一种抗干扰铜液定氧仪的制作方法

本发明涉及铜冶炼，特别是涉及一种抗干扰铜液定氧仪。

背景技术：

1、铜熔炼工序中熔体氧含量直接决定后续铜材的导电率及冷热加工塑性，阳极炉还原、铜液转运全过程均需对铜液氧活度开展高精度实时监测。目前，有色冶金领域对熔融金属中溶解氧的在线检测普遍采用固体电解质浓差电池型氧传感器，其基本原理是基于固体电解质两侧氧分压差异产生浓差电势，通过测量电极电势信号来测定氧含量。此类传感器通常由氧探头、测温热电偶、信号采集与处理仪表构成，已广泛应用于钢铁冶炼行业的钢水定氧检测。然而，现有商业化定氧设备全部基于钢水fe-o平衡体系进行开发，其能斯特方程标定参数、标准平衡常数及高温温度补偿系数均针对铁-氧反应体系设计，直接应用于铜冶炼场景时存在大量无法解决的技术缺陷。

2、首先，铜熔体遵循cu-cu2o氧化平衡，与钢水的fe-o平衡体系在热力学本质上存在显著差异。铜的熔点较低（1083℃），铜冶炼温度范围（800～1400℃）与钢水温度（1500～1700℃）亦不相同，二者的标准平衡常数、温度补偿系数存在量级差异。现有设备直接复用钢水定氧算法后，在铜液1～50ppm低氧区间的测量误差大于30％，检测数值长时间漂移，无法支撑阳极炉精细化脱氧工艺控制。其次，铜冶炼产线配置大功率阳极炉整流电源、连铸轧机高压变频器等强电磁干扰源，厂区电网存在极强的谐波以及交变磁场。传统定氧仪的温度采集回路与氧电势采集回路共用接地参考点位，两路微弱的毫伏级信号在现场强电磁环境下极易发生电位耦合串扰，现场频繁出现热电偶温度读数正常、氧电势信号幅值正常但无法输出完整连续脱氧检测曲线的典型故障，炉前工艺指导能力完全丧失。此外，粗铜、无氧纯铜、黄铜、铝铁青铜等不同成分的铜熔体中，溶质元素会显著改变铜液氧活度的活度系数，现有设备采用单一标定参数完成全品类铜熔体计算，导致高合金铜液检测重复性极差。熔炼设备启停、行车大功率合闸会产生瞬时冲击电磁扰动，传统固定参数滤波方案无法兼顾滤波精度与信号响应速度，氧电势曲线频繁出现跳变、断段，不能完整记录整炉铜液的脱氧全过程。再者，现有设备故障诊断能力薄弱，探头陶瓷电解质老化、枪体线路虚接、保护套管冲刷破损等工况无法自动识别，运维人员需逐段排查硬件回路，产线停机检修时间较长；原始工艺数据存储容量有限，多炉次铜液氧含量数据无法长期留存，冶炼工艺溯源难度较大。同时，原生设备仅配备小尺寸本地显示屏，炉前高温烟尘环境下可视性差，中控调度端无法同步获取铜液实时氧含量参数，冶炼全流程的集中管控难以落地。

3、因此，本领域内亟待开发一种面向铜冶炼全场景、具备cu-cu2o专属热力学解算能力、能够有效抑制冶炼厂区强电磁干扰、适配多铜合金差异化补偿、具备全链路故障诊断及多终端远程可视化功能的专用铜液定氧仪表，以解决现有钢水通用定氧设备在铜冶炼应用中长期存在的技术短板。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种抗干扰铜液定氧仪，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种抗干扰铜液定氧仪，包括工业屏蔽机箱、宽幅隔离供电单元、双通道电气完全隔离采集前端模块、mcu主控运算单元、铜合金热力学参数存储单元、复合自适应抗干扰调理模块、炉前人机交互单元、全维度故障诊断与数据存储单元以及多协议隔离对外通讯单元；

4、所述双通道电气完全隔离采集前端模块设有热电偶温度采集支路和氧电势采集支路；

5、所述复合自适应抗干扰调理模块的输入端与所述双通道电气完全隔离采集前端模块的输出端连接，所述复合自适应抗干扰调理模块的输出端与所述mcu主控运算单元的输入端连接；所述复合自适应抗干扰调理模块集成硬件rc无源低通滤波电路以及可动态调整窗口宽度的滑动平均数字滤波算法，内置电网扰动识别逻辑；

6、所述mcu主控运算单元与所述铜合金热力学参数存储单元双向电性连接，所述铜合金热力学参数存储单元内部预存粗铜、纯铜、黄铜、铝铁青铜对应的cu-cu2o体系氧活度运算补偿参数，所述mcu主控运算单元适配以下公式完成铜液氧含量解算：

7、；

8、其中，为气体常数，为铜液热力学温度，为法拉第常数，为参比电极侧氧分压，为熔融铜液内部氧分压，为对应铜合金的动态补偿系数；

9、所述全维度故障诊断与数据存储单元与所述mcu主控运算单元双向连接；

10、所述多协议隔离对外通讯单元与所述mcu主控运算单元的输出端连接，配置隔离rs-485接口、千兆以太网接口以及hdmi视频输出接口。

11、优选地，所述工业屏蔽机箱设置强弱电分隔仓，面板配置防爆耐温航空信号接插件，所述航空信号接插件内部设置氧化铝陶瓷隔热衬套，机箱侧壁布置主动散热风道。

12、优选地，所述宽幅隔离供电单元适配ac85-264v宽电压输入，输出多路相互电气隔离的直流供电支路，分别为所述双通道电气完全隔离采集前端模块、所述mcu主控运算单元、所述炉前人机交互单元以及所述多协议隔离对外通讯单元独立供电。

