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Die Erfindung betrifft ein Gewichtsdosierungsverfahren.
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Es sind Vorrichtungen zur Gewichtsdosierung bekannt, die im
allgemeinen ein Karussell mit einer Drehscheibe haben, die
drehbar gelagert ist und eine Reihe von Wiegeorganen
aufweist, über welchen mit einem Zuführorgan verbundene
Füllstutzen angeordnet sind. Das Öffnen und Schließen der
Füllstutzen wird durch eine Gewichtsanalyseeinheit gesteuert, die
mit den Wiegeorganen verbunden ist. Die zu füllenden Behälter
werden nacheinander einem Wiegeorgan zugeführt und im Zuge
der Drehung der Drehscheibe gefüllt, bevor sie dieser
entnommen werden.
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Wenn man den Raumbedarf der Vorrichtungen zum Anliefern
leerer und zum Abliefern gefüllter Behälter brücksichtigt, so
kann sich der Füllvorgang nicht auf eine volle Umdrehung der
Drehscheibe erstrecken, sondern nur auf einen Teil dieser
Umdrehung. Der Füllvorgang erfolgt im allgemeinen in einem
Winkelsektor von 270º, welchem eine von der Drehgeschwindigkeit
der Drehscheibe abhängige maximale Fülldauer entspricht.
Diese Drehgeschwindigkeit der Drehscheibe wird ihrerseits
durch den Arbeitstakt vorgegeben, den man für die gesamte
Einrichtung zu erreichen wünscht. Dabei ist ein Fülltakt von
bis zu mehreren hundert Behältern pro Minute eine durchaus
übliche Anforderung an moderne Systeme.
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Bei den modernen Systemen erfolgt die Einwaage eines Produkts
in einen Behälter entweder zeitgesteuert oder
gewichtsgesteuert. Beim zeitgesteuerten Betrieb wird zunächst ein erster
Schätzwert der Zeit ermittelt, die man benötigt, um ein
bestimmtes Gewicht des Produkts in einen Behälter zu fördern.
Dann kontrolliert man das tatsächliche Füllgewicht der
Behälter und paßt die Öffnungsdauer der Füllstutzen in
Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem gemessenen tatsächlichen
Gewicht und dem gewünschten Referenz-Füllgewicht an. Um die
tatsächliche Fülldauer anpassen zu können, muß man deshalb am
Ende des Füllvorgangs eine einem Winkelsektor entsprechende
Zeitspanne vorsehen, in der die Füllstutzen offen oder
geschlossen sein können. Je nachdem, ob der tatsächliche
Füllvorgang schneller oder langsamer als ursprünglich vorgesehen
stattfindet, wird diese Zeitspanne mehr oder weniger genutzt.
Diese Zeitspanne muß anhand der maximal verfügbaren Fülldauer
so berechnet werden, daß die tatsächliche Fülldauer kürzer
ist als die maximale Fülldauer.
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Bei dem gewichtsgesteuerten Füllvorgang im eigentlichen Sinn
wird die Unterbrechung des Füllvorgangs durch das Wiegeorgan
gesteuert, wenn das Füllgewicht des Produkts in dem Behälter
einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Die tatsächliche
Dauer des Füllvorgangs ist also variabel, insbesondere in
Abhängigkeit von der Viskosität des Produkts. Trotz einer
Regelung der Abgabemenge, wie sie zum Beispiel gemäß dem Dokument
EP-A-406 092 vorgesehen ist, muß am Ende des Füllvorgangs
auch hier eine Zeitspanne vorgesehen werden, in der die
Füllstutzen geschlossen oder offen gehalten werden, je nachdem,
ob die Referenzgewichtsschwelle erreicht wurde oder nicht.
Wie im vorgenannten Fall ist es nicht möglich, konstant über
die maximale Fülldauer zu verfügen.
