CN1954098A - 对电解槽电流的监控 - Google Patents

Abstract

这里描述了用于电解槽的设备和方法，它们使用一个或多个传感器来测量围绕着运送电流的导体的磁场强度。处理器与传感器电连接并且根据还相对于电解槽运送电流的其它导体的磁场确定出补偿磁场强度。处理器使用该补偿磁场强度来确定由导体运送的阴极电流并且识别出在电解槽的阳极和阴极之间的断路和短路。上述设备和方法用来进行在相邻阴极的磁场之间的相互作用。

Description

对电解槽电流的监控

相关申请的交叉参考

本申请根据35 U.S.C§119(e)要求在2004年3月17日提交的临时专利申请60/553899的优先权。其公开的全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及用于电冶金系统的电解槽电流监控，所述系统包括例如I)用于铜、锌、镍、铅、钴和其它金属的电解精炼和电解沉积系统，II)电化学槽，例如氯-碱系统；以及III)熔盐电解，例如铝和镁电解。

虽然本发明的这种设置能够用于在生产铜的铜精炼阶段期间进行电解槽监控，以下以铜生产作为示例和代表进行描述，但是并不表示一种限制。

背景技术

生产铜涉及如图1的方框图所示并在下面详细描述的一系列步骤，涉及采矿、破碎、磨碎、选矿、熔炼、吹炼以及精炼程序，其中每个程序都是已知的。如图所示，采矿10将矿石变松散并对其进行收集。破碎和磨碎12将矿石变为破碎的和磨碎的矿石，包括其中释放了所需的矿石矿物的细小粉末。选矿14将所需的矿石矿物收集到含水的泥浆中，然后将其过滤和干燥，以制成适合于熔炼的液体浓缩物。熔炼16熔炼(也就是熔化和氧化)液体浓缩物中的铁和硫，以生产出冰铜。吹炼18通过氧化来吹炼冰铜为粗铜。最后，精炼20将粗铜精炼为更加精制的铜。

参考图1，将进行更详细的说明，以作为示例和代表，但是并不表示一种限制。

A.采矿10

如我们所知，含有各种矿物的大量矿石存在于地球的表面上，包括铜的硫化物或者铜-铁的硫化物矿物中的一种或者多种，例如辉铜矿、黄铜矿和斑铜矿。在这种矿石中钻孔，从而可以引爆炸药来使矿石变松散，使其可以被装载和运输至破碎和磨碎工厂。

B.破碎和磨碎12

在破碎和磨碎设备中，通过各种破碎和磨碎机械来粉碎矿石，将其与水混合，并进行磨碎，然后将其泵送至选矿设备。破碎和磨碎后的矿石一般含有小于2wt％(重量百分数)的铜。

C.选矿14

在选矿设备中，破碎和磨碎后的矿石被浓缩为泥浆液体浓缩物。更具体的说，破碎和磨碎后的矿石在浮选池内与水、化学试剂、和空气混合，浮选池确保破碎和磨碎后的矿石中的铜能粘在浮选池内产生的气泡上。当气泡浮到浮选池的表面顶部时，收集它们以形成液体浓缩物。

因此，选矿14将破碎和磨碎后的矿石浓缩为泥浆液体浓缩物，它们一般含有大概为25-35％的铜(以及20-30％的水)。利用各种过滤器将浓缩物脱水，以形成能由传送带、装卸机、轨道车等处理的潮湿铜浓缩物。

D.熔炼16

利用加热和氧气，将浓缩物熔炼成为矿渣和铜-铁硫化物，称之为冰铜。更具体地说，潮湿的浓缩物首先在大的旋转鼓或者类似的干燥设备上干燥，然后将其送入熔炼过程，其中将刚干燥的浓缩物与富含氧的空气混合，并被通过浓缩物燃烧器吹入熔炼炉。在熔炼炉中，刚干燥的浓缩物暴露在高于华氏2300度的温度下，由此因为熔融的浓缩物中硫和铁的氧化所产生的热量而将它们部分氧化和熔融。

这一过程产生以下三种产物：I)废气；II)矿渣；以及III)冰铜。包括二氧化硫(也就是SO2)的废气被通过熔炼炉中的支管竖管引导至废气处理系统。矿渣包括二氧化硅和铁，或者更具体的说，包括脉石矿物、助熔剂、和铁氧化物，它相对于冰铜具有低比重(也就是较低的密度)，因此允许起浮在冰铜的顶上。另一方面，冰铜包括铜硫化物和铁硫化物，它相对于矿渣具有高比重(也就是较高的密度)，因此允许它形成、收集和下沉至位于熔炼炉底部处的炉缸或者沉淀池。

周期性地放出矿渣。更具体地说，按照惯例通过熔炼炉的侧壁内的各放出口从冰铜撇去矿渣而将矿渣和冰铜分开。这些放出口一般位于侧壁上相对高的位置处，以允许从熔炼炉除去矿渣而不必除去冰铜。相反，用于冰铜的各放出口通常位于侧壁上的相对低的位置，以允许冰铜从熔炼炉中除去而不必除去矿渣。

