DE102010040724A1

DE102010040724A1 - Ermittlung des Mahlgrades eines Mahlgutes, insbesondere eines Erzes, in einer Mühle

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Publication number: DE102010040724A1
Application number: DE102010040724A
Authority: DE
Inventors: Randolf Mock; Christoph Huber; Günter Lugert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: US9221058B2; US20130166237A1; CA2812077A1; PE20140053A1; WO2012034808A1; CA2812077C; RU2540109C2; AU2011301226B2; AU2011301226A1; MX2013002810A; CL2013000480A1; DE102010040724B4; RU2013116907A

Abstract

Zur Ermittlung des Mahlgrades eines Mahlgutes in einer Mühle wird anhand des akustischen Spektrums der Mühle während des Mahlvorganges auf den Mahlgrad geschlossen. Die Mühle weist eine Trommel auf, in der sich das Mahlgut während des Mahlvorganges befindet und die während des Mahlvorganges von einem magnetischen Antrieb mit zumindest einem Magnetsegment dadurch angetrieben wird, dass ein mit Hilfe des magnetischen Antriebs erzeugtes rotierendes Magnetfeld die Trommel in Rotation versetzt. Zur Ermittlung des akustischen Spektrums wird zumindest zeitweise eine in einer Spule des Magnetsegmentes induzierte Spannung ermittelt. Aus der ermittelten, zeitabhängigen induzierten Spannung kann modellbasiert auf das akustische Spektrum und daraus auf den Mahlgrad geschlossen werden.

Description

Um den Transport von Erzen möglichst wirtschaftlich zu gestalten und diese vor allem für den Verhüttungsprozess optimal aufzubereiten, werden Erze heute in unmittelbarer Nähe des Förderortes gemahlen und zu Pellets gepresst. Der Mahlvorgang ist extrem energieaufwändig – inzwischen entfallen ca. 1,4% des weltweiten jährlichen Energiebedarfs auf die Förderung und (Vor-)verarbeitung von Erzen. Es ist demnach im Hinblick auf Klimaschutz und Ressourcen-Schonung von eminenter Bedeutung, die Aufbereitung von Erzen so energieeffizient wie möglich zu gestalten.
Bei typischen elektrischen Antriebsleistungen der Mühlen im Bereich von ca. 20 MW ist es von erheblicher Bedeutung, den Mahlvorgang so zu steuern, dass einerseits die Eigenschaften des Mahlgutes den für die Pelletherstellung geforderten Spezifikationen entsprechen. Andererseits darf aus Gründen der Energieeffizienz der Mahlvorgang nicht länger dauern, als es zur Erreichung dieser Spezifikation notwendig ist. Hierzu ist eine Sensorik erforderlich, die einerseits eine sinnvolle Messgröße zur Beurteilung des Mahlgrades zur Verfügung stellt. Dabei definiert sich der Mahlgrad des Mahlgutes im Wesentlichen durch die Form der einzelnen Erzbrocken, insbesondere durch deren Durchmesser bzw. durch das Spektrum der Größenverteilung. Andererseits muss die Sensorik robust genug sein, um in der extrem widrigen Umgebung zuverlässig zu funktionieren, da ein Ausfall eines solchen Sensorsystems in extrem hohen Stillstands-Kosten resultiert.
Es sind Verfahren zur Bestimmung des Mahlgrades bekannt, bei denen das akustische Spektrum oder auch der sog. ”akustische Fingerabdruck” der Trommel der Mühle während des Mahlvorganges ermittelt wird. Aus dem Spektrum lassen sich Rückschlüsse auf die Form des Mahlgutes ziehen, so dass anhand der Auswertung des Spektrums entschieden werden kann, ob der gewünschte Mahlgrad erreicht ist. Erprobte Vorgehensweisen zur Ermittlung des Spektrums sind

– Messungen mit Beschleunigungssensoren, die direkt an der Trommel befestigt werden, und
– die Verwendung von Mikrofonen, die auf Stellen an der Außenhaut der Trommel gerichtet werden, welche besonders charakteristische Frequenzinhalte abstrahlen.

