CN101500710B - 用于检测磨碎机料位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对被装载的磨碎机滚筒(2)进行料位检测的方法。借助于驱动装置(6)向所述滚筒(2)加载驱动力矩(M)并且将其置于旋转运动(ω)之中。按照能够预先给定的驱动测试序列来调节所述驱动装置(6)上的驱动力矩(M)。检测所述滚筒(2)的由于所述驱动测试序列引起的转速的在时间上的转速变化曲线并对其进行分析。根据分析的结果来确定料位。该方法提供当前的、精确的以及在连续的磨碎机运行的过程中检测到的关于所述滚筒(2)的填注的信息。

Description

用于检测磨碎机料位的方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测磨碎机的被装载的滚筒的料位的方法。 

背景技术

所述的磨碎机比如可以是球磨机(ball mill)或者也可以是确定用于磨碎粗颗粒的材料比如矿石或者水泥等的SAG(semiautogenously grinding(半自磨))-磨碎机。在这样的磨碎机的滚筒中进行粉碎，通常不知道滚筒中的当前料位。也就是说料位依赖于许多参量。这些参量的例子是精确的磨碎程度、为支持磨碎过程加入所述滚筒中的钢球的份额、这些球的磨损程度以及当前在所述滚筒中存在的悬浮液的固体份额。这些参量绝大多数在磨碎机的运行过程中发生变化。其当前的数值就如料位本身的数值一样是未知的。 

因此在一定程度上准确了解当前的料位是十分有利的，因为人们由此可以推断出磨碎机运行的效率。在磨碎机装得过满的情况下，粉碎由于落差微小和已被粉碎的磨料的能量吸收而没有效率。在磨碎机装得不足的情况下，滚筒壁以及同步器(Mitnehmer)会受损。根据当前的料位和必要时其它参数如有待磨碎的物料或固体成分的硬度，可以更好地调节所述滚筒的转速。 

目前，根据操作人员的通过经验获得的经验值由操作人员对料位进行估计。作为支持手段使用重量传感器，所述重量传感器检测被装载的滚筒在轴承上的支承重量。尽管使用这些附加设置的传感器，但这些估计方法还是非常不精确。近来也已开发出声学的测量方法，但这些测量方法同样需要附加的用于录音的传感器。 

常规的用于料位检测的方法比如由企业Mollet料位技术有限公司(Mollet Füllstandstechnik GmbH)借助于网址http://www.mollet-gmbh.de/提供的旋转叶片、摆锤及振动测量方法更适合于静止的储备容器，但不适合于磨碎机的旋转的和被装载的滚筒。 

发明内容

因此，本发明的任务是，说明一种方法，其实现了以简单的方式在磨碎机运行过程中为滚筒检测当前料位。 

该任务通过按本发明的用于检测磨碎机的被装载的滚筒的料位的方法来解决，其中， 

a)借助于驱动装置向所述滚筒加载驱动力矩并且将其置于旋转运动之中， 

b)按照能够预先给定的驱动测试序列来调节所述驱动装置上的驱动力矩， 

c)检测所述滚筒的由于驱动测试序列引起的转速的时间上的转速变化曲线， 

d)对所检测到的转速变化曲线进行分析，并且 

e)根据分析的结果来确定料位。 

相对于以往常用的非常不精确的估计方法，按本发明的方法的突出之处一方面在于更高的精度并且另一方面在于，该方法也可以自动化地并且尤其在所述磨碎机的连续的运行过程中实施。因此尤其也可以求得当前的料位测量值。有利的是，按本发明的方法首先基于本来为调节正常的磨碎机运行而设置的转速检测。该测量参量因此已经以合适的比如电子的形式在分析单元中供人使用。因此尤其不需要任何附加的如在现有技术中比如用于所述滚筒的支承重量的重量传感器一样的传感器。所述驱动测试序列也可以以简单的方式在驱动装置上调节，从而在总体上仅仅为按本发明的方法产生较低的实施开销。 

按本发明的方法的有利的设计方案由本发明中所述的特征中获得。 

有利的是，在对来自所检测的时间上的转速变化曲线的转速变化曲线进行分析时并且尤其在数字化之后借助于傅立叶变换产生转速频率信号，尤其在所包括的频率份额方面对该转速频率信号进行研究。由于磨料碰撞到所述同步器上，在转速中产生周期性的扰动，借助于傅立叶分析可以有效地检测和分析所述扰动。优选从特定的频率份额的存在性、从其振幅中或者从其相位中推断出料位。因此可以特别好地和全面地对所检测到的转速信号进行研究。在此很清楚这方面 的开销。傅立叶变换可以简单地以电子方式且自动化地实施。 

按照一种另外的优选的变型方案，作为驱动测试序列预先给定恒定的驱动力矩或者使用为了所述磨碎机的正常运行尤其通过驱动装置调节器预先给定的驱动力矩。所述驱动装置调节器因而尤其本来就已存在。所述驱动装置调节器通常不仅可以预先给定驱动力矩而且可以预先给定转速。在使用所提到的驱动测试序列时，所述料位检测方法尤其简单。因此，在实际上在不干预所述驱动力矩的设定值或设置的情况下就足够了。于是，正常的磨碎机运行甚至一点都没有受到驱动力矩的因料位检测引起的变化的不利影响。相应地，可以根据所述转速变化曲线的傅立叶变换的分析来求得关于料位的感兴趣的信息。 