因此熔炼16将液体浓缩物熔炼为冰铜，它通常含有大致35-75wt％铜。

E.吹炼18

在将矿渣与冰铜分开之后，冰铜可以I)直接转移到吹炼炉内，II)转移到储存炉，随后送到熔炼炉内，或者III)通过将冰铜在水中闪蒸冷却以形成小粒来吹炼成固体形式，所述小颗粒堆料在一个大的封闭空间，以随后送到熔炼炉内。在吹炼炉内，从冰铜除去各种剩余的杂质，结果产生熔融的铜，称之为粗铜。

有两种基本类型的吹炼炉，也就是闪蒸吹炼炉和浴吹炼炉。每一个是用于将金属硫化物氧化(也就是吹炼)成为金属氧化物。代表性的闪蒸吹炼炉被称之为悬浮炉，包括Kennecott Utah Copper Corp.在其Magna，Utah的工厂使用的闪蒸吹炼炉。代表性的浴吹炼炉包括I)Noranda，Inc在其Horne，Canada的工厂使用的；II)Inco Ltd.在其Sudbury，Canada工厂使用的；以及III)Mitsubishi Materials Corp.在其Naoshima，Japan工厂使用的。

不管吹炼炉是何种类型，通过冰铜和氧之间的反应，在吹炼炉内将冰铜吹炼为粗铜。更具体的说，在浴吹炼炉中，熔融的冰铜排至炉中，通过鼓风口或者气体注入器将空气或者富含氧气的空气吹入到熔融的冰铜内。向浴吹炼炉内加入二氧化硅熔剂，以与被氧化的铁相结合，并形成矿渣。

另一方面，闪蒸吹炼过程通过首先将冰铜磨碎为合适的尺寸(也就是粉末)并然后利用富含氧(大约70-90％的氧)的空气将其吹入到闪蒸反应炉内来处理固体化的铜。也向该粉末状冰铜加入熔剂，通常是氧化钙，但是也可以是二氧化硅或者氧化钙和二氧化硅的结合。粉末状冰铜在氧气气氛中燃烧，并产生足够的热量来熔化材料和熔剂，产生熔融的粗铜和矿渣。

这些吹炼过程产生以下两种产物：I)矿渣和II)粗铜。矿渣包括脉石矿物，铜金属(也就是Cu⁰)，铜氧化物(主要是Cu₂O的形式)，熔剂和铁氧化物，它相对于粗铜具有低比重(也就是较低的密度)，因此允许它浮在粗铜的顶上。另一方面，粗铜包括脉石矿物，铜金属(也就是Cu⁰)，铜氧化物(主要是Cu₂O的形式)，和铜硫化物(主要是Cu₂S的形式)，它相对于矿渣具有高比重(也就是较高的密度)，因此允许它形成、收集和下沉至位于吹炼炉底部处的炉缸或者沉淀池。顶部矿渣层一般大约为30厘米厚，而底部粗铜层大致是50厘米厚。

如果吹炼炉是旋转浴吹炼炉，那么矿渣和粗铜从间断基底上的口或者喷管单独倒出。另一方面，如果吹炼炉是静止浴吹炼炉，那么设置出口用于除去矿渣和粗铜。这些出口一般包括位于吹炼炉的一个或者多个侧壁上的各种高度处的各种放出口，按照与熔炼炉相类似的使用方式，从吹炼炉中单独除去每一种。其它类型的吹炼炉一般采用一个或者两个出口来连续溢出矿渣和粗铜，例如使用适当的堰来保留矿渣。

在矿渣和粗铜之间进行的相分离是不完全的。因此，如所示的那样，矿渣含有额外的铜，它通常是铜金属(也就是Cu⁰)和铜氧化物(主要是Cu₂O的形式)的形式，而粗铜含有各种废物和未回收的矿物(例如硫磺)，它们通常是铜氧化物(主要是Cu₂O的形式)和铜硫化物(主要是Cu₂S的形式)以及铁硅酸盐的形式等。矿渣中的铜具有浪费的金属价值，可以通过将矿渣再循环到熔炼炉中来进行回收，而粗铜中的废物和未回收的矿物价值构成了最后要在阳极炉或者通过电解精炼来除去的杂质。

因此，吹炼18将冰铜吹炼为粗铜，它一般含有超过98％的铜。

F.精炼20

最后，精炼粗铜，通常首先是热冶法，然后是电解法。更具体的说，粗铜进行额外的纯化步骤，以进一步升级铜含量，例如在反射炉或者旋转阳极炉中火法精炼。然后将粗铜倒入称之为阳极的大厚板上，所述阳极通常是从阳极浇铸工厂通过卡车、火车等转移到电解铜精炼厂。在电解铜精炼厂，将阳极下降至含有大致120-250gpl的游离硫酸和大致30-50gpl的溶解铜的酸性溶液中。然后将阳极与正直流电源电连接。为了在这种水性电解液中电解阳极，将它们用负性充电的称之为启动片或者阴极的不溶且薄层交替的不锈钢坯料分开。然后在阳极和阴极之间按照预先确定的时间长度通电，使得铜离子从阳极迁移到阴极，以在阴极处形成板，它含有少于20份每百万的杂质(也就是硫加非铜金属，但是不包括氧化物)。通常大致0.1-0.5伏的电压足以溶解阳极，并将铜沉积在阴极上，相应的电流密度大致是160-380amps/m²。每个阳极产生两个沉积了精炼铜的阴极板，然后清洗阴极并等待最后的使用。

