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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung für
flüssige Medien, die eine Schwingkolbenpumpe, ein Ventil
und einen Durchflusssensor umfasst, wobei die Schwingkolbenpumpe
und das Ventil jeweils getrennt steuerbar sind.
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Schwingkolbenpumpen
zeichnen sich dadurch aus, dass sie in Abhängigkeit von
der Netzfrequenz flüssige Medien fördern. Ein über
eine Magnetspule bewegter Kolben verdichtet das einströmende
flüssige Medium gegen ein Federventil Dabei wird ein definierter
Förderdruck ausgebildet.
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Schwingkolbenpumpen
bieten eine Reihe von Vorteilen: Die mechanische Beanspruchung des zu
fördernden Mediums ist gering. Sie sind robust und unempfindlich
selbst gegen aggressive Medien. Zudem sind sie preisgünstig
und haben eine lange Lebensdauer. Aufgrund ihrer sehr variablen
Förderleistungen können sie weit verbreitet eingesetzt
werden.
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Schwingkolbenpumpen
an sich fördern unspezifisch, d. h. ihre Förderleistung
ist abhängig von den rheologischen Eigenschaften des zu
fördernden Mediums. Herkömmliche Anordnungen von Schwingkolbenpumpen
in Kombination mit Ventilen eignen sich daher zwar zur Förderung
flüssiger Medien, ermöglichen aber keine genaue
Dosierung. Es ist möglich, der Schwingkolbenpumpe ein Ventil
nachzuschalten oder direkt damit zu koppeln. Die Förderung
bestimmter Mengen erfolgt dann über die Pumpdauer und die
Ventilöffnungszeit. Nur bei von Temperatur und Druck weitestgehend
unabhängigen rheologischen Eigenschaften des Mediums lässt
sich das System kalibrieren und lassen sich reproduzierbare und
kalibrierbare Dosierergebnisse erzielen. Zur präzisen Dosierung
werden deshalb in der Regel keine Schwingkolbenpumpen sondern nach
dem Verdrängerprinzip arbeitende Pumpen oder aber volumetrische
oder gravimetrische Verfahren verwendet.
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Besondere
Anforderungen werden an Dosiervorrichtungen für flüssige
Medien gestellt, die Feststoffteilchen enthalten oder bei denen
potentiell die Möglichkeit besteht, dass sich in ihnen
Feststoffteilchen ausbilden. Dazu zählen z. B. Suspensionen, d.
h. Dispersionen von unlöslichen Feststoffteilchen in Flüssigkeiten,
aber auch teilerstarrte Schmelzen oder flüssige Medien
mit Feststoffteilchen, die durch Auskristallisation eines in der
Flüssigkeit ursprünglich gelösten Feststoffs
resultieren.
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Herkömmliche
Dosierpumpen werden von einer Reihe von Herstellern angeboten, werden
aber den Anforderungen, die solche ”schwierigen” Medien stellen,
häufig nicht gerecht. Zwar werden dafür spezielle
Dosierpumpen angeboten, doch sind diese teuer und haben nur kurze
Standzeiten sowie in der Regel keine lange Lebensdauer.
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Die
bisher unveröffentlichte
Europäische
Patentanmeldung Nr. 08170859.6 beschreibt eine Vorrichtung
zum Dosieren eines flüssigen Mediums, die einen Kreislauf
mit einem darin integrierten erfindungsgemäßen
Behältersystem und eine Dosierstrecke umfasst. Sie ist
insbesondere geeignet für flüssige Medien, die
Feststoffteilchen enthalten oder bei denen potentiell die Möglichkeit
besteht, dass sich in ihnen Feststoffteilchen ausbilden. Die Art
der verwendeten Pumpen ist nicht näher spezifiziert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es daher, eine leicht verfügbare,
universell einsetzbare und preiswerte Alternative zu herkömmlichen
teuren Dosierpumpen bzw. -vorrichtungen zur Verfügung zu stellen.
Diese soll speziell für flüssige Medien geeignet
sein, die Feststoffteilchen enthalten oder bei denen potentiell
die Möglichkeit besteht, dass sich in ihnen Feststoffteilchen
ausbilden.
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Überraschenderweise
wurde nun gefunden, dass durch die Kombination einer Schwingkolbenpumpe
mit einem Durchflusssensor eine genaue Kalibrierung der Fördermenge
doch möglich ist und diese Pumpen entgegen der Meinung
der Fachleute für präzise Dosierungen auch von
schwierigen Medien eingesetzt werden können. Dabei werden
die zuvor genannten Vorteile der Schwingkolbenpumpe erhalten. Zudem
belasten sie das geförderte Medium mechanisch in so geringem
Ausmaß, dass eine Qualitätsbeeinträchtigung
des Mediums auszuschließen ist.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist daher eine Dosiervorrichtung für
ein flüssiges Medium, die eine Schwingkolbenpumpe, einen
in Strömungsrichtung vor oder hinter der Schwingkolbenpumpe
angeordneten Durchflusssensor und ein in Strömungsrichtung
hinter der Schwingkolbenpumpe angeordnetes Ventil, umfasst. Dabei
sind die Schwingkolbenpumpe und das Ventil jeweils getrennt steuerbar.
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Unter
einem flüssigen Medium werden im Rahmen der vorliegenden
Erfindung nicht nur einphasige Flüssigkeiten verstanden,
sondern auch Emulsionen (zwei- und mehrphasige Flüssigkeiten) und
flüssige Medien, die Feststoffteilchen enthalten oder bei
denen potentiell die Möglichkeit besteht, dass sich in
ihnen Feststoffteilchen ausbilden. Dazu zählen z. B. Suspensionen,
d. h. Dispersionen von unlöslichen Feststoffteilchen in
Flüssigkeiten, aber auch teilerstarrte Schmelzen oder flüssige
Medien mit Feststoffteilchen, die aus dem Auskristallisieren eines
in der Flüssigkeit ursprünglich gelösten
Feststoffs resultieren. Die Viskosität der flüssigen
Medien kann in einem weiten Bereich variieren, der von leichtflüssig
bis zähflüssig (pastös) reicht. Auch
die übrigen rheologischen Eigenschaften können
variieren, wie beispielsweise Thixotropie, Strukturviskosität,
Rheopexie und Dilatanz.