Bei der Messung des akustischen Spektrums mit Hilfe von Beschleunigungssensoren besteht jedoch die Schwierigkeit, die Signale vom Ort der Trommel zu einer Zentraleinheit zu transportieren, welche die Auswertung der gemessenen Signale vornimmt. Mit klassischer Elektrik bspw. unter Verwendung von Ringschleifern ist dies kaum mit ausreichender Zuverlässigkeit möglich. Mehr Aussicht auf Realisierung hätte ein kabelloses Sensorsystem wie bspw. die industrielle Variante des WLAN-Protokolls, jedoch besteht hier das Problem, dem System dauerhaft und robust die benötigte elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
Bei der Aufnahme des akustischen Fingerabdrucks über geeignet platzierte Mikrofone stellt die Übertragung des Körperschalls aus der Trommel über die Luft zu den Mikrofonen einen Verlustpfad dar, der unter Umständen wichtige akustische Information stark verfälscht bzw. in unzureichender Qualität überträgt. Außerdem ist in der extrem staubigen sowie anderweitig verschmutzten Umgebung zweifelhaft, ob Mikrofone die Anforderungen an Standfestigkeit und Robustheit erfüllen können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine robuste Möglichkeit anzugeben, während eines Mahlvorganges Informationen über den Mahlgrad eines Mahlgutes zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird auf die bei Mühlen mit elektromagnetischem Trommelantrieb zum Antrieb der Trommel verwendeten Magnetsegmente, insbesondere Elektromagnetsegmente, zurückgegriffen, um den akustischen Fingerabdruck der Trommel und daraus den Mahlgrad zu bestimmen. Diese Lösung erlaubt eine sowohl berührungslose als auch sensorlose Bestimmung des Mahlgrades.
Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Ansätzen, welche dedizierte Sensor-Hardware verwenden, soll erfindungsgemäß mittels der elektromagnetischen Antriebsspulen der Mühle der akustische Fingerabdruck bestimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung des Mahlgrades eines Mahlgutes in einer Mühle, wobei die Mühle eine Trommel aufweist, in der sich das Mahlgut während des Mahlvorganges befindet und die während des Mahlvorganges von einem magnetischen Antrieb mit zumindest einem Magnetsegment dadurch angetrieben wird, dass ein mit Hilfe des magnetischen Antriebs erzeugtes rotierendes Magnetfeld die Trommel in Rotation versetzt, wird zumindest zeitweise eine in einer Spule des Magnetsegmentes induzierte Spannung ermittelt und aus der ermittelten induzierten Spannung auf den Mahlgrad geschlossen wird.
Dabei wird aus der ermittelten induzierten Spannung zunächst das akustische Spektrum der Trommel bestimmt und aus dem akustischen Spektrum auf den Mahlgrad geschlossen.
Die Bestimmung des akustischen Spektrums aus dem Mahlgrad erfolgt modellbasiert.
Die Ermittlung der induzierten Spannung und damit die Ermittlung des akustischen Spektrums wird nur dann ausgeführt, wenn das Verhältnis V_I = I_B/I_B,max zwischen dem zur Erzeugung des Magnetfeldes in dem Magnetsegment fließenden momentanen Strom I_B und dem maximalen, zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes in der Spule fließenden Strom I_B,max in einem vorgegebenen Bereich V_I ∊ [a_I; b_I] liegt, bevorzugt in einem Bereich V_I ∊ [–5%; +5%], besonders bevorzugt in einem Bereich V_I ∊ [–2%; +2%].
Alternativ wird die Ermittlung der induzierten Spannung und damit die Ermittlung des akustischen Spektrums nur dann ausgeführt wird, wenn das Verhältnis V_U = U_B/U_B,max zwischen der zur Erzeugung des Magnetfeldes in dem Magnetsegment momentan anliegenden Spannung U_B und der maximalen, zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes in der Spule anliegenden Spannung U_B,max in einem Bereich V_U ∊ [a_U; b_U] liegt, bevorzugt in einem Bereich V_U ∊ [–5%; +5%], besonders bevorzugt in einem Bereich V_U ∊ [–2%; +2%].
Die Ermittlung der induzierten Spannung und damit die Ermittlung des akustischen Spektrums wird insbesondere nur dann ausgeführt wird, wenn der momentane zur Erzeugung des Magnetfeldes in dem Magnetsegment fließende Strom I_B bzw. die zur Erzeugung dieses Stroms anliegende Spannung U_B im Wesentlichen den Wert Null aufweist.
Die Spule ist eine zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes dienende Spule. Es sind somit keine zusätzlichen Sensoren oder andere Messwertaufnehmer erforderlich, sondern es kann auf vorhandene Bauteile zurückgegriffen werden.
Die in der Spule induzierte Spannung ist eine aufgrund einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses in einem Luftspalt zwischen der Trommel und dem Magnetsegment verursachte Gegeninduktionsspannung.
Dabei wird die zeitliche Änderung des Luftspaltes durch Vibrationen der Trommel verursacht, wobei das akustische Frequenzspektrum der Vibrationen vom Mahlgrad abhängt, insbesondere in reproduzierbarer Weise durch den Mahlgrad bestimmt ist, bzw. eindeutig mit dem akustischen Spektrum zusammenhängt, insbesondere bis auf einen Faktor weitestgehend identisch ist.
Der magnetische Antrieb weist eine Vielzahl von um den Umfang der Trommel verteilten Magnetsegmenten auf, wobei für jedes der Magnetsegmente individuell die in einer Spule des jeweiligen Magnetsegmentes induzierte Spannung ermittelt und aus der ermittelten induzierten Spannung auf den Mahlgrad geschlossen wird.