在典型的铜精炼厂中，每年产生300000吨铜阴极，可以有多至1440的电解槽，每个有46个阳极和45个阴极坯料，总共131000片悬浮在槽中。在这种传统的铜精炼厂中，每个阴极和每个阳极电通过在阳极的支撑耳和在阴极的悬架耳上的两个或者多个接触点连接至精炼厂电流供应系统。这意味着可以总共有超过260000的电连接(也就是每个阳极两个，每个阴极两个，并乘以阳极和阴极的数量)。精炼过程的有效操作的关键是在阳极和阴极坯料之间不能发生短路。如后详细所述，如果阴极和阳极没有对准或者如果沉积在阴极上的铜以非均匀方式增长并接触到阳极，就会发生短路。当发生短路的时候，所需要的铜镀覆过程就被中断，降低了电的使用效率。因此，短路导致在阳极和阴极之间的电势差的降低。

精炼过程的有效操作的关键是在阳极和阴极之间不发生断路和短路。如后详细所述，如果阴极和阳极没有对准或者如果沉积在阴极上的铜以非均匀方式增长并接触到阳极，就会发生短路。当发生短路的时候，所需要的铜镀覆过程就被中断。另一方面，如果在供应电源和阳极或者阴极之间发生接触不良，就会发生断路。当发生断路时，降低了电的使用效率。

因此精炼20将粗铜精炼为精炼铜，它通常含有大致99.99wt％的铜(也就是有效的纯铜)。

然后精炼20允许利用该领域已知的传统方法和技术将精炼的阴极铜吹炼为任何数量的铜最终产品。

通过提高槽监控效率可以提高铜精炼20的效率。更具体的说，至少需要密切监视一个重要的槽参数，也就是，在电解槽中通过每个阴极的电流。如果不能准确地监控该槽参数等，就会降低金属的回收，增加废品率，导致低效的能量利用。无需说明，断路和短路通常在铜的电解精炼过程中发生。它们的发生有很多原因，包括I)阳极和阴极的物理质量不高，II)电源供应和阳极或者阴极之间接触不良，III)阳极和阴极之间对不准，以及IV)电解液温度、添加剂量或者化学试剂的局部变化。因此在铜的电解精炼过程中，有效的电解槽监控是非常重要的，它使得系统的操作者能检测在阳极和阴极之间的断路和短路，如果这种状态不正确，就会降低电流效率，并导致下游处理问题的产生，例如不良的阴极生长。如人们所熟知的，铜杂质、铜含量、以及铜外观最终也会受到断路和短路的不良影响。

传统的监控仅仅集中在识别阳极和阴极之间的短路。这通常是利用手持的高斯表来检测流经阴极的异常磁场来手动完成的。这种程序一般需要在每个槽中的阳极和阴极上进行物理行走，并同时密切观察手持的高斯表来检测表指针的大的偏转。通常，高斯表固定在长的棍或者棒的远端，由此可以被保持为靠近阴极悬挂杆。但是这项任务在人体工程学方面存在难题，并且容易发生事故。另外，在槽上行走通常会使阳极和阴极对不准，可以导致污染，并通常引发进一步的问题。

由于短路产生热量，新研发的技术涉及利用红外摄像机和图像处理技术。但是，与传统的高斯表的技术类似，这些技术通常只检测短路而不检测断路。

尽管断路和短路的检测涉及它们的效果而不是它们的起因，但是它被广泛地认为是用于改进电极质量的技术。因此，在检测到短路之后，通常用一个不锈钢棒在阳极和阴极之间探测以确定发生故障的位置、然后物理分离(也就是断开)在短路中心处生长的错误的铜节结来进行清除。这通常需要将阴极物理提升至槽的外面。但遗憾的是，许多断路和短路通常没有被检测出来，直到已经发生了严重的损害。

发明内容

因此需要改进电解槽电流监控设备和方法，它能不仅检测到短路，而且也能检测到断路。这种设备和方法会提高在制造铜的铜精炼阶段20的过程中的能量利用。因此，需要在制造铜的铜精炼阶段20的过程中有效监控电解槽电流。

一种设备，包括传感器，用于测量在用于承载通向或者来自电解槽的电流的导体周围所产生的磁场强度。该设备还包括一个处理器，能够与所述传感器进行电通信，通过因用于承载通向或者来自电解槽的电流的其它导体产生的其它磁场强度来补偿磁场强度，用于确定关于导体所产生的补偿磁场强度。在一个实施方案中，该设备还包括用于根据阴极电流识别在阳极和阴极之间的短路和断路的部件。在另一个实施方案中，通过将阴极电流与预定值进行比较，可以识别短路和断路。在一个实施方案中，传感器是霍耳效应传感器。在另一个实施方案中，该设备包括用于电解槽的每个阴极的多个传感器。在另一个实施方案中，该设备包括用于将补偿磁场强度通信给中央控制单元的部件。在另一个实施方案中，该设备是手持的、电极、轨道车、自动机械手或者起重机。在另一个实施方案中，该设备还包括与该传感器能够电通信的近程传感器，用来当该设备与导体物理接近时驱动所述传感器。

