KR20180023986A - 비철금속의 전착을 위한 전극 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비철금속의 전착을 위한, 예를 들면 금속의 전해채취, 특히 이온성 용액에서 기인하는 구리 및 다른 비금속의 전해 생성을 위한 전해 셀에서 전류를 검출하고 선택적으로 경보 신호를 활성화할 수 있는 전극 구조에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기 전극 구조와 관련하여 이용될 데이터 획득 시스템에 관한 것이다.

Description

비철금속의 전착을 위한 전극 구조

본 발명은 비철금속의 전기제련, 전기도금 또는 전해채취를 위한 플랜트를 위해 전해 전지의 전류를 검출하고 선택적으로 모니터링하기 위한 시스템에 관한 것이다.

전착 플랜트, 특히 비철금속의 전기제련, 전기도금 또는 전해채취를 위한 플랜트에서, 생산 및 생산된 금속의 품질은 다른 것들 중, 전해조의 각각의 기본 셀의 전극에서 전류의 밀도와 분포에 의존한다.

특히, 생산 효율 및 품질에 영향을 줄 수 있는 주요 요인 중 하나는 과전류 또는 비정상적인 전류 감소의 상황으로 인해 전극의 전류 분포에 불규칙성이 발생하는 것과 관련된다. 예를 들면, 금속을 전해채취하기 위한 설비에서 금속 수집 작업을 위해 주기적으로 각각의 기본 셀의 캐소드를 시트에서 제거해야 한다. 이러한 빈번한 움직임은 전극이 그들이 시트 내에 재배치된 후에 불완전한 전기 접촉을 초래하여, 전극에서의 공급 전류의 분포에 불균일을 야기하고, 결과적으로 생산 품질 및 효율을 감소시킬 수 있다. 또한 전극 위에 금속이 증착하는 경우가 때때로 불규칙적으로 발생하여, 전류 분포에 이상이 생기는 것을 염두에 두어야한다. 이러한 현상의 일례는 구리 전해채취의 경우에서 볼 수 있는데, 여기서 더 큰 금속 증착이 캐소드의 하부 및/또는 측면 부분에서 종종 발견된다. 전류 분배에서 큰 불균일을 야기할 수 있는 또 다른 상황은 특히 구리, 카드뮴 또는 아연의 전해채취 공정에서 발견되는 바와 같이 전극 상의 수지상 형성물의 성장과 관련된다. 이러한 수지상 형성물이 대향 전극과 접촉할 때, 그들은 전해조의 다른 전극으로부터 공급 전류를 끌어냄으로써, 금속 생산을 심각하게 손상시킬 수 있는 전기 단락 상황을 생성하여, 가능하게 단락과 관련된 전극에 돌이킬 수 없는 손상을 야기할 수 있다.

전술한 불규칙한 전류 분포의 상황을 제어하기 위해, 현재의 경보 및 모니터링 디바이스는 때때로 금속 전기제련, 전기도금 및 전해채취 설비에서 이용된다. 이러한 디바이스는 일반적으로 전극 구조(예를 들면, 전극 행거 바(electrode hanger bar)) 또는 대응하는 전원 공급 버스바 상에 배치되고; 대안적으로, 이들은 그들과 인접하게 떠있거나(suspended) 배치되어 전기화학 전지 근처에 배치될 수 있다. 후자의 경우, 전극을 통해 흐르는 전류의 정확하고 신뢰할 수 있는 식별은 다른 원점의 신호가 동시에 디바이스에 도달한다는 사실에 의해 매우 복잡하다. 이 신호의 분석에는 복잡한 수학적 모델의 이용이 필요하다. 이러한 복잡성은 전류 분포의 불규칙성으로 인한 작은 전류 신호 변동을 신뢰가능한 방식으로 검출하는 것을 어렵게 만드는 실질적인 효과를 갖는다.

한편으로, 현재 경보 및 모니터링 디바이스가 캐소드 또는 애노드 구조 상에 배치되면, 디바이스에 대한 전원 공급 디바이스는 실제 이용에 영향을 미치는 중요한 요소를 갖는다. 전극 구조 상에 전원 공급선이 직접 존재하는 것은 그들이 위치되는 부식 환경으로 인해 바람직하지 못하며, 이는 와이어의 급격한 열화를 일으킬 수 있다(가능하게, 심지어 노출된 화염(naked flames)을 만들 수도 있고, 플랜트의 안전에 명백한 결과를 초래할 수도 있음). 와이어의 존재는 또한 금속 수집 작업, 또는 어떤 경우에는 전극에 대한 액세스를 방해할 수 있으며, 따라서 플랜트 운영자에게 유해하거나 적어도 불편함을 조성한다. 수명이 제한된 배터리 또는 기타 에너지 저장 수단의 이용은 전선의 존재로 인한 전원 공급 문제를 극복하지만 유지 보수와 관련하여 만족스러운 해결책은 아니다: 정확하고 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해 전해채취 플랜트에서 디바이스의 배터리를 확인하고 교체하는 동작은 많은 수의 전극과 유해한 환경 조건에서 빈번히 수행되어야 하며, 플랜트 직원에게 불편함을 야기할 수 있다.

