DE4029620A1 - Verfahren und vorrichtung zum genauen und sicheren dosieren von chargen beliebiger medien mit vorgabe eines soll-wertes einer messgroesse - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum genauen und sicheren dosieren von chargen beliebiger medien mit vorgabe eines soll-wertes einer messgroesse

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum genauen und sicheren Dosieren von Chargen beliebiger Medien mit Vorgabe eines SOLL- Wertes (Msoll) einer Meßgröße wie Volumen oder Gewicht, unter Verwendung eines Dosier-Systems mit einem die Meßgröße bzw. deren Änderung pro Zeiteinheit überwachenden Meßaufnehmer.
Zum Abfüllen von fließfähigen oder schütt- bzw. rieselfähigen Medien in einer vorgegebenen Mengeneinheit mittels einer volumetrisch oder gravimetrisch arbeitenden Dosiervorrichtung werden beim Stand der Technik die verschiedensten Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt. Beispielsweise ist aus der EP-B- 01 12 609 ein Dateneingabe-System für Tankstellen bekannt, welches nach Maßgabe einer Geldeingabemenge eine vorgegebene Kraftstoffmenge ausgibt. Das System ist kompliziert und erfordert nachteilig einen hohen Aufwand an technischen und finanziellen Mitteln.
Aus der DE-OS 28 43 660 ist ein Steuergerät zur Ferneinstellung und - Steuerung von Zellenraddosierern bekannt. Die Erfindung sieht vor, daß der periodische Drehwinkel des Zellenrades direkt als Prozentsatz einer Umdrehung durch Ferneinstellung am Steuergerät vorgenommen wird. Die mit diesem Gerät erreichbare Dosiergenauigkeit für unterschiedliche Schüttgüter ist vergleichsweise gering, weil z. B. die Füllungsgrade der Zellen des Zellenrades Unterschiede aufweisen können. Auch sind anteilige Werte zwischen zwei Zelleninhalten nicht einstellbar. Für flüssige Medien ist die Vorrichtung nicht verwendbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu vereinfachen und die Genauigkeit zu verbessern, wobei eine chargenweise Dosierung beliebiger riesel- oder fließfähiger Medien mit vorwählbarem SOLL-Wert einer Meßgröße problemlos möglich sein soll.
Die Lösung gelingt bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit der Erfindung dadurch,
  • - daß zum Abzug des Mediums aus einem Vorrat ein Dosierorgan wie Abzugseinrichtung oder Absperrorgan verwendet wird, dessen Austragsleistung (M/t) für das Medium in weiten Grenzen einstellbar ist, und
  • - daß die Austragsleistung der Abzugseinrichtung bzw. des Absperrorganes zu Beginn der Dosierung nach Maßgabe der vorgegebenen Höhe des SOLL-Wertes (Msoll) auf einen mehr oder weniger großen Wert bzw. Öffnungsgrad eingestellt und dieser gegen Ende der Dosierung nach einem vorgegebenen Programm verringert wird.
Aus der Praxis ist zwar schon ein Dosiersystem bekannt, welches ein Auslaßorgan mit Hauptschieber und Nebenschieber aufweist. Zu Beginn des Abfüllvorganges werden Haupt- und Nebenschieber sofort voll geöffnet, und ein Massenstrom schießt aus dem Dosierorgan heraus; nach Erreichen einer vorgegebenen Mengengrenze wird dann der Hauptschieber geschlossen und der Nebenschieber bis zum Erreichen eines SOLL-Wertes offengehalten und dann ebenfalls geschlossen. Die vergleichsweise spontanen Öffnungs- und Schließvorgänge der Absperrorgane können bei einigen Medien zu nachteiligen Druckwellen im Massenstrom und fallweise zu Beschädigungen der Dosierorgane bzw. zu Verdichtungserscheinungen in der Materialsäule führen; auch lassen sich unkontrollierbare Nachlaufmengen nicht sicher vermeiden.
