DE3803594A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung des gasbeladungszustandes eines fluids bei der verarbeitung von gefuellten und ungefuellten fluiden - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung des gasbeladungszustandes eines fluids bei der verarbeitung von gefuellten und ungefuellten fluidenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Messung des Gasbeladungszustandes eines Fluids
nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 11.
Bei der Verarbeitung von Fluiden, z. B. Polyol und Isocyanat
zu PUR-Formteilen ist der Gasbeladungszustand
des Polyols eine wesentliche Prozeßgröße, die gemessen
werden muß.
Bekannte Meßmethoden zur Bestimmung des Gasbeladungszustandes
sind beispielsweise
- - gravimetrische Dichtebestimmung
- - gyrostatische Massestrombestimmung
- - radiometrische Dichtemessung
- - Dichtemessung mittels Auftriebskörper
- - Dekompressionsmethode.
Alle bekannten Meßmethoden haben den Nachteil einer
komplizierten Mechanik mit der Folge störanfälliger
Messungen mit geringer Reproduzierbarkeit und hoher
Kosten. Bei dem radiometrischen Dichtemeßverfahren ist
darüber hinaus ein umständliches Genehmigungsverfahren
erforderlich. Bei füllstoffhaltigen PUR-Systemen treten
zusätzlich Probleme durch Sedimentation der Füllstoffe
speziell nach einem Anlagenstillstand auf. Ein weiterer
Nachteil der bekannten Meßmethoden besteht darin, daß
keine on-line-Messungen möglich sind. Für die Messungen
wird eine Probe des zu untersuchenden Fluids entnommen,
die von dem später in der Maschine tatsächlich zur Verarbeitung
kommenden Fluids unterschiedlich sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Messung des Gasbeladungszustandes
zu schaffen, die einen geringen apparativen Aufwand
benötigen und eine kostengünstige Messung mit hoher Reproduzierbarkeit
ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß das Fluid in eine Meßkammer mit definiertem Volumen gefördert wird,
daß das Fluid mit einem Druck beaufschlagt wird, bis ein vorgegebener maximaler Meßdruck in der Meßkammer erreicht ist,
daß der Druckverlauf in der Meßkammer erfaßt wird und
daß die im Druckverlauf relative Verschiebung des Druckanstiegs bei unterschiedlichen Gasanteilen als Maß für den Gasbeladungszustand verwendet wird.
daß das Fluid in eine Meßkammer mit definiertem Volumen gefördert wird,
daß das Fluid mit einem Druck beaufschlagt wird, bis ein vorgegebener maximaler Meßdruck in der Meßkammer erreicht ist,
daß der Druckverlauf in der Meßkammer erfaßt wird und
daß die im Druckverlauf relative Verschiebung des Druckanstiegs bei unterschiedlichen Gasanteilen als Maß für den Gasbeladungszustand verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht letztlich darauf,
daß der Gasanteil unter Ausnutzung seines ausgeprägten
Kompressionsverhaltens ermittelt werden kann. Dieses
Kompressionsverhalten kann im produktionsrelevanten Bereich
für Druck und Temperatur durch die ideale Gasgleichung
beschrieben werden. Der Druckanstieg in der Meßkammer
mit dem für das Fluid typischen Druckgradienten
beginnt erst, nachdem das in dem Fluid dispergierte Gas
weitestgehend komprimiert ist. Auf diese Weise ergeben
sich bei unterschiedlichem Gasanteil insofern unterschiedliche
Druckverläufe in der Meßkammer, als bei
einem Fluid mit hohem Gasanteil der steile, dem Fluid
ohne Gas entsprechende Druckgradient später auftritt
als bei einem Fluid mit geringerem Gasanteil. Der einem
bestimmten Gasbeladungszustand entsprechende Druckverlauf
ist in hohem Maße reproduzierbar und kann daher in
vorteilhafter Weise als Maß für den Gasbeladungszustand
auch bei Fluiden mit Füllstoffen verwendet werden.
Es wird ein Meßdruckbereich zwischen 100 und 400 bar,
vorzugsweise zwischen 200 und 250 bar verwendet.
Als Referenzwert zur Feststellung der relativen Verschiebung
des Kurvenverlaufs wird vorzugsweise der
Druckgradient des Fluids ohne Gasbeladung verwendet.
