DE2229171B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Füllstandsregelung durch kontinuierliches Messen der Wärmestrahlung des Fördergutes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 2. Mittel und Maßnahmen, um den Füllstand auffüllbarer Beschickungsbehälter zu ei fassen und zu kontrollieren, wobei die Förderung bei Erreichung eines vorgegebenen Sollwertes unterbrochen wird, sind nach der Erfassungsmethode durch mechanische Fähler oder Taster, nach der kapazitiven Erfassungsmethode, der Ultraschaüabtastmethode, der Schwinggabelmeßmethode oder der Erfassungsmethode durch radioaktive Strahlung bekannt Die meisten Kunststoffmaterialien weisen eine zu geringe Dielektrizitätskonstante auf, um zwischen zwei Elektroden eine ausreichend große Kapazitätsänderung für die MeßwerterFassung herbeizuführen. Ein auf der kapazitiven Erfassungsmethode beruhender Meßwertgeber für Füllstandsänderungen ist daher für die Füllstandsregelung eines mit Kunststoff gespeisten Behälters nicht geeignet

Die Ultraschallabtastung des Füllstandes scheidet wegen der vorgesehenen Evakuierung des Behälters zum Zweck der Entgasung des Fördergutes aus. Bei Verwendung eines einer Stimmgabel ähnlichen Gebers, der mit einer Resonanzfrequenz zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, werden diese Schwingungen bei Bedeckung des Gebers mit Füllgut gedämpft. Dadurch wird in der elektronischen Schaltung ein Relais betätigt, durch das eine en;sprechende Füllstandsregelung eingeleitet werden kann. Eine Regelung ist jedoch nur bei verhältnismäßig großen Behältern möglich, in denen das Material nicht durch den Bereich der Stimmgabel hindurchfließt. Bei kleinen Behältern dampft bereits das durchfließende Material die Schwingungen und löst ein Signal ms. das zu Fehlschaltungen führt. Bei zähflüssigem Fördergut, zu dem eine Reihe von Kunststoffen zählt, setzt sich außerdem die Stimmgabel nach kurzer Zeit zu. so daß eine Regelung des Füllstandes wegen der unbrauchbaren Meßwerte nicht möglich oder mindestens sehr unzuverlässig ist.

Die Messung des Füllstandes durch radioaktive Strahlung von geeigneten Isotopen ist bezüglich der erforderlichen Sicherheitsmaßnehmen verhältnismäßig aufwendig und kann bei kleinen Vakuumbehälterabmessungen aus Platzbedarfsgründen nicht angewandt werden.

Die F.rfassungsmethode der Füllhöhe von Behältern durch mechanische Fühler oder Taster, beispielsweise nach der DTPS 844 835 oder der DT-AS 1 062 948 scheidet für eine kontinuierliche Istwerterfassung aus und ist für kleine, insbesondere evakuierbare Behälter nicht geeignet. Der apparative Aufwand für eine Vielzahl von Meßeinrichtungen zum Zweck einer möglichst genauen Istwerterfassung ist nicht vertretbar. Dazu müssen bei Vakuumbehältern sämtliche Durchführungen durch die Behälterwand einwandfrei abgedichtet sein, um den in dem Behälter durchgeführten Entgasungsprozeß nicht nachteilig zu beeinflussen. Die intermittierende Abfragung der Meßstellen wird bevorzugt an großen Bunker- oder Siloanlagen verwendet, wo entweder eine Regelung des Füllstandes zwischen weit auseinander liegenden Grenzwerten erfolgen soll oder andererseits bei sehr tragen Systemen mit gegebenenfalls großen zulässigen Regelschwankungen.

Auch ist eine Regelungsmethode bekannt, bei der ein Beschickungsbehälter an eine Saugfördervorrichtung angeschlossen ist, und bei der der Füllstand durch eine über dem Materialbedarf des Verbrauchers liegende Förderleistung des Saugförderers in Verbindung mit den Druckdifferenzen am Trichterein- und -auslaß sowie durch eine bestimmte Anordnung der Saug- und

Einspeiseleitung geregelt wird Diese Methode ist bei einem beheiz- und evakuierbaren Behälter nicht anwendbar.