Die bekannte Einrichtung eignet sich daher nur für das Abfüllen einer begrenzten Auswahl von sehr gleichmäßig schüttfähigem Gut und hält erhöhten Anforderungen einer genauen Dosierung von Gutarten mit unterschiedlichem Schütt- oder Rieselverhalten nicht stand. Zum Abfüllen von Flüssigkeiten ist diese bekannte Einrichtung ungeeignet.
Dagegen werden Nachteile und technische Grenzen bekannter Abfülleinrichtungen mit einem Verfahren nach der Lehre der Erfindung vorteilhaft überwunden, denn dabei wird die Austragsleistung bzw. der Öffnungsgrad des Dosierorganes zu Beginn der Dosierung nach Maßgabe der vorgegebenen Höhe des SOLL-Wertes auf einen mehr oder weniger großen Wert bzw. Öffnungsgrad eingestellt und dieser gegen Ende der Dosierung nach einem vorgegebenen Programm verringert.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die eingestellte Austragsleistung, unabhängig vom vorgegebenen SOLL-Wert, bei Erreichen eines Wertes der Meßgröße entsprechend einer vorprogrammierten konstanten Differenz zum SOLL-Wert, rampenartig, d. h. konstant oder stufenweise, zurückgefahren wird.
Weil diese Differenz vorteilhaft immer konstant ist, sind unkontrollierbare Nachlaufmengen vermeidbar bzw. exakt kompensierbar. Unabhängig vom Faktor Zeit richtet sich bei dieser Ausgestaltung der Erfindung der Austrags- bzw. Öffnungsgrad des Dosier- bzw. Absperrvorganges selbsttätig bzw. programmgesteuert nach der SOLL-Wert-Vorgabe. Dies ermöglicht eine überraschend genaue Dosierung bei unterschiedlichen Medien und vermeidet Verschleiß an den Dosierorganen sowie schädliche Druckwellen in der Materialsäule; zudem wird mit Vorteil für eine äußerst genaue Dosierung das Dosierorgan insbesondere bei kleinen Dosiermengen nach Maßgabe des SOLL-Wertes nur teilweise geöffnet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Austragsleistung beim Anfahren des Dosiervorganges auf den einzustellenden Wert stetig beschleunigt und beim Abfahren von diesem Wert bis auf Null stetig verzögert wird. Dies ergibt äußerst schonende und genau einzuhaltende Betriebsparameter. Dazu ist weiter vorgesehen, daß die Änderung der Austragsleistung beim An- und Abfahren in einer Zeitfunktion mit linearem bzw. progressivem oder degressivem Gradienten konstant oder stufenweise vorgenommen wird. Dabei spielt dann das Schütt- oder Fließ- oder Rieselverhalten des Mediums für das genaue Dosierergebnis keine Rolle. Das Verfahren kann vorteilhaft auch bei Flüssigkeiten angewendet werden. Infolgedessen werden unter allen praktisch vorkommenden Anwendungsfällen optimale Abfüllergebnisse erzielt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zum Ende des Dosiervorganges der Massenstrom (M/t) durch Drosselung der Austragsleistung in Schritten und vorzugsweise in quasi-kontinuierlichen Schritten, vom eingestellten Wert auf Null zurückgefahren wird. Die Anzahl der Schritte sowie die damit erzielbare Optimierung des Verfahrens richtet sich nach dem rheologischen Verhalten des Mediums, weiter nach der vorgegebenen Soll-Menge (Msoll) sowie nach der zulässigen Toleranzbreite des Dosierergebnisses. Nach einem weiteren Vorschlag kann dabei so vorgegangen werden, daß die Abzugsleistung und damit die Größe des Massenstromes in zeitlich gleichen Abständen bei jedem Schritt um eine Stufe zurückgefahren wird.