따라서, 예를 들면 전류 경보 및 검출 디바이스를 갖는 비철금속 전기제련, 전기도금 또는 전해채취를 위한 전극 구조의 형태로 전술한 문제점을 위한 해결책을 제공하는 것이 바람직하다. 이 디바이스는 유지 보수 작업을 거의 필요로 하지 않고, 수명을 수년간 유지하며, 간단하고 신뢰할 수 있는 전류 신호 검출을 제공한다.

또한, 플랜트의 동작 파라미터에 따라, 전류 분포에서의 과전류 또는 다른 불규칙성의 상황의 발생은 종종 신호 잡음으로 인한 변동과 구별하기 어려울 수 있는 낮은 신호 변동과 관련된다는 점에 유의해야한다. 따라서, 전극 구조 상에 직접 전류 신호를 검출할 수 있는 전류 경보 및 모니터링 디바이스와 조합하여 이용하기 위해, 그 신뢰성 및 효율이 최대화되도록 전류 신호 획득 및 처리 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 비철금속 전기제련, 전기도금 또는 전해채취를 위해 전해 셀의 전극에 흐르는 전류를 검출하기 위한, 선택적으로 전기 과전류 또는 전류의 다른 불규칙성의 상황에서 플랜트 직원에게 경고하기 위한 능력 분포를 갖는 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 예를 들면, 덴드라이트(dendrites)의 성장에 의해, 금속 증착의 불규칙성에 의해, 또는 애노드 및 캐소드를 서로 전기적으로 직접 접촉하게 할 수 있는 가능한 기계적 사고에 의해 야기될 수 있는 임의의 전기 단락의 영향을 받는 전극의 신속한 식별을 허용할 수 있다.

본 발명은 또한, 수년의 기간 동안 유지 보수 동작이 필요없음을 보장하기 위해 충분한 전력 공급 수명을 가지며, 비철금속의 전기제련, 전기도금 또는 전해채취 설비의 부식 환경을 견딜 수 있는 전류 검출 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 이웃하는 전극 및/또는 다른 전류 공급 수단으로부터 기인하는 검출된 신호에 대한 기여를 감소시키는 방식으로 이루어진 전극에 흐르는 전류의 신뢰성 있는 판독을 제공하는 전류 검출 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 상기 시스템이 전술한 전류 검출 시스템과 결부하여 이용될 때 과전류 또는 전류 불균일의 상황의 발생과 관련된 작은 신호 변동을 정확하게 식별할 수 있는 비철금속 전해채취 설비의 전류를 측정하기 위한 데이터 획득 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 다양한 양태는 첨부된 청구항에 개시되어있다.

일 양태에서, 본 발명은 애노드, 애노드를 지지하는 애노드 행거 바, 및 적어도 하나의 무선 집적 디바이스를 포함하는 금속 전착을 위한 애노드 구조에 관한 것으로, 후자의 디바이스는 다음 요소를 포함한다: 무선 통신 수단, 상기 애노드 행거 바를 통해 흐르는 전류의 직접 또는 간접 검출을 위한 적어도 하나의 전류 센서, 전기 에너지 저장 시스템, 및 마이크로제어기(MCU로도 공지됨)를 포함한다. 무선 집적 디바이스는 대기 모드 및 활성화 모드를 포함하는 주기적 작동 주기에 영향을 받고, 대기 모드는 각각의 주기적 작동 주기의 지속기간의 90.000% 내지 99.998%의 총 지속기간을 갖는다.

애노드는 임의의 물질로 제조될 수 있고 비철금속의 전기제련, 전착 또는 전해채취에 적합한 임의의 구조를 가질 수 있다; 예를 들면, 애노드는 납 또는 티타늄과 같은 밸브 금속으로 제조될 수 있다. 애노드는 촉매적으로 활성화될 수 있으며 구멍이 뚫린 다공성 또는 천공된 구조의 고체 시트, 그리드 또는 격자로부터 모델링될 수 있다.

"무선 집적 디바이스"라는 용어는 디바이스에 전원을 공급하거나 다른 디바이스와 통신하거나, 경보를 활성화하기 위해 노출된 외부 와이어가 없는 전류 감지 디바이스를 나타낸다. 디바이스는 애노드 구조, 바람직하게는 애노드 행거 바에 결합, 고정, 접착 또는 밀봉된다.

용어 "무선 통신 수단"은 전파 또는 마이크로파와 같은 전자기파를 송신하고, 가능하게 수신하기 위한 시스템을 나타낸다. 블루투스, 와이파이, 지그비(ZigBee), 3G 또는 GSM과 같은 무선 통신 표준이 이러한 목적으로 이용될 수 있다.

"전기 에너지 저장 시스템"이라는 용어는 외부 전원 시스템에 연결되지 않은 상태에서 무선 집적 디바이스에 공급하는 적어도 하나의 디바이스, 예를 들면 배터리 또는 복수의 배터리를 의미한다. 전기 에너지 저장 시스템은 마이크로제어기와 같은 전기 공급이 필요한 통합 디바이스의 모든 요소를 공급한다. 마이크로제어기는 본 발명에 따른 주기적 작동 주기를 제어하는 유닛이다. 통합 디바이스가 주로 대기 모드에 있는 이 주기적 작동 주기는 전기 에너지 저장 시스템의 수명을 보존할 수 있는 이점을 제공하여 1년 이상의 작동 수명을 제공한다.

