METZGER, Michael (Schulgasse 12, Markt Schwaben, 85570, DE)
STEINKE, Florian (Hofangerstr. 63, München, 81735, DE)
HELD, Harald (Katharina-Eberhard-Str. 12-14, Haar, 85540, DE)
METZGER, Michael (Schulgasse 12, Markt Schwaben, 85570, DE)
STEINKE, Florian (Hofangerstr. 63, München, 81735, DE)
| Patentansprüche 1. Anordnung zur Ermittlung von charakteristischen Daten ei- ner Ringmotor-getriebenen Mühle, welche eine rotierende Mühlenhülle (13) mit Rotorspulen (18) und einen Stator (5) mit Statorspulen (1, 2, 3) umfasst, -wobei eine Übertragung von Schwingungen der Mühlenhülle (13) auf Statorspulen (1, 2, 3) und/oder auf am Stator (5) positi- onierte Messspulen (6) stattfindet, und die Anordnung zur Messung von Induktionsspannungen oder -strömen folgendes aufweist: - mindestens eine Statorspule (1, 2, 3), die zum Abgriff von Induktionsspannungen oder -strömen an deren Leistungsversor- gung (E, F) ausgelegt ist, zur Erfassung von elektrischen Signalen aufgrund von Schwingungen der Mühlenhülle (13) an der Position der mindestens einen Statorspule (1, 2, 3), und/oder - mindestens eine Messspule (6), die zur Aufnahme von Induk- tionsspannungen oder -strömen ausgelegt ist, die am Stator (5) angebracht und separat auslesbar ist, zur Erfassung von Schwingungen der Mühlenhülle (13) an der Position der mindestens einen Messspule (6) am Stator (5), - wobei die mindestens eine Statorspule (1, 2, 3) und/oder die mindestens eine Messspule (6) jeweils in einem Sektor (17) positioniert sind, in dem bezogen auf den Umfang der Mühlenhülle (13) wesentliche Schwingungen der Mühlenhülle (13) zu erwarten sind. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die mindestens eine Statorspule (1, 2, 3) und/oder die min¬ destens eine Messspule (6), zur Aufnahme von Induktionsspan¬ nungen oder -strömen, die in einem Sektor (17) der Mühlenhülle (13) mit möglichst großen Schwingungen positioniert ist, und mindestens eine weitere Statorspule (1, 2, 3) und/oder min¬ destens eine weitere Messspule (6), die in einem Sektor (17) der Mühlenhülle (13) mit möglichst geringen Schwingungen po¬ sitioniert ist. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Auslegung einer Vielzahl von unterschiedlich positionierten Statorspulen (1,2,3) und/oder Messspulen (6) für den Abgriff von Induktionsspannungen oder -strömen. 4. Verfahren zum Betrieb einer Ringmotor-getriebenen Mühle, welche eine rotierende Mühlenhülle (13) mit Rotorspulen (18) und einen Stator (5) mit Statorspulen (1, 2, 3) umfasst, - wobei eine Übertragung von Schwingungen der Mühlenhülle (13) auf Statorspulen (1, 2, 3) und/oder auf am Stator (5) positionierte Messspulen (6) stattfindet, umfassend folgende Schritte: - die an mindestens einer Statorspule (1, 2, 3) und/oder an mindestens einer Messspule (6) induzierte Induktionsspannung, wird durch Abgriff an der Leistungsversorgung (E, F) der mindestens einen Statorspule (1, 2, 3) und/oder durch Abgriff an mindestens einer Messspule (6), ermittelt, - es wird mindestens eine Zustandsvariable eines Mahlverfah¬ rens abgeleitet, die den Zustand der Befüllung der Mühle im Sektor (17) der zugehörigen Statorspule (1, 2, 3) wiedergibt. 5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Auswertung über Modellrechnungen, um zusätzliche Verfahrensvariable, zusätzliche Ausbeute, sowie die Anteile an Erz, an Stahlkugeln und an Wasser, in der Mühle, zu erhalten. 6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Auswertung des Spektrums der Schwingungen, zum Erhalt zusätzlicher Verfahrensvariablen, zusätzlicher Ausbeute, sowie die Anteile an Erz, an Stahlkugeln und an Wasser in der Mühle . 