Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage
nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 5.
Beim Vermahlen von Dispersionen fester Partikel in einer
teigigen oder pastösen Substanz, wie dies beispielsweise
Schokolade darstellt, sind bisher verschiedene Versuche und
Vorschläge gemacht worden, um die Feinheit des Endproduktes
auf einen gewünschten Wert zu regeln. Gemäß der CH
650 077 A5 wird die Schichtdicke des Produktes im Bereiche der
letzten Walze eines Walzwerkes gemessen und dem Walzwerk zur
Nachregulierung zugeführt.
In allen
Fällen hat man sich bemüht, jedes Walzwerk mit einer zuge
hörigen - und oft recht komplizierten - Regelung auszu
statten, was zu einer entsprechenden Erhöhung des Preises
eines solchen Walzwerkes geführt hat.
Es ist bekannt, daß die rheolo
gischen Eigenschaften des Mahlgutes eine bedeutende Rolle
spielen und sich auch noch während des Mahlvorganges ver
ändern können. Die Erfassung dieser Eigenschaften ist aber
schon deshalb ungemein schwierig, weil es sich dabei um
komplizierte physikalische Zusammenhänge handelt. Einen
Begriff davon geben die in der PCT-Veröffentlichung
WO 83/00 101 A1 angeführten Formeln zur nur näherungs
weisen Berechnung.
Ein Walzwerk zur kontinuierlichen Homogenisierung und Vermah
lung von zähflüssigem Gut, insbesondere von Schokolade
massen, Druckfarben und dergleichen, wobei von mindestens
vier Walzen die abnahmeseitigen, in einem festen Drehzahlver
hältnis zueinander stehenden Walzen mit konstanten Drehzah
len angetrieben werden, mit einer Vorrichtung zur Konstant
haltung der Spaltbreite, die ein Meßgerät zur Messung der
Spaltbreite zwischen zwei Walzen aufweist, dessen Ausgangs
signal einem Komparator zur Bildung eines Differenzsignals
aus der gemessenen Ist-Spaltbreite und der Soll-Spaltbreite
zugeleitet ist, wobei das Differenzsignal an einen Regulator
angelegt ist, ist aus der DE 31 53 304 C2 bekannt. In der
Schrift wird vorgeschlagen, daß zur Regelung der Spaltbreite
zwischen den beiden letzten Walzen der Regulator als Dreh
zahlregler für den Antriebsmotor der. Einzugswalzen-Antriebs
welle ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die sehr komplexen
Zusammenhänge in den Griff zu bekommen und dabei ein mög
lichst einfaches Verfahren zur Beeinflussung der Schicht
dicke von eine Dispersion von Feststoffen in einer Paste
bildendem Mahlgut an einer Walzwerklinie mit wenigstens zwei
hintereinander geschalteten Walzwerken zu schaffen, das sich
einfach durchführen läßt und das daher an die zugehörige
Vorrichtung geringe Ansprüche stellt, so daß diese ohne
großen Aufwand eingesetzt werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren
und die Anlage gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der
Ansprüche 1 und 5 ausgebildet. Es ist somit für dieses Ver
fahren und diese Anlage wesentlich, daß die Schichtdicke des
jeweils nachgeschalteten Walzwerkes durch gegensinniges
Verstellen des vorgeschalteten Walzwerkes eingestellt wird.
Dies scheint auf den ersten Blick widersinnig zu sein, doch
hängt dies mit dem besonderen Verhalten der zu vermahlenden
Dispersionen ab. Soll nämlich die Schichtdicke des nachge
schalteten Walzwerkes geringer werden, so wird der Austritts
spalt (der Spalt zwischen den letzten Walzen) des vorgeschal
teten Walzwerkes im Gegenteil noch vergrößert. Dies bringt
es mit sich, daß die Feststoffe weniger zerkleinert werden
und daher eine geringere Oberfläche aufweisen, die die Paste
an sich zu binden vermag. Damit bleibt aber das Mahlgut
viskoser bzw. pastöser und setzt dem Drucke des nachge
schalteten Reibwalzwerkes weniger Widerstand entgegen, so
daß im nachgeschalteten Walzwerk der Spalt (und damit die
Mahlfeinheit) kleiner wird.
