专利名称：一种工业铝电解质电导率在线测量装置及测量方法
技术领域：
本发明属于铝电解技术领域，特别是涉及一种工业铝电解质电导率在线测量装置 及测量方法。
背景技术：
现代工业中采用电解熔融冰晶石-氧化铝的方法生产原铝，并向其中加入氟化 钙、氟化锂等以改善铝电解质的物理化学性质。铝电解工业是高能耗工业，然而，并非所有 的直流电都用于电解氧化铝，有一部分直流电由于铝电解质的欧姆电压降而消耗；因此，提 高铝电解质的电导率对于降低铝电解能耗、提高电流效率具有重要的意义。所以，对于工业 铝电解质的电导率进行现场实时测定，显得极为关键。高温电解质的电导率测定通常都是在电导池内进行的，而电导池需要有固定的电 导池常数，因此需要其结构稳定，电导池所用的材料需要有抗铝电解质腐蚀性和良好的抗 热震性。此外，铝电解车间内存在有电磁场，会对电子仪器产生干扰，这也是限制工业铝电 解质电导率在线测量的一个主要原因。目前，工业铝电解质电导率的测量，通常都采用将电 解质取出，冷凝后再送到分析室内进行的；这种非实时测量的做法耗时较长。

发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可方便、快捷、准确地实现工业铝电解 质电导率在线测量的工业铝电解质电导率在线测量装置及测量方法。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种工业铝电解质电导率在线测 量装置，包括测量系统、控制系统、读数系统及移动、升降系统，所述测量系统包括电导池和 导杆，所述控制系统包括电源和PLC，所述读数系统包括RLC测试仪和工业平板电脑，所述 移动、升降系统包括伺服电机和支架；所述电源分别与PLC、RLC测试仪、工业平板电脑及伺 服电机相连接，所述工业平板电脑分别与PLC和RLC测试仪相连接，所述PLC与伺服电机的 控制端口相连接，伺服电机的电机轴与支架相连接，所述支架通过导杆与电导池相连接，所 述导杆与RLC测试仪的探头相连接。所述电导池包括下部具有通孔的石墨坩埚，在石墨坩埚内侧的四周设置有内衬， 在内衬的上方设置有中心具有电极通孔的卡头，在所述石墨坩埚的上方设置有电极，电极 与卡头中心的电极通孔相对应；所述石墨坩埚和电极分别通过导杆与移动、升降系统的支 架相连接，所述导杆分别与RLC测试仪的两个探头相连接。为了节约成本，所述导杆未与电解质接触的部分采用高温不锈钢材料制成，与电 解质接触的部分采用钼金属制成。所述电极采用钼金属制成。所述石墨坩埚内侧的内衬采用氮化硼材料制成，氮化硼具有抗电解质腐蚀和电阻 率大的特性，可以防止石墨坩埚侧部与电解质接触发生电子转移。所述卡头采用氮化硼材料制成。
为了屏蔽铝电解车间内的电磁干扰，可将读数系统、控制系统和移动、升降系统置 于不锈钢箱体内。为了方便移动，可将所述不锈钢箱体置于小车上。所述控制系统的电源包括蓄电池和不间断电源UPS，由蓄电池为不间断电源UPS 进行供电。所述工业铝电解质电导率在线测量装置的测量方法，包括如下步骤步骤一电导池常数的标定；电解质的电导率计算公式如下

K =k/R(1-1)由式(1-1)变形得k= k*R (1-2)式中，κ为电解质的电导率，单位为S ^nT1 ；R为电解质的电阻，单位为ω ;k为电 导池常数，单位为cm—1，其值只与电导池的结构有关；向电导池内注入已知电导率的熔盐或水溶液，采用RLC测试仪测定电导池内电解 质的电阻，根据式(1-2)确定电导池常数k;步骤二 使用步骤一中标定的电导池常数k，采用RLC测试仪测定电导池内待测电 解质的电阻，根据式(1-1)确定待测电解质的电导率。本发明的有益效果本发明可精确地实现工业铝电解质电导率的在线实时测量，为铝电解工艺参数的 改进提供了基础，从而提高了电流效率，降低了直流电耗。另外，由于本发明的读数系统、控制系统和移动、升降系统置于不锈钢箱体内，可 有效地屏蔽铝电解车间内电磁场的干扰；不锈钢箱体置于小车上，可方便移动，更有利于电 解质电导率的在线实时测量。


