DE102008020567A1

DE102008020567A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen und Steuern der Menge des in einem mehrphasigen Fluid dispergierten Nukleationsgases

Info

Publication number: DE102008020567A1
Application number: DE200810020567
Authority: DE
Inventors: Alberto Bonansea; Maurizio Corti
Original assignee: Afros SpA
Current assignee: Afros SpA
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2008-11-27
Also published as: ITMI20071019A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen und Steuern der Menge eines Nukleationsgases, das in einem mehrphasigen Fluid einer Polyurethankomponente dispergiert ist, wobei das mehrphasige Fluid das Dielektrikum eines kapazitiven Messinstruments bildet, sind bereitgestellt. Mittels einer programmierten Prozesseinheit wird zunächst eine Kalibrierung des Messinstruments vorgenommen, indem ein dielektrischer Proportionalitätskoeffizient in Abhängigkeit der unter verschiedenen Druckbedingungen gemessenen Kapazitäten bestimmt wird; anschließend ermittelt die Prozesseinheit auf der Grundlage der unter den Betriebsbedingungen der Vorrichtung gemessenen Kapazitätswerte mittels einer geeigneten Berechnungsformel jenen Wert, der die Volumenfraktion des im Fluid dispergierten Gases, bezogen auf Atmosphärendruck, angibt. Der festgestellte Wert wird mit einem Bezugswert verglichen, und in Abhängigkeit des erhaltenen Fehlers wird die Zufuhr des Nukleationsgases und dessen Dispersion im mehrphasigen Fluid gesteuert.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl die Herstellung von expandierten Polyurethanschäumen als auch von kompakten Polyurethanmaterialien mit mittlerer und hoher Dichte, bei denen der Zusatz von emulgierten Gasen, beispielsweise von Luft, zu einer oder beiden chemischen Komponenten zweifelsohne technologische Vorteile mit sich bringt.
Es ist bekannt, dass eine viskose Flüssigkeit, wie etwa ein Polyol, dazu neigt, die Mikrobläschen eines fein in der Flüssigkeit dispergierten Gases in Emulsion zu halten, was die scheinbare Viskosität senkt und somit das Pumpen und das Mischen vereinfacht.
Ferner erleichtert im Fall der Herstellung von Polyurethanmaterialien das suspendierte Gas dann, wenn das Polyol mit dem Isocyanat gemischt wird, die chemische Reaktion und wirkt als „Keim" für die Nukleatian und als Hilfsstoff für die anfängliche Bildung der Zellen.
Die so gebildeten kleinen Zellen expandieren an schließend durch die Zufuhr der Dämpfe, die sich im Zuge der chemischen Reaktion und der Verdampfung des Expansionsmittels während der chemischen Reaktion zwischen den verschiedenen Komponenten bilden, sowie durch den sich aufgrund der Reaktionswärme ergebenden Anstieg der Temperatur des erhaltenen Polyurethangemischs und des in den einzelnen Zellen enthaltenen Nukleationsgases.
Das Nukleationsgas, das anfänglich in einer oder in beiden Polyurethankomponenten in Emulsion dispergiert war, trägt somit grundlegend zur Bildung und zur Expansion des Polyurethanschaums bei.
Im Falle von Erzeugnissen aus kompaktem oder halbkompaktem Polyurethan tragen die Mikrobläschen des Gases wesentlich zur Senkung des spezifischen Gewichts bei, wobei aber die mechanischen Eigenschaften des Erzeugnisses dank der Kugelform der einzelnen Zellen hoch bleiben. In diesem Fall bleiben die Gasblasen in der Polyurethanmatrix fein dispergiert und bilden ein Amalgam, das das spezifische Gewicht senkt, wodurch beträchtliche Materialeinsparungen möglich sind.
Ferner ist bekannt, dass bei der Serienfertigung von Industriegütern die Beibehaltung vorbestimmter Betriebs- und Prozessbedingungen ein grundlegender Faktor ist, um Qualität und Eigenschaften des Produkts über die Zeit sicherzustellen.
Somit ist es bei der Herstellung von Schäumen und Erzeugnissen aus Polyurethan wichtig, die Menge des während der Bildung der Emulsion dispergierten Nukleationsgases präzise messen und steuern zu können, da die Eigenschaften des fertigen Erzeugnisses von der Menge des dispergierten Gases und von den Temperatur- und Druckbedingungen, bei denen die Dispersion erfolgt, abhängen.
Die derzeit verwendeten Messvorrichtungen, die hauptsächlich auf Dichtemessungen des Emulsionsfluids basieren, sind nicht zur automatischen Extrapolation oder Bereitstellung einer genauen Angabe der Menge des suspendierten Gases ausgehend von den Druckbedingungen und der etwaigen Gegenwart dispergierter Füllstoffe imstande, die nicht von der Geschwindigkeit beeinflusst ist, mit der die Flüssigkeit durch die Messvorrichtung tritt.
Bei der Herstellung von Polyurethanschäumen und/oder -materialien aus chemisch reaktiven Flüssigkomponenten, beispielsweise bei der Herstellung von steifen oder biegsamen Polyurethanschäumen, und noch allgemeiner von expandierten Harzen, kann es, wie zuvor erwähnt wurde, zur Einleitung und zur Vereinfachung des anfänglichen Prozesses der Expansion nützlich sein, kleine Gasblasen eines Nukleationsgases zu bilden, die in einer oder in beiden Komponenten geeignet dispergiert sind.
Die Einbindung von Luft, Kohlendioxid oder eines anderen Nukleationsgases in einer flüssigen Komponente eines chemisch reaktiven Polyurethangemischs ist zu einem immer wichtigeren Faktor geworden, da dies zur Erzeugung einer großen Anzahl an anfänglichen Gasmikrobläschen beiträgt, die als Keime wirken, um eine homogenere Zellstruktur auszubilden. Aus verschiedenen Gründen gestalten sich jedoch die Messung und die Steuerung der Menge an Nukleationsgas, die in einer flüssigen Komponente eines Polyurethangemischs dispergiert ist, mit den herkömmlich eingesetzten Systemen als schwierig.
