DE102005008041A1

DE102005008041A1 - Vorrichtung und Verfahren zum dosierten Abfüllen eines fliessfähigen Mediums in Gefäße

Info

Publication number: DE102005008041A1
Application number: DE200510008041
Authority: DE
Inventors: Dieter Keese; Klaus Schäfer; Hans W. Dipl.-Ing. Schwiderski
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-08-24

Abstract

Vorrichtung zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums (2) in Gefäße (6) mit einem in einer Abfüllrohrleitung (3) integrierten Dosierventil (4), das mit einem ebenfalls in der Abfüllrohrleitung (3) integrierten Durchflussmesser (5) zum Erfassen des die Abfüllrohrleitung (3) passierenden Volumenstroms an fließfähigem Medium (2) zusammenwirkt und diesen Messwert einer elektronischen Steuereinheit (7) zur Verfügung stellt, die das Dosierventil (4), ausgehend von einer hinterlegten Abfüllsollmenge V¶soll¶ getaktet ansteuert, wobei die elektronische Steuereinheit (7) nach Durchführung einer ersten Abfüllung entsprechend der vorgegebenen Abfüllsollmenge V¶soll¶ mittels Durchflussmesser (5) zumindest die hierbei auftretende geräte- und mediumspezifische Nachlaufmenge V¶n¶ feststellt und diese bei den folgenden Abfüllungen derart als Korrektur berücksichtigt, dass die tatsächliche Abfüllistmenge V¶ist¶ der Abfüllsollmenge V¶soll¶ entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums in Gefäße mit einem in einer Abfüllrohrleitung integrierten Dosierventil, dass mit einem ebenfalls in der Abfüllrohrleitung integrierten Durchflussmesser zum Erfassen des die Abfüllrohrleitung passierenden Volumenstroms an fließfähigem Medium zusammenwirkt und den Messwert einer elektronischen Steuereinheit zur Verfügung stellt, die das Dosierventil ausgehend von einer hinterlegten Abfüllsollmenge getaktet ansteuert.

In vielen Industriezweigen, wie chemische Industrie, Pharmazie oder Lebensmittelindustrie, werden derartige Vorrichtungen verwendet, um beispielsweise ein hervorragtes flüssiges Produkt in verkaufsfähige Gefäße abzufüllen. Hierbei ist eine möglichst große Abfüllgenauigkeit gefordert. Die Vorrichtung zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums muss also in der Lage sein, für jedes Gefäß – beispielsweise eine Flasche – das vorgegebene Volumen oder die vorgegebene Menge exakt reproduzierbar einzuhalten.

Nach dem allgemeinen Stand der Technik wird eine derartige Messaufgabe so gelöst, dass in die Abfüllrohrleitung gewöhnlich ein induktiver Durchflussmesser mit möglichst hoher Erregerfrequenz eingesetzt wird. Denn mit der hohen Erregerfrequenz kann der tatsächliche zeitliche Durchflussverlauf des fließfähigen Mediums durch die Abfüllrohrleitung realitätsnah gemessen werden. Hierfür ist jedoch ein recht hoher technischer und materieller Aufwand erforderlich, insbesondere für präzise elektronische Bauelemente, die gleichzeitig mit einer hohen Samplingfrequenz betrieben werden müssen. Ein weiterer Nachteil bekannter Vorrichtungen zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums besteht darin, dass diese meist nicht nullpunktstabil sind. So toleriert die Abfüllistmenge (V_ist) in einem unvertretbar hohen Maße von der gewünschten Abfüllsollmenge (V_soll).

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums zu schaffen, welche/welches eine möglichst genaue Reproduzierbarkeit der Abfüllmenge mit einem minimalen gerätetechnischen Aufwand gestattet.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. In verfahrenstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe durch Anspruch 5 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die elektronische Steuereinheit einer Vorrichtung zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums nach Durchführung einer ersten Abfüllung entsprechend der vorgegebenen Abfüllsollmenge V_soll mittels Durchflussmesser zumindest die hierbei auftretende geräte- und mediumspezifische Nachlaufmenge V_n feststellt und diese bei den folgenden Abfüllungen derart als Korrektur berücksichtigt, dass die tatsächliche Abfüllmenge V_ist der Abfüllmenge V_soll entspricht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die eigentliche Anforderung an eine gattungsgemäße Vorrichtung weniger in der absoluten Genauigkeit des Abfüllvorganges besteht als vielmehr in einer sehr genauen Reproduzierbarkeit von aufeinanderfolgenden Abfüllvorgängen. Um diese zu erreichen, ist es also vorrangig wichtig ein (nullpunkt-) stabiles System zu schaffen, was mit der erfindungsgemäßen Lösung realisiert wird. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass es nun nicht mehr darauf ankommt möglichst präzise und somit gerätetechnisch aufwendige Durchflussmesser für die hier interessierende Messaufgabe zum Einsatz zu bringen, sondern dass ein einfacher Durchflussmesser bereits ausreicht, um die der Erfindung zu Grunde liegende Messaufgabe zuverlässig zu erledigen.