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Bei
der erfindungsgemäß verwendeten Schwingkolbenpumpe
handelt es sich um eine kommerziell erhältliche Schwingkolbenpumpe,
die entsprechend der Art und des zu erwartenden Durchsatzes des
zu dosierenden flüssigen Mediums ausgewählt wird.
Die Auslegung und/oder Auswahl solcher Pumpen ist dem Fachmann hinlänglich
bekannt. Beispielsweise kann eine Schwingkolbenpumpe der Baureihe
UKLA EP des Herstellers Ceme S.p.A, Carugate (Milano), Italy, verwendet
werden. Sie ist kommerziell erhältlich über z.
B. Timmer Pneumatic, Neuenkirchen.
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Unter
einem Durchflusssensor wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ein Sensor verstanden, der den Durchfluss eines flüssigen
Mediums durch ein Rohr bzw. eine Leitung misst. Der Durchfluss kann
als Volumen- oder Massenstrom gemessen werden. Bevorzugt werden
zur Durchflussmessung mechanische oder induktive Verfahren eingesetzt.
Beispielsweise ist der erfindungsgemäß verwendete
Durchflusssensor ausgewählt unter Ultraschallströmungsmessern,
Durchflusssensoren nach dem Differenzdruckverfahren und Magnetisch
Induktiven Durchflussmessern (MID), besonders bevorzugt unter induktiven
Durchflussmessern und unter Ovalrad-, Turbinen- bzw. Flügelrad-
und Zahnrad-Durchflussmessern, insbesondere unter Ovalrad-, Turbinen-
bzw. Flügelrad- und Zahnrad-Sensoren, wie sie beispielsweise
von der Firma Biotech, Vilshofen erhältlich sind. Die Auswahl
eines für den vorliegenden Anwendungsfall geeigneten Durchflusssensors
ist dem Fachmann hinlänglich bekannt.
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Unter
einem Ventil wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein technisches
Bauteil verstanden, das dazu dient, den Ein- oder Auslass von flüssigen
Medien zu kontrollieren bzw. die Fließrichtung zu steuern
oder zu regeln. Bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäß verwendeten
Ventil um ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, besonders
bevorzugt um ein direktgesteuertes Ventil. Insbesondere ist das
erfindungsgemäß verwendete Ventil ausgewählt
unter direktgesteuerten Durchgangsventilen (2/2 Wege-Ventile) und
direktgesteuerten Dreiwegeventilen (3/2 Wege-Ventile).
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Direktgesteuerte
Durchgangsventile sind Absperrventile mit einem Eingang und einem
Ausgang. In Ruhestellung drückt die Kernfeder, unterstützt
vom Mediumsdruck, die Dichtung auf den Ventilsitz und schließt
den Durchgang. Nach dem Einschalten wird der Kern mit der Dichtung
in der Magnetspule bis an die Polfläche gezogen, das Ventil öffnet.
Die elektromagnetische Kraft ist größer als die
Summe aus Federkraft, statischer und dynamischer Druckkraft.
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Direktgesteuerte
Dreiwegeventile haben drei Anschlüsse und zwei Ventilsitze.
Wechselseitig bleibt immer ein Ventilsitz geöffnet oder
geschlossen. Je nach Anschluss des Betriebsmediums an den verschiedenen
Arbeitsanschlüssen ergeben sich unterschiedliche Funktionen.
Der Druck steht unter dem Ventilsitz an. Eine Feder presst im stromlosen
Zustand die untere Kerndichtung auf den Ventilsitz und sperrt das
Ventil. Die Leitung an einem ersten Anschluss wird über
einen zweiten Anschluss entlüftet. Nach dem Einschalten
des elektrischen Stromes zieht der Kern an und dichtet den Ventilsitz
am zweiten Anschluss über eine federnd gelagerte Dichtung ab.
Das Medium hat Durchgang vom ersten zum dritten Anschluss bzw. vom
dritten zum ersten Anschluss.
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Bevorzugt
werden beispielsweise Durchgangsventile (2/2-Wege-Ventile) und Dreiwegeventile
(3/2-Wege-Ventile) der Bauart ODE Ventile, MGV direktgesteuert,
erhältlich z. B. von SFS Fluid Systeme GmbH, Esslingen,
verwendet.
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Die
Auslegung und/oder Auswahl von für den vorliegenden Anwendungsfall
geeigneten Ventilen ist dem Fachmann hinlänglich bekannt.
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Die
Durchflussmessung mittels des Durchflusssensors kann in Strömungsrichtung
vor oder hinter der Schwingkolbenpumpe erfolgen. Sie kann sowohl
in Strömungsrichtung vor als auch hinter dem Ventil erfolgen.
Bevorzugt ist der Durchflusssensor zwischen Pumpe und Ventil angeordnet.
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Durch
die Kombination einer Schwingkolbenpumpe mit einem Durchflusssensor
sind eine Kalibrierung der Förderleistung und eine Steuerung
der Parameter (wie z. B. Frequenz, Spannung, Phasenanschnitt) der
Pumpe möglich, so dass auch mit schwierigen Medien gute
Dosiergenauigkeiten erzielt werden.
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Die
einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung
sind in der Regel untereinander über Leitungen verbunden.
