DE19909281A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zeitgesteuerten Dosierung von flüssigen Produkten - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur zeitgesteuerten Dosierung von flüssigen Produkten mit Hilfe einer Zuführeinrichtung und eines Verschlusses. Die entsprechende Dosiereinrichtung (1) weist ein Füllrohr (2), einen Füllrohrverschluß (3) sowie Betätigungselemente (4, 5, 6) zum Öffnen und Schließen des Füllrohrverschlusses (3) auf. DOLLAR A Um die Einflüsse von Viskositätsänderungen des Produktes auf den kostengünstigen, zeitgesteuerten Dosiervorgang zu minimieren bei mindestens ebenso guter Reproduzierbarkeit der Dosiermenge im Vergleich zu den magnetisch induktiv wirkenden Durchflußmessern, ist für das Verfahren vorgesehen, daß die Produkttemperatur in Fließrichtung vor dem Verschluß gemessen und die Öffnungszeit des Verschlusses in Abhängigkeit von der Produkttemperatur variiert wird. Die Einrichtung ist gekennzeichnet durch eine Steuerung mit einem vor dem Füllrohrverschluß (3) in thermischem Kontakt mit dem Produkt stehenden Temperatursensor (7), einer Steuereinheit (11) und Betätigungselementen (4, 5, 6) des Füllrohrverschlusses (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitgesteuerten Dosierung von flüssigen Produkten mit Hilfe einer Zuführeinrichtung und eines Verschlusses.

Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung eine Dosiereinrichtung für die zeitgesteuerte Dosierung von Flüssigkeiten mit einem Füllrohr, einem Füllrohrverschluß und Betätigungs­ elementen für das Öffnen und Schließen des Füllrohrverschlusses.

Es ist bekannt, daß Flüssigkeiten aus einem Produktreservoir über ein Verbindungsstück oder eine Verbindungsleitung durch Öffnen eines Verschlusses, der das Produktreservoir vom zu befüllenden Gebinde trennt, während eines bestimmten Zeitintervalles dosiert werden können. Dieses sehr kostengünstige Verfahren hat den Nachteil, daß die erhaltene Dosiermenge u. a. sowohl von temperaturbedingten Viskositätsänderungen des Produktes, als auch von Druckänderung des Produktes innerhalb des Produktreservoirs bzw. der Verbindungsleitung beeinflußt wird.

Um eine exaktere Dosierung zu erreichen, wird daher meist die Dosiermenge mittels magnetisch induktiv wirkender Durchflußmesser gesteuert. Diese Methode hat allerdings den Nachteil, daß sie erheblich mehr Kosten verursacht.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt dem vorliegenden Verfahren die Aufgabe zugrunde, die Einflüsse von temperaturbedingten Viskositätsänderungen des Produkts auf den kostengün­ stigen, zeitgesteuerten Dosiervorgang zu minimieren bei mindestens gleich guter Reproduzier­ barkeit der Dosiermenge im Vergleich zu den magnetisch induktiv wirkenden Durch­ flußmessern.

Hinsichtlich des o. g. Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Produkttempera­ tur in Fließrichtung vor dem Verschluß gemessen und die Öffnungszeit des Verschlusses in Abhängigkeit von der Produkttemperatur variiert wird.

Die erzielten Abfüllmengen unterliegen immer statistischen Schwankungen. Als Maß für diese Schwankungen um eine mittlere Abfüllmenge dienen üblicherweise die aus der Statistik bekannten Größen Varianz und Standardabweichung.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß äußerst kostengün­ stig eine drastische Reduzierung der Standardabweichung der erzielten Dosiermengen erreicht wird.

Da die Dosiermenge auch vom Druck des Produktes abhängt, ist es günstig, zusätzlich den hydrostatischen Flüssigkeitsdruck des Produktes konstant zu halten. Dies kann beispielsweise durch eine konstante Füllhöhe des Produkts im Reservoir ermöglicht werden.

Im einfachsten Fall kann ein aus theoretischen Überlegungen erhaltener mathematischer Zusammenhang zwischen Viskosität und Temperatur und damit letztlich zwischen der einzustellenden Öffnungszeit und der Temperatur angenommen werden. Die Viskosität von Flüssigkeiten nimmt im allgemeinen mit steigender Temperatur sehr stark ab. Nach der Theorie der Platzwechselvorgänge führt eine Aktivierungsenergie des Platzwechsels benachbarter Molekülschichten aufgrund der Boltzmannverteilung zu einem exponentiellen Abfall der Viskosität mit steigender Temperatur. Im Falle von laminarer Strömung kann aus dem Gesetz von Hagen-Poiseuille (s. z. B. Gerthsen, Kneser, Vogel: Physik, 14. Auflage, Springer-Verlag Heidelberg 1982), das einen mathematischen Zusammenhang zwischen Flüssigkeitsstrom, d. h. das pro Zeiteinheit geströmte Flüssigkeitsvolumen, und der Viskosität liefert, der benötigte Zusammenhang abgeleitet werden.

