具有无线功能的初晶温度实时检测仪的设计与研究

1引言

1.1课题背景与意义

初晶温度即错电解质初始结晶时的温度，在电解过程中电解槽的温度应始终高于初晶温度，电解才可以顺利地进行。根据经验和实验数据，一般电解温度高于初晶温度10摄氏度左右比较合适。电解槽温度偏高，将会提高生产单位吨银消耗的电能，造成环境污染、生产成本提高，降低市场的竞争力。因此初晶温度是电解招生产过程中重要的生产参数之一，精确测量初晶温度，可以有效地控制电解温度。初晶温度的测量一般釆用两种测量方法，化学分析法和热分析法。化学分析法在不明确电解质成分的情况下得出的初晶温度是不准确的，并且测量方法比较繁琐⑴。目前比较常用的初晶温度测量方法是热分析法。热分析法的原理是通过绘制错电解质的降温曲线，根据晶体降温曲线的特性，来识别出初晶温度。综上所述，快速精准的获取初晶温度，并依据初晶温度合理控制电解槽槽温，使电解槽温度达到最佳现实是目前我国‘电解招行业节能降耗，提高经济和环境效益的有效和现实手段。

目前初晶温度热分析法检测设备分为离线测量方式和在线测量方式。离线测量过程是：首先把银电解液从电解槽中取出使其凝固，其后在高温炉中将固体电解质再次溶化；当电解质充分融化后，再控制加热设备恒定温差缓慢降温，同时使用热电偶传感器测量缓慢降温过程⑴。将测量数据绘制成降温曲线，通过识别降温曲线的拐点取得初晶温度值。这种测量方法的主要优点是：釆用离线式缓慢降温的方式，环境干扰小，降温曲线变化缓慢，通过降温曲线容易准确的识别出初晶温度拐点。缺点是：样品和电解槽实际的实时状况有差异、测量过程耗能、操作复杂、设备笨重、不能实时反应电解质的初晶温度。因此这种测量方法很难在工厂推广使用。二是基于嵌入式技术的在线式初晶温度检测仪。测量过程是：通过前端带有热电偶的电子取样器，从电解槽中取样电解质溶液，取出后电解质焰液快速降温，通过取样器上的热电偶高速的釆集温度，将釆集数据实时绘制成降温曲线。通过该降温曲线进行处理和识别初晶温度点。在线式初晶温度设备的优点是：能够在生产线上实时快速的检测出初晶温度。缺点是：生产现场工作环境复杂，容易受到外部环境的干扰。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

目前，国内电解银企业主要采用化学分析的方法获得初晶温度数据。但是由于电解质生产原料成分差别很大，目前还没有统一的数据模型或公式可以精确方便地获得初晶温度。另外通过化学分析的方法，测量时间较长，很难满足实际生产的需要。近年来，虽然化学分析设备的更新提高化学分析法方法的速度，但是难以满足实际生产需求。

鉴于电解错的实际生产需要，国内也有一些高校和科技企业开始研发初晶温度检测设备，其中，北京核心动力研发了离线式全自动锅电解质初晶温度检测系统。该系统主要由加热炉、机械装置、信号采集部分、计算机控制系统组成。该设备测试过程：先将电解质样品粉碎成小颗粒，装入加热炉进行加热；待电解质充分融化后，开始对电解质进行恒温差降温；在降温过程中，通过热电偶进行降温曲线采集；待电解质凝固后结束采集，通过对采集数据进行处理分析，计算出初晶温度点，标注并显示在降温曲线上。

采用这种离线检测方式的设备优点在于降温速度可控、环境干扰比较小，其缺点是：测量周期长；检测样品量较少可能造成和实际生产原料差距较大；因设备带有加热设备，会比较笨重且耗能。这种设备只适宜检测较少的抽样样品，若在周期检测中使用，实时性太差。

1.2.2国外研究现状

在国外，在线和离线的液态金属温度测量设备技术和研究都比较成熟稳重，但针对电解销测温、识别初晶温度、计算过热度的设备却很少。其中，德国的贺利氏集团与加银、美银及奥克兰大学等科研机构合作，开发出了一套过热度测量仪，该设备是目前较为先进的在线式初晶温度测量设备。该设备采用步冷曲线法测量初晶温度，每次测量后需要更换探头。但是由于技术垄断，相关探头和测量设备价格昂贵，在有色金属市场竞争激烈的市场环境下，该设备没能大面积使用。

