mwirth-epo/epo-nmt-datasets huggingface dataset:
Задачей изобретения является создание способа неразрушающей дефектоскопии анода алюминиевого электролизера с исключением указанных недостатков, в том числе:
6 Invention disclosure The objective of the invention is the creation of a method for non-destructive flaw detection of anodes of aluminium reduction cells free from the stated disadvantages, including: 1.
1. Повышение информативности и точности определения места расположения дефектов, и/или размеров дефектов (неоднородности электросопротивления, трещины, полости), за счет использования измерения не скалярных, а векторных величин электромагнитного поля, создаваемого током, протекающим через углеродный анод.
Increasing the informational value and accuracy of determining the location and/or size of defects (electrical resistance irregularity, cracks, cavities), by using the measurement of vector values of the electromagnetic field, generated by the current flowing through the carbon anode, rather than scalar ones.
2. Повышение надежности оборудования, за счет устранения проблем нестабильности переходных сопротивлений в месте контактов сенсоров с поверхностью углеродного анода.
2. Increasing the reliability of equipment by eliminating problems of instability of transient resistances at the point of sensor contacts with the surface of the carbon anode.
3. Уменьшение эксплуатационных расходов.
3. Reducing operating costs.
Техническим результатом изобретения является решение указанной задачи, повышение информативности определения места расположения дефектов, обусловленное, во-первых, измерением напряженности магнитного поля, количество и координаты размещения токоподводов, а также количество координат и значения координат размещения сенсоров соответствует матрице координат точек дискретизации поверхности верхней грани рабочего анодного блока; во-вторых, за счет сравнения измеренных в 3-х мерном пространстве в ортогональной системе координат векторных величин напряженности магнитного поля (или магнитной индукции) рабочего анодного блока и эталонной компьютерной модели, что, в итоге, способствует повышению точности дефектоскопии и определения качества анодного блока.
The technical result of the invention is a solution of the above objective, namely, improvement of the informational value of determining the location of defects, firstly, by the measurement of magnetic field intensity, wherein the number, the coordinates of current leads, the number and values of coordinates of sensors correspond to the matrix of coordinates of surface discretization points at the top face of the working anode block; secondly, by comparing vector values of the magnetic field (or magnetic induction) of the working anode block and the reference computer models, measured in the 3-dimensional space in the orthogonal coordinate system, which ultimately promotes to the improvement of accuracy of flaw detection and quality determination of the anode block.
Техническим результатом изобретения также является расширение технологических возможностей способа путем сокращения нестабильности переходных сопротивлений контактной области в ниппельных гнездах анода, т.к. в предлагаемом способе отсутствует необходимость обеспечивать обширную одинаковую во всех ниппельных гнездах площадь контакта каждого токоподвода.
The technical result of the invention is also an expansion of process capabilities of the method by reducing the instability of transition resistances of the contact area in the stub holes of the anode since the claimed method does not need to provide for a large contact area of each current supply, such area being identical for all the stub holes.
Техническим результатом является также повышение достоверности и надежности дефектоскопии путем измерения векторов напряженности магнитного поля бесконтактными сенсорами.
The technical result is also an increase in confidence and reliability of flaw detection by measuring the magnetic field intensity vectors with contactless sensors.
Технический результат достигается благодаря предложенному способу.
The technical result is achieved owing to the claimed method.
В предложенном способе целесообразно использовать расстояние Махаланобиса для определения дефектных анодов, т.е. расстояние между точкой данных, представляющей значения вектора напряженности (или индукции) электромагнитного поля в точке дискретизации анода и средней точкой в многомерном пространстве (среднее значение партии анодов), при этом чем выше расстояние Махаланобиса для конкретного анода, тем выше значения напряженности (или индукции) электромагнитного поля этого анода от среднего значения партии, аноды с высоким расстоянием Махаланобиса относят к дефектным.
In the claimed method, to determine defective anodes, it is reasonable to use the Mahalanobis distance, i.e. a distance between the data point, representing the values of the electromagnetic field intensity (or induction) at the anode discretization point and the midpoint in multidimensional space (average value of the batch of anodes); and the higher the Mahalanobis distance for a particular anode, the higher the values of the intensity (or induction) of the electromagnetic field of this anode from the average value of the batch; anodes with a high Mahalanobis distance are classified as defective.
