基于磁屏蔽环的铝电解阳极电流磁场测量方法.pdf

4 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 0 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．1 0 ．0 1 2 基于磁屏蔽环的铝电解阳极电流磁场测量方法 张志芳1 ，张雨1 ，赵仁涛1 ’2 ，李华德2 ，铁军1 1 ．北方工业大学电气与控制工程学院，北京1 0 0 1 4 4 ； 2 ．北京科技大学自动化学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要采用霍尔传感器非接触式测量方案，安装3 个与阳极导杆成4 5 度排列的传感器，实现铝电解过程 阳极导杆电流的在线监测。在此基础上，外加磁屏蔽环屏蔽干扰磁场提高阳极导杆电流的测量精度并 给出了数学表达式。依据光纤互感器所测电流与霍尔传感器所测电流对比表明，阳极导杆电流的测量 误差在3 ％以内，最大不超过4 ．5 ％。 关键词阳极电流；铝电解；霍尔传感器；电磁屏蔽；试验验证 中图分类号T F 8 2 1文献标志码A文章编号1 0 0 77 5 4 5 f 2 0 1 5 1 00 0 4 4 0 5 M e a s u r e m e n to fM a g n e t i cF i e l d so fI n d i v i d u a lA n o d eC u r r e n tB a s e d o nM a g n e t i cS h i e l d i n gR i n gi nA l u m i n u mR e d u c t i o n Z H A N GZ h i f a n 9 1 ，Z H A N GY u l ，Z H A OR e n t a 0 1 ”，L IH u a n d e 2 ，T I EJ u n l 1 ．C o l l e g eo fE l e c t r i c a la n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g ，N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 1 4 4 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fA u t o m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t O n l i n em o n i t o r i n go fi n d i v i d u a la n o d er o dc u r r e n to fa l u m i n u mr e d u c t i o nW a Sa c h i e v e db y i n s t a l l i n gt h r e eH a l ls e n s o r sa r r a n g e da ta na n g l eo f4 5d e g r e e sw i t ha n o d er o da r r a n g e m e n ta d o p t i n gn o n c o n t a c t i n gm e a s u r e m e n ts c h e m e ．O nt h i sb a s i s ，m a g n e t i cs h i e l d i n gr i n gw a sa p p l i e dt os h i e l di n t e r f e r e n c e m a g n e t i cf i e l d t oi m p r o v ec u r r e n tm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fi n d i v i d u a la n o d er o d ，a n dm a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n sw e r ep r o v i d e d ．C o m p a r i s o nb e t w e e nm e a s u r i n gc u r r e n td e r i v e df r o mo p t i c a lt r a n s f o r m e ra n d t h a tf r o ms e n s o r ss h o w st h a tc u r r e n tm e a s u r e m e n te r r o ro fa n o d er o di sa l m o s tw i t h i n 土3 ％a n dt h e m a x i m u me r r o ri s 4 ．5 ％． K e yw o r d s a n o d ec u r r e n t ；a l u m i n u me l e c t r o l y s i s ；H a l ls e n s o r ；m a g n e t i cs h i e l d i n g ；e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 在铝电解生产中，电流效率的下降与阳极炭块 的损耗、变形、铝液的波动、极距变化以及阳极效应 直接相关，并且直接体现为阳极电流分布的变化。 所以通过阳极电流分布的准确测量可以实现阳极效 应早期预警，达到提高电流效率的目的[ 1 。