Gerätetechnisch kann der Durchflussmesser bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung also als ein einfach aufgebauter induktiver Durchflussmesser ausgebildet sein, wobei der hiermit zusammenwirkende Messwertumformer zum Umsetzen der vom Durchflussmesser gelieferten Messwerte in Daten für einen zum Steuern des Abfüllprozesses dienenden übergeordneten Rechner Bestandteil der elektronischen Steuereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein kann. Insgesamt wird der gerätetechnische Aufwand durch diese Maßnahmen minimiert.

Eine weitere die Erfindung im Hinblick auf eine aufwandsminimale Ausgestaltung verbessernde Maßnahme besteht darin, dass das fließfähige Medium in einem Vorlagebehälter bereitgestellt ist, dessen trichterartiger Auslass in die mindestens eine Abfüllrohrleitung mit hierin integriertem Durchflussmesser sowie nachgeschaltetem Dosierventil übergeht.

Verfahrenstechnisch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe vorzugsweise unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung dadurch gelöst, dass die erste Abfüllung entsprechend der vorgegebenen Abfüllsollmenge V_soll durchgeführt wird, wobei mittels Durchflussmesser durch die elektronische Steuereinheit zumindest die hierbei auftretende geräte- und mediumspezifische Nachlaufmenge V_n festgestellt wird, die bei den folgenden Abfüllungen derart als Korrektur berücksichtigt wird, dass die tatsächliche Abfüllstmenge V_ist der Abfüllsollmenge V_soll entspricht.

Die vom Anwender gewünschte Abfüllsollmenge V_soll wird so mit dem Messumformer vorgegeben. Nach dem Start der Abfüllung vergeht zunächst die Zeit t_r1 bevor der Messumformer das erste Messsignal bearbeitet hat. Nun misst der Messumformer bei voll geöffnetem Dosierventil den Durchfluss des fließfähigen Mediums durch die Abfüllrohrleitung solange, bis die Abfüllsollmenge V_soll erreicht ist, welche somit die Summe aus der Reaktionszeit t_r1 der Elektronik und der Hauptmesszeit th ist. Danach gibt der Messumformer unmittelbar den Stoppimpuls an die elektronische Steuereinheit der Abfüllanlage, welche entsprechend der vorgegebenen Abfüllsollmenge V_soll unter Abgleich der gemessenen tatsächlichen Abfüllistmenge V_ist nach Maßgabe eine Regelung das Dosierventil als Stellglied betätigt.

Aufgrund systembedingter Totzeiten sowohl des Messumformers als auch der übrigen elektronischen Steuereinheit ergeben sich einerseits zusätzliche Messvolumina, so dass der Messumformer ein in der Regel über der gewünschten Abfüllsollmenge V_soll liegendes Messvolumen erreicht; andererseits fließt gleichzeitig die hieraus resultierende Gesamtmenge in das als Abfüllbehälter dienende Gefäß. Nach Abschluss dieser ersten Messung liegt der elektronischen Steuereinheit jedoch eine gemessene Nachlaufmenge vor. Diese wird erfindungsgemäß zur Korrektur der folgenden Abfüllungen verwendet, derart, dass entsprechend früher der Stoppimpuls zum Schließen des Dosierventils ausgegeben wird. Versuche haben ergeben, dass diese Art der Korrektur unter konstanten Betriebsbedingungen zu zuverlässig reproduzierbaren Ergebnissen führt.

In der Realität treten jedoch oftmals wechselhafte Betriebsbedingungen auf, welche aufgrund von Druck- oder Viskositätsänderungen zu entsprechenden Durchflussänderungen führen. Da sich hierbei die Vor- und Nachlaufmengen beim Abfüllen ändern, entstehen ungewünschte Fehlabfüllungen. Um dies zu verhindern, wird gemäß einer zusätzlichen die Erfindung verbessernde Maßnahme vorgeschlagen, dass neben der Nachlaufmenge V_n zusätzlich auch die mittels Durchflussmesser messbare geräte- und mediumspezifische Vorlaufmenge V_v bei der Korrektur mit berücksichtigt wird.