"대기 모드"라는 용어는 전기 소비가 적은 모드를 의미한다. 이 대기 모드에서, 무선 집적 디바이스, 특히 마이크로제어기에 의한 전기 에너지 소비는: a) 대기 및 작동 기간의 지속기간을 설정하는 크로노미터(chronometer), 및 b) RAM에 포함된 데이터를 보존하고 클록에 의해 공급된 웨이크 업 신호 이후에 마이크로제어기의 동작을 다시 시작하기 위한 모든 서브시스템에 공급하기 위해 필요한 최소치로 감소된다.

전류 센서는 예를 들면 온도 센서 또는 홀 센서(Hall sensor)일 수 있다. 후자는 애노드 행거 바를 통해 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장에 의해 유도된 홀 효과의 측정을 통해 애노드 구조에 흐르는 전류의 간접 측정을 제공할 수 있는 것으로 본 분야에 공지되어있다.

애노드 행거 바 상에서 측정된 온도 변화는 기본 전기화학 전지에서 전류의 분포에 불규칙성의 발생을 추가로 또는 대안적으로 표시한다. 온도 센서는: 온도에 비례하는 전압 신호를 생성할 수 있는 열전쌍, 서미스터, 열저항기 또는 기타 상업적으로 이용가능한 전자 통합 디바이스와 같은 디바이스 중에서 선택될 수 있다. 그러나, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서에서 특정된 목적을 위해 이용하기에 적합한 임의의 온도 센서가 이용될 수 있음을 인식할 것이다.

일 실시예에서, 본 발명에 따른 애노드 구조는 핸들바 형상인 애노드 행거 바를 포함하는데, 즉 애노드 행거 바는 수직 평면에서 하부 수평 주 부분과 2개의 경사진 중간 부분을 통해 상기 수평 주 부분의 반대 측에 연결된 2개의 수평 상부 측 부분에 의해 형성된다. 무선 집적 디바이스는 2개의 경사진 중간 부분들 중 하나의 상부 표면 상에 배치된다. 애노드 행거 바의 핸들바 형상은 캐소드가 금속 수집 작동을 위해 그들의 시트로부터 제거될 때 캐소드 행거 바에 대한 액세스를 용이하게 할 수 있다.

본원에 설명된 애노드 행거 바의 부분을 지칭하는 용어 "수평"은 수직면에서 일반적으로 수평인 기하 구조를 나타낸다. 이 정의에는 곡률 반경이 작은 굽은 몸체, 또는 수직 방향으로 20% 이하의 오차 범위 내에서 수평인 몸체가 포함된다.

무선 집적 디바이스가 홀 센서를 포함하는 모든 경우에, 첫번째는 상기 센서가 2개의 경사진 중간 부분 중 하나의 상부 제 3 섹션 상에 배치되는 방식으로 배치될 수 있으며, 2개의 경사진 중간 부분은 수직으로 20 내지 70도의 각을 형성한다. 수직 평면에서 대략적으로 캐소드 행거 바의 평균 높이에 대응하는 홀 센서의 이러한 배치는 인접한 전극으로부터 기인하는 자기장 신호의 기여 특히, 본 발명에 따른 애노드 구조에 대향하는 캐소드 행거 바로부터 발생하는 신호의 기여를 감소시키는 이점을 제공할 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명에 따른 애노드 구조의 무선 집적 디바이스는 1 내지 15000초의 총 지속기간을 갖는 주기적 작동 주기를 갖는다. 각각의 주기적 작동 주기 동안, 마이크로제어기는 애노드 행거 바 상의 전류 신호를 측정하는 온도 센서 또는 홀 센서와 같은 적어도 하나의 전류 센서를 소정의 시간 간격으로 활성화할 수 있다. 마이크로제어기는 또한, 센서 또는 센서에 의해 이루어진 전류 측정에 관한 데이터를 적어도 하나의 수신 수단에 전송하는 무선 통신 수단을 소정의 시간 간격으로 활성화할 수 있다. 무선 통신 수단이 활성화되는 횟수는 전기 에너지 저장 시스템으로부터의 에너지 소비를 감소시키기 위해 각각의 주기 동안 전류 센서가 활성화되는 횟수와 같거나 그보다 작도록 이롭게 선택될 수 있다. 수신 수단은 바람직하게는 100m미만, 또는 바람직하게는 15cm 내지 20m, 또는 보다 바람직하게는 1 내지 8m의 간격으로 전극 근처에 배치될 수 있으며, 본 발명에 따른 애노드 구조에 의해 전송된 데이터를 수집하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들면, 각각의 수신 수단은 적어도 하나의 애노드 구조, 바람직하게는 2 내지 20개의 애노드 구조, 또는 더욱 바람직하게는 2 내지 10개의 애노드 구조로부터 데이터를 수집하도록 프로그래밍될 수 있다. 각각의 수신 수단은 추가적인 통신 수단을 갖는 로컬 컴퓨터에 연결될 수 있다. 수신 수단에 의해 수집된 데이터는 로컬 컴퓨터에 의해 사전 처리된 다음 추가 통신 수단에 의해 중앙 컴퓨터로, 무선 또는 유선 수단에 의해 전송될 수 있다. 이 2 단계 통신 시스템(애노드 구조에서 로컬 컴퓨터로 가는 제 1 단계와 각각의 로컬 컴퓨터에서 중앙 컴퓨터로 가는 제 2 단계)은 신호가 이동한 간격을 감소시키고, 다양한 신호들 사이의 계층 구조를 확립하는 것을 가능하게 하며, 선택적으로 그들을 사전 처리함으로써 신호 처리 작업을 간소화하는 이점을 제공할 수 있고, 따라서 보다 효율적이고 신뢰할 수 있는 데이터 관리를 제공할 수 있다. 중앙 컴퓨터는 후속적으로, 로컬 컴퓨터로부터 수신된 데이터에 대한 추가 처리를 수행하고, 플랜트 활동에 대한 보고서를 제공하고, 현재 분포의 불규칙성의 존재를 모니터링하며, 필요한 경우 경고 수단을 활성화할 수 있다. 중소형 구리 전해채취 플랜트에서, 처리될 신호의 수는 용이하게 1000 이상일 수 있고, 전형적으로 5000 이상이다. 이러한 경우에, 전술한 2단계 통신 시스템이 효율적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 애노드 구조에서 데이터의 흐름을 체계화하기 위해 유리하게 이용될 수 있다.

