题。

在一个实施方案中，该方法可以包括在记录该一系列图像期间屏蔽样品的步骤。

最初，在将带有样品的探头从熔池中取出后，样品的温度迅速下降。原因是辐射的总能量随着温度的四次方而减少(Stefan-Boltzmann定律)。因此，可以屏蔽样品的辐射以减慢高温下的冷却速度。

在开始记录一系列图像时，可以对探头和样品进行屏蔽，以便更详细且更准确地记录冷却初始状态期间高温下的缓冷却过程。辐射屏蔽可以通过在探头-样品离开熔池后立即将其插入到一个内壁覆盖有高反射性材料(例如，以涂层的形式)的容器中来实现。通过在将样品放置在记录探针与样本的一系列图像处之前对样本进行屏蔽，可以确保在捕获第一张图像之前样品的温度不会下降太多，从而不会丢失关于熔池的记录图像中可以提取的信息，或者只丢失很少的信息。

高反射材料可以是金属镜面，例如银镜、金镜或铝镜。在一个实施方案中，高反射表面或高红外反射表面可包含多层镀膜(multicoating)溶液，其中可包括金属层和保护层(例如用于提高耐用性的硬金属氧化物)，以避免划痕和化学反应。金属层上面的保护层通常称为第二表面镜。商用多层镀膜溶液可由银组成，提供至少95％的红外反射率。

在一个实施方案中，多层镀膜溶液可以包括过渡金属(TMR)化合物，该过渡金属(TMR)化合物包含过渡金属(TM)和还原剂(R)，其中TMR用作耐久性基材，其中过渡金属可以是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的任何一种，其中还原剂可以是B、C和N中的任一种，从而可以形成过渡金属硼化物、碳化物或氮化物。在TMR的基础上，可以掺入银或金来改性TMR以形成具有良好反射率的合金或纳米复合材料。最后，为了进一步提高耐久性和红外反射率，可以在掺有银或金的TMR上覆盖一层TMR。

在一个实施方案中，可以靠近容器的内壁安装加热器，诸如具有用于加热的加热元件的电加热器，以在例如通过机器人执行熔池样品的样品收集时提供额外的热控制。在将探头插入熔池中之前，加热器可以升高探头温度。探头和熔池温度之间的巨大差异可能会导致热力学干扰。通过加热探头，可以减小探头和熔池的温差，从而将热力学扰动最小化。另外，即使当熔池样品离开熔池时，加热器也有助于维持熔池样品的温度，直到熔池样品已被适当放置以便传感器捕捉图像。加热元件可以例如是碳化硅(SiC)或二硅化钼(MoSi2)，它们可以承受1600摄氏度以上的温度。也可以考虑其他替代方案。

在一个实施方案中，该方法还可以包括在记录一系列图像期间主动冷却样品的步骤。

如上所述，最初，在将带有样品的探头从熔池中取出后，样品的温度迅速下降。由于辐射的总能量随温度的四次方减少(Stefan-Boltzmann定律)，因此冷却速率在开始时非常快，但随着温度降低而急剧减慢。因此，探头和/或样品可以在较低温度下主动冷却，以加快过程并节省时间。

在一个实施方案中，主动冷却可以通过在探头和/或样品周围或之上循环或吹送空气或气体来执行。

主动冷却样品可以缩短测量时间。最初，在将带有样品的探头从熔池中取出后，样品的温度迅速下降。当样品温度接近室温时，温度下降不再那么快，在这个较低温度范围内冷却可以缩短测量时间。

在探头和/或样品周围或之上循环或吹送空气或气体可在不污染样品的情况下冷却探头和/或样品。通过在探头和/或样品周围或之上循环或吹送空气或气体，可以受控方式冷却探头和/或样品。另外，冷却也不会太快。冷却过快会损害传感器观测的准确性，因为样品表面温度的变化速度比传感器读取的速度要快。

