DE4029620C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Dosieren von Chargen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Dosieren von Chargen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren von Chargen beliebiger Medien mit Vorgabe eines SOLL-Wertes (Msoll) für eine chargenbestimmende Meßgröße unter Verwendung eines Dosiersystems mit einem die Meßgröße oder deren Änderung pro Zeiteinheit überwachenden Meßaufnehmer und mit einem Dosierorgan, das den Abzug des Mediums aus einem Vorrat festlegt und dessen Austragsleistung (M/t) für das Medium in weiten Grenzen einstellbar ist.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der DE 38 29 831 A1 bekannt.
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 0 112 609 A2 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 28 43 660 A1 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.
Aus der eingangs genannten DE 38 29 831 A1 ist eine Einrichtung zum Zapfen einer vorwählbaren Flüssigkeitsmenge bekannt. In der Flüssigkeitsleitung befindet sich bei dieser Anordnung stromabwärts eines Drosselventiles ein Durchflußmengenmesser, ein Absperrventil und noch ein Stück Auslaufrohrleitung. Sowohl beim Anfahren als auch beim Abschalten ergeben die darin vorhandenen Flüssigkeitsmengen eine Verfälschung des Dosierungsergebnisses, insbesondere bei geringen Zuteilmengen. Dies kann möglicherweise in Fällen wie Verwendung der Dosiervorrichtung z. B. in Großküchen, zu vernachlässigen sein. Jedoch bei äußerst exakt einzuhaltenden Dosierungen, beispielsweise in der chemischen Industrie, können gerade bei Klein- und Kleinstmengen derartige Toleranzabweichungen nicht hingenommen werden. Weiterhin wird mit der genannten Vorrichtung am Ende des Dosiervorganges das Absperrventil schlagartig geschlossen. Dadurch entsteht eine Druckspitze, bei Wasserleitungen als "Wasserschlag" gefürchtet, weil dieser sich durch die nahegelegenen Organe wie Durchflußmengenmesser und Drosselventil als Druckwelle fortsetzt und dort zu Schäden und Störungen führen kann.
Aus der DE 36 17 166 A1 ist ein Verfahren zum gravimetrischen Füllen von Behältnissen mit fließfähigem Gut bekannt, bei dem der Zulaufstrom zunächst ohne jede Drosselung im Grobstrom ununterbrochen zuläuft und das Zulaufgut noch nach dem Grobstrom bis zum Erreichen des Mengensollwertes taktweise zugegeben wird und die Zulaufmenge je Zeiteinheit (Zulaufstromstärke) mit zunehmender Anzahl der Zugabetakte sich ändert.
Aus der Praxis ist ferner 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.
Die bekannten Verfahren und Einrichtungen sind für genaue Mengenabmessungen über ein breites Spektrum unterschiedlicher Dosiermengen und insbesondere im unteren Mengenbereich bei der geforderten hohen Genauigkeit nicht geeignet.
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 die Austragsleistung des Dosierorgans von Beginn der Dosierung an nach einem Programm auf einen Wert nach Maßgabe des SOLL-Wertes erhöht und bei Erreichen eines Wertes der Meßgröße entsprechend einer vorprogrammierten konstanten Differenz zum SOLL-Wert nach einem Programm mit konstanter Änderungsrate oder stufenweise monoton fallend verringert wird.
Nachteile und technische Grenzen bekannter Abfülleinrichtungen werden mit dem 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 Erhöhung der Austragsleistung zu Beginn des Dosiervorganges stetig erfolgt. Dies ergibt äußerst schonende und genau einzuhaltende Betriebsparameter. 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.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Erhöhung und/oder die Verringerung der Austragsleistung mit konstanter Änderungsrate oder stufenweise gleichmäßig. 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.
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.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zum Dosieren von Chargen beliebiger Medien mit einem Dosierorgan mit einem motorbetriebenen Stellglied, einem die Meßgrößen Volumen, Gewicht oder Niveau oder deren Änderung pro Zeiteinheit überwachenden Meßaufnehmer mit einem elektronischen Meßwertgenerator, einer Programmeinheit mit einer digitalen SOLL-Wert-Eingabe für die vom Meßaufnehmer überwachte Meßgröße, einer Recheneinheit mit Steuersignalausgabe, die den Stellgliedmotor ansteuert, einer digitalen Signalanzeige und einer Energieversorgung mit einem Meßumformerspeisegerät ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stellgliedmotor ein Schrittmotor ist, eine externe Bedienungseinheit vorgesehen ist, und die Programmeinheit das Stellglied so steuert, daß die Austragsleistung des Dosierorgans vom Beginn der Dosierung an auf einen Wert nach Maßgabe eines eingegebenen SOLL-Wertes erhöht und bei Erreichen eines Wertes der Meßgröße entsprechend einer vorprogrammierten konstanten Differenz zum SOLL-Wert mit konstanter Änderungsrate oder stufenweise monoton fallend verringert wird.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist als Stellglied ein Absperrorgan mit kontinuierlich verstellbarem Ausgang und als Meßaufnehmer ein systemunabhängiger Durchfluß- oder Niveauaufnehmer vorgesehen.