7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch - die Ermittlung von Induktionsspannungen oder -strömen an mindestens einer Statorspule (1, 2, 3) und/oder mindestens einer Messspule (6) in einem Sektor (17) der Mühlenhülle (13) mit möglichst großen Schwingungen, sowie durch - die Ermittlung von Induktionsspannungen von mindestens einer Statorspule in einem Sektor mit möglichst geringen Schwingungen, sowie - eine Differenzbildung zwischen den in unterschiedlichen Sektoren (17) aufgenommenen Induktionsspannungen. 8. Verfahren nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, gekennzeichnet durch die Ermittlung der Differenz zwischen Induktionsspannungen, die an einer Vielzahl von Statorspulen (1, 2, 3) und/oder einer Vielzahl von Messspulen (6) aufgenommen werden, wobei sich die Statorspulen (1, 2, 3) einmal in einem Sektor (17) mit geringen Schwingungen der Mühlenhülle (13) und ein anderes Mal in einem Sektor (17) mit starken Schwingungen der Mühlenhülle (13) positioniert sind. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch die zusätzliche Messung von Differenzen zwischen in Statorspulen (1, 2, 3) induzierten Strömen in unterschiedlichen Sektoren (17), womit eine Aussage über den zeitlichen Verlauf der Bewegungen in der Mühlenhülle ermittelt werden kann. 10. Schaltung zum Betrieb einer Ringmotor-getriebenen Mühle zur Aufnahme von charakteristischen Daten, welche eine rotierende Mühlenhülle (13) mit Rotorspulen (18) und einen Stator (5) mit Statorspulen (1, 2, 3) umfasst, wobei eine Übertragung von Schwingungen der Mühlenhülle auf Statorspulen (1, 2, 3) und/oder auf am Stator positionierte Messspulen (6) stattfindet, und die Schaltung zur Auslesung einer Induktionsspannung von einer Statorspule (1, 2, 3) mindestens eine Auslesespule (LM) zur induktiven Auslesung an einer Anschlussleitung der Statorspule (1,2,3) umfasst. 11. Schaltung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Auslesung mindestens einer Induktionsspannung, an mindestens zwei Statorspulen (1, 2, 3) mittels mindestens zweier Auslesespulen (LM) durch induktive Kopplung an jeweils einer Anschlussleitung der mindestens zwei Statorspulen (1, 2, 3), wobei die mindestens zwei Statorspulen (1, 2, 3) parallel ge¬ schaltet sind und die mindestens zwei Auslesespulen (LM) an¬ tiparallel in einem separaten Messkreis geschaltet sind, wobei die Differenz der Induktionsspannungen in dem separaten Messkreis gemessen wird. 12. Schaltung zum Betrieb einer Ringmotor-getriebenen Mühle zur Aufnahme von charakteristischen Daten, welche eine rotierende Mühlenhülle (13) mit Rotorspulen (18) und einen Stator (5) mit Statorspulen (1, 2, 3) umfasst, wobei eine Übertragung von Schwingungen der Mühlenhülle auf mindestens eine Statorspule und/oder auf am Stator positio¬ nierte mindestens eine Messspule (6) stattfindet, und die Schaltung zur Berechnung von charakteristischen Daten einer Ringmotor-getriebenen Mühle in den Anschlussleitungen der mindestens einen Statorspule (1, 2, 3), mindestens eine Strommesseinheit für den Messwiderstand (RM) aufweist. |
Anordnung, Betriebsverfahren und Schaltung für eine Ringmotor-getriebene Mühle
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, Betriebsverfahren und Schaltung für eine Ringmotor-getriebene Mühle, die insbeson ¬ dere für Erze, beispielsweise in der Bergbau- bzw. Aufberei ¬ tungsindustrie eingesetzt werden kann.
Üblicherweise werden halbautogene Mühlen (SAG) und Kugelmüh ¬ len, die für den entsprechenden Einsatz ausgelegt sind, eingesetzt. Diese Mühlen bestehen prinzipiell aus einem rotie ¬ renden Zylinder, der mit Erz gefüllt ist, welches zu mahlen bzw. zu zerkleinern ist. Da der Zylinder um eine Achse rotiert, die im Wesentlichen waagerecht liegt, wird das Materi ¬ al (Befüllung/Charge) in der Mühle angehoben und fällt an ¬ schließend auf das unten verbliebene Material am Boden der Mühle zurück. In diesem Zusammenhang werden insbesondere Gra- vitationskräfte ausgenutzt. Der Aufprall der Erzstücke genau ¬ so wie der Abrieb innerhalb der zirkulierenden Befüllung verursacht das Brechen des Erzes.
