DE3811880A1 - Fuellmengenmesseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllmengenmeßeinrichtung zur exakten ge­ wichtsmäßigen Beschickung einer weiterverarbeitenden Maschine mit Schüttgut.

Derartige Füllmengenmeßeinrichtungen sind bekannt und arbeiten nach dem Prinzip von Dosierwaagen, die im Schüttgutstrom zwischen Vorrats­ behälter und weiterverarbeitender Maschine angeordnet werden und beim Erreichen des Sollgewichts einen Schüttgutdosierbehälter öffnen und die exakt abgewogene Schüttgutmenge zur Beschickung der weiterverar­ beitenden Maschine freigeben.

Werden derartige bekannte großvolumige Einrichtungen im evakuierten Bereich installiert, so muß dieser in nachteiliger Weise sehr groß gehalten werden. Schüttgüter, die während der gesamten Verarbeitungs­ phase unter Vakuum zu halten sind, werden durch derartige Einbauten nachteilig einer erhöhten Kontamination durch die zusätzlich ins Vaku­ um eingebrachten Oberflächen ausgesetzt.

Wird lediglich die Gewichtsabnahme eines Vorratsbehälters, aus dem das Schüttgut in die weiterverarbeitende Maschine gefördert wird, gemes­ sen, um die Füllmenge exakt einzuhalten, so ergibt sich der Nachteil, daß derartige Messungen für vakuumbeaufschlagte Vorratsbehälter äußerst ungenau sind, da Schwankungen des Umgebungsdruckes die Ge­ wichtsabnahme des Vorratsbehälters unter Vakuum verfälschen.

In Abhängigkeit von der Größe und der Anordnung der Öffnungsfläche im Vorratsbehälter, durch die das Schüttgut der verarbeitenden Maschine zugeführt wird, ändert sich mit den Schwankungen des Umgebungsdruckes während des Abfüllvorgangs das Gewicht des vakuumbeaufschlagten Vor­ ratsbehäters mit dem Schüttgut.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine exakte gewichtsmäßige Beschickung einer weiterverarbeitenden Maschine aus einem evakuierten Vorratsbe­ hälter auch bei Schwankungen des Umgebungsdruckes unter Berücksichti­ gung der Größe und Anordnung der Öffnungsfläche im Vorratsbehälter sicherzustellen.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird dadurch erreicht, daß das Schüttgut unter Vakuum in einem Vorratsbehälter steht, welcher über eine elastische Verbindung an die weiterverarbeitende Maschine vakuumdicht angeschlossen ist und daß parallel zur elastischen Ver­ bindung ein Gewichtssensor angeordnet ist, der mit einem Umgebungs­ druckmesser und mit einer automatischen Gewichtsnachführeinheit in Wirkverbindung steht.

Die elastische Verbindung zwischen Vorratsbehälter und weiterverarbei­ tender Maschine gewährleistet, daß ein Gewichtssensor zur Messung der Gewichtsabnahme des Vorratsbehälters zwischen Vorratsbehälter und weiterverarbeitender Maschine von außen angeordnet werden kann. Die Gewichtsüberwachung von außen hat den Vorteil gegenüber Dosiereinhei­ ten im Schüttgutstrom, daß keine zusätzlichen großvolumigen Einrich­ tungen im Vakuum zu installieren sind und somit zusätzlich die Konta­ minationsgefahr für das Schüttgut verringert ist.

Die Gewichtsnachführeinheit hat dabei die Funktion, die durch Leerge­ wicht, Füllgewicht und Geometrie des Vorratsbehälters bestimmten Ein­ flußgrößen mit den Druckschwankungen des Umgebungsdruckes und den Eigenschaften der elastischen Verbindung zu korrelieren, so daß eine exakte gewichtsmäßige Beschickung der weiterverarbeitenden Maschine gegeben ist.