此外，优选在分析转速变化曲线时对所检测到的转速变化曲线进行滤波，尤其是低通滤波，和/或平均值计算(中值)。由此可以消除波动，并且可以更加简单地确定用于所寻找的料位的已经很好的第一近似值。 

此外，有利的是，在分析转速变化曲线时求得被装载的和被驱动的滚筒的惯性矩。所述惯性矩是特别合适的中间参量，借助于该中间参量可以简单地并且还以高精度确定当前的料位。 

此外，有利的是一种变型方案，在该变型方案中作为驱动测试序列预先给定具有至少一次跳跃式变化尤其是具有矩形脉冲的形式的变化的驱动力矩。尤其所述驱动测试序列具有两次先后相随的矩形脉冲形的带有相反的变化方向的变化。驱动力矩中的一种这样的阶跃函数导致转速变化曲线中出现能够容易地检测和分析的反应。于是也就是尤其对所属的阶跃响应进行分析。 

此外，有利的是，相对于驱动力矩的原始数值，所述驱动力矩的绝对变化在30％以下尤其在10％以下并且尤其在2％以下的范围内变动。于是，所述驱动力矩的变化一方面足够大，用于引起能够分析的反应，并且另一方面还没有大到明显损害正常的磨碎机运行的程度。在具有两次先后相随的矩形脉冲形的带有相反的变化方向的变化的变型方案中，所述两个矩形脉冲除符号之外可以是相同的，也就是对称的。不过，同样也可以设想不同的或者非对称的彼此相随的矩形 脉冲。比如，所述两种矩形脉冲可以具有不同的脉冲持续时间和脉冲高度，但具有相同的时间积分。由此比如可以避免超过预先给定的最大的磨碎机转速。因此，选择优选具有负的变化方向的第一种脉冲以及具有正的变化方向且具有与第一脉冲相同的绝对脉冲高度的第二脉冲。于是所述负的第一驱动力矩-脉冲减缓转速，而所述正的第二驱动力矩-脉冲则将磨碎机再度加速到原来的转速。有利的是，仅仅对负的驱动力矩-脉冲进行分析，因为在驱动力矩-脉冲为负时所述磨碎机力矩的影响更小。 

有利的是一种另外的变型方案，在该变型方案中所述矩形脉冲具有尤其能够预先给定的和由此已知的脉冲持续时间以及尤其同样能够预先给定的并且已知的确定驱动力矩的变化的脉冲高度，并且借助于所述脉冲持续时间、脉冲高度和由于驱动测试序列引起的和所检测的转速变化来求得所述惯性矩的第一测量值。尤其确定平均的转速变化并且由此通过求导确定所述惯性矩的平均值，其中优选以静态的也就是在时间上不变的惯性矩为出发点。 

然后，所述很好地近似的惯性矩尤其与由脉冲持续时间和脉冲高度构成的乘积(＝分子)与所检测到的(平均的)转速变化(＝分母)的商之间成比例。也就是在所提到的参量之间得到非常简单的且也在数字方面能够非常容易地分析的关系。 

按照一种另外的优选的变型方案，为确定所述料位，将为所述被装载的和被驱动的滚筒的惯性矩求得的第一测量值与圆弧扇形段的惯性矩进行比较，用于由此尤其确定填注角度或者填注高度。已经发现，在运行过程中通常使用的转速时，载荷在所述滚筒内部如此分布，使得所述填料始终很好地近似地布置在圆弧扇形段的内部。因此，可以借助于圆弧扇形段的已知的惯性矩并且借助于所检测的惯性矩-测量值来确定滚筒中的料位。 

此外，有利的是，通过至少一个附加设置的校正因数来对惯性矩的时间或转速依赖关系加以考虑。由此可以进一步提高测量精度。 

除此以外存在所述方法的一种有利的设计方案，在该方法中至少在驱动测试序列的持续时间的过程中切断设置用于磨碎机的正常运 行的转速调节器。由此防止所述转速调节器进行干预并且对通过所述驱动测试序列有针对性地且为分析目的引起的转速变化进行调整(ausregeln)。仅仅部分的再调整也会导致更不精确的测量结果。不过，如果所述转速调节器具有很长的尤其处于所述驱动测试序列的持续时间的数量级中的或者甚至更大的时间常数，那就不一定需要切断所述转速调节器。 

有利地规定，从所述转速变化曲线和驱动测试序列中求得所述被装载的和被驱动的滚筒的惯性矩和依赖于转速的摩擦力矩的静态的摩擦系数。通过这样的方法可以对摩擦力矩的转速依赖关系加以考虑。 

此外，有利的是，在线性模型的基础上求得所述惯性矩和静态的摩擦系数，其中所述线性模型描述转速与驱动力矩之间的依赖关系。线性模型足够精确地再现在所述磨碎机的转速和驱动力矩之间的依赖关系，其中可以简单地确定所述线性模型的参数。 

此外，有利地规定，所述线性模型是PT1-元(PT1-Glied)，并且为求得惯性矩和静态的摩擦系数在两个时刻用转速和驱动力矩的测量值对所述PT1-元进行调整。PT1-元仅仅具有两个未知的参数，这两个未知的参数可以在两个不同的时刻通过对所述PT1-元的分析容易地确定。由此所需要的计算开销很小，从而在存储容量和计算效率有限的情况下也能够求得所述参数。 

所述任务同样通过控制装置得到解决，利用该控制装置能够按照按权利要求1到15中任一项所述的方法检测磨碎机的被装载的滚筒的料位。为此，所述控制装置设有程序代码，该程序代码包含控制指令，所述控制指令促使所述控制装置实施按权利要求1到15中任一项所述的方法。 