2 ] 。人们尝 试过多种方法来监测阳极电流，但大多采用毫伏表 测量阳极导杆固定距离上的电压降口] ，此方法不但 费时费力、误差偏大，而且对电流进行测量频次过 低，不能用于阳极电流的在线监测与控制。 为了解决此问题，S t e i n g a r t [ 4 剀与E v a n s [ 6 。8 1 等 最早提出利用霍尔传感器测量阳极导杆周围磁场进 而推算阳极电流的方法，此法需要弹性卡盘把传感 收稿日期2 0 1 5 0 3 1 1 基金项目国家科技部科技支撑计划项目 2 0 1 2 B A E B 0 9 ；北京市属高等学校“青年英才计划”项目 Y E T P l 4 2 2 作者简介张志芳 1 9 7 9 一 ，男，讲师，博士生． 万方数据 2 0 1 5 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 4 5 器卡在阳极导杆上。当导杆更换时，此装置需要拆 除和重新安装，传感器整体位置产生的偏差容易对 测量结果产生较大误差。曾水平等[ 9 。1 叩在非接触式 测量方面进行过研究。 作者在前期工作口1 。1 4 3 的基础上，从简化测量装 置的角度出发，把霍尔传感器的个数从6 个降为3 个。此外，为了提高电流的测量精度，在传感器周围 加入磁屏蔽环[ 1 5 ] 使得立柱母线、水平母线、跨接母 线和相邻阳极导杆等带电体产生的干扰磁场对所测 阳极导杆产生的磁场影响降到最小。在提高测量精 度的同时，不但减少了元器件的使用，而且计算公式 也得到了简化。 1电磁理论 1 ．1 阳极导杆周围磁场表达式 根据B i o t S a v a r t 定律，在磁介质中，在给定点 P 处产生的磁感应强度B 等于导线上各个电流元 在该点处所产生的磁感应强度的矢量和。但实际现 场中阳极导杆是图1 所示截面为矩形的立方体。 图1 阳极导杆模型 F i g ．1 A n o d er o dm o d e l 导杆中电流的方向沿Z 轴负方向，因此阳极导 杆电流产生的磁场方向在X O Y 平面。霍尔传感器 的安装位置垂直于X 轴，决定了传感器只受X 轴方 向磁场矢量和的影响。故只考虑磁场矢量和在X 轴方向的分量，推导其数学表达式为 B 一嚣』学如 印 s y j 1 妒一肚一再等赫d x d y d z 4 若所测磁场B 和9 已知，则通过式 3 可求出阳 极导杆中的电流值。由式 4 可知，妒是关于z 和y 的 三重积分，表达式复杂且不易在嵌入式中实现计算。 经过大量计算数据拟合可知，在一定坐标范围内，用 z 和y 的二次多项式函数便可准确拟合此三重积分 表达式。 1 ．2 模型系数妒的拟合 利用C O M S O L 电磁场仿真软件建立某铝厂局 部电解槽模型 如图2 所示 。模型忽略了一些影响 很小的次要因素，如阳极导杆下面阳极炭块、电解质 或铝液等电解槽内导电体产生的磁场对槽外测试点 的影响和相邻电解槽对本槽的影响。 图2 部分铝电解槽模型 F i g ．2 P a r to fa l u m i n u me l e c t r o l y t i cc e l lm o d e l 阳极导杆横截面积尺寸为1 6 0m m 1 6 5m m ， 仿真得到导杆周围磁场分布数据。设水平母线底面 与阳极导杆内面的交线中点为原点，在z ∈[ 一1 5 m m ，1 5r a m ] 、Y ∈[ 9 0m m ，2 0 0m i n i 、2 ∈E 2 0m m ， 1 0 0r a m ] 的范围内提取数据拟合模型系数妒的表达 式为 。一甜2 缸 c y2 d y e x y g 5 式中，口⋯bCd 、e 、g 为拟合的多项式系数。经过验 证，多项式系数6 、e 与口、f 、d 、g 相比非常小，故简化 后舻的表达式为 9 一缸2 c y2 咖 g 6 当传感器之间z 轴方向距离m 与Y 轴方向距离 以不同时，得出的拟合结果如表1 所示。 B 。一卢of f 。f , ；学如d y d z 2 2 干扰磁场的消除 式中，P A ，B ，C 为传感器所在位置；．，是导杆 的电流密度，将其分解为电流 D 除以截面积，把电 流移出积分项，得到一个模型系数妒 B 一咏 4 丌’ 3 在前期采用传感器做差分计算抵消干扰磁场的 基础上，为了消除立柱母线、水平母线、跨接母线、相 邻导杆及其他导电体产生的磁场对所测阳极导杆产 生磁场的影响，添加图3 所示磁屏蔽环包裹传感器 的方法提高电流的测量精度。 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 0 期 阳极导杆磁屏蔽环 图3 传感器与磁屏蔽环示意图 F i g ．3 S k e t c hm a po fs e n s o r sa n dm a g n e t i c s h i e l d i n gr i n g 依据磁屏蔽原理可知，磁屏蔽环的径向磁屏蔽 效果最强，理论上外部磁场几乎完全从磁屏蔽环内 穿过，而不再进入磁屏蔽环内部的空腔区域，这时传 感器几乎不受径向磁场的影响。当磁场方向沿轴向 弯曲时，磁屏蔽效果会逐渐减弱，直至磁场方向为轴 向时，这时磁屏蔽效果达到最小。 磁屏蔽效果主要与磁屏蔽环的内径与长度有 关。当环的内径过大或者环长度过短时，会有过多 的干扰磁场进入空腔区域，磁屏蔽效果将会减弱；然 而环内径过小或者环长度过长时，会有部分导杆产 生的磁场通过磁屏蔽环内，检测结果受到影响。有 关不同磁屏蔽环的屏蔽效能测试与仿真在文献[ 1 5 1 已做详解，这里不再赘述。 