Dabei ist die Fläche A (beispielsweise 0,0125 m²) des Öffnungsquer­ schnitts des Vorratsbehälters zur elastischen Verbindung hin entschei­ dend. Beim Evakuieren des Vorratsbehälters von dem zeitabhängigen Umgebungsdruck p _U (t) (beispielsweise 10⁵ N/m²) auf Hochvakuum p _HV (beispielsweise 2×10^-3 N/m²) erhöht sich das Leergewicht g _L des Vakuumbehälters auf das Gewicht g _L + g _HV, wobei die Gewichtszunahme g _HV und der zeitabhängige Umgebungsdruck p _U (t) mit der Fläche A in folgender Abhängigkeit stehen:

g _HV = A × (p _U (t)-p _HV ). (1)

Beispielsweise nimmt das Leergewicht des Vorratsbehälters beim Eva­ kuieren mit den o. a. Werten um g _HV =1250 N zu. Bei Umgebungsdruck­ schwankungen während des Füllvorganges von beispielsweise ±2%, wie sie beispielsweise bei Beschickungsvorgängen von 4 h und mehr auftre­ ten, ergeben sich näherungsweise Gewichtsmeßfehler Δ g _HV von ±25 N

Δ g _HV = A × p _U (Δ t) (2)

Derartige Schwankungen werden durch die Gewichtsnachführeinheit aus­ geglichen.

Weitere Einflußgrößen auf die Meßgenauigkeit der vakuumbeaufschlagten Füllmengenmessung sind die Federkonstante a _f der elastischen Verbin­ dung und die Federkonstante a _s des Gewichtssensors und die damit ver­ bundene gewichtsmindernde Kraftwirkung g _f auf den Vorratsbehälter, die mit dem Meßweg Δ s des Gewichtssensors korrelieren (siehe Glei­ chung 3):

g _f = a _f × Δ s (3)

Das Gesamtgewicht des Vorratsbehälters wird um diese Größe g _f vermin­ dert, wobei der Meßweg Δ s von der Federkonstante a _s des Gewichtssen­ sors, von der Zeit t und dem Gesamtgewicht g (t) des Vorratsbehälters abhängt. Unter Berücksichtigung dieser Einflußgrößen ergibt sich für die gewichtsmindernde Kraftwirkung der elastischen Verbindung der Zusammenhang:

g _f = a _f × g (t)/a _s . (4)

Für ein Zeitintervall Δ t eines Füllvorgangs ist mit einem Gewichts­ meßfehler von

Δ g _f = g (Δ t) a _f /a _s (5)

zu rechnen, so daß die Gewichtsnachführeinheit das folgende Fehlge­ wicht Δ g auszugleichen hat:

Δ g = Δ g _f -Δ g _HV (6)

oder

Δ g = [g (t₁)-g(t₂)] a _f /a _s -[p _U (t₁)-p _U (t₂)] A (7)

Wobei in Gleichung (7) g (t₁) das gemessene Gewicht zu Beginn und g (t₂) zum Ende des Füllvorgangs ist und p _U (t ₁) den Umgebungsdruck zu Beginn und p _U (t ₂) den Umgebungsdruck zum Ende des Füllvorgangs dar­ stellt. Dazu wird der Gewichtsnachführeinheit der Umgebungsdruck über einen Umgebungsdruckmesser zugeführt und ein Sollgewicht g _s vorgege­ ben. Ist das Sollgewicht nach Gleichung (8) erreicht,

g _s = g (t₂) + Δ g (8)

so wird der Füllvorgang beendet.

Hierzu wird gemäß Unteransprüchen der Vorratsbehälter mit einer Schüttgutsperrvorrichtung versehen, die nach Erreichen der Füllmenge den Schüttgutstrom im Vakuum unterbricht. Die Gewichtsnachführeinheit stellt dazu ein Auslösesignal bereit.

