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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abfüllung einer
vorgebbaren Sollmenge (S) eines Mediums über eine Abfüllleitung
aus mindestens einem Reservoir in einen Behälter, mit mindestens einem
Durchflussmessgerät
zur Messung des Durchflusses des Mediums, mit mindestens einem Ventil
zum Verschließen
der Abfüllleitung,
und mit mindestens einer Regeleinheit zur Regelung der Abfüllung, wobei
die Regeleinheit nach dem Abfüllen
einer berechenbaren Grenzmenge (G) das Ventil verschließt, und
wobei nach dem Erreichen der Grenzmenge (G) eine Nachlaufmenge (N)
zur Abfüllung
gelangt. Bei dem Medium handelt es sich vorzugsweise um Flüssigkeiten,
z.B. karbonisiertes Mineralwasser oder Medien auf Milchbasis oder
pharmazeutische Produkte.
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Beim
Abfüllen
eines Mediums wird es üblicherweise
angestrebt, dass die vorgebbare Sollmenge möglichst exakt abgefüllt wird.
Unterfüllungen
sollten auf jeden Fall verhindert werden, doch auch Überfüllungen
sind zu vermeiden, um z.B. keine Verschmutzungen zu verursachen.
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Bei
Abfüllanlagen
wird üblicherweise
der Durchfluss des Mediums gemessen, woraus sich die abgefüllte Menge
berechnen lässt.
Da zwischen dem Geben eines Schließbefehls an ein Ventil, dem
eigentlichen Schließen
und dem Versiegen des Flusses des Mediums eine gewisse Zeit vergeht,
da also eine gewisse Nachlaufmenge (N) abgefüllt wird, muss das Ventil bereits
verschlossen werden, bevor die Sollmenge (S) abgefüllt worden
ist. Eine Überfüllung lässt sich
also vermeiden, wenn das Ventil geschlossen wird, sobald ein zu
berechnender Grenzwert (G) abgefüllt
worden ist. Dieser Grenzwert (G) zuzüglich der Nachlaufmenge (N)
sollte dann gleich der Sollmenge (S) sein. Ob der Grenzwert (G)
erreicht ist, lässt
sich beispielsweise aus dem gemessenen Durchfluss berechnen. Die
Nachlaufmenge (N) ist jedoch abhängig
von den Schließeigenschaften
des Ventils und u.a. auch vom Durchfluss, wobei meist ein größerer Durchfluss auch
mit einer größeren Nachlaufmenge
(N) einhergeht. Eine entsprechende Berechnung der Nachlaufmenge
(N) lässt sich
beispielsweise der Offenlegungsschrift
DE 197 01 001 A1 entnehmen.
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Problematisch
ist jedoch, dass eine solche Berechnung voraussetzt, dass der Fluss
des Mediums bereits stabil ist, dass also z.B. keine großen Schwankungen
mehr auftreten. Weiterhin sollte die Kompressibilität des Mediums
einen im Wesentlichen konstanten Wert erreicht haben. Problem ist
also, dass die Berechnung der Nachlaufmenge (N) voraussetzt, dass
sie im Wesentlichen nur vom Durchfluss des Mediums abhängt und
dass alle anderen Abfülleigenschaften
(Fließverhalten,
Reaktion des Mediums auf das Schließen des Ventils etc.) im Wesentlichen
konstant sind. Bis zum Erreichen eines solchen Gleichgewichts sind
jedoch zumeist einige Startabfüllungen
notwendig. Ist also z.B. das Medium gewechselt worden oder ist über eine
gewisse Zeit nicht abgefüllt
worden, so muss sich das Gleichgewicht in der Startphase erst wieder
einstellen.
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Daher
ist es die Aufgabe der Erfindung, eine vorgegebene Sollmenge auch
dann möglichst
optimal abzufüllen,
wenn stabile Abfüllbedingungen
nicht oder zumindest noch nicht gegeben sind.