图1是本发明的测量装置的结构示意图；图2是本发明的测量系统的结构示意图；图3是本发明的移动、升降系统的结构示意图；图4是图3的右视图；图5是本发明测量装置的测量方法的程序流程图； 图中，1-控制系统，2-测量系统，3-读数系统，4-移动、升降系统，5-电导池，6_通 孔，7-石墨坩埚，8-内衬，9-卡头，10-电极通孔，11-电极，12-导杆，13-支架，14-滑道， 15-摇杆，16-不锈钢箱体，17-小车，18-工业平板电脑。
具体实施例方式
如图1所示，一种工业铝电解质电导率在线测量装置，包括测量系统2、控制系统 1、读数系统3及移动、升降系统4，所述测量系统2包括电导池和导杆，所述控制系统1包括 电源和PLC，所述读数系统3包括RLC测试仪和工业平板电脑，所述移动、升降系统4包括伺服电机和支架；所述电源分别与PLC、RLC测试仪、工业平板电脑及伺服电机相连接，所述工 业平板电脑分别与PLC和RLC测试仪相连接，所述PLC与伺服电机的控制端口相连接，伺服 电机的电机轴与支架相连接，所述支架通过导杆与电导池相连接，所述导杆与RLC测试仪 的探头相连接。如图2所示，所述电导池5包括下部具有通孔6的石墨坩埚7，在石墨坩埚7内侧 的四周设置有内衬8，在内衬8的上方设置有中心具有电极通孔10的卡头9，在所述石墨坩 埚7的上方设置有电极11，电极11与卡头9中心的电极通孔10相对应；所述石墨坩埚7和 电极11分别通过导杆12与移动、升降系统4的支架13相连接，所述导杆12分别与RLC测 试仪的两个探头相连接。所述电极11和导杆12本身电阻很小。为了节约成本，所述导杆未与电解质接触的部分采用高温不锈钢材料制成，与电 解质接触的部分采用钼金属制成。所述电极采用钼金属制成。所述石墨坩埚内侧的内衬采用氮化硼材料制成，氮化硼具有抗电解质腐蚀和电阻 率大的特性，可以防止石墨坩埚侧部与电解质接触发生电子转移。所述卡头采用氮化硼材料制成。如图3、图4所示，为了屏蔽铝电解车间内的电磁干扰，可将读数系统3、控制系统 1和移动、升降系统4置于不锈钢箱体16内。为了方便移动，可将所述不锈钢箱体16置于小车17上。所述控制系统的电源包括蓄电池和不间断电源UPS，由蓄电池为不间断电源UPS 进行供电。在测量过程中，通过本发明的控制系统控制移动、升降系统将电导池浸入到工业 电解质中；当电导池浸入到电解质中的时候，电解质从石墨坩埚下部的通孔进入到石墨坩 埚内部。通过工业平板电脑可进行电导池的升降以及电解质电导率的读数测量操作；通过 摇杆15可实现电导池的前后移动。通过工业平板电脑和PLC控制伺服电机，可以移动支架 使其进行平移和垂直移动。如图5所示，所述工业铝电解质电导率在线测量装置的测量方法，包括如下步骤步骤一电导池常数的标定；电解质的电导率计算公式如下
kK = —(1-1)
R由式(1-1)变形得k = κ *R (1-2)式中，κ为电解质的电导率，单位为S ^nT1 ；R为电解质的电阻，单位为ω ;k为电 导池常数，单位为cm—1，其值只与电导池的结构有关；向电导池内注入已知电导率的熔盐或水溶液，采用RLC测试仪测定电导池内电解 质的电阻，通过高精度的RLC测试仪可以精确的读出电导池内电解质的电阻，电阻值可以 通过工业平板电脑进行显示；然后，根据式(1-2)确定电导池常数k;步骤二 使用步骤一中标定的电导池常数k，采用RLC测试仪测定电导池内待测电 解质的电阻，根据式(1-1)确定待测电解质的电导率。
实施例1 使用本发明测量了 1010°C下Na3AlF6-6wt% Al2O3的电导率，其中电导池常数采 用1000°C下的Na3AlF6进行标定，其电导率为2. 80S · cnT1。测得1010°C下Na3AlF6_6wt% Al2O3的电导率为2. 45S · cm-1,这与文献报道的电导率值2. 43S · cnT1非常接近，其差值 0. 02S · cnT1属于误差允许的范围。实施例2 使用本发明测量了自行配置的 2. 5NaF · AlF3_3wt % Al203_3wt % LiF_4wt % CaF2-2wt% MgF2在945°C下的电导率，其中电导池常数采用1000°C下的Na3AlF6进行标定， 测得的电导率为2. 75S · cm"1, Wang在1992年所测定的相同电解质在相同温度下的电导率 为2. 76S · cnT1，差值为0. OlS · cnT1，说明本发明测得的电导率是十分精确的。实施例3 使用本发明对某铝电解车间的电导率进行了测试，温度为940°C，其中电导池常数 采用1000°c下的Na3AlF6进行标定，对电解质的组成进行了化学分析，得到其分子比为2. 2， 电解质的组成如表1所示。表1测试电解质的化学组成