Es hat sich aber gezeigt, daß die Dosiermenge noch genauer justiert werden kann, wenn die exakte Öffnungszeit mit Hilfe einer, an die empirisch ermittelte Abhängigkeit der Füllmenge von der Produkttemperatur approximierten, mathematischen Funktion bestimmt wird. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß bei verschiedenen Produkttemperaturen eine mittlere Dosiermenge bei gegebener fester Öffnungszeit ermittelt wird. Eine einfache Rechnung liefert dann den Produktdurchsatz, d. h. die abgefüllte Flüssigkeitsmenge pro Zeit während der Öffnung des Verschlusses. Daraus läßt sich die für die gewünschte Füllmenge benötigte Öffnungszeit des Verschlusses berechnen. Somit erhält man für verschiedene Produkttempera­ turen die zur exakten Dosierung benötigten Öffnungszeiten des Verschlusses. Eine an die so erhaltenen Meßwerte approximierte mathematische Funktion, z. B. ein Polynom n-ten Grades, liefert für jede beliebige Produkttemperatur die gesuchte Öffnungszeit.

In manchen Fällen ist es hilfreich, zusätzlich die Produktdichte in Fließrichtung vor dem Füllrohrverschluß zu erfassen und die Öffnungszeit des Füllrohrverschlusses zusätzlich in Abhängigkeit von der Produktdichte zu variieren. Dies ist insbesondere interessant für Flüssigkeiten, in denen Luft in feiner Auflösung vorhanden ist.

In einem weiteren der Erfindung zugrunde liegendem Verfahren wird die eingangs beschriebene Aufgabe dadurch gelöst, daß die Temperatur des Produktes in Fließrichtung vor dem Verschluß gemessen und der Druck des Produktes in Abhängigkeit von der Produkttemperatur variiert wird.

Die Variation des Druckes ist beispielsweise durch Änderung der Füllhöhe des Produktes im Produktreservoir möglich. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Regelventils, über das Flüssigkeit dem Reservoir zugeführt oder aus dem Reservoir abgeführt werden kann, geschehen. Eine weitere Möglichkeit zur Regulierung der Füllhöhe besteht in der Verwendung eines drehbaren nicht rotationssymmetrischen Tanks, so daß durch Drehung des Tanks die Füllhöhe eingestellt werden kann.

Eine weiteres Beispiel zur Verwirklichung der Druckvariation sieht eine externe Druckquelle vor, so daß z. B. durch Variation des Druckes in einem an das Produktreservoir angeschlossenem Druckluftsystem der Druck in der Flüssigkeit eingestellt werden kann.

Die bereits im ersten Verfahren beschriebenen Verbesserungen können selbstverständlich auch bei diesem Verfahren angewandt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur zeitgesteuerten Dosierung von Flüssigkeiten weist ein Füllrohr, einen Füllrohrverschluß sowie Betätigungselemente zum Öffnen und Schließen des Füllrohrverschlusses auf. Das Füllrohr ist mit einem Produkttank, der die zu dosierende Flüssigkeit faßt, verbunden. Die Dosierung des Produkts erfolgt über zeitweises Öffnen des Füllrohrverschlusses. Die eingangs erwähnte Aufgabe wird mit der Vorrichtung durch eine Steuerung gelöst, die ein vor dem Füllrohrverschluß in thermischem Kontakt mit dem Produkt stehenden Temperatursensor, eine Steuereinheit und Betätigungselemente des Füllrohrver­ schlusses aufweist.

Die Steuerungseinheit, die mindestens einen Eingang und einen Ausgang besitzt, ist eingangsseitig mit einem Temperatursensor, der vor dem Füllrohrverschluß mit dem Produkt in thermischen Kontakt steht (z. B. im Produkttank), und ausgangsseitig mit den Betätigungs­ elementen des Füllrohrverschlusses verbunden.

Somit ist es möglich, die Produkttemperatur zu erfassen und die Öffnungszeit in Abhängigkeit von der Produkttemperatur zu variieren.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Betätigungselemente ist dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungselemente ein schnellschaltendes Pneumatikventil, ein Pneumatikzylinder und eine Zugstange aufweisen.