In den Unteransprüchen 2 bis 4 bzw. 6 bis 10 sind weitere
vorteilhafte verfahrenstechnische bzw. konstruktive Maßnah
men angegeben.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich
anhand der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen:
Fig. 1 zeigt ein Regelschema an einem vorgeschalteten
Zwei-Walzwerk mit vorgegebenem, aber regelbarem
Spalt und einem nachgeschalteten Fünf-Walzwerk
(Reibwalzwerk);
Fig. 2 veranschaulicht eine Art der Schichtdickenmessung
zwischen den letzten beiden Walzen des in Fig. 1
gezeigten Fünf-Walzwerkes; und anhand der
Fig. 3 wird eine Abwandlung dieses Messverfahrens er
läutert.
Gemäss Fig. 1 ist einem Vorwalzwerk und zwar einem Zwei-Walzwerk
1 mit einer Festwalze 2 und einer beweglichen Walze 3 ein Fünf-
Walzwerk 4 nachgeschaltet, um die über das Vorwalzwerk 1 einge
speiste Schokoladenrasse zu Schokolade zu verreiben. Gemäss
der Darstellung ist das Vorwalzwerk 1 oberhalb der Einzugwalzen
W1, W2 des Fünf-Walzwerkes 4 angeordnet und dazwischen eine
Rutsche W3 vorgesehen, die gleichzeitig den Einfülltrog für das
Walzwerk 4 bildet. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht unbe
dingt erforderlich, vielmehr kann zwischen den Walzwerken 1 und 4
ein beliebig ausgebildeter Transportmechanismus vorgesehen sein.
Während die Walze W2 des Fünf-Walzerkes 4 ortsfest gelagert ist,
sind die darauf folgenden Reibwalzen W3, W4 und W5 durch einen ge
meinsamen Druckzylinder 10 in üblicher Weise gegen die Einzug
walze W2 gepresst. Wie dies bei Reibwalzwerken normalerweise der
Fall ist und später auch anhand der Fig. 3 erläutert wird, wird
jede nachfolgende Walze jeweils mit einer höheren Geschwindigkeit
angetrieben, als die vorhergehende Walze, so dass das Mahlgut
zwischen den Walzen zerrieben wird.
Jede der beiden Walzen 2, 3 des Vorwalzwerkes 1 ist auf einem
hebelartigen Arm 5 bzw. 6 gelagert. Von diesen Armen 5, 6 ist
der Arm 5 mittels zweier Bolzen 8 an einem Gestell 9 befestigt,
wogegen für den Arm 6 ein einziger Schwenkbolzen 11 vorgesehen
ist. Am oberen Ende des Armes 6 ist ein Hydraulikzylinder 12 vor
gesehen, in dem ein Kolben 13 angeordnet ist. Die Kolbenstange 14
dieses Kolbens 13 ist mit dem gestellfesten Arm 5 verbunden. Wird
daher über eine Öffnung 15 Hydraulikmedium in den Zylinder 12
gelassen, so wird der Zylinder 12 im Sinne einer Bewegung nach
rechts (bezogen auf Fig. 1) belastet. Allerdings sind einer sol
chen Bewegung durch einen Anschlagkolben 16 Grenzen gesetzt, des
sen Kolbenstange 17 an ihrem linken Ende mit einem Gewinde 18
versehen ist. Das Gewinde 18 ist in eine Gewindebuchse 19 ge
schraubt, die an der Aussenseite des Zylinders 12 in einem Lager
20 drehbar gelagert und mit einem Kettenrad 21 verbunden ist.
Ferner ist über Stifte 22 eine Verbindung zu einer Handradwelle
23 mit einem ausserhalb eines Gehäuses 24 vorgesehenen Handrad
25 vorgesehen. Die Stifte 22 ermöglichen dabei eine Relativbe
wegung des Zylinders 12 am Arme 6 gegenüber der Handradwelle 23.
Durch Drehen der Buchse 19 kann also der Anschlagkolben 16 in
die jeweils gewünschte Position gebracht werden, so dass damit
ein bestimmter Mindestspalt zwischen den beiden Walzen 2 bzw. 3
eingestellt werden kann.