Es ist also mit jedem der Magnetsegmente ein individuelles akustisches Spektrum ermittelbar, indem eine in einer Spule des jeweiligen Magnetsegmentes induzierte Spannung gemessen und aus der gemessenen induzierten Spannung das jeweilige akustische Spektrum abgeleitet wird.
Die Ermittlung der individuellen induzierten Spannungen bzw. akustischen Spektren kann

– um den Umfang der Trommel periodisch umlaufend oder
– mit mehreren der Magnetsegmente gleichzeitig erfolgen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Ermittlung des Mahlgrades eines Mahlgutes in einer Mühle. Die Mühle weist eine Trommel auf, in der sich das Mahlgut während des Mahlvorganges befindet und die während des Mahlvorganges von einem magnetischen Antrieb mit zumindest einem Magnetsegment dadurch antreibbar ist, dass ein mit Hilfe des magnetischen Antriebs erzeugtes rotierendes Magnetfeld die Trommel in Rotation versetzt. Es sind eine Messvorrichtung und eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen, wobei

– mit der Messvorrichtung zumindest zeitweise eine in einer Spule des Magnetsegmentes induzierte Spannung ermittelt wird und
– die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet ist, um aus der ermittelten induzierten Spannung auf den Mahlgrad zu schließen.

Die Messvorrichtung ist vorteilhafterweise Teil des Magnetsegments, d. h. in das Magnetsegment integriert oder direkt mit diesem verbunden. Insbesondere bilden das Magnetsegment und die Messvorrichtung eine Einheit.
Der magnetische Antrieb weist eine Vielzahl von um den Umfang der Trommel verteilten Magnetsegmenten auf, wobei für jedes der Magnetsegmente individuell die in einer Spule des jeweiligen Magnetsegmentes induzierte Spannung messbar ist und in der Datenverarbeitungseinrichtung aus diesen gemessenen induzierten Spannungen jeweils auf den Mahlgrad geschlossen wird.
Die Datenverarbeitungseinrichtung ist ausgebildet, um aus einer gemessenen induzierten Spannung ein akustisches Spektrum der Trommel zu berechnen.
Die Datenverarbeitungseinrichtung ist weiterhin ausgebildet, um insbesondere modellbasiert aus dem akustischen Spektrum den Mahlgrad zu bestimmen.
Erfindungsgemäß wird also ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung des Mahlgrades eines Mahlgutes in einer Mühle vorgeschlagen. Die Mühle weist eine Trommel auf, in der sich das Mahlgut während des Mahlvorganges befindet und die während des Mahlvorganges von einem magnetischen Antrieb mit zumindest einem Magnetsegment dadurch angetrieben wird, dass ein mit Hilfe des magnetischen Antriebs erzeugtes rotierendes Magnetfeld die Trommel in Rotation versetzt. Während des Mahlvorganges wird zumindest zeitweise das akustische Spektrum der Trommel ermittelt und aus dem akustischen Spektrum auf den Mahlgrad geschlossen. Zur Ermittlung des akustischen Spektrums wird eine in einer Spule des Magnetsegmentes induzierte Spannung gemessen und aus der gemessenen induzierten Spannung das akustische Spektrum abgeleitet.
Das auszuwertende Geräuschspektrum wird im Wesentlichen aus zwei Quellen gespeist. Zum Einen sind Geräusche enthalten, die durch den Antrieb erzeugt werden, wozu auch Eigenschwingungen zählen, die in der Struktur der Mühle angeregt werden.
Diese sind periodisch und damit deterministisch. Dieser Geräuschanteil kann daher auf der Basis mechanisch-akustischer Modelle der Mühle quantifiziert und herausgerechnet werden, bspw. durch eine modellbasierte Filterung. Die zweite Geräuschquelle ist das von dem Mahlmittel zu zerkleinernde Mahlgut. Letzteres hat eine Form, die sich zufällig durch den Brechvorgang im Steinbruch bzw. Bergwerk ergibt. Formen und Größen der Steinbrocken sind daher stochastisch. Dementsprechend haben auch die Geräusche, die beim Herabfallen von der Brocken erzeugt werden, stochastischen Charakter. Hier gibt es keine zeitliche Korrelation der Einzelgeräusche. Dies eröffnet die Möglichkeit, den einen Anteil des Geräuschspektrums vom anderen Anteil mit großer Genauigkeit zu trennen. Die Kraftquelle ist der Motor, dessen zeitlicher Kraftverlauf genügend genau bekannt ist. Damit lassen sich aber auch die Anregungen der mechanischen Struktur der Mühle formal darstellen (Resonanzfunktionen etc.) und vom Gesamtspektrum abziehen. Zurück bleibt der stochastische Anteil, der im Wesentlichen durch das Rieseln der Gesteinsbrocken verursacht wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
1 einen Querschnitt einer Trommel einer Mühle ohne und mit Mahlgut mit unterschiedlichem Mahlgrad,
2 akustische Spektren entsprechend den in 1 dargestellten Zuständen,
3 eine Trommel einer Mühle mit einem magnetischen Antrieb,
4 ein Magnetsegment,
5 eine Hysteresekurve.