Des weiteren ist es bekannt, den Füllstand in einem Behälter mit einem Thermoelement als Geber zu erfas- -> sen (DT-PS 700412) oder den Füllstand eines einen Behälter durchfließenden Materials mittels eines Temperaturfühlers zu überwachen, wobei der Geber an e^;nen Verstärker and einen Regler angeschlossen ist (US-PS 2 861 159). Durch den Regler wird eine Füllpumpe in Verbindung mit einein in der Förderleitung angeordneten Ventil nach der Ein-Aus-Meihode oder ein Stellmotor zum öffnen und Schließen eines Regelventils im Materialzulauf betätigt, wobei eine kontinuierliche, proportionale Regelung des Behälterfüllstandes durch Regelung der Zulaufmenge erreicht wird. Die dort beschrieb—en Temperaturmeßeinrichtungen zur Ermittlung des Behälterfüllstandes beruhen auf einem durch Wärmeleitung bewirkten Austausch zwischen dem Meßgerät und dem Füllgut Hierzu ist eine Umspülung der Meßeinrichtung durch das Füllgut oder zumindest eine Oberflächenberiihrung zwischen dem Füllgut und der Meßeinrichtung erforderlich. Bei einem heißen, klebrigen Füllgut, das bei Berührung mit der Meßeinrichtung zum Haften an der Meßeinrichtung neigt, treten jedoch Meßwertverfälschungen auf, die eine genaue Regelung des Füllstandes beeinträchtigen und das P.inzip als nachteilig erscheinen lassen. Bezüglich der Trägheit der Meßwerterfassung muß außerdem berücksichtigt werden, daß Kunststoffe bekanntlich schlechte Wärmeleiteigenschaften aufweisen.

Ziel der Erfindung ist es, ein Füllstandsregelverfahren anzugeben, mit dem ein bestimmter wählbarer Füllstand in einem evakuierbaren Behälter konstant gehalten werden kann, wobei ein in der Durchsatzmenge veränderbarer Strom eines erhitzten, gegebenenfalls zum Kleben neigenden Kunststoffmaterials ständig in den Behälter zwecks Durchführung einer thermischen Behandlung unter konstanten Prozeßbedingungen hineingefördert und nach einer bestimmten, mittleren Verweilzeit ausgetragen wird. Auftretende Abweichungen von dem vorgesehenen Füllstand sollen rasch und stetig erfaßt und durch ständiges Nachregeln der Fördermenge der den Behälter speisenden Maschine im Sinn einer Verringerung der Regelabweichung korrigiert werden. Die Füllstandsregelung soll dabei mit im Aufbau einfachen, wenigen und betriebssicheren Mitteln genau und störungsunanfällig sein.

Hierbei war insbesondere die technische Aufgabe zu lösen, eine geeignete Methode zur Meßwerterfassung für ein schwierig zu handhabendes Material, wie es beispielsweise ein erhitztes, klebriges Kunststoffgranulat darstellt, zu finden.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruchs angegebene Lösung erreicht.