此外，本发明延伸到用于磨碎机的控制装置的机器可读的程序代码，该程序代码具有控制指令，所述控制指令促使所述控制装置实施上述方法。所述机器可读的程序代码也可以保存到已经为所述磨碎机而存在的未设有按本发明的程序代码的控制装置上并且由此能够在以往常规运行的磨碎机上实施按本发明的方法。 

此外，本发明延伸到存储介质或者说计算机程序产品上，所述存储介质或者说计算机程序产品具有存储在其上的机器可读的如上面所说明的程序代码。 

附图说明

本发明的其它特征、优点和细节从借助于附图对实施例所作的以下说明中获得。其中： 

图1是磨碎机的一种实施例，该磨碎机具有被装载的和能够围绕着旋转轴线旋转地被驱动的滚筒以及控制和调节单元， 

图2和3是在滚筒内容物不同分布时按图1的磨碎机的滚筒的垂直于旋转轴线的横截面II-II或者说III-III， 

图4是通过所述控制和调节单元来调节的用于作用于所述滚筒的 驱动力矩的驱动测试序列及通过所述驱动测试序列引起的转速的所检测到的及预期的变化的时间图， 

图5是相应于滚筒内容物的平均的分布状态的圆弧扇形段， 

图6是作用于所述滚筒的驱动力矩的负的阶跃激励及转速的近似预期的阶跃响应的时间图，并且 

图7是按图4的所检测的变化和预期的未受干扰的变化之间的差的时间图。 

彼此相应的部件在图1到7中用相同的附图标记来表示。 

具体实施方式

图1示意示出了磨碎机1的一种实施例，该磨碎机1具有滚筒2以及控制和调节单元3。所述磨碎机1是构造为球磨机或者构造为SAG-磨碎机的磨矿机。所述滚筒2与给料竖井4相连接，有待磨碎的矿石材料5借助于所述给料竖井4到达所述滚筒2的内部。为粉碎矿石材料5，所述被装载的滚筒2能够借助于在本实施例中构造为无传动装置的电动机的驱动装置6围绕着旋转轴线7旋转地被驱动。 

在所述滚筒2上设置了用于检测所述滚筒2的转速n的转速传感器8。该转速传感器8连接到所述控制和调节单元3上。所述控制和调节单元3尤其包括至少一个比如构造为微型计算机、微处理器或者微型控制器-组件的形式的中央计算单元9、与所述转速传感器8相连接的转速调节器10和连接到驱动装置6上的驱动装置调节器11。所述转速调节器10和驱动装置调节器11借助于开关12彼此相连接。所述转速调节器10、驱动装置调节器11和开关12连接到所述中央计算单元9上。 

所述转速调节器10、驱动装置调节器11和开关12可以是在物理上存在的比如电子的组件，或者也可以是保存在未详细示出的存储器中的软件模块，所述软件模块在其被调用之后在所述中央计算单元9中运行。所提到的各个部件9到11与在图1中出于简洁原因未示出的其它部件和/或单元相互作用。此外，所述控制和调节单元3可以构造为一个唯一的单元或者构造为多个单独的子单元的组合。 

下面也参照图2到7对所述磨碎机1的作用原理及特殊的方法流程和优点进行说明。 

由于所述滚筒2的通过驱动装置6引起的旋转运动，将所加入的 矿石材料5磨碎。为支持磨碎过程，可以在所述滚筒2中附加地加入钢球。此外，在所述在本实施例中构造为磨矿机的磨碎机1中输入水，从而在所述滚筒2的内部存在填料13，该填料13基本上是具有通过或多或少地被粉碎的矿石材料5和钢球形成的固体份额的悬浮液。 

从按图2和3的横截面示意图中可以看出在旋转的滚筒2内部的填料13及其两种可能的分布。在此示出所述滚筒2的垂直于旋转轴线7的横截面。这些示意图大为简化。尤其没有滚筒壁的细节，比如在所述滚筒壁的内侧上沿圆周方向分布布置的同步接片(Mitnahmestege)或者同步器(Mitnehmer)(英语专业概念＝Liner)。 

填料13在滚筒2中的分布会在运行过程中变化。其依赖于不同的参数，如填注高度并且在一定程度上也依赖于转速。典型地给所述滚筒2填注45-50％，由此产生45°-55°的角度α和大约140°的角度β。此外，所述滚筒经受随机的波动。在按图2的分布状态中，所述填料13的一部分由于所述滚筒2的同步效应在所述滚筒内壁上处于较上面的位置上。在这部分填料朝滚筒内腔的最深的位置的方向滑落之后，所述填料具有在图3中示出的分布状态。这样的变化可以周期性地和/或非周期性地重复。 

在运行过程中，所述磨碎机1的填注程度依赖于不同的影响参数而变化。准确地知道当前的填注状态是值得向往的，从而尽可能好地调节磨碎机运行参数并且由此尽可能有效地安排所述磨碎机1的运行。 

所述磨碎机1由于专门实施的方法尤其也能够在连续运行的过程中确定滚筒2中填料13的料位。这种料位检测基于所述滚筒2的转速n的检测和分析。 

在这种方法的第一设计方案中，对所述转速n的作为对驱动装置6的驱动力矩M的跳跃式变化的反应的阶跃响应进行分析。作为输入参量，调节驱动力矩M的特殊的驱动测试序列14。这借助于相应的设定值在所述驱动装置调节器11上进行，于是所述驱动装置调节器11触发所述驱动装置6，使得其根据所期望的驱动测试序列14提供驱动力矩M。 