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Die
Aufgabe löst
die Erfindung dadurch, dass eine Speichereinheit vorgesehen ist,
in welcher mediumsspezifische Berechnungskonstanten und/oder Berechnungsformeln
hinterlegt sind, und dass die Regeleinheit mindestens aus dem gemessenen Durchfluss
und mit den Berechnungskonstanten und/oder den Berechnungsformeln
den Grenzwert (G) derartig berechnet, dass die Summe aus Grenzwert
(G) und Nachlaufmenge (N) im Wesentlichen gleich der Sollmenge (S)
ist. Die Idee ist also, dass der Grenzwert (G) u.a. aus dem Durchfluss
berechnet wird, dass jedoch die Formeln oder Berechnungskonstanten
für die
spezifische Berechnung hinterlegt sind. Es werden also die Formeln
und Berechnungskonstanten passend – z.B. für die entsprechende Abfüllung (die erste,
zweite, dritte usw. Abfüllung
nach einem Startzeitpunkt, an dem mit der Abfüllung des speziellen Mediums
begonnen wird) – aus
den hinterlegten Daten ausgewählt
oder herangezogen. Dafür sind
unterschiedliche Formeln oder Konstanten für die entsprechenden Bedingungen,
vorzugsweise auch für
unterschiedliche Medien, abgespeichert. Für die einzelnen Medien wird
also quasi (stückweise) eine
Kennlinie hinterlegt. Durch die Erfindung wird also jeweils auf
die optimale Formel zurückgegriffen, bzw.
die Formel zur Berechnung des Grenzwerts bzw. umgekehrt zur Abschätzung der
Nachlaufmenge wird durch entsprechende Konstanten optimal angepasst.
Die Berechnungskonstanten und Berechnungsformeln sind also so bestimmt,
dass sie das Abfüllverhalten
des Mediums beschreiben. Ändert sich
das Medium oder wird ein Medium nach einer Zeit des Stillstands – also des
Nicht-Abfüllens – wieder
abgefüllt,
so ändern
sich die Fließeigenschaften mit
der Zeit und mit den Abfüllungen,
bis ein stabiler und gleichmäßiger Fluss
erreicht wird. Somit beschreiben die Formeln und Konstanten das
Abfüllverhalten
so, dass u.a. über
den Durchfluss die Nachlaufmenge bzw. der Grenzwert optimal berechnet werden.
Das Abfüllverhalten
beschreibt z.B. die Art der Einstellung bis ein konstanter Durchfluss
erreicht ist oder sich die Kompressibilität des Mediums, welche auch
Auswirkungen auf das Schließverhalten des
Ventils und somit auch auf die Nachlaufmenge hat, nicht mehr wesentlich ändert. Das
Abfüllverhalten
teilt sich meist auf in die Bereiche: Startphase und gleichmäßige Abfüllphase.
Die Startphase umfasst z.B. die ersten 10 Abfüllungen, in welchen sich erst ein
gleichmäßiger Durchfluss
und ein gleichmäßiges Abfüllverhalten
einstellt. Während
der gleichmäßigen Abfüllphase ändert sich
meist nur der Durchfluss, weil z.B. Pumpen oder weitere Zuflussventile
keine konstanten Werte erzeugen. In dieser gleichmäßigen Abfüllzeit ist
es möglich,
die Nachlaufmenge derartig zu berechnen, dass sie nur vom Durchfluss
selbst abhängig
ist, d.h. es kann eine Formel beibehalten werden, in der die Nachlaufmenge
und somit der Grenzwert nur eine Funktion des Durchflusses ist,
und es muss beispielsweise nicht die Nummer der Abfüllung herangezogen
werden, um die entsprechend adaptierte Formel heranzuziehen.
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Die
Idee der Erfindung lässt
sich also mit anderen Worten an folgendem Beispiel illustrieren:
Bei
Probeabfüllungen
werden in einer Startphase so viele Abfüllungen durchgeführt, bis
die Nachlaufmenge N im Wesentlichen nur noch vom Durchfluss des Mediums
abhängig
ist, wenn also die Nachlaufmenge N für die folgenden Abfüllungen
durch einen im Wesentlichen proportionalen Zusammenhang zwischen
Nachlaufmenge N und Durchfluss kalkuliert werden kann. Aus den einzelnen
Abfüllungen
werden jeweils Formeln gewonnen, die wiederum abhängig vom
jeweiligen Durchfluss sind. Aus einer eigentlich multivarianten
Beschreibung der Nachlaufmenge N bzw. aus einer daraus abgeleiteten
multivarianten Berechnung des Grenzwertes G wird also eine abschnittsweise
Beschreibung bzw. eine abschnittsweise Berechnung, wobei sich die
Abschnitt auf die einzelnen Abfüllungen
beziehen. Sind z.B. 10 Abfüllungen
erforderlich, bis sich die Nachlaufmenge N direkt proportional aus
dem Durchfluss ergibt, so sind entsprechend viele Formeln in der
Speichereinheit abgelegt. Wird nun dieses Medium abgefüllt, so
werden die Formeln entsprechend der Nummer der jeweiligen Abfüllung verwendet.
