DE3241624C2 - Meßverfahren und Meßvorrichtung zur Bestimmung der Feststoffbeladung der Trommel einer Zentrifuge - Google Patents
Meßverfahren und Meßvorrichtung zur Bestimmung der Feststoffbeladung der Trommel einer ZentrifugeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Feststoffbeladung der Trommel einer Zentrifuge, insbesondere zur Verwendung in Wiederaufarbeitungsanlagen zum Abtrennen von nicht lösbaren Feststoffteilchen von Brennstofflösungen. Um eine genaue, berührungsfreie Messung der Feststoffbeladung außerhalb des Prozeßraumes mit geringem meßtechnischem Aufwand in möglichst kontinuierlicher Weise sowohl beim Stillstand als auch beim Lauf der Zentrifuge zu ermöglichen, wird ein aus der Zentrifugentrommel und einer mit der Trommel gekoppelten Zusatzmasse bestehendes mechanisches Schwingungssystem in Eigenschwingungen versetzt. Die Frequenz der Eigenschwingungen, die von der Feststoffbeladung abhängt, wird gemessen und hinsichtlich der Feststoffbeladung ausgewertet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Bestimmung der Feststoffbeladung der Trommel einer Zentrifuge,
insbesondere zur Verwendung in Wiederaufarbeitungsanlagen zum Abtrennen von nicht lösbaren Feststoffteilchen
von Brennstofflösungen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Meßvorrichtung zur
Durchführung des Meßverfahrens gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6.
In Wiede.raufarbeitungsanlagen ist es aus betrieblicher Sicht und aus Gründen der Spaltstoffüberwachung
erforderlich, die Menge an Feststoff zeitlich zu überwachen, die sich in der Zentrifugentrommel befindet Die
Überwachung und Ermittlung der Feststoffmenge sollte möglich sein sowohl während des Laufes der Zentrifuge
als auch während ihres Stillstandes.
Allgemein sind bereits verschiedene Verfahren zur Ermittlung der Feststoffbeladung einer Zentrifuge bekannt.
Bei einem Verfahren wird die Torsion der Welle der Zentrifugentrommel mit Hilfe von auf der Welle angeordneten
Dehnungsmeßstreifen ermittelt. Die Größe der Torsion ist ein Maß für die Feststoffbeladung.
Bei einem anderen Verfahren wird die elastische Verformung der Zentrifugen trommel, die durch die auf den
Trommelmantel wirkenden Zentrifugalkräfte entsteht, mit Hilfe von auf der Trommel angebrachten Dehnungsmeßstreifen
bei stationärer Drehzahl ermittelt Auch hier ist die Größe der elastischen Verformung ein
Maß für die Feststoffbeladung.
Es ist ferner bekannt, die Feststoffbeladung durch Messung der Anlaufzeit oder auch der Auslaufzeit der
Trommel von der Drehzahl Null auf Betriebsdrehzahl und umgekehrt oder innerhalb eines definierten Drehzahlbereichs
zu ermitteln.
Auch die Messung der Stromaufnahme der Antriebsvorrichtung der Zentrifuge wird zur Ermittlung der
Feststoffbeladung der Zentrifugentrommel herangezogen.
Ein sehr einfaches, gelegentlich auch benutztes Verfahren besteht darin, das Gewicht der gesamten Zentrifuge
vor und nach dem Zentrifugieren zu messen, was beispielsweise durch das Vorsehen von geeigneten
Kraftaufnehmern in den Auflagern der Zentrifuge erfolgen kann. Die Differenz der Meßergebnisse gibt dann
direkt die Feststoff bei adung an.
Diese bekannten Verfahren haben verschiedene Nachteile.
Die Messung der Torsion mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen ergibt nur in Beschleunigungsphasen eine
Information über die Feststoffbeladung. Die Messung der elastischen Verformung der Zcntrifugentrommel
mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen bei stationärer Drehzahl erlaubt zwar eine kontinuierliche Messung
bzw. Überwachung der Feststoffbeladung, hat aber wie das erstgenannte Verfahren den Nachteil, daß die Messung
nicht berührungsfrei erfolgt. Außerdem muß bei der Abtastung der elastischen Verformung der Zentrifugentrommel
der Meßfühler (Dehnungsmeßstreifen) bei einer Wiederaufarbeitungsanlage im Prozeßraum untergebracht
werden, was besonders nachteilig ist.