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In dem einen wie auch dem anderen Fall muß man die
Drehgeschwindigkeit der Drehscheibe so bemessen, daß in einem
Winkelsektor, der kleiner als der maximale Winkelsektor ist und
beispielsweise 240º statt 270º beträgt, ein normaler
Füllvorgang stattfinden kann. Der maximale Materialfluß durch einen
Füllstutzen hindurch ist bereits stark begrenzt, und durch
die vorgesehene Anpassungszeitspanne wird notgedrungen auch
die Drehgeschwindigkeit der Drehscheibe begrenzt, um so über
ausreichend Zeit für die Durchführung des Füllvorgangs
normalerweise während des Durchlaufs des Winkels von 240º zu
verfügen. Damit ist auch der Arbeitstakt der Einrichtung
entsprechend begrenzt.
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Darüber hinaus muß ein Produkt, falls es pastenförmig ist,
mit Druck beaufschlagt werden, damit es den Füllstutzen
verläßt.
Je nach Viskosität des Produkts wird dieser Druck durch
den Produktstrahl auf die Produktoberfläche in dem Behälter
übertragen und verfälscht damit die Information durch das
Wiegeorgan. Bei einer Gewichtsdosierung im engeren Sinn, das
heißt, wenn der Füllstutzen geschlossen wird, sobald das
Gewicht einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, bedingt eine
derartige Ungenauigkeit Fehler, die man nicht zulassen kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit welchem der Fülltakt im Vergleich zu bekannten Verfahren
ohne Präzisionsverlust erhöht werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein
Gewichtsdosierungsverfahren vorgeschlagen, das die folgenden Schritte
umfaßt: Einfüllen eines Produkts in einen Behälter während
wenigstens einer Füllphase und mit einer Abgabemenge, die
durch eine Regelungsbeziehung zwischen einer Abweichung von
der Abgabemenge und einem Sollwert eines Organs zur Steuerung
der Abgabemenge auf eine Referenz-Abgabemenge geregelt wird,
und Messen des Gewichts des nach dem Füllvorgang in dem
Behälter enthaltenen Produkts, dadurch gekennzeichnet, daß die
genannte, wenigstens eine Füllphase eine feste Dauer hat und
daß das Verfahren ferner die Schritte umfaßt, in welchen das
Gewicht des in dem Behälter enthaltenen Produkts mit einem
Referenzgewicht verglichen und die Referenz-Abgabemenge oder
die Regelungsbeziehung in Abhängigkeit von einer Differenz
zwischen dem Gewicht des in dem Behälter enthaltenen Produkts
und dem Referenzgewicht angepaßt wird.
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Auf diese Weise wird wegen der konstanten Fülldauer die
gesamte Füllzone für jeden Füllvorgang genutzt, so daß die
Drehgeschwindigkeit der Drehscheibe derart erhöht werden
kann, daß das Durchlaufen der Füllzone innerhalb der
vorgegebenen festen Zeit erfolgt. Im übrigen kann man bei einem
abgabemengen- und nicht gewichtsgesteuerten Füllvorgang
Begleitparameter, die üblicherweise den Wiegevorgang stören,
wie insbesondere der Druck des Strahls und der Nachlauf aus
der Rinne, ausschalten und so eine äußerst präzise,
systematische Korrektur ermöglichen.
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Wenn das Verfahren mindestens zwei Füllphasen mit
unterschiedlichen Referenz-Abgabemengen umfaßt, wird gemäß einer
vorteilhaften Version der Erfindung zumindest eine der
Referenz-Abgabemengen in Abhängigkeit von der Differenz zwischen
dem Gewicht des in dem Behälter enthaltenen Produkts und dem
Referenzgewicht angepaßt. Wenn das Verfahren Füllphasen mit
deutlich unterschiedlichen Abgabemengen umfaßt, kann auf
diese Weise eine geringe Abweichung des Behälterfüllgewichts
von dem Referenzgewicht korrigiert werden, indem man auf die
kleinste Abgabemenge einwirkt, wohingegen eine starke
Abweichung vorzugsweise durch Einwirken auf die größte Abgabemenge
korrigiert wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den
Zeichnungen. Darin zeigt:
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Figur 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Gewichtsdosierungsvorrichtung;
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Figur 2 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bezugnehmend auf Figur 1 umfaßt die Vorrichtung ein
Zuführorgan 1. Das Zuführorgan ist zum Beispiel ein Behälter, der
entweder von der Drehscheibe eines Karussells getragen oder
von diesem getrennt angeordnet und über eine Leitung mit
Drehgelenk damit verbunden ist. Der Ausfluß aus dem
Zuführorgan kann durch eine Zentrifugalpumpe unterstützt werden.