Bei dem hohen Meßdruck bildet sich auch bei einem Fluid
mit Gasbeladung letztlich ein Druckgradient aus, der
dem Druckgradienten des Fluids ohne Gasbeladung entspricht.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die
Meßkammer durch Absperren der Zuleitung zwischen einer
Hochdruck-Kolbendosieranlage und einem Mischkopf gebildet
wird, wobei der Dosierkolben der Dosieranlage von
einer definierten Ausgangsposition gestartet wird. Auf
diese Weise ist es möglich, das Verfahren in einer üblichen
Produktionsmaschine zu verwenden, so daß on-line-
Messungen unmittelbar vor der Formteilherstellung möglich
sind. Hierzu kann die Produktionsmaschine bis auf
ein Absperrventil in der Zuleitung unverändert verwendet
werden, wodurch einerseits die Kosten für die Messung
der Gasbeladung sehr gering sind und andererseits
Messungen auch während des Produktionsprozesses möglich
sind. Änderungen des Gasbeladungszustandes innerhalb
einer Charge sind auf diese Weise rechtzeitig erkennbar,
wodurch eine bessere Formteilqualität gewährleistet
werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Dosierkolben mit einem definierten Geschwindigkeitsverlauf
zugestellt wird und die relative
zeitliche Verzögerung des Druckanstiegs als Maß für den
Gasbeladungszustand verwendet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist zur Durchführung der Messung in einer
Produktionsmaschine lediglich ein Absperrventil erforderlich,
wobei der zur Messung des Vorlaufdrucks vorhandene
Drucksensor zur Ermittlung des Druckverlaufs in
der aus der Zuleitung und einem Teil des Dosierzylinders
bestehenden Meßkammer verwendet wird. Für den Meßzyklus
wird dabei der Dosierkolben von einer definierten Ausgangsposition
aus mit einem definierten Geschwindigkeitsverlauf
zugestellt, wodurch sich bei unterschiedlicher
Gasbeladung eine unterschiedliche zeitliche Verzögerung
des Druckanstiegs ergibt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
vorgesehen, daß die Änderung des Fluidvolumens erfaßt
wird und daß der auf die Volumenänderung bezogene
Druckverlauf als Maß für den Gasbeladungszustand verwendet
wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel muß im
Meßzyklus zusätzlich die Volumenänderung des Fluids
gemessen werden.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 die Vorrichtung zur Messung des Gasbeladungszustandes
in einer Hochdruck-Kolben-Dosieranlage,
Fig. 2 den qualitativen zeitlichen Druckverlauf für
verschiedene Gasbeladungszustände G₀ und G₁,
und
Fig. 3 auf die Volumenänderung des Fluids bezogene
Druckverläufe für Fluide mit unterschiedlichem
Gasbeladungszustand.
Polyurethan-Formteile werden zum Beispiel aus Polyol
und Isocyanat-Komponenten oder beispielsweise auch aus
Vierkomponentensystemen hergestellt. Zur Anwendung kommen
hierbei gefüllte oder auch ungefüllte Fluide. Bei
einer Polyol-Luft-Dispersion handelt es sich um ein
Gemisch zweier Komponenten mit sehr unterschiedlichem
Kompressionsverhalten. Polyol kann als quasi-inkompressible
Flüssigkeit angenommen werden. Luft dagegen zeigt
ein ausgeprägtes Kompressionsverhalten, das im produktionsrelevanten
Bereich für Druck und Temperatur durch
die ideale Gasgleichung beschrieben werden kann. Gemessen
wird lediglich der dispergierte Anteil an Luft im
Polyol. Eine Messung des im Polyol gelösten Luftanteils
ist gegebenenfalls über das geänderte Kompressionsverhalten
des Polyols möglich.
Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung in einer Hochdruck-Kolben-
Dosieranlage. Die Polyolkomponente wird in einem
Begasungstank 1 mit Luft versetzt, wobei die Luft beispielsweise
eingeblasen wird und mit einem Hohlrührer 3
vermischt wird. Anstelle von Luft können auch Gase,
z. B. Stickstoff, eingeblasen werden.