设计冷却机制是为了避免气体吸收探头和样品与传感器之间介质中的光和热辐射。可以使用惰性气体，如纯净氮气、氩气或惰性气体。

在一个实施方案中，当记录该一系列图像中的第一张图像时，至少可以不对样品执行主动冷却。

本发明或公开内容还涉及一种用于确定铝生产池的熔池的至少一种属性的系统，该系统包括探头，该探头被配置为降入到铝生产池的熔池中，并且当从池中升起时用于保持来自熔池的样品；第一传感器阵列，被配置为记录由探头保持的样品的一系列图像，其中该系统被配置为基于所记录的一系列图像来获得至少一种属性。

系统可以基于所记录的一系列图像计算至少一种属性，从而获得至少一种属性。该计算可以由具有合适软件的处理器来执行，其中该处理器可设置在本地，即靠近第一传感器阵列或位于另一位置，其中将代表所记录的一系列图像的数据发送到设置在另一位置的处理器。该另一位置可以是云端或任何合适的基础设施，例如铝生产厂的数据中心。

该系统将提供一种表征为省时、省力和成本效益高的熔池的方法。

在一个实施方案中，该属性可以是来自以下列表的至少一种属性：温度、铝生产池的至少一种成分的浓度、以及铝生产池的液态铝和电解质之间的界面的液位。

在一个实施方案中，该系统还可以包括第二传感器阵列，该第二传感器阵列被配置为记录由探头保持的样品的一系列图像。

第二传感器阵列可以对与第一传感器阵列不同的另一个波长范围敏感。

在一个实施方案中，传感器阵列可以是热像仪、微测辐射热计、数码照相机、CCD照相机和/或CMOS照相机的传感器阵列。

在一个实施方案中，第一传感器阵列和/或第二传感器阵列可以是热像仪、微测辐射热计、数码照相机、CCD照相机和/或CMOS照相机的传感器阵列。

第一传感器阵列可以是热像仪、微测辐射热计、数码照相机、CCD照相机和CMOS照相机中的任一个的传感器阵列，第二传感器阵列可以是该组照相机中的另一个照相机的传感器阵列。

在一个实施方案中，第一传感器阵列和/或第二传感器阵列可以是选自CMOS、InGaAs、InSb和微测辐射热计的传感器阵列中的任意一个。第一传感器阵列和第二传感器可以是相同类型或不同类型的传感器阵列。

在一个实施方案中，在记录图像期间，从探头的视角看，第一传感器阵列和第二传感器阵列相对于彼此呈一定角度放置，其中所述角度小于15度，优选小于10度并且最优选小于5度。

如果第一传感器阵列例如被配置为像热像仪一样记录红外范围内的图像或者是微测辐射热计的传感器阵列，并且第二传感器阵列例如被配置为像CCD照相机和/或CMOS照相机一样记录可见光范围内的图像，或者反之亦然，那么通过使第一传感器阵列和第二传感器阵列彼此非常接近，第一传感器阵列和第二传感器阵列将从几乎相同的位置以几乎相同的角度记录样品的几乎相同部分的图像。来自第一传感器阵列和来自第二传感器阵列的图像可以相互叠加，这样来自传感器阵列的显示探头和/或样品的不同点的温度的图像实际上与样品/探头的不同位置相关联。

在一个实施方案中，在记录所述图像期间，从探头的视角看，第一传感器阵列和第二传感器阵列相对于彼此呈一定角度放置，其中所述角度大于10度，优选地大于30度，更优选地大于45度并且最优选地大于60度。

如果第一传感器阵列和第二传感器阵列是相同类型，有利的是将第一传感器阵列和第二传感器阵列分散开，以便第一传感器阵列和第二传感器阵列可以记录样品/探头不同侧面的图像，从而能够更详细地对样品/探头进行表征，并且可以更准确地确定池中的条件。

在一个实施方案中，探头可包括热敏电阻或热电偶，和/或系统可包括鼓风机，其被配置为向探头上体吹送空气或气体以冷却探头。

本发明还涉及一种用于捕获铝生产池样品的探头，其中该探头包括一根沿一个方向延伸的杆、用于保持来自铝生产池的样品的多个空腔，其中这些空腔沿中心杆设置，并且其中所述空腔的开口垂直于径向外的一个方向。