Derartige Schüttgutsperrvorrichtungen sind als Sperrventile ausgebil­ det wie beispielsweise als Schmetterlingsventil. Besonders vorteilhaft haben sich hier Schieber bewährt, deren bewegliche Teile, soweit sie mit dem Schüttgutstrom in Kontakt kommen, dem Schüttgutmaterial ent­ sprechen, so daß die Kontaminationsgefahr durch Abrieb von Fremdmate­ rial an den Schieberoberflächen vermieden wird.

Weitere vorteilhafte Schüttgutsperrvorrichtungen sind im Vakuum in­ stallierte Drehteller oder Schraubenförderer, die aus Schüttgutmate­ rial gefertigt sind und die den Schüttgutstrom unterbrechen, wenn ihre Drehbewegung aussetzt.

Aktive Schüttgutsperrvorrichtungen sind jede Art von Schwingförderern, die für diesen speziellen Einsatz im Vakuum mit Schwingtöpfen oder Schwingrinnen aus dem Schüttgutwerkstoff ausgerüstet sind oder deren Berührungsflächen mit dem Schüttgutmaterial beschichtet wurde, so daß vorteilhaft eine Kontamination bei Berührung des Schüttgutes mit die­ sen Oberflächen vermieden wird.

Das elastische Glied wird vorteilhaft zwischen einem Meßflansch des Vorratsbehälters und einem Vakuumflansch der weiterverarbeitenden Maschine angeordnet. Diese Flansche können vorteilhaft so ausgelegt sein, daß unmittelbar zwischen ihnen außerhalb des Vakuums der Ge­ wichtsensor arbeitet. Das hat den Vorteil, daß lediglich das Leerge­ wicht des Vorratsbehälters und nicht der Ballast der weiterverarbei­ tenden Maschine die Füllmengenmessung beeinflußt.

Die elastische Verbindung soll vakuumdicht und elastisch sein, wobei im Hinblick auf Gleichung (5), a _f « a _s bleiben muß. Deshalb wird hier vorteilhaft ein Faltenbalg eingesetzt.

Ein weiterer Vorteil des Einbaues einer Füllmengenmeßeinrichtung zwi­ schen Vorratsbehälter und weiterverarbeitender Maschine ist, daß der Vorratsbehälter mit dem Meßflansch von der weiterverarbeitenden Ma­ schine getrennt werden kann und damit gleichzeitig als Transport und Nachfüllbehälter dient. Dazu wird vorteilhaft ein Vakuumsperrglied vor dem Meßflansch des Vorratsbehälters angebracht, wobei zum Transport dieses Behälters das Vakuumsperrglied geschlossen und beim Auffüllen des Vorratsbehälters wieder geöffnet wird. Nach dem Aufsetzen des Vakuumvorratsbehälters auf die Füllmengenmeßeinrichtung und nach dem Evakuieren der weiterverarbeitenden Maschine, werden die beiden Va­ kuumräume durch Öffnen des Vakkumsperrgliedes zusammengeschlossen.

Ein besonders vorteilhafter Aufbau der Füllmengenmeßeinrichtung zwi­ schen Vorratsbehälter und weiterverarbeitender Maschine stellt der Einsatz von 3 Druckmeßdosen als Gewichtssensor da. Diese werden gleichmäßig am Umfang des Meßflansches verteilt, so daß sie eine Dreipunktlagerung für den Vorratsbehälter bilden. Eine stützende und führende Parallel- oder Kipphalterung für den Vorratsbehälter wird dadurch entbehrlich und die Meßgenauigkeit erhöht.