Ferner ist vorgesehen, daß die Austragsleistung, beginnend bei einem programmierten Grenzwert in Annäherung der Meßgröße an den vorgewählten SOLL-Wert, beispielsweise bei 90 Prozent, in einander folgenden Schritten, z. B. jedesmal bei 92%, 94%, 96%, 98% um eine Stufe, und zuletzt bis auf Null zurückgefahren wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch:
  • - ein fernbetätigbares, mit einem Stellglied ausgebildetes Dosierorgan mit einem von einer Programmeinheit ansteuerbaren Schrittmotor,
  • - einen auf Volumen, Gewicht oder Niveau ansprechenden Meßaufnehmer mit einem elektronischen Meßwertgenerator,
  • - eine Programmeinheit mit einer digitalen SOLL-Wert- Eingabe, einer Recheneinheit mit Steuersignalausgabe und digitaler Signalanzeige,
  • - eine Energieversorgung mit einem Meßumformerspeisegerät,
  • - eine externe Bedienungseinheit.
Als Stellglied kann ein beliebiges Absperrorgan mit kontinuierlichem Ausgang und ein beliebiger systemunabhängiger Meßaufnehmer, z. B. ein Durchfluß- oder Niveauaufnehmer vorgesehen sein. Beispielsweise kann als Stellglied ein Kugelhahn, eine Schieberanordnung, eine mehrgliedrige Blendeneinheit oder ein anderes bekanntes Abfüll- bzw. Dosierorgan vorgesehen sein. Als Meßaufnehmer kann außer einem Zähler beispielsweise eine Bandwaage oder eine stationäre Wägeeinrichtung vorgesehen sein.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
Fig. 1-Fig. 3 Mengen-Zeit-Diagramme unterschiedlicher Abfüllvorgänge,
Fig. 4 eine Einrichtung zum exakten Abfüllen eines Mediums,
Fig. 5 eine andere Ausgestaltung der Einrichtung.
Das Abfülldiagramm nach Fig. 1 zeigt einen typischen Verfahrensverlauf; danach wird zu Beginn des Dosier- bzw. Abfüllvorganges, gekennzeichnet durch das Wort "Start", der Durchsatz des Dosierorganes durch Aktivierung des Stellgliedes (vgl. Fig. 4 und 5, Ziffer 1) mit zügigem Öffnen des Durchflußquerschnittes auf eine programmierte Größe des Massenstroms (M/t) hochgefahren. Der dabei erreichte Massenstrom des Mediums wird vom Zeitpunkt t = y bis zum Zeitpunkt t = x aufrechterhalten. Zu diesem Zeitpunkt hat der Meßaufnehmer die Erreichung eines im Dosierprogramm vorgesehenen Grenzwertes unterhalb des SOLL-Wertes erkannt und signalisiert.
Dieser Grenzwert liegt beim gezeigten Beispiel bei 90% des SOLL-Wertes (= 100%). Danach wird durch Drosselung des Stellgliedes (1) der Massenstrom des Mediums (M/t) graduell über degressive Stufen bei jeweils 92%, 94%, 96%, 98% und zuletzt auf 100% = "Stop" annähernd stetig zurückgefahren. Dabei wird zuletzt die SOLL-Menge = 100% mit äußerster Genauigkeit und mit schonenden Betriebsparametern erreicht.
Beispielsweise wird dabei vorteilhaft die Austragsleistung, unabhängig vom voreingestellten SOLL-Wert, beim Dosiervorgang ab einem konstanten, im Steuerprogramm eingegebenen IST-Wert der Meßgröße, im Abstand vor Erreichen des Soll-Wertes, rampenartig, d. h. konstant oder stufenweise zurückgefahren.
Zum Beispiel:
  • 1. voreingestelte Menge 5000 l; Abfahrrampe beginnt bei 4800 l;
  • 2. voreingestellte Menge 2000 l; Abfahrrampe beginnt bei 1800 l;
  • 3. voreingestellte Menge 80 l; Abfahrrampe ist bereits wirksam bei 50 l; Absperrorgan ist nur mit geringem Öffnungsgrad, z. B. 25% geöffnet.