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Das Zuführorgan 1 ist über Organe 3 für die Steuerung der
Abgabemenge, deren jedes mit bezug auf die Ausströmungsrichtung
des Produkts stromaufwärts eines Füllstutzens angeordnet ist,
mit einer Reihe von Füllstutzen 2 verbunden, wovon nur einer
in der Figur dargestellt ist. Die Organe 3 für die Steuerung
der Abgabemenge sind zum Beispiel Schieber mit variabler
Öffnung oder archimedische Förderschnecken, die von einem
Schrittmotor mit variabler Geschwindigkeit gesteuert werden,
wobei die Geschwindigkeit des Motors die durch die
archimedische Förderschnecke geförderte Abgabemenge insbesondere im
Falle eines pastenförmigen Produkts wie beispielsweise
Mayonnaise oder eines heterogenen Produkts wie beispielsweise
Sauce mit Einlage bestimmt.
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Eine Wiegeorgan 4 ist senkrecht unter jedem Füllstutzen
angeordnet, und ein Behälter 5 wird zu Beginn eines jeden
Füllzyklus auf dem Wiegeorgan angeordnet.
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Das Wiegeorgan ist mit einem Eingang einer
Gewichtsdatenverarbeitungseinheit 6 verbunden, die einen weiteren Eingang 8
hat, durch welchen die für das abzufüllende Produkt
spezifischen Anfangsdaten eingegeben werden. Diese Anf angsdaten sind
insbesondere die Referenz-Abgabemenge und die Dauer einer
jeden Füllphase, jedoch auch die Regelungsbeziehung, die
zwischen einer Abweichung der gemessenen Abgabemenge und dem von
der Gewichtsdatenverarbeitungseinheit an das Organ für die
Steuerung der Abgabemenge zu übermittelnden Sollwert besteht.
Selbstverständlich unterscheidet sich diese
Regelungsbeziehung danach, ob das Produkt sehr flüssig oder stark
pastenförmig ist. Insbesondere bei einem Schieber mit variabler
Öffnung als Steuerorgan kann die gleiche Abgabemenge, z.B. 50
g/s, mit demselben Öffnungsquerschnitt nicht gleichermaßen
für ein flüssiges Produkt und für ein pastenförmiges Produkt
erreicht werden. Desgleichen richtet sich die Abgabemenge bei
identischen Produkten nach dem stromaufwärts des Organs zur
Steuerung der Abgabemenge ausgeübten Druck oder nach der
Temperatur des Produkts (die dessen Viskosität bestimmt). Somit
enthalten die Anfangsdaten entweder direkt die
Regelungsbeziehung zwischen der Abweichung der Abgabemenge und dem auf
das Abgabemengen-Steuerorgan anzuwendenden Sollwert oder aber
Parameter wie beispielsweise die Beschaffenheit, die
Temperatur oder den Speisedruck des Produkts, wobei die
Gewichtsdatenverarbeitungseinheit dementsprechend mit Rechenorganen
ausgestattet ist, mit welchen die Regelungsbeziehung zwischen
der Referenz-Abgabemenge und dem auf das
Abgabemengen-Steuerorgan anzuwendenden Sollwert ermittelt werden kann. Wie
vorstehend erwähnt, ist dieser Sollwert abhängig von der Art des
verwendeten Abgabemengen-Steuerorgans. Im Fall eines
Schiebers mit variabler Öffnung wird dieser Sollwert
beispielsweise durch eine Öffnungsgröße, im Fall einer archimedischen
Förderschnecke dagegen durch eine Drehgeschwindigkeit des
Motors angegeben. Der Ausgang der Einheit 6 für die
Gewichtsdatenverarbeitung ist mit dem Organ zur Steuerung der
Abgabemenge derart verbunden, daß eine Regelschleife gebildet wird.