다른 실시예에서, 주기적 작동 주기는 300 내지 6000초의 지속기간을 가지며, 마이크로제어기는 전류 센서 또는 센서, 예를 들면 홀 센서 또는 온도 센서를 각각의 주기적 작동 주기 동안 1 내지 10회 활성화하고, 각각의 활성화는 15 밀리초 미만, 바람직하게는 6 밀리초 내지 8 밀리초의 지속시간을 갖는다. 마이크로제어기는 각각의 주기적 작동 주기 동안 무선 통신 수단을 1 내지 3회 활성화할 수 있다. 이 실시예는 최대 10년의 기간 동안 전기 에너지 저장 시스템의 부하를 보존하는 장점을 가질 수 있다.

추가 실시예에서, 본 발명에 따른 애노드 구조는 신호 램프 또는 LED 및/또는 음향 경보 수단과 같은 시각 경보 수단을 더 포함한다. 이러한 경보 수단은 무선 집적 디바이스의 마이크로제어기에 의해 직접적으로, 또는 바람직하게는 통합 디바이스에 의한 전류 측정의 수신 시에 신호를 분석하여 전류 분포에서의 불규칙성의 존재를 평가하는 다른 컴퓨터 디바이스에 의해 활성화될 수 있다. 이 평가는, 예를 들면, 소정의 공칭 값 범위에서 애노드 구조 상에서 측정된 전류를 비교함으로써 수행될 수 있다. 알람의 신뢰성을 높이기 위해, 소정의 횟수의 측정이 검출된 신호의 불규칙성의 존재를 확인한 후에 알람 수단이 활성화될 수 있다. 대안적으로, 시간 경과에 따라 단일 애노드 구조 또는 소정의 애노드 구조 세트에 의해 검출된 전류 신호에 대해 통계 분석이 수행될 수 있다. 이 분석은 애노드 구조의 평균 전류 값의 시간의 임의의 변동 및/또는 이들 변동의 상대 속도를 사전 정의된 값의 범위와 비교함으로써, 이들 값을 모니터링하고/하거나(1차 미분 함수를 이용하여), 소정의 수의 인접한 애노드 구조에 의해 검출된 값을 서로 또는 사전 정의된 소정의 값의 범위와 비교함으로써, 이들 값에 대한 이들 변동을 모니터링하기 위해 이용될 수 있다.

게다가, 또는 대안으로서, 상술한 분석 방법에, 디지털 필터는 시간에서 검출된 전류(즉, 평균 전류 및/또는 평균으로부터의 표준 편차)의 하나 이상의 함수에 적용될 수 있다. 전류 함수에 대한 필터의 이용은 과도 변화로 인한 신호 변동을 줄임으로써 전류 분포에서 실제 불규칙성의 식별의 정확성과 신뢰성을 증가시키는 데 도움이될 수 있다. 이를 위해 이동 평균 필터, 특히 지수 이동 평균 필터와 같은 1차 디지털 필터의 이용이 발명가에 의해 성공적으로 테스트되었다. 필터링된 변수는 수용 가능한 값의 범위와 비교될 수 있고 상기 범위를 벗어나는 경우 알람을 활성화할 수 있다.

위에서 설명한 모든 경우에 무선 집적 디바이스는 플라스틱 또는 수지와 같은 부식 방지 물질로 덮여 시간이 지남에 따라 그것의 보존을 도울 수 있다. 무선 집적 디바이스의 구성요소를 둘러싸고 보호하기 위한 열 수축 필름의 이용은 필요할 경우 디바이스 구성요소에 대한 액세스를 허용하는 이점을 제공할 수 있다. 열 수축 필름은 전기화학 플랜트의 부식 환경에 견딜 수 있는 폴리올레핀과 같은 고분자 물질로 만들어질 수 있다. 대안적으로, 통합 디바이스는 특히 내구성 있는 보호를 제공할 수 있는 수지 또는 플라스틱 매트릭스에 내장될 수 있다.