Die Eckpunkte des Diagrammes sind beim Start mit A, bei Erreichen des programmierten Massenstromes (M/t) mit B, bei Erreichen des Grenzwertes von 90% mit C, und bei Erreichen des SOLL-Wertes = 100% mit D bezeichnet. Die zugeordneten Zeitpunkte sind beim Start mit t = 0, bei Erreichen des programmierten Massenstromes (M/t) unterhalb des Punktes B mit t = y, bei Erreichen des Grenzwertes unterhalb des Punktes C mit t = x, und bei erreichtem SOLL-Wert = 100% unterhalb D mit t = z bezeichnet.
Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Diagrammverlauf mit dem Startpunkt A, einem vergleichsweise etwas geringer eingestellten Massenstrom (M/t), welcher am Punkt B erreicht wird, einem Grenzwert am Punkt C bei 92% des vorgegebenen SOLL-Wertes und dem Punkt D beim Erreichen des SOLL-Wertes = 100%. Die zugeordneten Zeitpunkte sind die gleichen, nämlich t = 0 beim Start, t = y unterhalb des Punktes B, t = x unterhalb des Punktes C, und t = z unterhalb des Punktes D.
In der Fig. 3 ist eine vereinfachte Abwandlung eines Abfüllvorganges mit einer vergleichsweise geringer vorgewählten Menge von z. B. 100 Liter und vergleichsweise erheblich kleinerem Massenstrom (M/t) gezeigt. Vom Startpunkt A entsprechend t = 0 wird durch zügiges Öffnen des Stellgliedes (1) der Massenstrom (M/t) mit linearem Gradienten bis zum Punkt B hochgefahren und sofort, bei dem dort bereits erreichten Grenzwert von 96%, in zwei Stufen bis zum vorgegebenen SOLL-Wert = 100% auf Null zurückgefahren.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zum Dosieren einer Flüssigkeit. Diese wird gemäß Pfeil (11) mit der Leitung (12) in einen nicht gezeigten Behälter eingefüllt. Die Vorrichtung umfaßt ein fernbetätigbares Stellglied (1) mit einem von einer Programmeinheit (5) ansteuerbaren Schrittmotor (2). Das Stellglied (1) kann beispielsweise ein Kugelhahn sein. Weiterhin gehört zur Vorrichtung ein auf Volumen oder Gewicht ansprechender Meßaufnehmer (3), im gezeigten Beispiel ein Durchfluß-Volumenzähler. Dieser ist mit einem elektronischen Meßwertgenerator (4) gekoppelt. Von diesem führt eine Signalleitung (14) zur Programmeinheit (5) . Die Energieversorgung erfolgt beim gezeigten Ausführungsbeispiel direkt durch eine Einspeisungsleitung (9). Die Programmeinheit (5) weist eine digitale SOLL-Wert- Eingabe (6) auf; sie besitzt ferner eine Recheneinheit (7) mit Steuersignalausgabe durch die Steuerleitung (15) und eine digitale Signalanzeige (8).
Fig. 5 zeigt eine ähnlich ausgeführte Vorrichtung zum genauen Abfüllen eines Mediums mit vorwählbarem SOLL- Wert einer Meßgröße. Dabei sind gleiche Funktionselemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Für die Energieversorgung (9) ist bei dieser Ausführung ein Meßumformerspeisegerät (16) in die Programmeinheit (5) integriert. Die Vorrichtung besitzt eine externe Bedienungseinheit (10) mit Vorwahlschalter (17), sowie Start (18) und Stop (19).