Eine ähnliche Konstruktion ist an den Walzen W1 und W2 des Fünf
walzwerkes 4 vorgesehen und lediglich schematisch in Form eines
Zylinders 112 eines Kolbens 113 und von als Schrauben 116 ange
deuteten Anschlägen dargestellt. Wenn daher der Kolben 113 unter
Druck gesetzt wird, verbleibt zwischen den Walzen W1, W2 ein
durch die Stellung der Anschläge 116 bestimmter Spalt. Das in
diesen Spalt eingezogene Material wird jedoch in Abhängigkeit
von seiner Viskosität bzw. von seinen rheologischen Eigenschaf
ten eine Gegenkraft auf die Walzen W1 und W2 ausüben, welche
Gegenkraft sich auf die Kolbenstange 117 des Kolbens 113 ent
sprechend auswirken wird. Legt man daher an diese Kolbenstange
117 einen Dehnungsmessstreifen 26 oder Druckquarz, so kann diese
Gegenkraft unmittelbar gemessen und daraus auf die Fliesseigen
schaften des Mahlgutes geschlossen werden. Diese Fliesseigen
schaften bestimmen aber auch den Spalt zwischen den Reibwalzen W2
bis W5, da sich ja bekanntlich zwischen diesen Walzen ein Gleich
gewicht zwischen den durch den Zylinder 10 aufgebrachten Druck
und dem Gegendruck des Materiales einspielt. Genau dieser Gegen
druck aber ist es, der durch den Dehnungsmessstreifen 26 festge
stellt und beispielsweise einem Differenzverstärker 27 zugeführt
wird.
Im Differenzverstärker 27 wird das Ausgangssignal des Dehnungs
messstreifens 26 mit einem durch einen lediglich schematisch an
gedeuteten Sollwertgeber 28 verglichen, woraus sich ein Regel
wert R nach der Rechnung
R = S - a
ergibt, worin S der Referenzwert des Sollwertgebers 28 ist und
a das Ausgangssignal des Dehnungsmessstreifens 26. R wird daher
umso grösser sein, je kleiner das Ausgangssignal a ist und umge
kehrt.
Es mag zweckmässig sein, in die Ausgangsleitung des Differenz
verstärkers 27 einen Analog-Digital-Wandler 29 einzuschalten.
Ebenso mag es erwünscht sein, an die Ausgangsleitung des Diffe
renzverstärkers 27 ein Anzeigegerät 30 anzuschliessen, das bei
Anschluss vor dem Wandler 29 als Analog-Anzeige ausgebildet sein
wird, gegebenenfalls aber auch hinter dem Wandler 29 angeschlos
sen sein kann und beispielsweise eine (Digital-) LCD-Anzeige
umfasst.
In jedem Falle gelangt das Ausgangssignal des Differenzverstär
kers 27 direkt oder indirekt an eine Auswerteschaltung 31, die
zweckmässig von einem Mikroprozessor gebildet ist. Durch diese
Auswerteschaltung 31 wird ein Elektromotor, z. B. ein Schritt
motor 32, angesteuert, über den das Zahnrad 21 antreibbar ist.
Ein über dem Elektromotor 32 angetriebenes Drehpotentiometer
33 mag als Positionsgeber dienen, wobei sein Ausgangssignal der
Auswerteschaltung 31 rückgeführt wird. Dies mag sich auch im
Falle eines Schrittmotors empfehlen. Gegebenenfalls kann auch ein
Annäherungsdetektor 34 vorgesehen werden, um den Abstand zum
Zahnrad 21 und damit indirekt die Position der Walze 3 zu messen.
Beispielsweise kann dieser Detektor 34 von einem induktiven Geber
gebildet sein, wobei das Ausgangssignal dieses Gebers wiederum an
die Auswerteschaltung 31 rückgeführt wird.
Ist das Ausgangssignal des Dehnungsmesstreifens 26 gross, so be
deutet dies, dass die Viskosität des Mahlgutes gross ist und da
her das Mahlgut auch der Kraft des Hydraulikzylinders 10 eine
entsprechend hohe Gegenkraft entgegensetzen wird, woraus sich
eine grosse Schichtdicke zwischen den Walzen W2 bis W5 ergibt.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 27 wird dementspre
chend relativ klein sein und in der Auswerteschaltung 31 noch
mals mit einem Sollwert verglichen. Wenn die Viskosität des dem
Fünf-Walzwerk 4 angelieferten Mahlgutes zu gross ist, so bedeu
tet dies, dass das Vorwalzwerk 1 zu fein mahlt und zur Ausrege
lung seine Spaltgrösse erhöht werden muss. In diesem Sinne be
wirkt das Ausgangssignal der Schaltung 31 eine entsprechende
Ansteuerung des Motors 32, wodurch der Anschlagkolben 16 ent
sprechend verstellt wird.