Das luftbeladene Polyol 2 wird über ein Rückschlagventil
4 einem Dosierzylinder 5 zugeführt, der über einen
Mikrorechner 6 angesteuert wird. Von dem Dosierzylinder
5 wird das luftbeladene Polyol über ein weiteres Rückschlagventil
7 in einer Zuleitung 8 einem Mischkopf 9
zugeführt. Der Mischkopf 9 kann beispielsweise nach dem
Gegenstrominjektionsprinzip arbeiten. An dem Mischkopf
9 ist eine Rücklaufleitung 10 angeschlossen, die zu dem
Gegasungstank 1 zurückführt. Der Vorlaufdruck in der
Zuleitung 8 wird über einen in Fig. 1 nicht dargestellten
Drucksensor überwacht, der dem Mikrorechner 6 ein
Druckmeßsignal über einen Analog-Digital-Wandler 11
zuführt.
In der Zuleitung 8 ist ein von dem Mikrorechner 6 ansteuerbares
Absperrventil 12 angeordnet, das für einen
Meßzyklus zur Messung des Gasbeladungszustandes des
Polyols in Sperrstellung geschaltet wird.
Für die Messung des Gasbeladungszustandes ist eine Meßkammer
mit definiertem Volumen erforderlich, wobei die
Meßkammer von dem Abschnitt der Zuleitung 8 bis zu dem
Absperrventil und dem Kammervolumen des Dosierzylinders
5 bis zum Dosierkolben 13 gebildet wird. Das definierte
Meßkammervolumen wird dadurch erzielt, daß der Dosierkolben
13 für den Meßzyklus von einer definierten Position
aus gestartet wird.
Die Bewegung des Dosierkolbens kann mit gleichmäßiger
oder mit ungleichmäßiger Geschwindigkeit erfolgen, wobei
der Zyklus bei einem vorgegebenen maximalen Meßdruck
P max abgebrochen wird. Der maximale Meßdruck beträgt
dabei vorzugsweise 200 bis 250 bar.
In einem Vorversuch kann die Kompressibilität des
Fluids, hier des Polyols ohne Gasbeladung, ermittelt
werden. Die dabei mit dem Drucksensor aufgezeichnete
Druckkurve kann als Referenzdruckverlauf für die Flüssigkeit
ohne Gasgehalt verwendet werden.
Bei definiertem, wiederholbaren Geschwindigkeitsverlauf
oder gleichförmiger Geschwindigkeit des Dosierkolbens
13 ist die relative zeitliche Verzögerung des Druckanstiegs
in der Meßkammer ein Maß für den Luftbeladungszustand.
Zur Bestimmung des Luftgehaltes eines Polyol-
Luftgemisches wird bei konstanter Dosierkolbengeschwindigkeit
das in der Meßkammer befindliche Fluid-Gasgemisch
so lange komprimiert, bis der gemessene zeitliche
Druckgradient den gleichen Wert annimmt, wie er vorher
für das Fluid ohne Gasgehalt ermittelt wurde. Bei einem
Fluid-Gasgemisch wird der Druckverlauf des Fluids ohne
Gasgehalt zeitlich verzögert erreicht, wobei die ermittelte
Zeitdifferenz Δ T, wie aus Fig. 2 ersichtlich,
ein Maß für den Gasgehalt des Fluid-Gasgemisches ist.
In Fig. 2 sind zwei Druckverläufe mit im wesentlichen
parallelen Druckgradienten für verschiedene Gasbeladungsgrade
G₀ und G₁ dargestellt, wobei G₁ den Druckverlauf
für einen höheren Gasbeladungszustand wiedergibt.
Die Zeitdifferenz Δ T auf der Zeitachse wird
durch Verlängerung der zueinander parallelen linearen
Kurvenbereiche bis zur Zeitachse bestimmt.
Unabhängig von der Geschwindigkeit des Dosierkolbens
kann auch die auf die Volumenänderung in der Meßkammer
bezogene Verschiebung des Druckanstiegs als Maß für den
Gasbeladungszustand verwendet werden. Dabei kann die
Volumenänderung über den zurückgelegten Weg des Dosierkolbens
13 bestimmt werden. Hierfür ist jedoch zusätzlich
ein Meßsensor für den Dosierkolbenweg erforderlich.
Fig. 3 zeigt mehrere Druckverläufe für Fluide mit
unterschiedlichem Gasbeladungszustand in Abhängigkeit
von der Volumenänderung des Fluids, wobei V ges
dem Meßkammervolumen entspricht.