Untersuchungen haben ergeben, das derartige Durchflussänderungen im Wesentlichen proportional zum Durchfluss im stationären Bereich sind. Da dieser jedoch ebenfalls durch den Durchflussmesser erfasst wird, kann dieser entsprechend zur Korrektur von sich ändernden Vorlaufmengen V_v sowie Nachlaufmengen V_n verwendet werden.

Eine weitere Verbesserung der Abfüllreproduzierbarkeit lässt sich dadurch erreichen, das während der Pulszeit t_p gemessene Volumen V_mP des fließenden Mediums bei der Korrektur durch die elektronische Steuereinheit unberücksichtigt bleibt. Erreicht werden kann dies in einfacher Weise dadurch, dass mit einem am Dosierventil angebrachten Positionssensor oder einem anderen geeignetem Sensor die Stellung des Dosierventils ermittelt wird. Sobald der Positionssensor einen geschlossenen Zustand des Dosierventils detektiert, stoppt der Messumformer die weitere Messwertaufnahme.

Weitere die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums in Gefäße, und
2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs einer Abfüllung.
Gemäß 1 enthält ein Vorlagebehälter 1 das abzufüllende fließfähige Medium 2. Vom Vorlagebehälter 1 geht eine Abfüllrohrleitung 3 aus, in welcher ein Dosierventil 4 integriert ist. In Fließrichtung vor dem Dosierventil 4 ist die Abfüllrohrleitung 3 mit einem Durchflussmesser 5 versehen. Durch Öffnen oder Schließen des Dosierventils 4 gelangt somit fließfähiges Medium 2 aus dem Vorlagebehälter 1 durch die Abfüllrohrleitung 3 hindurch in ein bereitgestelltes Gefäß 6. Der dabei die Abfüllrohrleitung 3 passierende Volumenstrom an fließfähigem Medium 2 wird über den Durchflussmesser 5 erfasst.
Die vorstehend beschriebene Anordnung steht mit einer elektronischen Steuereinheit 7 in Verbindung, die nach Maßgabe einer Regelung entsprechend einer gewünschten einstellbaren Abfüllsollmenge V_soll das Dosierventil 4 als Stellglied öffnet oder schließt.
Zur elektronischen Steuereinheit 7 gehört eine Messwertumformer 8 zum Umsetzen der vom Durchflussmesser 5 gelieferten Messwerte in Daten für einen zum Regeln des Abfüllprozesses dienenden übergeordneten Rechner 9. Am Rechner 9 sind auch weitere Messwertumformer 8a bis 8c mit jeweils zugeordneten – nicht weiter dargestellten – Dosiergeräten angeschlossen. Über einen mit dem Messumformer 8 in Verbindung stehenden Auswahlschalter 10 kann der Anwender eine von mehreren möglichen Abfüllsollmengen V_soll auswählen. Mit einem Startschalter 11 beginnt der Abfüllprozess, welcher sich mittels eines Stopschalters 12 stoppen lässt, der gleichzeitig auch den Not-Aus-Schalter der Vorrichtung darstellt.
Nach Betätigung des Startschalters 11 der Vorrichtung wird eine erste Abfüllung entsprechend der mit dem Auswahlschalter 10 vorgegebenen Abfüllsollmenge V_soll durchgeführt, wobei die elektronische Steuereinheit 7 entsprechend des vom Durchflussmessers 5 gelieferten Messwerts die hierbei auftretende geräte- und mediumspezifische Nachlaufmenge V_n feststellt. Die gemessene Nachlaufmenge V_n wird bei den folgenden Abfüllungen als Korrektur berücksichtigt mit dem Ziel, dass die tatsächliche, gemessene Abfüllmenge V_ist der gewünschten Abfüllsollmenge V_soll entspricht. Neben der Nachlaufmenge V_n berücksichtigt der Durchflussmesser 5 auch die messbare geräte- und mediumspezifische Vorlaufmenge V_v bei der Korrektur. Demnach berechnet sich die Abfüllistmenge V_ist nach folgender Formel: Vist = Vv + Vsoll + Vn
Zusätzlich berücksichtigt die elektronische Steuereinheit 7 auch Durchflussänderungen aufgrund von Druck- und Viskositätsänderungen durch einen entsprechenden Korrekturfaktor.
Darüber hinaus weist das Dosierventil 4 einen integrierten Sensor zur Ermittlung der aktuellen Ventilstellung auf. Hierdurch kann die elektronische Steuereinheit 7 den Zeitpunkt feststellen, zu dem das Dosierventil 4 geöffnet oder geschlossen ist. Sobald der Positionssensor ein geschlossenes Dosierventil 4 meldet, stellt der Messumformer 8 die Messwertaufnahme ein, so dass das während der Pulszeit t_p des fließfähigen Mediums gemessene Volumen V_mP bei der Messung außer Betracht bleibt. Hierdurch wird eine wesentliche Verbesserung der Abfüllreproduzierbarkeit erzielt.
2 verdeutlicht den zeitlichen Verlauf eines Abfüllvorganges. Ersichtlich ist das Verhalten des Durchflusses Q in Abhängigkeit von der Betätigung des Dosierventils. Den Betätigungszustand des Dosierventils stellt der Graph V dar. Der vom Durchflussmesser zeitparallel hierzu gemessene Durchfluss Q stellt der Graph D dar.
Der Graph F stellt die erforderliche Messfrequenz für den Abfüllvorgang im Zusammenhang hiermit dar. Durch Vergleich von Graph V mit Graph D sind die herrschenden Vorlauf- und Nachlaufzeiten sowie das durch die Pulszeit des fließenden Mediums erzeugte Zusatzvolumen erkennbar.