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
Die 1A bis 1C zeigen einen Querschnitt durch eine in Pfeilrichtung P rotierende Trommel 110 einer Mühle 100, bspw. eine Erz-Kugelmühle. In der 1A ist die Trommel 110 ohne Mahlgut dargestellt, die 1B und 1C zeigen die Trommel mit Mahlgut 120 bei zwei unterschiedlichen Mahlgraden (in den Figuren ist das Mahlgut 120 der Übersichtlichkeit wegen nur zum Teil mit Bezugszeichen versehen). Zusätzlich sind in den 2A bis 2C die entsprechenden akustischen Spektren in Form der von der Trommel abgestrahlten Schallintensität I(ω) in Abhängigkeit von der Frequenz ω dargestellt. Die Messung dieser Spektren erlaubt wie im Folgenden erläutert Rückschlüsse auf den Mahlgrad.
Bei einer Erzmühle 100 mit getriebeloser elektrischer Antriebstechnik wird die Trommel 110 der Mühle 100 nicht über einen externen Motor mit nachgeschaltetem Getriebe in Rotation P versetzt, sondern statt dessen mit Hilfe eines Antriebs 130, der wie in der 3 vereinfacht dargestellt mehrere Elektromagnetsegmente 131/1, 131/2, 131/3 (bzw. 131/i mit i = 1, 2, 3) aufweist. Diese werden von einer entsprechenden Leistungselektronik 140 über Kabelverbindungen 132/i, 141/i so angesteuert, dass sich ein resultierendes Magnetfeld ergibt, dessen Orientierung sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Achse R der Trommel 110 dreht. Durch dieses drehende Magnetfeld und die entsprechenden magnetischen Kräfte wird die an ihren beiden Enden gelagerte Trommel 110 ebenfalls in eine Drehung versetzt. Über eine geeignete elektrische Ansteuerung des Antriebs bzw. der elektromagnetischen Segmente 131/i kann die Drehgeschwindigkeit des Magnetfeldes und damit auch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel 110 variiert werden.
Um nun das Mahlgut 120 bzw. im hier erläuterten Ausführungsbeispiel das Erz 120 zu mahlen, wird die Trommel 110 der Kugelmühle 100 zunächst mit einem Mahlmittel 150, im Fall der Kugelmühle Stahlkugeln 150, bestückt (in den Figuren sind die Kugeln 150 der Übersichtlichkeit wegen nur zum Teil mit Bezugszeichen versehen). Diese haben zumindest im Neuzustand weitestgehend identische Durchmesser. Wird die Trommel 110 in Rotation versetzt, so werden die Kugeln 150 von den in der Trommel 110 befindlichen Mitnehmern 160 bis zu einem gewissen Grad mitbewegt, bis sie vom Mitnehmer 160 herunterfallen und auf dem Boden der Trommel 110 auftreffen (in den Figuren sind auch die Mitnehmer 160 der Übersichtlichkeit wegen nur zum Teil mit Bezugszeichen versehen).
Aufgrund der erheblichen Massen, die hier bewegt werden, wird in der mechanischen Struktur der Trommel 110 ein akustisches Geräuschspektrum I(ω) angeregt, welches zum einen durch den Antrieb 130 selbst mitsamt seinen mechanischen Komponenten, zum anderen aber durch die mitbewegten und wieder herabfallenden Kugeln 150 erzeugt wird. Aufgrund der einheitlichen Größe der Kugel und geringer vorhandener Dämpfung ist zu erwarten, dass sich ein akustisches Spektrum I(ω) mit charakteristischen Resonanzstrukturen ergibt, in dem sich einerseits der mechanische Aufbau der Mühle 100 bzw. Trommel 110, zusätzlich aber auch die Geometrie und die Masse der Kugeln 150 in Form charakteristischer Frequenzen ausdrücken. Ein entsprechendes Spektrum I(ω) einer nur mit Kugeln 150, jedoch nicht mit Mahlgut bestückten Trommel 110 ist in der 2A schematisch dargestellt.
Wird nun ein Mahlgut 120, bspw. frisches Erz, in die Trommel 110 gefüllt, so ändert sich das bei Rotation der Trommel 110 messbare akustische Spektrum I(ω) erheblich. Aufgrund der unregelmäßig geformten Oberflächen, der breit gestreuten Größenverteilungen der Erzbrocken 120 sowie der aufgrund deren Oberflächenstruktur erheblich vergrößerten Reibung ist zu erwarten, dass die Resonanzen des Spektrums deutlich überdämpft und damit breiter und intensitätsschwächer ausfallen. Es ergibt sich ein breites akustisches Kontinuum, welches zu höheren Frequenzen ω hin abfällt. Dies ist in der 2B erkennbar.