Можно использовать как постоянный, так и переменный ток.
Both direct and alternating current may be used.
В случае использования переменного тока сравнение измеренных и расчетных напряженностей или индукций электромагнитного поля тока проводят в одинаковых точках дискретизации поверхности анода, при одинаковых амплитуде, форме и фазовом угле заданной величины переменного тока.
If alternating current is used, the comparison of the measured and calculated voltages or inductions of the current electromagnetic field is made at the same discretization points of the anode surface, with the same amplitude, shape and phase angle of the specified amount of alternating current.
Для измерения амплитуды и направления векторов напряженности или индукции магнитного поля обычно используют комбинированный сенсор с тремя ортогонально расположенными датчиками Холла, в частности, для измерения амплитуды и направления векторов напряженности или индукции переменного электромагнитного поля используют, по меньшей мере, один комбинированный сенсор с тремя ортогональными индуктивными обмотками, охватывающими область пространства с центром в точке дискретизации у внешней поверхности анода.
8 To measure the amplitude and direction of the magnetic field intensity or induction vectors, a combined sensor with three orthogonally positioned Hall sensors is usually used; in particular, to measure the amplitude and direction of the alternating electromagnetic field intensity or induction vectors, at least one combined sensor is used with three orthogonal inductive windings covering the portion of space centred at the discretization point near the outer surface of the anode.
Также предложен вариант способа неразрушающей дефектоскопии анода алюминиевого электролизера, включающий построение расчетной модели анода с известными данными о геометрии и удельном сопротивлении анода, геометрии и координат внутренних дефектов, согласно которому для операций по этапам 1), 2), 3), используют заранее полученные расчетные значения в виде трехмерной матрицы амплитуд и направлений векторов расчетных напряженностей или индукций электромагнитного поля в точках дискретизации у внешней поверхности анода.
Also, a variant of the method for non-destructive inspection of reduction cell anodes is claimed, which includes building a numerical model of the anode with the known data on the geometry and specific resistance of the anode, the geometry and coordinates of internal defects, according to which, for operations at steps 1), 2), 3), pre-calculated values in the form of a three dimensional matrix of amplitudes and directions of vectors of calculated electromagnetic field intensities or inductions at the discretization points near the outer surface of the anode are used.
Речь идет о заданных значениях, например, построенных на основе совокупности экспериментальных данных.
This is about specified values, for example, based on a set of experimental data.
Так как пространственное распределение токов внутри анода, очевидно, должно коррелироваться с пространственным распределением таких дефектов как неоднородности электросопротивления, трещинами, полостями, следовательно, возможно создание устройства и способа для неразрушающей дефектоскопии (контроля качества) анодов, основанный на измерении векторов напряженности (или векторов индукции) магнитного поля.
Since the spatial distribution of currents inside the anode should be correlated, obviously, with the spatial distribution of such defects as electrical resistance irregularity, cracks, cavities, therefore, it is possible to create a device and method for non-destructive flaw detection (quality inspection) of anodes, which is based on the measurement of the intensity vectors (or induction vectors) of the magnetic field.
Для случая, когда источником магнитного поля являются распределенные токи, характеризуемые полем вектора плотности тока j, формула закона Био-Савара-Лапласа принимает вид (в системе СИ):
For the case where distributed currents characterized by the field of the current density vector j are the source of the magnetic field, the formula of the Biot-Savart-Laplace law takes the following form (in the SI system): B~ro o [ P jdV, ro -r] 4 |ro - r (1) where j = j(r), dV is a volume element, and integration is performed across the entire space (or across all its regions, where j#O), r corresponds to the current point during integration (to the position of the dV element).
Приборы для измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля (МП) называются тесламетрами (ТМ).
Devices for measuring magnetic induction and magnetic field intensity are called teslameters.
Наиболее распространенными приборами для определения индукции и напряженности магнитного поля являются: тесламетры (ТМ) с преобразователем Холла, ферромодуляционный и ядерно-резонансный тесламетр.