13、优选地，所述mcu主控运算单元内置冶炼工况自动识别程序，能够依据铜液温度、氧电势变化趋势自动识别阳极炉精炼、铜液流槽转运、连铸保温工况，自适应调取对应的冶炼参数区间。

14、优选地，所述热电偶温度采集支路内置冷端补偿单元，兼容b、k、s分度号热电偶，测温区间覆盖800℃～1400℃；所述氧电势采集支路量程为0～1200mv，采样分辨率不低于0.001mv。

15、优选地，所述炉前人机交互单元搭载工业触控显示屏，设置工况快捷选择菜单、热电偶分度号一键切换菜单、铜合金材质选型菜单以及工艺报警阈值设定菜单，仪表内部配置声光报警模组，当氧含量超限、设备出现故障时输出声光告警信号。

16、优选地，所述多协议隔离对外通讯单元的数据传输延时小于100ms，且单台仪表同步驱动炉前防爆触摸大屏、户外高亮led显示屏、中控拼接大屏。

17、本发明还提供一种铜液定氧测量方法，应用所述的抗干扰铜液定氧仪，包括以下步骤：

18、s1、将定氧探头浸入熔融铜液，启动所述双通道电气完全隔离采集前端模块，所述热电偶温度采集支路采集热电偶输出的热电动势信号，经冷端补偿后获得铜液热力学温度；所述氧电势采集支路采集定氧探头固体电解质浓差电池输出的氧电势信号；

19、s2、所述复合自适应抗干扰调理模块对采集到的温度信号与氧电势信号依次执行硬件rc无源低通滤波和变窗口滑动平均数字滤波，实时检测现场电压谐波总畸变率及冶炼大功率设备启停状态，当＞5％或检测到大功率设备投入运行时切换至高滤波强度档位，当＜3％且无大功率设备启停时切换至低滤波强度档位，输出滤波后的温度信号与氧电势信号；

20、s3、所述mcu主控运算单元根据滤波后的温度信号，采用国际温标its-90规定的热电偶分度多项式进行逆运算，获得铜液热力学温度的真实值：

21、；

22、其中，为热电偶采集支路输出的热电动势，为对应分度号的多项式拟合系数，为多项式阶数，为冷端补偿值；

23、s4、所述mcu主控运算单元根据滤波后的氧电势信号及步骤s3获得的温度，代入cu-cu2o平衡体系能斯特方程，计算熔融铜液内部氧分压：

24、；

25、其中，为参比电极侧氧分压，为热电偶非等温效应引入的电动势偏移修正项，为法拉第常数，为理想气体常数；

26、s5、所述mcu主控运算单元根据当前选中的铜合金牌号，从所述铜合金热力学参数存储单元中调取对应的活度相互作用系数及动态补偿系数，计算该铜合金中氧的活度系数：

27、；

28、其中，为铜合金中氧的活度系数，为溶质元素的摩尔分数；

29、然后换算为氧的质量百万分比浓度：

30、；

31、其中，为氧的摩尔质量，为铜的摩尔质量，为标准态氧分压；

32、s6、所述全维度故障诊断与数据存储单元实时监测热电偶升温速率、氧电势变化斜率、采集回路阻抗及线缆绝缘阻值，任一参数超出预设阈值时输出对应的故障编码并驱动声光报警；

33、s7、所述mcu主控运算单元将解算得到的铜液温度、氧含量及脱氧趋势曲线同步下发至所述炉前人机交互单元进行本地显示、所述全维度故障诊断与数据存储单元进行存档以及所述多协议隔离对外通讯单元进行远程终端输出。

34、优选地，步骤s2中，所述高滤波强度档位的滑动平均窗口宽度n=32、滤波阶数m=4，所述低滤波强度档位的滑动平均窗口宽度n=8、滤波阶数m=2。

35、优选地，步骤s6中，所述热电偶升温速率的正常值范围为5℃/s～20℃/s，所述氧电势变化斜率的正常值范围为±2mv/s以内，所述采集回路阻抗的正常值范围为小于1kω，所述线缆绝缘阻值的正常值范围为大于100mω。

36、本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

37、本发明提供的一种抗干扰铜液定氧仪，具有测量精度高、抗干扰能力强、运维便捷、适配工况范围广的特点。其中，通过设置双通道全浮地电气隔离采集架构，温度与氧电势两条采集回路的供电及参考地完全独立隔离，从硬件层面彻底切断了冶炼厂区强电磁环境下两路微弱信号的共地串扰路径，有效解决了铜液检测曲线断档跳变的行业通病；通过内置适配cu-cu2o平衡体系的多铜合金差异化热力学解算模型，针对不同牌号铜熔体设计专属的动态补偿系数，在1～50ppm低氧区间将测量误差控制在±3ppm以内，从底层根源解决了铜液检测数值漂移的痛点；通过搭载冶炼谐波自适应复合滤波模块，可根据现场电网扰动动态调节滤波强度，兼顾了信号响应速度与测量稳定性；通过配备全链路故障诊断系统，实现了从定氧探头、定氧枪线缆到仪表内部采集回路的完整故障巡检与自动故障编码输出，大幅缩短了冶炼现场设备检修时长；通过配置多协议隔离通讯与视频输出接口，支持炉前、户外、中控多终端同步可视化展示铜液冶炼参数，实现了铜冶炼全流程的集中管控。