Two-dimensional Defect Localization and Qua ntification in Steel-cord Conveyor Belts via C ross-cord Eddy Current Testing

تخيل أنك محقق يحاول العثور على عيب صغير وخفي داخل حبل فولاذي ضخم ومتحرك. هذا ليس مجرد حبل عادي؛ إنه العمود الفقري لعملية تعدين، وهو عبارة عن حزام ناقل ذو حبال فولاذية يحمل أطنانًا من المواد الثقيلة يوميًا. إذا انقطعت بضعة أسلاك في الداخل، فقد ينقطع الحزام بأكمله، مما يتسبب في حادث هائل. للعثين على هذه الكسور الخفية، يستخدم العلماء تقنية تسمى اختبار التيارات الدوامية (Eddy Current Testing). فكر في الأمر كأنك تسلط كشافًا مغناطيسيًا خاصًا على الفولاذ. عندما يصطدم الضوء بالمعدن، فإنه يخلق تيارات دوامية غير مرئية. إذا كان المعدن مثاليًا، تكون هذه الدوامات سلسة، ولكن إذا كان هناك سلك مكسور، تصبح الدوامات فوضوية، ويتغير إشارة الكشاف الضوئي. هذا التغيير يخبر المحقق: "هناك خطب ما هنا!".

لفترة طويلة، لم يكن بإمكان هؤلاء المحققين النظر إلى الحبل إلا من اتجاه واحد، مثل قراءة كتاب سطرًا بسطر. كان بإمكانهم معرفة متى حدث الكسر أثناء مرور الحزام من أمامهم، لكنهم لم يستطيعوا معرفة أين يقع مكان الكسر عبر عرض الحزام. كان الأمر يشبه سماع ضوضاء في غرفة مظلمة دون معرفة ما إذا كانت قادمة من اليسار أو اليمين أو المنتصف. تحاول هذه الورقة البحثية، التي كتبها فريق من الباحثين من جامعة تاي يوان للتقنية، حل هذا اللغز. إنهم يريدون تحويل "القراءة الخطية" أحادية الأبعاد هذه إلى خريطة كاملة ثنائية الأبعاد، تحدد بدقة مكان الأسلاك المكسورة المختبئة، سواء على طول الحزام أو عبر عرضه.

لعبة المحقق ذات الخطوتين

أدرك الباحثون أنه لكي يجدوا الكسور الخفية، يحتاجون إلى استراتيجية جديدة. فبدلاً من مجرد المسح مباشرة لأسفل الحزام (والذي سنسميه محور X)، قرروا إضافة مسح ثانٍ عبر عرض الحزام (محور Y). تخيل أن الحزام عبارة عن بيتزا عملاقة؛ الطريقة القديمة كانت تقتصر على فحص الأطراف من الأمام إلى الخلف، أما الطريقة الجديدة فهي تشبه أخذ شريحة من البيتزا والنظر إليها من الجانب لمعرفة أي قطعة "ببروني" قد احترقت بالضبط.

أولاً، يتحرك الروبوت على طول الحزام للعثور على المنطقة العامة التي يوجد بها خلل ما. وبمجرد أن يرصد "منخفضًا" (وهو انخفاض في الإشارة يشير إلى: "مهلًا، هناك مشكلة هنا!")، فإنه يتوقف. بعد ذلك، بدلاً من التحرك للأمام، يتحرك جانبًا إلى جنب عبر عرض الحزام. هذا هو "المسح العرضي للحبال". ومن خلال التحرك جانبيًا، يمكن للمسبار رؤية كيفية ترتيب الأسلاك المكسورة. إذا كان هناك سلك واحد مكسور، ستنخفض الإشارة مرة واحدة. وإذا كان هناك سلكان مكسوران بجانب بعضهما البعض، فستنخفض الإشارة مرتين أو ستحدث انخفاضًا أعمق وأوسع.

مشكلة "الشبح" والممحاة السحرية

ومع ذلك، كانت هناك مشكلة صعبة. فالأوتار الفولاذية في الحزام ليست ملتصقة ببعضها البعض؛ بل توجد فجوات صغيرة بينها. وبينما يتحرك المسبار جانبًا، تخلق هذه الفجوات تموجات صغيرة خاصة بها في الإشارة، وتبدو تمامًا مثل الأسلاك المكسورة. الأمر يشبه محاولة سماع همس في غرفة حيث تهب الرياح باستمرار وتجعل الستائر ترفرف. صوت الرفرفة (الفجوات) يشبه تمامًا صوت الهمس (السلك المكسور)، مما يجعل من الصعب التمييز بين ما هو حقيقي وما هو مجرد ضجيج خلفي.