Beide Verfahren erlauben nicht die Messung der Feststoffbeladung beim Stillstand der Zentrifuge. Außerdem
sind diese beiden Verfahren nicht sehr genau.
Die Messung der Anlaufzeit oder der Auslaufzeit der Trommel oder die Messung der Stromaufnahme der
Antriebsvorrichtung der Zentrifuge stellen ebenfalls recht ungenaue Verfahren dar und sind überdies nicht
beim Stillstand der Zentrifuge möglich. Die direkte Messung des Gewichtes der Zentrifuge ist relativ ungenau,
da das Zentrifugengewicht vergleichsweise groß zu der Feststoffbeladung ist.
Durch die CH-PS 4 9*i 479 ist eine Regeleinrichtung
zur Aufrechterhaltung der Resonanz eines schwingenden Körpers veränderlicher Massenträgheit bekannt.
Die Regeleinrichtung wird verwendet bei einer Vibrationszentrifuge,
der kontinuierlich Masse zugeführt wird und deren Zentrifugenkorb über eine separate Stator/Rotoranordnung
Torsionsschwingungen aufgeprägt werden. Die Regeleinrichtung dient dazu, möglichst
große Schwingungsamplituden aufrechtzuerhalten, um einen möglichst großen Massendurchsatz zu erzielen.
Hierzu wird die Größe der Amplitude laufend gemessen. Ändert sich die Amplitude aufgrund sich ändernder
ίο Massenverhältnisse in der Zentrifuge, wird die Erregungsfrequenz
so geändert, daß man möglichst nahe an die jeweilige Resonanzfrequenz herankommt, weil bei
Übereinstimmung von Erregungs- und Resonanzfrequenz die Amplituden am größten sind. Frequenzen
werden weder gemessen noch ausgewertet.
Die DE-OS 19 18 294 zeigt eine digitale Torsionsschwingungsmeßeinrichtung
zur Feststellung, ob drehende Bauteile, insbesondere rotierende Wellen, ungleichmäßig
drehen. Hierzu werden auf der Mantelfläehe der rotierenden Welle gleichirvU-ig aufgetragene
Markierungen opto-eiektrisch abgetastet Die Frequenz der erzeugten Meßsignale wird verglichen mit einer
Soll-Frequenz. Die Abweichungen sind ein Maß für die Größe der Geschwindigkeitsänderung. Es handelt sich
hier sorr'-it eigentlich um eine Meßeinrichtung zur Ermittlung
von Beschleunigungen und Verzögerungen der Drehbewegung einer rotierenden Welle.
Die DE-AS 25 28 575 zeigt eine Einrichtung zum Messen und gegebenenfalls zum Verändern der Eigen-Schwingungsfrequenz
eines metallischen, verschiebbaren Stabes, der innerhalb eines vertikalen Zylinders mittels
einer pneumatischen Vorrichtung frei schwebend gehalten ist Mit Hilfe einer Einrichtung werden Impulse
erzeugt, durch die der Stab zu Eigenschwingungen angeregt wird. Ein Wandler formt die mechanischen Eigenschwingungen
des Stabes in elektrische Signale um, deren Frequenz gemessen wird. Durch diese Einrichtung
soll ein hoher Grad an mechanischer Entkupplung des Stabes und somit eine sehr genaue Frequenzmessung
gewährleistet werden.
Die DE-AS 11 72 861 zeigt ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Ermitteln der Eigenfrequenzen mechanischer Systeme mit Hilfe von Untersuchungen an
einem das tatsächliche System nachbildenden Modell.