Die Leitungen werden aus einem für das entsprechende Medium geeigneten,
d. h. inerten Material gefertigt. Sie können starr oder
flexibel sein. Beispiele für geeignete starre Materialien
für Leitungen sind Metalle, beispielsweise Edelstahl. Geeignete
flexible Materialien sind z. B. kommerziell erhältliche
Kunststoffschläuche, z. B. aus Polyethylen (PE), Polypropylen
(PP) oder Polyurethan (PU). Bevorzugt werden kalibrierte Kunststoffschläuche
oder Rohre verwendet. Unter kalibrierten Kunststoffschläuchen
oder Rohren werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Kunststoffschläuche
oder Rohre verstanden, die dem verwendeten Verbindungssystem (Verschraubungen und
Fittings, insbesondere Steckverbindungen) in Dimension und Toleranz
angepasst sind, um eine höchst mögliche Dichtigkeit
auf Dauer, und ein mehrfaches Lösen und wieder Herstellen
der Verbindung zu ermöglichen. Verschraubungen und Fittings
werden besonders bevorzugt als Steckverschraubungen für
kalibrierte Kunststoffschläuche oder Rohre ausgeführt.
Sie sind kommerziell beispielsweise erhältlich von Timmer
Pneumatik, Neuenkirchen.
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Die
Schwingkolbenpumpe und das Ventil sind erfindungsgemäß jeweils
getrennt steuerbar. Das bedeutet, dass die Schwingkolbenpumpe und das
Ventil als zwei voneinander unabhängige Aktoren (Stellglieder)
in einem Regelkreis geschaltet sind. Sie können ihre Stellsignale
entweder von demselben Regler oder Steuergerät (bzw. Steuer einrichtung)
oder von verschiedenen Reglern oder Steuergeräten (bzw.
Steuereinrichtungen) erhalten.
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In
einer geeigneten Ausführungsform umfasst die Dosiervorrichtung
eine Schwingkolbenpumpe, einen Durchflusssensor und ein Durchgangsventil
(2/2-Wege-Ventil). Dabei ist die Reihenfolge, in der der Durchflusssensor
und das Durchgangsventil in Strömungsrichtung hinter der
Schwingkolbenpumpe angeordnet sind, beliebig. Schwingkolbenpumpen fördern
zwar grundsätzlich unspezifisch, aber im stationären
Zustand gleichmäßig. Deshalb kann bei weitestgehend
konstanten Dosierbedingungen, d. h. wenn die Zusammensetzung und
die rheologischen Eigenschaften des zu dosierenden flüssigen
Mediums unabhängig von Zeit, Temperatur und Druck gleichbleibend
sind, das System kalibriert werden und das Ventil direkt über
ein Signal vom Durchflusssensor angesteuert werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung sind alle Komponenten sowie die sie untereinander
verbindenden Leitungen in einem formstabilen Gehäuse angeordnet.
Das Gehäuse weist dann jeweils einen Anschluss oder mehrere
Anschlüsse für die Zuleitung und für
die Ableitung des zu dosierenden flüssigen Mediums auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung handelt es sich bei dem Ventil um ein Dreiwegeventil.
Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um ein direktgesteuertes
Dreiwegeventil (3/2-Wege-Ventil).
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung ist das Dreiwegeventil so angeordnet, dass es
einen Eingang und zwei Ausgänge hat. Dabei ist ein Ausgang
des Dreiwegeventils mit dem Eingang der Schwingkolbenpumpe verbunden.
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Auf
diese Weise erhält man einen Kreislauf für das
flüssige Medium, bestehend aus Schwingkolbenpumpe, Durchflusssensor
und Dreiwegeventil. Aus dem Kreislauf kann das zu dosierende flüssige Medium
vom Dreiwegeventil über einen Ausgang oder eine Entnahmeleitung
abgezogen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung ist der Durchflusssensor in Strömungsrichtung
zwischen der Schwingkolbenpumpe und dem Ventil angeordnet.
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Diese
Anordnung ist insbesondere vorteilhaft, wenn als Ventil ein Dreiwegeventil
verwendet wird. Man ermittelt auf diese Weise den Durchfluss durch
die Schwingkolbenpumpe, erhält also den Gesamt-Durchfluss,
der entsprechend über das Dreiwegeventil entweder im Kreis
gefördert oder über einen Ausgang aus der Vorrichtung
abgezogen wird.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung werden die Schwingkolbenpumpe und das Ventil jeweils getrennt
durch eine Steuereinrichtung gesteuert.
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Bei
der Steuereinrichtung kann es sich um ein elektronisches Steuergerät
oder einen Regler handeln. Die Steuereinrichtung umfasst mindestens ein
elektronisches Bauteil ausgewählt unter Transistoren, Dioden,
Gleichrichtern, Mikrocontrollern und Prozessoren, etc. Sie kann
auch aus Standard- oder Spezialbauteilen wie beispielsweise Transistoren,
Dioden, Gleichrichtern, Mikrocontrollern und Prozessoren, etc. zusammengesetzt
sein.
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Wie
zuvor ausgeführt sind die Komponenten der Dosiervorrichtung
bevorzugt in einem formstabilen Gehäuse angeordnet.
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Die
Steuereinrichtung kann außerhalb der Dosiervorrichtung
angeordnet oder in die Dosiervorrichtung integriert sein. In einer
einfachen Ausführung werden die elektronischen Bauteile
außerhalb der Dosiervorrichtung, vorzugsweise innerhalb
eines gesonderten Steuergerätes, angeordnet.
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Besonders
bevorzugt werden die elektronischen Bauteile in die Dosiervorrichtung
integriert angeordnet, so dass eine kompakte Bauweise der Dosiervorrichtung
erreicht wird.
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In
einer geeigneten Ausführungsform dieser Ausgestaltung umfasst
das Gehäuse Bedien- und/oder Anzeigeelemente, die eine
Steuerung und/oder Überwachung der Dosiervorrichtung ermöglicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung
mit einem Prozessrechner verbunden. Dazu weist das Gehäuse
eine elektronische Schnittstelle zu dem räumlich getrennt
angeordneten Prozessrechner auf.
