Brevet FR2721711A1 — publié le 19951229

DISPOSITIF DE MESURE DE LA QUANTITE DE CHARBON DANS UN BROYEUR A BOULETS La présente invention est relative à la mesure en continu de la quantité de charbon dans un broyeur à boulets. Lors de l'utilisation d'un broyeur à boulets, il est nécessaire de s'assurer en permanence que la quantité de charbon soit constante, de manière à assurer un broyage et un séchage optimaux. Si la quantité de charbon introduite est trop importante, le broyage est insuffisant et le séchage imparfait; si la quantité de charbon introduite est trop faible, la chaudière en aval est insuffisamment alimentée. Des systèmes ont été envisagés pour estimer la quantité de charbon contenue dans un broyeur à boulets en fonctionnement. Un premier système est fondé sur variation de la mesure de la puissance absorbée par le moteur électrique entraînant la rotation du broyeur à boulets. Cette méthode est peu sensible; en outre, elle nécessite un réétalonnage fréquent en fonction de l'usure des boulets ou de l'adjonction de nouveaux boulets. Un autre système est fondé sur l'utilisation de sondes de niveau. Des sondes pneumatiques, comprenant chacune un tuyau pneumatique dont une extrémité est introduite à l'intérieur du broyeur, permettent d'effectuer des mesures de la différence de pression existant entre deux niveaux; on peut en déduire la quantité de charbon se trouvant dans le broyeur. Cependant, les sondes de niveau sont installées dans un environnement hostile (poussière de charbon, chutes de boulets, risques de bouchage, etc...) rendant le risque de pannes important; les sondes sont reliées à une armoire pneumatique complexe, donc onéreuse, de mainteance coûteuse. La disponibilité d'un tel système est moyenne. Un autre système est fondée sur la mesure du bruit émis par le broyeur. Cette méthode présente l'inconvénient de fournir un signal très dépendant du débit du broyeur, de la taille des morceaux de charbon introduits, de la quantité de boulets présente dans le broyeur et de l'usure des plaques de blindage équipant les parois internes du broyeur. Un but de la présente invention est de définir un dispositif de mesure de la quantité de charbon dans un broyeur qui soit précise, qui ne nécessite pas de placer des organes dans le milieu hostile constitué par l'intérieur du broyeur, et dont le résultat ne dépende ni de la granulométrie du charbon brut utilisé, ni du débit du broyeur, ni de la quantité et de l'usure des boulets. Un autre but est de réaliser un dispositif de mesure de faible coût et de haute disponibilité. Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif dont le réétalonnage ne nécessite ni intervention à l'intérieur du broyeur, ni arrêt du fonctionnement de ce dernier. L'invention a pour objet un dispositif pour la mesure en continu de la quantité de charbon à l'intérieur d'un broyeur à boulets, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur d'une onde, choisie parmi les ondes ultrasonores et électromagnétiques, un récepteur de l'onde, l'émetteur et le récepteur étant disposés de manière que l'onde traverse au moins en partie l'intérieur du broyeur, le récepteur étant associé à un circuit électronique déduisant la quantité de charbon de la comparaison du signal reçu avec des données issues de mesures préalables d'étalonnage. La mesure est fondée sur un phénomène choisi parmi l'absorption de l'onde et la variation de la vitesse de déplacement de l'onde. L'émetteur est un émetteur d'ondes ultrasonores et le récepteur est un récepteur d'ondes ultrasonores, la mesure étant fondée sur la différence d'amplitude entre le signal émis et le signal reçu. L'émetteur est un émetteur d'ondes ultrasonores et le récepteur est un récepteur d'ondes ultrasonores, l'émetteur d'ondes ultrasonores effectuant un balayage en fréquence dans une plage donnée de fréquences, la mesure étant tirée de l'écart entre la fréquence mesurée du pic d'absorption et la fréquence du pic d'absorption dans l'air exempt de charbon. La plage de fréquence s'étend de 400.000 Hz à 1 MHz. L'émetteur et le récepteur sont disposés de part et d'autre du broyeur, sur l'axe de rotation de celui-ci, l'onde cheminant axialement à travers le broyeur. L'invention sera bien comprise à la lecture d'un exemple particulier de mise en oeuvre, donné à titre illustratif mais nullement limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente schématiquement en élévation en coupe une installation de broyage de charbon, muni d'un dispositif de mesure de l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est un diagramme montrant en fonction de la fréquence d'une onde sonore traversant le broyeur, les variations de la valeur théorique et de la valeur réelle de l'absorption corrigée, - la figure 4 est un schéma d'un exemple de circuit électronique pour la mise en oeuvre du dispositif de mesure de l'invention. Dans l'exemple décrit maintenant et représenté dans la figure 1, il est question d'un broyeur cylindrique avec alimentation par vis d'Archimède. I1 est bien clair que l'invention s'applique à tout type de broyeurs à boulets (broyeurs biconiques par exemple) quel que soit le dispositif d'introduction du charbon à l'intérieur du broyeur. La figure 1 représente schématiquement une installation de broyage de charbon comprenant au moins un dispositif d'alimentation 10 alimentant en charbon