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Eine
Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet, dass die Berechnungskonstanten
und/oder Berechnungsformeln das Abfüllverhalten des Mediums bei
Startabfüllungen
beschreiben, wobei es sich bei Startabfüllungen um Abfüllungen
handelt, bei denen die Nachlaufmenge (N) des Mediums über den
zeitlichen Verlauf der Abfüllungen
sich einem Verhalten annährt,
bei welchem die Nachlaufmenge (N) im Wesentlichen nur vom Durchfluss
des Mediums funktional abhängig
ist. Während
dieser Startphase werden also die Konstanten und/oder Formeln passend
zur Berechnung herangezogen. Beispielsweise sind 10 Sätze von
Konstanten und/oder Formeln hinterlegt, wobei bei gleichem Medium
immer bei der ersten Abfüllung
der erste Konstantensatz / die erste Formel, bei der zweiten Abfüllung der
zweite Satz / die zweite Formel usw. herangezogen wird. Eine Abfüllung bezieht
sich dabei vorzugsweise auf eine Abfüllung des Mediums in ein Gebinde,
ein Gefäß oder bei
Flüssigkeiten
im Lebensmittelbereich z.B. in eine Flasche. Von daher muss immer
die Abfüllung
mitgezählt
werden und die entsprechende Formel wird sodann herangezogen.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass die Berechnungskonstanten und/oder
Berechnungsformeln davon abhängig
sind, um die wievielte Abfüllung
es sich handelt, für
welche der Grenzwert (G) zu berechnen ist. Da sich in der Startphase
die gleichmäßigen und
nur kaum schwankenden Bedingungen erst einstellen müssen, ist
beispielsweise die Nummer der Abfüllung ein Maß für die Abfülleigenschaften
unter der Voraussetzung, dass die Anlage immer ein ähnliches
Anfahrverhalten zeigt und dass die Zeitpunkte der Abfüllungen
vergleichbar sind. Somit können
aus einer Testabfüllserie
mit z.B. 20 Abfüllungen
nach einem Startzeitpunkt 20 Formeln oder Konstanten gewonnen
werden, die in Abhängigkeit
vom Durchfluss den Grenzwert (G) optimal berechenbar machen. Bei solchen
Probeserien lässt
sich vor allem auch die Nachlaufmenge (N) effektiv messen. Diese 20 Formeln
/ Konstanten sind dann der ersten, zweiten, dritten bis zwanzigsten
Abfüllung
zugeordnet. Wird dann das Medium unter gleichen Bedingungen (Temperatur,
Druck, Viskosität
usw.) abgefüllt,
so wird bei der ersten Abfüllung
die erste Formel verwendet, bei der zweiten die zweite usw.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein weiteres Messgerät vorgesehen
ist, das mindestens eine zusätzliche
Prozessgröße des Mediums
misst. Bei der zusätzlichen
Prozessgröße (zusätzlich zum
Durchfluss) kann es sich beispielsweise die Temperatur, die Viskosität, mindestens
eine Theologische Eigenschaft und/oder den Druck der Mediums handeln.
Entsprechend der Prozessgröße berechnet
die Regeleinheit den Grenzwert (G) mindestens in Abhängigkeit
von der gemessenen Messgröße des Messgerätes.
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Damit
verbunden ist eine Ausgestaltung, die beinhaltet, dass die Berechnungskonstanten und/oder
Berechnungsformeln mindestens von der vom weiteren Messgerät (30)
gemessenen zusätzlichen
Prozessgröße des Mediums
abhängig
sind. Die Formeln / Konstanten sind also nicht nur beispielsweise
auf die Nummer der Abfüllung
und/oder den Zeitpunkt der Abfüllung
nach z.B. einem Startpunkt bezogen, sondern sie erlauben auch eine
Anpassung an die spezifischen Bedingungen des Mediums, die ebenfalls Änderungen
unterliegen können.