2检测仪相关技术理论介绍及方案选择

2.1处理器选择

随着移动设备、物联网产业的高速发展，大量微控制器被应用于工业检测控制领域。工业微控制器对芯片稳定性、可靠性及实时性要求较高；目前，工业控制检测设备领域中常用的控制器主要有以下几种类型：ARM、X86、MIPS、PWOERPC等。嵌入式在线检测设备系统需要的控制器应具有如下特点：实时性好、稳定性强、中断响应速度快、外设扩展容易、低功耗等。表2.1对几种常见的处理器进行了对比：

2.2短距离无线技术方案选择

工业现场环境复杂，常常伴有高温、粉尘、强磁场等。因此，在工业环境下，检测仪应该具有较强的抗干扰能力，作为嵌入式设备考虑到实时性能和低功耗特性。结合这些技术标准和特性来看，适宜该工作环境的主要是低功耗的芯片方案和最近由德国西门子公司推出的方案。但是后者由于是新技术，存在着价格高昂、开发资料少、芯片资源获取困难等缺点，不适宜项目。低功率方案具有技术成熟稳重、易开发、成本低等优势，所以本系统选择了低功率芯片的方案。

3系统总体方案设计............10

3.1铝电解质初晶温度测量原理............10

3.1.1热电效应.........10

4检测仪硬件平台设计实现与分析...........14

5驱动软件设计与实现.........21

5.1AD驱动软件设计.........21

6测试结果分析及改进

作为精密测量仪器，由于电路元器件参数精度有限，运放和晶体管等元器件受温度、湿度等影响。随着环境和使用时间的增长，设备精度会出现一定的偏差，并随时间累积。为了保证检测设备测试数据的准确性和可靠性，检测设备要定期做校准。我国相关部门还没有对特定领域的测温设备设立正式的测定规程和校准规范。在设备实际校准时，通常有部件分别校准法、标准信号闭环测量法、产品信号标准信号对比法、金板校准法，产品设备互校法。具体怎样校准，方案如何确定，最终要根据具体设备的功能原理、系统构成等因素来确定。针对本课题设计的初晶温度检测仪，前端釆集采用标准构件型热电偶。型热电偶由国家现行标准规定其分度表和允许误差。其次，鉴于热电偶在测试过程中属于一次性使用的部件，校准存在一定的困难性。所以，系统校准过程中，只需考虑设备本身精度来保证系统整体精度。经过分析系统的特性，做了如下校准方案设计与验证。

通过对上面测试结果分析可知，当把系统的输入到输出经过的滤波、调理、放大、釆集等整个过程作为一个整体来研究，输入和输出之间并不是简易的线性关系。若在全局使用同一个斜率和截距对精度影响很大。为了解决这个非线性转换的问题，如果所有釆集点釆用查表方式，会使得检测效率低下，实时性受到影响。课题采取一个折中的办法：检测前，通过如图6.2所示的过程输入标准电压、获取系统检测值，建立一个〈实际电压检测电压〉的对照表。然后，对实际电压检测电压对照表进行分段曲线拟合。在设备检测过程中，通过釆集值的范围，确定具体拟合曲线，计算出实际值。表6.2就是针对课题中使用的一块电路板的一组实际电压检测电压的对照表。

7总结与展望

本课题以铝电解企业生产需求为背景，分析了现存的化学分析方法和离线检测初晶温度的方法，研究其中存在的问题，利用嵌入式和计算机技术设计实现了带有无线传输功能的在线式初晶温度的检测硬件设备。在对设计的硬件设备进行测试过程中，发现了不同设备之间存在着精度差异。通过对设备测试数据的分析和研究设计了一套用于提高测量精度、减小不同批次检测设备硬件精度差异的方法。

通过在实验室和现场环境下测试，对测量精度进行验证。同时对校准算法进行了对比测试，结果表明测量设备精度达标并且稳定可靠。在实验室环境下还对设备功耗进行了测试，测试仪一次充电可以连续工作20小时，完全满足实际使用需求时间。

本文设计的初晶温度在线检测仪测试效果良好，但是由于时间和各方面条件的限制，仍有一些不足需要后续进行改进和完善。

参考文献（略）