Alia Instruments ontwikkelt met hulp Demcon slimme dichtheidsmeter voor slurry’s

Al jaren ontwikkelen Nederlandse scheepsbouwers slimme schepen. Een recent voorbeeld is de bucketwheel-dredger die Rohr-Idreco heeft gemaakt voor het Columbiaanse goudmijnbedrijf Mineros Aluvial. Rohr-Idreco legt zich toe op het bouwen van ‘intelligent dredgers’. Deze baggerschepen realiseren door hun verregaande automatisering, en met hulp van visualiseringssoftware, de maximale productie bij een zo laag mogelijk energieverbruik en optimaliseren daarmee de total cost of ownership. Naast andere slimme oplossingen heeft het bedrijf uit Doetinchem op de bucketwheel-dredger de niet-nucleaire dichtheidsmeter van Alia Instruments geïnstalleerd voor het meten van de slurry-dichtheid om de hoogst mogelijke productie te bereiken.

Slurry’s zijn in water getransporteerde abrasieve (schurende) materialen zoals zand, kiezel, grind of erts. Sectoren als de baggerindustrie, tunnelbouw, mijnbouw en metaalrecycling werken ermee. Ze meten de dichtheid van die slurry’s om opbrengsten te bepalen en de efficiëntie van hun werk te kunnen verhogen. Nucleaire straling vormt in deze sectoren van oudsher de basis voor dichtheidsmeters. De straling gaat dwars door de buis waarin de slurry wordt getransporteerd. Hoe hoger de dichtheid, hoe meer straling onderweg wordt geabsorbeerd of verstrooid en dus hoe lager het gemeten stralingsniveau aan de overkant.

Nucleaire dichtheidsmeting brengt natuurlijk veiligheidsrisico’s met zich mee en bemoeilijkt de dagelijkse operatie. Dit bezwaar wordt ondervangen door de nieuwe dichtheidsmeter ontwikkeld door Alia Instruments, dat is gehuisvest in de Enschedese locatie van technologieontwikkelaar en -producent Demcon. Alia Instruments is voortgekomen uit Imotec, dat al veel ervaring heeft opgedaan in de baggersector. Het instrument werkt volgens een mechanisch meetprincipe en is voorzien van een elektromagnetische actuator en versnellingsopnemers. De opgave was om de hardware zo simpel en robuust mogelijk uit te voeren, met het oog op de grofstoffelijke omgeving. Het geheime wapen van de innovatieve dichtheidsmeter is het hightech algoritme voor het verwerken van de meetsignalen.

Trillende constructie

Het meetsysteem van Alia Instruments is uitgevoerd als een buissegment dat met een diameter op maat (van 100 tot wel 500 mm) in de slurry-transportleiding van de klant wordt ingebouwd. Het segment is voorzien van een rubberen binnenbuis die dient als slijtlaag en net als het segment is uitgevoerd met flenzen voor een robuuste bevestiging en afdichting. Deze rubberen binnenbuis wordt aan de boven- en onderkant omhuld door een stalen constructie. Een bevestiging met bladveren aan de ‘vaste wereld’ van de meetbuis zorgt ervoor dat de constructie statisch bepaald is opgehangen en goed gedefinieerd in de verticale richting kan bewegen.

Een elektromagnetische Lorentz-actuator brengt de constructie in verticale trilling en accelerometers meten vervolgens de resulterende versnelling van binnenbuis inclusief passerende slurry. De actuator is in eigen huis ontwikkeld, om de gewenste motorconstante en frequentiekarakteristiek te verkrijgen. Speciale aandacht vergde de luchtspleet tussen de spoel en de permanente magneet. Deze moet groter zijn dan gebruikelijk, omdat de actuator anders onder ruige omstandigheden kan gaan ‘klapperen’. De actuator kan krachten in de orde van kilonewtons leveren over een breedbandig spectrum tot rond de 100 Hz. De hele constructie is stijf ontworpen om te voorkomen dat de onvermijdelijke eigenfrequenties te dicht in de buurt van de maximale actuatorfrequentie liggen. Dan zou de hele meetbuis namelijk kunnen gaan resoneren.

Modelvorming en kalibratie

De kracht die de actuator uitoefent, is bekend en de versnelling is gemeten, dus volgt hieruit de massa (de tweede wet van Newton). Met het bekende volume van het geëxciteerde buisdeel is dan de dichtheid van de op het meetmoment passerende slurry te berekenen.

Externe invloeden worden meegenomen in de dichtheidsbepaling. Denk daarbij aan mechanische stoorbronnen zoals de trillingen van de pompen die de slurry voortstuwen of van de dieselgeneratoren die staan te stampen op een baggerschip. Om deze te meten, zijn accelerometers bevestigd aan de vaste wereld van de meetbuis. Ook al worden de storende invloeden in de modelvorming meegenomen en zorgt het rubber voor enige demping, toch is het systeem voorzien van actieve trillingsisolatie om zo veel mogelijk verstoring weg te filteren.

Naast de mechanische invloeden is er ook nog een thermische factor, onder meer omdat de stijfheid van het rubber temperatuurafhankelijk is. De correcties op de metingen vormen vervolgens de basis voor kalibratie van het fysieke meetsysteem. Toevoer van verschillende slurrystromen waarvan de dichtheden bekend zijn en specifieke excitatie door de actuator levert dan voldoende informatie om de parameters in het model goed te kunnen bepalen. Dit resulteert in een algoritme dat meetsignalen kan vertalen in betrouwbare dichtheidswaardes.

Ontwerpuitdaging met rubber

Bijzondere aandacht vergde de rubberen binnenbuis. Deze moet zo dun mogelijk zijn om het rubber met z’n frequentieafhankelijke stijfheid en demping de metingen zo min mogelijk te laten vertroebelen. Anderzijds moet de binnenbuis wel sterk genoeg zijn om de werkdruk met een veilige marge op te vangen en voldoende slijtlaag te bieden voor een goede standtijd.

Kritiek in de rubberen binnenbuis is de overgang van het bewegende deel naar de vaste wereld van de meetbuis; op dat punt vindt afschuiving (en ook buiging) plaats in het rubber. Voor het ontwerp is samengewerkt met Dutch Dredging Components, een specialist in rubbers voor de baggerindustrie en mijnbouw. De uitdaging was om vanuit verschillende kennisdomeinen en rekening houdend met de gebruikseisen van de klant te komen tot de beste oplossing. De gebruikelijke modellen (voor stalen constructies) voor bijvoorbeeld de berekening van stijfheid gingen in dit geval niet meer op en moesten daarom proefondervindelijk opnieuw worden opgebouwd, met een beroep op de specialistische kennis en praktische ervaring van Dutch Dredging Components.

Transitie

Inmiddels is de niet-nucleaire sensor compleet uitontwikkeld en heeft Alia Instruments de eerste exemplaren geleverd aan klanten in diverse industrieën. De meter is eenvoudig in een leiding in te bouwen en aan te sluiten op de procesbesturing van de gebruiker. Een ander voordeel ten opzichte van het oude meetsysteem is de hogere betrouwbaarheid. Bovendien is de performance van de nieuwe meter nagenoeg onafhankelijk van procesomstandigheden en slurry-materiaal. Zo helpt Alia Instruments slurry-gerelateerde sectoren bij hun eerste stappen in de transitie van nucleair naar niet-nucleair, door verschillende kennisgebieden te combineren in een slim en veilig product.