Ist beispielsweise die Viskosität
unterschiedlich, so lassen sich die Formeln anpassen, da auch die
Nachlaufmenge unterschiedlich ist. Die Formeln können dabei für diskrete
Werte bzw. Wertebereiche abgelegt sein, sie können aber auch einen kontinuierlichen
Zusammenhang herstellen. Die Formeln lassen sich dabei aufgrund
von Modellen bestimmen oder aufgrund von Probeabfüllungen
und daraus geschlussfolgerten funktionellen Zusammenhängen. Ein
solches zusätzliches
Messgerät
erlaubt es auch, neben der Nummer der Abfüllung ein weiteres Kriterium
für die Auswahl
der zu verwendenden Formel oder der optimal zu benutzenden Konstanten
bereitzustellen. Wenn also beispielsweise die Viskosität durch
das zusätzliche
Messgerät
gemessen wird, so können zum
einen die Formeln/Konstanten entsprechend der Nummer der Abfüllung, aber
auch – sozusagen
in der „zweiten
Dimension" – entsprechend
der gemessenen Viskosität
von der Regeleinheit entsprechend herangezogen werden. Ändert sich
beispielsweise bei dem abzufüllenden
Medium nur die Viskosität
in der Startphase bis zum erreichen eines konstanten Werts, so kann
auch nur die gemessene Viskosität zum
Auswählen
der Formeln/Konstanten verwendet werden. Die Formeln/Konstanten
werden also in der Speichereinheit mit der entsprechenden Abfüllnummer
oder der gemessenen Viskosität
abgelegt. Ist die vom zusätzlichen
Messgerät
gemessene Größe im Wesentlichen
konstant, so kann für
die folgenden Abfüllungen
der Grenzwert (G) vorzugsweise mit einer Formel berechnet werden,
d.h. ein Wechsel der Formeln/Konstanten ist nicht mehr nötig, insoweit
sich die Messgröße nicht ändert. Weiterhin
kann somit diese Messgröße auch
dazu dienen, dass das Wechseln der Formeln/Konstanten wieder aktiviert
wird. Das zusätzliche
Messgerät
kann beispielsweise auch die Zeit messen, so dass nicht in Abhängigkeit
von der Nummer der Abfüllung (einem
Wert, der stark davon abhängig
ist, ob das Timing der Anlage gleich ist), sondern vom Zeitpunkt
der Abfüllung
die Formeln/Konstanten herangezogen werden.
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Ein
zusätzliches
Messgerät
erlaubt es nicht nur festzustellen, wann die Formeln/Konstanten
für die
aktuelle Abfüllung
nicht mehr „gewechselt" werden müssen, sondern
es kann auch festgestellt werden, ob dieses „Anpassen" der Berechnung wieder erforderlich
wird, wenn z.B. eine längere
Zeit zwischen den Abfüllungen
verstrichen ist, oder wenn die Eigenschaften des Mediums sich geändert haben, d.h.
wenn bedingt durch das Medium sich öfters Startphasen wieder einstellen.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass das Durchflussmessgerät und das
Messgerät
in einem Gerät
integriert sind. Das Durchflussmessgerät kann z.B. gleichzeitig die
Temperatur und/oder die Viskosität
messen.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abfüllanlage.
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1 zeigt
eine Abfüllanlage.
Das Medium – hier
nicht dargestellt – fließt dabei
aus dem Reservoir 35 durch die Abfüllleitung 1 in den
Behälter 5.
Der Durchfluss wird durch das Durchflussmessgerät 15 gemessen. Die
Regeleinheit 20 berechnet aus dem Durchfluss mit den Formeln
oder Konstanten, die in der Speichereinheit 25 abgelegt
sind, den Grenzwert G bzw. die Nachlaufmenge N. Aus dem Durchfluss wird
von der Regeleinheit 20 ebenfalls berechnet, welche Menge
des Mediums abgefüllt
worden ist. Ist der Grenzwert G erreicht, so gibt die Regeleinheit 20 an
das Ventil 10 einen Schließbefehl. Durch die Schließeigenschaften
des Ventils 10 und auch durch die Länge des Abschnitts der Abfüllleitung 1 zum
Behälter 5 bedingt,
wird noch die Nachlaufmenge N abgefüllt. Ist der Grenzwert G optimal
berechnet, bzw. ist die Nachlaufmenge N optimal abgeschätzt worden,
so ergibt sich aus der Summe des Grenzwertes G bzw. der entsprechenden
abgefüllten
Menge und der Nachlaufmenge N die Sollmenge S, die die Menge ist,
die abgefüllt
werden soll, d.h. G + N ≈ S.
Die Formeln und Konstanten werden z.B. dadurch gewonnen, dass in
einem Probeablauf in einer Startphase die ersten zehn Abfüllungen
derartig aufgezeichnet werden, dass aus dem Durchfluss, dem Zeitpunkt
der Gabe des Schließbefehls
und der gemessenen Nachlaufmenge N der Grenzwert G berechnet wird.
