DE19933995A1 - Füllstandsmessung für Kugelmühlen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Ermittlung des Füllstands in Kugelmühlen. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, auf dem rotierenden Mühlenkörper Körperschallsensoren anzubringen, die den beim Mahlen erzeugten Schall messen. Durch Auswertung von Schallintensität und -spektren kann auf den Füllgrad der Mühle geschlossen werden. DOLLAR A Die Anordnung ist unempfindlich gegenüber störenden Signalen anderer Aggregate, die als Luftschall übertragen werden. DOLLAR A Über eine gleichzeitige Messung des Phasenwinkels der Mühle kann zusätzliche Information über Abwurf- und Auftreffpunkt der Kugeln gewonnen werden, um den Wirkungsgrad zu optimieren. DOLLAR A Die Energieversorgung der Meßelektronik auf dem rotierenden Mühlenkörper erfolgt durch einen mitrotierenden kleinen Generator, der indirekt durch die Rotation des Mühlenkörpers angetrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei vielen Produktionsprozessen, die pulverförmige Medien herstellen, werden Kugelmühlen eingesetzt. Kugelmühlen z. B. für die Zementvermahlung bestehen aus einem rohrförmigen Körper von ca. 2-4 m Durchmesser und 4-12 m Länge. Sie beinhalten typischerweise eine Füllung von Stahlkugeln von einigen Zentimetern Durchmesser. Zum Mahlen rotiert die Mühle und nimmt die Kugeln mit. Die Drehzahl wird so eingestellt, daß die Kugeln kurz vor dem höchsten Punkt in die restliche Füllung herunterfallen und das Mahlgut beim Aufprall zerkleinern. Beim Mahlen wird ein sehr hoher Anteil der aufgewandten Energie in die Hubarbeit der Kugeln gesteckt. Der Anteil der Energie, der in Zerkleinerungsarbeit umgesetzt wird, hat ein Optimum, das vom Füllgrad der Mühle mit Mahlgut abhängt. Bei zu geringem Füllgrad treffen herabfallende Kugeln auf andere Kugeln und zerkleinern kein Mahlgut, bei zu hohem Füllgrad wird bereits gemahlenes Gut von den Kugeln wieder verdichtet und "kompaktiert". Der Mahlwirkungsgrad definiert als Verhältnis von Zerkleinerungsarbeit zur insgesamt aufgewandten Energie ist sehr niedrig (ca. 5-7%). Es besteht deshalb ein hohes Interesse, Kugelmühlen mit optimalem Füllgrad zu fahren. Um dies zu erreichen und im Betrieb aufrecht zu erhalten ist es wichtig den aktuellen Füllgrad der Mühle zu messen und mit einer geeigneten Regeleinrichtung einstellen zu können. Wegen der fällenden Stahlkugeln und des hohen Staubgehaltes ist das Innere einer Kugelmühle einer direkten Messung nicht zugänglich.

In DE 27 41 510 C3 wird z. B. eine weit verbreitete, indirekte Methode beschrieben, die darin besteht, den von der Mühle abgestrahlten Schall mit einem Mikrofon zu messen. Eine leere Mühle erzeugt einen sehr hohen Schalldruck, da die Stahlkugeln direkt auf andere Kugeln treffen. Mit wachsendem Füllgrad sinkt der Schalldruck da zunehmend Mahlgut zwischen die Kugeln gerät. Ein Nachteil der einfachen Schalldruckmessung besteht darin, daß der Übergang zur Überfüllung nur sehr schwer herauszufinden ist. Eine Verbesserung des einfachen Schalldruckverfahrens besteht folglich darin, den Schall spektral aufzulösen und die relativen Anteile bei ausgesuchten Frequenzen zu bestimmen. Tendenziell klingt eine überfüllte Mühle dumpf, d. h. die hochfrequenten Anteile nehmen ab.

Ein Grundproblem derartiger Meßmethoden besteht darin, daß der im Inneren der Mühle erzeugte Schall durch die Füllung und die stark gepanzerte Wandung der Mühle dringen muß, bevor er draußen von einem Mikrofon aufgenommen werden kann. Dabei werden die verschiedenen Frequenzen unterschiedlich und kaum vorhersehbar beeinflusst. Die Füllstandsmessung mit Mikrofonen ist außerdem prinzipbedingt durch Fremdschall leicht zu stören, was insbesondere in Hallen mit mehreren Mühlen große Probleme bereitet. Aber auch der von anderen Maschinen erzeugte Schall kann die konventionelle Füllstandsmessung stark stören. Um dies zu vermeiden, werden sehr aufwendige Anordnungen mit Zusatzmikrofonen aufgebaut, die den Fremdschall messen und mit Hilfe von Rechnern subtrahieren sollen. Da die störenden Schallspektren aber meistens eine ganz ähnliche Struktur aufweisen wie die gesuchten Spektren der Mühle, hat sich dieses Verfahren in der Praxis als äußerst schwierig erwiesen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile der konventionellen Füllstandsmessung zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, am rotierenden Mühlenkörper einen oder mehrere Körperschallsensoren zu befestigen, die direkt den in der Mühle erzeugten Schall messen. Eine solche Anordnung vermeidet die Verzerrungen, die sich ergeben, wenn der Schall vom Mühlenkörper an das Medium Luft übertragen werden muß. Körperschallsensoren sind typischerweise Schwingungsaufnehmer, die direkt die Schwingungen des Körpers messen, aber keinen Luftschall. Eine mögliche Störung des Meßprozesses durch Fremdschall entfällt somit vollständig.