一种方法，包括提供一种传感器，用于测量在导体周围所产生的磁场强度，其中导体用于承载通向或者来自电解槽的电流。该方法还包括通过因用于承载通向或者来自电解槽的电流的其它导体产生的其它磁场强度来补偿磁场强度，确定关于导体所产生的补偿磁场强度。在一个实施方案中，该方法根据补偿的磁场强度确定导体所承载的阴极电流。在另一个实施方案中，该方法还包括根据阴极电流识别在阳极和阴极之间的短路和断路。在另一个实施方案中，该方法还包括根据阴极电流与预定阈值的比较识别短路和断路。在另一个实施方案中，传感器是霍耳效应传感器。在另一个实施方案中，该方法还包括为电解槽的每个阴极提供一个传感器。在另一个实施方案中，该方法还包括将补偿磁场强度通信给中央控制单元。在另一个实施方案中，该方法还包括通过手持的、电极、轨道车、自动机械手或者起重机来提供传感器。

附图说明

从以下形成本说明书的整体部分的示例性、代表性和非限制性的说明，可以清楚构成本发明设置的优点和特点、以及其中提供的典型机理的各种构成和操作方法，在附图中，类似的附图标记通常表示相同的元件。

图1为电冶金铜生产的流程图；

图2为电解槽的顶视图；

图3为来自图2的单块阴极板的前视图；

图4为发生断路和短路的电解槽的阴极的电流的连续曲线图；

图5为在其中某些阴极发生断路或短路的电解槽中的每个单独阴极的电流的详细曲线图；

图6为在其中每个阴极处于良好工作情况中的电解槽中的每个单独阴极的电流的详细曲线图；

图7为实施本发明布置的局部构架的功能概述；

图8为具有相对较大L/d比的两个(2)相邻阴极的局部侧视图；

图9为具有相对较小L/d比的三个(3)相邻阴极的局部侧视图；

图10为具有磁场补偿的两个(2)相邻阴极的局部侧视图；

图11为根据本发明第一实施方案的手持式装置的局部剖视图；

图12为根据本发明第二实施方案的电极装置的局部透视图；

图13为在图2的电解槽上操作的图12的电极装置的局部透视图；并且

图14为根据本发明第三实施方案的轨道车的透视图。

具体实施方式

现在参照图2，显示出一电解槽22，其中阳极板(即，“阳极”)A和阴极板(即，“阴极”)C彼此相邻地交替布置并且浸入在水的电解液(未示出)中。在铜生产期间，阳极A和阴极C与沿着电解槽22的纵向方向延伸的正极和负极电流导轨24紧密接触(ear-contact)。在阳极A与正极(+)电流导轨24连接并且阴极C与负极(-)电流导轨24连接时，电流导轨24将电流运送给电解槽22以帮助使铜离子从阳极A迁移至阴极C。更具体地说，电力在充正电的阳极A和充负电的阴极C之间传送预定长的时间，这使得铜离子根据下面的等式从阳极A迁移至阴极C以在阴极C处形成板：

Cu⁺⁺+2e^-＝Cu⁰

现在参照图3，随着铜离子从阴极C向阳极A迁移，在阴极C中形成电流(i)。如所示一样，这些单独电流(i)沿着阴极C向上流动以形成在阴极C悬挂在其上的铜棒26处。这些电流(i)沿着铜棒26朝着负电流导轨24流动。在物理上靠近负电流导轨24的点P处所有这些电流(i)的总和大致为由特定阴极C收集的阴极电流(I)。

如果在阳极A和阴极C之间不存在任何断路或短路，则如由下面等式中任一个所表示的一样镀覆在阴极C上的铜的速率将与阴极电流(I)直接成正比：

dCu/dt＝I/840(kg/小时)或者

dCu/dt＝0.0026I(Ib/小时)

现在参照图4，如果在阳极A和阴极C之间发生短路(称为“短路”)，则产生出相对较大的阴极电流(I)。这被反映为电流尖峰。短路情况降低了铜生产，因为铜离子不能成功地从阳极A迁移至阴极C。因此，在阴极C处镀覆的铜不够。

同样，如果在阳极A和阴极C之间发生了断路(也被称为“断路”)，则产生出相对较小的阴极电流(I)。这被反映为电流下降。代替帮助铜离子从阳极A迁移至阴极C，断路降低了电流效率，因为电流转变成在电流导轨24处的废热。

通过测量出在靠近电解槽22的每个阴极C的负电流导轨24的位置P处的电流(I)，从而检测出电流尖峰和电流下降。例如，通过在图4中沿着x轴线绘制每个单独阴极并且沿着y轴线绘制以安培为单位测量出的阴极电流(I)，在阴极6和15处很容易识别出断路，而在阴极21处很容易识别出断路。更具体地说，电流在阴极6和15处明显增强(例如，大约为750amps或更大)高于基准线(例如，大约为525amps)，从而表明在相应的阳极A和阴极C之间存在短路。同样，电流在阴极21处明显下降(例如，大约为300amps或更小)低于基准线(例如，大约为525apms)，从而表面在相应的阳极A和阴极C之间存在断路。在该实施例中，例如大约为525amps的阴极电流(I)表示从电解槽22的阳极A到阴极C的有效铜离子迁移。平均电流(I)典型阴极C从流经电解槽22的总电流理想地均分出的电流。因此，与该525amp基准线的相对偏差的幅度也可以用来表示在特定阳极A和阴极C之间的断路或短路的严重性。