Um die Mahlleistung zu erhöhen, werden in einigen Mühlenvari- anten zusätzlich Stahlkugeln zur Befüllung eingebracht. Die Mitnahme bzw. Anhebung des Befüllungsgutes bei der Rotation wird durch so genannte Mitnehmer (Liner) unterstützt, welche in Form von schaufelähnlichen Strukturen auf der inneren Mühlenwand ausgebildet sind.
Für optimale Regelzwecke ist es nützlich, die Messung charak ¬ teristischer Variablen der verwendeten Mahlverfahren durchführen zu können. Beispiele für derartige Variablen sind: - der volumetrische Befüllungsgrad der Mühle,
- die geometrische Position der Befüllung,
- das Gewicht der Befüllung,
- der Betrag an Stahlkugeln in der Mühle, - der Betrag an Wasser in der Mühle,
- die Anzahl der Aufschläge auf Mitnehmer pro Zeiteinheit und
- die Größenverteilung der Erzstücke in der Mühle.
Um den enormen Energieverbrauch der Mühle zu minimieren, bzw. einen ständig hohen Durchsatz beizubehalten oder um die Anzahl von auf die innere Mühlenwand aufprallenden Teilchen (Mitnehmeraufprall) zu reduzieren, ist die Kenntnis oben ge- nannter Daten der Mahlanlagen nützlich. Aufgrund der Mühlengeometrie und der rauen Umweltbedingungen ist es ohne Aufwand nicht möglich, bei Mahlanlagen nach dem Stand der Technik beispielsweise oben erwähnte Verfahrensvariable während des Betriebes zu messen.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren bekannt, um beispielsweise das Gesamtgewicht des Materials in der Müh ¬ le zu bestimmen. Eine einfache Form besteht in der Auswertung des Öldruckes in den Mühlenlagerungen. Ein weiterer Weg läuft über die Messung der Leistungsaufnahme [1] .
In dem Stand der Technik nach [2] wird das Gesamtgewicht der Mühlenbeladung über deren Einfluss auf das anfängliche Mas ¬ senträgheitsmoment der Mühle bestimmt. Das Moment kann aus der Reaktion der Mühlengeschwindigkeit auf eine kleine Verän derung des Drehmomentes hin abgeleitet werden.
In der Druckschrift [3] werden eine elektromagnetische Quelle innerhalb der Mühle und ein Empfänger an der Außenseite der Mühle zur Messung der Beträge von Erz und von Stahlkugeln in der Mühle und weiterhin zur Messung der Mitnehmerabnutzung eingesetzt .
Eine klassische und heutzutage allgemein angewendete Art zur Bestimmung der Ladung einer Mühle mit einem qualitativen Maß stab ist die so genannte "Hardinger Electric Ear Methode"
[4] . Falls die Beladung der Mühle zu gering ist, werden zahl reiche Treffer auf den Mitnehmern zu verzeichnen sein und lauten Schall erzeugen. Das "Hardinger Electric Ear" verwendet ein Mikrofon an der Außenseite der Mühle zur Messung der Amplitude des sich ergebenden Schalls. Die akustische Amplitudenaufzeichnung kann nach Amplituden- höchstwerten/Peaks durchsucht werden, woraus auf die genaue Anzahl der Treffer auf den Mitnehmer gefolgert werden kann. Dieses System ist bekannt als "Impact Meter" [5] (Zerkleine- rungs- oder Aufprall-Messgerät) .
Die akustische Detektion ist weiterentwickelt worden durch [5, 6] . Dabei wird ein drahtloses Mikrofon auf der Mühlenhül ¬ le bzw. Mühlenaußenwand befestigt, um lokal das Bruch-/ Auf ¬ prall-Geräusch im Inneren der Mühle zu messen, welches in der Nähe der Position des Mikrofons erzeugt wird. Da das Mikrofon zusammen mit der Mühle rotiert, "sieht" dies sämtliche Posi ¬ tionen in einem Mühlenquerschnitt. Aus dem Unterschied zwi ¬ schen den Schallamplituden kann die geometrische Position der Befüllung abgeleitet werden.
Entsprechend der Veröffentlichungen [7, 8] wird der Einsatz von elektrischen Regelvariablen eines Last kommutierten Invertierers, (LCI ) -Antriebs , vorgeschlagen, um die aktuelle Last der Mühle bezogen auf den Strom abzuschätzen und um be- sondere Fehlerzustände des LCI-Antriebs zu erkennen. Das Ver ¬ fahren scheint besonders auf LCI-Antriebe ausgelegt zu sein.