这种探头设计的实施方案保持样品，以便可以使用上述方法和系统对样品进行表征。

探头可由不锈钢制成，可承受熔池温度和腐蚀环境。

在一个实施方案中，空腔可由至少两个垂直于所述一个方向延伸的基本上平行的板所限定(delimited)。

样品可以被表征，而不受探头的角度方向影响，其中角度方向是围绕一个方向上的轴。平行板可以是圆形的，这将消除探头角度方向的任何差异。

在一个实施方案中，板可以被布置成使得杆位于板的每个中心。

在一个实施方案中，探头可以包括温度传感器，如热敏电阻或热电偶。温度传感器可以设置在温度传感器内部，使得温度传感器不与样品接触。温度传感器受到保护，不会与样品接触，从而延长了温度传感器的使用寿命并便于清洁探头。

附图说明

下面结合附图对本发明进行更详细的描述：

图1是包括探头和图像记录设备的系统的示意图。

图2是表示由用于溶解氧化铝的熔盐体系Na₃AlF₆、AlF₃、CaF₂组成的电解熔池的热力学平衡与温度和氧化铝的函数关系的第一张图。第一张图中的第一个点表示温度为960℃，Al₂O₃为3wt％，针对池性能和效率进行了优化。

图3是表示AlF₃和Al₂O₃的相对组成对同一体系Na₂AlF₆-AlF₃-CaF₂-Al₂O₃的热力学平衡的影响的第二张图。第二张图中的第二个点表示熔池中3wt％Al₂O₃和12wt％AlF₃的浓度，这对于池性能来说是最佳的。

图4是带有环形或圆锥形翅片的探头的示意图

发明详述

本发明通过进行非接触式数据密集型测量，避开了传统工艺仪器的障碍，从而为确定瞬时物质和化学平衡以及池的热参数提供了一种具有成本效益且快速的解决方案。

图1示出了包括探头4以及第一和第二图像记录设备6，8的系统2的示意图。也可以设想仅一个图像记录设备或多于两个图像记录设备。

探头4被降入到温度通常约为950℃的铝生产池10中的铝生产熔池9中并从中取出。

当从铝生产熔池中取出探头时，探头上有一个样品12，包括一个下部样品14和一个上部样品16。

下部样品14来自包含熔融铝的铝生产熔池9的下部，而上部样品16来自铝生产池的电解熔池，通常包含溶解在冰晶石(Na₃AlF₆)中的氧化铝(Al₂O₃)，使得氧化铝的熔点由2000℃以上降至900–1000℃。下部样品和上部样品之间的界面将取决于探头降入到铝生产池中的深度以及铝生产池中有多少熔融铝。

样品12从铝生产熔池9中取出后，最初会非常快地冷却，而随着温度降低，冷却速率也会降低，因为根据Stefan-Boltzmann定律，大部分冷却是由于样品的辐射造成的。随着下部样品14的冷却，熔融铝将凝固。随着上部样品16的冷却，电解熔池会经历相变。

要在样品发射的辐射中包含所有信息，一种解决方案是使用响应时间足够短的图像感测设备6，8。这种高速图像记录设备可能非常昂贵，替代方法是降低冷却速率。辐射屏蔽体18可以降低冷却速率。通过将带有样品的探头放入辐射屏蔽体中，可以在将探针样品从铝生产熔池9中取出后使用更具成本效益的图像感测设备。因此，可以捕获与更昂贵的图像传感器相同的信息。来自探头样品的热辐射被屏蔽体的高反射内表面保留。此外，该屏蔽体还最大限度地减少了对流气流造成的冷却。当探头和样品的温度降低后，可再次将探头和样品从辐射屏蔽体18中取出，以加快冷却速率。

当温度降低，冷却速率也随之降低时，可以去除辐射屏蔽体18，同时保留图像记录设备6，8。另外或替代地，鼓风机20可以将冷空气或气体(优选惰性气体)吹送到探头。鼓风机可以是风扇和/或含有加压气体的气瓶。