In einer speziellen Ausbildung der Erfindung werden die Funktionen der Gewichtsnachführeinheit durch die folgenden Geräteeinheiten reali­ siert. Zunächst sorgt ein elektromechanischer Umsetzer dafür, daß die mechanischen Änderungen eines mechanischen Umgebungsdruckmessers in elektrische Signale umgesetzt werden und diese mittels eines kali­ brierbaren elektrischen Verstärkers in äquivalente elektrische Ge­ wichtssignale transformiert werden. Die Kalibrierung des Verstärkers dient gleichzeitig dazu, den aktuellen Querschnitt der Öffnung des Vorratsbehälters in die Messung einzubeziehen. Dieses äquivalente Gewichtssignal des Umgebungsdruckes wird in der Wägeabgleicheinheit von dem aktuellen Gewichtssignal des Gewichtssensors subtrahiert und mit dem Sollwert des Chargengewichts verglichen. Dieser Sollwert wird in einem Sollwertgeber unter Berücksichtigung der nach Gleichung (7) erforderlichen Korrektur gespeichert. Der Vorteil dieser Zusammenstel­ lung ist, daß diese Füllmengenmeßeinrichtung eine exakte gewichtsmäßi­ ge Beschickung einer weiterverarbeitenden Maschine unter Vakuum ge­ währleistet.

Sehr hohe Anforderungen werden an eine Füllmengenmeßeinrichtung ge­ stellt, wenn die weiterverarbeitende Maschine eine unter Vakuum ste­ hende Rüttelmaschine darstellt. Dazu wird der Vakuumflansch der wei­ terverarbeitenden Maschine starr mit dem Gewichtssensor auf einem ruhenden Rahmen befestigt und die Rüttelmaschine als weiterverarbei­ tende Maschine über eine elastische Zuleitung mit dem Vakuumflansch verbunden.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert und bevorzugte Ausführungsformen dargestellt. Es zei­ gen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Füllmen­ genmeßeinrichtung,

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Füllmengenmeßeinrich­ tung nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Einzelheit A aus Fig. 2 vergrößert.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau der Füllmengenmeßeinrichtung zwischen zwei vollständig evakuierten Räumen, nämlich einer weiterver­ arbeitenden Maschine 1, die die Füllmenge unter Hochvakuum aufnimmt und dem Vorratsbehälter 2, der die Füllmenge abgibt. Die beiden eva­ kuierten Räume 1 und 2 sind über eine elastische Verbindung 3 kurzge­ schlossen. Parallel zu dieser elastischen Verbindung 3 ist ein Ge­ wichtssensor 4 angeordnet, der das Gewichtssignal einer Gewichtsnach­ führeinheit 6 zuführt. Ein Umgebungsdruckmesser 5 steht mit der Ge­ wichtsnachführeinheit 6 in Wirkverbindung. Der Wirkungspfeil zwi­ schen Gewichtsnachführeinheit 6 und Vorratsbehälter 2 verdeutlicht, daß bei Erreichen des exakten Beschickungsgewichtes der Füllvorgang von dem Vorratsbehälter 2 in die weiterverarbeitende Maschine 1 ge­ stoppt wird.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Füllmengenmeßein­ richtung. Dabei stehen der gesamte Innenraum der weiterverarbeitenden Maschine 1 und der Vorratsbehälter 2 sowie die elastische Verbindung 3 unter Hochvakuum. Eine Schüttgutsperrvorrichtung 8 öffnet zum Zeit­ punkt t₁, so daß Schüttgut durch das geöffnete Vakuumsperrglied 10, den Meßflansch 7, die elastische Verbindung 3, den Vakuumflansch 9 am Gehäuse der weiterverarbeitenden Maschine 1 und durch die elastische Zuleitung 16 in das Gefäß 22 fällt. Während das Schüttgut in das Gefäß 22 fällt, wird durch drei am Umfang des Meßflansches 7 verteilte Ge­ wichtssensoren 4 in Form von Druckmeßdosen die Gewichtsabnahme des Vorratsbehälters an die Gewichtsnachführeinheit 6 geleitet. Diese erhält vom Umgebungsdruckmesser 5 in Form einer Luftdruckmeßdose ein Meßsignal, das in einem elektromechanischen Wandler 11 in ein elektri­ sches Signal umgesetzt wird und proportional zum Öffnungsquerschnitt der elastischen Verbindung 3 durch den Meßverstärker 12 mit dem Netz­ gerät 17 der Wägeabgleicheinheit 13 zugeführt wird. Die Wägeabgleich­ einheit 13 bringt das um den Einfluß der elastischen Verbindung 3 und der Druckänderung korregierte Gewicht im Wägeindikator 18 zur Anzeige und vergleicht dieses Gewicht mit dem Sollgewicht des Sollwertgebers 14 der bei Übereinstimmung zwischen Sollgewicht und korregiertem Ge­ wicht die Schüttgutsperrvorrichtung 8 auslöst, so daß der Füllvorgang unterbrochen wird. Der Vorratsbehälter 2 ist für ein bis fünf Füllvor­ gänge ausgelegt und wird nach dem Verbrauch des Füllgutes mit dem Vakuumsperrglied 10 verschlossen, vom Meßflansch 7 abgeflanscht und erneut mit Füllgut unter Hochvakuum beladen. Während und nach dem Füllvorgang wird das Schüttgut im Gefäß 22 mit Hilfe eines außerhalb des Vakuums der weiterverarbeitenden Maschine angebrachten Klopfan­ triebs 19 und eine Schwingantrieb 20 verdichtet.