Die Verwendung von kapazitiven Messinstrumenten zur Messung von Flüssigkeitspegeln in Speichern, wobei die Flüssigkeit selbst als Dielektrikum des Messinstruments verwendet wird, wurde von verschiedenen Seiten vorgeschlagen und durchgeführt. Beispiele dieser Art finden sich in der EP-A-1582848 und der EP-A-0538182 .
Die Verwendung von kapazitiven Messinstrumenten wurde ferner auch im Erdölsektor und in verwandten Sektoren vorgeschlagen, um die Mengen von mehrphasigen Flüssen zu ermitteln, insbesondere um die Menge an Wasser, die in einem Rohöl enthalten ist, oder die Menge an Gas, die in einem Flüssigbrennstoff enthalten ist, zu bestimmen; Beispiele finden sich in der US-A-4,441,362 , der US-A-4,599,888 und der US-A-4,713,603 .
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Messen und Steuern der Menge an Nukleationsgas, die in einem mehrphasigen Fluid, das gegebenenfalls feste Füllstoffe enthält und eine Komponente eines Polyurethangemischs ist, dispergiert ist, mittels derer es möglich ist, die Nachteile der derzeit bekannten Mess- und Steuersysteme zu beseitigen.
Im Besonderen ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen und Steuern so wie oben beschrieben bereitzustellen, mittels derer es möglich ist, auf einfache und genaue Weise die Menge an Gas zu messen und zu steuern, die in einer oder in beiden flüssigen Komponenten eines Polyurethangemischs dispergiert ist, während diese entlang einem Messkreis fließen, wobei die Eigenschaften des Fluids und die Druckbedingungen, denen dieses unterliegt, automatisch berücksichtigt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Be reitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Messen und Steuern, so wie oben beschrieben ist, mittels derer es möglich ist, die Menge des in einer Polyurethankomponente dispergierten Nukleationsgases unabhängig vom Druck, bei dem es gehalten ist, zu messen und zu steuern und in Echtzeit einzugreifen, um die Menge des dispergierten Gases bei einem vorbestimmten Wert zu halten, um so in Folge die Prozessbedingungen und die Eigenschaften des erhaltenen Produkts konstant zu halten.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die im Obigen dargelegten Aufgaben können durch ein Verfahren zum Messen und Steuern der Menge an Nukleationsgas, die in einer flüssigen Komponente eines Polyurethangemischs dispergiert ist, gemäß Anspruch oder 1 oder 2 sowie durch eine Vorrichtung zum Messen und Steuern gemäß Anspruch 5 oder 6 erfüllt werden.
Im Besonderen fußt die Erfindung auf der Verwendung eines Messinstruments, das in einem Mess- und Steuerkreis zum Messen und Steuern der Menge an Gas, die in einem mehrphasigen Fluid dispergiert ist, das mindestens eine flüssige Phase mit oder ohne dispergierten, festen Füllstoffe und eine gasförmige Phase aufweist, eingeführt ist, wobei das mehrphasige Fluid selbst das Dielektrikum des Messinstruments bildet. Mittels einer Steuereinheit, die mit geeigneten Berechnungsalgorithmen programmiert ist, ist es möglich, eine anfängliche Kalibrierung des Messinstruments auf der Grundlage von Kapazitätswerten, die bei verschiedenen Druckwerten festgestellt wurden, durchzuführen sowie die Volumenfraktion des in der Polyurethankomponente dispergierten Gases, bezogen auf Atmosphärendruck, unter den Prozessbedingungen zu berechnen und zu steuern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung sowie einige bevorzugte Ausführungsformen werden hierin nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher veranschaulicht, in denen:
1 eine allgemeine schematische Darstellung der Mess- und Steuervorrichtung ist;
2 eine erste Einrichtung zum Dispergieren des Gases zeigt;
3 eine zweite Einrichtung zum Dispergieren des Gases zeigt;
4 eine dritte Einrichtung zum Dispergieren des Gases zeigt;
5 eine alternative Lösung für die Mittel zum Verändern des Drucks des Fluids im Messkreis aus 1 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 1 umfasst die Vorrichtung einen Speicher 10 für eine erste Polyurethankomponente A sowie einen Speicher 11 für eine zweite Polyurethankomponente B, die im flüssigen Zustand mittels entsprechender Dosierpumpen 13 und 14 in dosierten Mengen einer Mischeinrichtung 12 zugeführt werden.
In mindestens einer der beiden Komponenten, beispielsweise in der Komponente A, wird ein Nukleationsgas, beispielsweise Luft, dispergiert, das emulgiert wird, wobei die flüssige Komponente bei einem vorbestimmten Druckwert P gehalten wird, der in Abhängigkeit von den Misch- und Prozessbedingungen im Allgemeinen auf einem Druck, der die Dispersion der gewünschten Menge an Gas zulässt, oder darüber voreingestellt ist.
Ferner weist die Vorrichtung eine Einrichtung 15 zum Dispergieren des Nukleationsgases in der flüssigen Polyurethankomponente auf, die von einem beliebigen Typ sein kann; beispielsweise kann sie aus einem Rührer, einem mechanischen Dispergierer oder einem statischen Dispergierer gebildet sein, wie nachstehend erläutert wird.
Die Einrichtung 15 zum Dispergieren des Gases bildet einen Teil eines Messkreises, der ein kapazitives Messinstrument 16 aufweist, das von einem mehrphasigen Fluid durchlaufen wird, welches die flüssige Polyurethankomponente, das Nukleationsgas und etwaige Feststoffe oder im Fluid selbst dispergierte Füllstoffe umfasst.