图像记录设备6，8可以包括基于微测辐射热计的照相机和半导体光子传感器阵列，用于捕获相关光谱范围内的图像，以便在记录探头表面处的温度分布后研究探头的温度变化。

探头可以具有热电偶22，以便在热电偶尖端的位置处增强热像仪或微测辐射热计获得的温度读数。热电偶22可以放置在探头的内侧或探头的外侧，优选与探头接触。

图像记录设备6，8可以包括CCD或CMOS照相机，用于记录可见光范围内的图像。照亮样品的光源24将为传感器提供所需的光线，以便在可见光谱中观察探头样品的细节。光源24可以被关闭，以便图像记录设备6，8记录的辐射仅源自探头样品。优选地，传感器被放置成彼此靠近，以便对齐各自的图像，同时记录所有图像。通过叠加，可以将探头样品位置映射到跨多个传感器图像像素上。来自不同传感器的图像包含从不同电磁波谱段捕获的互补信息。利用两个或更多个图像记录设备，可以创建探头的三维图像，从而能够更均匀地记录整个探头样品的表面温度。

图2显示了典型熔池组成随温度和氧化铝浓度(wt％)变化的化学热力学相平衡图。在这种情况下，熔池含有5wt％的CaF₂。线条表示至少一种成分开始凝固的平衡状态。图中的第一个点50代表相对于电解熔池参数而言，熔池的优选操作点，而紧邻第一个点下方的倾斜平衡线52代表液相线温度。液相线温度线以下的所有熔池相均含有不同程度的凝固成分。

图3包含类似的平衡图，不同之处仅在于在这种情况下温度为960℃的固定参数。纵轴表示氧化铝浓度(wt％)，而横轴表示氟化铝浓度(wt％)。图中的第二个点60代表池的优选操作点，大约2-3wt％的氧化铝和12wt％的氟化铝。这两个浓度必须平衡，这样才能有足够的AlF₃来改进熔池的属性，例如降低其熔点，但又不能过多地影响氧化铝溶解度，从而影响池稳定性并引发阳极效应。

图4示出了具有围绕中心杆106的翅片104的探头102。中心杆具有第一空腔108，其中的热电偶(未示出)可以接触到中心杆106的内壁110以测量温度。翅片在翅片之间形成第二空腔112，其中第二空腔被配置为容纳熔池的样品。翅片越大且越靠近，探头可以容纳的液体样品就越多。翅片越靠近，毛细管效应越强。因此，选择第二空腔112的深度和翅片之间的距离，其使得允许控制探头所能保持的电解质体积。然后可以通过调整样品的体积来相对于探头的绝对热容量来调整样品的绝对热容量。因此，这是一种保持足够的样品/探头热容比的方式。这种调整使得样品的热行为足够突出，从而可以通过热图像进行准确测量。在本发明的构思内，中心杆106和翅片分别可以是圆柱形和圆形之外的其他形状，但是圆柱形/圆形形状是优选的，因为具有旋转对称性，使得探头不需要相对于图像记录设备(例如照相机)以特殊方向旋转。

翅片可以是矩形的，而不是圆形的，在平行矩形翅片的毛细管作用下，由翅片保持的样品会被拉伸成一个平面。有了这种矩形翅片的探头，样品在朝向传感器阵列/照相机的方向就会有一个或多或少的平面。由于表面的一部分背离传感器阵列/照相机，因此在记录的图像中，没有一个点显得不如另一个点密集。图像中的不同点可以更容易地相互比较。

在一个实施方案中，探头的翅片可以被制成向上倾斜，与水平面的倾角小于30°，与于水平面的倾角小于20°，或与水平面的倾角小于10°，形成向上开口的锥体，利用重力将熔池保持在翅片之间的空腔中，同时将样品的大表面积暴露给照相机。