一种这样的驱动测试序列14的例子在图4的上方的图表中示出。所述驱动力矩M的关于时间t绘出的曲线与基础数值M₀之间具有短时间的和细微的偏差，所述驱动力矩M在这个时刻由于所述驱动装置调 节器11的由正常的运行要求引起的设定值而具有这个基础数值M₀。这些偏差是跳跃式的。尤其所述驱动测试序列14包括两个叠加在所述基础数值M₀上的具有脉冲高度ΔM₁或者说ΔM₂及脉冲持续时间Δt₁或者说Δt₂的矩形脉冲。 

所述两个矩形脉冲具有相反的符号。第一矩形脉冲导致所述驱动力矩M的跳跃式的下降，第二矩形脉冲则导致所述驱动力矩M的跳跃式的上升。这个顺序是有利的，因为所述磨碎机1通常在其临界的转速n_临界的大约80％处运行。为了也在所述驱动测试序列14的阶段的过程中可靠地避免超过这个临界的转速n_临界，在此建议首先在时刻t₀和t₁之间设置具有驱动力矩M的下降的负的矩形脉冲并且之后才在时刻t₂和t₃之间设置具有驱动力矩M的上升的正的矩形脉冲。 

对所述转速n的作用是相应的。所述驱动测试序列14的第一负矩形脉冲使转速n降低，而第二正矩形脉冲则导致上升返回到转速原始值n₀。在图4的下方的图表中示意示出了所述转速n的借助于转速传感器8测量的以及在惯性矩恒定时预期的时间变化曲线15或者说16。根据测量的时间变化曲线15的平均以及根据用已知的参数Δt₁和Δt₂和作为未知的参数的由驱动测试序列14引起的转速变化Δn“均方根”-拟合(“Root Mean Square”-Fits)的曲线，可以确定所述转速变化Δn。在最简单的情况下，这可以借助于将在处于时刻t₁和t₂之间的范围内求平均的测量的时间变化曲线15从转速原始值n₀中减去来进行。在所述控制和调节单元3中来求平均，其中比如使用低通滤波。总之，可以由此求得通过所述驱动测试序列14引起的转速变化Δn。 

为了保证作为决定性的测量参量有待检测的转速变化Δn没有通过所述转速调节器10的快速干预而得到补偿，借助于开关12将所述转速调节器10断开所述驱动序列14的持续时间T_A。不过该措施并非强制需要。可以省略该措施，如果所述转速调节器10的延迟时间大于所述驱动序列14的持续时间T_A。 

从所检测到的转速变化Δn以及所述驱动序列14的预先给定的参数可以为被装载的滚筒2的-首先作为在时间上恒定的因此假定静态的-惯性矩J算出非常好的估计值。 

这种分析方法的出发点是以下关系。对于具有恒定的惯性矩J的旋转的质量m的加速来说，需要按 

$M_a=J\·\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

的加速力矩M_a，其中用ω表示所述旋转的质量m的角速度。在旋转角α和角速度ω之间适用以下关系式： 

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

在按图2和3的横截面示意图中一同绘出了旋转角α，所述填料13的质量重心相对于在所述滚筒2静止时的静止位置相应偏移了这个旋转角α。 

为了将所述滚筒2置于旋转运动之中，由所述驱动装置6施加的驱动力矩M反作用于比如通过在所述滚筒2的支承中的摩擦损失引起的摩擦力矩M_r以及通过所述填料13的偏移引起的磨碎机复位力矩M_m并且同时提供为旋转所需要的加速力矩M_a。因此适用： 

M＝M_r+M_m+M_a                    (3) 

在假设静态的惯性矩J且预先给定带有两个具有相同的脉冲高度ΔM₁＝ΔM₂＝ΔM和相同的脉冲持续时间Δt₁＝Δt₂＝Δt的矩形脉冲的驱动测试序列14时，由 

$J=\frac{60\·\mathrm{\ΔM}\·\mathrm{\Δt}}{2\·\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δn}}=C\·\frac{\mathrm{\ΔM}\·\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δn}}---\left(4\right)$

获得方程式(1)中的惯性矩J的所寻找的第一估计值，其中所述转速变化Δn从所测量的或者预期的转速变化曲线15或者说16中获得并且在以每秒弧度尺寸表明的角速度ω和以每分钟转数表明的转速n之间进行换算。C代表比例常数。 

如此设计所述驱动测试序列14的参数ΔM和Δt的大小，从而一方面在转速变化曲线15或者说16中产生能够检测的测量效应，但另一方面所述转速变化Δn保持足够地小，从而不显著地损害在测量阶段过程中尤其进一步进行的磨碎机运行及尤其是所述磨碎机1的通过量。此外，所产生的小的转速变化Δn保证，比如所述惯性矩J和磨碎机力矩M_m的转速依赖关系不导致负担并且也在实际上良好近似地产生这里首先假定的静态的关系。因此，在本实施例中，所述脉冲高度ΔM₁＝ΔM₂＝ΔM大约为基础数值M₀的5％。脉冲持续时间Δt₁＝Δt₂＝Δt则相应地大约为5秒。 

借助于按照方程式(4)确定的惯性矩J估计值，可以推断出真正感兴趣的料位。 

通常对所述惯性矩J来说适用以下关系式： 

J＝∫r²·dm                (5) 