ولحل هذه المشكلة، استخدم الفريق حيلة ذكية تسمى التمايز المرجعي (Reference Differentiation). تخيل أن لديك تسجيلًا للحزام عندما يكون سليمًا تمامًا، بدون أي أسلاك مكسورة. قم بتشغيل هذا التسجيل "السليم" في ذهنك بينما تقوم بمسح الحزام الحقيقي. عندما تطرح التسجيل السليم من التسجيل الحقيقي، فإن "رفرفة" الفجوات تلغي بعضها البعض لأنها متطابقة في كليهما. لكن "همس" السلك المكسور لا يلغي نفسه لأنه لم يكن موجودًا في التسجيل السليم. فجأة، يبرز السلك المكسور بوضوح مقابل خلفية صامتة.

خدعة "غوس" السحرية

بمجرد إزالة الضجيج، ظل لدى الباحثين مشكلة صغيرة. فروبوتهم يتحرك بخطوات صغيرة، مثل شخص يمشي ومعه مسطرة. إذا كان السلك المكسور يقع بالضبط بين خطوتين، فقد يخطئ الروبوت في تحديد مركزه الدقيق. ولحل هذه المشكلة، استخدموا أداة رياضية تسمى ملاءمة غاوس (Gaussian Fitting).

فكر في انخفاض الإشارة الناتج عن سلك مكسور كأنه تلة ناعمة تشبه شكل الجرس. حتى لو أخذ الروبوت عينات قليلة فقط من تلك التلة، يمكن للرياضيات رسم منحنى مثالي عبر تلك النقاط. هذا يسم يسمح للروبوت بتخمين المركز الدقيق للتلة بدقة مذهلة، حتى لو لم يهبط بالضبط فوق القمة. الأمر يشبه النظر إلى بضع آثار أقدام في الرمل والقدرة على تحديد مكان مركز قدم الشخص بدقة، حتى لو لم ترَ القدم كاملة.

ما الذي وجدوه؟

اختبر الفريق فكرتهم باستخدام عمليات محاكاة حاسوبية وتجارب واقعية على حزام ذي حبال فولاذية. لقد صنعوا أسلاكًا مكسورة اصطناعية لمعرفة ما إذا كانت طريقتهم ستتمكن من العثور عليها.

• اختيار المسبار: اختبروا نوعين من المستشعرات. أحدهما مسبار "تفاضلي" (يقارن بين جانبين)، والآخر مسبار "مطلق" (يقيس الإشارة الإجمالية فقط). ووجدوا أن مسبار الملف المزدوج المستطيل المطلق كان أفضل بكثير في تجاهل الضجيج الناتج عن الفجوات والبيئة المحيطة؛ لقد كان المحقق الأكثر موثوقية.
• النتائج: عندما قاموا بمسح الحزام بحجم خطوة قدره 1.5 مم، كانت طريقتهم الجديدة دقيقة للغاية. فقد وجدوا أن متوسط الخطأ في تحديد موقع السلك المكسور كان 0.0988 مم فقط. ولتوضيح ذلك، هذا أقل من عرض شعرة الإنسان!
• عد الأسلاك المكسورة: لم تكتفِ الطريقة بإيجاد الموقع فحسب، بل قامت بعد الأسلاك المكسورة بدقة مثالية. إذا كان هناك كسر واحد، رصدت انخفاضًا واحدًا. وإذا كان هناك اثنان، رصدت اثنين. كانت نسبة النجاح في عد العيوب هي 100%.
• الرياضيات: كان جزء "ملاءمة غاوس" هو السر الذي سمح لهم بالحصول على هامش الخطأ الضئيل هذا. لولا ذلك، لكانوا عالقين مع حجم الخطوة الأكبر للروبوت.

لماذا هذا مهم؟

توضح هذه الورقة البحثية أننا يمكننا تجاوز مجرد معرفة أن الحزام مكسور إلى معرفة أين بالضبط هو مكسور في بعدين. لقد أثبت الباحثون أنه من خلال الجمع بين المسح الجانبي والرياضيات الذكية لإلغاء الضجيج، يمكنهم رسم خريطة لصحة الحزام الناقل بدقة عالية.

ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن هذه النتائج مستمدة من تجارب ومحاكاة محكومة. فقد اختبر الفريق سيناريوهات تحتوي على ما يصل إلى سلكين مكسورين في المرة الواحدة. وبينما تبدو الطريقة واعدة للغاية، تشير الورقة إلى أن العمل المستقبلي سيحتاج إلى اختبارها على أحزمة تحتوي على عدد أكبر بكثير من الأسلاك المكسورة، وفي الظروف الواقعية الفوضوية لمنجم نشط. ولكن في الوقت الحالي، تقدم تقنية المسح "العرضي للحبال" هذه طريقة قوية للحفاظ على سلامة أحزمتنا الناقلة شديدة التحمل واستمرار عملها.