现在参照图5，该图也绘制出沿着x轴线的每个阴极和沿着y轴线的以安培为单位测量出的阴极电流(I)。如图5所示，绘制出相同的525amp基准线来表示有效铜离子迁移。但是，与之相对较大的偏差现在表示效率低的铜离子迁移。例如，在阴极1、3、12和15处的阴极电流(I)明显高于基准线，从而表示存在短路。同样，在阴极25、31和32出的阴极电流(I)明显低于基准线，从而表示存在断路。如在图4中一样，与基准线的这些偏差表示从阳极到阴极的效率低的铜离子迁移。也能够识别出在阳极A和阴极C之间的断路或短路的严重性。在任意情况中，该电解槽22不再认为处于可接受或良好的工作状况，并且需要采取行动来校正整个状况，例如通过分离(即打碎)在短路的中心处生长的错误铜结块来清除故障，这会需要从电解槽22中将阴极C物理拆除，或者在电流导轨24和阳极A或阴极C之间重新建立良好接触。

现在参照图6，该图也绘制出沿着x轴线的每个阴极C和沿着y轴线的以安培为单位测量出的阴极电流(I)。如图6所示，同样绘制出相同的525amp基准线来表示有效铜离子迁移。但是与之相对较小的偏差仍然能够表示有效铜离子迁移。例如，虽然在阴极4、5、22、23、44和45(以及其它)处的阴极电流(I)高于基准线，但是该增大没有严重的足以识别出存在短路。同样，虽然在阴极3、39、43和46处的阴极电流(I)低于基准线，但是该下降没有严重的足以识别出存在断路。在与该基准线偏离保持在可容忍的范围期间，电解槽22仍然能够认为处于可接受或良好的工作状况。在正常情况中，阴极电流(I)围绕着基准线随机地波动。只要随机波动处于所期望的边界或阈值范围内，则可以认为它处于正常操作情况中。

如由本领域普通技术人员所选择并且公知的以及由在图6中的包围着525amp基准线的虚线水平线所示意性所示的一样，可以根据统计采样来设定可接受阈值参数和与基准线的可容忍的偏差。这些可以按照具体电解车间的偏好来选择。在任何情况中，它们有效地描绘了用来触发在电解槽22的阳极A和阴极C之间的断路和短路识别的参数或条件。在其内的微小偏差被容许作为从阳极A到阴极C的可接受并且无约束的有效离子迁移，由此不需要任何用户干预。

如前面所述一样，在铜离子从阳极A向阴极C迁移时形成电流(i)，从而在铜棒26附近的位置P处产生出阴极电流(I)。如公知的一样，阴极电流(I)根据以下等式产生出磁场B：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{2\mathrm{\πd}}$

其中μ₀为磁导率常数，I为在位置P处在铜棒26处的阴极电流(I)，d为从铜棒26到磁场B的测量点P的距离，并且B为由阴极电流(I)在位置P处感应出的磁场。可以看出，阴极电流(I)越强，则产生的磁场B越强，并且可以通过重新整理上面的等式并且测量出该磁场B的强度来确定阴极电流(I)：

$I=\frac{2\mathrm{\πdB}}{{\mathrm{\μ}}_0}$

现在参照图7，霍耳效应传感器28测量出该磁场B的强度。更具体地说，典型的霍耳效应传感器28采用了由半导体材料制成的小片晶。在三维空间内，如果电流(I)与外部磁场B的方向垂直地经过该片晶，则它产生出模拟输出电压(即霍耳电压)，这与阴极电流(I)和磁场B垂直地产生出。该现象也被称为霍耳效应，并且霍耳电压取决于阴极电流(I)与由片晶的磁通量密度测量出的磁场B大小的乘积。在任何情况中，线性霍耳效应传感器28测量出与垂直于霍耳效应传感器28的片晶的磁通量成正比的霍耳电压。在任何情况中，可以为在电解槽26中的每个阴极C设置一霍耳效应传感器28。

再次参照图3，可以将每个阴极C的阴极电流(I)加在一起以表示整个电解槽22的总剖面电流(I)。假设已知在电解槽22中的该剖面电流(IS)和阴极C数量，可以根据下面的等式使来自图7的霍耳效应传感器28的读数标准化，以设定电解槽的基线：

$I_i=\frac{B_i-B_0}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(B_k-B_0)}{I}_S$

其中N为电解槽中的阴极C的数量，I_s为整个电解槽22的整个剖面电流，I_i为流经阴极(i)的阴极电流(I)，B_i为用于阴极(i)的霍耳效应传感器28的读数，并且B₀为在B＝0时霍耳效应传感器28的Quiescent霍耳效应传感器读数。