Im dargestellten Fall ist die Einrichtung 15 zum Dispergieren des Gases über eine Zufuhrleitung 18 und 19, die mit einem Druckminderer 20 und einem Magnetsteuerventil 21 ausgestattet ist, mit einer Druckgasquelle 17, beispielsweise Luft mit einem Druck von über 1,0 bar, verbunden. Die Gaszufuhrleitung 19 ist ferner mit dem Speicher 10 zur Druckbeaufschlagung sowie mit einem Magnetventil 22 zum Ablassen der Luft verbunden. Ein Manometer 23 gibt den Druck des Gases an, das der Dispergiereinrichtung 15 und dem Aufbewahrungsspeicher 10 für die Polyurethankomponente mit dem Gas in Emulsion zugeführt wird. Im Fall des Hohlwellen-Nukleators aus 2 entspricht der Zufuhrdruck des Gases zum Nukleator 15 dem Druck, der im Aufbewahrungsspeicher 10 besteht. Im Fall des mechanischen Nukleators aus 3 oder einer gleichwertigen Einrichtung ist eine separate Gaszufuhrleitung vorzusehen, deren Druck und Durchflussrate vom Benutzer einstellbar sind. Im Fall des statischen Dispergierers und Mischers aus 4 muss erneut eine separate Nukleationsgas-Zufuhrleitung vorgesehen sein, deren Druck und Durchflussrate vom Benutzer einstellbar sind.
Im Beispiel aus 1 ist der Messkreis zum Messen der Menge des in der flüssigen Polyurethankomponente dispergierten Nukleationsgases Teil eines Rückführungskreises 24, der eine Pumpe 25 zum Umwälzen des Fluids und einen Pressostat 26 aufweist.
Die Vorrichtung 15 zum Dispergieren des Gases, der Wandler 16''' des Messinstruments 16, die Magnetventile 21 und 22, der Pressostat 26 und etwaige andere Teile der Vorrichtung sind ihrerseits in Arbeitsbeziehung mit einer Prozesseinheit 27, beispielsweise einer PLC, verbunden, die den gesamten Arbeitszyklus der Vorrichtung steuert.
Das Messinstrument 16 kann von einem beliebigen Typ sein, der dazu geeignet ist, eine Zirkulation des Fluids zuzulassen und eine geeignete Kontaktfläche mit dem Fluid selbst bereitzustellen, sodass dieses das Dielektrikum eines Kondensators bilden kann. Beispielsweise können die beiden Elektroden des Kondensators des Instruments 16 aus einem röhrenförmigen Element oder allgemeiner noch aus einer hohlen Hülse 16 zur Leitung des Fluids, die mit dem Kreis des Wandlers 16''' verbunden ist, und einer Sonde 16'', die koaxial zum röhrenförmigen Körper 16' des Instruments 16 verläuft, bestehen; auf diese Weise bilden die einender geeignet zugewandten Flächen des röhrenförmigen Elements und der Sonde die zwei Elektroden eines Kondensators, zwischen denen die Polyurethankomponente mit dem darin dispergierten Nukleationsgas und dem etwaigen Füllstoff fließt und so das Dielektrikum des Messinstruments bildet.
Alternativ zum oben Beschriebenen kann das kapazitive Messinstrument aus zwei Flachelektroden gebildet sein, die einander zugewandt sind, wobei das dielektrische Fluid zwischen diesen angeordnet ist, oder aber eine beliebige andere Konstruktion aufweisen, die für den Zweck geeignet ist.
Der Wandler 16''' kann seinerseits von einem beliebigen Typ sein, der dazu geeignet ist, eine direkte Angabe der Kapazität des Kondensators oder eine andere Angabe, die mit dieser korreliert ist, bereitzustellen. Beispielsweise kann er aus einem elektronischen Kondensatorladekreis bestehen, der einen Widerstand mit bekanntem Wert aufweist, mit der kapazitiven Sonde in Serie geschaltet; der Kreis kann mit einer Rechteckspannung mit vorbestimmten Wert und bekannter Frequenz gespeist werden.
Über die Messung des Spannungsverlaufs an den Enden des Kondensators wird die Ladezeitkonstante des Kondensators bestimmt, woraus sich in Folge seine Kapazität bestimmen lässt.
Systeme dieser Art basieren normalerweise auf der Verwendung eines Oszillators, der eine Rechteckwelle erzeugt, und eines Verstärkers/Vergleichers, der den Spannungsverlauf ermittelt; ein Zeitgeber gibt den Wert der Zeitkonstante des so gebildeten RC-Kreises und in der Folge mithilfe üblicher Berechnungsformeln den Wert der unbekannten Kapazität an.
Ein anderes System zum Ermitteln der Kapazität eines Kondensators besteht in der Verwendung des Kondensators selbst als Teil eines Oszillators, dessen Frequenzausgang direkt den Wert der unbekannten Kapazität angibt.
Ein weiteres System besteht in der Speisung eines RC-Kreises, der von der kapazitiven Sonde gebildet ist, mit Rechteckwellen mit niedrigem Tastgrad („duty cycle"), wobei die mittlere Spannung an den Enden des Kondensators zur Bestimmung der Kapazität verwendet wird; in diesem Fall muss die Oszillationsfrequenz einen hohen Wert aufweisen, beispielsweise in der Größenordnung einiger hundert KHz bis hin zu MHz.
Unter „Tastgrad" ist das prozentuelle Verhältnis zwischen der Dauer des „hohen" Teils der Rechteckwelle und der Gesamtperiodendauer zu verstehen.
Die 2, 3 und 4 zeigen beispielhaft einige mögliche Ausführungsformen verschiedener Einrichtungen 15 zum Dispergieren des Gases.
Im Fall aus 2 besteht die Einrichtung 15 zum Dispergieren des Gases aus einem Hohlwellen-Rührer; der Rührer weist einen Speicher 28 auf, der teilweise mit dem Fluid befüllt ist, das aus dem Messkreis 24 fließt; die Decke des Speichers 28 ist über die Rohrleitung 18' mit der Decke des Aufbewahrungsspeichers 10 verbunden, um die Drücke auszugleichen und eine Umfüllung durch „Überlauf" der Flüssigkeit zu ermöglichen.
Eine Hohlwelle 29, die mit einem Antriebsmotor 30 verbunden ist, erstreckt sich axial im Behälter 28; die Hohlwelle 29 weist im oberen Abschnitt mehrere Löcher 31 zum Ansaugen des Gases auf, das anschließend über kleine Hohlflügel 32 am unteren Abschnitt der Welle 29 mittels Venturi-Effekt in die flüssige Masse der Polyurethankomponente dispergiert wird.
