DE4334939A1 - Verfahren und Anordnung zum Feststellen einer vorgegebenen Grenzbedingung für den Zustand einer in einer Zentrifuge behandelten Suspension - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Feststellen des Auftretens einer vorgegebenen Grenzbedingung für den Zustand einer in einer Zentrifuge behandelten Suspension.

Zentrifugen dienen zur Trennung von Stoffen. Insbesondere soll beim Zentrifugieren von Suspensionen Flüssigkeit aus der Suspension entfernt werden. Hierzu wird die Suspension in die laufende Trommel einer Zentrifuge eingefüllt und infolge der Trommelrotation an die Trommelwand gedrückt wobei aufgrund von Zentrifugalkräften die Flüssigkeit durch die nach Art eines Siebs ausgeführte Trommelwand entweicht. Zurück bleibt ein aus Festkörpern der Suspension bestehender Kuchen, der sich an der Trommelwand absetzt.

Bei modernen Zentrifugen kann der Kuchen entnommen werden, ohne daß die Zentrifuge abgeschaltet wird, indem der Kuchen mit Hilfe von Schälräumern abgetragen wird und die abgeschälten Teile abgesaugt werden.

Problematisch ist bei solchen Prozessen, daß der Zeitpunkt, wann der Kuchen frei von Flüssigkeit ist, wegen der Vielzahl der möglichen Parameter nur ungenügend bekannt ist. In der Praxis läßt man daher, wenn ein möglichst gut trockener Kuchen erreicht werden soll, die Zentrifuge üblicherweise länger als notwendig laufen, was zum Nachteil eines erniedrigten Durchsatzes führt. Außerdem ist dieses Verfahren nicht anwendbar, wenn ein bestimmter Durchfeuchtungsgrad in dem Kuchen für das Endprodukt des Zentrifugierprozesses bei der Weiterbehandlung erwünscht ist. In letzterem Fall muß die Zentrifuge während des Prozesses angehalten, die Feuchtigkeit bestimmt und, bei zu hoher Feuchtigkeit, die Zentrifuge wieder angelassen werden. Auch dieses Verfahren ist zeitaufwendig, führt relativ frühzeitig zur Schädigung der Lager der Zentrifuge wegen des ständigen An- und Abschaltens und verbraucht infolge der immer wieder neuen Beschleunigungen auch unnötig Strom.

Wünschenswert wäre ein Verfahren, bei dem die Feuchtigkeit im Kuchen bei laufender Zentrifuge bestimmt werden kann. Versuche in dieser Richtung verliefen bisher erfolglos.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es gestattet, bei laufender Zentrifuge den Feuchtigkeitsgehalt des Kuchens kontinuierlich festzustellen und den Zentrifugiervorgang dann abzubrechen, wenn ein vorgegebener Grenzwert für den Feuchtigkeitsgehalt des Kuchens erreicht ist. Überdies soll eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß bei laufender Zentrifuge die Schwingungsamplitude der Rotationsfrequenz kontinuierlich bestimmt und aus einem Vergleich zwischen dieser sowie einer weiteren Größe welche für die erste und zweite zeitliche Ableitung der Schwingungsamplitude charakteristisch ist, das Auftreten der Grenzbedingung festgestellt wird.

Als Grundlage zum Feststellen des Auftretens der Grenzbedingung wird beim erfindungsgemäßen Verfahren somit eine Schwingungsmessung und ihre Interpretation eingesetzt. Im Schwingungsspektrum einer Zentrifuge treten Schwingungen auf, die von der Zentrifuge selbst stammen, aber auch solche, die im Kuchen oder seiner Oberfläche angeregt werden. Schwingungen, die durch Resonanzen im Material der Zentrifuge entstehen, sagen nichts über den Zustand des Kuchens aus. Aber auch Schwingungen, die z. B. durch Anregungen des Kuchens selbst erzeugt werden, sind wenig geeignet, den Durchfeuchtungsgrad zu bestimmen, da die zugehörigen Schwingungsfrequenzen stark von den inneren Eigenschaften der Suspension abhängen und nicht den ganzen Kuchen erfassen. Außerdem können dort im wesentlichen nur Oberflächenwellen angeregt werden, so daß die Ansagekraft dieser Schwingungen für den Feuchtigkeitsgehalt des Kuchens nur gering ist.

Es gibt im Schwingungsspektrum einen dominanten Peak, der bei der Rotationsfrequenz, also der aktuellen Betriebsdrehzahl, liegt und im wesentlichen auf die Unwucht im erzeugten Kuchen zurückzuführen ist. Auch die Amplitude dieser Schwingung scheint auf den ersten Blick wenig geeignet, das Auftreten einer Grenzbedingung hinsichtlich des Feuchtigkeitsgrades des Kuchens festzustellen, da einerseits nicht erwartet werden kann, daß sich die Unwucht drastisch mit dem Feuchtigkeitsgrad ändert, und andererseits die Unwucht bei gleichen Materialien von Prozeß zu Prozeß sehr unterschiedlich sein kann.