下面的示例显示了如何通过分析熔池样品来确定盐的结晶焓。

实施例：使用热图像确定盐结晶后的初始浓度。

考虑通过分析样品的温度演变来确定二元或三元系统中的盐浓度。使用热像仪测量样品的表面温度。体系显示相平衡，盐结晶是放热过程，不伴随化学反应。

允许用容器收集液相样品，容器与熔池达到热平衡，从熔池中取出样品。将带有样品的探头从熔池中取出，并放置样品使液体表面暴露于热像仪。样品和容器之间的所有边界都被认为是绝热的，因此热量只能通过样品的上(暴露)表面进行交换。随着样品冷却，开始沉淀出一种成分。假定其余成分的浓度保持不变，即使相关盐类已完全凝固。

熔池样品的热演变取决于能量的释放方式。为简单起见，我们只考虑辐射损耗。最初，我们拥有系统的热能，包括存储在熔池中的化学能。根据Stefan-Boltzmann定律，来自辐射的热通量是表面温度的函数。根据能量守恒原理，随着消耗热能而释放更多的热量，系统温度会降低。然而，由于我们的盐沉淀是一个放热过程，部分热量的产生是以化学能为代价的，化学能由凝固盐的溶解焓决定，而部分热量则由系统热能贡献。因此，系统温度仍然高于盐一直溶解在熔池中的情况。

我们的目标是确定熔池中随着样品温度降低而沉淀的盐的初始浓度。我们可以将物理形式化如下。将描述样品中热传播的热方程写为：

其中比热容c_p、质量密度ρ和导热系数k是熔池的已知属性。右侧第一项代表Fourier热传导。如果Q_rad表示在样品表面辐射出的能量，根据Stefan-Boltzmann定律，我们可以将样品表面上某点S_o(在样品边界处具有无穷小的面积)的热量损失表示为：

其中σ是Stefan-Boltzmann常数，ε是表面发射率，在本实例中，它是样品暴露表面的各处均为常数。

最后，方程(1)中的ΔH_v项代表与样品中沉淀盐的结晶焓相关的热量，它是局部温度演变的函数。最初，在较高温度下，ΔH_v＝0，因为盐仍保然是溶解的，随着域中更多元素的局部温度穿过相平衡线，ΔH_v增加。为了计算方程(3)中熔池样品中沉淀盐的初始浓度，我们定义了一个边界值问题(BVP)，并使用有限元法(FEM)求解器计算方程(1)的解。给定时间表面温度观测值，可以将方程(1)的解与观测值进行拟合，并使用预定的系统参数(c_p、ρ和k)来获得ΔH_v。在一个实施方案中，求解器的至少一部分可以作为深度神经网络模型来实现。随着收集到更多高质量数据，我们可以逐步从建模过渡到AI推理，其中数据比模型更能捕获过程的底层物理特性。

当盐完全沉淀后，初始浓度Co可以用结晶焓表示如下：

上面，V_s是样品体积，溶液的摩尔焓ΔH_soln是已知常数，是系统特异性的。

项目

1.一种用于确定铝生产池的电解熔池的至少一种属性的方法，该方法包括以下步骤：

-将探头降入到铝生产池的熔池中，以通过探头收集熔池的样品，

-取出带有样品的探头，

-记录带有样品的探头的一系列图像，以及

-基于所记录的一系列图像获得至少一种属性。

2.根据第1项所述的方法，其中所述至少一种属性是

-熔池温度，

-熔池的液相线温度，

-熔池的至少一种成分的浓度，其中该方法包括基于一系列图像计算至少一种成分的浓度的步骤，和/或

-熔池的熔池液位，和/或熔池的液态铝水和电解熔池之间的界面的电解质-金属液位，其中探头的至少一部分分别降低到熔池液位或电解质-金属液位以下。

3.根据前述项目中任一项所述的方法，其中确定所述样品的不同位置处的样品温度以确定至少一种属性，其中基于一系列图像来确定所述样品温度。

4.根据项目2或项目3所述的方法，其中铝生产池的至少一种成分是金属盐或金属氧化物。

5.根据项目2-4中任一项所述的方法，其中在计算所述至少一种成分的浓度时考虑至少所述至少一种成分的凝固而造成的焓。

6.根据前述项目中任一项所述的方法，其中所述图像显示为所记录的来自从所述样品反射的辐射源的辐射。

7.根据前述项目中任一项所述的方法，其中所述样品的一系列图像是由第一传感器阵列记录的第一系列图像，并且所述方法还包括由第二传感器阵列记录样品的第二系列图像的步骤。