3 zeigt eine zweite Lösung für einen Dispergierer 15 vom mechanischen Typ; die Einrichtung 15 weist erneut einen Behälter 28 auf, der zur Gänze mit Fluid befüllt ist und in dem sich ein Schaufellaufrad 33 erstreckt, das vom Elektromotor 30 betrieben wird und das das Gas, das von der Leitung 18 und einer im Fluid eingetauchten Abgabedüse zugeführt wird, durch einfache Turbulenz, die durch die mechanische Bewegung herbeigeführt wird, dispergiert.
4 zeigt eine dritte Lösung für die Einrichtung 15 zum Dispergieren des Nukleationsgases; in diesem Fall weist die Einrichtung einen Dispergierer 34 auf, der das Gas direkt in das Fluid, das entlang einem Messkreis fließt, einspritzt, wobei dieser mit einem statischen Mischer 35 in Serie geschaltet ist.
Der statische Mischer erzeugt in der Strömung die zur Dispersion notwendige Turbulenz.
In den Fällen aus den 3 und 4 kann die Leitung 18' auch unter dem Spiegel angeschlossen sein.
Die Gasdispergierer der 2, 3 und 4 können auch an einem Fluidrückführungskreis angeordnet sein, der separat von der Messvorrichtung, parallel und nicht in Serie zur Messvorrichtung, vorliegt, der in diesem Fall von einem anderen und separaten Kreis oder an einer anderen Stelle als die Messeinrichtung entlang dem Rückführungskreis selbst versorgt wird.
In allen der 2, 3 und 4 wurden die gleichen numerischen Bezugszeichen wie in 1 zur Kenn zeichnung ähnlicher oder gleichwertiger Teile verwendet, insbesondere für die Verbindungen zwischen den verschiedenen Teilen, die die Mess- und Steuervorrichtung bilden.
Die Mess- und Steuervorrichtung gemäß der Erfindung weist ferner Mittel auf, die dazu geeignet sind, eine rasche Änderung des Drucks im Messkreis, insbesondere im röhrenförmigen Körper 16' des Instruments 16, zu bewirken und diesen so von einem ersten Wert P1 auf einen zweiten Druckwert P2, der höher oder niedriger als der vorherige ist, zu bringen. Diese Druckänderung dient der anfänglichen Kalibrierung des Messinstruments 16, die für eine nachfolgende Steuerung der Volumenfraktion des Nukleationsgases, das in der Polyurethankomponente dispergiert ist, unter normalen Betriebsbedingungen erforderlich ist.
Unter einer raschen Druckänderung ist eine Veränderung zu verstehen, die innerhalb eines derartigen Zeitraum erfolgt, der zu keinem signifikanten Anstieg des Prozentsatzes an Gas, das vom Zustand der feinen Dispersion in den Zustand der Lösung in der Flüssigkeit oder umgekehrt übergeht, führt.
Die Mittel zum Herbeiführen einer raschen Änderung des Drucks des Fluids im Messkreis, oder genauer gesagt im Instrument 16, können beliebiger Natur sein; beispielsweise können sie aus einem regulierbaren Element zur Drosselung der Strömung gebildet sein, wie etwa ein automatisches Ventil, das proportional steuerbar ist, um den hydraulischen Widerstand entlang dem Rückführungskreis zu verändern, oder aus einem pneumatisches Proportionalventil, das dazu geeignet ist, den Druck im Aufbewahrungsspeicher 10 rasch zu verändern; eine Druckänderung könnte auch anders, nämlich durch Regulieren der Geschwindigkeit der Pumpe 25 zur Rückführung der Komponente und das Beibehalten eines passenden hydraulischen Widerstands stromabwärts, oder auch auf eine andere passende Weise herbeigeführt werden, beispielsweise durch Ändern des Drucks des mehrphasigen Fluids im Aufbewahrungsspeicher.
Eine andere Lösung ist im Beispiel aus 5 gezeigt, in der die gleichen numerischen Bezugszeichen zur Kennzeichnung ähnlicher oder gleichwertiger Teile wie in den vorangegangenen Figuren verwendet wurden.
In diesem Fall weist der Messkreis die zwei Magnetventile 36 und 37 auf, die von der Prozesseinheit 27 gesteuert werden, um ein Flüssigkeitsvolumen im kapazitiven Messinstrument 16 zu isolieren; dieses Volumen wird einer raschen Verdichtung unterzogen, beispielsweise mittels einer Kolben-/Zylinder-Einheit 38, die hydraulisch oder pneumatisch betätigt wird.
Das Verfahren gemäß der Erfindung und die Arbeitsweise der Mess- und Steuervorrichtung werden nun nachstehend unter Bezugnahme auf das Beispiel aus 1 deutlicher veranschaulicht.
Es wird von der Annahme ausgegangen, dass das Fluid, das entlang dem Rückführungskreis 24 und im Instrument 16 fließt, ein mindestens zweiphasiges Fluid ist, das eine flüssige Phase, die aus einer chemischen Komponente eines Polyurethangemischs besteht, und eine gasförmige Phase, die aus einem in der flüssigen Komponente dispergierten Nukleationsgas besteht, umfasst; es wird nicht ausgeschlossen, dass das Fluid gegebenenfalls auch einen Füllstoff aus festen Teilchen enthält.
Das Dielektrikum im Instrument 16 ist somit aus einem Volumen V_L einer Flüssigkeit (mit oder ohne Füllstoff) und einem Volumen V_G eines Gases, das in Form von Bläschen dispergiert ist, aufgebaut.
Wenn das ganze Volumen des Fluids in der Sonde enthalten ist, mit einem konstanten Wert von 100%, ändert sich mit einer Veränderung des Drucks des Fluids das Volumen der Bläschen des dispergierten Gases, und proportional dazu ändert sich sowohl das Volumen des Gases als auch das Volumen des Fluids, die in der kapazitiven Sonde enthalten sind.
Es ist ferner bekannt, dass eine Flüssigkeit, die praktisch nicht komprimierbar ist, konstante dielektrische Eigenschaften aufweist; analog dazu weist ein gegebenenfalls fein in der Flüssigkeit dispergierter fester Füllstoff bei Druckveränderung konstante dielektrische Eigenschaften auf; im Unterschied dazu ist ein Gas zwar komprimierbar, doch ändern sich seine dielektrischen Eigenschaften bei Druckveränderung nicht signifikant, weshalb sie ebenfalls als ein im Wesentlichen konstanter Wert angenommen werden können.
Wenn nun die folgenden Definitionen festgelegt werden:

ε_rL: = dielektrische Grundeigenschaft der Flüssigkeit (die gegebenenfalls einen Füllstoff aus festen Teilchen enthält) im Messinstrument – konstant;
ε_rG: = dielektrische Grundeigenschaft des Gases im Messinstrument – konstant;
V_L: = Volumen der Flüssigkeit im Messinstrument – variabel;
V_G: = Volumen des Gases im Messinstrument – variabel;
V_TOT: = Gesamtvolumen des Dielektrikums im kapazitiven Messinstrument, wobei V_TOT = V_L + V_G = konstant gilt;

C = Kε

K: = geometrische Konstante des Messinstruments
ε: = Dielektrizitätskonstante des Fluids

Für ein zweiphasiges Fluid kann die Konstante ε als die Summe der dielektrischen Eigenschaften der zwei Phasen ausgedrückt werden, wobei jede auf das eingenommene Volumen bezogen ist; daher kann die Kapazität der Sonde 16 aus 1 im Fall eines zweiphasigen Fluids durch die folgende Formel ausgedrückt werden: C = K(εrL VL/VTOT + εrG VG/VTOT) 1)
Die Volumenfraktionen des Gases und der Flüssigkeit sind den folgenden Formeln zu entnehmen: V'G = VG/(VL + VG) 2) V'L = VL/(VL + VG)worin gilt:

V'_L: = Volumenfraktion der Flüssigkeit
V'_G: = Volumenfraktion des Gases

_G

_L

Die Formel, die die Kapazität C der Sonde 16 zum Volumen und zu den Dielektrizitätskonstanten des Gas-Flüssigkeits-Gemischs in Beziehung setzt, wird durch folgende Formel ausgedrückt: C = K(V'LεrL + V'GεrG) 3)

ε_rL: = relative Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit
ε_rG: = relative Dielektrizitätskonstante des Gases.