Überraschenderweise zeigte sich nun aber, daß die Schwingungsamplitude bei der Rotationsfrequenz durchaus eine meßbare Abhängigkeit von der Feuchtigkeit des Kuchens aufweist, die für unterschiedlich im Prozeß auftretende Unwuchten korrigiert werden kann. Es wurde beobachtet, daß sich bei Entweichen von Feuchtigkeit aus dem Kuchen auch die Schwingungsamplitude bei der Rotationsfrequenz verringert. Diese Schwingungsamplitude geht bis auf einen asymptotischen Wert zurück, der den trockenen, nicht mehr durch Feuchtigkeitsverlust veränderbaren Zustand des Kuchens beschreibt. Da der Einfluß der Feuchtigkeit auf die Unwucht im Kuchen nur gering ist, liegt die Schwingungsamplitude, zumindest im Bereich nur geringen Feuchtigkeitsgehaltes des Kuchens, in der Nähe des asymptotischen Wertes. Aufgrund dieser Erkenntnis kann man daher auch von Prozeß zu Prozeß verschiedene Massenverteilungen im Kuchen korrigieren, indem man nicht direkt vom Gradienten der Schwingungsamplitude ausgeht, sondern diesen mit der Schwingungsamplitude vergleicht. Ein solcher Vergleich kann bevorzugt dadurch durchgeführt werden, daß man den Quotienten aus dem Gradienten der Schwingungsamplitude und der Schwingungsamplitude selbst bildet und diesen mit einem Grenzwert vergleicht, um so die Grenzbedingung für das Erreichen eines bestimmten Feuchtigkeitszustands festzustellen.

Ähnlich wie der Gradient ein Maß für die Feuchtigkeitsänderung darstellt, lassen sich auch höhere Ableitungen, insbesondere die zweite zeitliche Ableitung der Schwingungsamplitude bei der Rotationsfrequenz, zum Vergleich mit dem Amplitudenwert heranziehen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann bei einem gattungsgemäßen Verfahren aber auch dadurch gelöst werden, daß bei laufender Zentrifuge die Schwingungsamplitude der Rotationsfrequenz kontinuierlich bestimmt, sodann eine Funktion zur angenäherten Beschreibung des zeitlichen Verlaufs dieser Werte erstellt und aus dieser durch Extrapolation der Zeitpunkt für das Auftreten der Grenzbedingung ermittelt wird.

Auch bei diesem Verfahren wird maßgeblich auf die Schwingungsamplitude bei der Rotationsfrequenz als Datenpunkt bei einer bestimmten Zeit abgestellt, mehrere solcher Datenpunkte gesammelt und diese mit einer Funktion für den erwarteten Verlauf verglichen. Diese Funktion kann beispielsweise aufgrund vorheriger Versuche bestimmt werden. Die Funktion kann aber auch aus einer Gleichung mit mehreren Parametern bestehen, die so angepaßt werden, daß die ermittelten Datenpunkte bestmöglich durch die Gleichung beschrieben werden. Aufgrund der Funktion läßt sich dann das weitere Verhalten der Daten extrapolieren und so der Zeitpunkt für das Auftreten der Grenzbedingung ermitteln.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit verschiedensten Funktionen durchführen. Zur Vermeidung eines großen Rechenaufwands ist es jedoch wünschenswert, nur wenige Parameter anpassen zu müssen. Dies wird in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens dadurch ermöglicht, daß mindestens drei der zuletzt bestimmten Werte der Schwingungsamplitude verwendet werden, um die Parameter A, T, B der Funktion F = A · exp (- t/T) + B dem zeitlichen Verlauf der gemessenen Schwingungsamplitude anzupassen, worin t die Meßzeit, B die Größe der asymptotischen Schwingungsamplitude bei der Rotationsfrequenz, T eine charakteristische Abfallzeit für die Änderung der Schwingungsamplitude und A die Differenz zwischen der Schwingungsamplitude zum Zeitpunkt t = O und der asymptotischen Schwingungsamplitude B darstellt. Dabei wird das Auftreten der Grenzbedingung festgestellt, wenn das Verhältnis aus der Differenz zwischen der zuletzt bestimmten Schwingungsamplitude und dem Parameter B zum Parameter B einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Funktion durch zwei Terme dargestellt, nämlich einmal einen exponentiell abfallenden Term A · exp (-t/T), der die Abnahme der Unwucht infolge des sich ändernden Flüssigkeitsgehaltes beschreibt, und einen konstanten Wert B, der die asymptotische Schwingungsamplitude für die Unwucht des trockenen Kuchens repräsentiert. Der Faktor A ist aber nicht nur dem Flüssigkeitsgehalt bei t = 0 proportional, sondern auch von der Masseverteilung des Kuchens abhängig, da der Kuchen je nach Dichte unterschiedlich viel Flüssigkeit aufnehmen kann. Deswegen wird für die Feststellung einer Grenzbedingung der exponentiell abfallende Term nicht direkt verwendet, sondern ein aus diesem gebildeter Wert, der auf die unterschiedliche Festkörperverteilung, repräsentiert durch den Wert B, korrigiert ist. Es hat sich gezeigt, daß das Verhältnis des exponentiell abfallenden Terms besonders geeignet ist, den Flüssigkeitsgehalt und dessen Abnahme unabhängig von der Unwucht zu beschreiben. Zur Feststellung der Grenzbedingung könnte also auch der exponentielle Term geteilt durch den Parameter B eingesetzt werden. Der exponentielle Term ist aber bei optimaler Kurvenanpassung gleich der Differenz zwischen der momentan bestimmten Schwingungsamplitude und dem Parameter B, so daß diese Differenz im Verhältnis zum Parameter B bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts das Auftreten einer vorgegebenen Grenzbedingungen zu signalisieren geeignet ist.

