DE4341934A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Dosieren und Abfüllen einer Flüssigkeit in Verpackungsbehälter - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Dosieren und Abfüllen einer Flüssigkeit in VerpackungsbehälterInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Dosieren und Abfüllen
einer Flüssigkeit in Verpackungsbehälter nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Bei einem aus der EP 0 430 897 A1 bekannt gewordenen
Verfahren dieser Art werden die zu befüllenden Verpackungsbehälter
mittels einer Fördereinrichtung einer Abfülleinrichtung zugefördert,
wobei sowohl das Tara-Gewicht als auch das Brutto-Gewicht der
Verpackungsbehälter vor und nach der Abfülleinrichtung von jeweils
einer Wägeeinrichtung erfaßt und einer Steuereinrichtung als
Eingangsgröße zugeführt werden. Die Abfülleinrichtung ist über einen
Verteiler mit einem die Flüssigkeit bevorratenden Vorratsbehälter
verbunden, der mit einem konstanten, geregelten Gasdruck
beaufschlagt ist. Im Vorratsbehälter sind ein Sensor zur Erfassung
des Füllstands, ein Sensor zur Erfassung der Flüssigkeitstemperatur
und ein Sensor zur Erfassung des Gasdrucks angeordnet, die ebenfalls
mit der Steuereinrichtung verbunden sind. Die Steuereinrichtung
ermittelt aus den Eingangswerten der Sensoren und der
Wägeeinrichtungen eine Ansteuerzeit für die Dosierventile der
Abfülleinrichtung für eine bestimmte Soll-Füllmenge. Dabei wird zum
gemessenen Gasdruck ein hydrostatischer Druck addiert, der
seinerseits errechnet wird aus der bekannten Dichte und der
gemessenen Temperatur der Flüssigkeit sowie dem Füllstand in dem
Vorratsbehälter. Gleichzeitig kann durch die Erfassung der
Flüssigkeitstemperatur deren Viskosität ermittelt und die
Ansteuerzeit der Dosierventile gegebenenfalls korrigiert werden.
Nachteilig bei der nach diesem Verfahren arbeitenden Vorrichtung
ist, daß sämtliche Sensoren innerhalb des Vorratsbehälters
angeordnet sind. Beim Wechseln des Vorratsbehälters, der in der
Regel zur Verwendung verschiedener Produktchargen austauschbar
angeordnet ist, sind somit umfangreiche Arbeiten zum Umrüsten der
Sensoren notwendig. Außerdem ist die Erfassung der
Flüssigkeitstemperatur im Vorratsbehälter problematisch, da sich die
Temperatur, und damit auch die Viskosität der Flüssigkeit vom
Vorratsbehälter bis zu den Dosierventilen ändern kann. Weiterhin
wird zur Erfassung des Gesamtdrucks der Flüssigkeit an den
Dosierventilen neben einem Gasdrucksensor zusätzlich ein
Füllstandssensor benötigt. Daher baut die bekannte Vorrichtung
relativ aufwendig.
Aus der genannten Schrift ist weiterhin bekannt, bei relativ
geringen Entnahmemengen aus dem Vorratsbehälter im Verhältnis zu
dessen Gesamtinhalt auf den Füllstandssensor zu verzichten. Dies
schränkt jedoch die Einsatzmöglichkeiten in Bezug auf die
entnehmbaren Flüssigkeitsmengen ein oder erzeugt eine
Dosierungenauigkeit.
Aus der US-PS 4 570 822 ist ferner eine rechnergesteuerte
Dosiervorrichtung bekannt, bei der jedem Dosierventil ein eigener
Drucksensor zur Erfassung des Gesamtdrucks zugeordnet ist. Weiterhin
wird jedes Dosierventil von einem Rechner separat angesteuert.
Nachteilig bei dieser bekannten Dosiervorrichtung ist, daß sie durch
die vielen Drucksensoren aufwendig baut und keine
Temperaturberücksichtigung vorsieht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Dosieren und Abfüllen einer
Flüssigkeit in Verpackungsbehälter mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die
Anordnung des Drucksensors und gegebenenfalls des Temperatursensors
in unmittelbarer Nähe der Dosierventile die für die Dosierung
wesentlichen Parameter genau erfaßt werden, so daß das Gewicht der
abgefüllten Mengen sehr exakt ist. Als wesentlicher Vorteil ergibt
sich weiterhin, daß die Sensoren bei einem Produktbehälterwechsel
nicht ausgetauscht oder umgebaut werden müssen.