Sowohl die Diagramme entsprechend den Fig. 1-3, als auch die Fig. 4 und 5 der Vorrichtung zeigen, daß der Erfindungsgegenstand bei höchster Präzision sehr einfach und robust, sowie mit handelsüblichen Elementen aufbaubar ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum genauen und sicheren Dosieren von Chargen beliebiger Medien mit Vorgabe eines SOLL- Wertes (Msoll) einer Meßgröße wie Volumen oder Gewicht, unter Verwendung eines Dosiersystems mit einem die Meßgröße bzw. deren Änderung pro Zeiteinheit überwachenden Meßaufnehmer, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß zum Abzug des Mediums aus einem Vorrat ein Dosierorgan wie Abzugseinrichtung oder Absperrorgan verwendet wird, dessen Austragsleistung (M/t) für das Medium in weiten Grenzen einstellbar ist, und
  • - daß die Austragsleistung der Abzugseinrichtung bzw. des Absperrorganes zu Beginn der Dosierung nach Maßgabe der vorgegebenen Höhe des SOLL-Wertes (Msoll) auf einen mehr oder weniger großen Wert bzw. Öffnungsgrad eingestellt und dieser gegen Ende der Dosierung nach einem vorgegebenen Programm verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingestellte Austragsleistung, unabhängig vom vorgegebenen SOLL-Wert (Msoll), bei Erreichen eines Wertes der Meßgröße entsprechend einer vorprogrammierten konstanten Differenz zum SOLL-Wert, rampenartig, d. h. konstant oder stufenweise, zurückgefahren wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragsleistung beim Anfahren des Dosiervorganges nach einem vorgegebenen Programm auf den einzustellenden Wert stetig beschleunigt und beim Abfahren von diesem Wert bis auf NULL ebenfalls nach Programm stetig verzögert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Austragsleistung beim An- und/oder Abfahren in einer Zeitfunktion mit linearem bzw. progressivem oder degressivem Gradienten konstant oder stufenweise vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Austragsleistung (M/t) beim An­ und/oder Abfahren nach Maßgabe der Differenz zwischen SOLL-Wert und IST-Wert der Meßgröße konstant oder stufenweise vorgenommen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragsleistung (M/t) in quasi-kontinuierlichen Schritten, vom eingestellten Wert, vorzugsweise in zeitlich gleichen Abständen, um jeweils eine Stufe verringert wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragsleistung (M/t), beginnend bei einer Annäherung der Meßgröße (Mx) an den vorgegebenen SOLL-Wert (Msoll), beispielsweise bei 90%, in einander folgenden Schritten, z. B. jedesmal bei 92%; 94%; 96%; 98% durch Drosselung des Dosierorganes (1) um eine Stufe und zuletzt bis auf NULL verringert wird.
8. Vorrichtung zum genauen und sicheren Dosieren von Chargen beliebiger Medien mit Vorgabe eines SOLL- Wertes (Msoll) einer Meßgröße (Mx) wie Volumen oder Gewicht, unter Verwendung eines Dosiersystems mit einem die Meßgröße (Mx) bzw. deren Änderung pro Zeiteinheit überwachenden Meßaufnehmer, zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, gekennzeichnet durch:
  • - ein fernbetätigbares, mit einem Stellglied (1) ausgebildetes Dosierorgan mit einem von einer Programmeinheit (5) ansteuerbaren Schrittmotor (2),
  • - einen auf Volumen, Gewicht oder Niveau ansprechenden Meßaufnehmer (3) mit einem elektronischen Meßwertgenerator (4),
  • - eine Programmeinheit (5) mit einer digitalen SOLL- Wert-Eingabe (6), einer Recheneinheit (7) mit Steuersignalausgabe und digitaler Signalanzeige (8),
  • - eine Energieversorgung (9) mit einem Meßumformerspeisegerät,
  • - eine externe Bedienungseinheit (10).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied (1) ein Absperrorgan mit kontinuierlichem Ausgang und als Meßaufnehmer (3) ein systemunabhängiger Durchfluß- oder Niveauaufnehmer vorgesehen ist.
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