專利名稱：一種工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋁電解技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置 及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)中采用電解熔融冰晶石-氧化鋁的方法生產(chǎn)原鋁，并向其中加入氟化 鈣、氟化鋰等以改善鋁電解質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)。鋁電解工業(yè)是高能耗工業(yè)，然而，并非所有 的直流電都用于電解氧化鋁，有一部分直流電由于鋁電解質(zhì)的歐姆電壓降而消耗；因此，提 高鋁電解質(zhì)的電導(dǎo)率對(duì)于降低鋁電解能耗、提高電流效率具有重要的意義。所以，對(duì)于工業(yè) 鋁電解質(zhì)的電導(dǎo)率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)定，顯得極為關(guān)鍵。高溫電解質(zhì)的電導(dǎo)率測(cè)定通常都是在電導(dǎo)池內(nèi)進(jìn)行的，而電導(dǎo)池需要有固定的電 導(dǎo)池常數(shù)，因此需要其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電導(dǎo)池所用的材料需要有抗鋁電解質(zhì)腐蝕性和良好的抗 熱震性。此外，鋁電解車間內(nèi)存在有電磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)電子儀器產(chǎn)生干擾，這也是限制工業(yè)鋁電 解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量的一個(gè)主要原因。目前，工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率的測(cè)量，通常都采用將電 解質(zhì)取出，冷凝后再送到分析室內(nèi)進(jìn)行的；這種非實(shí)時(shí)測(cè)量的做法耗時(shí)較長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種可方便、快捷、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工業(yè)鋁電解 質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置及測(cè)量方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè) 量裝置，包括測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、讀數(shù)系統(tǒng)及移動(dòng)、升降系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)包括電導(dǎo)池和 導(dǎo)桿，所述控制系統(tǒng)包括電源和PLC，所述讀數(shù)系統(tǒng)包括RLC測(cè)試儀和工業(yè)平板電腦，所述 移動(dòng)、升降系統(tǒng)包括伺服電機(jī)和支架；所述電源分別與PLC、RLC測(cè)試儀、工業(yè)平板電腦及伺 服電機(jī)相連接，所述工業(yè)平板電腦分別與PLC和RLC測(cè)試儀相連接，所述PLC與伺服電機(jī)的 控制端口相連接，伺服電機(jī)的電機(jī)軸與支架相連接，所述支架通過導(dǎo)桿與電導(dǎo)池相連接，所 述導(dǎo)桿與RLC測(cè)試儀的探頭相連接。所述電導(dǎo)池包括下部具有通孔的石墨坩堝，在石墨坩堝內(nèi)側(cè)的四周設(shè)置有內(nèi)襯， 在內(nèi)襯的上方設(shè)置有中心具有電極通孔的卡頭，在所述石墨坩堝的上方設(shè)置有電極，電極 與卡頭中心的電極通孔相對(duì)應(yīng)；所述石墨坩堝和電極分別通過導(dǎo)桿與移動(dòng)、升降系統(tǒng)的支 架相連接，所述導(dǎo)桿分別與RLC測(cè)試儀的兩個(gè)探頭相連接。為了節(jié)約成本，所述導(dǎo)桿未與電解質(zhì)接觸的部分采用高溫不銹鋼材料制成，與電 解質(zhì)接觸的部分采用鉬金屬制成。所述電極采用鉬金屬制成。所述石墨坩堝內(nèi)側(cè)的內(nèi)襯采用氮化硼材料制成，氮化硼具有抗電解質(zhì)腐蝕和電阻 率大的特性，可以防止石墨坩堝側(cè)部與電解質(zhì)接觸發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。所述卡頭采用氮化硼材料制成。
為了屏蔽鋁電解車間內(nèi)的電磁干擾，可將讀數(shù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和移動(dòng)、升降系統(tǒng)置 于不銹鋼箱體內(nèi)。為了方便移動(dòng)，可將所述不銹鋼箱體置于小車上。所述控制系統(tǒng)的電源包括蓄電池和不間斷電源UPS，由蓄電池為不間斷電源UPS 進(jìn)行供電。所述工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括如下步驟步驟一電導(dǎo)池常數(shù)的標(biāo)定；電解質(zhì)的電導(dǎo)率計(jì)算公式如下