Wenn der exponentielle Term der Funktion klein gegen B ist, vor allem in der Nähe der gewünschten Grenzbedingung für geringe Feuchtigkeit, liefert dieses erfindungsgemäße Verfahren den gleichen Vergleichswert zur Feststellung einer Grenzbedingung wie das zuerst angegebene Verfahren, bei dem das Verhältnis aus Gradient der Schwingungsamplitude zur Schwingungsamplitude eingesetzt wird. Beide Verfahren sind also bestens geeignet, die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen.

In bevorzugter Weiterbildung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird nicht nur die Schwingungsamplitude bei der Rotationsfrequenz ermittelt, sondern das Spektrum der Schwingungsamplituden bei höheren Frequenzen als der Rotationsfrequenz bestimmt und beim Auftreten mindestens einer Schwingungsamplitude in diesem Frequenzbereich ein Warnsignal ausgelöst, wenn dabei ein vorgegebener Schwellwert überschritten wird. Da solche bei höheren Frequenzen als der Rotationsfrequenz auftretenden Schwingungsamplituden charakteristisch für das beginnende Auftreten von Lagerschäden sind, kann dadurch rechtzeitig die Notwendigkeit einer Durchführung von Wartungsarbeiten signalisiert werden. Damit müssen Wartungsarbeiten an der Zentrifuge nicht mehr in vorbestimmten Intervallen durchgeführt werden, sondern erst dann, wenn das beginnende Auftreten eines Defektes an der Zentrifuge festgestellt wird. Das vermindert den Wartungsaufwand und die damit verbundenen Kosten wesentlich.

Die vorgenannten Signalamplituden bei der Rotationsfrequenz und bei höheren Frequenzen lassen sich durch einfache Filterschaltungen ermitteln. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Bestimmung der Schwingungsamplituden über die Aufnahme eines Schwingungsspektrums erfolgt.

Wenn der Eintritt der Grenzbedingung festgestellt ist, kann der an der Trommelwand der Zentrifuge angelagerte, die Festbestandteile der Suspension enthaltende Kuchen abgeschält und sodann die Trommel erneut mit Suspension beschickt werden. Durch die Erfindung läßt sich der Zentrifugiervorgang genau dann beenden, wenn der Kuchen einen vorgegebenen Restfeuchtigkeitsgehalt erreicht hat, so daß ein optimaler Durchsatz gewährleistet werden kann. Dies alles kann ohne die Notwendigkeit eines Eingriffs in die laufende Zentrifuge erfolgen.

Die erfindungsgemäße Anordnung umfaßt einen Schwingungsaufnehmer für die bei Rotation der Zentrifuge entstehenden Schwingungen, eine Filterschaltung zur Abgabe einer der Schwingungsamplitude der Rotationsfrequenz proportionalen Spannung, eine Einrichtung zur Amplitudenverarbeitung, an welche die amplitudenproportionale Spannung angelegt wird und die ein der ersten und/oder zweiten zeitlichen Ableitung der Amplitude proportionales Differenzsignal abgibt, und einen Komparator zum Vergleichen der amplitudenproportionalen Spannung mit dem Differenzsignal und zur Abgabe eines Ausgangssignals, wenn dieser Vergleich einer vorgegebenen Vergleichsbedingung genügt.