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Im übrigen ist die Gewichtsdatenverarbeitungseinheit 6 in an
sich bekannter Weise mit einem Zeitgeber und einem Rechner
ausgestattet, wodurch die tatsächlich abgegebene Füllmenge
des Behälters jederzeit bestimmt werden kann, indem man die
Gewichtszunahme des Behälters und die seit der letzten
Zeitmessung verstrichene Zeit in Relation setzt. Moderne
Wiegeorgane arbeiten mit einer extrem kurzen Ansprechzeit, die z.B.
in der Größenordnung einer Tausendstelsekunde liegt, wobei
der Druck des Produktstrahls praktisch keine Zeit hat, sich
innerhalb der zwischen zwei Gewichtsmessungen liegenden
Zeitspanne zu ändern, so daß die gemessene Gewichtsdifferenz für
die innerhalb der in Betracht gezogenen Zeitspanne in den
Behälter gefüllten Produktmenge tatsächlich repräsentativ ist
und man eine äußerst präzise Messung der tatsächlichen
Abgabemenge erreicht.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, werden somit die Anfangsdaten
der Referenz-Abgabemenge und der Dauer einer jeden Füllphase
abhängig von dem abzufüllenden Produkt in die
Gewichtsanalyseeinheit eingegeben. Wenn man beispielsweise ein Kilogramm
einer Flüssigkeit abfüllen will, die sehr wahrscheinlich
moussiert, wenn sie mit großer Heftigkeit auf den
Behälterboden
trifft, wird man, um eine kleine Produktmenge ohne
Schaumbildung in den Behälter gelangen zu lassen,
vorzugsweise eine erste Füllphase mit einer geringen Abgabemenge von
beispielsweise hundert Gramm pro Sekunde über eine Dauer von
0,5 Sekunden vorsehen und daran anschließend die eigentliche
Füllphase mit einer höheren Abgabemenge von beispielsweise
fünfhundert Gramm pro Sekunde über eine Dauer von 1,8
Sekunden und dann schließlich die Endphase des Füllvorgangs, in
der die Abgabemenge wieder so gering ist, daß der Ausfluß
präzise gestoppt werden kann. In dieser Endphase beträgt die
Abgabemenge zum Beispiel hundert Gramm pro Sekunde über eine
Dauer von 0,5 Sekunden.
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Der Ablauf des Füllverfahrens gestaltet sich wie in Figur 2
dargestellt, daß heißt ein Behälter wird zunächst auf dem
Wiegeorgan angeordnet, welches das Leergewicht des Behälters
an die Gewichtsanalyseeinheit übermittelt. Daraufhin wird die
erste Phase durchgeführt, in der zum Beispiel die Öffnung des
Organs 3 zur Steuerung der Abgabemenge derart gesteuert wird,
daß diese während einer Dauer t1 eine Abgabemenge D1 liefert.
Für das vorstehend genannte Beispiel gilt also D1 = 100 g/s
und t1 = 0,5 s, wobei der Anfangs-Sollwert des Organs zur
Steuerung der Abgabemenge durch die Anwendung der
Regelungsbeziehung, die wie vorstehend beschrieben zu Beginn
eingegeben oder von der Gewichtsdatenverarbeitungseinheit berechnet
wurde, von der Referenz-Abgabemenge abhängig ist. Das
Wiegeorgan mißt in periodischen Abständen von beispielsweise einer
Hundertstelsekunde das scheinbare Gewicht, das heißt die
Kraft, die auf das Wiegeorgan ausgeübt wird und die in
Wirklichkeit nicht alleine das Ergebnis des Leergewichts des
Behälters und des in diesem enthaltenen Produkts, sondern auch
des Drucks ist, der sich durch den Produktstrahl ergibt.