权利要求
一种工业铝电解质电导率在线测量装置，其特征在于包括测量系统、控制系统、读数系统及移动、升降系统，所述测量系统包括电导池和导杆，所述控制系统包括电源和PLC，所述读数系统包括RLC测试仪和工业平板电脑，所述移动、升降系统包括伺服电机和支架；所述电源分别与PLC、RLC测试仪、工业平板电脑及伺服电机相连接，所述工业平板电脑分别与PLC和RLC测试仪相连接，所述PLC与伺服电机的控制端口相连接，伺服电机的电机轴与支架相连接，所述支架通过导杆与电导池相连接，所述导杆与RLC测试仪的探头相连接。
2.根据权利要求1所述的工业铝电解质电导率在线测量装置，其特征在于所述电导池 包括下部具有通孔的石墨坩埚，在石墨坩埚内侧的四周设置有内衬，在内衬的上方设置有 中心具有电极通孔的卡头，在所述石墨坩埚的上方设置有电极，电极与卡头中心的电极通 孔相对应；所述石墨坩埚和电极分别通过导杆与移动、升降系统的支架相连接，所述导杆分 别与RLC测试仪的两个探头相连接。
3.根据权利要求1所述的工业铝电解质电导率在线测量装置，其特征在于所述导杆未 与电解质接触的部分采用高温不锈钢材料制成，与电解质接触的部分采用钼金属制成。
4.根据权利要求2所述的工业铝电解质电导率在线测量装置，其特征在于所述电极采 用钼金属制成。
5.根据权利要求2所述的工业铝电解质电导率在线测量装置，其特征在于所述石墨坩 埚内侧的内衬采用氮化硼材料制成。
6.根据权利要求2所述的工业铝电解质电导率在线测量装置，其特征在于所述卡头采 用氮化硼材料制成。
7.根据权利要求1所述的工业铝电解质电导率在线测量装置，其特征在于所述读数系 统、控制系统和移动、升降系统置于不锈钢箱体内。
8.根据权利要求7所述的工业铝电解质电导率在线测量装置，其特征在于所述不锈钢 箱体置于小车上。
9.根据权利要求1所述的工业铝电解质电导率在线测量装置，其特征在于所述控制系 统的电源包括蓄电池和不间断电源UPS，由蓄电池为不间断电源UPS进行供电。
10.权利要求1所述的工业铝电解质电导率在线测量装置的测量方法，其特征在于，包 括如下步骤步骤一电导池常数的标定；电解质的电导率计算公式如下κ = -(1-1) 由式(1-1)变形得k = K *R (1-2)式中，κ为电解质的电导率，单位为S KnT15R为电解质的电阻，单位为ω ；k为电导池 常数，单位为cm—1，其值只与电导池的结构有关；向电导池内注入已知电导率的熔盐或水溶液，采用RLC测试仪测定电导池内电解质的 电阻，根据式(1-2)确定电导池常数k ；步骤二 使用步骤一中标定的电导池常数k，采用RLC测试仪测定电导池内待测电解质 的电阻，根据式(1-1)确定待测电解质的电导率。
全文摘要
一种工业铝电解质电导率在线测量装置及测量方法，属于铝电解技术领域。装置包括测量系统、控制系统、读数系统及移动、升降系统，测量系统包括电导池和导杆，控制系统包括电源和PLC，读数系统包括RLC测试仪和工业平板电脑，移动、升降系统包括伺服电机和支架；电源分别与PLC、RLC测试仪、工业平板电脑及伺服电机相连接，工业平板电脑分别与PLC和RLC测试仪相连接，PLC与伺服电机的控制端口相连接，伺服电机的电机轴与支架相连接，所述支架通过导杆与电导池相连接，所述导杆与RLC测试仪的探头相连接。方法使用标定的电导池常数k，采用RLC测试仪测定电导池内待测电解质的电阻R，根据式确定待测电解质的电导率。
文档编号G01R27/22GK101986162SQ20101026332
公开日2011年3月16日 申请日期2010年8月26日 优先权日2010年8月26日
发明者王兆文, 石忠宁, 胡宪伟, 高炳亮 申请人:东北大学