K =k/R(1-1)由式(1-1)變形得k= k*R (1-2)式中，κ為電解質(zhì)的電導(dǎo)率，單位為S ^nT1 ；R為電解質(zhì)的電阻，單位為ω ;k為電 導(dǎo)池常數(shù)，單位為cm—1，其值只與電導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)有關(guān)；向電導(dǎo)池內(nèi)注入已知電導(dǎo)率的熔鹽或水溶液，采用RLC測(cè)試儀測(cè)定電導(dǎo)池內(nèi)電解 質(zhì)的電阻，根據(jù)式(1-2)確定電導(dǎo)池常數(shù)k;步驟二 使用步驟一中標(biāo)定的電導(dǎo)池常數(shù)k，采用RLC測(cè)試儀測(cè)定電導(dǎo)池內(nèi)待測(cè)電 解質(zhì)的電阻，根據(jù)式(1-1)確定待測(cè)電解質(zhì)的電導(dǎo)率。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明可精確地實(shí)現(xiàn)工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率的在線實(shí)時(shí)測(cè)量，為鋁電解工藝參數(shù)的 改進(jìn)提供了基礎(chǔ)，從而提高了電流效率，降低了直流電耗。另外，由于本發(fā)明的讀數(shù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和移動(dòng)、升降系統(tǒng)置于不銹鋼箱體內(nèi)，可 有效地屏蔽鋁電解車間內(nèi)電磁場(chǎng)的干擾；不銹鋼箱體置于小車上，可方便移動(dòng)，更有利于電 解質(zhì)電導(dǎo)率的在線實(shí)時(shí)測(cè)量。


圖1是本發(fā)明的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的移動(dòng)、升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3的右視圖；圖5是本發(fā)明測(cè)量裝置的測(cè)量方法的程序流程圖； 圖中，1-控制系統(tǒng)，2-測(cè)量系統(tǒng)，3-讀數(shù)系統(tǒng)，4-移動(dòng)、升降系統(tǒng)，5-電導(dǎo)池，6_通 孔，7-石墨坩堝，8-內(nèi)襯，9-卡頭，10-電極通孔，11-電極，12-導(dǎo)桿，13-支架，14-滑道， 15-搖桿，16-不銹鋼箱體，17-小車，18-工業(yè)平板電腦。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，一種工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，包括測(cè)量系統(tǒng)2、控制系統(tǒng) 1、讀數(shù)系統(tǒng)3及移動(dòng)、升降系統(tǒng)4，所述測(cè)量系統(tǒng)2包括電導(dǎo)池和導(dǎo)桿，所述控制系統(tǒng)1包括 電源和PLC，所述讀數(shù)系統(tǒng)3包括RLC測(cè)試儀和工業(yè)平板電腦，所述移動(dòng)、升降系統(tǒng)4包括伺服電機(jī)和支架；所述電源分別與PLC、RLC測(cè)試儀、工業(yè)平板電腦及伺服電機(jī)相連接，所述工 業(yè)平板電腦分別與PLC和RLC測(cè)試儀相連接，所述PLC與伺服電機(jī)的控制端口相連接，伺服 電機(jī)的電機(jī)軸與支架相連接，所述支架通過導(dǎo)桿與電導(dǎo)池相連接，所述導(dǎo)桿與RLC測(cè)試儀 的探頭相連接。如圖2所示，所述電導(dǎo)池5包括下部具有通孔6的石墨坩堝7，在石墨坩堝7內(nèi)側(cè) 的四周設(shè)置有內(nèi)襯8，在內(nèi)襯8的上方設(shè)置有中心具有電極通孔10的卡頭9，在所述石墨坩 堝7的上方設(shè)置有電極11，電極11與卡頭9中心的電極通孔10相對(duì)應(yīng)；所述石墨坩堝7和 電極11分別通過導(dǎo)桿12與移動(dòng)、升降系統(tǒng)4的支架13相連接，所述導(dǎo)桿12分別與RLC測(cè) 試儀的兩個(gè)探頭相連接。所述電極11和導(dǎo)桿12本身電阻很小。為了節(jié)約成本，所述導(dǎo)桿未與電解質(zhì)接觸的部分采用高溫不銹鋼材料制成，與電 解質(zhì)接觸的部分采用鉬金屬制成。所述電極采用鉬金屬制成。所述石墨坩堝內(nèi)側(cè)的內(nèi)襯采用氮化硼材料制成，氮化硼具有抗電解質(zhì)腐蝕和電阻 率大的特性，可以防止石墨坩堝側(cè)部與電解質(zhì)接觸發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。所述卡頭采用氮化硼材料制成。