Ist der gewünschte Mahlgrad erreicht, so liegt das Erz 120 in Form feiner Körner vor. Bei Rotation der Trommel 110 ist dann ein vergleichsweise hochfrequentes Rieselgeräusch messbar. Zudem erzeugen die nun kleinen Erzkörner eine starke Dämpfung, so dass Resonanzen im akustischen Spektrum I(ω) nicht mehr oder kaum mehr auftreten. Stattdessen ist ein Kontinuum der frequenzabhängigen akustischen Intensität I(ω) zu erwarten, welches ein Maximum bei höheren Frequenzen aufweist (2C).
Demzufolge erlaubt die Ermittlung des akustischen Spektrums Rückschlüsse auf den Mahlgrad.
Die 4 zeigt einen Ausschnitt der Trommel 110 sowie das Magnetsegment 131/1 aus der Antriebsanordnung 130 von Elektromagneten 131. Durch das vom Elektromagneten 131/1 erzeugte Feld entsteht im Luftspalt g zwischen Magnetsegment 131/1 und Trommel 110 ein magnetischer Fluss Φ. Werden nun Vibrationen V in der Trommel 110 aufgrund des Mahlvorgangs angeregt, so führen diese zu einer zeitlichen Änderung des Luftspaltes g:
Gl. 1 beschreibt die zeitliche Änderung des Luftspaltes g durch ein Spektrum akustischer Anregungen, welches die Frequenzen ω_i und jeweilige Phasenverschiebungen ϕ_i enthält.
Die zeitliche Änderung des Luftspaltes g(t) führt zu einer Änderung des magnetischen Flusses Φ durch den Spalt g, so dass gemäß der Lenz'schen Regel in der Spule 133/1 des Magnetsegments 131/1 eine Spannung U_ind induziert wird, welche dieser Flussänderung entgegenwirkt:
Dabei wurde zunächst angenommen, dass sich die Flussänderung für kleine geometrische Änderungen des Luftspalts g annähernd linear mit g verhält, und anschließend Gl. 1 hinzugezogen.
Gl. 2 zeigt, dass die zeitliche Modulation des Luftspaltes g zwischen einem Magnetsegment 131/1 und der Trommel 110 der Erzmühle 100 zu einer zeitlich veränderlichen Induktionsspannung U_ind in der Spule 133/1 des Magnetsegments 131/1 führt, welche die Information über das Frequenzspektrum I(ω) enthält, mit dem die Trommel aufgrund des Mahlvorgangs angeregt wird. Da sich U_ind proportional zur zeitlichen Ableitung des Anregungsspektrums verhält, welches die Zeitabhängigkeit von g(t) darstellt, werden die unterschiedlichen Frequenzanteile mit dem Faktor ω gewichtet. Damit wirken sich also hohe Frequenzen tendenziell stärker aus als niedrige Frequenzen.
Eine Auswertung des durch Gl. 2 repräsentierten Gegeninduktionsanteils U_ind in der Klemmenspannung des Magnetspulensegments 131/1 liefert demzufolge die Information über die Schwingungsanregungen der Trommel 110. Es ist somit möglich, aus diesem Spannungsanteil die gewünschte Information über den Mahlgrad des Erzes 120 zu erhalten. Bspw. kann das Spektrum I(ω) mit Hilfe einer Fourier-Analyse aus dem zeitabhängigen Signal U_ind(t) gewonnen werden. Ebenso ist eine Kombination mit einer drehzahl-synchronen Auswertung denkbar, mit der ggf. die Antriebsanteile, die typischerweise periodischer Natur sind, unterdrückt werden können. Die anschließende Ermittlung des Mahlgrades aus dem Spektrum kann modellbasiert erfolgen.
Eine Anordnung zur Bestimmung des Mahlgrades weist daher eine Messvorrichtung 134/1 auf, mit deren Hilfe die induzierte Spannung U_ind gemessen wird. Die Messvorrichtung 134/1 ist hierzu mit den Klemmanschlüssen des Magnetspulensegments 131/1 bzw. der Spule 133/1 verbunden. Die in der Spule 133/1 induzierte Spannung U_ind ruft einen sensorischen Stromfluss I_ind hervor, der bspw. über einen Shunt-Widerstand 135/1 der Messvorrichtung 134/1 gemessen werden kann. Die Messvorrichtung 134/1 ist mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 170 verbunden, in der aus der gemessenen induzierten Spannung anhand der Fourier-Analyse das entsprechende Spektrum I(ω) berechnet wird.