Weiterhin ist noch ein zusätzliches Messgerät 30 vorgesehen,
das z.B. die Temperatur des Mediums misst. Offensichtlich ist die
Nachlaufmenge N in den meisten Fällen
abhängig
von der Temperatur des Mediums, so dass es wichtig ist, die Berechnung
des Grenzwerts G daran anzupassen. Die Regeleinheit 20 kann
so aufgebaut sein, dass sie die Abfüllungen mitzählt und
die Formeln/Konstanten entsprechend zur Berechnung des Grenzwertes
G heranzieht. Dafür
sind die Formeln/Konstanten mit einer entsprechenden Zuordnung,
z.B. mit einer Nummer abgelegt. Die Nummern entsprechen dann der
Nummer bei den Probe- oder Kalibrierabfüllungen. Es sind also beispielsweise
11 Formeln/Konstanten hinterlegt. Für die ersten zehn Abfüllungen werden
die Formeln/Konstanten 1 bis 10 verwendet und die 11. Formel/Konstantensatz
wird dann für
alle folgenden Abfüllungen
verwendet, bis entweder die Abfüllungen
gänzlich
gestoppt werden oder bis sich die Messgröße des zusätzlichen Messgeräts 30 ändert. Das
zusätzliche
Messgerät 30 macht
es auch möglich,
dass die Formeln/Konstanten nicht nur mit der Nummer der Abfüllung, sondern
auch mit der entsprechenden zusätzlichen
Prozessgröße abgelegt werden.
Diese Prozessgröße kann
quasi auch zum An- und Abschalten des Wechselns der Formeln/Konstanten
verwendet werden. Die Formeln/Konstanten werden also beispielsweise
immer in Abhängigkeit
von der zusätzlichen
Prozessgröße ausgewählt. Es
kann auch z.B. ein Hinweis oder ein Alarm gegeben werden, wenn die
zusätzliche
Prozessgröße außerhalb
eines Wertebereichs liegt, für die
die Formeln/Konstanten festgelegt worden sind. Mit dem zusätzlichen
Messgerät 30 ergibt
sich also folgendes Schema:
- 1. Bei einer Probemessung
werden eine bestimmte Anzahl von Abfüllungen vorgenommen. Vom Medium
werden der Durchfluss und die zusätzliche Prozessgröße – z.B. die
Viskosität – gemessen.
Gleichzeitig wird jeweils die Nachlaufmenge bestimmt (z.B. durch
eine Waage, die den mit dem Medium gefüllten Behälter und ggf. auch eine Auffangeinheit
für Überfüllung misst).
- 2. Aus den gemessenen Daten wird in Abhängigkeit vom Durchfluss für jede einzelne
Abfüllung eine
Formel oder ein Konstantensatz – Konstanten
sind dann sinnvoll, wenn eine allgemeine Formel für die jeweilige
Abfüllung
angepasst wird, ist diese Formulierung der Formel nicht möglich oder nur
sehr umständlich
zu erreichen, so empfiehlt sich das Abspeichern von ganzen Formeln – für die optimale
Berechnung des Grenzwertes G bestimmt. D.h. G ist eine Funktion
vom Durchfluss und von der Nummer der Abfüllung – dies als einfachstes Maß dafür, um die
wievielte Abfüllung
es sich handelt – und/oder
von der gemessenen zusätzlichen
Prozessgröße.
- 3. Bei den eigentlichen Abfüllungen
wird von der Regeleinheit 20 jeweils die zur Nummer der
Abfüllung
oder zur gemessenen zusätzlichen
Prozessgröße passende
Formel/Konstantensatz herangezogen. Hat die zusätzliche Prozessgröße einen bestimmten
Wert erreicht oder ist die Prozessgröße im Wesentlichen konstant
oder ist eine bestemmte Anzahl von Abfüllungen durchgeführt worden,
so kann mit einer Formel oder mit einem Konstantensatz weitergerechnet
werden. Ändert sich
die Prozessgröße, so kann
wiederum die passende Formel oder der passende Konstantensatz herangezogen
werden.
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- 1
- Abfüllleitung
- 5
- Behälter
- 10
- Ventil
- 15
- Durchflussmessgerät
- 20
- Regeleinheit
- 25
- Speichereinheit
- 30
- Messgerät
- 35
- Reservoir