Die genannten Verfahren beinhalten einige Informationen über den Mühlenstatus. Es ist jedoch keine Messung beispielsweise für die Stückgrößenverteilung sowie für eine zuverlässige
Messung der Anteile von Stahlkugeln, Erz- und Wasser im Betrieb möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Messung des zeitlichen Verlaufes der von Bewegungen des Füllgutes an der Mühlenhülle verursachten Schwingungen, so dass die Bestimmung mindestens einer der oben genannten Verfahrensvariablen des Systems, durchführbar ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine geeignete elektrische Schaltung bereitzustellen, um die Schwingungen an der Mühlenhülle mit hoher Genauigkeit für ausgewählte Positionen an der Mühlenhülle zu erfassen.
Gelöst werden die verschiedenen Aufgaben durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängig formulierten Ansprüche. Die vorliegende Erfindung ist auf den Einsatz einer elektrischen Anordnung, die in der Mühle in deren Antrieb eingebaut werden kann und zur ortsabhängigen Messung von Schwingungen der Mühlenhülle dient, ausgerichtet. Damit lassen sich Infor ¬ mationen über den Zustand der Mühle, wie die Position oder das Volumen der Mühlenbeladung oder andere Parameter, ermitteln .
Eine Messung von Induktionsspannungen oder -strömen in mindestens einer Statorspule des Ringantriebs der Mühle wird mittels einer elektrischen Schaltung ausgeführt. Damit werden die Induktionseffekte aufgrund ortsabhängiger Schwingungen der Mühlenhülle durch entsprechende Auswahl der Position ei ¬ ner auszulesenden Statorspule und/oder einer oder mehrerer Messspulen erfasst. Dabei erzeugen die mechanischen Rotor- Schwingungen, die sich auch über die Rotorspulen und Rotormagnete fortsetzen, im Stator bzw. in den Statorspulen und/oder den Messspulen Schwingungen, die zu Induktionseffekten führen. Eine Parallelschaltung von Spulen ist beispielsweise die Ba ¬ sis für eine Anordnung entsprechend der Erfindung. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der Messung der Stromdifferenz zwischen unterschiedlichen Statorspulen bzw. Spulenpaaren und/oder Messspulen.
Falls sich eine Spule in der Nähe des oberen Bereichs bzw. des Kopfteils der Mühle befindet und sich um diese Position oder in diesem Sektor wenige Schwingungen ergeben, kann der Strom Ii dieser Spule als das ungestörte Bezugssignal angese ¬ hen werden. Jegliche Differenzen von anderen Strömen I2 oder I3 weiterer Spulen relativ zu Ii ergeben sich aus der entsprechenden Quelle wie Statorspule oder Messspule. Dies sind Induktionsreaktionen aufgrund der mechanischen Schwingungen der Mühlenhülle, die zu Induktionseffekten in den Statorspu ¬ len und/oder den Messpulen, welche ebenfalls am Stator angeordnet sind, führen. Der grundlegende Aufbau einer mit einem Ringmotor angetriebe ¬ nen Mühle besteht aus einem waagerecht liegenden drehbaren Hohlzylinder, der als Rotor bezeichnet wird und in welchem das Mahlverfahren abläuft. In der Regel befindet sich an ei ¬ nem Ende des Hohlzylinders ein Ring mit Rotormagneten, die mit Rotorspulen ausgestattet sind. Neben der mechanischen Lagerung des Hohlzylinders ist ein Stator vorhanden, der eine den Ring mit Rotormagneten umgreifende Konstruktion darstellt mit einem Ring von Statormagneten, die mit Statorspulen ausgestattet sind. Die Rotormagnete und die Statormagnete bilden insgesamt einen Ringmotor durch eine ineinandergreifende An ¬ ordnung der beiden Ringe, wobei die Ringmagnete und die Sta ¬ tormagnete in radialer Richtung mit geringem Abstand aneinander passieren. Zur Messung des gesamten Umfangs der Mühlenhülle ist die Er ¬ fassung einer Vielzahl, im Extremfall sämtlicher, Statorspulen erforderlich. Es kann alternativ eine partielle oder vollständige Abdeckung mit separaten am Stator positionierten Messspulen 6 eingesetzt werden. Diese Messspulen liegen ähn- lieh wie die Statorspulen im Wirkungsbereich der Rotormagnete/Rotorspulen .