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 "B" 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 bei einer vorgegebenen Differenz "dS" zum SOLL-Wert erkannt und signalisiert.
Dieser Grenzwert liegt beim gezeigten Beispiel bei einer vorprogrammierten Differenz dS zum SOLL-Wert. Danach wird durch Drosselung des Stellgliedes (1) der Massenstrom des Mediums (M/t) nach einem Programm mit konstanter Änderungsrate oder stufenweise monoton fallend verringert, zuletzt bis auf Null. Dabei wird die SOLL-Menge mit äußerster Genauigkeit und mit schonenden Betriebsparametern erreicht.
Beispielsweise wird dabei vorteilhaft die Austragsleistung, unabhängig vom voreingestellten SOLL-Wert, beim Dosiervorgang ab einem ins Steuerprogramm eingegebenen IST-Wert der Meßgröße bei Erreichen der vorprogrammierten Differenz dS zum Soll-Wert stufenweise oder monoton fallend 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 bei einer vorgegebenen Differenz dS zum SOLL-Wert mit C, und bei Erreichen des SOLL-Wertes 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 bei einer vorgegebenen Differenz dS zum SOLL-Wert unterhalb des Punktes C mit t = x, und bei erreichtem SOLL-Wert 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 einer vorgegebenen Differenz dS zum SOLL-Wert und dem Punkt D beim Erreichen des SOLL-Wertes. 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 der dort bereits erreichten Differenz zum SOLL-Wert in zwei Stufen bis zum vorgegebenen SOLL-Wert 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 (5)

1. Verfahren zum Dosieren von Chargen beliebiger Medien mit Vorgabe eines SOLL-Wertes (Msoll) für eine chargenbestimmende Meßgröße unter Verwendung eines Dosiersystems mit einem die Meßgröße oder deren Änderung pro Zeiteinheit überwachenden Meßaufnehmer und mit einem Dosierorgan, das den Abzug des Mediums aus einem Vorrat festlegt und dessen Austragsleistung (M/t) für das Medium in weiten Grenzen einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragsleistung des Dosierorgans von Beginn der Dosierung an nach einem Programm auf einen Wert nach Maßgabe des SOLL-Wertes erhöht und bei Erreichen eines Wertes der Meßgröße entsprechend einer vorprogrammierten konstanten Differenz zum SOLL-Wert nach einem Programm mit konstanter Änderungsrate oder stufenweise monoton fallend verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der Austragsleistung zu Beginn des Dosiervorganges stetig erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung und/oder die Verringerung der Austragsleistung mit konstanter Änderungsrate oder stufenweise gleichmäßig erfolgt.
4. Vorrichtung zum Dosieren von Chargen beliebiger Medien mit einem Dosierorgan mit einem motorbetriebenen Stellglied (1), einem die Meßgrößen Volumen, Gewicht oder Niveau oder deren Änderung pro Zeiteinheit überwachenden Meßaufnehmer (3) mit einem elektronischen Meßwertgenerator (4), einer Programmeinheit (5) mit einer digitalen SOLL-Wert-Eingabe (6) für die vom Meßaufnehmer (3) überwachte Meßgröße, einer Recheneinheit (7) mit Steuersignalausgabe, die den Stellgliedmotor (2) ansteuert, einer digitalen Signalanzeige (8) und einer Energieversorgung (9) mit einem Meßumformerspeisegerät, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellgliedmotor (2) ein Schrittmotor ist, eine externe Bedienungseinheit (10) vorgesehen ist, und die Programmeinheit (5) das Stellglied (1) so steuert, daß die Austragsleistung des Dosierorgans vom Beginn der Dosierung an auf einen Wert nach Maßgabe eines eingegebenen SOLL-Wertes erhöht und bei Erreichen eines Wertes der Meßgröße entsprechend einer vorprogrammierten konstanten Differenz zum SOLL-Wert mit konstanter Änderungsrate oder stufenweise monoton fallend verringert wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied (1) ein Absperrorgan mit kontinuierlich verstellbarem Ausgang und als Meßaufnehmer (3) ein systemunabhängiger Durchfluß- oder Niveauaufnehmer vorgesehen ist.
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