Es versteht sich, dass diese Art der Regelung nicht unbedingt
auf die Verwendung eines Dehnungsmessstreifens 26 beschränkt ist,
vielmehr kann ein Umschalter 35 vorgesehen sein, durch den ein
lediglich schematisch angedeuteter Schichtdickenmesser 36 im Be
reiche des letzten Walzenspaltes vor dem Abstreifer 37 an den
Eingang des Differenzverstärkers 27 angeschlossen wird. In jedem
Falle ist aber ersichtlich, dass das nachgeschaltete Fünf-Walz
werk 4 im wesentlichen frei von Verstellorganen bleiben kann und
daher einfacher und billiger als ein geregeltes Walzwerk ausgebil
det sein kann, ohne deswegen auf den Vorteil einer Regelung ver
zichten zu müssen. Mit anderen Worten: anstelle einer getrennten
Regelung für jedes der beiden Walzwerke 1 und 4 kann eine gemein
same Regelung vorgesehen werden. Anderseits ist die Messung der
Gegenkraft nicht unbedingt auf Walzen mit einem vorbestimmten
Walzenspalt eingeschränkt. Fig. 2 zeigt, wie eine Messung der
Gegenkraft auch zwischen den Walzen W4 und W5 des Walzwerkes 4
vorgenommen werden kann, die ja in üblicher Weise schwimmend
gelagert sind. In diesem Falle bedarf es nur einer fixen, jedoch
elastischen Verbindung zwischen den Lagerkörpern 38, 39 dieser
beiden Walzen, vorzugsweise in Form einer Feder 40. An dieser
Feder 40 kann dann die Gegenkraft mit Hilfe eines Dehnungsmess
streifens 126 gemessen werden.
Es ist jedoch zu bedenken, dass die Schichtdicke zwischen den
letzten Walzen besonders klein ist und daher die Messung an den
Einzugswalzen gemäss Fig. 1 bevorzugt ist. Alternativ wäre es
freilich möglich, die Walzen W2 und W5 miteinander in ähnlicher
Weise elastisch zu verbinden, wie dies in Fig. 2 mit der Feder 40
gezeigt ist. In diesem Falle ergibt sich ein grösseres Ausgangs
signal, doch sind dabei die besonderen Gegebenheiten in einem
Reibwalzwerk zu berücksichtigen, die anhand von Diagrammen der
Fig. 3 aufgezeigt sind. Dabei ist jeder der übereinanderliegend
dargestellten Walzen W1 bis W5 an der rechten Seite anhand einer
Treppenkurve 41 bzw. 41' die entsprechende Umdrehungszahl zuge
ordnet und anhand einer Treppenkurve s bzw. s' die sich dabei
ergebende Schichtdicke (gleiche Viskositäten und Temperaturen
vorausgesetzt). Es ergibt sich daher an der Walze W2 mit der Um
drehungsgeschwindigkeit v2 bzw. v2' eine Schichtdicke d2 bzw.
d2' usw. Es ist ferner ersichtlich, dass die Geschwindigkeit v2'
kleiner ist als die Geschwindigkeit v2, und dass dementsprechend
die Schichtdicke d2' grösser ist als die Schichtdicke d2. Wird
also die Gegenkraft des Materiales zwischen der Walze W2 und der
Walze W5 gemessen, so wird entsprechend den Umfangsgeschwindig
keiten v1 bis v5 bzw. v1' bis v5' jeweils die Gesamtheit der
entsprechenden Schichtdicken d2 bis d5 bzw. d2' bis d5' gemessen,
die sich dann nur noch aufgrund der Walzentemperatur und der
Fliesseigenschaften des Mahlgutes verändern wird. Um daraus die
endgültige Schichtdicke d5 bzw. d5' zu errechnen müsste das Sig
nal der zwischen den Walzen W2 bis W5 (oder zwischen anderen,
einander nicht benachbarten Walzen) gemessenen Gegenkraft eben
so einer Recheneinrichtung zugeführt werden, wie die Umfangsge
schwindigkeit der Walzen und gegebenenfalls auch deren Temperatur.