Diese Information wird zur Gewichtsdatenverarbeitungseinheit
übertragen, die die Differenz gegenüber der vorhergehenden
Information ermittelt und mit der verstrichenen Zeit in
Relation setzt. Wenn die solchermaßen ermittelte tatsächliche
Abgabemenge von der Referenz-Abgabemenge D1 abweicht, erfolgt
in Höhe des Organs zur Steuerung der Abgabemenge eine
augenblickliche Korrektur durch einen neuen Sollwert, der sich aus
der Anwendung der vorgenannten Regelungsbeziehung im Falle
einer abweichenden Abgabemenge ergibt. Wenn die Zeit t1
verstrichen ist, sendet die Gewichtsdatenverarbeitungseinheit
einen neuen Sollwert zur Regelung des Organs zur Steuerung
der Abgabemenge, um das Produkt gemäß der
Referenz-Abgabemenge D2 in einer Zeit t2 zu liefern. Wenn die tatsächliche
Abgabemenge ebenso wie vorstehend erwähnt von der Referenz-
Abgabemenge abweicht, ändert die
Gewichtsdatenverarbeitungseinheit den Sollwert des Organs zur Steuerung der Abgabemenge
derart, daß die tatsächliche Abgabemenge gleich der Referenz-
Abgabemenge wird. Das gleiche gilt während der dritten
Füllphase.
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Wenn der Füllvorgang beendet ist, sendet das Wiegeorgan zur
Gewichtsdatenverarbeitungseinheit ein Signal über die Messung
des Gesamtgewichts, das nicht mehr länger durch den Druck des
Produktstrahls verfälscht ist. Mit Hilfe der Differenz zum
Behälterleergewicht wird in der
Gewichtsdatenverarbeitungseinheit das Reingewicht des in den Behälter gefüllten
Produkts berechnet und mit dem Referenzgewicht verglichen, das
in dem vorliegenden Beispiel 1 kg beträgt. Wenn das
Reingewicht von dem Referenzgewicht abweicht, wird zumindest eine
der Referenz-Abgabemengen angepaßt, um diese Differenz beim
nächsten Füllvorgang auszugleichen. Wenn das Gewicht in dem
herangezogenen Beispiel angenommen nur 998 g beträgt, erhöht
man die Referenz-Abgabemenge der letzten Phase auf 54 g/s,
wodurch der Anfangs-Sollwert des Organs zur Steuerung der
Abgabemenge zu Beginn dieser Phase automatisch geändert wird.
Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen Reingewicht und
dem Referenzgewicht groß ist, kann es zweckmäßig sein, wenn
man statt der Referenz-Abgabemenge der dritten Füllphase
vorzugsweise die Referenz-Abgabemenge der zweiten Füllphase
ändert. Die Wahl der zu ändernden Referenz-Abgabemenge kann
durch das Festlegen einer Differenzschwelle zwischen dem
tatsächlichen Reingewicht und dem Referenz-Reingewicht erfolgen,
um die Referenz-Abgabemenge der dritten Füllphase nicht zu
stark zu ändern: Wenn beispielsweise die Differenz zwischen
dem tatsächlichen Reingewicht und dem Referenz-Reingewicht am
Ende eines ersten Füllvorgangs 90 g Überschuß ergibt, weil
die Fließfähigkeit des Produkts zum Beispiel größer als
vorgesehen war, ist es nicht zweckmäßig, zum Ausgleich dieses
Überschusses die dritte Füllphase vollständig entfallen zu
lassen, sondern man wird vorzugsweise die
Referenz-Abgabemenge der zweiten Füllphase auf 450 g/s verringern und dabei
die Regelungsbeziehung zwischen der gemessenen Abgabemenge
und dem Sollwert an dem Organ zur Steuerung der Abgabemenge
konstant halten, so daß bei einer Regelung der Abgabemenge
auf 450 g/s über eine Dauer von 1,8 s das Ausflußgewicht des
Produkts in Wirklichkeit 900 g beträgt.
