DE3241624C2 - Meßverfahren und Meßvorrichtung zur Bestimmung der Feststoffbeladung der Trommel einer Zentrifuge - Google Patents

Meßverfahren und Meßvorrichtung zur Bestimmung der Feststoffbeladung der Trommel einer Zentrifuge

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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.
C bnnn . , η t η .· I [mrlürt^lan JJUCH aiii CJlS bCSOndCTC
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)

Patentansprüche:
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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