다른 양태에서, 본 발명은: i) 마이크로제어기, ii) 전기 에너지 저장 시스템, iii) 전류를 측정하기 위한 적어도 하나의 전류 센서(예를 들면, 홀 센서 및/또는 온도 센서) 및 iv) 무선 통신 수단을 포함하는 무선 집적 디바이스에 관한 것이고, 상기 디바이스는 전기 에너지 저장 시스템에 의해 전력이 공급되고, 대기 모드 및 작동 모드를 포함하는 주기적 작동 주기에 영향을 받으며, 상기 대기 모드는 각각의 주기적 작동 주기의 지속기간의 90.000% 내지 99.998%이고, 각각의 상기 주기는 1 내지 15000초의 지속기간을 가질 수 있다. 각각의 주기 동안, 마이크로제어기는 소정의 시간 간격으로 전류 센서 및 무선 통신 수단을 활성화한다. 어떤 경우에는, 후자가 무선 통신 수단보다 전기 에너지 소비가 높기 때문에, 전류 센서를 무선 통신 수단보다 더 자주 활성화하는 것이 바람직할 수 있다.

또 다른 양태에서, 본 발명은 복수의 기본 전기 분해 셀을 구비한 적어도 하나의 전해조를 포함하는 금속 전착 플랜트에서 전류 신호를 획득하기 위한 시스템에 관한 것으로, 각각의 기본 전해 셀은 본 발명에 따른 캐소드 및 애노드 구조, 및 적어도 하나의 애노드 구조에 무선으로 연결된 적어도 하나의 컴퓨터를 구비한다. 상기 적어도 하나의 컴퓨터는 2 내지 20개의 상기 애노드 구조에 무선으로 접속되고 각각의 무선 집적 디바이스로부터 중앙 컴퓨터로 정보를 수신, 처리 및 송신할 수 있는 로컬 컴퓨터 일 수 있다. 데이터 획득 시스템은 또한 로컬 또는 중앙 컴퓨터로부터 활성화될 수 있는 시각 및/또는 음향 경보를 제공하는 적어도 하나의 경보 디바이스를 포함할 수 있다. 중앙 컴퓨터 또는 로컬 컴퓨터에 의한 상기 적어도 하나의 경보 디바이스의 활성화는 다음 단계들에 따라 일어날 수 있다: i) 로컬 또는 중앙 컴퓨터에 연결된 각각의 애노드 구조에 의해 전송된 데이터의 중앙 컴퓨터 또는 로컬 컴퓨터에 의한 획득 및 저장으로서, 상기 데이터는 전류 신호의 적어도 하나의 함수를 포함하는, 상기 획득 및 저장, ii) 전류의 함수에 대한 선형 필터의 적용, iii) 전류 신호의 함수의 필터링된 값이 소정의 범위의 값 밖에 있는 경우의 경보 디바이스의 활성화. 선형 필터는 이동 평균 필터, 예를 들면 지수 이동 평균 필터일 수 있다. 이 필터는 구리 전해채취 유닛의 애노드 구조에서 흐르는 전류 신호의 분석에 특히 적합하며, 대향 캐소드 상의 덴드라이트의 성장에 의해 야기된 과전류의 경우에 적합하다.

각각의 애노드 구조에 의해 컴퓨터로 전송된 데이터는 시간 간격으로 연속 측정한 결과이므로 시간 일련 데이터이다. 선형 필터는 데이터의 시간 변화에서의 잡음을 제거하기 위해 적용될 수 있다. 이를 위해, 필터링될 전류의 함수는 전류의 직접 또는 간접 신호가 검출된 주기 또는 시간의 함수로서 로컬 또는 중앙 컴퓨터에 의해 인덱싱될 수 있다.

"전류 신호의 함수"라는 용어는 전류 함수의 수학 함수, 예를 들면 평균 전류 값으로부터 애노드 구조의 전류 편차의 선형 함수를 나타내고, 여기서 평균 전류 값은 국부 및/또는 중앙 컴퓨터에 의해 분석된 애노드 구조의 세트의 평균 전류 값으로서 정의될 수 있다. 이 전류의 편차는 평균 전류 값에 대해 정규화되고 백분율로 표시될 수 있다.

통합 디바이스가 대기 모드에 있을 때 전체 수집 동작을 실행하기 위해, 금속 수집 동작을 무선 집적 디바이스의 구동 주기와 동기화하는 것이 유리할 수 있다. 이렇게 하면 금속 수집 작업 중에 캐소드이 시트에서 제거될 때 비정상적인 전류 신호를 모니터링하기 위한 컴퓨터 부하를 줄일 수 있다.

본 발명의 일부 특정 실시예는 이제 본 발명의 상기 특정 실시예에서 다양한 요소의 상호 배치를 설명하기 위한 유일한 목적을 가진 첨부 도면을 참조하여 설명 될 것이다; 특히, 도면은 반드시 축척대로 도시될 필요는 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 구조의 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 구조의 애노드 행거 바의 기하학적 단면의 개략도.