现在参照图8，该图显示出在电解槽22中的两个(2)相邻阴极C的简化局部侧视图。如前面所述一样，阴极电流(I)沿着每个阴极C悬挂在其上的铜棒26流动。该阴极电流(I)产生出围绕着阴极C的铜棒26按照圆形的方式形成的磁场B。如果在P足够靠近铜棒26时在位置P处获取该磁场B的测量值，则由流经该铜棒26的阴极电流(I)产生出的磁场B水平并与由流经与所涉及的铜棒26平行地延伸的其它铜棒26′的其它电流(I’)产生出的其它磁场B’垂直。换句话说，在L为在阴极C之间的距离(例如，大约为10cm)并且d为从阴极C到由霍耳效应传感器28获取测量值的位置P的距离(例如，大约为0.5cm)，则L/d明显较大。因此，铜棒26周围的磁场B在该点P处与其它铜棒26′周围的其它磁场B′去耦。更大的L/d比例使得这些相互作用的磁场B和B′进一步去耦。但是，在典型的电解槽26内，L是固定的常数，从而保持L/d足够大的传统方式是在非常接近感兴趣的铜棒26的点P处进行霍耳效应传感器28的测量。这样确保在阴极C(n)处产生的磁场B(n)仅仅归因于在阴极C(n)处的阴极电流(I)。

现在参考图9，L/d相对不大。因此在点P(n)处的磁场B(n)是阴极C(n)所产生的磁场B(n)加上其它附近的阴极C(m)(m≠n)所产生的磁场B(m)的水平分量之和的结果。换句话说，在点P(n)处的磁场B(n)的水平分量不再仅是由在阴极C(n)处产生的阴极电流(I)所产生的。取而代之的是，它包括来自在霍耳效应传感器28所测量的阴极C(n)两侧上的其它阴极C(m)的水平分量的贡献。结果，在点P(n)处霍耳效应传感器28所测量的磁场B(n)的强度被偏置(bias)。并且这种偏置对于所有的阴极来说是不相同的。例如，在电解槽22两端处的阴极C接收来自相邻阴极C(m)的较少贡献，因为它们的相邻阴极C(m)较少。类似地，靠近发生短路或者断路的相邻电极C(m)的电极C从这些相邻电极C(m)接收了或多或少的贡献，因为它们的电流不稳定。因此，需要补偿处理来准确地测量在电解槽22的每个单独电极C(n)处的磁场B(n)，以确保准确地测量在那里的阴极电流(I)。

现在参考图10，显示了两个(2)相邻的阴极C(i)和C(j)。两个电极C(i)和C(j)相距一个电极距离L。为了计算在相邻电极C(j)顶部测量点P(i)处由阴极C(i)所产生的磁场B(i)的水平分量，让B(i)成为仅由在阴极C(i)中的阴极电流(I)所产生磁场强度，并在阴极C(i)之上的点Q(i)进行测量。因为磁场强度B与在阴极C和观察点之间的距离d成反比例，因此通过以下的公式由磁场B(i)计算在阴极C(j)之上在点P(i)处由阴极C(i)产生的磁场B(i)。

$B_{\mathrm{ij}}=\frac{d}{\sqrt{L^2+d^2}}{B}_i$

根据以下公式计算B_ij的水平分量。

${{B^{\left(h\right)}}_{\mathrm{ij}}=B}_{\mathrm{ij}}\sin \left(\mathrm{\β}\right)=\frac{d}{\sqrt{L^2+d^2}}{B}_{\mathrm{ij}}$

因此

${B^{\left(h\right)}}_{\mathrm{ij}}=\frac{d^2}{L^2+d^2}{B}_i$

因为 $\frac{d^2}{L^2+d^2}>>1$ 作为第一级估计(first order estimation)，因此B(i)可以由霍耳效应传感器28在点Q处的测量值来代替，后者包括C(i)之外的其它阴极产生的水平磁场分量。

上述公式是相距一个阴极距离L的阴极C所产生的磁场的水平分量。假设在任何两个相邻的阴极C之间的距离相同，均为L，那么阴极C(i)在阴极C(k)处产生的磁场的水平分量由以下公式计算得到：

${B^h}_{\mathrm{ik}}=\frac{d^2}{{\left[(k-i)L\right]}^2+d^2}{B}_i$

设 ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ik}}=\frac{d^2}{{\left[(k-i)L\right]}^2+d^2}.$ 这是阴极C(i)在阴极C(k)处贡献的水平分量的磁场系数。

利用该符号， ${B^h}_{\mathrm{ik}}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ik}}{B}_i.$

现在对于以下原始数据，B＝[B₁，B₂，B₃，......B_N，]，B(i)是在阴极C(i)处从霍耳效应传感器28读出的磁场强度。

关于以下补偿数据，B_C＝[B^C ₁，B^C ₂，B^C ₃，......B^C _N，]，其中B^C _i是B(i)的补偿磁场强度。它表示阴极电流(I)通过C(i)产生的真实或者真正的磁场强度。

设λ_ik成为第i个阴极对第k个阴极的磁场贡献系数。那么系数λ_ik＜＜1是一个小的数值。因此，第一级估计由以下公式给出：

${B^c}_i=B_i-[\underset{k=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ki}}{B}_k+\underset{k=i+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ki}}{B}_k]=B_i-\underset{k=1,k\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ki}}{B}_k$

则， $B_c=[B_1-\underset{k=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ki}}{B}_k,B_2-{\mathrm{\λ}}_{12}{B}_1-\underset{k=3}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{k2}{B}_k,......B_N-\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{kN}}{B}_k],$ 其中