8.根据前述项目中任一项所述的方法，其中所述方法还包括通过热敏电阻或热电偶测量探头和/或样品的温度以提供温度读数的步骤。

9.根据前述项目中任一项所述的方法，其中该方法还包括在记录该一系列图像期间屏蔽样品的步骤。

10.根据前述项目中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在记录所述一系列图像期间冷却所述样品的步骤。

11.一种用于确定铝生产池的熔池的至少一种属性的系统，该系统包括：

-探头，其配置为被降入到铝生产池的熔池中，并且当从池中升起时用于保持来自熔池的样品，

-第一传感器阵列，其配置为记录由探头保持的样品的一系列图像，以及

其中该系统配置为基于所记录的一系列图像来获得至少一种属性。

12.根据项目11所述的系统，其中所述属性是来自以下列表的至少一种属性：

-温度，

-铝生产池的至少一种成分的浓度，以及

-铝生产池的液态铝和电解质之间的界面液位。

13.根据项目11或12所述的系统，还包括第二传感器阵列，所述第二传感器阵列配置为记录由探头保持的样品的一系列图像。

14.根据项目11-13中任一项所述的系统，其中所述第一传感器阵列和/或所述第二传感器阵列是热像仪、微测辐射热计、数码照相机、CCD照相机和/或CMOS照相机。

15.根据项目13或14所述的系统，其中在记录图像期间，从探头的视角看，第一传感器阵列和第二传感器阵列相对于彼此呈一定角度放置，其中该角度为：

-小于15度，优选小于10度并且最优选小于5度；或者

-大于10度，优选大于30度，更优选大于45度并且最优选大于60度。

Claims

-取出带有样品的探头，

-记录带有样品的探头的一系列图像，以及

-基于所记录的一系列图像获得至少一种属性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一系列图像由二维传感器阵列记录。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一种属性是熔池温度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述样品的不同位置处的样品温度以确定所述至少一种属性，其中基于所述一系列图像来确定所述样品温度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中使用有限元分析(FEA)来计算所述样品不同位置处的样品温度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一种属性是熔池的液相线温度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述属性是所述熔池的至少一种成分的浓度，其中所述方法包括基于所述一系列图像来计算所述至少一种成分的浓度的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述铝生产池的至少一种成分是金属盐或金属氧化物。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中在计算所述至少一种成分的浓度时考虑至少所述至少一种成分的凝固而造成的焓。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一种属性是所述熔池的熔池液位，和/或所述熔池的液态铝水与电解熔池之间的界面的电解质-金属液位，其中探头的至少一部分分别降低到熔池液位或电解质-金属液位以下。

11.根据前述权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述金属盐是氟化铝(AlF₃)。

12.根据前述权利要求8-11中任一项所述的方法，其中所述金属盐是氧化铝(Al₂O₃)。

13.根据前述权利要求8-12中任一项所述的方法，其中所述金属盐是CaF₂。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：对于所述一系列图像的至少一部分，确定自探头从所述池中取出后的温度分布演变。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中以每秒至少1个图像、优选每秒至少2个图像、更优选每秒至少3个图像、甚至更优选每秒至少5个图像、进一步更优选每秒至少10个图像，甚至进一步更优选每秒至少20个图像，并且最优选每秒至少50个图像的速率记录所述一系列图像。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述图像显示为所记录的来自从所述样品反射的辐射源的辐射。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述样品的一系列图像是由第一传感器阵列记录的第一系列图像，并且所述方法还包括由第二传感器阵列记录所述样品的第二系列图像的步骤。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器阵列和/或所述第二传感器阵列记录波长在400nm至700nm之间的图像。

19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器阵列和/或所述第二传感器阵列记录波长高于700nm的图像。

20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器阵列和/或所述第二传感器阵列记录波长在1微米至14微米之间的图像。