如圖3、圖4所示，為了屏蔽鋁電解車間內(nèi)的電磁干擾，可將讀數(shù)系統(tǒng)3、控制系統(tǒng) 1和移動(dòng)、升降系統(tǒng)4置于不銹鋼箱體16內(nèi)。為了方便移動(dòng)，可將所述不銹鋼箱體16置于小車17上。所述控制系統(tǒng)的電源包括蓄電池和不間斷電源UPS，由蓄電池為不間斷電源UPS 進(jìn)行供電。在測(cè)量過程中，通過本發(fā)明的控制系統(tǒng)控制移動(dòng)、升降系統(tǒng)將電導(dǎo)池浸入到工業(yè) 電解質(zhì)中；當(dāng)電導(dǎo)池浸入到電解質(zhì)中的時(shí)候，電解質(zhì)從石墨坩堝下部的通孔進(jìn)入到石墨坩 堝內(nèi)部。通過工業(yè)平板電腦可進(jìn)行電導(dǎo)池的升降以及電解質(zhì)電導(dǎo)率的讀數(shù)測(cè)量操作；通過 搖桿15可實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)池的前后移動(dòng)。通過工業(yè)平板電腦和PLC控制伺服電機(jī)，可以移動(dòng)支架 使其進(jìn)行平移和垂直移動(dòng)。如圖5所示，所述工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括如下步驟步驟一電導(dǎo)池常數(shù)的標(biāo)定；電解質(zhì)的電導(dǎo)率計(jì)算公式如下
kK = —(1-1)
R由式(1-1)變形得k = κ *R (1-2)式中，κ為電解質(zhì)的電導(dǎo)率，單位為S ^nT1 ；R為電解質(zhì)的電阻，單位為ω ;k為電 導(dǎo)池常數(shù)，單位為cm—1，其值只與電導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)有關(guān)；向電導(dǎo)池內(nèi)注入已知電導(dǎo)率的熔鹽或水溶液，采用RLC測(cè)試儀測(cè)定電導(dǎo)池內(nèi)電解 質(zhì)的電阻，通過高精度的RLC測(cè)試儀可以精確的讀出電導(dǎo)池內(nèi)電解質(zhì)的電阻，電阻值可以 通過工業(yè)平板電腦進(jìn)行顯示；然后，根據(jù)式(1-2)確定電導(dǎo)池常數(shù)k;步驟二 使用步驟一中標(biāo)定的電導(dǎo)池常數(shù)k，采用RLC測(cè)試儀測(cè)定電導(dǎo)池內(nèi)待測(cè)電 解質(zhì)的電阻，根據(jù)式(1-1)確定待測(cè)電解質(zhì)的電導(dǎo)率。
實(shí)施例1 使用本發(fā)明測(cè)量了 1010°C下Na3AlF6-6wt% Al2O3的電導(dǎo)率，其中電導(dǎo)池常數(shù)采 用1000°C下的Na3AlF6進(jìn)行標(biāo)定，其電導(dǎo)率為2. 80S · cnT1。測(cè)得1010°C下Na3AlF6_6wt% Al2O3的電導(dǎo)率為2. 45S · cm-1,這與文獻(xiàn)報(bào)道的電導(dǎo)率值2. 43S · cnT1非常接近，其差值 0. 02S · cnT1屬于誤差允許的范圍。實(shí)施例2 使用本發(fā)明測(cè)量了自行配置的 2. 5NaF · AlF3_3wt % Al203_3wt % LiF_4wt % CaF2-2wt% MgF2在945°C下的電導(dǎo)率，其中電導(dǎo)池常數(shù)采用1000°C下的Na3AlF6進(jìn)行標(biāo)定， 測(cè)得的電導(dǎo)率為2. 75S · cm"1, Wang在1992年所測(cè)定的相同電解質(zhì)在相同溫度下的電導(dǎo)率 為2. 76S · cnT1，差值為0. OlS · cnT1，說明本發(fā)明測(cè)得的電導(dǎo)率是十分精確的。實(shí)施例3 使用本發(fā)明對(duì)某鋁電解車間的電導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)試，溫度為940°C，其中電導(dǎo)池常數(shù) 采用1000°c下的Na3AlF6進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)電解質(zhì)的組成進(jìn)行了化學(xué)分析，得到其分子比為2. 2， 電解質(zhì)的組成如表1所示。表1測(cè)試電解質(zhì)的化學(xué)組成
權(quán)利要求
一種工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，其特征在于包括測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、讀數(shù)系統(tǒng)及移動(dòng)、升降系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng)包括電導(dǎo)池和導(dǎo)桿，所述控制系統(tǒng)包括電源和PLC，所述讀數(shù)系統(tǒng)包括RLC測(cè)試儀和工業(yè)平板電腦，所述移動(dòng)、升降系統(tǒng)包括伺服電機(jī)和支架；所述電源分別與PLC、RLC測(cè)試儀、工業(yè)平板電腦及伺服電機(jī)相連接，所述工業(yè)平板電腦分別與PLC和RLC測(cè)試儀相連接，所述PLC與伺服電機(jī)的控制端口相連接，伺服電機(jī)的電機(jī)軸與支架相連接，所述支架通過導(dǎo)桿與電導(dǎo)池相連接，所述導(dǎo)桿與RLC測(cè)試儀的探頭相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，其特征在于所述電導(dǎo)池 