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ik}}=\frac{d^2}{{\left[(k-i)L\right]}^2+d^2}$

并且λ_ik具有如下性质：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ik}}=\frac{d^2}{{\left[(k-i)L\right]}^2+d^2}=f\left(\text{|k-i|}\right)$

λ_ik＝λ_ki

λ_ik＝λ(m)，m＝|i-k|＝1，2，...，N-1

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ik}}=\frac{d^2}{{\left(\mathrm{mL}\right)}^2+d^2}$

这些关系极大地简化了磁场补偿的计算。因为λ(m)随着m的增加而非常快地降低，因此当计算补偿值时少量的项就足够了。

现在可以根据如下公式利用补偿数据计算阴极电流。

$I_i=\frac{{B^c}_i-B_0}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({B^c}_k-B_0)}{I}_S$

其中N是槽中阴极C的数量，I_s是整个电解槽22的全部截面电流，I_i是经过电极C(i)的阴极电流(I)，B^C _i是电极(i)所产生的补偿磁场强度，B₀是当B＝0时霍耳效应传感器28的静止霍耳效应传感器读数。

另外，磁场是具有如下三个分量的矢量：B(x)、B(y)和B(z)。已经描述了一个分量：水平分量。分别利用彼此垂直安装的多个(也就是两个或者三个)霍耳效应传感器28也可以测量两维和三维场矢量。这种场矢量可以提供更多的测量值和补偿，如该领域技术人员所能理解的那样。例如彼此相对按照90°安装的两个霍耳效应传感器28可以测量磁场强度矢量。磁场B的方向会提供关于在阴极C的哪一侧上发生断路或者短路的信息，这是有问题的阳极A的指示(也就是在阴极C的北侧或者南侧)。另外，彼此相对按照90°安装的两组那些霍耳效应传感器28通过应用基本的三角法则可以提供具体在阴极C上哪里可能已经发生了断路或者短路的信息。

参考图7，也可以设置近程传感器30与霍耳效应传感器28电通信，以检测霍耳效应传感器28何时与阴极C的铜棒26成近距离的物理接近。电容近程传感器30在其接近阴极C的铜棒26时打开，并在其移动离开后者时关闭。因此，近程传感器30用于同步霍耳效应传感器28，从而可以仅在其非常接近阴极C的时候监控其输出。

在优选实施方案中，近程传感器30也与霍耳效应传感器28对准，从而在采用这些传感器的设备测量电解槽22的阴极电流的时候，它们都与阴极C的铜棒26对准。

通常，霍耳效应传感器28尽可能靠近铜棒26来操作，尽管本发明的磁场B补偿技术已经消除了这种要求。

在优选实施方案中，近程传感器30也作为计数器，从而在所采用的设备在电解槽22的阴极C上移动时，该设备知道它正测量哪个阴极C，并且它何时完成给定电解槽22的测量。可以是替代的，或者可以是与之结合的，无线频率识别(“RFID”)读取器32也可以用于读取附于电解槽22的RFID标志(未显示)等。在这种实施方案中，操作者可以避免手动输入关于特定电解槽22的其它识别信息，尽管键盘34和LCD显示器36等也可以用于这种目的。

在优选的实施方案中，收集到的有关电解槽22的数据也可以通过收发机传递给中央计算机和数据库(未显示)，用于对其进行进一步的处理，这些元件中的一个或者多个之间的通信可以通过一个适当的处理器40来协调。

参考图11，手持设备42实现本发明的第一优选实施方案，其中操作者手柄44连接至轴46，后者连接至测量头48，测量头48包括霍耳效应传感器28、近程传感器30或者RFID读取器32中的一个或者多个。手持设备42可以由轴46内的可充电电池组50或者由通过手柄44连接的AC电源(未显示)供电，或者采用其它方式。另外，手持设备42的测量头48的底部可以包括一个或者多个引导滑板(sled)51或者支撑物等，从而可以获得霍耳效应传感器28和电解槽22的阴极棒26之间的一致距离，以进一步提高测量的准确性。

按照类似的方式，图12-14显示了本发明的替换实施方案，其中自治的(例如无人操纵的)设备采用了本发明的一个或者多个发明特征。

更具体地说，图12-13显示了根据本发明第二实施方案的杆设备52，其中霍耳效应传感器阵列54采用了一个或者多个霍耳效应传感器28，优选是为每个电解槽22的每个阴极C用一个霍耳效应传感器28，由此可以同时测量多个阴极C，包括例如电解槽22的所有阴极C。

在这个实施方案中，霍耳效应传感器阵列54连接至用于处理来自那里的数据的处理头56，处理头56包括键盘34、LCD显示器36等、收发机38或者处理器40(未显示)中的一个或者多个。

另外，霍耳效应传感器阵列54也可以包括与霍耳效应传感器28相关联的一个或者多个LED58，用于可视地指示被监控的电解槽22的状态。例如，第一(例如红色)LED可以指示短路的存在，而第二(例如绿色)LED可以只是断路的存在。类似地也可以设置音频指示器和报警器，例如可以是自动标记的机构(例如粉笔、带、喷墨机等)，用于根据预先设定的极限自动识别问题阴极C。在这种实施方案中，短路和断路的清除员工可以响应于电解槽22数据的可视或者可听报警通信装置，可以是自动的装置用于响应它们。在这种实施方案中，提供输出以交流电解槽22的数据。这些类型的指示器允许操作者不用关注大量的电解槽22，而是关注需要更即刻注意的这种电解槽22。