其中用r来表示微分的质量dm与所述旋转轴线7之间的间距。 

如可以从按图2和3的示意图中看出，所述填料13至少平均地处于圆弧扇形段内部。对于在图2和3中示出的两种分布状态来说，一同绘出了所假设的圆弧扇形段的相应的弦17或者说18。其假想的与滚筒壁之间的交点在图2和3中同样形成一同绘出的填注角β，所述填注角β依赖于所述填料13在所述滚筒2内部的相应分布状态。 

已经表明，假设圆弧扇形段形式的填料分布状态在实际上得到很好地满足，至少只要所述转速n处于在临界转速n_临界之下的通常的范围内。 

因此，将按照方程式(4)确定的惯性矩J估计值与围绕着旋转轴线旋转的圆弧扇形段形的质量的有待以解析方式或者数字方式计算的惯性矩进行比较提供了关于当前填注的信息。 

可以在参照按图5的示意图的情况下为围绕着旋转轴线旋转的圆弧扇形段形的质量的惯性矩从方程式(5)中推导出以下计算规则： 

$J=\mathrm{\ρ}\·l\·R^4\·[\frac{\mathrm{\β}}{4}-\frac{\cos (\mathrm{\β}/2)\·{\sin }^3(\mathrm{\β}/2)}{6}-\frac{{\cos }^3(\mathrm{\β}/2)\·\sin (\mathrm{\β}/2)}{2}]---\left(6\right)$

其中用ρ表示恒定假设的和大致已知的填料密度，用R表示滚筒半径，并且用l表示沿所述旋转轴线7的方向的轴向的滚筒长度。 

将按照方程式(4)确定的惯性矩J估计值代入方程式(6)中。所产生的关系式要么用解析法要么用数字法来解填注角β。 

如此求得的填注角β已经是所述滚筒2的填注的尺度。在需要时可以按照 

h_f＝R·[1-cos(β/2)]                (7) 

将其换算为填注高度h_f。 

可以进一步细化测量结果，如果将不同的影响参量的时间依赖关系尤其是所述惯性矩J的时间依赖关系一同加以考虑。此外，使所述力矩方程式(3)完全动态化，也就是说采用单个力矩与时间t之间的 依赖关系： 

M＝M_r(t)+M_m(t)+M_a(t)                            (8) 

按照 

$M_r\left(t\right)=M_r^{*}\·\mathrm{\ω}=M_r^{*}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}---\left(9\right)$

来假设依赖于转速的摩擦力矩M_r(t)，其中用M_r ^*来表示时间恒定的摩擦系数。按方程式(9)的乘积表达式的时间依赖关系因此仅仅通过所述转速n或者说角速度ω来引起。 

此外，对依赖于旋转角的并且由此同样依赖于时间的磨碎机特性曲线加以考虑。所述磨碎机特性曲线进入到所述磨碎机复位力矩M_m(t)中： 

$M_m\left(t\right)=M_m^{*}\·\sin \left(\mathrm{\α}\right)---\left(10\right)$

其中用M_m ^*表示时间恒定的复位因数(Rückstellungsfaktor)。时间依赖关系由此又仅仅通过乘积因数sin(α)也就是说通过依赖于时间的旋转角α来确定。 

对于加速力矩M_a(t)，除了所述角速度ω的时间依赖关系之外现在也对所述惯性矩J的时间依赖关系加以考虑。其由 

$M_a\left(t\right)=\frac{d(J\·\mathrm{\ω})}{\mathrm{dt}}=\frac{d(J\·\stackrel{\·}{\mathrm{\α}})}{\mathrm{dt}}=J\·\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\·}{J}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}---\left(11\right)$

来产生。 

在考虑到方程式(9)-(11)的情况下可以将方程式(8)转换为： 

$M=J\·\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+(\stackrel{\·}{J}+M_r^{*})\·\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}+M_m^{*}\·\sin \left(\mathrm{\α}\right)---\left(12\right)$

sin(α)≈α适用于小的旋转角α，在假设小的旋转角α的情况下，所述方程式(12)是减震的摆锤的微分方程式。 

此外，为了尽可能真实地描绘在所述滚筒2的内部的情况，采用次要条件，该次要条件描述滑转条件。如借助于图2和3已解释的，在所述填料13在所述滚筒内壁上到达特定的上面的位置时，它又向下掉落或者滑动。可以为这个上面的位置分配极限旋转角α₀。这个极限旋转角α₀同样依赖于角速度ω。因此，在方程式(12)中作为次要条件补充所述旋转角α的通过依赖于转速的极限旋转角α₀确定的限制： 

$M=J\·\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+(\stackrel{\·}{J}+M_r^{*})\·\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}+M_m^{*}\·\sin \left(\min (\mathrm{\α},{\mathrm{\α}}_0\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}\right))\right)---\left(13\right)$

方程式(13)可以用数字方式比如借助于围绕着工作点α₀的展开式来解。 

在此可以一同考虑关于所述磨碎机1的性能的比如在起动阶段过程中或者在停机过程中已经获得的附加信息。尤其空的滚筒2的惯性矩J可以在起动过程中毫无问题地求得。除此以外，装载着测试填料的滚筒2的惯性矩J也可以通过在起动阶段过程中进行的滑行试验来求得，在所述滑行试验中跳跃式地切断所述驱动装置6。由此产生的振动的周期延续时间根据已知的用于减震的物理摆锤的方程式来获得。 