un broyeur à boulets globalement désigné par la référence 20. Le dispositif d'alimentation 10 comprend une trémie de stockage 1 dont est extrait le charbon 2 qui est amené par un convoyeur à chaîne 3 placé dans un caisson 4 et entrainé par un moteur 5, à un première extrémité d'une tuyauterie verticale 6. Le broyeur 20 comprend une virole cylindrique 11 terminée par deux portions coniques 12 et 13 auxquelles sont fixés respectivement deux tourillons 14 et 15 destinés à supporter la virole. Les tourillons sont posés respectivement sur deux paliers 16 et 17 munis de coussinets. Le broyeur est entrainé en rotation grâce à une couronne dentée 18 coopérant avec un pignon non représenté entraîné par un moto-réducteur électrique non représenté. Dans l'axe des viroles 14 et 15 sont disposés deux portions tubulaires 21 et 22 munies respectivement d'une vis d'Archimède élastique coaxiale 23 et 24 et entraînées en rotation avec le broyeur. De l'air chaud est introduit par des canalisations respectivement 25 et 26 à l'intérieur des portions tubilaires 21 et 22 sous une pression de quelques dizaines d'hectopascals. Le charbon arrive par gravité à travers la canalisation 16 dont la seconde extrémité débouche au droit de la portion tubulaire 22. Le charbon arrive également sur l'autre portion tubulaire 21 par une canalisation 16' d'un autre dispositif d'alimentation non représenté. Le charbon est entraîné à l'intérieur du broyeur par la rotation des vis d'Archimède 23 et 24. Le broyeur est garni de boulets 27, par exemple d'acier. Lorsque la virole tourne, les boulets écrasent le charbon; les particules fines de charbon sont entraînées par l'air chaud, dans les espaces annulaires 28, 29 compris respectivement entre les viroles 14, 15 et les portions tubulaires 21, 22, et évacuées vers les brûleurs par des conduits 30 et 31. La figure 2 est une vue agrandie en coupe de la virole, en fonctionnement. On distingue la masse des boulets 27, déportée par la rotation de la virole dans le sens de la flèche. La poussière de charbon résultant du broyage surmonte cette masse. Le dispositif de l'invention comprend, dans l'exemple décrit, un émetteur d'ultrasons 35, placé à l'extérieur du broyeur et émettant parallèlement à l'axe de rotation du broyeur, à travers la portion tubulaire 21; les ultrasons, traversant le broyeur et la partie tubulaire 22, sont reçues par un récepteur 36 placé à l'extérieur du broyeur, dans l'axe de l'émetteur. Des trous dans le capotage sont pratiqués pour permettre le passage de l'onde sonore. Le Demandeur a observé en effet qu'une émission ondulatoire est atténuée par la présence de la poussière de charbon. Il existe une loi univoque entre la densité de poussière de charbon à l'intérieur du broyeur, donc de la quantité de charbon introduite, et l'atténuation d'une onde incidente. Il suffit donc de comparer l'amplitude de l'onde reçue et l'amplitude de l'onde émise pour connaître la quantité de charbon à l'intérieur du broyeur. Les ondes utilisées peuvent être de tout type: ondes sonores, ondes électromagnétiques (parmi lesquelles ondes lumineuses visibles ou non, rayonnement X ou y), etc... L'exemple décrit ci-après est relatif à l'utilisation d'ondes ultrasonores, dans une gamme de fréquence comprise par exemple entre 400.000 et 1 MHz. Pour bien comprendre l'invention, il faut rappeler, en se référant à la figure 1, que l'absorption A d'un signal sonore traversant un milieux gazeux tel que l'air est, en théorie, directement proportionnelle au carré de la fréquence N de l'onde, ce qui s'écrit: A = K N2 relation dans laquelle K est une constante. Le diagramme de la Fig. 1 montre la valeur théorique de K en fonction de la fréquence (courbe en tiretés) qui est une droite parallèle à l'axe des abscisses. En pratique ce coefficient K, appelé aussi absorption corrigée, n'est pas constant avec la fréquence, mais présente un pic centré sur une fréquence particulière No, dite fréquence de résonance. Si le milieu gazeux, l'air par exemple, est chargé de particules en suspension, la valeur de No dépend de la densité des particules dans le gaz. En effet, une onde sonore se propageant dans un gaz doit être considérée comme une propagation d'ondes de pression à l'intérieur du milieu. Les molécules de gaz sont donc agitées à une vitese directement en relation avec la fréquence et peuvent céder une partie de leur énergie aux particules en suspension. on constate un couplage élastique entre les molécules d'air et les particules, qui présente une fréquence de résonance No dont la valeur dépend de la densoté de particules. La figure 3 montre les variations de l'absorption pour trois valeurs de la densité des particules en suspension. La courbe Co est la courbe d'absorption pour une densité do = o de particules (air exempt de particules). La fréquence de résonance est égale à Noo. Les courbes C1 et C2 sont les courbes d'absorption pour deux valeurs dl et d2 de densité de particules de nature et de granulométrie identiques. Les fréquences de résonance sont respectivement N01 et No2. On désignera dans la suite par Non le pic de résonance correspondant à une densité dn de particules. Le circuit de la figure 4 comprend une partie A "mesure", réalisée de manière analogique, une partie B de traitement du signal de mesure, réalisée par des circuits numériques, et une partie de sortie