The most common devices for determining the magnetic field induction and intensity are: teslameters with a Hall generator, ferromodulation and nuclear resonance teslameters.
ТМ с преобразователем Холла определяют параметры средних (от 10-5 до 10-1 Тл) и сильных (10-1 до 102 Тл) магнитных полей (МП).
Teslameters with the Hall generator determine parameters of medium (from 10-5 to 10-1 T) and strong (10-1 tol02 T) magnetic fields.
Принцип работы таких тесламетров основан на появлении ЭДС в полупроводниках, помещенных в зону влияния магнитного поля.
The principle of operation of such teslameters is based on the appearance of electromotive force in semiconductors placed in the area of influence of the magnetic field.
При этом вектор магнитной индукции искомого магнитного поля (В) должен быть перпендикулярен пластине полупроводника 1 (фиг.
9 In this instance, the magnetic induction vector of the desired magnetic field (B) must be perpendicular to semiconductor plate 1 (Fig. 1).
Через тело полупроводника 1 протекает электрический ток I. В результате на боковых гранях пластины образуется разность потенциалов - ЭДС Холла (Ех).
As a result, the potential difference, Hall electromotive force (E), is formed on the side faces of the plate.
ЭДС определяется компенсационным способом или милливольтметром 2, проходя через усилитель (У).
The electromotive force passing through the amplifier (Y) is determined by the compensation method or millivoltmeter 2.
Шкала милливольтметра при этом градуирована в теслах.
For this purpose, the scale of the millivoltmeter is calibrated in Tesla.
На практике ЭДС Холла зависит от конструктивных параметров пластины полупроводника (коэффициент С), силы тока и магнитной индукции:
In practice, the Hall electromotive force depends on the design parameters of the semiconductor plate (coefficient C), current strength and magnetic induction: Ex=C+B (2) Knowing the current strength I, the coefficient C and the value E, the device is graded in magnetic field units, provided that the current is constant.
ТМ с преобразователем Холла просты в применении, имеют небольшие размеры, что позволяет применять их при измерениях в малых зазорах.
Teslameters with the Hall generator are easy to use, have small dimensions, which enables to use them for measurements in small gaps.
С их помощью определяют параметры постоянных, переменных и импульсных полей.
They are used to determine parameters of direct, alternating and pulse fields.
Пределы измерения обычного прибора от 2⋅10-3 до 2 Тл, с относительной погрешностью ±1,5-2,5%.
The measurement range of a conventional device is from 2-10- to 2 T, with the relative error of 1.5-2.5%.
2, где на теоретической модели углеродного анода 1 с известными данными о геометрии, удельном электросопротивлении анода, а также геометрии и координатах расположения внутреннего дефекта 2 в форме полости или трещины, или неоднородности удельного сопротивления внутри анода, методом конечных элементов выполняют расчетное определение объемного растекания тока (I) через анод 1, а также амплитуды и направления векторов напряженности (H1, Н2 и т.д.) или индукции магнитного поля у внешней поверхности анода 1, при граничном условии размещения на внешних поверхностях анода 1, по меньшей мере, пары электропроводящих контактов 3, подающих сквозь анод 1 известную величину постоянного электрического тока (I).
The method's steps are explained in Fig. 2, where, using the theoretical model of carbon anode 1 with the known data on the geometry, the specific resistance of the anode and the geometry and coordinates of internal defect 2 in the form of a cavity or crack or specific resistance irregularity inside the anode, the volumetric distribution of current (I) through anode 1 is calculated using the finite element method, as well as the amplitude and direction of vectors (Hi, H2, etc.) or magnetic field induction near the outer surface of anode 1, under the boundary conditions of placement on the outer surfaces of anode 1 of at least a pair of electrically conductive contacts 3 supplying a known amount of direct current (I) through anode 1.
Размещают на внешней поверхности дефектоскопируемого анода 1, по меньшей мере, один сенсор 4 и измеряют амплитуду и направление векторов напряженности или индукции магнитного поля в тех же точках дискретизации, что и в п.