V_G kann seinerseits durch die folgende Formel in Abhängigkeit von Druck P, auch hier mit absolutem Wert, und V_0G bei absolutem Druck von 1 bar (Atmosphärendruck) ausgedrückt werden: VG = V0G/P 4)
Wird α als eine Größe definiert, die das Verhältnis zwischen dem Volumen des dispergierten Gases bei Atmosphärendruck und dem Gesamtflüssigkeitsvolumen im System angibt, d. h. α = V0G/VL 5)und werden die Substitutionen und die notwendigen mathematischen Abläufe ausgeführt, so kann die Formel "3" auf folgende Weise umgeschrieben werden C = K[εrL/(1 + α/P) + εrG/(1 + P/α)] 6)
Wird zur Vereinfachung der Berechnung hypothetisch der Beitrag des Gases in der Gleichung "6" vernachlässigt und somit nur der Beitrag der Flüssigkeit berücksichtigt, ergibt sich der Wert der Kapazität C aus der folgenden Formel: C = KεrL/(1 + α/P) 7)wobei die vorherige Formel Folgendes ergibt, wenn sie für α umgelegt wird α = (KεrL/C – 1)P 8)
Der Prozentsatz G₀% von Gas, das in der Flüssigkeit bei Atmosphärendruck dispergiert ist, wird erhalten durch G0% = (α/(1 + α))100 9)worin α bestimmt werden kann, wenn der Wert des Produkts der relativen Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit und der geometrischen Konstante des Messinstruments Kε_rL der kapazitiven Sonde bekannt ist.
Der dielektrische Proportionalitätskoeffizient ε_rLK der Sonde, auf dessen Grundlage automatisch eine periodische oder kontinuierliche Steuerung der Menge an Nukleationsgas, das im Fluid dispergiert ist, vorgenommen wird, hängt somit sowohl von den geometri schen Eigenschaften der Sonde als auch den Eigenschaften des zu steuernden Fluids ab.
Ferner ist es bekannt, dass bei den Anlagen, die die chemischen Polyurethankomponenten bearbeiten, die Temperatur der Harze gesteuert und konstant gehalten werden muss, um eine wiederholbare Reaktivität zu gewährleisten, und dies erlaubt die Durchführung der Kalibrierung bei der gewünschten Temperatur.
Wie zuvor bereits angesprochen wurde, ist es zum Zweck der Gewährleistung einer konstanten Qualität und konstanter Eigenschaften eines Produkts bei der Herstellung von Schäumen und/oder Gegenständen aus Polyurethanmaterial notwendig, die Menge des in der flüssigen Komponente des Gemisches dispergierten Nukleationsgases zu steuern und konstant zu halten.
Um eine Steuerung zu ermöglichen, muss zu Beginn eines jeden Arbeitszyklus oder bei jedem Materialwechsel eine Kalibrierung der kapazitiven Sonde vorgenommen werden, um einen dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten ε_rLK zu bestimmen, der von der Grund-Dielektrizitätskonstante ε_rL der flüssigen Phase, gegebenenfalls mit einem darin fein dispergierten Füllstoff, und der geometrischen Konstante K der verwendeten kapazitiven Sonde abhängig ist und mit dem es dann möglich sein wird, automatisch die Menge des in der Polyurethankomponente dispergierten Nukleationsgases mittels einer Prozesseinheit, die zu diesem Zweck mit geeigneten Berechungs- und Steueralgorithmen programmiert wurde, zu messen und zu steuern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Berechnung des dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten der kapazitiven Sonde erhalten werden, indem eine geeignete Vorphase der Kalibrierung vorgenommen wird, bei der die Kapazitäten C₁ und C₂ der Sonde bei zwei unterschiedlichen Druckwerten P₁ und P₂ des Fluids festgestellt und gemessen werden; dies kann jedes Mal durchgeführt und wiederholt werden, wenn Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Fluids eine erneute Kalibrierung erforderlich machen.
Für Anwendungszwecke kann es günstig sein, dass die Berechnung dieses Koeffizienten unter Vernachlässigung des Beitrags der Dielektrizitätskonstante der Gasphase durchgeführt wird, die unter reellen Bedingungen einen Einfluss von unter 6% auf die Berechung hat.
Die Kalibrierung erfolgt durch die Feststellung der Kapazitäten C₁ und C₂ der Sonde, die bei den Drücken P₁ und P₂ abgelesen werden, und unter der Berücksichtigung, dass α = V_0G/V_L einen konstanten Wert aufweist, da V_0G und V_L im gesamten System, das das unter suchte Fluid enthält, konstant bleiben, und dass die in der Sonde vorhandene Probe für das gesamte System repräsentativ ist.