Ist die Temperatur der Flüssigkeit zum Zeitpunkt des Abfüllens
bekannt, so kann auf den Temperatursensor verzichtet werden. Dadurch
wird der Aufbau der Vorrichtung weiter vereinfacht.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt, die eine Vorrichtung zum Dosieren und Abfüllen einer
Flüssigkeit in Verpackungsbehälter in schematischer Ansicht zeigt,
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird.
Die Vorrichtung zum Dosieren und Abfüllen einer Flüssigkeit in
Verpackungsbehälter 10 hat eine Fördereinrichtung 11, mit der
Verpackungsbehälter 10, wie beispielsweise Ampullen oder Vials
hintereinander angeordneten Behandlungsstationen zugeführt werden.
Die Fördereinrichtung 11 weist eine Transportschnecke 12 zum
taktweisen oder kontinuierlichen Transport der Verpackungsbehälter
10 auf. Die Verpackungsbehälter 10 stehen und gleiten auf
Schienenstücken 13 bis 15. Zwischen den Schienenstücken 13 und 14
beziehungsweise 14 und 15 ist jeweils eine über eine
Ausschleußeinrichtung 16 ansteuerbare Wägeeinrichtung 17, 18 für
jeweils einen Verpackungsbehälter 10 angeordnet, von denen die eine
17 das Tara-Gewicht G1, und die andere 18 das Brutto-Gewicht G2 des
Verpackungsbehälters 10 erfaßt und einer Steuereinrichtung 19 als
Eingangsgröße zuführt.
In der Steuereinrichtung 19 sind beispielsweise produktspezifische
Daten, wie der Viskositätsverlauf der Flüssigkeit über der
Temperatur sowie Daten der Vorrichtung abgespeichert. Mit der
Steuereinrichtung 19 ist eine Ein-/Ausgabeeinheit 20 verbunden, über
die insbesondere eine Sollfüllmenge M beziehungsweise ein
Sollfüllgewicht der Verpackungsbehälter 10 an die Steuereinrichtung
19 eingegeben werden kann.
Oberhalb der Fördereinrichtung 11 ist im Bereich des Schienenstücks
14 eine Abfülleinrichtung 22 angeordnet. Die Abfülleinrichtung 22
umfaßt beim taktweisen Transport der Verpackungsbehälter 10 eine
der Anzahl der pro Fördertakt zu füllenden Verpackungsbehälter 10
entsprechende Anzahl von Abfüllköpfen 23, beispielsweise sechs, die
jeweils eine auf- und abbewegbare hohle Füllnadel 24 haben. Jeder
Abfüllkopf 23 ist mit je einem von der Steuereinrichtung 19
gemeinsam ansteuerbaren Dosierventil 25 für die Flüssigkeit
gekoppelt. Die Dosierventile 25 sind über kurze Leitungen 26 mit
einem gemeinsamen, rohrförmigen Verteiler 30 verbunden, in dem ein
Flüssigkeitsdruck P1 herrscht. Der Verteiler 30 ist seinerseits über
eine Leitung 33 und eine Schnellspanneinrichtung 34 mit einem
Produkt-Vorratsbehälter 35 verbunden. Das Druckgefälle zwischen dem
mit der Flüssigkeit vollständig gefüllten Verteiler 30 und den
einzelnen Dosierventilen 25 ist beispielsweise durch eine Anordnung
der Dosierventile 25 in gleichem vertikalen Abstand zum Verteiler 30
stets gleich groß.
In dem Vorratsbehälter 35 befindet sich vorteilhafterweise die Menge
an Flüssigkeit, die während einer Produktionsschicht zur Abfüllung
der Verpackungsbehälter 10 benötigt wird. Dadurch ergibt sich, daß
die Füllhöhe im Vorratsbehälter 35 bei jedem Abfüllzyklus nur in
sehr geringem Maße abnimmt. Der Vorratsbehälter 35 ist über eine
Druckleitung 36 mit einem Gasdruck P2 beaufschlagt.
Vorteilhafterweise besteht dabei eine Beeinflussung zwischen den
Drücken P1 und P2, so daß P2 beispielsweise von der
Steuereinrichtung 19 so geregelt wird, daß sich stets ein Druck P1
einstellt, dessen Toleranz zum Beispiel +/- 0,05 bar beträgt. Somit
können verschiedene Anordnungen des Vorratbehälters 35 an der
Vorrichtung sowie ein sinkender Flüssigkeitsspiegel in dem
Vorratsbehälter 35 ausgeglichen werden.