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Der
Prozessrechner erhält seine Eingangssignale ausschließlich
oder überwiegend von Sensoren und seine Ausgangssignale
werden ausschließlich oder überwiegend über
Aktoren ausgegeben. Die Programmierung erfolgt durch Eingaben, z.
B. per Tastatur, und die Datenverarbeitung in Echtzeit entsprechend
des zugehörigen Prozesses. Beispiele für Prozessrechner
sind Steuerungsrechner (Englisch: ”control computer”).
Die Hauptaufgaben des Rechners sind das Steuern einer Einrichtung
oder mehrerer Einrichtungen und der zugehörigen Handhabungsgeräte,
das Überwachen von Sicher heitsmaßnahmen und/oder
Grenzwerten, das Überwachen des Verfahrens durch Messen
relevanter Größen mit nachfolgender Korrektur,
sowie die Diagnose im Fehlerfall.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung ist der Durchflusssensor mit der Steuereinrichtung
verbunden.
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Der
Durchflusssensor liefert einen Istwert als Signal an die Steuereinrichtung.
Dieser Istwert beinhaltet mögliche Störgrößen
und wird mit dem Sollwert verglichen. Ein gegebenenfalls um die
Regeldifferenz korrigierter Stellwert kann dann von der Steuereinrichtung
an die entsprechenden Aktoren weitergegeben werden.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung für ein flüssiges Medium umfasst
einen Kreislauf für das flüssige Medium mit einer
Schwingkolbenpumpe, einem in Strömungsrichtung hinter der
Schwingkolbenpumpe angeordneten Ventil, einem in Strömungsrichtung
hinter der Schwingkolbenpumpe angeordneten Durchflusssensor sowie
einem in den Kreislauf integrierten Behältersystem, und
eine von dem Kreislauf abgehenden Dosierstrecke. Dabei sind die Schwingkolbenpumpe
und das Ventil jeweils getrennt steuerbar.
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Dosiervorrichtungen
sind häufig offene Systeme. Beim Einsatz von flüssigen
Medien, die wenigstens eine flüchtige Komponente enthalten,
besteht die Gefahr, dass die flüssigen Medien eindicken,
da Flüssigkeit verdunsten kann. Der nicht eindeutig zu
quantifizierende Flüssigkeitsverlust führt aufgrund
des mit der Zeit zunehmenden Feststoffgehaltes des Mediums dazu,
dass Produkte bei gleicher Dosierung unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen.
Im schlimmsten Fall werden die flüssigen Medien so eingedickt,
dass eine Förderung nicht mehr möglich ist und/oder
die gesamte betroffene Dosiervorrichtung blockiert oder zerstört
wird und ausgetauscht werden muss.
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Das
erfindungsgemäß verwendete Behältersystem
ist daher vorzugsweise in ein im Wesentlichen geschlossenes System
integriert. Das flüssige Medium kann in Intervallen oder
ständig umgewälzt werden, so dass eine Entmischung
des flüssigen Mediums oder ein Absetzen von Feststoffen
vermieden oder zumindest stark vermindert werden kann. Das Behältersystem
kommt vorteilhafterweise ohne zusätzliche mechanische Rührvorrichtung
aus, da die Durchmischung über den Kreislauf erfolgt. Es
kann als Ein- oder Mehrweg-Wechselsystem konstruiert sein. Es kann
modular an den Kreislauf angeschlossen werden. So ist die Befüllung
der Vorrichtung mit dem zu dosierenden flüssigen Medium
vergleichbar einfach und sauber möglich.
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Als
Material für das Behältersystem können z.
B. Kunststoff, Metall, Keramik, Glas, Papier oder Verbundmaterialien
oder Kombinationen davon eingesetzt werden. Insbesondere bei starren
Materialien kann vorzugsweise ein Druckausgleichssystem installiert
werden.
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Die
bisher unveröffentlichte
Europäische
Patentanmeldung Nr. 08170859.6 beschreibt eine geeignete
Vorrichtung zum Dosieren eines flüssigen Mediums, die einen
Kreislauf mit einem darin integrierten Behältersystem und
eine Dosierstrecke umfasst. Auf die Offenbarung der bisher unveröffentlichten
Europäischen Patentanmeldung
Nr. 08170859.6 wird daher hier in vollem Umfang Bezug genommen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung umfasst das Behältersystem einen formstabilen
Behälter und einen in dem formstabilen Behälter
angeordneten flexiblen Beutel. Der flexible Beutel weist zwei Anschlüsse
auf, die mit zumindest einer Öffnung des Behälters
korrespondieren.
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Bei
dem erfindungsgemäß verwendeten Behältersystem
handelt es sich um eine geschlossene Einheit, die bereits befüllt
in den Kreislauf eingesetzt werden kann. In dieser Ausgestaltung
ist das erfindungsgemäß verwendete Behältersystem
so konstruiert, dass zum Absetzen neigende Medien durch die Zirkulation
im Kreislauf ohne Einsatz eines Rührwerks homogenisiert
werden können und/oder eine im Wesentlichen vollständige
Entleerung des Beutels ermöglicht wird.
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Die
bisher unveröffentlichte
Europäische
Patentanmeldung Nr. 08170859.6 beschreibt ein solches,
für die Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung
geeignetes Behältersystem, das einen formstabilen Behälter
und einen in dem Behälter angeordneten flexiblen Beutel
umfasst. Auf die Offenbarung der bisher unveröffentlichten
Europäischen Patentanmeldung
Nr. 08170859.6 wird daher auch an dieser Stelle in vollem
Umfang Bezug genommen.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch ein Dosiersystem zum sukzessiven,
alternierenden und/oder gleichzeitigen Dosieren mindestens zweier
flüssiger Medien, das zwei oder mehr als zwei erfindungsgemäße
Dosiervorrichtungen umfasst.