Aus den vom Schwingungsaufnehmer erfaßten Schwingungen wird mit der Filterschaltung deren Amplitude ermittelt. Die Einrichtung zur Amplitudenverarbeitung bildet die Vergleichswerte zur Feststellung der Grenzbedingung. Der Vergleich wird durch den Komparator durchgeführt, dessen Ausgangssignal in eine Prozeßsteuereinrichtung eingegeben werden kann, mit der eine Schäleinrichtung und das Füllrohr der Zentrifuge ansteuerbar sind, so daß bei Beendigung des Prozesses der Kuchen aus der Zentrifuge automatisch entfernt und neue Suspension eingelassen wird. Ein derartiger Aufbau ist einfach und bietet eine ökonomische Lösung zur Automatisierung von Zentrifugenprozessen bei besonders großem Durchsatz.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht die Filterschaltung aus einem Spektrumanalysator, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, daß neben dem erfindungsgemäßen Verfahren auch gleich noch die Überwachung des Auftretens von anderen, durch Schwingungsanalyse feststellbaren Störungen (z. B. Auftreten von Lagerschäden) gegeben ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Zentrifuge zur Trennung von Stoffen in Flüssigkeiten mit einem Schwingungsaufnehmer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf eines Schwingungsspektrums bei einem Versuch an einer Zentrifuge gemäß Fig. 1;

Fig. 3 die schematische Darstellung der Steuerung einer Zentrifuge zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie

Fig. 4 eine Schaltung zur analogen Steuerung einer Zentrifuge entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer Zentrifuge 10, wie sie zur Trennung von Suspensionen eingesetzt wird. Diese Zentrifuge 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem sich eine drehbar gelagerte Trommel 14 befindet, die über einen Antrieb 16 in Rotation versetzbar ist. Über ein Füllrohr 18 kann die zu trennende Suspension in die Zentrifuge 10 eingeleitet werden. Nach Einschalten des Antriebs 16 rotiert die Trommel 14, wodurch auf die darin enthaltene Suspension Zentrifugalkräfte einwirken, welche die Suspension gegen die Trommelwand 20 drücken. In der Trommelwand 20 sind Löcher 22 angebracht, durch die bei Rotation der Trommel 14 Flüssigkeit austritt, während die in der Suspension enthaltenen Feststoffe durch die Wand 20 zurückgehalten werden. Die ausgeschleuderte Flüssigkeit wird über einen Abfluß 24 abgeleitet.

Nach einer bestimmten Rotationszeit ist die gesamte Flüssigkeit aus der Suspension entfernt, wobei an der Trommelwand 20 nur noch feste Bestandteile in Form des sogenannten "Kuchens" 26 anhaften. Mittels eines Schälräumers 28 kann der Kuchen 26 abgeschält und zur Entnahme in Pfeilrichtung abgesaugt werden.

Prinzipiell läßt sich die Zentrifuge aus Fig. 1 ohne Abschalten des Antriebs 16 betreiben, da die Beschickung der Trommel 14 mit der Suspension und das Abschälen des Kuchens 26 bei rotierender Trommel 14 erfolgen können. Nach dem Entfernen des Kuchens 26 dann die Trommel 14 über das Füllrohr 18 erneut mit Suspension beschickt werden, wonach sich der geschilderte Vorgang wiederholt.

Die Konsistenz und insbesondere der jeweils noch vorhandene Feuchtigkeitsgehalt der Suspension kann über die an der Trommel 14 bzw. der Zentrifuge 10 auftretenden Schwingungen bestimmt werden. Dazu ist am Gehäuse 12 ein Schwingungsaufnehmer 30 befestigt, der jedoch prinzipiell auch an anderen Orten an der Zentrifuge 10 befestigt werden könnte, an denen Schwingungen der Trommel meßbar sind.

Die vom Schwingungsaufnehmer 30 abgegebenen Signale geben ein entsprechendes Frequenzspektrum der Zentrifuge 10 wieder. Zu diesem gehören Eigenschwingungen der Materialien der Zentrifuge 10 wie auch Eigenschwingungen, die innerhalb oder an der Oberfläche des Kuchens 26 entstehen können. Aufgrund der unvermeidbaren Unwucht des Kuchens 26 erfolgt eine dominante periodische Anregung bei der durch die aktuelle Betriebsdrehzahl gegebenen Rotationsfrequenz, die im folgenden mit f₀ bezeichnet wird.

Fig. 2 zeigt ein solches Schwingungsspektrum, das im Laufe eines später noch näher beschriebenen Versuchs mit Hilfe eines Schwingungsaufnehmers 30 an einer Zentrifuge entsprechend Fig. 1 aufgenommen wurde. In Fig. 2 ist für verschiedene Zeiten t die Amplitude der auftretenden harmonischen Schwingungen über der Frequenz f aufgetragen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Kurve ist bei der Rotationsfrequenz f₀ deutlich ein Maximum zu erkennen. Die zugehörige Hüllkurve im Frequenzbereich um f₀ wird im folgenden "Rotationspeak" 32 genannt.