3 阳极导杆电流的推算 在传感器周围设置磁屏蔽环后，可以认为通过 传感器的磁场很少含外在干扰磁场。依据公式 3 通过传感器1 、2 、3 的磁场分别表示为 r B l 譬9 l 7 ‘士／1 “ 。 B 2 一掣9 2 8 哇7 r 。 B 3 一譬9 3 9 其中，相邻两传感器在z 轴与y 轴上相距2 0 m m ，即r n 一2 0m m 、以一2 0m m ，带人妒后 B l 一譬[ 口 z m 2 f y 一7 2 2 d y 一行 g l 1 0 B 2 一譬[ 甜2 呵2 d y g ] 儿 B 3 一掣[ 口 z m 2 c y 行 2 d y 卵 9 3 1 2 整理得出导杆电流为 I 一塾 旦 二罢垦土拿 1 3 1 肚o a m2 一c “ r ／2 ”⋯ 式 1 3 中等式右边全部为已知量，可以求出阳 极导杆中的电流值。 4 模型验证 现场阳极导杆电流值的测量采用光纤电流互感 器装置，因为光纤电流互感器的测量结果只与圈内 通电导体的电流值有关，而与圈外通电导体的电流 值无关，这决定了其测量结果精度很高。传感器测 量盒的实际测量位置如图4 所示。 图4 现场测试图 F i g ．4 F i e l dt e s ti m a g e 测量盒的上边界与右边界分别紧贴水平母线和 阳极导杆，通过耐高温导线把测量数据传给无线数 据发送模块，计算机则通过无线接收模块获得电流 数据。图5 分别为某铝厂电解槽阳极导杆A 、B 侧 万方数据 2 0 1 5 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．e n 4 7 电流 2 分钟内连续测量所有电流的平均值 的测量结果对比。 2 4 2 l l 培I n 七1 2 拈 晕H 4 3 ’ 口光纤传感器程霍尔传感器 2 4r I b 口光纤传感器圈霍尔传感器 2 I I - 图5A 侧导杆 a 和B 侧导杆 b 电流对比图 F i g ．5C o m p a r i s o no fr o dc u r r e n to fAs i d e a a n dBs i d e b 从图5 可看出，电解槽A 、B 侧各1 2 根，共2 4 根阳极导杆，每根导杆电流约为1 6 ．6k A ，总电流约 为4 0 0k A 。通过比较可以看出，两种测量方法得出 的电流值差别很小。若以光纤互感器所测电流值为 标准，则霍尔传感器所测电流值误差基本在3 ％以 2 l2 j l j b 4 l舢 采佯点 内，其中最大电流误差不超过4 ．5 ％，满足了企业 对于测量结果的要求。图6 为测量装置以每5 0 0 m s 为时间间隔进行采集，连续采集5 0 个采样点的 电流曲线图。 2 4 2 2 墨2 I l 筝1 8 L 齐1 6 塞1 4 ＆ 1 2 b o 一| j H 极导杆B j 阳极导杆B * 一阳极导杆B 8 阳极导杆B l I } j 极导杆B 1 2 、，＼．，、P 、 _ √、1 ．．、，、- ‘＼．气r 62 l2 n { l3 64 l4 65 采样点 图6A 侧导杆 a 和B 侧导杆 b 电流曲线图 F i g ．6D i a g r a mo fr o dc u r r e n to fAs i d e a a n dBs i d e b 从图6 可见，同一电解槽不同阳极导杆的电流 值差别较大，这主要是由电解槽内各导杆的极距不 同引起的。但每根导杆的电流值总体处于平稳状 态，大都在导杆平均电流值的水平上下波动，没有发 生电流值的突变。 5结论 在前期工作的基础上，通过现场测量数据对比， 采用3 个传感器排列加磁屏蔽环的电流检测方案不 但节省了器件数量、优化了计算方法，而且提高了电 流的测量精度，从而实现了阳极导杆的在线监测，为 预测阳极效应提供了依据。 参考文献 [ 1 ] 赵仁涛，紫京浩，范涵齐，等．电解槽电流测量模型建模 及测量位置的研究[ J ] ．仪器仪表学报，2 0 1 4 ，3 5 3 4 9 6 5 0 3 ． E 2 ] 王永良，孙树臣，铁军。等．铝液界面波动对铝电解槽阳 极电流及槽电压影响的仿真研究[ J ] ．轻金属，2 0 1 3 1 0 2 3 - 2 7 ． [ 3 3 梁汉．“电压叉”测量电流分布的误差[ J ] ．轻金属，2 0 0 2 2 3 4 - 3 8 ． [ 4 ] S t e i n g a r tD ，S c h n e i d e rM ．F u r t h e rR e s u l t sF r o mt h e W i r e l e s sI n s t r u m e n t a t i o no fH a l l H e r o u l tC e l l s [ J ] ． T M S ．L i g h tM e t a l s ，2 0 0 6 3 31 3 3 4 ． [ 53S t e i n g a r tD ，E v a n sJW ．E x p e r i m e n t so nW i r e l e s sM e a s u r e m e n to fA n o d eC u r r e n t si nH a l lC e l l s [ J ] ．T M S ． L i g h tM e t a l s ，2 0 0 8 3 3 3 3 3 8 ． [ 6 3U r a t aN ，E v a n sJw ．T h eD e t e r m i n a t i o no fP o tC u r r e n t D i s t r i b u t i o nb yM e a s u r i n gM a g n e t i cF i e l d s [ J ] ．