类似的，图14显示了本发明第三实施方案的轨道车设备58，其中霍耳效应传感器阵列54采用一个或者多个霍耳效应传感器28，优选是为每个电解槽22的每个阴极C用一个霍耳效应传感器28，由此可以同时测量多个阴极C，霍耳效应传感器阵列54由轨道车设备58沿着一对轨道60等承载，并连接至用于处理来自那里的数据的处理头56。

根据本发明的第四实施方案(未显示)，头部上的吊架、机器人或者其它设备也可以实现本发明的设置，其中霍耳效应传感器阵列54采用一个或者多个霍耳效应传感器28，优选是为每个电解槽22的每个阴极C用一个霍耳效应传感器28，由此可以同时测量多个阴极C，霍耳效应传感器阵列54由头部上的吊架、机器人或者其它设备承载，并类似地连接至用于处理来自那里的数据的处理头56。

如上所述，本领域的技术人员会认识到，许多本发明的设置可以用硬件、软件或者它们的各种结合来实现。另外，用于实现本发明的所述设置的任何类型的处理器40或者其它设备也是适用的。硬件和软件的典型结合，例如可以是具有计算机程序的通用的微处理器芯片(例如MPU)，所述计算机程序在加载和执行时，能够控制处理器40，从而实现本发明的所述设置。因此，处理器40可以是与霍耳效应传感器28集成在一起的元件，或者与其物理上远离。

另外，可以理解，本发明的说明书是对本发明的设置的示例性、代表性和非限制性的描述。因此，本发明的范围不限于任何这些实施方案。相反，这些实施方案的细节和特征是根据需要来公开的。因此本领域技术人员可以理解，可以在本发明的范围内作出许多改变和改进，而不会脱离其范围，本发明的设置必然包括它们。因此，为了告知公众本发明的精神和范围，特限定如下权利要求。

Claims (21)

1.一种设备，包括：

一个或多个传感器，用来测量在导体周围产生的磁场强度，所述导体用来从/向电解槽输送电流；以及

一处理器，它与所述传感器中的一个或多个电通信，用来通过因由其它用来从/向所述电解槽输送电流的导体产生出的其它磁场而补偿所述磁场强度，来确定出围绕着所述导体产生的被补偿磁场强度。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述处理器使用所述被补偿磁场强度来确定由所述导体运送的阴极电流。

3.如权利要求2所述的设备，还包括：

用于根据所述阴极电流识别在所述电解槽的阳极或阴极之间的短路的装置。

4.如权利要求2所述的设备，还包括：

用于根据所述阴极电流识别在所述电解槽的阳极或阴极之间的断路的装置。

5.如权利要求2所述的设备，还包括：

用于在所述阴极电流高于特定值的情况下识别在所述电解槽的阳极或阴极之间的短路的装置。

6.如权利要求2所述的设备，还包括：

用于在所述阴极电流低于特定值的情况下识别在所述电解槽的阳极或阴极之间的断路的装置。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述传感器的一个或多个为霍耳效应传感器。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述设备包括一个或多个用于所述电解槽的每个阴极的传感器。

9.如权利要求1所述的设备，还包括：

用于将所述补偿磁场强度通信给中央控制单元的装置。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述设备选自由手持式、电极、轨道车、机器人和起重机构成的组。

11.如权利要求1所述的设备，还包括：

一近程传感器，它与所述传感器中的一个或多个电通信，用来在所述设备与所述导体的一个或多个紧密物理相邻时驱动所述传感器。

12.一种方法，该方法包括：

提供一个或多个传感器，所述传感器用来测量在导体周围产生的磁场强度，所述导体用来从/向电解槽输送电流；并且

通过因由其它用来从/向所述电解槽输送电流的导体产生的其它磁场而补偿所述磁场强度，来确定围绕着所述导体产生出的被补偿磁场强度。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：

根据所述补偿磁场强度确定由所述导体运送的阴极电流。

14.如权利要求12所述的方法，还包括：

根据所述阴极电流识别出在所述电解槽的阳极和阴极之间的短路。

15.如权利要求12所述的方法，还包括：

根据所述阴极电流识别出在所述电解槽的阳极和阴极之间的断路。

16.如权利要求12所述的方法，还包括：

在所述阴极电流高于特定值的情况下识别出在所述电解槽的阳极和阴极之间存在短路。

17.如权利要求12所述的方法，还包括：

在所述阴极电流低于特定值的情况下识别出在所述电解槽的阳极和阴极之间存在断路。

18.如权利要求12所述的方法，其中所述传感器的一个或多个为霍耳效应传感器。

19.如权利要求12所述的方法，还包括：

为所述电解槽的每个阴极配备一传感器。

20.如权利要求12所述的方法，还包括：

将所述补偿磁场强度传送给中央控制单元。

21.如权利要求12所述的方法，还包括：

通过选自手持式、电极、轨道车、机器人和起重机的设备来提供所述传感器的一个或多个。

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