Durch die gefundene Lösung wird die tatsächliche Füllstandshöhe genau erfaßt und festgestellte Abweichungen werden genau, rasch und in Abhängigkeit von den ermitielten Abweichungen zwischen dem eingestellten Sollwert und den ermittelten Istwerten kontinuierlich ausgeregelt, damit die mit einem konstant gehaltenen Füllstand des Behälters verknüpften Betriebsbedingungen optimal vorliegen. Diese betreffen beispielsweise den Druck, die Temperatur, die Schüttdichte des Materials im Behälter, die Verweilzeit und die erreichte Entgasung des Materials sowie das Einzugsverhalten des Fördergutes für die weiterverarbeitende Maschine. Die Meß- und Regelmethode nach der Erfindung ist einfach, genau und mit einem geringen Aufwand für die Ermittlung der Istwerte durchführbar. Sie geht von der Erkenntnis aus, daß in einem weitgehend evakuierten Raum der Wärmetransport durch Konvektion völlig unterbunden oder zumindest vernach!äs*igbar klein ist und daß bei Verhinderung der Wärmeleitung zvischen einem Temperaturfühler und der Be hälterwand durch eine thermische Isolierung an dem Meßfühler bei geeigneter Anordnung nur die Wärmestrahlung des Fördergutes gemessen wird. Da diese Wärmestrahlung aber im Quadrat der Entfernung von dem die Strahlung abgebenden, erhitzten Material abnimmt, ist die ermittelte Temperatur ein adäquater Meßwert für die jeweilige Entfernung zwischen dem erhitzten Fördergut und dem Meßfühler, d. h. für den jeweiligen Füllstand des Behälters.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens, bei dem ein evakuierbarer Behälter, der zwischen zwei im Massedurchsatz unabhängig einstellbaren Fördervorrichtungen angeschlossen ist und bei dem Mittel zum Regeln des Füllstandes vorgesehen sind, ist im Kennzeichen von Patentanspruch 2 angegeben. Dabei können die im Massedurchsatz unabhängig einstellbaren Fördervorrichtungen insbesondere zwei Schneckenpressen in Kaskadenanordnung sein, zwischen denen in an sich bekannter Weise eine Vakuumentgasungseinrichtung angeschlossen ist. Eine spezielle Ausbildung der Vorrichtung ist im Kennzeichen des Anspruchs 3 angegeben. Hierbei wird als Meßwertumformer für die ermittelten Füllstandshöhen ein Temperaturfühler verwendet und die in einem Sollwert-lstwertvergleicher festgestellte Regelabweichung zur direkten Steuerung eines Gleichstrommotors verwendet, von welchem die in die Vakuumkammer fördernde Schneckenpresse angetrieben wird. Das Stellglied ist hierbei der elektromotorische Antrieb der Fördereinrichtung. Dieser ist durch eine Thyristorsteuerung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur am Temperaturfühler in seiner Drehzahl verstellbar, wobei gleichzeitig die Schneckendrehzahl und damit die Fördermenge der Schneckenpresse gesteuert werden.

Für die Regelstrecke ist zur Erreichung eines stabilen Regel Verhaltens ein differenzierendes oder rückführen des Glied vorgesehen, das dem Drehzahlregelgerät zu geordnet ist. Nach einer abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung ist daher im Kennzeichen von Patentanspruch 4 unter Beibehaltung des Erfindungsgedankens vorgesehen, den Behälterfüllstand in der Weise zu regeln, daß die am Temperaturmeßelement ermittelte Temperatur in einem Temperaturregler mit einem am Sollwertsteller gespeicherten Temperatursollwert verglichen wird, wobei das Abweichungssignal als Führungsgröße für einen nachgeschalteten Drehzahlregler dient, der mit einem Tachogenerator als Istwertgeber arbeitet. Dem Dreh.^ahlregelgerät ist dabei ein Sollwertsteller zugeordnet, der vom Ausgangssignal des übergeordneten Temperaturreglers verstellt wird.

Die Vorrichtungen zum Konstanthalten des Füllstandes umfassen handelsübliche Bauteile und Geräte, die in einer zum Lösen der technischen Aufgabe zweckmäßigen und einfachen Schaltungsanordnung zusammengefaßt sind. Der bauliche Aufwand ist verhältnismäßig gering. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß der temperaturempfindliche Fühler exakt und kontinuierlich die Wärmeeinstrahlungen entsprechend der Füllstandshöhe erfaßt, und daß

das vorgesehene Meßelement weder das durch den Behälter hindurchfließende, erhitzte Material noch den Entgasungsvorgang störend beeinflußt, und daß umgekehrt das Fördergut keinen störenden Einfluß auf eine einfache und günstige Meßwerterfassung nehmen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine gewünschte Änderung der Füllstandshöhe lediglich durch Änderung des Sollwertes am Sollwert/Istwert-Vergleicher -auf einfache Art und Weise herbeigeführt; werden kann. Bei den zum Stand der Technik zählenden Füllstandsregelverfahren ist eine solche Änderung des Füllstandes mit mechanischen Verstellmaßnahmen an dem Meßfühler verbunden oder es muß ein weiterer Meßfühler an der Stelle des vorgesehenen Füllstandes angeordnet werden.

Die erfindungsgemäße Verknüpfung eines die Wärmestrahlung des Fördergutes erfassenden Meßelementes als Istwertgeber für die Füllhöhe mit den Drehzahlsteuerungs- bzw. Drehzahlregelmitteln in Verbindung mit einer elektromotorisch angetriebenen, thyristorgesteuerten Arbeitsmaschine ist sehr wirkungsvoll in bezug auf eine kontinuierliche, genaue und rasche Ausregelmethode für die Festwertregelung des Füllstandes eines kontinuierlich gespeisten Behälters. Die Meß- und Regelelemente können außerdem leicht nachträglich an jeder einen Behälter und eine Speiseeinrichtung umfassenden Anlage vorgesehen werden, die noch nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt v\ ird. Elementenschutz wird für die genannten Bauteile nicht begehrt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und erläutert. Es zeigt

Y i g. 1 ein Schemabild einer Schneckenpressenanlage mit Temperaturmeßelement und Thyristorsteuerung des elektromotorischen Antriebs.

