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1、(10)申请公布号 CN 103759835 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103759835 A (21)申请号 201410039720.9 (22)申请日 2014.01.27 G01J 5/00(2006.01) (71)申请人 北京嘉品源软件有限公司 地址 100038 北京市海淀区复兴路乙 12 号 923 室 (72)发明人 曹功武 李龙 陈洪 冯绍杰 彭文博 李武涛 于明超 张春光 (74)专利代理机构 北京法思腾知识产权代理有 限公司 11318 代理人 杨小蓉 (54) 发明名称 全自动连续性非接触测量铝电解质初晶温度 的系统及方法 (57) 摘要 本。
2、发明公开了一种全自动连续性非接触式测 量铝电解质初晶温度的系统及方法， 所述系统包 括若干个测量单元和用于测量测量单元的加热炉 中的铝电解质样品温度的非接触式温度传感器， 以及用于控制测量单元中的加热炉内温度的控温 子系统、 用于控制测量单元传动结构的运动控制 子系统和用于温度数据采集和处理的数据采集处 理子系统。该系统适用于各种成分的铝电解质初 晶温度测量， 高灵敏、 抗干扰、 实现实时变化温度 的 ms 级响应测量， 降低了变化温度中热电偶测量 的延迟误差， 同时避免了热电偶作为耗材更换的 浪费性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民。
3、共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103759835 A CN 103759835 A 1/2 页 2 1. 一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统， 其特征在于， 所述系统 包括若干个测量单元， 任一测量单元包括内有空腔 （10） 的加热炉 （5） ， 加热炉 （5） 顶端轴心 处设置与空腔 （10） 相通的小孔 （11） ， 加热炉 （5） 下方设置可放入空腔 （10） 的托架 （7） ， 所 述托架 （7） 底部设置密封圈 （12） ， 用于托架 （7） 放入空腔 （10） 时封闭空腔 （10） ， 所。
4、述托架 （7） 设置在高度调节器 （8） 上， 所述高度调节器 （8） 由相连的第一传动结构 （2） 和第二传动 结构 （4） 协同驱动进行高度调节和旋转 ； 所述任一测量单元还包括第三传动结构 （6） ， 所述第三传动结构 （6）驱动上料摆臂 （9） ， 将放置在上料摆臂 （9） 运动端的坩埚 （3） 放置在托架 （7） 上， 从而使坩埚进入空腔 （10） 进行加热 ； 所述系统还包括至少一个非接触式温度传感器 （1） ， 所述非接触式温度传感器 （1） 设 置在小孔 （11） 上方， 用于测量坩埚 （3） 中铝电解质样品的温度 ； 所述系统还包括控温子系统 （14） 、 运动控制子系统和数。
5、据采集处理子系统， 所述控温 子系统控制空腔 （10） 内的温度， 所述运动控制子系统用于控制传动结构的传动和非接触式 温度传感器 （1） 的移动， 所述数据采集子系统用于电解质温度数据采集和处理。 2. 根据权利要求 1 所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统， 其特 征在于， 所述测量单元的个数为六个， 所述非接触式温度传感器 （1） 的个数为两个。 3. 根据权利要求 1 所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统， 其特 征在于， 所述非接触式温度传感器 （1） 为红外温度仪。 4. 根据权利要求 1 所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统， 其特。
6、 征在于， 所述空腔 （10） 内设置有保温内胆 （13） 。 5. 根据权利要求 1 所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统， 其特 征在于， 所述加热炉 （5） 、 非接触式温度传感器 （1） 和托架 （7） 同轴设置。 6. 根据权利要求 1 所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统， 其特 征在于， 所述第一传动结构 （2） 、 第二传动结构 （4） 和第三传动结构 （6） 中的任一个传动结 构为气动系统驱动的直线运动和旋转运动机构， 或电机驱动的滚珠丝杠直线运动和旋转运 动机构。 7. 根据权利要求 1 所述的全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统，。