In der Praxis wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird die Kapazität C₁ der Sonde bei einem Druck P₁ des Fluids gemessen; danach wird der Druck des Fluids rasch verändert und auf einen Druck P₂ gebracht, wobei gleichzeitig die Messung der Kapazität C₂ durchgeführt wird. Die Änderung des Drucks von P₁ auf P₂ muss ausreichend schnell erfolgen, um nur eine isothermische Verdichtung der in der Flüssigkeit dispergierten Gasblasen zu verursachen und zu verhindern, dass das Gas oder ein Teil dessen aufgrund der Druckveränderung in der Flüssigkeit in Lösung geht; dies würde zu einer Reduktion des Volumens des dispergierten Gases führen und die Ablesung der Kapazität und folglich auch die Kalibrierung der kapazitiven Sonde verändern.
Folgender Ausdruck kann festgeschrieben werden: (KεrL/C1 – 1) P1 = (KεrL/C2 – 1)P2 10)der umgelegt für Kε_rL folgenden Ausdruck ergibt: KεrL = (P1 – P2)/(P1/C1 – P2/C2) 11)
Wurden die beiden Werte der Kapazität C₁ beim Druck P₁ und C₂ beim Druck P₂ auf der Grundlage von "11" festgestellt, so ist die Prozesseinheit 27 mit tels eines geeigneten Algorithmus imstande, den Wert ε_rLK des dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten der Sonde 16 zu berechnen und zu speichern.
Da der Koeffizient ε_rLK einen konstanten Wert aufweist und sowohl vom Druck des in der Sonde enthaltenen Fluids und als auch von den Volumenverhältnissen der flüssigen und der gasförmigen Phase völlig unabhängig ist, ermöglicht die Feststellung dieses Koeffizienten durch den Kalibrierungsvorgang die Messung und die periodische oder kontinuierliche Steuerung der Menge des im spezifischen Fluid dispergierten Nukleationsgases unter normalen Betriebsbedingungen sowie das Eingreifen durch Verändern der Gasströmung in der Phase des Dispergierens, um die Volumenverhältnisse zwischen Gas und Flüssigkeit den angeforderten Gleichgewichtsbedingungen entsprechend herzustellen oder wieder einzustellen und beizubehalten.
Somit ist es nach erfolgter Kalibrierung der kapazitiven Sonde und Berechnung des dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten ε_rLK für die spezifische Sonde und das spezifische Fluid, das gegebenenfalls Zusätze fein dispergierter, fester Füllstoffe aufweist, durch die vorangegangene Formel "8" möglich, jederzeit mittels "9" G₀%, d. h. die Volumenfraktion des dispergierten Gases auf das Gesamtvolumen des Fluids (Summe aus der Flüssigkeit und dem nukleierten Gas unter Bedingungen des Atmosphärendrucks), bezogen auf den Atmosphärendruck, zu berechnen zu steuern; dies kann erzielt werden, indem die Kapazität C der Sonde und der absolute Druck des Fluids in der Sonde festgestellt werden.
Der Kontrollwert G₀%, der von der Prozesseinheit 27 festgestellt und berechnet wurde und den Prozentsatz des Gases als Volumenfraktion, bezogen auf Atmosphärendruck, angibt, wird anschließend als ein Bezugswert RS zu Vergleichen herangezogen; somit befiehlt die Prozesseinheit 27 in Abhängigkeit des festgestellten Fehlers die Öffnung des Magnetventils 21, um die Zufuhr und die Dispersion einer derartigen Menge an Nukleationsgas im Fluid zu ermöglichen, dass das System auf die gewünschten Betriebsbedingungen gebracht oder erneut gebracht wird, sofern die Druckbeaufschlagung des Behälters des Fluids einen Wert aufweist, der ausreichend ist, um die gewünschte Dispersion des Gases zuzulassen.
Natürlich ermöglicht die Vorrichtung die ein- oder mehrmalige Feststellung der Kapazität der Sonde 16 für einen gleich bleibenden Wert des Drucks P oder auch bei Änderungen des Drucks, wobei dann ein Mittelwert bestimmt wird, um sowohl die Berechnung des Koeffizi enten ε_rLK als auch des Werts der gemessenen Menge an Nukleationsgas genauer zu machen.
Wie zuvor angesprochen wurde, können die Kalibrierung des Messinstruments und die Berechnung des Prozentsatzes des im Fluid dispergierten Gases einem Verfahren folgend vorgenommen werden, bei dem der Beitrag der dielektrischen Wirkung des Gases vernachlässigt wird; durch Berechnungen und Versuche wurde festgestellt, dass bei der Berechnung der Kapazität der Sonde das Gas prozentuell gesehen einen Beitrag leistet, dessen Ausmaß vernachlässigbar oder irrelevant ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1582848 A [0012]
- EP 0538182 A [0012]
- US 4441362 A [0013]
- US 4599888 A [0013]
- US 4713603 A [0013]