Das Modell ist aus mehreren gegeneinander verstellbaren Einzelteilen zusammengesetzt und weist wenigstens
eine Welle und eine oder mehrere auf der Welle verstellbare und gegebenenfalls auswechselbare, zum Verändern
der Starrheit der Welle vorgesehene Mitnehmerscheiben auf, an denen Zusatzgewichte zur Veränderung
des Trägheitsmomentes anbringbar sind. Ein*; Erregervorrichtung versetzt das Modell in Schwingungen,
oeren Eigenfrequenz gemessen wird, aus der dann
die Eigenschwingungsfrequenz des tatsächlichen Systems ermittelt wiro.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Meßverfahren und die Meßvorrichtung der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß eine genaue, berührungsfreie Messung außerhalb des Prozeßraumes
mit geringem meßtechnischen Aufwand ermöglicht wird. Die Messung der Feststoffbeladung sol! dabei sowohl
beim Stillstand als auch beim Lauf der Zentrifuge in kontinuierlicher Weise möglich sein.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig und vorrich-
f 5 tungsmäßig durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1
und 6 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die erfindungsgemäße Aufgabenlösung ermöglicht eine praktisch kontinuierliche und sichere Überwa-
chung bzw. Messung der Feststoffbeladung einer Zentrifuge. Die Messung kann sowohl beim Lauf als auch
beim Stillstand der Zentrifuge durchgeführt werden. Die vorgesehene Frequenzmessung der erzeugten Eigenschwingungen
gewährleistet eine hohe Genauigkeit der Meßergebnisse und ist relativ einfach durchführbar.
Die Meßvorrichtung kann leicht außerhalb des Prozeßraumes einer Wiederaufarbeitungsanlage eingesetzt
werden. Das erfindungsgemäße Meßverfahren und die erfindungsgemäße Meßvorrichtung sind sehr anwendungsflexibel.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Aufgabenlösung nach den Ansprüchen 1 und 6 sind in
den Unteransprüchen zu diesen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt sind, näher
erläutert werden. Es zeigt
F i g. 1 ein erstes bevorzugtes Auslührungsbeispiei
der Erfindung,
Fig.2 zwei Modifikationen der Ausführungsform
nach Fig. !,und
F i g. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche Bauteile sind in den Figuren der Zeichnung mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Zeichnung zeigt eine Zentrifuge 2 mit einer Zentrifugentrommel
4, die über eine gelagerte (Lager 6) Antriebswelle 8, einem Keilriemenrad 10 und einem
Keilriemen 12 von einem Elektromotor 14 angetrieben wird.
Die Zentrifugentrommel 4 ist hängend angeordnet, was heim Einsatz in Wjederaufarbeitungsanlagen von
Kernbrennstoffen zweckmäßig ist. Grundsätzlich ist natürlich auch jede andere Anordnungsweise (stehend,
waagerecht oder geneigt) möglich.
Die Zentrifugentrommel weist einen Zulauf 16 und
einen Ablauf Jo äüf. Sie dient in VVicucraüiärucitungS-anlagen
insbesondere dazu, Feststoffpartikel aus Brennstofflösungen abzutrennen. Beim Umlauf der Zentrifugentrommel
4 setzen sich die Feststoffpartikel auf der Innenwand der Zentrifugentrommel ab und bilden die
sogenannte Feststoffbeladung 20, auch Kuchen ge-η inn*
Vorliegend geht es nun darum, die Menge an Feststoffbeladung
zu ermitteln. Hierzu ist am oberen Ende 22 der Antriebswelle 8 ein Zusatzkörper bzw. eine zusätzliche
Masse m>, beispielsweise in Form eines Käfigläufers
24, angebracht, der Teil einer elektrischen Maschine 26 mit einer Statorw icklung 28 ist.
Die Zemrifugentrommel 4 bildet als eine Masse m\
mit dem Käfigläufer 24 als zweite Masse ITI2, die mit der
Masse m\ über die Antriebswelle 8 elastisch verbunden
ist, ein mechanisches »Doppelmasseno-Schwingungssystem.
Über die Statorwicklung 28 der elektrischen Maschine
26 kann im Käfigläufer 24 (Masse Ot2) kurzzeitig eine
EMK erzeugt werden, durch die kurzzeitig ein Torsionsmoment auf das Schwingungssystem m·,, m2 ausgeübt
wird, das dadurch in Torsions-Eigenschwingungen versetzt wird. Die Frequenz dieser Schwingungen ist
abhängig von der Zusatzmasse m2 (Käfigläufer 24) und
der Zentrifugentrommeimasse m\ und ändert sich mit
Änderung dieser Massen und ist somit abhängig von der FeststoffDeiadung der Zentrifugentrommel 4. Über eine
Frequenzmessung der erzeugten Torsionsschwingungen ist es also möglich, die Größe der Feststoffbeladung
210 zu ermitteln.