Bei dem Versuch, dessen Ergebnisse in Fig. 2 dargestellt sind, war zum Zeitpunkt t₀ Wasser in die Zentrifuge eingelassen worden. Der Kurvenverlauf zeigt zu diesem Zeitpunkt neben dem Rotationspeakt 32 ein weiteres Maximum bei einer geringeren Frequenz f₁ (die hierzu gehörige Hüllkurve wird im folgenden als "Seitenpeak 34" bezeichnet). Nach Einlaß des Wassers erreicht die Schwingungsamplitude des Seitenpeaks zum Zeitpunkt t₁ ein Maximum. Zwischen t₀ und t₁ verschiebt sich der Seitenpeak von der Frequenz f₁ auf die etwas größere Frequenz f₂ und bleibt danach bei dieser stabil. Wenn t größer als t₁ wird, fällt auch die Intensität des Seitenpeaks 34 zeitlich stark ab. Danach ist ein weiterer Seitenpeak 36 erkennbar, der bei der Summenfrequenz von f₂ und f₀ liegt und im wesentlichen den gleichen Verlauf wie der Seitenpeak 34 zeigt.

Der Seitenpeak 34 kann vielleicht darauf zurückgeführt werden, daß aufgrund der Luftströmung an den Einbauten, dem Füllrohr 18 und dem Schälräumer 28 Schwingungen in der Oberfläche des Kuchens 26 angeregt werden und solche Schwingungen nur dann auftreten, wenn die Oberfläche des Kuchens 26 eine gewisse Elastizität bzw. Feuchte hat. Diesen Seitenpeak 34 für die Bestimmung der Feuchte heranzuziehen, wäre aber nachteilig, da er im wesentlichen nur die Schwingungen an der Oberfläche des Kuchens 26 erfaßt und damit nur eine geringe Aussagekraft für die integrale Feuchtigkeit des Kuchens gibt.

Nach dem Wassereinlaß zum Zeitpunkt t₀ läßt sich aber auch eine Änderung in der Größe des Rotationspeaks 32 beobachten. Diese Änderung ist auf die Veränderung der Unwucht durch die Flüssigkeitszufuhr zurückzuführen. Beim Entweichen der Flüssigkeit aus dem Kuchen 26 ändert sich diese Unwucht wieder und die Größe des Rotationspeaks 32 nähert sich asymptotisch einem Grenzwert. Diese Änderungen sind jedoch sehr klein, so daß sie in Fig. 2 nicht erkennbar sind, sie sind aber typischerweise wesentlich größer als das durch die Messung gegebene Rauschen, weshalb sie und damit die Feuchte in Kuchen 26 auch unschwer meßtechnisch erfaßbar sind.

Mit dem Rotationspeak 32 wird die gesamte Unwucht des Kuchens 26, also auch dessen Feuchte, erfaßt. Vorteilhaft bei der Auswertung des Verlaufs der Intensität des Rotationspeaks 32 ist, daß durch diesen die integrale Feuchte des Kuchens 26 erfaßt werden kann und nicht nur Oberflächenkonzentrationen, wie dies beispielsweise bei der Auswertung der Seitenpeaks 34 oder 36 der Fall wäre.

Für die Feststellung des Eintretens einer Grenzbedingung läßt sich nun der zeitliche Verlauf der Intensität des Rotationspeaks 32 erfassen und beispielsweise mit einer geeigneten Funktion vergleichen. Das funktionale Verhalten kann beispielsweise durch eine Kurvenschar beschrieben werden, die in früheren Versuchen ermittelt wurde. Durch Vergleich mit den aktuellen Werten der Größe des Rotationspeaks 32 wird dann die Funktion der Kurvenschar ermittelt, die dem festgestellten Verlauf der Schwingungsamplitude möglichst nahe kommt, und aus dieser die Zeit bis zum Eintreten der Grenzbedingung eindeutig bestimmt. Einfacher ist es jedoch, für die Funktion eine mehrparametrige Näherung zu benutzen, wobei die Funktionen durch Bestimmung der Parameter dem Verlauf der Schwingungsamplitude bei der Rotatinsfrequenz angepaßt werden. Eine solche Funktion muß einen asymptotischen Wert und einen Abfall beschreiben.

Eine einfache mathematische Form für eine derartige Funktion ist durch

F = A · exp (-t/T) + B

gegeben, worin t die Meßzeit, A die Differenz zwischen der Schwingungsamplitude bei t = 0 und der asymptotischen Schwingungsamplitude B sowie T die charakteristische Abfallzeit bezeichnen. Die freien Parameter A, T. und B können durch adäquate mathematische Methoden, wie das Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate oder das Maximum-Likelyhood-Verfahren, ermittelt werden. Der exponentielle Term in der Funktion ist nicht nur für die Feuchte, sondern auch für die Unwucht der festen Bestandteile im Kuchen charakteristisch, da die Feuchtigkeitsaufnahme auch abhängig von der Dichte des Kuchens 26 ist. Die Dichte des Kuchens wird in der gegebenen Funktion im wesentlichen durch den asymptotischen Wert B beschrieben. In der Praxis hat sich gezeigt, daß es ausreicht, die Funktion F zur Korrektur durch den Wert B zu teilen, um die Zeit zu bestimmen, zu der ein vorgegebener Grenzwert erreicht ist.