Das Meßverfahren ermöglicht praktisch eine on-line-Messung,
da die Messung des Gasbeladungszustandes in der
Produktionsmaschine unmittelbar vor einer Formteilherstellung
erfolgen kann. Der Mikrorechner 6 steuert den
gesamten Meßzyklus, in dem zunächst die Meßkammer mit
dem zu untersuchenden Fluid nach dem Schließen des Absperrventils
gefüllt wird, dann die Dosierkolbenbewegung
gesteuert wird und über den Drucksensor und gegebenenfalls
einen Sensor für den Dosierkolbenweg anfallende
Daten, bis der Maximaldruck erreicht ist, erfaßt
und anschließend ausgewertet werden.
Bis auf das Absperrventil und gegebenenfalls den Wegmeßsensor
sowie ein Steuerungsprogramm für den Meßzyklus
sind alle für das Meßverfahren erforderlichen
Einrichtungen bei üblichen Produktionsmaschinen bereits
vorhanden.
Claims (13)
1. Verfahren zur Messung des Gasbeladungszustandes
eines Fluids bei der Verarbeitung von gefüllten
und ungefüllten Fluiden,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluid mit einem Druck beaufschlagt wird, bis ein vorgegebener maximaler Meßdruck in der Meßkammer erreicht ist,
daß der Druckverlauf in der Meßkammer meßtechnisch erfaßt wird und
daß die im Druckverlauf relative Verschiebung des Druckanstiegs bei unterschiedlichen Gasanteilen als Maß für den Gasbeladungszustand verwendet wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluid mit einem Druck beaufschlagt wird, bis ein vorgegebener maximaler Meßdruck in der Meßkammer erreicht ist,
daß der Druckverlauf in der Meßkammer meßtechnisch erfaßt wird und
daß die im Druckverlauf relative Verschiebung des Druckanstiegs bei unterschiedlichen Gasanteilen als Maß für den Gasbeladungszustand verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Meßdruck im Bereich zwischen 100 und 400
bar, insbesondere zwischen 200 bis 250 bar verwendet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die relative Verschiebung an Hand
übereinstimmender Druckgradienten gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druckverlauf des
Fluids ohne Gasbeladung als Referenzwert verwendet
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßkammer durch Absperren
der Zuleitung zwischen einer Hochdruck-
Kolbendosieranlage und einem Mischkopf gebildet
wird, wobei ein Dosierkolben der Dosieranlage von
einer definierten Ausgangsposition aus zur Beaufschlagung
des Fluids mit Druck gestartet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Dosierkolben mit
einem definierten Geschwindigkeitsverlauf zugestellt
wird und die relative zeitliche Verzögerung
des Druckanstiegs als Maß für den Gasbeladungszustand
verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Dosierkolben mit konstanter Geschwindigkeit
zugestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Änderung des Fluidvolumens
erfaßt wird und daß der auf die Volumenänderung
bezogene Druckverlauf als Maß für den
Gasbeladungszustand verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet,
daß die Volumenänderung in der Meßkammer durch
Messung des Dosierkolbenwegs gemessen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Meßzyklus, bestehend
aus dem Ansteuern eines Absperrventils in der Zuleitung,
dem Füllen der Meßkammer, dem Steuern der
Dosierkolbenbewegung und dem Aufzeichnen und Auswerten
der Meßdaten über einen Mikrorechner automatisch
gesteuert wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 10 auf einer Hochdruck
Kolbendosieranlage, die über eine Zuleitung mit
einem Mischkopf verbunden ist, wobei in der Zuleitung
der Vorlaufdruck über einen Drucksensor meßbar
ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuleitung (8) zwischen Dosieranlage (5) und Mischkopf (9) mit Hilfe eines Absperrventils (12) absperrbar ist,
daß die Zuleitung (8) bis zum Absperrventil und das Kammervolumen der Dosieranlage von einer definierten Ausgangsposition des Dosierkolbens aus die Meßkammer bildet und
daß der Sensor für den Vorlaufdruck den Druckverlauf in der Meßkammer mißt.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuleitung (8) zwischen Dosieranlage (5) und Mischkopf (9) mit Hilfe eines Absperrventils (12) absperrbar ist,
daß die Zuleitung (8) bis zum Absperrventil und das Kammervolumen der Dosieranlage von einer definierten Ausgangsposition des Dosierkolbens aus die Meßkammer bildet und
daß der Sensor für den Vorlaufdruck den Druckverlauf in der Meßkammer mißt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das Absperrventil (12) ansteuerbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Wegmeßsensor den Dosierkolbenweg
mißt.
Priority Applications (1)
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