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Es
ist auch möglich, zwei oder mehr als zwei flüssige
Medien über getrennte Dosiervorrichtungen zu dosieren.
Bei den flüssigen Medien kann es sich um das gleiche Medium,
gegebenenfalls in unterschiedlicher Konzentration und/oder voneinander verschiedene
Medien handeln. Es kann sich beispielsweise um mehrere Komponenten
eines flüssigen Gemisches, wie beispielsweise Farbstoffzusammensetzungen
oder Klebstoffe, oder um ein flüssiges Medium mit einem
oder mehreren Lösungsmitteln) handeln. Eine entsprechende
Steuerelektronik und Betriebssoftware erlauben die Ansteuerung von Pumpen
und/oder Ventilen, so dass sowohl die sukzessive bzw. alternierende
als auch die simultane Dosierung (Beimischung) mehrerer flüssiger
Medien möglich ist.
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In
einer speziellen Ausführungsform können mehrere
Schwingkolbenpumpen, Durchflusssensoren und Ventile in einer Baugruppe
angeordnet sein. Innerhalb einer Baugruppe ist vorzugsweise wenigstens
eine Steuereinrichtung integriert. Es handelt sich dabei bevorzugt
um ein elektronisches Bauteil, das ausgewählt ist unter
Transistoren, Dioden, Gleichrichtern, Mikrocontrollern und Prozessoren. Mit
Hilfe einer entsprechenden Software werden die Steuer- und Elektronikbauteile
koordiniert. Pumpdauer, Pumpleistung sowie Ventilsteuerung werden
zentral gesteuert. Schaltprogramme erlauben die reproduzierbare
oder variable Anwendung einzelner Dosiervorgänge oder Dosierserien.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung zum
Fördern, Abfüllen und/oder Dosieren von flüssigen
Medien.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist weiterhin die Verwendung des erfindungsgemäßen Dosiersystems
zum Fördern, Abfüllen und/oder Dosieren von flüssigen
Mehr-Komponenten-Systemen verwendet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße
Dosiervorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Dosiersystem
für Dispersionen, Emulsionen, Öle, Harze, Klebstoffe,
Farbstoffzusammensetzungen oder flüssige Nahrungs- bzw.
Nahrungsergänzungsmittel verwendet.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Dosieren eines
flüssigen Mediums mit einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung, bei dem
- i. eine zu dosierende
Menge eines flüssigen Mediums als Sollwert vorgegeben wird;
- ii. aus dem vorgegebenen Sollwert ein erster Stellwert für
die Einstellung der Schwingkolbenpumpe ermittelt wird;
- iii. die Schwingkolbenpumpe entsprechend dem ersten Stellwert
angesteuert wird;
- iv. der tatsächlich über die Schwingkolbenpumpe geförderte
Durchfluss des flüssigen Mediums am Ausgang der Regelstrecke
als Istwert mittels des Durchflusssensors ermittelt wird;
- v. der Mengendurchfluss-Istwert mit dem Mengen-Sollwert verglichen
und ein zweiter Stellwert für die Steuerung der Öffnungszeit
des Ventils errechnet wird; und
- vi. über den zweiten Stellwert die Steuerung der Öffnungszeit
Ventils erfolgt.
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Anordnungen
von Schwingkolbenpumpen und Ventilen ohne Durchflusssensoren erlauben
nur eine begrenzte Genauigkeit bei einem Dosiervorgang. Wird ein
Durch gangs- oder Mehrwegeventil der Schwingkolbenpumpe nachgeschaltet
oder direkt daran gekoppelt, so kann die Dosierung definierter Mengen über
die Ansteuerung der Pumpdauer und/oder Ventilöffnungszeit
erfolgen. Dabei lassen sich jedoch nur bei konstanten Eigenschaften
des Mediums wie Viskosität, Dichte und Temperatur reproduzierbare
Dosierergebnisse erzielen. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren unter Verwendung eines Durchflusssensors können
die variablen Größen des zu dosierenden Mediums
erfasst und zur Kompensation der Genauigkeitsabweichung bei der
Steuerung der dosierten Menge z. B. über die Ventilöffnungszeiten,
die Pumpenleistung und die Pumpdauer einbezogen werden. Die Datenerhebung
erfolgt vorzugsweise über den Durchflusssensor. Dieser
berücksichtigt aktuelle rheologische Daten des Dosiermediums.
Werden beispielsweise durch Temperatureinflüsse die Dosiermedien
höherviskos, so wird sich die Durchflussmenge innerhalb
einer vorgegebenen Durchflusszeit verringern. Diese ist im günstigsten Fall
direkt linear zum Durchfluss am Ventil. Aus dem erhaltenen Messwert
der Durchflussmenge des Durchflusssensors und der vorgegebenen Zeit
lässt sich so ein Korrekturfaktor errechnen. Dieser wird
bei der Ansteuerung der Dosiervorrichtung zur Dosierung einer definierten
Menge entsprechend die Ventilöffnungszeiten verlängern
oder verkürzen. Auch lassen sich die Parameter für
die Pumpe (z. B. Frequenz, Spannung, Phasenanschnitt) so steuern, dass
in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften des
zu dosierenden Mediums, wie z. B. Viskosität, Dichte, Partikel-
oder Gasgehalt, keine das Dosierergebnis beeinflussende Beeinträchtigungen oder
Störungen auftreten. Diese können insbesondere
als Kavitation und Leckvolumenstrom Dosierergebnisse ungünstig
beeinflussen.
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Bei
der bevorzugten Ausstattung der Dosiervorrichtung mit einem Durchflusssensor
und einem nachgeschalteten 3/2-Wegeventil kann der rheologischen
Korrekturfaktor (RF-Wert) automatisch erhoben und verarbeitet werden.