Wesentlich ist die Erfassung von Induktionseffekten in Sektoren, in denen die Anlage befüllt ist und große Schwingungen zu erwarten sind. Darüber hinaus kann in einem Sektor mit sehr geringen Schwingungen eine Referenz eingerichtet werden. Die Messung von Stromdifferenzen ist vorteilhaft im Vergleich zur direkten Messung von Strömen Ii, I2, I3, da eine hochsensitive Messung der Induktionseffekte ungehindert durch den Hochspannungs-/Strom-Hintergrund ermöglicht wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert, wobei die Frontansicht einer Mühle, teilweise geschnitten, skizziert ist, sowie Mess-Schaltungen und Formeln.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht einer bekannten umlaufenden Mahlanlage,
Figur 2 eine bekannte schematische elektrische
Schaltung der Spulen,
Figur 3 eine Anordnung zur Widerstandsmessung bzw.
Stromdifferenz-Messung I, Figur 4 eine Anordnung zum induktiven Messwertabgriff bzw. zur Stromdifferenz-Messung II,
Figur 5 ein Schema zur Abschätzung der Induktionsspannung, insbesondere für einen Trans- Vektor-Regelantrieb,
Figur 6 die schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung für Spulen mit entsprechenden Gleichungen,
Figur 7 eine schematische Darstellung zur Stromdif ¬ ferenz-Messung I mit Gleichungen,
Figur 8 eine schematische Darstellung zur Stromdif- ferenz-Messung II mit entsprechenden Gleichungen,
Figur 9 eine Darstellung einer geöffneten und teilweise aufgebrochenen Mühle mit Ringmotor. SAG-Mühlen und einige Kugelmühlen werden durch große elektrische, getriebelose Ringantriebe, welche den gesamten Mühlen- zylinder umfassen, angetrieben. Die vorliegende Erfindung beschreibt eine elektrische Anordnung, die in einem solchen ge ¬ triebelosen Antrieb zur Bestimmung von oben erwähnten Verfahrensvariablen eingesetzt wird. In einem grundlegenden Aufbau können mittels der Erfindung die Position der Beladung sowie Schulter und Fußposition, und die hauptsächliche Aufprallzone gemessen und/oder abgeleitet werden.
Eine Messung von Induktionsspannungen oder -strömen in mindestens einer Statorspule ist zunächst extrem schwierig, was auf mehreren Gründen beruht. Ein Beitrag der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine geeignete elektrische Schaltung bereitzustellen, um die Induktionseffekte mit hoher Genauig ¬ keit an jeder einzelnen Spule zu messen. Die Messung der Induktionsspannungen oder Ströme an mindestens einer Statorspule war aus folgenden Gründen bisher problematisch :
- An erster Stelle sind hohe Hintergrundspannungen und - ströme aus dem normalen Mühlenbetrieb zu nennen, die bei- spielsweise im Bereich von kA, kV liegen. Messungen von kleinen Induktionseffekten, etwa im Bereich von mV, relativ zu dem oben genannten Hintergrund, würden extrem hohe Präzisionsmessungen erfordern.
- Weiterhin treten viele externe Effekte, aufgrund derer der Antriebsstrom von seiner gewünschten sinuidalen Form abweicht beispielsweise beim Zyklokonverter oder bei anderen Leistungsvarianten, auf.
Es ist mit Aufwand verbunden, die externen Effekte von ge ¬ wünschten mühleninternen Signalen, wie beispielsweise die Schwingungen der Mühlenhülle 13, beispielsweise von Antriebs ¬ geräuschen, zu unterscheiden. Vorteile ergeben sich bei der Auswertung über Modellrechnungen mit Bezug auf bekannte Verfahrensvariable. Vorteile sind zusätzliche Ausbeute sowie die weitere Ermittlung von Variab ¬ len wie Anteile an Erz, an Stahlkugeln und an Wasser in der Mühle.
Figur 1 zeigt eine schematische Frontansicht einer umlaufen ¬ den Mahlanlage. Der größte Anteil innerhalb der Mühle wird von Füllmaterialien abgedeckt, die einen wesentlichen Sektor des Zylinders belegen. Horizontal gestreifte Kugeln bedeuten Erz 15; vertikal gestreifte bedeuten Stahlkugeln 16. Begrenzt ist die Befüllung durch die Schulter- und die Fußposition sowie die Mühlenhülle 13, hier ein Hohlzylinder. Einige Materialien verlassen diesen Sektor der Mühle beim Drehen in der Nähe der Position eines Mitnehmers (nicht dargestellt) und wirken auf den Boden der Mühle in der Nähe der Fußposition ein. Aufprallkräfte 10 und Kraftketten 11 innerhalb der Mate- rialien/Befüllung versetzen die Hülle in Schwingungen. Es können viele chaotische Schwingungen erwartet werden und die Amplitude der Schwingungen wird ortsabhängig sein. Eine große Amplitude wird sich an der Position der Statorspule 2, eine mittlere Amplitude entsprechend Position der Statorspule 3, und eine annähernd Nullamplitudenposition entsprechend der Statorspule 1 ergeben.