At least one sensor 4 is placed on the outer surface of inspected anode 1 and the amplitude and direction of the magnetic field intensity (or induction) vectors at the same discretization points as in 1.1-1.3 are measured and stored as a 3D-matrix of measured magnetic field intensity vectors.
Сравнивают 3D-матрицы расчетных и измеренных векторов напряженности или индукции магнитного поля в одинаковых точках дискретизации (T1 и Т2) у внешней поверхности анода 1.
The 3D-matrices of calculated and measured magnetic field intensity or induction vectors at the same discretization points (Ti and T2) near the outer surface of anode 1 are compared; Based on GOST R 8.736-2011, measurements of values of the amplitude and direction of vectors are conditioned by the presence of measurement errors.
Датчик Холла имеет относительную погрешность измерений до 2,5%, разброс параметров электрического сопротивления анода, регламентированных технологическим циклом производства, может привести к относительной погрешности при измерениях до 12%, погрешности позиционирования датчиков Холла при автоматической установке матрицы измерительных датчиков вносит дополнительную относительную погрешность до 2,5%, качество контакта при подводе электрического тока может привести к возникновению относительной погрешность измерения до 3%.
The Hall sensor has the relative measurement error of up to 2.5%; the spread of the anode electrical resistance parameters regulated by the production cycle may lead to the relative measurement error of up to 12%; the Hall sensor positioning error in automatic installation of the matrix of measuring sensors introduces an additional relative error of up to 2.5%; the contact quality when supplying electrical current may lead to a relative measurement error of up to 3%.
В результате максимальное значение относительной погрешности измерения может составлять 20%, соответственно любое отклонение измеренных и расчетных значений амплитуды и направления векторов в одинаковых точках дискретизации у поверхности анода, которое составляет менее 20%, не является следствием наличия дефекта, и в этом случае анод признают качественным.
As a result, the maximum value of the relative measurement error may reach 20%; thus, any deviation of the measured and calculated values of the amplitude and direction of vectors at the same discretization points near the surface of the anode, which is less than 20%, is not caused by a defect, and, in this instance, the anode is recognized as high-quality.
Поэтому в случае незначимого отклонения (менее 20%) измеренных от расчетных значений амплитуды и направления векторов (H1, Н2 и т.д.) напряженности или индукции в одинаковых точках дискретизации у поверхности анода 1, анод признают качественным.
Therefore, in the event of an insignificant deviation (less than 20%) of measured values of the amplitude and direction of intensity or induction vectors (Hi, H2, etc.) at the same discretization points near the surface of anode 1 from the calculated ones, the anode is recognized as high-quality.
В случае значимого отклонения (более 20%) фактических от идеальных значений амплитуды и направления векторов (H1, Н2 и т.д.) в одинаковых точках дискретизации у поверхности анода 1, анод признают некачественным и отбраковывают.
In the event of a significant deviation (more than 20%) of actual values of the amplitude and direction of intensity or induction vectors (Hi, H2, etc.) at the same discretization points near the surface of anode 1 from the ideal ones, the anode is recognized as poor-quality and is rejected.
Способ поясняется примерами, где результаты экспериментальных данных приведены в виде графиков (3D матриц) (фиг.
The method is explained by examples where the results of experimental data are shown in the form of graphs (3D-matrices) (Fig. 3, 4, 5, 6).
3, 4 приведены плотности тока J [А/м2] внутри образца угольного анода как без внутренних дефектов, так и с частным дефектом, например, в форме горизонтальной трещины/полости 200×200×10 (фиг.
Fig. 3, 4 show current densities J [A / m2 ] inside the carbon anode specimen both without internal defects and with a particular defect, for example, in the form of a horizontal crack/cavity 200x200x10 (Fig. 4).
4). При наличии дефекта, ток огибает его (по пути наименьшего сопротивления) и оказывается ближе к боковой поверхности анодного блока, что тем самым вносит искажение в картину векторов индукции (или напряженности) магнитного поля В [Тл], за счет увеличения амплитуды этих векторов в точках, расположенных ближе к боковой поверхности анода, как показано на фиг.