Um die Rechenzeit gering zu halten, kann auch nur ein Teil der zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Datenpunkte ausgewertet werden. Die Anzahl dieser Datenpunkte muß aber mindestens drei sein, da an drei Parameter angepaßt werden muß. Außerdem wird die Grenzbedingung am besten durch die jeweils letzten aufgenommenen Datenpunkte für die Schwingungsamplituden beschrieben, da der angegebene funktionale Zusammenhang nur eine grobe Annäherung sein kann, wenn man lediglich die letzten aufgenommenen Datenpunkte benutzt.

Die Abfrage, wann der Quotient aus der Funktion F und dem Parameter B einen vorgegebenen Grenzwert erreicht bzw. unterschreitet, läßt sich einfach durchführen, indem man das Verhältnis aus der Differenz der zuletzt bestimmten Schwingungsamplitude und dem Parameter B zum Parameter B bildet und mit dem vorgegebenen Grenzwert vergleicht. Dieser Beziehung liegt die Tatsache zugrunde, daß der exponentielle Anteil der Funktion bei bester Anpassung gleich der momentanen Signalamplitude minus dem Parameter B ist.

Zur Bestimmung des Erreichens eines vorgegebenen Grenzwertes für den Feuchtigkeitsgehalt des Kuchens 26 kann auch der Gradient der zeitlichen Änderung der Größe des Rotationspeaks 32 ermittelt und zur Größe des Rotationspeaks 32 ins Verhältnis gesetzt werden. Durch Ausrechnen des oben angegebenen Ansatzes unter der Nebenbedingung, daß der exponentiell abfallende Term wesentlich kleiner als der asymptotische Grenzwert ist, ergibt sich ein Verhältnis, das dem durch Kurvenanpassung gewonnenen Verhältnis proportional ist und sich ebenfalls für die Feststellung des Eintritts einer vorgegebenen Feuchtigkeits-Grenzbedingung für den Kuchen 26 eignet. Es kann rechnerisch leicht nachvollzogen werden, daß statt des Gradienten auch eine höhere, beispielsweise die zweite Ableitung nach der Zeit, zur Bildung des Wertes zur Erfassung einer Grenzbedingung eingesetzt werden kann.

In Fig. 3 ist schematisch eine Anordnung zum Steuern eines Zentrifugenprozesses gezeigt bei der die Zentrifuge 10 zusammen mit dem Schälräumer 28 und dem Füllrohr 18 von einer Prozeßsteuereinrichtung 40 angesteuert wird, die unter anderem das Ventil zum Einlassen neuer Suspension über das Füllrohr 18 öffnet und den Schälräumer 28 zum Abschälen des Kuchens 26 aktiviert.

Weiter ist in Fig. 3 der Schwingungsaufnehmer 30 zur Aufnahme der Schwingungen der Zentrifuge 10 dargestellt. Die von diesem aufgenommenen Signale werden in einer Filterschaltung 42 weiterverarbeitet, die an ihrem Ausgang den Amplituden proportionale Spannungssignale abgibt. Die Filterschaltung 42 kann aus diskreten Filtern bestehen, man kann aber auch einen Spektrumanalysator einsetzen, der die Schwingungen über ein gewisses Zeitintervall aufnimmt und die Amplituden für die verschiedenen Frequenzen durch Fourrieranalyse ermittelt. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn sich die Rotationsfrequenz f₀ während des Prozesses ändern kann. Ferner lassen sich mit einem Spektrumanalysator auch höhere Frequenzen ermitteln, die sich einstellen, wenn beispielsweise Lagerschäden an der Zentrifugenanordnung auftreten. Mit Hilfe des Spektrumanalysators kann z. B. ein Warnsignal abgegeben werden, wenn Amplituden bei Frequenzen oberhalb der Rotations-Eigenfrequenz f₀ auftreten und bestimmte vorgegebene Grenzwerte überschreiten. Das hat den zusätzlichen Vorteil, daß man bei derartig ausgerüsteten Zentrifugen nicht mehr auf feste Wartungsintervalle angewiesen ist, sondern eine Wartung nur noch erfolgen muß, wenn sich ein Defekt ankündigt.