包括下部具有通孔的石墨坩堝，在石墨坩堝內(nèi)側(cè)的四周設(shè)置有內(nèi)襯，在內(nèi)襯的上方設(shè)置有 中心具有電極通孔的卡頭，在所述石墨坩堝的上方設(shè)置有電極，電極與卡頭中心的電極通 孔相對(duì)應(yīng)；所述石墨坩堝和電極分別通過導(dǎo)桿與移動(dòng)、升降系統(tǒng)的支架相連接，所述導(dǎo)桿分 別與RLC測(cè)試儀的兩個(gè)探頭相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，其特征在于所述導(dǎo)桿未 與電解質(zhì)接觸的部分采用高溫不銹鋼材料制成，與電解質(zhì)接觸的部分采用鉬金屬制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，其特征在于所述電極采 用鉬金屬制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，其特征在于所述石墨坩 堝內(nèi)側(cè)的內(nèi)襯采用氮化硼材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，其特征在于所述卡頭采 用氮化硼材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，其特征在于所述讀數(shù)系 統(tǒng)、控制系統(tǒng)和移動(dòng)、升降系統(tǒng)置于不銹鋼箱體內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，其特征在于所述不銹鋼 箱體置于小車上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置，其特征在于所述控制系 統(tǒng)的電源包括蓄電池和不間斷電源UPS，由蓄電池為不間斷電源UPS進(jìn)行供電。
10.權(quán)利要求1所述的工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包 括如下步驟步驟一電導(dǎo)池常數(shù)的標(biāo)定；電解質(zhì)的電導(dǎo)率計(jì)算公式如下κ = -(1-1) 由式(1-1)變形得k = K *R (1-2)式中，κ為電解質(zhì)的電導(dǎo)率，單位為S KnT15R為電解質(zhì)的電阻，單位為ω ；k為電導(dǎo)池 常數(shù)，單位為cm—1，其值只與電導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)有關(guān)；向電導(dǎo)池內(nèi)注入已知電導(dǎo)率的熔鹽或水溶液，采用RLC測(cè)試儀測(cè)定電導(dǎo)池內(nèi)電解質(zhì)的 電阻，根據(jù)式(1-2)確定電導(dǎo)池常數(shù)k ；步驟二 使用步驟一中標(biāo)定的電導(dǎo)池常數(shù)k，采用RLC測(cè)試儀測(cè)定電導(dǎo)池內(nèi)待測(cè)電解質(zhì) 的電阻，根據(jù)式(1-1)確定待測(cè)電解質(zhì)的電導(dǎo)率。
全文摘要
一種工業(yè)鋁電解質(zhì)電導(dǎo)率在線測(cè)量裝置及測(cè)量方法，屬于鋁電解技術(shù)領(lǐng)域。裝置包括測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、讀數(shù)系統(tǒng)及移動(dòng)、升降系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)包括電導(dǎo)池和導(dǎo)桿，控制系統(tǒng)包括電源和PLC，讀數(shù)系統(tǒng)包括RLC測(cè)試儀和工業(yè)平板電腦，移動(dòng)、升降系統(tǒng)包括伺服電機(jī)和支架；電源分別與PLC、RLC測(cè)試儀、工業(yè)平板電腦及伺服電機(jī)相連接，工業(yè)平板電腦分別與PLC和RLC測(cè)試儀相連接，PLC與伺服電機(jī)的控制端口相連接，伺服電機(jī)的電機(jī)軸與支架相連接，所述支架通過導(dǎo)桿與電導(dǎo)池相連接，所述導(dǎo)桿與RLC測(cè)試儀的探頭相連接。方法使用標(biāo)定的電導(dǎo)池常數(shù)k，采用RLC測(cè)試儀測(cè)定電導(dǎo)池內(nèi)待測(cè)電解質(zhì)的電阻R，根據(jù)式確定待測(cè)電解質(zhì)的電導(dǎo)率。
文檔編號(hào)G01R27/22GK101986162SQ20101026332
公開日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者王兆文, 石忠寧, 胡憲偉, 高炳亮 申請(qǐng)人:東北大學(xué)