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Bei
der Verwendung von einfachen 2/2-Wegeventilen werden die Korrekturfaktoren
entweder extern ermittelt (mittels Rheometer, Viskosimeter, etc.),
oder es muss sichergestellt werden, dass diese konstant bleiben.
Mit der Verwendung eines Durchflusssensors kann die Dosierung auch
direkt über das Sensorsignal gesteuert werden, indem das
Ventil bei dem erreichten Durchflusswert einen Steuerbefehl zum
Schließen erhält. Reaktionszeiten der Elemente
müssen dabei berücksichtigt werden.
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Der
Dosiervorrichtung können Düsen, Injektoren, Detektoren,
Mündungsrohre oder weitere Ventile nachgeschaltet sein.
In einer besonderen Ausführung kann zusätzlich
zum Durchflusssensor mindestens ein Rheometer oder ein Viskosimeter
in die Dosiervorrichtung integriert sein. Durch Erweiterung der elektronischen
Steuerungseinrichtung in Form der Integration einer Prozessor- und/oder
Speicher-Einheit kann die Dosiervorrichtung so gestaltet werden,
dass über Bedien- und Anzeigeelemente im Gehäuse
der Dosiervorrichtung selbst Steuerbefehle eingegeben werden können.
Eine entsprechende Programmierung ermöglicht den von externen
Geräten unabhängigen Betrieb.
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Die
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung auf der Basis
einer Schwingkolbenpumpe zeichnet sich durch mehrere Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik aus. Insbesondere bei komplexen, schwierigen
Fluiden wie Dispersionen, Ölen, Harze, Klebstoffen, Farben,
Lacken und schweren Lösungen, die empfindlich auf Temperaturschwankungen oder
thixotrope Effekte reagieren, kann mit der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung eine Genauigkeit erreicht werden, die sonst nur
mit Kolben-, Dispenser-, Schnecken- oder Zahnradpumpen erreicht
werden. Die erfindungsgemäß eingesetzte Dosierpumpe stellt
eine kostengünstige, äußerst stabile
und leicht herzustellende Alternative zu den bekannten Verdrängerpumpen
dar. Das wesentliche Merkmal dieser Dosierpumpe ist der kontinuierliche
Abgleich bzw. Abgleich in Intervallen der aktuellen rheologischen
Parameter zum Zeitpunkt der Dosierung. Dadurch erreicht man eine
wesentliche Vereinfachung sonst üblicher, notwendiger und
teilweise sehr aufwändiger Kalibriermethoden.
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Die
Dosiervorrichtung kann aus Standardbauteilen in großen
Stückzahlen gefertigt und überall dort eingesetzt
werden, wo eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitiger hoher Präzision
verlangt wird. Durch die differenzierte Ansteuerung der Pumpenleistung
bei entsprechenden Schlauch- oder Rohrdimensionierungen können
selbst geringe Mengen unterhalb von 1 μl noch genau dosiert
werden. Auch kann bei der Auswahl der Schwingkolbenpumpe der Dosierbereich
und der Ausgabedruck variiert werden. Druckminderer im Zu- oder
Ablauf bieten weitere Einstellmöglichkeiten. Die erfindungsgemäße
Dosiervorrichtung eignet sich im Besonderen als integrierte Baugruppe
in einfachen oder komplexen Dosiersystemen und/oder -anlagen. Durch
die Verwendung von Schnellkupplungen und Steckverbindungen kann
die Dosiervorrichtung sehr schnell gewechselt werden. Für
den Einsatz aggressiver Medien werden die Fluid führenden
Baugruppen in beständiger Ausführung gefertigt.
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Weiterhin
ist insbesondere die Anordnung mit einem 3/2-Wegeventil und einer
vorgeschalteten Durchflussmesszelle geeignet, die Qualität
von Fördermedien über längere Zeiträume
zu beobachten und einen zeitlichen Verlauf der Veränderung
der Medien bzw. seiner Eigenschaften aufzuzeichnen und darzustellen
(”Monitoring”). An Hand dieser Daten können
Rückschlüsse auf periodische oder sporadisch auftretende
Qualitätsschwankungen der Fördermedien gezogen
werden. Durch die Einbindung weiterer Sensoren, wie beispielsweise
Temperatur-, Drucksensoren, Photozellen (z. B. zur Dichtebestimmung)
etc., können gezielt für das jeweilige Medium relevante
Daten aufgezeichnet werden. Einzelne Parameter können für
ein bestimmtes Medium ausgewählt und bei der Dosierung
dieses Mediums herangezogen bzw. berücksichtigt werden.
Steuerprogramme erlauben dann eine Dosierung nach entsprechenden
Vorgaben, beispielsweise Beginn der Dosierung erst ab Erreichen
eines bestimmten Wertes für einen Parameter. Weiterhin
können die gewonnenen Daten zur Einschränkung
des Dosierbereiches dienen; beispielsweise kann im Steuerprogramm
festgelegt werden, dass beim Über- oder Unterschreiten
eines bestimmten Wertes für einen Parameter keine Dosierung
erfolgen soll.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 3 näher
erläutert. Die nachstehenden Ausführungsformen
sind als Beispiele und nicht als Einschränkung zu verstehen.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen.
Dosiervorrichtung.
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2 zeigt
eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung in einem Kreislauf für das flüssige
Medium mit einer davon abgehenden Dosierstrecke und einer Spüleinheit.
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3 zeigt
ein für die Verwendung in einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung geeignetes Behältersystem (Bag-in-Box-System).