Claims

Verfahren zum Messen und Steuern der Menge an Nukleationsgas, die in einem mehrphasigen Fluid von mindestens einer Komponente für ein Polyurethangemisch, das mindestens eine flüssige und eine gasförmige Phase umfasst, dispergiert ist, wobei das mehrphasige Fluid, das gegebenenfalls auch fein dispergierte Feststoffe enthält, das Dielektrikum eines kapazitiven Messinstruments bildet, und wobei die Menge an im Fluid dispergiertem Gas mittels einer programmierten Prozesseinheit in Abhängigkeit vom Wert der Kapazität des Messinstruments bestimmt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – das Feststellen eines ersten Werts der Kapazität (C₁) oder einer elektrischen Größe mithilfe des Messinstruments, korreliert mit einem ersten Wert des Drucks (P₁) des mehrphasigen Fluids; – das Hervorrufen einer raschen Änderung des Drucks des Fluids im Messinstrument auf eine solche Weise, dass die Lösungsverhältnisse zwischen flüssiger Phase und gasförmiger Phase des Fluids nicht verändert werden; – das Feststellen eines zweiten Werts der Kapazität (C₂) oder einer elektrischen Größe mithilfe des Messinstruments, korreliert mit einem zweiten Wert des Drucks (P₂) nach der Änderung des Drucks des mehrphasigen Fluids; – das Berechnen mithilfe der programmierten Prozesseinheit eines dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten (Kε), bezogen auf die flüssige Phase, des kapazitiven Messinstruments in Abhängigkeit der festgestellten Werte des Drucks und der Kapazität; und – das darauf folgende Feststellen mithilfe der Prozesseinheit der Menge an Nukleationsgas, die im Fluid dispergiert ist, in Abhängigkeit des dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten der flüssigen Phase und des Werts der Kapazität des Messinstruments beim Arbeitsdruck des mehrphasigen Fluids.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: – das darauf folgende Feststellen mithilfe der Prozesseinheit der Menge an Nukleationsgas, die im Fluid dispergiert ist, sowohl in Abhängigkeit des dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten der flüssigen Phase als auch des Werts der Kapazität des Messinstruments beim Arbeitsdruck des mehrphasigen Fluids.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: – das Vergleichen des festgestellten Werts der Menge an Nukleationsgas, die im Fluid dispergiert ist, bezogen auf Atmosphärendruck, mit einem Bezugswert; und – das Steuern der Menge an Nukleationsgas, die dem mehrphasigen Fluid zugeführt wird, in Abhängigkeit der Differenz, die sich zwischen dem festgestellten Wert und dem Bezugswert ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Berechnen des dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten (ε_rL) des Messinstruments, ausschließlich bezogen auf die Flüssigkeit, auf der Grundlage der folgenden Formel: KεrL = (P1 – P2)/(P1/C1 – P2/C2)worin C₁ und C₂ die Kapazitäten der Sonde sind, die bei den Drücken P₁ und P₂ gemessen wurden.
Vorrichtung zum Messen und Steuern der Menge an Nukleationsgas, die in der flüssigen Phase eines mehrphasigen Fluids von mindestens einer chemischen Komponente für ein Polyurethangemisch dispergiert ist, wobei die Vorrichtung ein kapazitives Messinstrument aufweist, das mit einer programmierten Prozesseinheit in Arbeitsbeziehung verbunden ist, und wobei das mehrphasige Fluid das Dielektrikum des Messinstruments bildet, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes aufweist: – Mittel zum Zirkulierenlassen des mehrphasigen Fluids bei einem vorbestimmten Druckwert entlang einem Messkreis, der das kapazitive Messinstrument aufweist; – Mittel zum Hervorrufen einer raschen Änderung des Drucks des Fluids im kapazitiven Messinstrument; – Mittel zum Verbinden des Messkreises mit einer Nukleationsgasquelle; und dadurch, dass – die Prozesseinheit dazu programmiert ist, eine erste Kapazität (C₁) des Messinstruments bei einem ersten Druckwert (P₁) bzw. nach der raschen Änderung des Drucks eine zweite Kapazität (C₂) des Messinstruments bei einem zweiten Druckwert (P₂) festzustellen, um einen dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten (Kε) des Messinstruments in Abhängigkeit der festgestellten Kapazitäten beim ersten und beim zweiten Druckwert zu berechnen, mit dem Zweck, das Messinstrument in Abhängigkeit sowohl der Eigenschaften der spezifischen vorhandenen flüssigen Phase, gegebenenfalls auch mit einem fein dispergierten Füllstoff, als auch des Drucks zu kalibrieren; und zudem um die Menge an Nukleationsgas, die im Fluid bei einem vorbestimmten Arbeitsdruck dispergiert ist, in Abhängigkeit des dielektrischen Proportionalitäts koeffizienten von ausschließlich der flüssigen Phase und des Werts der Kapazität des Messinstruments, die beim Arbeitsdruck festgestellt wurde, festzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesseinheit dazu programmiert ist, die Menge an Nukleationsgas, die bei einem vorbestimmten Druck im Fluid dispergiert ist, in Abhängigkeit des dielektrischen Proportionalitätskoeffizienten der flüssigen Phase und des Werts der Kapazität des Messinstruments, die beim Arbeitsdruck festgestellt wurde, festzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesseinheit dazu programmiert ist, den Wert der Menge an Nukleationsgas, die im Fluid dispergiert ist, mit einem Bezugswert zu vergleichen und die Mittel zum Verbinden des Messkreises mit der Gasquelle in Abhängigkeit der erhaltenen Differenz zwischen dem Wert der Menge an Nukleationsgas, die beim Arbeitsdruck festgestellt wurde, und dem Bezugswert zu betätigen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkreis Teil eines Rückführungskreises für das mehrphasige Fluid ist, der mit einem Aufbewahrungsspeicher verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Rückführungskreis für das mehrphasige Fluid eine Einrichtung zum Dispergieren des Gases aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Dispergieren des Gases von einem statischen Mischer gebildet ist, der über ein Ventil zum Steuern der Strömung mit der Nukleationsgasquelle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Dispergieren des Gases von einem dynamischen Mischer gebildet ist, der über ein Ventil zum Steuern der Strömung mit der Nukleationsgasquelle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Messinstrument einen röhrenförmigen Körper zur Fluidbeförderung in Serie mit dem Messkreis sowie eine Sonde, die sich koaxial im röhrenförmigen Körper des Instruments erstreckt, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Hervorrufen einer raschen Änderung des Drucks des mehrphasigen Fluids ein regulierbares Element zur Drosselung der Strömung im Endabschnitt des Messkreises aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Mittel zum Hervorrufen einer raschen Änderung des Drucks des mehrphasigen Fluids eine Umwälzpumpe und Schaltkreismittel zum Ändern der Geschwindigkeit der Umwälzpumpe aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Hervorrufen einer raschen Änderung des Drucks des mehrphasigen Fluids ein Ventil zum Sperren des Fluids im Messkreis stromaufwärts bzw. stromabwärts des kapazitiven Messinstruments sowie eine Kolben-/Zylinder-Einheit zur Verdichtung des Fluids, die vom Messkreis herrührt, aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Kreis der mehrphasigen Flüssigkeit mit einem unter Druck stehenden Aufbewahrungsspeicher verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Fluids im Messinstrument verändert wird, indem der Druck im Aufbewahrungsspeicher verändert wird.