7、 其特 征在于， 所述坩埚 （3） 为不锈钢坩埚或石墨坩埚。 8. 一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的方法， 所述方法包括以下步 骤 ： 1） 系统开始工作时， 一个测量单元工作时， 铝电解质样品置于坩埚 （3） 中， 坩埚 （3） 置 于上料摆臂 （9） 工位上， 通过运动控制子系统， 按下 “启动” 按钮后， 上料摆臂 （9） 通过第三 传动结构 （6） 由 “等待上料位” 旋转或移动到 “上料位” ， 托架 （7） 由第二传动结构 （4） 上升 至 “取料位” 后托住坩埚 （3） ， 上料摆臂 （9） 回到 “等待上料位” ， 接下来第一传动结构 （2） 将 托架 （7） 与。
8、坩埚 （3） 一同传送至加热炉 （5） 的空腔 （10） 内的 “测量位” ，“测量位” 可通过高 度调节器 （8） 调节托架 （7） 从而进行微调， 托架 （7） 底部的密封圈 （12） 将空腔 （10） 封住形 成封闭 ； 2） 坩埚 （3） 进入加热炉 （5） 后， 加热炉 （5） 由控温子系统 （14） 控制开始升温， 将铝电解 质样品加热至电解质熔融温度， 恒温， 然后以 5-10 /min 的匀速降温到待机温度， 在电解 权 利 要 求 书 CN 103759835 A 2 2/2 页 3 质达到熔融温度及降温到待机温度过程中， 非接触式温度传感器 （1） 监测电解质温度的变 化，。
9、 并通过数据采集处理子系统建立温度 - 时间关系曲线， 数据采集处理子系统自动识别 和判定曲线拐点， 曲线拐点处温度即为铝电解质初晶温度 ； 3） 一次测量完成后， 托架 （7） 将坩埚 （3） 传送至卸料位， 上料摆臂 （9） 实现坩埚 （3） 的 自动卸料， 炉温维持待机温度， 准备下次进行测量 ； 4） 多个测量单元工作时， 通过运动控制子系统的逻辑控制指令， 当一个测量单元完成 初晶温度测量时， 另一个测量单元内坩埚 （3） 电解质正好熔融完成， 非接触式温度传感器 （1） 自动传送至该另一个测量单元开始测量， 其他的测量单元依次类推， 从而实现测量工作 的连续不间断进行下去。 9. 。
10、根据权利要求 8 所述的方法， 其特征在于， 步骤 2） 中的升温过程采用 PID 控制加热 温度的方法实现。 10.根据权利要求8所述的方法， 其特征在于， 所述电解质选用CR=2.72的铝电解质， 所 述铝电解质熔融温度为 980， 所述待机温度为 880， 所述初晶温度为 954.7。 权 利 要 求 书 CN 103759835 A 3 1/5 页 4 全自动连续性非接触测量铝电解质初晶温度的系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及电解质冶炼技术， 特别是涉及一种全自动连续性非接触式测量铝电解 质初晶温度的系统及方法。 背景技术 0002 铝电解质电解温度和初晶温度是铝电解生产中重要。
11、的工艺参数。 电解温度和初晶 温度之间的差热 （过热度） 与电解过程的电解槽热平衡有很密切的关系。如果能够准确得到 每个电解槽的初晶温度， 就能准确把握电解温度， 对每个电解槽的耗电量就能定量控制， 对 节能降耗有很大帮助。目前国内有厂家生产测量电解质初晶温度的设备， 其设备原理是采 用自然冷却曲线法， 但现有设备测量时采用自然降温， 降温速率不可控， 因此不可避免的会 导致电解质的偏析及过冷现象的发生， 并且由于热电偶测温的滞后性等， 导致测量结果不 准确 ； 同时铝电解质的高温及强腐蚀性， 使测温热电偶极易损坏， 需要经常更换热电偶， 且 每次只能测量一个电解质样品， 测量设备拆卸也比较麻。