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In
den 1 bis 3 werden folgende Bezugszeichen
verwendet:
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- 1
- Schwingkolbenpumpe
- 2
- Durchflussmesszelle
- 3
- Dreiwegeventil
- 4
- Steuereinrichtung
- 5
- Gehäuse
- 6
- Schnittstelle
- 7
- Pumpenzulauf
- 8
- Ausgang
- 9
- Rücklauf
- 21
- Behältersystem
- 22
- Mehrweg-Kupplung
- 23
- Service-Kupplung
- 24
- Entnahmeleitung
- 25
- Schwingkolbenpumpe
- 26
- Behälter
für Lösungs- bzw. Reinigungsmittel
- 27
- Fördereinheit
- 28
- Ventil
- 29
- Fitting
für den Zugang eines Lösungs- bzw. Reinigungsmittels
- 30
- Fitting
für den Zugang des Dosiermediums
- 31
- Entnahmevorrichtung
bzw. Dosierkopf
- 33
- Durchflussmesszelle
- 34
- Dreiwegeventil
- 35
- Rückführleitung
- 36
- Rückschlagventil
- 37
- Rückführung
- 41
- Behälter
- 42
- Entnahmeanschluss
- 43
- Beutel
- 44
- Zuführöffnung
- 45
- Verbindung
- 46
- Zuführanschluss
-
In
dem in 1 dargestellten System wird das zu dosierende
flüssige Medium vom Pumpenzulauf 7 über
eine Schwingkolbenpumpe 1 durch eine Durchflussmesszelle 2 gefördert.
Im Anschluss passiert das Medium ein Dreiwegeventil 3.
Das Dreiwegeventil 3 hat einen Eingang und zwei Ausgänge.
Es kann so geschaltet werden, dass das Medium von der Durchflussmesszelle 2 kommend
die Dosiervorrichtung entweder über den Ausgang 9 verlässt
oder über den Rücklauf 8 wieder zum Pumpenzulauf 7 zurückgeführt
wird. Alternativ kann das Medium auch über den Rücklauf 8 abgezogen
und verworfen werden.
-
Die
Durchflussmessung erfolgt mittels der Durchflussmesszelle 2 zwischen
Schwingkolbenpumpe 1 und Dreiwegeventil 3. Die
Durchflussmesszelle 2 gibt Signale an eine Steuereinrichtung 4.
Die Steuereinrichtung 4 wiederum gibt Stell-Signale an das
Dreiwegeventil 3. Die Steuereinrichtung ist über eine
elektronische Schnittstelle 6 mit einem Prozessrechner
(nicht dargestellt), beispielsweise einem PC, verbunden. Die Schwingkolbenpumpe 1 kann
entweder von der Steuereinrichtung 4 oder über
den Prozessrechner Stell-Signale erhalten. Mit Hilfe einer entsprechenden
Software können die Signale der verschiedenen elektronischen
Komponenten koordiniert werden.
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Pumpdauer,
Pumpleistung sowie Ventilsteuerung können sowohl manuell
als auch automatisch über den Prozessrechner beeinflusst
werden.
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Die
beschriebenen Elemente 1, 2, 3 und 4 sind
innerhalb eines quaderförmigen Gehäuses 5 angeordnet,
so dass eine kompakte Bauweise erreicht wird. Das Gehäuse 5 hat
Zugänge für die Anschlüsse 6, 7, 8 und 9.
Werden hier gängige Standardanschlüsse gewählt,
so kann die Dosiervorrichtung ohne großen Aufwand entfernt
und/oder ausgewechselt werden.
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In
einer speziellen Ausführung können mehrere Schwingkolbenpumpen 1,
Durchflussmesszellen 2 und Ventile 3 in einer
Baugruppe angeordnet sein. Innerhalb einer Baugruppe ist dann wenigstens ein
elektronisches Steuerelement 4 integriert.
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Wenn
der Ausgang 8 mit dem Pumpenzulauf 7 über
eine Leitung verbunden ist, entsteht ein Kreislaufsystem. Über
die Förderung von der Schwingkolbenpumpe 1 über
Ausgang 8 im Kreislauf kann der aktuelle Durchfluss am
Durchflusssensor 2 ermittelt werden. Der Durchflusssensor 2 gibt
die Messwerte als Signale, vorzugsweise Rechtecksignale, über
die Steuereinrichtung 4 an den Prozessrechner weiter. Der
Prozessrechner ermittelt anhand der erhaltenen Impulse einen rheologischen
Korrekturfaktor (RF-Wert). Damit können Förderleistung
und/oder Durchfluss bestimmt werden. Die Messung kann mehrfach wiederholt
werden, falls das flüssige Medium nicht stationär
oder instabil ist. Innerhalb der für das Dosieren der gewünschten
Menge erforderlichen Zeitspanne sollten die Durchfluss und RF-Werte
konstant sein. Über den Prozessrechner wird die gewünschte
zu dosierende Menge des flüssigen Mediums eingegeben und
als elektronisches Signal (Impuls) an die Steuereinrichtung 4 gegeben.
Diese wandelt das erhaltene Signal in eine Öffnungszeit
für das Dreiwegeventil 3 in Richtung Ausgang 9 um.
Die Impulszahl wird um den RF-Wert korrigiert, wodurch sich die Öffnungszeit
des Dreiwegeventils 3 in Richtung Ausgang 9 gegebenenfalls
verlängert oder verkürzt. Gleichzeitig kann anhand
des RF-Wertes eine Entscheidung getroffen werden, ob die Leistung
der Schwingkolbenpumpe 1 mittels Frequenz, Spannung oder
Phasenanschnitt gesenkt oder gesteigert werden soll, um mögliche
Störeinflüsse zu kompensieren.
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Beim
anschließenden Start der Dosierung sind alle variablen
Pumpenparameter optimiert, so dass die gewünschte Menge
des flüssigen Mediums mit hoher Genauigkeit dosiert wird.
Bei jedem neuen Dosiervorgang können alle Parameter neu
festgesetzt werden.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dosieren
eines flüssigen Mediums mit einer Spüleinheit
dargestellt. Die dargestellte Vorrichtung eignet sich speziell zum
Dosieren von Farbstoffzusammensetzungen. Die Vorrichtung besteht
im Wesentlichen aus zwei Baugruppen: einem Kreislauf mit einem darin
integrierten Behältersystem und einer von dem Kreislauf
abgehenden Dosierstrecke.