T M S ． L i g h tM e t a l s ，2 0 1 0 4 7 3 4 7 8 ． [ 7 ] E v a n sJW ，U r a t aN ．W i r e l e s sa n dN o n C o n t a c t i o n M e a s u r e m e n to fI n d i v i d u a lA n o d eC u r r e n t si nH a l l 一 图铡图团图国。拼围刚图闲刚匾。悱 豳嘲凼围闲闲图．B 陶嘲围网幽嘲国网倒圆团肉圆嘲图闲圆图图函刚图㈣图Ⅲ图图围圆圆幽图国围嘲嘲刚剐嘲国囹嘲圆圆圆圆垦园刚闲嘲溺垦肉囝幽圆圈圆囝图闲圆圆凼阑垦图图图引圆嘲囡图凼图闲图国 4 2 H n 4 ● ●一2 2；● 、，∈逭耳I妊他肇墨 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／l y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 0 期 H e r o u l tP o t ；E x p e r i e n c ea n dB e n e f i t s [ J ] ，T M S ．L i g h t M e t a l s ，2 0 1 2 9 3 9 9 4 2 ． [ 8 ] E v a n sJW ，U r a t aN ．T e c h n i c a la n dO p e r a t i o n a lB e n e f i t s o fI n d i v i d u a lA n o d eC u r r e n tM o n i t o r i n g [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h e1 0 t h A u s t r a l a s i a nA l u m i n u mS m e l t i n gC o n f e r e n c e ，L a u n c e s t o n ，A u s t r a l i a ，2 0 1 1 ． [ 9 ] 曾水平，张秋萍．预焙铝电解槽电流效率与阳极电流分 布的数学模型[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 4 ，1 4 4 6 8 1 6 8 5 ． [ 1 0 ] 董英，周孑民，李茂，等．铝熔盐电解过程阳极电流非 接触式测量方法r J ] ．中国有色金属学报，2 0 1 3 ，2 3 8 2 3 0 2 - 2 3 0 8 ． [ 1 1 ] 赵仁涛，紫京浩，张志芳，等．铝电解槽阳极电流检测 方法的研究[ J ] 。有色金属 冶炼部分 。Z 0 1 4 3 1 4 - 1 8 ． [ 1 2 ] 赵仁涛，刘宾，张志芳，等．基于S i m p l i c i T I 协议的铝电 解槽电流分布采集系统的设计[ J ] ．计算机测量与控 制，2 0 1 4 ，2 2 2 5 5 1 5 5 3 ． [ 1 3 ] 赵仁涛。林立明，张志芳，等．铝电解槽阳极数据分析 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 1 2 8 3 2 ． [ 1 4 ] 铁军，赵仁涛，张志芳，等．基于无线网的铝电解槽电 流分布在线监测系统设计与实现[ J ] ．材料与冶金学 报，2 0 1 0 ，9 增刊1 1 4 1 6 ． [ 1 5 ] 张江江．铁军，赵仁涛，等．基于C O M S O L 铝电解电流 分布在线监测的磁场分析[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ， 2 0 1 5 i 2 3 2 6 ． 上接第3 6 页 [ 1 8 ] 王治科，张含，叶存玲．硫氰酸盐一铁 I I I l 3 体系从废电 路板中选择性浸出金银[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ， 2 0 1 3 1 1 3 2 3 5 ． [ 1 9 ] Y a n gH a i - y u ，L i uJ i n g y a n g ，Y a n gJ i a k u a n ．L e a c h i n g c o p p e rf r o ms h r e d d e dp a r t i c l e so fw a s t ep r i n t e dc i r c u i t b o a r d s [ J ] ．J o u r n a lo fH a z a r d o u sM a t e r i a l s ，2 0 1 1 ，1 8 7 3 9 3 4 0 0 ． [ 2 0 ] B e h n a m f a r dA ，S a l a r i r a dMM ，V e g l i oF ’P r o c e s sd e v e l o p m e n tf o rr e c o v e r yo fc o p p e ra n dp r e c i o u sm e t a l sf r o m w a s t ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d sw i t he m p h a s i z eo np a l l a d i u ma n dg o l dl e a c h i n ga n dp r e c i p i t a t i o n [ J ] ．