In Figur 1 sind Rotorspulen 18 angedeutet. Diese sind in ei ¬ ner Mehrzahl ringförmig an der rotierenden Mühlenhülle 13 angebracht. Die Statorspulen 1, 2, 3 befinden sich auf dem Stator 5, sind ortsfest und nehmen Schwingungen der vorbeilau- fenden Rotormagnete bzw. Rotorspulen 18 auf. So betrachtet richtet sich die Auswahl der Position einer Statorspule 1, 2, 3 oder die Positionierung einer Messspule 6 für eine Messung am Stator 5 nach der Lage eines ausgewählten Sektors 17, der relativ zum Stator ebenfalls ortsfest ist. Der Begriff "orts- abhängig" bedeutet hier, dass unterschiedliche Positionen an der Mühlenhülle mit unterschiedlichen Ereignissen entlang des Zylinderumfangs verbunden sind. Statisch sind der Stator 5, die Statorspulen 1, 2, 3, eine optionale Messspule 6, und der jeweilige Sektor 17. Die Mühlenhülle rotiert, wobei die Lage von Ereignissen innerhalb der Befüllung relativ zum Stator konstant bleibt. Eine mechanisch/elektrische Wandlung ge ¬ schieht am Stator, indem übertragene mechanische Schwingungen als elektrisches Signal aufgrund von Induktionseffekten an der Statorspule 1, 2, 3 bzw. an der Messspule 6 abgreifbar sind .
Es sollen mechanische Schwingungen der Mühlenhülle 13 ortsab ¬ hängig gemessen werden, wobei der grundlegende Beitrag der vorliegenden Erfindung darin besteht, den Motor, bestehend aus Statorspulen und Rotorspulen, zur Messung der Schwingung an der Mühlenhhülle heranzuziehen und nicht einen externen akustischen Sensor.
Dies funktioniert wie folgt:
- Die Rotormagnete der getriebelos (ohne Getriebe) angetrie ¬ benen Mühle sind ringförmig auf der Außenseite der Mühlenhül ¬ le 13 montiert,
- der umgebende Antriebskörper 14 stellt den Stator des Antriebs dar,
- durch Bewegungen/Schwingungen der Mühlenhülle und damit auch der Rotormagnete werden Induktionsspannungen in den Statorspulen hervorgerufen, die proportional zum Betrag der Bewegung des Rotors sind.
Da es zahlreiche separate Statorspulen gibt, ungefähr 50-100 Pole in einem typischen SAG-Antrieb, ist die Induktionswirkung in jeder Spule separat messbar, so dass eine Ortsabhän- gigkeit der Schwingungen der Mühlenhülle erfassbar ist, woraus man wichtige Zustandsvariablen des Mahlprozesses ableiten kann .
Stromschwankungen von Ii oder I2 induzieren Spannungen in Auslesespulen L M . Falls die Spulen antiparallel verbunden sind, so wird lediglich die Induktions-Spannungsdifferenz zwischen den Punkten A und B gemessen. Die Spannungsdifferenz ist proportional zu der Differenz von Ii und I 2 bei Strom ¬ schwankungen .
Entsprechend Figur 2 sind die Spulen einer einzelnen Phase parallel geschaltet und Induktionsspannungen in einer Spule verursachen in der Regel, dass Ströme in den parallelen Kreis fließen. Dies führt zu Stromdifferenzen zwischen den Strömen Ii, I2, I3. Bisher konnten Induktionseffekte nur unzureichend an den gemeinsamen Leistungsanschlüssen bzw. der Leistungs- Versorgung E, F gemessen werden.