Die Filterschaltung 42 gibt vor allem eine der Schwingungsamplitude bei der Rotationsfrequenz f₀ proportionale Spannung ab. Diese wird einer Einrichtung 44 zur Amplitudenverarbeitung eingegeben. Die Einrichtung 44 erzeugt durch Quotientenbildung aus der Ableitung und der amplitudenproportionalen Spannung selbst eine Ausgangsspannung P, die in einem nachfolgenden Komparator 46 mit einem die Grenzbedingung bestimmenden Schwellwert verglichen wird. Die Ausgangsspannung des Komparators 46 ist ein Logiksignal, welches der Prozeßsteuereinrichtung 40 anzeigt, daß die Grenzbedingung erreicht ist. Die Prozeßsteuereinrichtung 40 veranlaßt bei Vorliegen des Logiksignals eine Aktivierung des Schälräumers 28 und der Kuchen 26 wird ausgeschält. Nach Beendigung des Schälvorgangs wird der Schälräumer 28 zurückgefahren und neue Suspension über das Füllrohr 18 eingefüllt.

Die dargestellten Schaltungen 42, 44, 46 können mit konventioneller Elektronik aufgebaut werden, es ist jedoch ein anderer Aufbau empfehlenswert, wenn die Filtereinrichtung 42 ein Spektrumanalysator ist. Solche Spektrumanalysatoren werden üblicherweise durch geeignete Software innerhalb von Computern oder Mikroprozessoren realisiert. Es bietet sich also an, die Funktionen der Einrichtung 44 zur Amplitudenverarbeitung und des Komparators 46 ebenfalls in der Software zu berücksichtigen. Insbesondere, wenn die Prozeßsteuereinrichtung 40 zur Steuerung der Zentrifuge wenig komplex ist, ist es auch vorteilhaft, die Funktionen der Prozeßsteuereinrichtung 40 mit Hilfe desselben Computers softwaremäßig zu realisieren.

Eine rein analog arbeitende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 4 dargestellt. Die vom Schwingungsaufnehmer 30 erzeugten Signale werden zuerst durch ein Filter, welches auf die Rotationsfrequenz f₀ abgestimmt ist, gefiltert. Das Filter in Fig. 4 besteht aus einem Operationsverstärker 50, zwei Widerständen 51 und 52 sowie zwei Kondensatoren 53 und 54. Je nach Anforderung für die Schärfe der Frequenzselektion können auch weitere, ähnlich aufgebaute Filterungen hintereinander geschaltet werden.

Am Ausgang des Operationsverstärkers liegt aufgrund der Filterung eine Sinusschwingung mit der Rotationsfrequenz f₀ an, deren Schwingungsamplitude von der Unwucht der Zentrifuge 10 und des Kuchens 26 abhängt. Ein Spannungswert für die Schwingungsamplitude wird mit Hilfe einer Diode 56 gewonnen, über die ein Kondensator 57 geladen wird. Weiter ist ein Widerstand 58 vorgesehen, der eine Entladung des Kondensators 57 in einem definierten Zeitintervall erlaubt. Die Zeitkonstante, die sich aus dem Wert des Widerstandes 58 und der Kapazität des Kondensators 57 ergibt, sollte größer als die Periode der Rotationsfrequenz f₀ sein, damit am Kondensator 52 eine möglichst glatte Spannung für die Schwingungsamplitude erzeugt wird. Sie sollte aber auch kleiner als die zu erwartenden Gradienten der Schwingungsamplituden sein, damit diese mit Hilfe der Schaltung von Fig. 4 möglichst genau bestimmbar sind.

Die am Kondensator 57 anliegende Spannung wird über einen zur impedanz- und größenmäßigen Anpassung an die nachfolgende Elektronik verwendeten Verstärker 60 auf das Potentiometer 62 gegeben. Ferner wird aus der Spannung am Kondensator 57 über ein Differenzierglied 64 eine Spannung erzeugt, die dem Gradienten der Schwingungsamplitude proportional ist. Da die Zeitkonstante für die Änderung der Unwucht sehr groß ist, empfiehlt es sich hier, statt eines einfachen Widerstandes und eines Kondensators, wie es sonst für Differenzierglieder üblich ist, eine etwas aufwendigere Schaltung einzusetzen. Das Differenzierglied 64 in Fig. 4 besteht aus einem Operationsverstärker 66 und einem mit Hilfe des Widerstands 67 und Kondensators 68 als Integrator geschalteten Operationsverstärker 69. Der Operationsverstärker 66 vergleicht das Integral seiner Ausgangsspannung mit der Spannung am Kondensator 57, so daß dessen Ausgangsspannung der Differentialquotient ist.