如此获得的附加信息尤其可以用于对料位检测方法进行校准。 

在一种变型方案中，由此并且在考虑转速n的检测到的并且还未滤波的变化曲线15的情况下求得依赖于时间和/或转速的校正因数，在分析所述方程式(4)和(6)时对所述校正因数加以考虑。这些校正因数比如可以说明与所述填料13在滚筒2内部的精确的圆弧扇形段形的分布之间的依赖于时间的偏差。在此，因此也对包含在检测到的变化曲线15中的波动进行分析，用于获得非常精确的和在时间上当前的料位结果。 

在一种进一步优选的变型方案中，仅仅离线使用完全动态的模拟，用于能够更好地分析和量化在方程式(13)中通过 

所说明的摩擦及在方程式(13)中通过 

所说明的磨碎机复位力矩的影响。因此，比如可以从方程式(13)的结构中估计阶跃响应的形式。 

如果在连续的运行中所述旋转角α已经达到滑转条件α₀，那么转速依赖性可以近似地线性化。在此大致适用： 

$\sin \left(\min (\mathrm{\α},{\mathrm{\α}}_0\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}\right))\right)\≈\sin ({\mathrm{\α}}_0+\mathrm{\ϵ}\stackrel{\·}{\mathrm{\α}})\≈\sin \left({\mathrm{\α}}_0\right)+\mathrm{\ϵ}\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}\·\cos \left({\mathrm{\α}}_0\right)---\left(14\right)$

其中用ε表示小的干扰。利用该近似简化所述方程式(13)，使得其具有PT1-元的已知的结构。 

在阶跃激励中，PT1-元的微分方程式的解是已知的。它具有通用形式： 

$K(1-\exp (-\frac{t}{T_{\mathrm{PT}1}}))---\left(15\right)$

其中用K表示振幅常数并且用T_PT1表示PT1-元的时间常数。如果在时刻t₀转换到在图6的上方的图表中示出的具有所述驱动力矩M的负的阶跃的阶跃激励19，那就在PT1-模型的基础上为所述转速n(t)产生在图6的下方的图表中示出的阶跃响应20的下列基本结构： 

$n\left(t\right)=n_0-\mathrm{\Δn}(1-\exp (-\frac{(t-t_0)}{T_{\mathrm{PT}1}}))$ 对于t≥t₀来说                    (16a) 

n(t)＝n₀    对于t＜t₀来说    (16b) 

按方程式(15)或(16)的近似预期的函数与测量数据相适应。这种适应(Fit)提供在方程式(15)或(16)中首先还不知道的参数K或者说Δn和T_PT1。除了偏移n₀之外，至少在开始通过斜率 

$\frac{K}{T_{\mathrm{PT}1}}=\frac{\mathrm{\ΔM}}{J}=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\Δt}}---\left(17\right)$

来确定对从M₀到M₀-ΔM的阶跃的响应。因此又产生静态的情况(参照方程式(4))。总之，因此通过使具有自由的参数T和K或者说Δn的PT1-元与所测量的时间变化曲线15相适应的方式也可以在动态的情况下从起始斜率K/T检测惯性矩J。 

在按方程式(14)的近似中，使非线性的(正弦的)份额线性化并且被视为小的干扰ε。通过所述PT1-元的起始斜率的分析，简化了解析关系，因为可以缩短几个复杂的未知的项。但如果比如也还考虑ε的更高的阶，那么产生 

的二次项，从而所述微分方程式(13)在解析方面不再有解。 

但是而后比如在干扰理论上可以用干扰方案( 

)： 

α(t)＝α₀(t)+λα₁(t)+λ²α₂(t)+...        (18) 

来推导出解，其中α₀(t)是未受干扰的方程组的解。因此，从测量数据中近似地通过从未受干扰的解中的推算来首先确定转速n或者惯性矩J。所述转速n的由此产生的未受干扰的基本上相应于按图4的预期的时间变化曲线16的解被从按图4的所测量的时间变化曲线15中减去。仅仅对在按图7的图表中示出的由此产生的干扰微分信号21在其频率份额方面进行进一步研究。这样的处理方式在数字方面十分有利，因为已经消除了已知的绝对份额(＝预期的时间变化曲线16)。 

此外，可以从所检测到的代表阶跃响应的转速变化曲线15中借助于模型转换并且在考虑重要的方程式(13)的情况下推断出当前的料位。此外，可以在方程式(13)的基础上建立以下方程组： 

$\stackrel{\·}{J}=\frac{[M-M_m^{*}\·\sin \left(\min (\mathrm{\α},{\mathrm{\α}}_0\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}\right))\right)-J\·\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}]}{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}-M_r^{*}---\left(19a\right)$

$J=\∫\stackrel{\·}{J}\mathrm{dt}---\left(19b\right)$

该方程组包括两个单个方程式。所述惯性矩J及其一阶时间导数 

是有待确定的未知的参量。相反，现在已知预先给定的并且必要时也再次测量的驱动力矩M以及所测量的角速度 

该角速度 

基本上相当于转速n。此外，可以至少近似地借助于静态的计算求得时间恒定的复位因数M_m ^*以及时间恒定的摩擦系数M_r ^*。 

所述微分方程式(13)的(数字的)解是依赖于不同的参数的旋转角α(J(t)，M(t)，α₀(t))或者说在给定J(t)和M(t)的情况下可容易地从中确定的滚筒2转速n(t)。但是首先对所述惯性矩J(t)来说兴趣至少被视为中间参量。模型转换指的是方程式(13)的解析地解出J(t)。对于普通的动态的微分方程式来说，这不成功。为获得数字的解，比如可以使用以下J的解函数(Ansatzfunktion)： 