Es ist jedoch auch möglich, den Druck P2 für sich genommen annähernd
konstant zu regeln, wodurch der Druck P1 mit sinkendem
Flüssigkeitspegel nach und nach abnimmt. Durch den Druck P2 wird
generell ein höherer Druck der Flüssigkeit an den Dosierventilen 25,
und damit eine große Abflußgeschwindigkeit aus dem Vorratsbehälter
35 ermöglicht, was insbesondere bei hochviskosen Flüssigkeiten das
Fließverhalten begünstigt.
Im Verteiler 30 sind ein Temperatursensor 31 zur Erfassung einer
Flüssigkeitstemperatur T und ein Drucksensor 32 zur Erfassung des
Flüssigkeitsdruckes P1 angeordnet. Die beiden Sensoren 31, 32 sind
ebenfalls mit der Steuereinrichtung 19 verbunden.
Die oben beschriebene Vorrichtung funktioniert wie folgt:
Die Verpackungsbehälter 10 werden von der Transportschnecke 12 der
Abfülleinrichtung 22 beispielsweise taktweise zugefördert. Sobald je
ein Verpackungsbehälter 10 unter seinem zugeordneten Abfüllkopf 23
positioniert ist, werden die Füllnadeln 24 der Abfüllköpfe 23
abgesenkt und in die Verpackungsbehälter 10 eingeführt. Gleichzeitig
beginnt durch eine entsprechende Ansteuerung der Dosierventile 25
durch die Steuereinrichtung 19 das Abfüllen der Soll-Füllmenge M in
die Verpackungsbehälter 10.
Zur Berechnung einer Ansteuerzeit Z für die Dosierventile 25 zum
Dosieren der Soll-Füllmenge M durch die Steuereinrichtung 19 werden
sowohl die vom Temperatursensor 31 gemessene Temperatur T, als auch
der von dem Drucksensor 32 ermittelte Druck P1 zugrundegelegt. Dabei
ist wesentlich, daß der in der Nähe der Dosierventile 25 im
Verteiler 30 gemessene Druck P1 einen Gesamtdruck der Flüssigkeit
darstellt, bestehend aus dem Gasdruck P2 und dem hydrostatischen
Druck der Flüssigkeitssäule über dem Drucksensor 32. Da die
Geometrie der Vorrichtung, und damit auch das Druckgefälle zwischen
dem Drucksensor 32 und den Dosierventilen 25 bekannt und in der
Steuereinrichtung 19 abgespeichert ist, erfolgt somit allein mit dem
Druckwert P1 und den bekannten Formfaktoren der Dosierventile 25
sowie den Flüssigkeitsparametern eine exakte Berechnung der
Ansteuerzeit Z der Dosierventile 25. Zusätzlich wird durch die
Erfassung der Flüssigkeitstemperatur T durch den Temperatursensor 31
die unterschiedliche Viskosität bei unterschiedlichen Temperaturen T
der Flüssigkeit bei der Berechnung der Ansteuerzeit Z berücksichtigt.
Ist die Temperatur der Flüssigkeit zum Zeitpunkt des Abfüllens
bekannt und insbesondere während einer Produktionsschicht konstant,
so kann auch auf den Temperatursensor 31 verzichtet werden.
Ist die durch die Ansteuerzeit Z bestimmte Soll-Füllmenge M in die
Verpackungsbehälter 10 eingebracht, so werden die Füllnadeln 24
durch die Abfüllköpfe 23 wieder aus den Verpackungsbehältern 10
herausgehoben. Anschließend werden die Verpackungsbehälter 10 durch
die Förderschnecke 12 taktweise einer anderen Bearbeitungsstation,
beispielsweise einer Verschließstation, zugefördert. Gleichzeitig
wiederholt sich für neu in die Vorrichtung geförderte
Verpackungsbehälter 10 der Vorgang wie oben beschrieben.