21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过热像仪、微测辐射热计、照相机、数码照相机、锑化铟(InSb)传感器、砷化铟镓(InGaAs)传感器、CCD传感器和/或CMOS传感器来记录所述图像。

22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一系列图像、所述第一系列图像和/或所述第二系列图像包括至少10个图像，优选至少20个图像，更优选至少50个图像，或者最优选至少100个图像。

23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括通过热敏电阻或热电偶测量所述探头和/或所述样品的温度以提供温度读数的步骤。

24.根据权利要求23所述的方法，其中将来自所述热电偶的温度读数作为边界条件馈送到计算工具，所述计算工具配置为基于所述边界条件来解决传热问题。

25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述样品的第一位置处执行记录带有样品的探头的一系列图像的步骤，其中所述方法包括在所述样品到达第一位置之前屏蔽所述样品的步骤。

26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在记录所述一系列图像期间屏蔽所述样品的步骤。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其中屏蔽所述样品的步骤通过将所述样品放置在容器中来实现，所述容器的内壁由高反射材料覆盖，例如优选具有多层镀膜溶液的金属镜。

28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在记录所述一系列图像期间冷却所述样品的步骤。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述冷却包括通过在所述探头和/或样品上方吹送空气或气体来执行的主动冷却。

30.根据权利要求28或29所述的方法，其中当记录所述一系列图像中的第一图像时，至少不执行所述样品的主动冷却。

31.一种用于确定铝生产池的熔池的至少一种属性的系统，该系统包括：

-探头，其配置为降入到铝生产池的熔池中，并且当从熔池中升起时用于保持来自熔池的样品，

其中所述系统配置为基于所记录的一系列图像来获得至少一种属性。

32.根据权利要求31所述的系统，其中所述属性是来自以下列表的至少一种属性：

-温度，

-铝生产池的至少一种成分的浓度，以及

-铝生产池的液态铝和电解质之间的界面的液位。

33.根据权利要求31或32所述的系统，还包括第二传感器阵列，所述第二传感器阵列配置为记录由所述探头保持的所述样品的一系列图像。

34.根据权利要求31-33中任一项所述的系统，其中所述第一传感器阵列和/或所述第二传感器阵列是热像仪、微测辐射热计、数码照相机、CCD照相机和/或CMOS照相机的传感器阵列。

35.根据权利要求31-34中任一项所述的系统，其中所述第一传感器阵列和/或所述第二传感器阵列是选自CMOS、InGaAs、InSb和微测辐射热计的传感器阵列中的任意一个。

36.根据权利要求33-35中任一项所述的系统，其中在记录图像期间，从探头的视角看，所述第一传感器阵列和所述第二传感器阵列相对于彼此呈一定角度放置，其中所述角度小于15度，优选小于10度并且最优选小于5度。

37.根据权利要求33-36中任一项所述的系统，其中在记录图像期间，从探头的视角看，所述第一传感器阵列和所述第二传感器阵列相对于彼此呈一定角度放置，其中所述角度大于10度，优选大于30度，更优选大于45度并且最优选大于60度。

38.根据权利要求31-37中任一项所述的系统，其中所述探头包括热敏电阻或热电偶。

39.根据权利要求31-38中任一项所述的系统，其中所述系统包括鼓风机，所述鼓风机配置为将空气或气体吹送到探头和/或样品上方以冷却所述探头和/或所述样品。

40.一种探头，其用于从铝生产池捕获样品，其中所述探头包括：

-沿一个方向延伸的杆，

-多个空腔，配置为保持来自铝生产池的样品，其中所述空腔沿着中心杆设置，并且其中所述空腔的开口垂直于径向外的一个方向。

41.根据权利要求40所述的探头，其中所述空腔由两个、三个或更多个垂直于所述一个方向延伸的基本上平行的板所限定。

42.根据权利要求41所述的探头，其中所述板被布置成使得杆位于板的每个中心。

43.根据权利要求40-42中任一项所述的探头，其中所述探头具有涂层。

44.根据权利要求40-43中任一项所述的探头，其中所述探头包括热敏电阻或热电偶。