1: Vorlagebehälter
2: fließfähiges Medium
3: Abfüllrohrleitung
4: Dosierventil
5: Durchflussmesser
6: Gefäß
7: elektronische Steuereinheit
8: Messumformer
9: Rechner
10: Auswahlschalter
11: Startschalter
12: Stoppschalter
V: Betätigungszustand Ventil
D: gemessener Durchfluss
F: Messfrequenz (Erregerfrequenz)

Claims

Vorrichtung zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums (2) in Gefäße (6) mit einem in einer Abfüllrohrleitung (3) integrierten Dosierventil (4), das mit einem ebenfalls in der Abfüllrohrleitung (3) integrierten Durchflussmesser (5) zum Erfassen des die Abfüllrohrleitung (3) passierenden Volumenstroms an fließfähigem Medium (2) zusammenwirkt und diesen Messwert einer elektronischen Steuereinheit (7) zur Verfügung stellt, die das Dosierventil (4) ausgehend von einer hinterlegten Abfüllsollmenge V_soll getaktet ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (7) nach Durchführung einer ersten Abfüllung entsprechend der vorgegebenen Abfüllsollmenge V_soll mittels Durchflussmesser (5) zumindest die hierbei auftretende geräte- und mediumspezifische Nachlaufmenge V_n feststellt, und diese bei den folgenden Abfüllungen derart als Korrektur berücksichtigt, dass die tatsächliche Abfüllistmenge V_ist der Abfüllsollmenge V_soll entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (7) einen Messwertumformer (8) zum Umsetzen der vom Durchflussmesser (5) gelieferten Messwerte in Daten für einen zum Steuern des Abfüllprozesses dienenden übergeordneten Rechner (9) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussmesser (5) nach Art eines induktiven Durchflussmessers ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Medium (2) in einem Vorlagebehälter (1) bereitgestellt ist, dessen trichterartiger Auslass in die mindestens eine Abfüllrohrleitung (3) übergeht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (4) einen integrierten Positionssensor zur Ermittlung des Ventilzustandes aufweist, der mit der elektronischen Steuereinheit (9) in Verbindung steht.
Verfahren zum dosierten Abfüllen eines fließfähigen Mediums () in Gefäße () mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Abfüllung entsprechend der vorgegebenen Abfüllsollmenge V_soll durchgeführt wird, wobei mittels Durchflussmesser (5) durch die elektronische Steuereinheit (9) zumindest die hierbei auftretende geräte- und mediumspezifische Nachlaufmenge V_n festgestellt wird, die bei den folgenden Abfüllungen derart als Korrektur berücksichtigt wird, dass die tatsächliche Abfüllisotmenge V_ist der Abfüllsollmenge V_soll entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Nachlaufmenge V_n zusätzlich auch die mittels Duchflussmesser (5) messbare geräte- und mediumspezifische Vorlaufmenge V_v bei der Korrektur berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sich im wesentlichen proportional zum stationären Abfüllbetrieb verhaltenden Durchflussänderungen des fließenden Mediums (2) aufgrund von Druck- und Viskositätsänderungen von der elektronischen Steuereinheit (7) als ein die Proportionalität entsprechender Korrekturfaktor berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Verbesserung der Abfüllreproduzierbarkeit das während der Pulszeit t_p gemessene Volumen V_mP des fließenden Mediums (2) bei der Korrektur durch die elektronischen Steuereinheit (1) unberücksichtigt bleibt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nichtberücksichtigung dessen mit einem Positionssensor die Stellung des Dosierventils (4) ermittelt wird und die Messwertaufnahme durch den Messwertumformer (8) eingestellt wird, sobald vom Positionssensor den geschlossenen Zustand des Dosierventils (4) detektiert.