도 1은 애노드(120)을 기계적으로 지지하는 애노드 행거 바(110)를 포함하는 애노드 구조(100)의 개략도이다. 애노드 행거 바는 또한, 무선 집적 디바이스(130)를 구비한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 행거 바(110)의 기하학적 구조의 개략도이다. 애노드 행거 바(110)는 수직 평면(xy)에서 5개의 기하학적 부분, 즉 2개의 상부 및 실질적으로 수평인 측면 부분(111 및 115), 하부 수평 주 부분(113) 및 하부 수평 주 부분을 부분(111 및 115)에 각각 연결하는 2개의 경사진 중간 부분(112 및 114)을 포함한다. 경사진 중간 부분(114)는 수직과 각도(050)를 형성한다. 이 각도는 일반적으로 20 내지 70도 범위이다. 2개의 상부 측면 부분은 전류 운반 버스바 및/또는 존재한다면 전해조(도시되지 않음)의 밸런스 바 위에 배치될 수 있다. 도면은 경사진 중간 부분(112)의 상부 표면 상에 배치되고 하부 수평 주 부분으로 연장되는 무선 집적 디바이스(130)를 개략적으로 도시한다. 무선 집적 디바이스(130)는 경사진 중간 부분의 상부 제 3 섹션에 위치된 홀 센서(131)를 수용한다.

다음의 예는 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위해 포함되며, 그 적용가능성은 청구된 값의 범위 내에서 명확하게 확인되었다. 당업자는 하기 예에서 설명된 구성 및 방법이 본 발명자가 실제로 만족스럽게 작동하는 것으로 밝혀낸 구성 및 방법을 나타냄을 이해해야한다; 그러나, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 비슷한 또는 유사한 결과를 여전히 얻으면서, 본 설명에 비추어 개시된 특정 실시예에 많은 변경이 행해질 수 있음을 이해해야 한다.

예

가속 시험 프로그램은 각각의 셀이 캐소드 및 애노드 구조를 포함하는 64개의 기본 셀을 포함하는 구리 전해채취를 위한 산업용 전해조에서 수행되었다. 캐소드는 1240×830mm의 표면적을 갖는 스테인레스 스틸 시트로 구성되는 반면, 애노드는 동일한 표면적을 갖는 납 시트로 구성된다. 캐소드와 애노드는 외부 표면 사이에 50mm의 간격으로 서로 마주보도록 수직으로 배치되었다. 애노드 행거 바는 구리로 만들어졌으며 단면이 24×43mm인 핸들바 모양이었고 부식 방지 수지로 덮여진다.

전해조는 애노드에서의 산소 발생 및 캐소드에서의 구리 증착을 통해, 160g/l의 H₂SO₄와 400g/m²의 공칭 전류 밀도에 대응하는 2.1V의 공급 전압을 갖는 Cu₂SO₄ 형태의 50g/l의 구리를 함유하는 전해질로 작동되었다.

전해조의 64개의 애노드 구조는 본 발명에 따라 제조된 6개의 인접한 애노드 구조를 포함하고; 6개의 애노드 구조의 각각은 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이 애노드 행거 바 상에 배치된 25mm × 14mm × 190mm의 치수를 갖는 무선 집적 디바이스를 포함한다. 모든 통합 디바이스는 열 수축 폴리올레핀 필름으로 덮여있다.

각 무선 집적 디바이스는 2개의 리튬 배터리, 즉 190mAh 배터리와 90mAh 배터리로 구성된 전기 에너지 저장 시스템에 의해 전원이 공급되었다. 각각의 배터리는 최대 허용 작동 온도가 85℃이고 1년 당 1% 미만으로 유휴 상태일 때 충전이 부족하다.

통합 디바이스는 다음 사양을 갖춘 홀 센서를 포함한다: -40℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 자계 강도의 함수로서 선형 응답, 약 7mA의 에너지 소비 및 50 마이크로초의 "온 오프" 스위칭 시간.

각각의 통합 디바이스는 지그비 표준에 따른 무선 신호 송신기와 마이크로제어기로 구성된다. 마이크로제어기는 에너지 소비량이 적다. 특히, 에너지 소비는 다음과 같이 그것의 활성화 상태에 따라 달라진다: i) 클럭 활성(1.6㎂)을 갖는 대기 모드, ii) 라디오 오프(7mA)를 갖는 작동 모드, iii) 라디오 온(20mA)을 갖는 작동 모드.

각 마이크로제어기는 마이크로제어기가 내장된 무선 집적 디바이스의 고유 식별자를 제공한 평균 액세스 제어(Mean Access Control; MAC) 주소로 제조업체에 의해 연관되었다. 통합 디바이스를 설치하는 동안 모든 MAC 주소는 대응하는 애노드 구조와 연관되어 있으며, 이 관계는 그 다음, 컴퓨터 상에 기록되었다.

컴퓨터는 수신 수단을 구비했고 본 발명에 따른 6개의 애노드 구조와 연통된다.

매 1.5분마다, 각각의 마이크로제어기는 홀 센서를 작동시키고, 전류 측정을 실시하고, 스위치를 오프했다. 센서 활성화 상태의 전체 지속기간은 주기 당 약 70 마이크로초였다. 매 1.5분마다 각각의 마이크로제어기는 무선 신호를 송신함으로써 홀 센서에서 로컬 컴퓨터로 전류 측정치를 전송했다. 마이크로제어기가 무선으로 각각의 데이터 패킷을 전송하는 데 필요한 시간은 약 4ms였다.