C, analogique. Un émetteur d'ultrasons 35 émet des ondes traversant le dispositif 10 à observer, qui est un milieu gazeux (en général de l'air) chargé de particules en suspension dont on souhaite mesurer la densité. L'émetteur d'ultrasons 35 est alimenté par une chaîne comprenant un oscillateur numérique 40 auquel on associe une variation de fréquence générée à partir d'un signal rampe en dent de scies produit par un circuit de rampe 41. Le signal de sortie de l'oscillateur est converti en signal analogique par un convertisseur numérique-analogique 42, et, après amplification par un amplificateur de puissance 43, est appliqué à l'émetteur d'ultrasons 35. L'onde ultrasonore est observée par deux récepteurs, l'un 51, à proximité de la source d'émission 35, l'autre 36 placé à la sortie du système 10 à observer. Les signaux sont amplifiés, respectivement par les amplificateurs 51 et 45, puis convertis en signaux numériques respectivement par les convertisseurs analogique-numérique 52 et 46; on dispose ainsi d'un signal de référence Sr issu du convertisseur 52, et d'un signal de mesure Sm issu du convertisseur 46. Un comparateur d'amplitudes 47 permet de fournir un signal de mesure qui représente l'écart d'amplitude entre les signaux Sm et Sr. Cet écart est représentatif de l'absorption de l'onde sonore dans le milieu à observer. Un générateur de courbes point par point 55 compile cet écart de mesure de manière à établir une relation entre l'absorption corrigée A/Non en fonction de la fréquence N selon la courbe caractéristique Cn de la figure 1. Un circuit 56 pratique une fenêtre d'observation dans cette courbe de façon à déterminer la fréquence de pic correspondant à la fréquence d'absorption. On réalise le calibrage du système en faisant une mesure d'absorption du milieu exempt de particules en suspension. On obtient la fréquence N00 qui est mise en mémoire dans un circuit 57. Lors d'une mesure effectuée avec présence de particules en suspension, la fréquence de résonance Non calculée par le circuit 56 est adressée à un circuit comparateur de fréquence 58 qui reçoit du circuit 57 la fréquence de résonance de référence Noo. Le comparateur 58 fournit en sortie un signal représentant le glissement de fréquence AF = N0n - Noo, qui est une fonction directe de la densité des particules en suspension. Le signal AF est adressé à un générateur de fonction 59 dont le but est de délivrer un signal exploitable par amplification et linéarisation du signal AF. Après conversion en signal analogique par un convertisseur numérique-analogique 51, le signal est adressé à un afficheur 52 et éventuellement à un actionneur 53 permettant la régularisation automatique de la densité des particules en suspension. La sortie 48 du comparateur 47 peut être directement utilisée comme sortie de mesure, lors de la phase de calibration; le signal issu du comparateur 47 est traité par un générateur de fonction 50 pour obtenir un signal convenable, puis converti en signal analogique par le convertisseur numérique-analogique 51. Un commutateur 60 permet de passer de la mesure de calibration à la mesure normale. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu' à titre d'exemple. Dans l'exemple donné, l'onde traverse la totalité du broyeur. En variante, l'onde peut ne traverser qu'un partie du broyeur, l'onde se réfléchissant sur un obstacle et étant recueillie et mesurée par un récepteur placé du même côté que l'émetteur. Dans une variante de réalisation de l'invention, le phénomène permettant de caractériser la valeur de la densité peut être la vélocité de l'onde. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour la mesure en continu de la quantité de charbon à l'intérieur d'un broyeur à boulets, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur (35) d'une onde, choisie parmi les ondes ultrasonores et électromagnétiques, un récepteur (36) de l'onde, l'émetteur et le récepteur étant disposés de manière que l'onde traverse au moins en partie l'intérieur du broyeur, le récepteur (35) étant associé à un circuit électronique déduisant la quantité de charbon de la comparaison du signal reçu avec des données issues de mesures préalables d'étalonnage. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure est fondée sur un phénomène choisi parmi l'absorption de l'onde et la variation de la vitesse de déplacement de l'onde. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'émetteur (35) est un émetteur d'ondes ultrasonores et que le récepteur (36) est un récepteur d'ondes ultrasonores, la mesure étant fondée sur la différence d'amplitude entre le signal émis et le signal reçu. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'émetteur (35) est un émetteur d'ondes ultrasonores et que le récepteur (36) est un récepteur d'ondes ultrasonores, l'émetteur d'ondes ultrasonores effectuant un balayage en fréquence dans une plage donnée de fréquences, la mesure étant tirée de l'écart entre la fréquence mesurée du pic d'absorption et la fréquence du pic d'absorption dans l'air exempt de charbon. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plage de fréquence s'étend de 400.000 Hz à 1 MHz. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'émetteur (35) et le récepteur (36) sont disposés de part et d'autre du broyeur, sur l'axe de rotation de celui-ci, l'onde cheminant axialement à travers le broyeur.