F i g. 2 ein Schemabild entsprechend F i g. 1 mit Drehzahlregelung des elektromotorischen Antriebs und Sollwertsteuerung durch einen Temperaturregler.

In einer Schneckenpresscnanlage in Kaskadenanordnung 1. die aus einer ersten Schneckenpresse 2 und einer zweiten Schneckenpresse 3 mit /wischen den Schneckenpressen angeordneter Vakuumkammer 4 besteht, wird Kunststoffmaterial in der ernten Schneckenpresse bearbeitet, das als Agglomerat in die Vakuumkammer gelangt. Dieses erhitzte Agglomerat wird auf dem Weg durch die Vakuumkammer entgast. Es entsteht vor der F.inlaßöffnung zur zweiten Schneckenpresse eine Art loses Haufwerk, dessen Füllstand auf einer bestimmten, wählbaren konstamen Höhe gehalten wird, damit das Agglomerat eine bestimmte Zeit lang in der Vakuumkammer verweilen, entgast und günstig in die zweite Schneckenpresse eingezogen werden kann.

Beide Schneckenpressen 2 and 3 werden von Gleich strommotoren angetrieben; sie sind mit 5 und 7 bezeichnet.

In der Behälterwand der Vakuumkammer 4 befindet sich ein in das Kammerinnere hineinragendes Temperaturmeäelemem 10; es kann auch ein Temperaturmeßgerät sein, das die Wärmestrahlung des Fördergutes entsprechend dem Füllstandspegel miOt. Die Wärmestrahlung wird kontinuierlich gemessen. Somit werden auch alle Abweichungen von einem Temperatur-Sollwert bzw. von der gewählten adäquaten Füllstandshöhe erfaßt. Das Meßelement 10 ist zu diesem Zweck nach Fig.) an eine Einrichtung 9 angeschlossen, in der der jeweils ermittelte Istwert (Temperatur am Meßelement), der als in eine elektrische Meßgröße umgeformtes Eingangssignal vorliegt, mit einem vorgegebenen Sollwert (adäquate Füllstandshöhe) verglichen wird. Auf Grund der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert wird in der Einrichtung 9 ein Ausgangssignal gebildet, dessen Wert kleiner wird, wenn das Eingangssignal bei steigendem Füllstand größer wird hinc abnehmende Istwertspannung oder ein Temperaturabfall am Element 10 entspricht bei konstanter Fördermenge der Schneckenpresse 3 einer sinkenden Drehzahl der Schnecke der Schneckenpresse 2. Dies bedeutet, daß die Schneckenpresse weniger Agglomerat in die Vakuumkammer fördert, und daß der Füllstand im Vakuumbehälter fällt. Die Wärmeeinstrahlung am Meßelement 10 wird hierauf geringer und das entsprechende Eingangssignal in der Istwert-Sollwert Vergleichseinrichtung 9 kleiner, so daß der Wert des Ausgangssignals entsprechend größer wird. Durch die Thyristorsteuerung 8 veranlaßt, wird die Drehzahl des Antriebsmotors 5 für die Schnecke der Schneckenpresse 2 derart gesteuert, daß die Fördermenge von Agglomerat in den Vakuumbehä!ter größer wird, woraufhin der Füllstand im Vakuumbehälter steigt Durch die Steuerung der Drehzahl des elektromotorischen Antriebs 5 der Schneckenpresse 2 wird somit der Füllstand in der Entgasungseinrichtung kontinuierlich auf den eingestellten Festwert ausgeregelt.