W a s t e M a n a g e m e n t ，2 0 1 3 ，3 3 2 3 5 4 2 3 6 3 ． [ 2 1 ] B i r l o a g aI ，M i c h e l i sID ，F e r e l l aF ，e ta 1 ．S t u d yont h e i n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r si nt h eh y d r o m e t a l l u r g i c a l p r o c e s s i n go f w a s t ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d sf o rc o p p e r a n dg o l dr e c o v e r y [ J ] ．W a s t eM a n a g e m e n t ，2 0 1 3 ，3 3 9 3 5 9 4 1 ． [ 2 2 ] K i mE ，K i mM ，L e eJ ，e ta 1 ．L e a c h i n gk i n e t i c so fc o p p e r f r o mw a s t ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d sb ye l e c t r o - g e n e r a t e d c h l o r i n ei nH C Is o l u t i o n [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 1 1 ， t 0 7 1 2 4 1 3 2 ． [ 2 3 ] F o g a r a s iS ，I m r e - L u c a c iF ，I m r e - L u e a c iA ，e ta 1 ．C o p p e r r e c o v e r ya n dg o l de n r i c h m e n tf r o mw a s t ep r i n t e dc i r c u i t b o a r d sb ym e d i a t e de l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o n [ J ] ．J o u r h a lo fH a z a r d o u sM a t e r i a l s ，2 0 1 4 ，2 7 3 2 1 5 2 2 1 ． [ 2 4 ] G u i m a r a e sYF ，S a n t o sID ，D u t r aAJBD i r e c tr e c o v c r yo fc o p p e rf r o mp r i n t e dc i r c u i tb o a r d s P C B s p o w d e rc o n c e n t r a t eb yas i m u l t a n e o u se l e c t r o l e a c h i n g - e l e c t r o d e p o s i t i o np r o c e s s [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 1 4 ，1 4 9 6 3 7 0 ． [ z 5 ] H u a n gJ i n - x i u ，C h e nM e n g - j u n ，C h e nH a l y a n ，e ta 1 ． L e a c h i n gb e h a v i o ro fc o p p e rf r o mw a s t ep r i n t e dc i r c u i t b o a r d sw i t hB r o n s t e da c i d i c i o n i cl i q u i d [ J ] ．W a s t e M a n a g e m e n t ，2 0 1 4 ，3 4 4 8 3 4 8 8 ． [ 2 6 ] 刘呖，刘静欣，秦红，等．N a z C O 。一N a O H N a N O 。体系 低温碱性熔炼处理废弃电路板多金属粉末[ J ] ．有色金 属 冶炼部分 ，2 0 1 4 9 1 4 ． [ 2 7 ] 徐晓辉，常耀超，王云，等．氧化沉淀法从稀溶液中分 离锌钴[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 9 1 9 2 1 ． [ z 8 ] L i uZ h i x i o n g ，Y i nZ h o u l a n ，X i o n gS h a o - f e n g ，e ta 1 ． L e a c h i n ga n dk i n e t i cm o d e l i n go fc a l c a r e o u sb o r n i t ei n a m m o n i aa m m o n i u ms u l f a t es o l u t i o nw i t hs o d i u mp e r s u l f a t e [ J ] ，H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 1 4 ，1 4 4 一t 4 5 8 6 9 0 ． 万方数据