Grundsätzlich kann die Messvorrichtung 134/1 Teil des zugeordneten Magnetsegments 131/1 sein. Alternativ können die Messvorrichtung und das zugeordnete Magnetsegment auch getrennt voneinander angeordnet sein. Bspw. ist es denkbar, dass die Messvorrichtung in der Datenverarbeitungseinrichtung 170 untergebracht ist.
Die übrigen, in der 3 dargestellten Magnetsegmente 131/2, 131/3 sind analog hierzu aufgebaut. Die entsprechenden Messvorrichtungen 134/2, 134/3 sind ebenfalls mit der Datenverarbeitungseinrichtung 170 verbunden und ggf. in diesen untergebracht.
Speziell bei Hochleistungsantrieben 130, die eine Antriebsleistung von mehreren 10 MW bereitstellen, wird jedoch vorteilhafterweise eine besondere Ausbildung des erfindungsgemäßen Ansatzes verwendet. Bei derartigen Antrieben sind die gemäß Gl. 2 induzierten Gegenspannungsanteile U_ind im Vergleich zum jeweiligen maximalen Spannungsniveau U_B,max und Stromniveau I_B,max eines Spulensegmentes 131, welches im kV- und kA-Bereich liegen kann, verhältnismäßig klein. Zudem können dem momentanen Spannungs- und Stromsignal U_B, I_B, mit dem ein Spulensegment 131 angesteuert wird, nicht unerhebliche Störungen überlagert sein. Damit ist die Auswertung des sensorischen Signals gemäß Gl. 2 erschwert.
Eine spezielle Situation ergibt sich jedoch, wenn der in einem Spulensegment 131 bzw. in der Spule 133 des Magnetspulensegments 131 fließende Strom I_B den Wert Null erreicht. Zwar ist zu diesem Zeitpunkt das magnetische Feld H = 0, jedoch weisen das Spulensegment 131 und die Trommel 110 eine remanente magnetische Induktion B_R auf. Dies ist in der 5 anhand einer magnetischen Hysterese-Kurve veranschaulicht. Bei H = 0 hat tritt in weichmagnetischen Materialien eine remanente magnetische Induktion B_R auf. Diese lässt sich wie im Folgenden erläutert nutzen, da in der Anordnung gemäß 4 trotz nicht vorhandenem Stromfluss in der Spule 133 des Magnetsegments 131 ein magnetischer Fluss Φ vorhanden ist, so dass gemäß Gl. 2 in dieser Situation eine Gegenspannung U_ind induziert wird, die folglich einen sensorischen Stromfluss in der Anordnung hervorruft. Dieser kann bspw. über einen Shunt-Widerstand gemessen werden.
Die Ermittlung der Spannung U_ind zur Bestimmung des akustischen Spektrums erfolgt also idealerweise zu einem Zeitpunkt t₀, zu dem der momentan in der Spule 133 des Magnetsegments 131 fließende Strom I_B zur Erzeugung des Magnetfeldes den Wert Null erreicht, d. h. I_B(t₀) = 0. Da sich die Trommel kontinuierlich weiterdreht, ist eine Messung zu genau dem Zeitpunkt, in dem I_B(t₀) = 0 gilt, schwer realisierbar. Es ist jedoch auch ausreichend und praktikabel, wenn die Ermittlung der Spannung U_ind nicht nur zu diesem Zeitpunkt t₀ ausgeführt wird, sondern in einem Zeitraum Δt, während dem bspw. das Verhältnis V_I = I_B/I_B,max zwischen dem momentan fließenden Strom I_B und dem maximalen, zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes verwendeten Strom I_B,max in einem Bereich von bspw. V_I ∊ [a; b] liegt, wobei bspw. gelten kann a = –2% und b = +2%. Die Werte der Parameter a, b haben natürlich Einfluss auf die Genauigkeit der Messung. Der genaue Bereich bzw. die exakten Grenzen a, b des Intervalls wären individuell und experimentell zu ermitteln. Entscheidend ist, dass die zu dem Zeitpunkt bzw. in dem Zeitraum vorliegende Spulenspannung nicht um Größenordnungen höher ist als das Messsignal.
Ein vergleichbares Intervall ist natürlich auch mit Hilfe der Spannungen U_B, U_B,max festlegbar, wobei auch hier die genauen Grenzen des Intervalle individuell und experimentell festzulegen wären.
Grundsätzlich ist anzunehmen, dass sich ein starker Stromfluss wesentlich störender auf die Signalauswertung auswirkt als eine hohe Spannung, da letztere ggf. besser herauszufiltern ist.
Dabei kann die induzierte Spannung U_ind in einer ersten Ausführung tatsächlich nur zu den Zeitpunkten t₀ bzw. in den Zeiträumen Δt gemessen werden. In einer alternativen Ausführung wird die induzierte Spannung kontinuierlich gemessen, jedoch in der Datenverarbeitungseinrichtung 170 nur zum Zeitpunkt t₀ bzw. im Zeitraum Δt ausgewertet. Dementsprechend wird hier nicht der Ausdruck ”Messung der Spannung U_ind”, sondern der Ausdruck ”Ermittlung der Spannung U_ind” verwendet, der diese beiden Ausführungsmöglichkeiten umfasst.