컴퓨터로부터 수신된 전류 데이터에 기초하여, 각각의 측정 주기(k)에서, 본 발명에 따른 6개의 애노드 구조의 전류(IAVG_k)의 평균값이 다음의 공식에 따라 산출되었다:

;

여기서, I_{j ,k}는 측정 주기(k) 후의 애노드 구조(j)에서의 전류의 값이고, N은 본 발명에 따른 애노드 구조의 수였고, 6이다.

퍼센트로 표현된 평균(IAVG_k)에 대한 애노드 전류의 편차(DI_{j ,k})는 다음과 같이 산출되었다:

;

지수 이동 평균 필터는 변수(DI_{j ,k})에 다음 알고리즘을 적용함으로써 이용되었고, 필터링된 변수(FDI_{j ,k})는 다음 알고리즘에 의해 발견되었다:

;

여기서,

이다.

100시간의 평균 플랜트 작동 시간에 대해 실질적인 전류 불규칙이 전형적으로 지난 20시간 동안 발생한다는 발명자의 관찰에 기초하여 파라미터(

)는 0.99875로 설정되었다. 주기가 1.5분의 지속기간을 갖는 경우, 주기의 수로 표현되는 시간 상수(τ)는

이다.

로서 표현된 과도 변이(VDI_{j ,k})는 소정 값(X=30)과 비교되었다. 이 알고리즘은

인 모든 경우에서 애노드(j)에서의 시각 경보를 활성화하도록 설정되었다.

전해조를 4일 동안 작동시켰다. 컴퓨터 상에 기록된 본 발명에 따른 애노드 구조로부터 기인하는 전류 신호의 값의 분석은 이상이 없으며, 시스템에 의해 어떠한 경보 신호도 활성화되지 않았다. 조사 중인 셀의 요소의 시각적 검사는 금속의 수지상 형성물 또는 비 균질 성장의 존재를 드러내지 않았다.

캐소드에 증착된 구리는 수집되었고, 생산 품질과 양은 기대와 일치했다.

캐소드가 시트에 재배치되기 전에, 스크류(screw)를 본 발명에 따른 애노드 구조 중 하나에 수직으로 캐소드에 삽입하여, 애노드로부터 4 밀리미터의 거리에서 스크류 지점을 갖는 인공 덴드라이트를 형성시켰다.

그 다음, 전해조를 4일 동안 작동시켰다.

동작 3일째, 애노드 표면에 도달할 때까지 덴드라이트에서 구리의 측면 성장이 관찰되었다.

접촉 20분 후, 과도한 전류의 존재는 관련 애노드 구조와 관련하여 컴퓨터 스크린 상에 표시되어 구조 상의 LED의 조명을 야기한다. 실험 중에 얻어진 데이터를 분석한 결과는, 덴드라이트와의 접촉에 의해 영향을 받는 애노드 구조에 92분 동안 60%의 전류 증가가 기록되었음을 보여주었다.

위에서 설명한 가속 테스트는 무선 집적 디바이스의 서비스 수명이 약 1년임을 나타낼 수 있다. 당업자는 주기적 작동 주기(예를 들면, 1.5분 내지 15분)의 지속기간을 증가시킴으로써, 그리고 전류 센서 및 무선 통신 수단이 각각의 주기 동안 활성화되는 횟수를 조정함으로써 통합 디바이스의 전력 공급 수명이 10배 이상 증가될 수 있음을 이해할 수 있다.

상기 설명은 그 목적을 벗어나지 않고 다양한 실시예에서 이용될 수 있는 본 발명을 제한하지 않도록 의도되고, 그 범위는 첨부된 청구항에 의해 명백히 규정된다.

본 출원의 설명 및 청구항에서, "포함하는"이라는 단어 및 "포함하는" 그리고 "포함하는"과 같은 그 변형은 다른 추가적인 요소, 구성요소 또는 프로세스 단계의 존재를 배제하지 않는다.

문서, 조치, 물질, 디바이스, 항목 등의 논의는 본 발명에 대한 문맥을 제공하기 위한 목적으로만 본문에 포함된다; 그러나 이 물질 또는 그 일부가 본 출원에 첨부된 각각의 청구항의 우선일 전에 본 발명과 관련된 분야에서 일반적인 지식을 구성한다는 것이 이해되어서는 안된다.

Claims (20)