Fig. 3 vergrößert eine Einzelheit A aus Fig. 2 und zeigt die starre Verbindung des Meßsensors 4 mit dem ruhenden Rahmen 15 der weiterver­ arbeitenden Maschinen 1. Der ruhende Rahmen 15 stützt sich auf dem Fundament der weiterverarbeitenden Maschine 1 ab.

Claims (10)

1. Füllmengenmeßeinrichtung zur exakten gewichtsmäßigen Beschickung einer weiterverarbeitenden Maschine mit Schüttgut, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schüttgut unter Vakuum in einem Vorratbehälter (2) steht, welcher über eine elastische Verbindung (3) an die weiterverarbeitende Maschine (1) vakuumdicht angeschlossen ist und daß parallel zur elastischen Verbindung (3) ein Gewichtssensor (4) angeordnet ist, der mit einem Umgebungsdruckmesser (5) und mit einer automatischen Gewichtsnachführeinheit (6) in Wirkverbindung steht.

2. Füllmengenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (2) mit der elastischen Verbindung (3) über einen Meßflansch (7) verbunden und zum Meßflansch (7) hin mit einer Schüttgutsperrvorrichtung (8) versehen ist.

3. Füllmengenmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die elastische Verbindung (3) mit einem Vakuumflansch (9) an die weiterverarbeitende Maschine (1) ange­ flanscht ist, und daß der Gewichtssensor (4) zwischen Meßflansch (7) und Vakuumflansch (9) angeordnet ist.

4. Füllmengenmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verbindung (3) ein Faltenbalg ist.

5. Füllmengenmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Meßflansch (7) und Schüttgutsperrvorrichtung (8) ein Vakuumsperrglied (10) ange­ bracht ist.

6. Füllmengenmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die schüttgutfördernden und/oder schüttgutberührenden Oberflächen der Schüttgutsperrvorrichtung dem Schüttgutwerkstoff entsprechen.

7. Füllmengenmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtssensor (4) aus drei am Umfang des Meßflansches (7) verteilten Druckmeßdosen besteht.

8. Füllmengenmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsnachführeinheit aus einem elektromechanischen Umsetzer (11), einem kalibrierbaren elektrischen Verstärker (12), einer Wägeabgleichheit (13) und einem Sollwertgeber (14) für das Chargengewicht besteht.

9. Füllmengenmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weiterverarbeitende Maschine (1) eine unter Vakuum stehende Rüttelmaschine ist.

10. Füllmengenmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumflansch (9) und der Gewichtssensor (4) an einem ruhendem Rahmen (15) befestigt sind und die Rüttelmaschine (1) über eine elastische Zuleitung (16) mit dem Vakuumflansch (9) verbunden ist.