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In
dem dargestellten Kreislaufsystem wird das zu dosierende flüssige
Medium über eine Schwingkolbenpumpe 25 gefördert.
Die Schwingkolbenpumpe 25 führt das Medium aus
einem Behältersystem 21 über eine Entnahmeleitung 24 mit
einem Dreiwegeventil 34 und über eine Rückführleitung 35 zurück
in das Behältersystem 21. Vor der Rückführung 37 in
das Behältersystem 21 befindet sich optional ein
Rückschlagventil 36. Der beschriebene Kreislauf
ermöglicht die stete Bewegung des Mediums und verhindert
die Entmischung und/oder das Absetzen der Komponenten innerhalb
des Kreislaufsystems und insbesondere im Behältersystem 21.
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Das
Behältersystem ist mittels einer Kupplung 22 an
die Entnahmeleitung 24 angeschlossen. Bei der Kupplung 22 handelt
es sich vorzugsweise um eine Mehrweg-
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Kupplung. Über
eine Mehrweg-Kupplung 22 können beispielsweise
Behältersysteme mit dem gleichen flüssigen Medium
in Reihe geschaltet oder eine Restentleerung des Behältersystems 21 vorgenommen
werden.
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Zwischen
der Kupplung 22 und der Pumpe 25 kann optional
eine Service-Kupplung 23 eingesetzt sein. Die Service-Kupplung 23 erlaubt
z. B. die Einspeisung zusätzlicher flüssiger Medien
von außen, wie beispielsweise Reste des gleichen flüssigen Mediums. Über
die Service-Kupplung 23 kann auch eine Restentleerung des
Kreislaufsystems vorgenommen werden. Vorzugsweise sind die Kupplung 22 und
die Kupplung 23 baugleich.
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Die
Schwingkolbenpumpe 25 kann in Abhängigkeit von
der erforderlichen Durchmischung aufgrund der Eigenschaften des
Mediums wahlweise kontinuierlich oder in Intervallen betrieben werden.
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Am
Dreiwegeventil 34 ist die Dosierstrecke angeschlossen. Über
die Dosierstrecke kann das zu dosierende Medium aus der Entnahmeleitung
entnommen werden. Dazu gibt das Dreiwegeventil 34 die Dosierstrecke
für die entsprechende Zeit frei und das Medium wird über
das Dreiwegeventil 34 in die Dosierstrecke geleitet. Am
Ende der Dosierstrecke ist eine Entnahmevorrichtung bzw. ein Dosierkopf 31 über
ein Fitting 30 angeschlossen.
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Nach
Abschluss eines oder mehrerer Dosiervorgänge kann die Entnahmevorrichtung 31 über eine
Spüleinheit mit geeignetem Lösungs- bzw. Reinigungsmittel
gespült werden. Die Spüleinheit ist über
ein Fitting 29 an die Entnahmevorrichtung 31 angeschlossen.
Wie bei dem Dosiervorgang wird auch das Lösungs- bzw. Reinigungsmittel
bevorzugt unter Druck dosiert. Dazu wird das Lösungs- bzw. Reinigungsmittel über
eine Fördereinheit 27, beispielsweise eine Pumpe,
insbesondere eine Druckpumpe, aus einem Behälter 26 für
Lösungs- bzw. Reinigungsmittel in die Spülstrecke
gepumpt. Mittels eines, vorzugsweise nachgeschalteten, Ventils 28 wird
die Spülstrecke freigegeben oder gesperrt. Ventil 28 kann
beispielsweise ein Magnetventil sein. Die Fördereinheit 27 und
das Ventil 28 können aber auch gemeinsam eine
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung, die aus Schwingkolbenpumpe,
Durchflussmesszelle und Ventil besteht, bilden.
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Der
Behälter für Lösungs- bzw. Reinigungsmittel 26 kann
in geeigneter Weise ausgeführt werden. in einer speziellen
Ausführung wird er ebenfalls als Behältersystem
(Bag-in-Box-System) ausgeführt. So ist es möglich,
die Vorrichtung in modularer Bauweise auszugestalten.
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Bei
dem in 3 dargestellten Bag-in-Box-System ist ein flüssigkeitsdichter
Beutel 43 aus einem geeignetem Material in einem Behälter 41 untergebracht
ist. Der Behälter 41 hat eine Entnahmeöffnung
und eine Zuführöffnung im unteren Bereich. Durch
die Entnahmeöffnung im Behälter 41 wird
ein Entnahmeanschluss 42 des Beutels 43 hindurchgeführt.
Eine flexible Verbindungsleitung 45 führt von
der Zuführöffnung 44 zu einem Zuführanschluss 46 des
Beutels 43. Der Zuführanschluss 46 liegt
zumindest bei vollständiger Befüllung des Beutels 43 oberhalb
der Entnahmeöffnung und des Entnahmeanschlusses 42.
Wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, wird die Verbindungsleitung 45 von
der Zuführöffnung 44 unter dem eingeschrägten bzw.
geneigtem Boden des Behälters 41 und anschließend
hinter dem Beutel 43 zum Zuführanschluss 46 im
oberen Bereich des Beutels 43 hoch geführt.
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Das
dargestellte Behältersystem ist ein geschlossenes System,
das als Bag-in-Box-System vorzugsweise im Wesentlichen frei von
Luftblasen befüllt ist.
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Mit
einem solchen geschlossenen System können auch lösemittelhaltige
Medien verarbeitet werden, da keine gesundheitsschädlichen
oder explosionsgefährlichen Dämpfe entweichen
können.
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Diese
Ausführungen sind als Beispiele und nicht als Einschränkung
auf diese Ausführungsformen zu verstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 08170859 [0007, 0044, 0044, 0047]
- - EU 08170859 [0047]