1. 애노드, 상기 애노드와 적어도 하나의 무선 집적 디바이스를 지지하는 애노드 행거 바(anodic hanger bar)를 포함하는 금속 전착을 위한 애노드 구조에 있어서,
   상기 적어도 하나의 무선 집적 디바이스는:
   - 무선 통신 수단;
   - 적어도 하나의 전류 센서;
   - 에너지 저장 수단;
   - 마이크로제어 유닛을 포함하고;
   상기 무선 집적 디바이스는 휴면 모드 및 활성화 모드를 포함하는 주기적 작동 주기의 영향을 받고, 상기 휴면 모드는 각각의 주기적 작동 주기의 지속기간의 90.000% 내지 99.998%에 대응하는 총 지속기간을 갖는, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
2. 제 1 항에 있어서,
   각각의 상기 주기적 작동 주기는 1 내지 15000초의 지속기간을 갖는, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로제어 유닛은:
   - 각각의 상기 작동 주기 동안 상기 적어도 하나의 전류 센서를 제 1 소정 횟수만큼 활성화하고;
   - 각각의 상기 작동 주기 동안 상기 무선 통신 수단을 제 2 소정 횟수만큼 활성화하고;
   상기 제 2 소정 수는 상기 제 1 소정 수 이하이며, 상기 무선 통신 수단은 상기 적어도 하나의 전류 센서로부터 수집된 데이터를 적어도 하나의 수신 수단으로 전송하는, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 주기적 작동 주기는 300 내지 6000초의 지속기간을 갖고, 상기 마이크로제어 유닛은 각각의 주기 동안 상기 적어도 하나의 전류 센서를 1 내지 10회 활성화하며, 상기 적어도 하나의 전류 센서의 각각의 작동은 15밀리초 미만의 지속기간을 갖는, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 마이크로제어 유닛은 각각의 주기 동안 상기 무선 통신 수단을 1 내지 3회 활성화하는, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 전류 센서는 홀 센서(Hall sensor)인, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 전류 센서는 온도 센서인, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 애노드 행거 바는 하부 수평 주 부분 및 2개의 경사진 중간 부분을 통해 상기 수평 주 부분의 대향 측에 연결된 2개의 수평 상단 부분을 포함하고, 상기 적어도 하나의 무선 집적 디바이스는 상기 경사진 중간 부분 중 어느 하나의 상부 표면 상에 배치되는, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 2개의 경사진 중간 부분은 수직과 20 내지 70도의 각을 형성하고, 상기 홀 센서는 상기 경사진 중간 부분 중 하나의 상부의 제 3 섹션에 대응하여 배치되는, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    시각 또는 음향 경보 디바이스를 더 포함하는, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무선 집적 디바이스는 플라스틱 또는 수지 중에서 선택된 내부식성 물질로 덮여지는, 금속 전착을 위한 애노드 구조.
12. 무선 집적 디바이스에 있어서:
    - 마이크로제어 유닛;
    - 에너지 저장 수단;
    - 적어도 하나의 전류 센서;
    - 무선 통신 수단을 포함하고;
    상기 무선 집적 디바이스는 상기 에너지 저장 수단에 의해 전력이 공급되고; 상기 무선 집적 디바이스는 휴면 모드 및 활성 모드를 포함하는 주기적 작동 주기의 영향을 받고, 상기 휴면 모드는 각각의 주기적 주기의 지속기간의 90.000% 내지 99.998%에 대응하는 총 지속기간을 갖고, 상기 마이크로제어 유닛은 상기 적어도 하나의 전류 센서를 각각의 주기 동안 제 1 소정 횟수만큼 활성화하고, 상기 마이크로제어 유닛은 상기 무선 통신 수단을 각각의 주기 동안 제 2 소정 횟수만큼 활성화하며, 상기 제 2 소정 횟수는 상기 제 1 소정 횟수 이하인, 무선 집적 디바이스.
13. 제 12 항에 있어서,
    각각의 상기 주기적 작동 주기는 1 내지 15000초의 지속기간을 갖는, 무선 집적 디바이스.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전류 센서는 홀 센서인, 무선 집적 디바이스.
15. 금속 전착 플랜트에서 전류 신호를 위한 데이터 획득 시스템에 있어서:
    - 복수의 기본 전해 셀을 구비한 적어도 하나의 전해조로서, 각각의 기본 전해 셀은 제 1 항에 따른 하나의 캐소드 및 하나의 애노드 구조를 구비한, 상기 적어도 하나의 전해조;
    - 적어도 하나의 컴퓨터를 포함하고;
    상기 적어도 하나의 컴퓨터는 적어도 하나의 상기 애노드 구조와 무선 연결어 있는, 데이터 획득 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 컴퓨터는 2 내지 20개의 상기 애노드 구조와 무선 연결된 로컬 컴퓨터이고, 상기 로컬 컴퓨터는 각각의 상기 무선 집적 디바이스로부터 중앙 컴퓨터로 정보를 수신하고, 정교화하며 송신하기 위한 수단을 더 포함하는, 데이터 획득 시스템.
17. 제 16 항에 있어서,
    시각적 신호 또는 음향 신호, 또는 이들의 임의의 조합을 제공하는 적어도 하나의 경보 디바이스를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 경보 디바이스는 상기 중앙 컴퓨터에 의해 또는 상기 적어도 하나의 로컬 컴퓨터에 의해 활성화되는, 데이터 획득 시스템.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 중앙 컴퓨터 또는 상기 적어도 하나의 로컬 컴퓨터는:
    - 각각의 상기 애노드 구조로부터의 데이터의 획득 및 저장 단계로서, 상기 데이터는 상기 적어도 하나의 전류 센서에 의해 측정된 전류 신호의 적어도 하나의 함수를 포함하는, 상기 데이터의 획득 및 저장 단계;
    - 선형 필터로 상기 전류 신호의 상기 적어도 하나의 함수에 대해 필터링하는 단계;
    - 상기 전류 신호의 상기 필터링된 함수가 미리 설정된 값의 범위 밖에 있는 경우 상기 적어도 하나의 경보 디바이스를 활성화하는 단계를 수행하는, 데이터 획득 시스템.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 선형 필터는 이동 평균 필터인, 데이터 획득 시스템.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 이동 평균 필터는 지수 이동 평균 필터인, 데이터 획득 시스템.

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