Nach F i g. 2 ist zusätzlich zur Ausführung nach F i g. 1 ein Temperaturregler 11 vorgesehen, an den das Meßelement 10 angeschlossen «st. Der ermittelte Istwert (Temperatur am Meßelement), der als in eine elektrische Spannung umgeformtes Eingangssignal vorliegt, wird mit einem vorgegebenen Sollwert (adäquate Füllstandshöhe) verglichen. Der Sollv-crnteller ist mit 12 bezeichnet und ebenfalls an den Temperaturregler 11 angeschlossen. Das Ausgangssignal des Temperaturreglers 11. das z. B. als Ausgangsspannung vor liegt, ist das Eingangssignal und die Führungsgrölk analog als Eingangsspannung - für einen weiteren Sollwertstelller 13, der dem Drehzahlregler 9 in der Thyristorschaltung zugeordnet ist An den Drehzahlregler 9 ist ferner ein der Schneckenpresse 2 zugeordneter Tachogenerator 6 als Istwertgeber für die Drehzahl des Gleichstrommotors 5 angeschlossen. Die Regelung des Füllstandes im Behälter 4 erfolgt somit über den Temperaturregler, dessen Ausgangssignal als Führungsgröße für den nachgeschalteten Drehzahlregler dient, & h. in einer Kaskadenschaltung. Eine gewünschte Füllstandshöhenänderung erfolgt am Sollwertsteller 12 und durch die Tachogeneratoranordnung ergibt sich eine regeltechnisch günstige Drchzahländerv^g infolge stetiger und direkter Rückmeldung der momentan vorhandenen Drehzahl Ein Oberregeln wird praktisch weitgehend vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Konstanthalten des Füllstandes von erhitztem Fördergut, insbesondere Kunststoffmaterial, das in einem, von einer Arbeitsmaschine gespeisten Behälter entgast wird und dann aus dem Behälter austritt, durch Füllstandregelung, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen durch Wärmestrahlung des Fördergutes an einer geeigneten Meßstelle im Innern des Behälters vorliegende Temperatur als ein dem Füllstand adäquater Istwert kontinuierlich gemessen, dieser Istwert mit einem vorgegebenen, einer wählbaren Fülisiandshöhe adäquaten Sollwert verglichen und daß abhängig vom Differenzwert ein kontinuierliches Ausgangssignal erzeugt wird, durch das eine Drehzahländerung der Arbeitsmaschine herbeigeführt und die Füllstandshöhe durch kontinuierlichem Ändern der Fördermenge konstant gehalten wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem evakuierba ren Behälter, der zwischen zwei im Massedurchsatz unabhängig einstellbaren Fördervorrichtungen, insbesondere zwischen zwei Schneckenpressen in Kaskadenanordnung angeschlossen ist und Mitteln zum Regeln des Füllstandes im Behälter, dadurch ge kennzeichnet, daß im Innern des evakuierbaren Behälters (4) ein die Wärmestrahlung des Fördergutes erfassendes Meßelement (10) oder -gerät angeordnet ist, an dessen Ausgang ein der Füllhöhe im Behälter (4) adäquater Istwert kontinuierlich abgreifbar ist, daß das Meßelement (10) oder der Istwertgeber an einer Einrichtung angeschlossen ist, in welcher ein Vergleich des Istwertes mit einem vorgegebenen gespeicherten Sollwert kontinuierlich durchführbar ist, und daß bei einer Abweichung des Istwertes vom Sollwert ein Steuersignal erzeugt wird, durch das ein Stellglied (5) zur Änderung der Fördermenge der in den Behälter (4) speienden Fördervorrichtung (2) selbsttätig im Sinn einer Verringerung der Regelabweichung steuerbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Istwertgeber ein Temperaturfühler im Inneren des evakuierbaren Behälters (4) angeordnet ist und daß der Differenzwert zwischen Istwert und vorgegebenem Sollwert im Eingang einer Thyristorschaltung (8/9) gebildet wird, durch welche die Drehzahl eines Gleichstrommotors (5) einer in den Behälter (4) fördernden Schneckenpresse (2) steuerbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Meßelement (10) ermittelte, der Füllhöhe im Behälter (4) adäquate Istwert in einem Temperaturregler (11) mit dem am Sollwertsteller (12) gespeicherten Sollwert verglichen wird, wobei ein Ausgangssignal gebildet wird, das als Führungsgröße für einen dem Temperaturregler (11) nachgeschalteten Drehzahlregler (9) dient, der mit einem Tachogenerator (6) als Istwertgeber für die am Antrieb (5) der den Behälter (4) speisenden Schneckenpresse (2) eingestellte Molordrehzahl zusammenwirkt.