Die Parallel-Schaltung entspricht der Basis für eine Anord ¬ nung entsprechend der Erfindung. Eine vorteilhafte Ausgestal ¬ tung besteht in der Messung der Stromdifferenz/Spannungs- differenz zwischen Messsignalen aus unterschiedlich am Statorumfang positionierten Statorspulen oder Messspulen. Da Statorspule 1 sich in der Nähe des oberen Bereichs bzw. des Kopfteils der Mühle befindet, wie in Figur 1 dargestellt, und sich um diese Position herum wenige Schwingungen ergeben, we- der ein Aufprall 10, noch Kraftketten 11, kann der Strom Ii als das ungestörte Bezugssignal angesehen werden. Jegliche Differenzen von I 2 oder I3 relativ zu Ii müssen sich aus der geforderten Signalquelle, Statorspule 1, 2, 3 und/oder einer Messspule 6 ergeben. Stromdifferenzen ermöglichen den Zugriff auf den Zeitverlauf der Bewegungen der Mühlenhülle 13. Indem die Stromdifferenzen für sämtliche Spulen, unabhängig voneinander aufgezeichnet werden können, wird eine ortsabhängige Messung der Bewegungen der Mühlenhülle ermöglicht. Die Messung von Stromdifferenzen ist aus mehreren Gründen vorteilhaft im Vergleich zur Messung von Ii, I 2 , I3. Dies ermöglicht eine sensitive Messung der Induktionseffekte, unge ¬ hindert durch den Hochspannungs-/Strom-Hintergrund. Weiterhin wirken externe Störungen auf die Leistungsversorgung derart, dass sämtliche parallelen Ströme gleichmäßig beeinflusst wer ¬ den und Differenzmessungen der Ströme oft unsensitiv sind, so dass sich kein Signal Verwerten lässt. Nachdem unmittelbare Informationen über die Bewegung der Mühlenhülle 13 um einen vollständigen "Querschnitt" (mindestens eine Umdrehung) der Mühle erhalten worden sind, können Signalverarbeitungstools zusammen mit der zusätzlichen Eingabe ei- nes Befüllungsgewichts und einer Leistungsaufnahme sowie der Lage von Fuß und Schulter der Beladung ins Verhältnis gesetzt werden und das Gesamtvolumen der Beladung sowie der Anteil von Stahlkugeln/Erz/Wasser ermittelt werden. Damit können Kosten gegenüber Anlagen nach dem Stand der Technik wesentlich gesenkt werden und es ist eine robuste Ausführung erhältlich, die rauen Umweltbedingungen widersteht. Der Aufbau entsprechend der Erfindung benötigt keine Batterien oder Akkus, welche in Zeitabständen gewechselt oder aufgeladen werden müssen, und damit zusätzliche Kosten aufwerfen. Batterien oder Akkus werden z.B. für akustische Sensoren außen auf der Mühlenhülle benötigt, da diese sich mit ¬ drehen und nicht mit einer netzbasierten Stromversorgung ausgestattet werden können.
Mit der vorliegenden Erfindung können anhand des Gewichts der Befüllung der Mühle weitere unterschiedliche Verfahrensvari ¬ ablen ermittelt werden. Die vorliegende Erfindung kommt dabei ohne zusätzliche Sensoren außerhalb des Mühlenantriebs aus.
In Figur 3 und Figur 4 werden zwei Realisierungen der Erfindung dargestellt, welche die Messung von Stromdifferenzen bzw. Spannungsdifferenzen mit hoher Genauigkeit ermöglichen. Entsprechend Figur 3 werden Messungen des Messwiderstands R M dargestellt. Spannungsdifferenzen zwischen den Punkten B und C, welche mit sehr großer Genauigkeit gemessen werden können, sind proportional zu Stromdifferenzen. Die Figur 4 zeigt einen induktiven Aufbau. Stromschwankungen von Ii oder I2 induzieren Spannungen in den beschriebenen Auslesespulen LM · Falls die Spulen antiparallel verbunden sind, wird lediglich die Induktions-Spannungsdifferenz zwischen den Punkten A und B gemessen. Die Spannungsdifferenz ist proportional zu der Differenz bei Stromschwankungen von I i und I 2 .
Theoretische Betrachtungen und Abschätzungen der auftretenden Effekte einschließlich der wesentlichen mathematischen Formeln sind in den Figuren 5-8 dargestellt. Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht eines elektrischen Antriebs, dargestellt mit Symbolen. Trotz der wesentlichen Vereinfachung einer realen Darstellung, sind die wesentlichen Elemente ausreichend wiedergegeben, um die Folgen entspre ¬ chend der Größe der Induktionsauswirkungen abschätzen zu kön- nen.