Die Zuverlässigkeit der auf diese Weise gewonnenen Information über den Mahlgrad lässt sich noch weiter verbessern, indem man eine solche sensorische Auswertung gemäß Gl. 2 nicht nur bei einem der Magnetsegmente 131/1, sondern bei allen oder zumindest mehreren der Magnetsegmente 131/i des magnetischen Antriebs 130 vorsieht. Dementsprechend würden die betroffenen Magnetsegmente 131/i jeweils über eine der oben erläuterten Messvorrichtungen 134/i verfügen, die die jeweils gemessenen induzierten Spannungen U_ind,i an die Datenverarbeitungseinrichtung 170 übertragen. In der Datenverarbeitungseinrichtung 170 erfolgt dann individuell für jede Messvorrichtung die Ermittlung des akustischen Spektrums und hieraus die Bestimmung des Mahlgrades sowie ggf. eine Eliminierung von Maschinenanteilen durch drehzahlsynchrone Auswertung.
Vorteilhafterweise werden die individuellen induzierten Spannungen U_ind,i periodisch umlaufend gemessen. Zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes mit einer Vielzahl von Magnetsegmenten 131/1, 131/2, 131/3, die wie in der 3 entlang des Umfangs der Trommel 110 angeordnet sind, durchläuft jedes der Magnetsegmente 131/i periodisch einen Zustand, in dem der Strom I_B,i zu Null wird, wobei die Periodendauer von der Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfeldes abhängt. Dabei ist nicht der Strom I_B,i in allen Magnetsegmenten 131/i gleichzeitig Null. Vielmehr läuft in der einfachsten Ausführung quasi die Position desjenigen Magnetsegments 131/i, für dessen Strom I_B,i = 0 gelten muss, mit der Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfeldes um die Trommel. Mit anderen Worten gilt bspw. zunächst zu einem Zeitpunkt t1 für den Strom I_B,1 im Magnetsegment 131/1 I_B,1(t1) = 0, anschließend zu einem Zeitpunkt t2 > t1 I_B,2(t2) = 0 im Magnetsegment 131/2 und schließlich zum Zeitpunkt t3 > t2 I_B,3(t3) = 0 im Magnetsegment 131/3. Daran anschließend beginnt der Umlauf von neuem, d. h. zum Zeitpunkt t4 > t3 gilt wieder I_B,1(t4) = 0 im Magnetsegment 131/1 etc. Dementsprechend wird die Spannung U_ind,i also periodisch umlaufend um den Umfang der Trommel gemessen, da die Messung aus den oben genannten Gründen idealerweise immer nur dann stattfindet wenn im entsprechenden Magnetsegment 131/i gilt I_B,i = 0.
Grundsätzlich ist es natürlich auch denkbar, wenn mit allen Segmenten 131/i gleichzeitig gemessen wird, wobei jedoch zu beachten ist, dass bei den evtl. vorliegenden sehr hohen Strömen bzw. Spannungen eine Messung der Spannung U_ind,i gestört sein kann.
Über korrelierende Auswerteverfahren, bei denen bspw. eine Korrelation mit der Drehzahl und mit der elektrischen Leistungs-Ansteuerung der Trommel bzw. anderer Aggregate der Erzmühle erfolgt, von denen ebenfalls detaillierte Informationen hinsichtlich z. B. Ansteuerung bzw. Bewegungsverlauf vorhanden sind, und die die auf diese Weise in der Datenverarbeitungseinrichtung 170 gewonnenen akustischen Informationen miteinander verknüpfen (ggf. unter Einbeziehung geeigneter physikalischer Modelle der akustischen Anregung der Mühle während verschiedener Phasen des Mahlvorganges), kann die Robustheit dieses Messverfahrens gegenüber der Messung an nur einer Spule erheblich gesteigert werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Mahlgrades eines Mahlgutes (120) in einer Mühle (100), wobei die Mühle (100) eine Trommel (110) aufweist, in der sich das Mahlgut (120) während des Mahlvorganges befindet und die während des Mahlvorganges von einem magnetischen Antrieb (130) mit zumindest einem Magnetsegment (131/1) dadurch angetrieben wird, dass ein mit Hilfe des magnetischen Antriebs (130) erzeugtes rotierendes Magnetfeld die Trommel (110) in Rotation versetzt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise eine in einer Spule (133/1) des Magnetsegmentes (131/1) induzierte Spannung (U_ind,i) ermittelt und aus der ermittelten induzierten Spannung Spannung (U_ind,1) auf den Mahlgrad geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten induzierten Spannung Spannung (U_ind,1) zunächst das akustische Spektrum der Trommel (110) bestimmt und aus dem akustischen Spektrum auf den Mahlgrad geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des akustischen Spektrums aus dem Mahlgrad modellbasiert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der induzierten Spannung Spannung (U_ind,1) nur dann ausgeführt wird, wenn das Verhältnis V_I = I_B/I_B,max zwischen dem zur Erzeugung des Magnetfeldes in dem Magnetsegment (131/1) fließenden momentanen Strom I_B und dem maximalen, zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes in der Spule (133/1) fließenden Strom in einem vorgegebenen Bereich V_I ∊ [a_I; b_I] liegt, bevorzugt in einem Bereich V_I ∊ [–5%; +5%], besonders bevorzugt in einem Bereich V_I ∊ [–2%; +2%].
