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基于光纤光栅传感器的铝电解槽高温安全监测系统

李海岗  
【摘要】: 铝是当今世界最常用的工业金属之一,是国民经济发展的重要基础原材料。自1886年美国的霍尔和法国的埃鲁同时发明了电解法制铝工艺之后,铝电解工艺又经历了预焙—自焙—预焙槽的发展历程。目前,我国电解铝生产已全部采用预焙电解槽工艺,对电解槽槽壳温度的测量,仍采用人工间断测量技术,该技术比较落后,投入人力物力较大、收效低、危害操作工人的身体健康且不能及时发现故障隐患。因此,迫切需要实现对电解槽槽壳温度的自动连续实时监测。 光纤布拉格光栅传感器具有体积小、灵敏度高、稳定可靠、抗电磁干扰、易于构成多点分布式测量系统等优点。对比了目前常用的几种高温检测技术方案,基于光纤布拉格光栅传感技术,开发出一套对铝电解槽槽壳温度的实时在线监测系统。项目的研究实现,将填补国内空白,为铝电解槽槽壳的温度检测提供一种有效的技术手段,提高电解铝生产的效率和产品质量,并可及时避免事故的发生。 课题的预期技术指标为:阴极钢棒温度测量范围0℃~600℃、侧部钢板温度测量范围0℃~600℃、底部钢板温度测量范围0℃~500℃。每个电解槽的测温点多达100个,每个车间按100个电解槽进行设计。系统精度:±1℃;响应时间:<30S;使用寿命:100,000小时(大于10年)。 论文首先介绍了光纤布拉格光栅的基本结构和应用现状,以及高温光纤光栅传感器的研究和应用现状。然后重点论述了光纤光栅的理论模型,推导得出了基于耦合模理论的温度传感模型。介绍了几种目前常用的光纤光栅传感器解调技术,然后重点论述解调仪sm125的解调原理,本课题采用美国MOI公司生产的光纤光栅解调仪sm125对传感器进行信号解调。 通过长达一年的技术方案可行性调研和基础研究、设计工作,根据兖矿科奥电解铝厂电解槽槽壳的三类测温点的测温要求,设计了项目的硬件系统,包括:耐高温光纤光栅传感器的封装、连接和夹具结构、传感器的布线和系统光路。针对光纤布拉格光栅进行了测高温实验,搭建了实验环境,论文讲述了实验步骤和所得实验结果及结论;然后在该实验系统的基础上,设计了一套耐高温光纤光栅传感器的标定系统,该系统采用盘形电热炉加热,温度数据采用单片机通过串口通讯上传给计算机,然后利用该标定系统对耐高温光栅S_1和S_2进行了标定实验,并得出标定结果。 课题的软件系统在LabVIEW 7.1环境下开发完成,解调程序是在解调仪sm125解调仪原厂自带软件的基础上进行了二次开发,加入了光开关自动控制程序和数据实时监控程序,系统软件的主要功能包括:温度的实时监视、数据存储和历史数据查询三部分。 最后总结了课题的主要研究工作和所得结论,对下一步需要完成的研究工作进行了展望。


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