In Figur 5 ist insgesamt dargestellt, wie eine einzige Draht ¬ schleife in einem Magnetfeld B rotiert. In der Nähe eines der Drähte in dem Querschnitt ist das Feld durch eine kleine In- homogenität ΔΒ gestört; ein geringer Anteil f von B, wird durch die mechanische Bewegung der ein Feld erzeugenden Spulen auf der Mühlenhülle verursacht.
Die resultierende Induktionsspannung kann wie folgt abge ¬ schätzt werden:
- Gleichung (1) stellt das Lorenzsche Kraftgesetz für die Mo- menten-Erzeugung aufgrund des Stromflusses durch den Draht dar .
- Gleichung (2) gibt die Induktionsspannung an, beispielsweise Arbeit pro Ladung, die gegeben ist über die Wirkung der Lorenz-Kräfte auf die Ladung in dem Draht mal der Länge des Drahtes .
Die Lorentz-Kräfte sind ihrerseits proportional zu dem Feld. Die Gleichungen (1) und (2) können kombiniert werden in Mo- menten-Erzeugungskraft mal der Rotationsgeschwindigkeit. Nach dem Einsetzen von realistischen Zahlen für die Leistung und die Ströme für eine 40 Fuß SAG-Mühle erreicht man Induktions ¬ spannungen in der Größenordnung von kV multipliziert mit dem Störfaktor des Feldes. Falls die Induktionsspannungen im Be- reich von mV gemessen werden könnten, wäre die Möglichkeit gegeben, Feldveränderungen in der Größenordnung von bis zu 0,0001 % zu detektieren. Eine Statorspulenschaltung wird in Figur 6 dargestellt. Aus den Kirchoff' sehen Gesetzen kann ein Ausdruck abgeleitet werden, der für die Induktionsspannung gilt und der von der Stromdifferenz ΔΙ abhängig ist und ein Zeitderivat von ΔΙ ' darstellt, wie es in Gleichung (4) wiedergegeben ist.
In Figur 7 ist gezeigt, wie die erste der zwei vorgeschlage ¬ nen Stromdifferenz-Messungsschaltungen realisiert ist. Der endgültige Ausdruck für die geforderten Signale, beispiels ¬ weise die Induktionsspannung basierend auf den gemessenen Leistungswerten, beispielsweise U B c in diesem Fall, wird durch die Gleichung (5) wiedergegeben. Der Ausdruck erfordert die Ableitung der gemessenen Spannung Um r welche über einen (glättenden) derivativen Filter von UAB erhalten wird. In Figur 8 ist der zweite Stromdifferenz-Messaufbau wiederge ¬ geben. In diesem Fall ist das gemessene UAB~Signal proportio ¬ nal zu der zeitlichen Ableitung der Stromdifferenz. Somit wird für den endgültigen Ausdruck zur gezielten Induktionsspannung in Gleichung (7) in diesem Fall eine Integration notwendig. Die Integration kann stabilisiert werden durch die Addition eines kleinen exponentiellen Dämpfungsgliedes, wie es in Gleichung (6) wiedergegeben ist.
Durch die Möglichkeit der Bestimmung der augenblicklichen In- duktionsspannung können Rückschlüsse über die zeitvariablen Magnetfeld-Inhomogenitäten gezogen werden, deren Hochfrequenzkomponenten durch kleine mechanische Schwingungen an der Mühlenhülle generiert werden, wie es entsprechend der Glei ¬ chung 3 und in Figur 5 dargestellt ist. Somit wird durch die oben beschriebenen Messungen der vollständige Zeitverlauf dieser Schwingungen rekonstruiert. In Figur 9 ist ein Modell einer Mühle mit Ringmotorantrieb dargestellt. Angetrieben wird der Hohlzylinder mit der Bezeichnung Mühlenhülle 13. Im Innern befindet sich die Befül ¬ lung 12, welche bei Rotation der Mühlenhülle ständig umge- wälzt wird. Der Stator 5 des Ringmotors ist vorgezogen und es sind Statorspulen angedeutet. Messpulen 18 sind im Bereich der Statorspulen 1, 2, 3 angeordnet.
Literaturverzeichnis
[1] US 4404640 [2] DE 10 2006 038 014 B3 [3] US 5698797 [4] US 2235928
[5] D.G. ALMOND, W. VALDERRAMA, "Performance enhancement tools for grinding mills", First International Platinum Conference, 2004 [6] US 6874366
[7] Jorge PONTT, "MONSAG: A new monitoring System for meas- uring the load filling of a SAG mill", Minerals Engineering 17, 2004, pages 1143-1148
[8] US 2008/0097723