12、烦， 增加了生产成本、 系统维护， 效 率较低。 发明内容 0003 本发明的目的在于， 提供一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系 统， 该系统适用于各种成分的铝电解质初晶温度测量， 高灵敏、 抗干扰、 实现实时变化温度 的 ms 级响应测量， 降低了变化温度中热电偶测量的延迟误差， 同时避免了热电偶作为耗材 更换的浪费性。 0004 为达到上述目的， 本发明采用了如下的技术方案 ： 0005 一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统， 所述系统包括若干个 测量单元， 任一测量单元包括内有空腔 10 的加热炉 5， 加热炉 5 顶端轴心处设置与空腔 10 相通的小孔11，。
13、 加热炉5下方设置可放入空腔10的托架7， 所述托架7底部设置密封圈12， 用于托架 7 放入空腔 10 时封闭空腔 10， 所述托架 7 设置在高度调节器 8 上， 所述高度调节 器 8 由相连的第一传动结构 2 和第二传动结构 4 协同驱动进行高度调节和旋转 ； 0006 所述任一测量单元还包括第三传动结构 6， 所述第三传动结构 6 驱动上料摆臂 9， 将放置在上料摆臂 9 运动端的坩埚 3 放置在托架 7 上， 从而使坩埚进入空腔 10 进行加热 ； 0007 所述系统还包括至少一个非接触式温度传感器 1， 所述非接触式温度传感器 1 设 置在小孔 11 上方， 用于测量坩埚 3 中铝。
14、电解质样品的温度 ； 0008 所述系统还包括控温子系统 14、 运动控制子系统和数据采集处理子系统， 所述控 温子系统控制空腔 10 内的温度， 所述运动控制子系统用于控制传动结构的传动和非接触 式温度传感器 1 的移动， 所述数据采集子系统用于电解质温度数据采集和处理。 0009 优选地， 所述测量单元的个数为六个， 所述非接触式温度传感器 1 的个数为两个， 本领域技术人员可以根据需要选择测量单元和非接触式温度传感器的个数。 0010 优选地， 所述非接触式温度传感器 1 为红外温度仪， 本领域技术人员可以根据需 说 明 书 CN 103759835 A 4 2/5 页 5 要选择其他非。
15、接触式温度传感器的种类。 0011 优选地， 所述空腔 10 内设置有保温内胆 13。 0012 优选地， 所述加热炉 5、 非接触式温度传感器 1 和托架 7 同轴设置。 0013 优选地， 所述第一传动结构 2、 第二传动结构 4 和第三传动结构 6 中的任一个传动 结构为气动系统驱动的直线运动和旋转运动机构， 或电机驱动的滚珠丝杠直线运动和旋转 运动机构。 0014 优选地， 所述坩埚 3 为不锈钢坩埚或石墨坩埚， 但不限于此。 0015 本发明系统的各部件固定在机架上。 0016 本发明还提供了一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的方法， 所述 方法包括以下步骤 ： 0017 。
16、1） 系统开始工作时， 一个测量单元工作时， 铝电解质样品置于坩埚 3 中， 坩埚 3 置 于上料摆臂 9 工位上， 通过运动控制子系统， 按下 “启动” 按钮后， 上料摆臂 9 通过第三传动 结构 6 由 “等待上料位” 旋转或移动到 “上料位” ， 托架 7 由第二传动结构 4 上升至 “取料位” 后托住坩埚 3， 上料摆臂 9 回到 “等待上料位” ， 接下来第一传动结构 2 将托架 7 与坩埚 3 一 同传送至加热炉 5 的空腔 10 内的 “测量位” ，“测量位” 可通过高度调节器 8 调节托架 7 从 而进行微调， 托架 7 底部的密封圈 12 将空腔 10 封住形成封闭 ； 00。
17、18 2） 坩埚 3 进入加热炉 5 后， 加热炉 5 由控温子系统 14 控制开始升温， 将电解质样 品加热至电解质熔融温度， 恒温， 然后以 5-10 /min 的匀速降温到待机温度， 在电解质达 到熔融温度及降温到待机温度过程中， 非接触式温度传感器 1 监测电解质温度的变化， 并 通过数据采集处理子系统建立温度 - 时间关系曲线， 数据采集处理子系统自动识别和判定 曲线拐点， 曲线拐点处温度即为铝电解质初晶温度 ； 0019 3） 一次测量完成后， 托架 7 将坩埚 3 传送至卸料位， 上料摆臂 9 实现坩埚 3 的自动 卸料， 炉温维持待机温度， 准备下次进行测量 ； 0020 4）。
18、 多个测量单元工作时， 通过运动控制子系统的逻辑控制指令， 当一个测量单元 完成初晶温度测量时， 另一个测量单元内坩埚 3 电解质正好熔融完成， 非接触式温度传感 器 1 自动传送至该另一个测量单元开始测量， 其他的测量单元依次类推， 从而实现测量工 作的连续不间断进行下去。 0021 优选地， 步骤 2） 中的升温过程采用 PID 控制加热温度的方法实现。 0022 优选地， 所述电解质选用 CR=2.72 的铝电解质， 所述电解质熔融温度为 980， 所 述待机温度为 880， 所述初晶温度为 954.7。 0023 本发明适用于各种成分的铝电解质初晶温度测量， 也适用于除铝电解质以外的其。