Theoretisch wäre es für eine solche Rechenoperation auch möglich,
die Abstandsänderungen zwischen den Walzen W2 und W5 zu bestim
men, zu welchem Zweck beispielsweise der Lagerkörper der Walze
W2 mit einer Zahnstange versehen werden könnte, die mit einem
Winkelmesser bzw. Wegmesser am Lagerkörper der Walze W5 zusam
menwirkt. Allerdings sind derartige Wegmesssysteme - schon auf
grund des mechanischen Spieles - nicht genau genug, weswegen die
Messung der Gegenkraft, insbesondere mit Hilfe eines Dehnungs
messstreifens ein zuverlässigeres Mess-Signal liefert. Hier sei
weiters angemerkt, dass aufgrund von geringen Exzentrizitäten
sich bei Messungen, wie sie anhand der Fig. 2 und 3 besprochen
wurden, entsprechend der Drehzahl der zugehörigen Walzen ein
Frequenzsignal ergeben wird, das durch ein Filter oder durch
Integration ausgeschaltet werden muss. Im Falle eines Filters
ist darauf zu achten, dass die Frequenzen innerhalb des Varia
tionsbereiches der Geschwindigkeiten ausgefiltert werden, im
Falle der Integrierung ergibt sich die Schichtdicke aus dem
Gleichstromanteil des Signales, doch bedeutet die Integrierung
auch eine Verlängerung der Regelzeitkonstante.
Aus alledem ist ein weiterer Grund ersichtlich, warum die Mes
sung an den auf einen festen Spaltwert eingestellten Einzugswal
zen W1, W2 bevorzugt ist, denn dort erübrigen sich alle diese
Massnahmen.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich;
so braucht das jeweils vorgeschaltete Walzwerk nicht unmittel
bar vorhergehend zu sein, vielmehr könnte so das Vorwalzwerk
(oder ein anderes Walzwerk im Bereiche des Anfanges einer Walz
werklinie) mit einem der letzten Walzwerke der jeweiligen Linie
in einem Regelkreis verbunden sein. Auch ist es nicht unbedingt
erforderlich, die Gegenkraft mit einem Quarz bzw. einem Dehnungs
messstreifen zu bestimmen, weil auch andere Kraftmesseinrichtun
gen möglich sind, wie beispielsweise Druckmessdosen. Schliesslich
ist hier wohl die Erfindung an Hand von Schokoladenrasse veran
schaulicht worden, doch lässt sie sich selbstverständlich an
allen ähnlichen Massen mit vergleichbaren Eigenschaften anwenden.
In Fig. 1 ist der Antrieb der Walzen W1 bis W5 nicht dargestellt.
Die Kräfte des Antriebes können aber die Messung der Gegenkraft
in zweierlei Weise beeinflussen: Zum einen mag es sein, dass da
durch das Ausgangssignal des Kraftmessers 26 eine gewisse Wellig
keit erhält, dessen Frequenz von der Antriebsgeschwindigkeit ab
hängen wird und die, falls störend, mit denselben Glättungsmit
teln ausgeschaltet werden kann, die oben an Hand der Fig. 2 be
schrieben wurden (Filtrierung bzw. Integrierung). Zum andern er
geben die Antriebsräder an einer Seite der Walzen eine Reaktions
kraft, die oft durch einseitig höheren Druck im betreffenden
Aggregat 10 ausgeglichen wird. Aus diesem Grunde ist es zweckmäs
sig, wenn die Gegenkraft, insbesondere zur Regelung des vorge
schalteten Walzwerkes 1, wenigstens an der dem Antrieb abgewand
ten Seite gemessen wird.
Es kann aber auch die vom Material ausgeübte Gegenkraft an beiden
Seiten einer Walze (bzw. der Walzen) gemessen werden. In diesem
Falle ergeben sich zwei Möglichkeiten. Einerseits ist es denkbar,
die Ausgangssignale beider Druckmesser einer Mischstufe zuzufüh
ren, um so beispielsweise das Vorwalzwerk 1 von einem Mischsignal
zu regeln. Die Mischstufe kann eine Addierstufe oder ein Mittel
wertbildner sein. Alternativ kann das Signal der beiden Seiten
auch unterschiedlich gewichtet werden.
Die andere Möglichkeit besteht darin, dass an der Antriebsseite
gewonnene Signal der Gegenkraft (oder dessen Differenz zu der
auf der Gegenseite gemessenen Gegenkraft) zur Regelung des
Druckes in dem der Antriebsseite zugeordneten Aggregat 10 zu
regeln. Diese Möglichkeit ist übrigens unabhängig davon gegeben,
wie die Regelung der Schichtdicke erfolgt.