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Man wird bemerken, daß aufgrund der konstanten Fülldauer
jeder verfügbare Winkelsektor für den Füllvorgang genutzt
werden kann. Bei vorstehendem Beispiel, bei dem die gesamte
Fülldauer 2,8 Sekunden und der für den kompletten Füllvorgang
verfügbare Winkelsektor angenommen 270º beträgt, kann die
Drehscheibe des Karussells folglich mit einer Geschwindigkeit
angetrieben werden, die eine Umdrehung des Drehtellers in 3,7
Sekunden, das heißt 16,2 t/mn, ermöglicht. Bei einer
Maschine, die mit 10 Füllstutzen bestückt ist, erreicht man somit
einen Arbeitstakt von 162 gefüllten Behältern pro Minute. Im
Gegensatz dazu verfügt man bei bekannten Vorrichtungen, bei
denen am Ende des Füllvorgangs eine Anpassungszeitspanne
eingerechnet werden muß und die minimale Fülldauer wie im
vorgenannten Fall angenommen 2,8 Sekunden beträgt, nur über einen
Winkelsektor von 240º, der auch in 2,8 Sekunden durchlaufen
werden muß, was die Dauer einer Umdrehung des Drehtellers auf
4,2 Sekunden erhöht. Die Leistung des Drehtellers beträgt
demzufolge nur 14,2 t/mn, was für eine mit 10 Füllstutzen
bestückte Einrichtung einen Zeittakt von nur 142 Behältern pro
Minute bedeutet. Damit läßt sich feststellen, daß der
Arbeitstakt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber
bekannten Vorrichtungen erheblich verbessert werden kann.
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Obwohl die Erfindung vorstehend im Zusammenhang mit einer
Anpassung der Referenz-Abgabemenge beschrieben wurde, die
vorzunehmen ist, wenn das tatsächliche Reingewicht von dem
Referenz-Reingewicht abweicht, kann das Verfahren gemäß
vorliegender Erfindung auch in direkt äquivalenten Formen
durchgeführt werden, das heißt, indem man auf einen der Parameter
der Regelungsbeziehung zwischen der gemessenen Abgabemenge
und dem an dem Organ zur Steuerung der Abgabemenge gegebenen
Sollwert einwirkt. Insbesondere kann man auf die Leistung des
gebildeten Regelkreises einwirken, der durch das Wiegeorgan,
die Gewichtsdatenverarbeitungseinheit 6 und das Organ 3 zur
Steuerung der Abgabemenge gebildet wird. In diesem Fall
erfolgt bei demselben Wert der Referenz-Abgabemenge durch die
Änderung eines Parameters des Regelkreises nicht nur die
Änderung des an dem Organ zur Steuerung der Abgabemenge
anliegenden Anfangs-Sollwerts, sondern auch der Reaktionen dieses
Organs während der Regelung, derart, daß man trotz einer
konstant gehaltenen Fülldauer das tatsächliche Netto-Füllgewicht
des Behälters korrigieren kann. Die an den Parametern des
Regelkreises durchgeführten Änderungen können sich entweder auf
dessen Leistung oder noch auf den Vergleich zwischen der
tatsächlichen Abgabemenge und der Referenz-Abgabemenge beziehen,
indem man zum Beispiel einen mehr oder weniger gewichteten
Mittelwert der tatsächlichen Abgabemengen erfaßt, bevor der
Vergleich mit der Referenz-Abgabemenge und die Übermittelung
eines neuen Sollwertes an das Organ zur Steuerung der
Abgabemenge vorgenommen werden.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die
beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern erlaubt
Ausführungsvarianten, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Obwohl
die Erfindung im Zusammenhang mit einem über dem Behälterhals
fest angeordneten Füllstutzen dargestellt wurde, kann man
insbesondere auch ein mobiles Füllrohr vorsehen, das zunächst
in den Behälter eingeführt und dann im Zuge des Füllvorgangs
schrittweise angehoben wird. Eine solche Vorgehensweise ist
im Zusammenhang mit der Erfindung möglich, wohingegen die
Verwendung eines Tauchrohres in Wiegemaschinen, bei welchen
der Stoppbefehl für die Zufuhr des Produkts durch eine
Gewichtsschwelle ausgelöst wird, mit einer hohen Ungenauigkeit
verbunden ist, deren Grund in dem hydrostatischen Auftrieb
liegt, der durch das Eintauchen des Füllrohres in das Produkt
entsteht und der sich auf die durch das Wiegeorgan
durchgeführte Messung des Gewichts auswirkt.