19、 他电解质的初晶温度的测量。本发明采用非接触式温度传感器， 高灵敏、 抗干扰、 实现实时 变化温度的 ms 级响应测量， 降低了变化温度中热电偶测量的延迟误差， 同时避免了热电偶 作为耗材更换的浪费性。 0024 本发明的按照一定速率匀速降低温度， 使降温结晶过程温度全程可控， 避免过快 降温导致电解质的偏析及过冷现象的发生。整个测量过程全部自动实现， 避免人员操作带 来的操作失误和安全隐患， 提高测量效率。 一次测量完成后能快速的进行二次测量， 节省时 间。 0025 本发明的系统具有测量结果准确， 结构简单， 重复性和再现性稳定， 便于操作 , 从 说 明 书 CN 103759835 A。
20、 5 3/5 页 6 而有效保证铝电解生产的平稳运行， 最大限度地发挥其电能效率， 最终达到进一步推动铝 电解生产的管理水平和技术进步， 并能为提高铝电解效率， 改进铝电解工艺具有重要意义。 附图说明 0026 图 1 为本发明系统的整体结构示意图 ； 0027 图 2 为本发明系统中测量单元的结构示意图 ； 0028 图 3 为本发明系统中测量单元的工作状态示意图 ； 0029 图 4 为实施例 2 的温度 - 时间曲线 ； 0030 附图标记 ： 1、 非接触式温度传感器 ； 2、 第一传动结构 ； 3、 坩埚 ； 4、 第二传动结构 ； 5、 加热炉 ； 6、 第三传动结构 ； 7、 托。
21、架 ； 8、 高度调节器 ； 9、 上料摆臂 ； 10、 空腔 ； 11、 小孔 ； 12、 密封圈 ； 13、 保温内胆 ； 14、 控温子系统 ； 15、 测量单元。 具体实施方式 0031 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地介绍， 但不作为对本发明的限 定。 0032 实施例 1 0033 如图 1 所示， 一种全自动连续性非接触式测量铝电解质初晶温度的系统， 所述系 统包括六个测量单元 15， 如图 2 和图 3 所示， 任一测量单元 15 包括内有空腔 10 的加热炉 5， 加热炉 5 顶端轴心处设置与空腔 10 相通的小孔 11， 加热炉 5 下方设置可放入空腔 10 的 。
22、托架 7， 所述托架 7 底部设置密封圈 12， 用于托架 7 放入空腔 10 时封闭空腔 10， 所述托架 7 设置在高度调节器 8 上， 所述高度调节器 8 由相连的第一传动结构 2 和第二传动结构 4 协 同驱动进行高度调节和旋转 ； 0034 所述任一测量单元还包括第三传动结构 6， 所述第三传动结构 6 驱动上料摆臂 9， 将放置在上料摆臂 9 运动端的坩埚 3 放置在托架 7 上， 从而使坩埚进入空腔 10 进行加热 ； 0035 所述系统还包括两个非接触式温度传感器 1， 所述非接触式温度传感器 1 设置在 小孔 11 上方， 用于测量坩埚 3 中铝电解质样品的温度 ； 0036。
23、 所述系统还包括控温子系统 14、 运动控制子系统和数据采集处理子系统， 所述控 温子系统控制空腔 10 内的温度， 所述运动控制子系统用于控制传动结构的传动和非接触 式温度传感器 1 的移动， 所述数据采集子系统用于电解质温度数据采集和处理。 0037 所述非接触式温度传感器 1 为红外温度仪。 0038 所述空腔 10 内设置有保温内胆 13。 0039 所述加热炉 5、 非接触式温度传感器 1 和托架 7 同轴设置。 0040 所述第一传动结构2、 第二传动结构4和第三传动结构6中的任一个传动结构为气 动系统驱动的直线运动或者旋转运动机构。 0041 所述坩埚 3 为不锈钢坩埚或石墨坩埚。
24、。 0042 本实施例中传动机构与运动控制子系统连接按照控制单元的指令运动 ； 所述的各 测量单元与控温子系统、 运动控制子系统、 数据采集处理子系统协同工作形成一套完整系 统。 0043 本发明的各测量单元固定在支架上。 说 明 书 CN 103759835 A 6 4/5 页 7 0044 实施例 2 0045 一种全自动连续性非接触式测量电解质初晶温度的方法， 所述方法包括以下步 骤 ： 0046 1） 系统开始工作时， 一个测量单元工作时， CR=2.72 的铝电解质样品置于坩埚 3 中， 坩埚 3 置于上料摆臂 9 工位上， 通过运动控制子系统， 按下 “启动” 按钮后， 上料摆臂 。