Um die exakte Dosierung der Flüssigkeitsmenge und damit der
Soll-Füllmenge M durch die Vorrichtung zu kontrollieren
beziehungsweise zu regeln, werden stichprobenartig über die
Ausschleußeinrichtungen 16 einzelne Verpackungsbehälter 10 entnommen
und den Wageeinrichtungen 17, 18 zugeführt. Die dosierte
Flüssigkeitsmenge wird von der Steuereinrichtung 19 als Differenz
des Brutto-Gewichts G2 und des Tara-Gewichts G1 errechnet. Dabei ist
es mit Hilfe der sogenannten statistischen Prozeßkontrolle (SPC)
möglich, beim Unter- oder Überschreiten von definierten
Eingriffsgrenzen, beispielsweise der Flüssigkeitsmenge, aber auch
des Tara-Gewichts G1 der Verpackungsbehälter 10, von der
Steuereinrichtung 19 eine entsprechend korrigierte Ansteuerzeit Z zu
ermitteln.
Ist der Vorratsbehälter 35 nach Ablauf einer Produktionsschicht
leer, oder soll eine andere Produktcharge verwendet werden, so kann
durch einfaches Ab- beziehungsweise Ankoppeln eines anderen
Vorratsbehälters 35 mittels der Schnellspanneinrichtung 34 die
Betriebsbereitschaft der Vorrichtung wieder hergestellt werden.
Es ist lediglich das Anschließen der Druckleitung 36 für den
Gasdruck P2 an den Vorratsbehälter 35 notwendig.
Claims (5)
1. Verfahren zum Dosieren und Abfüllen einer Flüssigkeit in
Verpackungsbehälter (10), bei dem die Verpackungsbehälter (10) von
einer Fördereinrichtung (11) wenigstens einer Abfülleinrichtung (22)
zugefördert werden, wobei sowohl das Tara-Gewicht (G1) als auch das
Brutto-Gewicht (G2) der Verpackungsbehälter (10) von jeweils
wenigstens einer Wägeeinrichtung (17, 18) vor und nach der
Abfülleinrichtung (22) erfaßt und einer Steuereinrichtung (19) als
Eingangsgröße zugeführt werden, woraus die Steuereinrichtung (19)
unter Berücksichtigung des von einem Drucksensor (32) erfaßten
Drucks (P1) der unter einem Gasdruck (P2) stehenden Flüssigkeit und
gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer von einem
Temperatursensor (31) ermittelten Temperatur (T) der Flüssigkeit
eine Ansteuerzeit (Z) für den Verpackungsbehältern (10) zugeordnete
Ventile (25) der Abfülleinrichtung (22) zur Bemessung einer
Soll-Füllmenge (M) errechnet, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der
Druck (P1) als auch gegebenenfalls die Temperatur (T) der
Flüssigkeit im Bereich eines der Abfülleinrichtung (22) zugeordneten
Verteilers (30) erfaßt werden, und daß der Drucksensor (32) einen
Gesamtdruck (P1), bestehend aus einem hydrostatischen Druckanteil
und einem Gasdruckanteil (P2) erfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Erfassung des Tara-Gewichts (G1) und des Brutto-Gewichts (G2) der
Verpackungsbehälter (10) stichprobenartig erfolgt.
3. Vorrichtung zum Dosieren und Abfüllen einer Flüssigkeit in
Verpackungsbehälter nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit
einem von einem bestimmten Gasdruck (P2) beaufschlagten
Produkt-Vorratsbehälter (35), der über einen Verteiler (30) mit
wenigstens einer Abfüllvorrichtung (22) verbunden ist, und mit einer
Fördereinrichtung (11) für die Verpackungsbehälter (10), wobei
entlang des Förderwegs der Verpackungsbehälter (10) wenigstens zwei
mit einer Steuervorrichtung (19) gekoppelte Wägeeinrichtungen (17,
18) zur Erfassung des Tara-Gewichts (G1) und des Brutto-Gewichts
(G2) der Verpackungsbehälter (10) angeordnet sind, sowie mit einem
Drucksensor (32) und gegebenenfalls mit einem Temperatursensor (31)
für die Flüssigkeit, die ebenfalls mit der Steuervorrichtung (19)
verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Drucksensor
(32) als auch gegebenenfalls der Temperatursensor (31) in dem
Verteiler (30) angeordnet sind, und daß der Drucksensor (32) einen
Gesamtdruck (P1) bestehend aus einem Gasdruckanteil (P2) und einem
hydrostatischen Druckanteil erfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Produkt-Vorratsbehälter (35) austauschbar mit dem Verteiler (30)
verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abfülleinrichtung (22) mehrere Abfüllköpfe (23) mit
Dosierventilen (25) hat, die von der Steuereinrichtung (19)
gemeinsam ansteuerbar sind.
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