Die Frequenzmessung erfolgt mit Hilfe eines elektromagnetischen oder optischen Meßfühlers 30, der Markierungen
32 abtastet, die auf der Zusatzmasse nu. also
dem Käfigläufer 24, angebracht sind. Die Frequenz der Meßfühler-Ausgangssignale wird durch eine Einrichtung
34 ermittelt und ausgewertet. Die Meßergebnisse oder die ermittelten Feststoffbeladungen werden dann
auf einer Anzeige 36 dargestellt.
In den Figuren der Zeichnung sind nun weitere Realisierungsmöglichkeiten
schematisch dargestellt.
Der Käfigläufer 24 muß nicht am Ende der Antriebswelle 8 angebracht sein: er kann an beliebiger Stelle
vorgesehen werden, vergl. Käfigläufer 24' in der Fig. 1.
Die Zusatzmasse m2, beispielsweise in Form des Käfigläufers,
kann auch auf einer zusätzlichen Welle oder Achse 38, die bezüglich der Zentrifugentrommel 4 der
Antriebswelle 8 gegenüber angeordnet ist, angebracht sein, vergl. Fig. 2. Diese zusätzliche Welle oder Achse
38 kann über beabstandete Stege 40 im Bereich des Ausiaufs ie der Zentrifugetiiroriimci 4 angeordnet sein
oder als Verlängerung 42 der Antriebswelle ausgebildet sein, vergl. F i g. 2. Die zusätzliche Welle oder Achse 38
kann zusätzlich gelagert (Lager 44) sein.
Die Zusatzmasse m2 mit den Markierungen 32 kann
auch einfach als Scheibe 46 ausgebildet sein, vergl.
Fig. 3 und 2. Das Torsionsmoment zur Erzeugung der
Torsionsschwingungen kann dann beispielsweise mit Hilfe einer Bremsvorrichtung 48 erzeugt werden, deren
Bremsbacken 50 beispielsweise druckmittelbetätigt mit
Hilfe eines Ventils 52 und einer Druckmittelquelle 54 oder einfach mechanisch an die Scheibe 46 anlegbar
sind.
Die Erzeugung des Torsionsmomentes ist auch über den Antriebsmotor 14 der Zentrifugentrommel 4 möglich,
indem dort eine gesondert speisbare Zusatzwicklung 56 vorgesehen wird, über die kurzzeitig das Drehmoment
des Motors 14 beeinflußbar ist.
Zusatzmasse /n2 verzichtet werden Das Torsions-Schwingungssystem
besteht dann aus der Zentrifugentrommel 4 und der Antriebswelle 8 oder der zusätzlichen
Welle oder Achse 38, auf der dann die abzutastenden Markierungen 58 angebracht sind, vergl. F i g. 2. Die
Erzeugung des Torsionsmomentes kann hier beispielsweise mechanisch durch kurzzeitiges Anlegen zweier
Bremselemente 60, 62 erfolgen. Die Abstastung der Markierungen 58 und Auswertung der erhaltenen Meßfühler
erfolgt wie oben schon beschrieben.
Außer der vorliegend aus meßtechnischen und aufwandsmäßigen Gründen bevorzugten Erzeugung und
Auswertung von Torsionsschwingungen können grundsätzlich auch Longitudinal- und/oder Biegeschwingungen
erzeugt und ausgewertet werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (20)
1. Meßverfahren zur Bestimmung der Feststoffbeladung
der Trommel einer Zentrifuge, insbesondere zur Verwendung in Wiederaufarbeitungsanlagen
zum Abtrennen von nicht lösbaren Feststoffteilchen von Brennstofflösungen, bei dem die Zentrifugentrommel
in Schwingungen versetzt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß ein die Zentrifugentrommel und einen mit der Trommel verbundenen
Zusatzkörper aufweisendes mechanisches Schwingungssystem in Eigenschwingungen versetzt wird,
und daß die von der Feststoffbeladung abhängige Frequenz der Eigenschwingungen oder eine von der
Frequenz ableitbare Größe gemessen wird.
2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem in Torsionsschwingungen
versetzt wird.
3. Meßverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Torsionsschwingungen durch kurzzeitige Änderung des Drehmomentes oder der
Drehgeschwindigkeit (Verzögerung oder Beschleunigung) der Zentrifugentrommel (4) erzeugt werden.
4. Meßverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tcrsionsschwingungen
durch kurzzeitige mechanische Abbremsung der Rotationsbewegung eines Antriebsteiles der Zentrifugentrommel
(4) oder eines mit der Trommel umlaufenden und drehfest verbundenen Teiles (24; 46;
38) erzeugt wurden.
5. Meßverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß d:e Torsionsschwingungen
kurzzeitig, berührungsfrei über "Ln elektromagnetisches
Feld dem Schwingungssystem aufgeprägt werden.
6. Meßvorrichiung zur Durchführung des Meßverfahrens
nach einem der Ansprüche 1—5, mit einer Vorrichtung zum Versetzen der Zentrifugentrommel
in Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein die Zentrifugentrommel und
einen mit der Zentrifugentrommel verbundenen Zusatzkörper aufweisendes mechanisches Schwingungssystem
in Eigenschwingungen versetzt, und daß eine Meßvorrichtung zur Messung der Frequenz
der erzeugten Eigenschwingungen oder einer von der Frequenz ableitbaren Größe sowie eine
Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der die Frequenz der Eigenschwingungen beeinflussenden
Feststoffbeladung der Trommel vorgesehen sind.
7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkörper (1TI2) durch ein
Antriebsteil der Zentrifugentrommel (4) oder durch die Antriebswelle (8) der Zentrifugentrommel (4) gebildet
wird.
8. Meßvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkörper (m^
eine zusätzliche, drehfest mit der Zentrifugentrommel (4) verbundene Welle (38) ist, die bezogen auf
die Zentrifugentrommel (4) der Antriebswelle (8) gegenüber angeordnet ist.
9. Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Welle eine Verlängerung
(42) der Antriebswelle ist.
10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkörper
(m?) durch einen drehfest mit der Antriebswelle (8)
oder der zusätzlichen Welle (38) der Zentrifugentrommel (4) verbundenen Körper gebildet wird.
11. Meßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Körper ein Rotor oder Läufer (24) einer elektrischen Maschine (26) ist.
12. Meßvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Körper am zur Zentrifugentrommel (4) entfernten Ende (22) der
Antriebswelle (8) oder zusätzlichen Welle bzw. Achse (38) angeordnet ist
13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Zentrifugentrommel
(4) und dem mit der Trommel gekoppelten Zusatzkörper (tih) bestehende mechanische
Schwingungssystem (mu /Π2) durch die Vorrichtung
(26; 48; 60, 62) in To.-sionsschwingungen versetzbar ist.
14. Meßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine elektrische
Maschine (26) ist, durch deren elektrisches Erregerfeld auf den auf der Antriebswelle (8) oder der
zusätzlichen Weiie oder Achse (38) angeordneten Rotor oder Läufer (24) ein Torsionsmoment ausübbar
ist.
15. Meßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung durch eine zusätzliche,
separat speisbare Wicklung (56) eines elektrischen Antriebsmotors (14) der Zentrifugentrommel
(4) gebildet wird, über die ein eine kurzzeitige, ein Torsionsmoment auf das Schwingungssystem
(mu m2) ausübende Änderung der Rotationsgeschwindigkeit
(Verzögerung oder Beschleunigung) bewirkendes elektrisches Erregerfeld erzeugbar ist.
16. Meßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine kurzzeitig
anlegbare mechanische Bremsvorrichtung (48; 60, 62) ist, die auf einen Teil der Antriebsseite oder auf
die zusätzliche Achse oder Welle (38) oder den auf der Antriebswelle (8) oder der zusätzlichen Achse
oder Welle (38) angeordneten Korper (24; 24'; 46; 38) wirkt.
17. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung
(30, 34, 36) zur Messung der Frequenz einen Meßfühler (30) aufweist, der Markierungen (32; 58)
abtastet, die auf dem mit der Zentrifugentrommel (4) gekoppelten Zusatzkörper (m2) angebracht sind.
18. Meßvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, tfaß der Meßfühler (30) ein elektromagnetischer
Drehgeber ist.
19. Meßvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Meßfühler (30) ein optischer Sensor ist.
20. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 17
bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Frequenz bzw. der Frequenzänderungen der Eigenschwingungen
des Schwingungssystems die Periodendauer der Ausgangssignale der Meßfühler gemessen
und ausgewertet wird.
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