J(t)＝p₀J₀+p₁J₁(t)+p₂J₂(t)+...                (20) 

由此向前解出所述微分方程式并且将结果与所测量的数值进行比较。在方程式(20)中，J₀表示静态的问题的解并且J₁(t)表示比如正弦形的干扰函数，也就是比如J₁(t)＝sin(t/T_St)。干扰周期性T_St尤其可以从转速n以及从所述同步器在滚筒2中的圆周间距中计算出来。参数p_n中的优化问题比如用测量数据通过“最小平方”-拟合(“LeastSquare”-Fit)来解决。这尤其可以自动化地并且也在线也就是在磨碎机运行过程中来进行。 

在一种另外的优选的变型方案中，力矩方程式(3)部分地动态化。所述惯性矩J和磨碎机力矩M_m被假设为静态的，相反，按方程式(9)的摩擦力矩M_r则被假设为依赖于转速的。由此作为力矩方程式得到： 

$M=M_r\left(t\right)+M_m+M_a\left(t\right)=M_r^{*}\·\mathrm{\ω}+M_m+J\·\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}---\left(21\right)$

如果将方程式(21)考虑用于驱动力矩ΔM的阶跃，那么该方程式就简化为： 

$\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=-\frac{M_r^{*}}{J}\·\mathrm{\ω}+\frac{1}{J}\·\mathrm{\ΔM}---\left(22\right)$

方程式(22)具有PT1-元的带有微分方程式 

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}=-\frac{y}{T_{\mathrm{PT}1}}+\frac{K}{T_{\mathrm{PT}1}}\·u---\left(23\right)$

的结构。 

方程式(22)和(23)之间的比较提供以下关系： 

ΔM＝u              (24a) 

n＝y                (24b) 

$M_r^{*}=\frac{60}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{K}---\left(24c\right)$

$J=\frac{60}{2\mathrm{\π}}\·\frac{T_{\mathrm{PT}1}}{K}---\left(24d\right)$

方程式(24c)和(24d)在所述在方程式(21)中未知的且有待确定的摩擦系数M_r ^*及惯性矩J与PT1-元的放大因数K和时间常数T_PT1之间建立了关系。所述放大因数K和时间常数T_PT1可以借助于参数识别从驱动力矩M和转速n的测量值中求得。在此，应该识别两个参数K和T_PT1，其中所述磨碎机特性的模型也就是PT1-元是线性的。 

通过最小化算法进行参数识别，所述最小化算法比如将二次误差降低到最低限度。所述参数识别可以在时间上连续地或者在时间上离散地来实施。因为现代的计算单元在时间上离散地工作，所以下面对在时间上离散的参数识别进行解释。 

如果使方程式(23)离散化，则得到 

$y_{i+1}=\frac{K\·\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{PT}1}}\·u_i+(1-\frac{\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{PT}1}})\·y_i=p_i\·u_i+p_2\·y_i---\left(25\right)$

其中Δt是扫描时间并且 

$p_1=\frac{K\·\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{PT}1}}---\left(26a\right)$

并且 

$p_2=1-\frac{\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{PT}1}}---\left(26b\right)$

通过使在N个时间步骤上在模型输出y_i和相应的测量值y_i ^测量之间的二次误差的和最小化来计算未知的参数。由此使质量函数(Gütefunktional) 

最小化。作为重复测定的方程组的解以矩阵书写方式得到： 

p＝(M^T·M)^-1·M^T·y^测量                (28) 

其中p是p₁和p₂构成的矢量并且y^测量是y₂ ^测量到y_N+1 ^测量构成的矢量。M是矢量u和y构成的矩阵，其中u包含所测量的输入值u₁到u_N并且所述矢量y包含测量值y₁ ^测量到y_N ^测量。 

方程式(28)变得尤其简单，如果仅仅考虑N＝2个时间步骤。因为仅仅要确定两个参数，所以考虑两个时间步骤就已足够。从方程式(28)中得到 

M^T·M·p＝M^T·y^测量                    (29) 

通过缩写的采用，从方程式(29)得到 

A·p＝b                                (30) 

方程式(30)也可以求解p，从而得到以下方程式： 

p＝A^-1·b                              (31) 

对于未知的参数p₁和p₂来说由此得到： 

$p_1=\frac{b_1\·a_{22}-b_2\·a_{12}}{a_{11}\·a_{22}-a_{12}\·a_{21}}---\left(32\right)$

$p_2=\frac{b_2\·a_{11}-b_1\·a_{21}}{a_{11}\·a_{22}-a_{12}\·a_{21}}---\left(33\right)$

b₁和b₂是矢量b的元素并且a_ij是矩阵A的在第i行和第j列中的元素。 

因为a₁₂总是等于a₂₁，所以未知的参数p₁和p₂可以通过对两个先后相随的时间步骤的分析来确定，其中仅仅对五个数值也就是a₁₁、a₁₂、a₂₂、b₁和b₂进行分析。由此也可以在具有有限的计算效率和存储容量的计算单元中确定未知的参数p₁和p₂。借助于参数p₁和p₂及已知的扫描时间Δt，可以推算出所述PT1-元的放大因数K和时间常数T_PT1。此外，从所述放大因数K和时间常数T_PT1中可以推算出未知的摩擦系数M_r ^*和未知的惯性矩J。利用这些计算出的参量，可以用已知的方式推断出所述滚筒2的料位。 

如果方程组的条件差，那么单值分解( 

)就提供了补救办法。作为替代方案，也可以实施豪斯霍德变换(Householdertransformation)或者根据格拉姆-施密特正交化 (Gram-Schmidt)实施QR-分解。 

