[发明专利]一种测量铝酸钠溶液浓度的软测量传感器

说明书

技术领域

本专利提出了一种以软测量方法对铝酸钠溶液进行成分浓度实时检测的智能传感器。该方法建立了以温度和电导率作为辅助变量，以苛性钠浓度和苛性比为主导变量的数学模型，利用牛顿迭法求解出铝酸钠溶液的苛性钠浓度和氧化铝浓度。再将计算机显示的数据去接近仪表显示测量的数据进行修正调整模型，最终该数学模型分析出的结果与化学分析法的误差在3%以内，其实时性和精确度能够满足工业生产的需要。

背景技术

铝酸钠溶液成分浓度的测定在氧化铝的生产中起着非常重要的作用。目前我国氧化铝厂测量铝酸钠溶液浓度的主要方法是通过人工定时取样并进行化验室试剂滴定进行分析，这种方法不仅工作量大，而且由于采样时间间隔比较长，不具有实时性，不利于及时指导生产，成为影响氧化铝生产质量的主要因素之。因此使用自动化在线分析仪器势在必行。

发明内容

本发明将软测量技术应用于铝酸钠溶液浓度的实时测量，先通过物理方法测量一些对溶液成分浓度变化敏感的物理量，然后代入由物理量和溶液成分浓度组成的数学模型，并采用数值求解模型进一步从信号参数、数学模型和求解结果三个方面进行修正，从而实现对铝酸钠溶液成分浓度的实时测量，提高了铝酸钠溶液成分的测量精度，满足生产工艺的要求。系统包括取样器、变送器、滤波和A/D转换、微处理器四部分。取样器负责从现场获得铝酸钠溶液样品，变送器完成温度变送电流为4~20mA及电导率变送电流为0~20mA的标准信号，滤波和A/D转换负责将变送器送来的模拟信号转换成数字信号送到微处理器，微处理器进行模型求解，计算氧化铝的浓度。

利用软测量方法测量铝酸钠溶液浓度的基本思想是：采用三因子二次回归正交试验设计方法，建立铝酸钠溶液成分浓度与温度、电导率之间的数学模型，并以此模型为基础编写测量软件，硬件方面需要安装取样器用来从现场铝酸钠溶液槽取得样品，并采用冷却的方法获得两路温度和电导率信号。

由此可见数学模型的建立是软测量的关键所在，模型的准确性直接影响测量的结果。所谓软测量就是利用易没过程变量（辅助变量）与难以直接测量的待测过程变量（主导变量）之间的数学关系 ，通过各种数学计算和估计方法，从而实现对待测过程变量的测量。所以，软测量技术主要包括辅助变量选择、输入数据处理、软测量模型建立和在线校正等步骤。

一、  确定测量铝酸钠溶液浓度的辅助变量

铝酸钠溶液的电导率会随着溶液中各种成分的变化而变化，但是铝酸钠溶液中的成分比较复杂，其中有些成分对电导率的影响显著，有些影响很小，因此需要筛除不重要的因子。实验利用正交表进行因子筛选，用极差法进行分析，试验表明在一定的分子比和温度条件下铝酸钠溶液的电导率随着溶液苛性钠含量的增大而减小，当苛性钠和温度一定时，溶液的电导率与溶液分子比呈现抛物线的关系，并随着分子比的增大而增大。铝酸钠溶液的电导率随着溶液温度升高而增大，近似直线关系。因此最终选定温度和电导率作为辅助变量，以苛性钠浓度和苛性比为主导变量建立软测量数学模型。按照三因子二次回归正交试验方法，向工业原液中添加苛性钠和高纯铝，配置不同浓度的溶液，然后检测不同温度条件下溶液的电导率。

二、  建立测量铝酸钠溶液浓度的数学模型

根据试验结果，可以得到一个二元二次非线性方程组，通过解这个方程组，可以得到溶液的主要成分浓度。该方程组即为软测量系统的数学模型。方程组如下：

P₁N_k²+ P₂a_k²+ P₃T₁²+P₄N_ka_k+ P₅N_kT₁+P₆a_kT₁+P₇N_k+ P₈a_k+ P₉ T₁+ P₁₀-C₁=0