Die am Abgriff des Potentiometers 62 liegende, amplitudenproportionale Spannung wird auf den mit D bezeichneten Eingang eines Komparators 70 geführt, dessen zweiter mit C bezeichneter Eingang mit dem über das Differenzierglied 64 gewonnenen Gradienten der amplitudenproportionalen Spannung beaufschlagt. Am Ausgang des Komparators 70 wird eine dem Zustand "logisch 1" zugeordnete Spannung abgegeben, wenn die Spannung am Eingang C kleiner als die Spannung am Eingang D ist. Dieses Signal charakterisiert die Grenzbedingung. Die Einstellung des Potentiometers 62 legt dabei die Größe eines Schwellwerts fest, da der Komparator dann ein Signal "logisch 1" am Ausgang erzeugt wenn gemäß dem beschriebenen Verfahren das Verhältnis des Gradienten der Schwingungsamplitude zur Schwingungsamplitude einen durch die Einstellung des Potentiometers 62 gegebenen Wert unterschreitet. Die Ausgangsspannung des Komparators 70 kann, wie die des Komparators 46 in Fig. 3, in die Prozeßsteuereinrichtung 40 eingegeben werden, wo, wie vorstehend bei Fig. 3 beschrieben, durch das Signal der Abschälvorgang eingeleitet wird.

Mit den in Fig. 3 und 4 angegebenen Schaltungen kann der Zentrifugierprozeß definiert geführt werden. Infolge der in den Schaltungen realisierten Verfahren ist es nicht mehr nötig, die Zentrifuge anzuhalten, um den Feuchtigkeitsgehalt der Suspension zu messen. Es müssen auch keine Wartezeiten berücksichtigt werden, um sicherzustellen, daß alle Feuchtigkeit aus dem Kuchen entfernt ist. Durch das angegebene Verfahren wird also die Prozeßführung optimiert und der Durchsatz erhöht.

Claims (8)

1. Verfahren zum Feststellen des Auftretens einer vorgegebenen Grenzbedingung für den Zustand einer in einer Zentrifuge (10) behandelten Suspension, dadurch gekennzeichnet, daß bei laufender Zentrifuge (10) die Schwingungsamplitude der Rotationsfrequenz f₀ kontinuierlich bestimmt und aus einem Vergleich zwischen dieser sowie einer weiteren Größe, welche für die erste oder zweite zeitliche Ableitung der Schwingungsamplitude charakteristisch ist, das Auftreten der Grenzbedingung festgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Größe der Gradient der Schwingungsamplitude eingesetzt wird.

3. Verfahren zum Feststellen des Auftretens einer vorgegebenen Grenzbedingung für den Zustand einer in einer Zentrifuge (10) behandelten Suspension, dadurch gekennzeichnet, daß bei laufender Zentrifuge (10) die Schwingungsamplitude der Rotationsfrequenz kontinuierlich bestimmt, sodann eine Funktion zur angenäherten Beschreibung des zeitlichen Verlaufs dieser Werte erstellt und aus dieser durch Extrapolation der Zeitpunkt für das Auftreten der Grenzbedingungen ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei der zuletzt bestimmten Werte der Schwingungsamplitude verwendet werden, um die Parameter A, T und B der Funktion F = A · exp (- t/T) + Bdem zeitlichen Verlauf der Schwingungsamplitude anzupassen, worin t die Meßzeit, B die asymptotische Schwingungsamplitude, T die charakteristische Abfallzeit für die Änderung der Schwingungsamplitude und A die Differenz aus der Schwingungsamplitude zum Zeitpunkt t = 0 und der asymptotischen Schwingungsamplitude B bezeichnen und das Auftreten der Grenzbedingung festgestellt wird, wenn das Verhältnis aus der Differenz der zuletzt bestimmten Schwingungsamplitude und dem Parameter B zum Parameter B einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum der Schwingungsamplituden bei höheren Frequenzen als der Rotationsfrequenz folgebestimmt und beim Auftreten einer oder mehrerer Schwingungsamplituden in diesem Frequenzbereich ein Warnsignal ausgelöst wird, wenn mindestens eine derselben einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Schwingungsamplitude über die Aufnahme eines Schwingungsspektrums erfolgt.

7. Anordnung zum Feststellen des Auftretens einer vorgegebenen Grenzbedingung für den Zustand einer in einer Zentrifuge (10) behandelten Suspension, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 oder 6 gekennzeichnet durch

• - einen Schwingungsaufnehmer (30) für die bei Rotation der Zentrifuge (10) entstehenden Schwingungen,
• - eine Filterschaltung (42) zur Abgabe einer der Schwingungsamplitude der Rotationsfrequenz proportionalen Spannung,
• - eine Einrichtung (44) zur Amplitudenverarbeitung, an welche die amplitudenproportionale Spannung angelegt wird und welche ein der ersten und/oder zweiten zeitlichen Ableitung der Amplitude proportionales Differenzsignal abgibt,
• - und durch einen Komparator (46, 70) zum Vergleichen der amplitudenproportionalen Spannung mit dem Differenzsignal und zur Abgabe eines Ausgangssignals, wenn dieser Vergleich einer vorgegebenen Vergleichsbedingung genügt.

8. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (42) ein Spektrumanalysator ist.