Ein Körperschallaufnehmer, der mit dem Mühlenkörper umläuft wird je Phase der Drehbewegung unterschiedliche Signale messen. Insbesondere lassen sich dadurch der Punkt, an dem sich die angehobenen Kugeln von der Wandung lösen und der Auftreffpunkt feststellen. Diese Information kann dann zum Einstellen des optimalen Abwurf-, bzw. Auftreffpunktes für die Kugeln genutzt werden. Der Wirkungsgrad der Mühle läßt sich so optimieren.

Durch die direkte Ankoppelung des Körperschallsensors an den Mühlenkörper ergibt sich weiterhin die Möglichkeit zur Messung zusätzlicher höherer Frequenzen, die Aufschluß über den Zustand der Kugeln und der Panzerung geben. Dies läßt sich im weiteren zur optimierten Wartung der Mühle nutzen.

Die Übertragung der gemessenen Informationen vom rotierenden Mühlenkörper zu einer ortsfesten Steuer- und Regeleinrichtung geschieht wegen der typischerweise sehr rauhen Umgebung sinnvollerweise über eine drahtlose Strecke. Hierzu eignen sich alle Arten von elektromagnetischen Wellen (Radiowellen, Licht etc.) oder auch andere Übertragungsmedien, wie z. B. Ultraschall.

Aus denselben Gründen, die eine drahtlose Informationsübertragung nahelegen, ergibt sich, daß die Energieversorgung der Meßeinrichtung ebenfalls ohne einen direkten Kontakt stattfinden sollte, da eine Versorgung - z. B. über Schleifringe - unter den Bedingungen einer Produktionsanlage sehr störanfällig ist. Die Versorgung kann beispielsweise über eine induktive Kopplungseinrichtung erfolgen. Eine noch einfachere Möglichkeit besteht darin, die Energie der Drehbewegung des Mühlenkörpers selbst auszunutzen. Hierzu wird am Mühlenkörper ein kleiner Generator angebracht, dessen Achse parallel zur Mühlenachse ausgerichtet ist. An der Antriebswelle wird ein Gewicht so angebracht, daß es, der Schwerkraft folgend, immer nach unten hängt. Wenn der Generator auf dem Mühlenkörper umläuft, so wird seine Achse von dem Gewicht gedreht und der Generator erzeugt somit Strom. Mit Hilfe eines vorgeschalteten Getriebes läßt sich die Generatordrehzahl ggf. erhöhen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Kugelmühle mit einer konventionellen Füllstandsmessung über ein Mikrofon.

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Köperschallsensorsystems an einem Mühlenkörper

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines umlaufenden Stromgenerators

Fig. 1 zeigt schematisch den Körper einer Kugelmühle in Seiten- (1a) und Vorderansicht (1b). In der Vorderansicht (1b) ist zusätzlich die Mahlkugelfüllung (2) mit Stahlkugeln eingezeichnet. Durch die Rotation des Mühlenkörpers werden die Kugeln entlang der Mühlenkörperwandung mitgenommen und angehoben (3). Die Rotationsgeschwindigkeit wird so eingestellt, daß die Kugeln kurz vor dem höchsten Punkt herunterfallen. Sie fliegen entlang einer gekrümmten Bahn (4) und treffen auf der anderen Seite auf die restliche Kugelfüllung. Durch den Aufprall wird das Mahlgut, welches sich zwischen den Kugeln befindet, zertrümmert und damit zerkleinert. Das hierbei erzeugte Schallspektrum hängt nach Intensität und spektraler Zusammensetzung unter anderem vom Füllgrad der Mühle mit Mahlgut ab. Bei der konventionellen Füllstandsmessung wird ein Mikrofon (5) in der Nähe des Auftreffpunkts (4) aufgestellt und mißt die Intensität des Schalls.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Vorderansicht der Kugelmühle (1) mit der Mahlkugelfüllung (2). In diesem Ausführungsbeispiel sind rund um den Mühlenkörper drei Körperschallaufnehmer (3a, 3b, 3c) angebracht. Da diese Aufnehmer nur die Schwingungen in der Wandung der Mühle messen können, sind sie durch äußeren Luftschall nicht zu beeinflussen. Die Körperschallaufnehmer sind über Kabel (4a, 4b, 4c) mit der Datenerfassungs- und Sendeeinheit (5) verbunden. Die Datenerfassungs- und Sendeeinheit überträgt die gemessenen Informationen drahtlos zur ortsfesten Auswerte- und Regeleinheit (6), wo die Signale ausgewertet und über eine geeignete Einrichtung auf die Mühle zurückgeführt werden können.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Ausführungsbeispiel eines umlaufenden Stromgenerators (2), der auf dem Mühlenkörper (1) angebracht ist. Das Gewicht (3) folgt bei einem Umlauf der Schwerkraft und dreht den Generator. Zur Verdeutlichung ist der Generator eine halbe Umdrehung der Mühle später eingezeichnet (2a). Das Gewicht (3a) hat sich relativ zum Generator gedreht.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Messung des Füllstands von Kugelmühlen, dadurch, gekennzeichnet, daß, zur Messung Körperschallsensoren auf dem Mühlenkörper eingesetzt werden.

2. Vorrichtung zur Messung des Füllstands von Kugelmühlen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung Körperschallsensoren am Lager angebracht werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Sensoren eingesetzt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Sensoren aufgenommenen Signale spektral untersucht werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Informationen drahtlos vom Meßpunkt zu einer ortsfesten Steuer- und Regeleinheit übertragen werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiversorgung der Meßeinrichtung auf dem Mühlenkörper drahtlos erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung durch einen, auf dem Mühlenkörper mit umlaufenden, Generator erfolgt, der durch ein Gewicht angetrieben wird.