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der induzierten Spannung Spannung (U_ind,1) nur dann ausgeführt wird, wenn das Verhältnis V_U = U_B/U_B,max zwischen der zur Erzeugung des Magnetfeldes in dem Magnetsegment (131/1) momentan anliegenden Spannung U_B und der maximalen, zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes in der Spule (133/1) anliegenden Spannung U_B,max in einem Bereich V_U ∊ [a_U; b_U] liegt, bevorzugt in einem Bereich V_U ∊ [–5%; +5%], besonders bevorzugt in einem Bereich V_U ∊ [–2%; +2%].
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der induzierten Spannung Spannung (U_ind,1) nur dann ausgeführt wird, wenn der momentane zur Erzeugung des Magnetfeldes in dem Magnetsegment (131/1) fließende Strom I_B im Wesentlichen den Wert Null aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (133/1) eine zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes dienende Spule ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Spule (133/1) induzierte Spannung Spannung (U_ind,1) eine aufgrund einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses in einem Luftspalt (g) zwischen der Trommel (110) und dem Magnetsegment (131/1) verursachte Gegeninduktionsspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung des Luftspaltes (g) durch Vibrationen der Trommel (110) verursacht wird, wobei das akustische Frequenzspektrum der Vibrationen vom Mahlgrad abhängt, insbesondere in reproduzierbarer Weise durch den Mahlgrad bestimmt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Antrieb (130) eine Vielzahl von um den Umfang der Trommel (110) verteilten Magnetsegmenten (131/i mit i = 1, 2, 3) aufweist, wobei für jedes der Magnetsegmente (131/i) individuell die in einer Spule (133/i mit i = 1, 2, 3) des jeweiligen Magnetsegmentes (131/i) induzierte Spannung (U_ind,i) ermittelt und aus der ermittelten induzierten Spannung (U_ind,i) auf den Mahlgrad geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der individuellen induzierten Spannungen (U_ind,i) – um den Umfang der Trommel (110) periodisch umlaufend erfolgt oder – mit mehreren der Magnetsegmente (131/i) gleichzeitig erfolgt.
Anordnung zur Ermittlung des Mahlgrades eines Mahlgutes (120) in einer Mühle (100), wobei die Mühle (100) eine Trommel (110) aufweist, in der sich das Mahlgut (120) während des Mahlvorganges befindet und die während des Mahlvorganges von einem magnetischen Antrieb (130) mit zumindest einem Magnetsegment (131/1) dadurch antreibbar ist, dass ein mit Hilfe des magnetischen Antriebs (130) erzeugtes rotierendes Magnetfeld die Trommel (110) in Rotation versetzt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung (134/1) und eine Datenverarbeitungseinrichtung (170) vorgesehen sind, wobei – mit der Messvorrichtung (134/1) zumindest zeitweise eine in einer Spule (133/1) des Magnetsegmentes (133/1) induzierte Spannung (U_ind,1) ermittelt wird und – die Datenverarbeitungseinrichtung (170) ausgebildet ist, um aus der ermittelten induzierten Spannung (U_ind,1) auf den Mahlgrad zu schließen.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (134/1) Teil des Magnetsegments (131/1) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Antrieb (130) eine Vielzahl von um den Umfang der Trommel (110) verteilten Magnetsegmenten (131/i mit i = 1, 2, 3) aufweist, wobei für jedes der Magnetsegmente individuell die in einer Spule (133/i mit i = 1, 2, 3) des jeweiligen Magnetsegmentes (131/i) induzierte Spannung (U_ind,i) messbar ist und in der Datenverarbeitungseinrichtung (170) aus diesen gemessenen induzierten Spannungen (U_ind,i) jeweils auf den Mahlgrad geschlossen wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (170) ausgebildet ist, um aus einer gemessenen induzierten Spannung (U_ind,i) ein akustisches Spektrum der Trommel (110) zu berechnen.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (170) ausgebildet ist, um insbesondere modellbasiert aus dem akustischen Spektrum den Mahlgrad zu bestimmen.