If there is a defect, the current bypasses it (along the path of least resistance) and is closer to the side surface of the anode block, thus introducing distortion to the pattern of magnetic field induction (or intensity) vectors B [T] by increasing the amplitude of these vectors at points located closer to the side surface of the anode, as shown in Fig. 5, 6.
5, 6 видны десять вертикальных линий на боковой поверхности анода, вдоль которых, в равноотстоящих точках, выведены расчетные векторы магнитной индукции поля.
Fig. 5, 6 show ten vertical lines on the side surface of the anode, along which, at equidistant points, the calculated magnetic induction vectors of the field are derived.
5, 6 векторы показывают направление, а амплитуда вектора изображена цветом вектора.
In Fig. 5, 6, the vectors show the direction, and the amplitude of the vector is represented by the colour of the vector.
Сравнивая цвета двух векторов магнитной индукции поля в одной и той же точке боковой поверхности анода, при прочих равных условиях, видно, что, например, в точке [400;0;0] цвет вектора магнитной индукции анода с внутренним дефектом более яркий, чем в этой же точке у анода без дефекта, т.е. вектор поля анода с дефектом изменил направление и увеличился по модулю.
Comparing the colours of two magnetic induction vectors of the field at the same point on the side surface of the anode, other things being equal, one can see that, for example, at point [400;0;0], the colour of the magnetic induction vector of the anode with the internal defect is brighter than that at the same point in the anode without defects, i.e. the field vector of the anode with the defect has changed direction and increased in modulus.
Таким образом, можно сделать вывод, что присутствие дефекта (в форме горизонтальной трещины (200×200×10 мм) внутри анода вызывает перераспределение пути прохождения тока внутри анода, в результате которого ток стремится огибать препятствие, тем самым, приближаясь к внешней боковой поверхности анода.
Thus, it can be concluded that the presence of the defect (in the form of the horizontal crack (200x200x10 mm)) inside the anode causes a redistribution of the current path inside the anode, as a result of which the current tends to bypass the obstacle, thereby approaching the external side surface of the anode.
При этом, изменяется (увеличивается) не только амплитуда плотности тока ближе к боковой поверхности анода, но и направление векторов тока.
At the same time, not only the amplitude of the current density closer to the side surface of the anode changes (increases) but also the direction of the current vectors changes.
Вследствие этого, изменяются как амплитуда, так и направление вектора напряженности или магнитной индукции поля, что отражается соответствующими проекциями вектора напряженности или магнитной индукции в системе ортогональных координат Х-Y-Z.
As a result, both the amplitude and direction of the field intensity or 11 magnetic induction vector change, which is represented by relevant projections of the intensity or magnetic induction vector in the X-Y-Z orthogonal coordinate system.
Учитывая, что разница проекций амплитуды и направления векторов напряженности или магнитной индукции на оси координат может достигать существенных значений, например, от 20 до 100% по отношению к исходному вектору без дефекта внутри анода, то очевидно, что данный способ дефектоскопии анода позволяет производить отбраковку анодов с дефектами, при условии заданного уровня отклонения проекций амплитуд и направления векторов напряженности или магнитной индукции поля.
Considering that the difference in projections of the amplitude and direction of the intensity or magnetic induction vectors on the coordinate axis can reach significant values, for example, from 20 to 100% relative to the original vector without a defect inside the anode, it is obvious that this method of anode flaw detection enables to reject anodes with defects, provided that the level of deviation in projections of the amplitudes and direction of the field intensity or magnetic induction vectors is specified.
Нижний и верхний пределы диапазона отклонений проекций амплитуд и направления векторов напряженности или магнитной индукции могут быть заданы исходя из технико-экономических требований производства, при которых достигается экономически выгодный баланс между количеством и стоимостью отбракованных анодов и экономическим эффектом от их неиспользования в последующих технологических процессах.
The lower and upper limits of the range of deviations in projections of the amplitudes and the direction of the intensity or magnetic induction vectors may be set based on technical and economic production requirements, which ensure achievement of a cost-effective balance between the number and cost of rejected anodes and the economic effect of not using them downstream.