利用所介绍的方法，也可以确定更加复杂的具有三个或者更多个自由参数的线性模型。 

所有前面所说明的方法步骤都在所述控制和调节单元3中尤其在中央计算单元9中实施。这优选自动化地且周期性地在连续的磨碎机运行过程中进行，从而在所述控制和调节单元3中存在非常精确地求得的关于滚筒2的相应当前的填注的信息。这些信息可以用于更好地控制和/或调节磨碎机运行。 

在所述用于料位检测的方法的一种另外的设计方案中，也可以在没有专门预先给定的驱动测试序列14的情况下并且取而代之用所述驱动力矩M来工作，由于由所述驱动装置调节器11为正常的磨碎机运行作出的设定值在所述驱动装置6上出现所述驱动力矩M。所述转速n的也在这种情况下检测到的变化曲线15于是在所述调节和控制单元3中首先经受傅立叶变换。 

尤其在既存的频率份额及其振幅和相位方面对所述转速变化曲线n的随后作为傅立叶变换后存在的频率信号进行研究。由此可以推导出关于所述滚筒2的当前料位的以及必要时关于其它运行参数如所述滚筒2中的质量分布、矿石材料5中的颗粒大小分布及钢球份额的信息。 

Claims (18)

1.用于检测磨碎机(1)的被装载的滚筒(2)的料位的方法，其中

a)借助于驱动装置(6)向所述滚筒(2)加载驱动力矩M并且将其置于旋转运动ω之中，

b)按照能够预先给定的驱动测试序列(14；19)来调节驱动装置(6)上的驱动力矩M，

其特征在于，

c)检测所述滚筒(2)的由于所述驱动测试序列(14；19)引起的转速n的时间上的转速变化曲线(15)，

d)对所检测到的转速变化曲线(15)进行分析，其中在分析所述转速变化曲线(15)时，检测被装载的和被驱动的所述滚筒(2)的惯性矩J，并且

e)借助于分析的结果来确定所述料位；

其中，所述料位包括填注角度β或者填注高度hf。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在分析所述转速变化曲线(15)时借助于傅立叶变换从所检测到的时间上的转速变化曲线(15)中产生转速频率信号，其中对于由该转速频率信号所包含的频率份额进行研究。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，从确定的频率份额的存在性、从其振幅中或者从其相位中推断出料位。

4.按权利要求2所述的方法，其特征在于，预先给定恒定的驱动力矩或者使用通过驱动装置调节器(11)为所述磨碎机(1)的正常运行而预先给定的驱动力矩M₀作为驱动测试序列。

5.按权利要求3所述的方法，其特征在于，预先给定恒定的驱动力矩或者使用通过驱动装置调节器(11)为所述磨碎机(1)的正常运行而预先给定的驱动力矩M₀作为驱动测试序列。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在分析所述转速变化曲线(15)时，对所检测到的转速变化曲线(15)进行滤波或对其进行平均值计算。

7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，预先给定具有至少一次跳跃式的变化的驱动力矩M作为驱动测试序列(14；19)。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，预先给定具有至少一次跳跃式的矩形脉冲的形式的变化的驱动力矩M。

9.按权利要求7所述的方法，其特征在于，所述驱动力矩M的变化ΔM相对于所述驱动力矩M的原始数值M₀在30％以下的范围内变动。

10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，所述驱动力矩M的变化ΔM相对于所述驱动力矩M的原始数值M₀在10％以下的范围内变动。

11.按权利要求9所述的方法，其特征在于，所述驱动力矩M的变化ΔM相对于所述驱动力矩M的原始数值M₀在2％以下的范围内变动。

12.按权利要求8所述的方法，其特征在于，所述矩形脉冲具有脉冲持续时间Δt及确定所述驱动力矩M的变化的脉冲高度ΔM，并且借助于所述脉冲持续时间Δt、脉冲高度ΔM和由于驱动测试序列(14)引起的和所检测的转速变化Δn来求得所述惯性矩J的第一测量值。

13.按权利要求12所述的方法，其特征在于，为确定所述料位，将为被装载的和被驱动的所述滚筒(2)的惯性矩J求得的第一测量值与圆弧扇形段的惯性矩J进行比较，用于由此确定填注角度β或者填注高度h_f。

14.按权利要求1所述的方法，其特征在于，通过至少一个附加设置的校正因数来对被装载的和被驱动的所述滚筒(2)的惯性矩J的时间或转速依赖关系加以考虑。

15.按权利要求1所述的方法，其特征在于，至少在所述驱动测试序列(14)的持续时间T_A的过程中切断为所述磨碎机(1)的正常运行设置的转速调节器(10)。

16.按权利要求1到15中任一项所述的方法，其特征在于，从所述转速变化曲线(15)和驱动测试序列(14；19)中求得被装载的和被驱动的所述滚筒(2)的惯性矩J以及依赖于转速的摩擦力矩的静态的摩擦系数

17.按权利要求16所述的方法，其特征在于，在线性模型的基础上求得被装载的和被驱动的所述滚筒(2)的惯性矩J和静态的摩擦系数

其中所述线性模型描述了转速n与驱动力矩M之间的依赖关系。

18.按权利要求17所述的方法，其特征在于，所述线性模型是PT1-元，并且为求得被装载的和被驱动的所述滚筒(2)的惯性矩J和静态的摩擦系数

在两个时刻用转速n和驱动力矩M的测量值对所述PT1-元进行调整。

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