25、9 通 过第三传动结构 6 由 “等待上料位” 旋转或移动到 “上料位” ， 托架 7 由第二传动结构 4 上升 至 “取料位” 后托住坩埚 3， 上料摆臂 9 回到 “等待上料位” ， 接下来第一传动结构 2 将托架 7 与坩埚 3 一同传送至加热炉 5 的空腔 10 内的 “测量位” ，“测量位” 可通过高度调节器 8 调 节托架 7 从而进行微调， 托架 7 底部的密封圈 12 将空腔 10 封住形成封闭 ； 0047 2） 坩埚3进入加热炉5后， 加热炉5由PID控制升温， 将电解质样品加热至980， 恒温， 然后以 5-10 /min 的匀速降温到 880， 在电解质达到 980及降。
26、温到 880过程 中， 红外温度仪监测电解质温度的变化， 并通过数据采集处理子系统建立温度 - 时间关系 曲线， 如图 4 所示， 数据采集处理子系统自动识别和判定曲线拐点， 曲线拐点处温度即为电 解质初晶温度， 由曲线得出电解质的电解温度为 972.6， 初晶温度为 954.64 ； 0048 3） 一次测量完成后， 托架 7 将坩埚 3 传送至卸料位， 上料摆臂 9 实现坩埚 3 的自动 卸料， 炉温维持 880， 准备下次进行测量 ； 0049 4） 多个测量单元工作时， 通过运动控制子系统的逻辑控制指令， 当一个测量单元 完成初晶温度测量时， 另一个测量单元内坩埚 3 电解质正好熔融完。
27、成， 红外温度仪自动传 送至该另一个测量单元开始测量， 其他的测量单元依次类推， 从而实现测量工作的连续不 间断进行下去。 0050 本发明实施例中采用的红外温度仪的测量误差 1%。 0051 同时采用差热分析法得到的结果， 初晶温度为 955.3。 0052 同时采用传统热电偶测温步冷曲线法测得的结果， 初晶温度为 954.0。 0053 测量结果与其他实验技术获得的结果近似， 测量误差在非接触式温度传感器的误 差范围内。 0054 实施例 3 0055 采用实施例1的系统和实施例2的方法， 选取不同的样品， 采用单一测量单元进行 测定， 电解质样品由氟化钠、 氟化铝、 氟化钙和氧化铝组成，。
28、 氟化钙占电解质总重量的 5%， 氧 化铝占电解质的总重量 5%， 其余为氟化钠和氟化铝 （分子比为 2.4:1） ， 称样量为 20g。 0056 测得电解质初晶温度为 951.4， 同时采用热电偶测温步冷曲线法得到的结果为 950.6。 0057 测量结果与传统实验技术获得的结果近似， 测量误差在非接触式温度传感器的误 差范围内。 0058 实施例 4 0059 采用实施例 1 的系统和实施例 2 的方法， 随机选取铝电解质样品， 不同点在于 ： 共 测量 6 次， 并且是在一个测量单元内进行测量， 每次称取的电解质质量不一样， 分别为 10g 共 2 次， 20g 共 2 次， 30g 。
29、共 2 次。测得电解质初晶温度结果如表 1 所示 ： 0060 表 1 同一测量单元同一样品不同重量的测量结果 0061 说 明 书 CN 103759835 A 7 5/5 页 8 0062 由表 1 可以看出本发明的系统测量数据的重复性很好， 而传统的热电偶测量受到 人员操作方式的影响很大， 比如热电偶探头每次插入电解质的深度等。 0063 实施例 5 0064 采用实施例 1 的系统和实施例 2 的方法， 随机选取铝电解质样品， 不同点在于 ： 同 时在每个测量单元内都进行测量， 称取相同的电解质 10g。测得电解质初晶温度结果如表 2 所示 ： 0065 表 2 不同测量单元同一样品相同重量的测量结果 0066 0067 由表 2 可以看出本发明测量数据结果具有高度的一致性， 说明了该系统和方法再 现性很可靠。 说 明 书 CN 103759835 A 8 1/4 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103759835 A 9 2/4 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103759835 A 10 3/4 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 103759835 A 11 4/4 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 103759835 A 12 。