Durch die Verwendung eines schnellschaltenden Pneumatikventils kann die unkontrollierte Komponente der Funktionszeit des Verschlusses (Dauer des Öffnungs- und Schließvorganges) nahezu eliminiert werden.

Eine weitere Verbesserung der Vorrichtung erfolgt durch Ausstattung der pneumatischen Betätigungselementen mit einem konstanten pneumatischen Versorgungsdruck. Dies ist z. B. mit Hilfe eines Zwei-Punkt-Reglers in Kombination mit einem justierbaren Überdruckventils möglich.

Dadurch wird die Dauer des Öffnungs- und Schließvorgangs von Pneumatikventil und -zylinder reproduzierbar und eine weitere Steigerung der Reproduzierbarkeit der Produktdosiermenge erreicht.

Um den Öffnungs- und Schließweg des Füllrohrverschlusses genauer festlegen zu können, sind Festanschläge hilfreich. Auch durch diese Maßnahme kann die Reproduzierbarkeit der Dosiermenge gesteigert werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung sieht als Verbindungsstück zwischen Steuerungseinheit und Betätigungselementen des Füllrohrverschlusses eine High- Speed-Zähler-Einheit vor. Diese Einheit veranlaßt die Öffnung des Füllrohrverschlusses, zählt dann ein vorgegebenes Zeitintervall und veranlaßt dann die Schließung des Füllrohrver­ schlusses. Dadurch ist es möglich, die Öffnungszeit sehr genau einzuhalten.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besitzt eine programmierbare Steuerung, die einen Speicher zur Ablage einer Eichtabelle auf weist. Dadurch ist es möglich, die an die empirisch ermittelte Abhängigkeit der Öffnungszeit von der Produkttemperatur approximierte mathematische Funktion im Speicher abzulegen. Dies führt zu einer Erhöhung der Effizienz der Dosiereinrichtung.

Die Streuung der Dosiermengen um den Mittelwert kann dadurch noch weiter reduziert werden, daß die Dosiereinrichtung ein Regelungssystem aufweist mit einer im Produkttank montierten Füllstandssonde, einem Regler und einem Regelventil, welches die Produktleitung mit dem Produkttank verbindet.

Die Füllstandssonde kann den Füllstand des Produktes im Tank beispielsweise kapazitiv oder auch mit Hilfe eines Schwimmers mit einer geringeren Dichte als die Produktdichte ermitteln. Der Regler kann ein einfacher Zwei-Punkt-Regler sein, vorzugsweise aber ein P-, PD- oder PID- Regler. Das Regelventil weist die Möglichkeit der Ansteuerung durch den Regler auf.

Mit diesem Regelungssystem kann z. B. die Höhe des Produktpegels zur Eliminierung von Schwankungen des Flüssigkeitsdrucks konstant gehalten werden. Alternativ dazu kann selbstverständlich auch die Füllstandshöhe und damit der Druck des Produkts in Abhängigkeit von der Produkttemperatur variiert werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Dosiereinrichtung besitzt zusätzlich eine Steuereinheit mit einem vor dem Füllrohrverschluß in Kontakt mit dem Produkt stehenden Dichtesensor, einer Steuerung und den Betätigungselementen des Füllrohrverschlusses.

Die Arbeitsweise des Dichtesensors kann dabei beispielsweise auf dem Auftrieb von Körpern in Flüssigkeiten beruhen.

Diese Steuereinheit ermöglicht es, die Öffnungszeit in Abhängigkeit von der Füllproduktdichte zu variieren. Dadurch können Einflüsse von verschiedenen Füllproduktdichten nahezu kompensiert werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze der Dosiereinrichtung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der empirisch ermittelten Abhängigkeit der Öffnungszeit von der Produkttemperatur sowie eine daran approximierte mathematische Funktion.

Man erkennt in Fig. 1 die Dosiereinrichtung 1 mit einem Füllrohr 2 und einem Füllrohrver­ schluß 3. Die Betätigungselemente des Füllrohrverschlusses (4, 5, 6) weisen in dieser Ausführungsform ein ansteuerbares Pneumatikventil 5, einen Pneumatikzylinder 4 sowie eine Zugstange 6 auf. Die pneumatischen Betätigungselemente sind an den pneumatischen Versorgungsdruck 14 angeschlossen.

Das Füllrohr 2 ist direkt mit dem Produkttank 10 verbunden. Die Steuerungseinheit 11 ist eingangsseitig mit der Füllstandssonde 8, dem Temperatursensor 7 und dem Dichtesensor 13 sowie ausgangsseitig mit dem Regelventil 9, welches die Produktleitung 15 vom Produkttank trennt, und der Hochgeschwindigkeitszählereinheit 12 verbunden.

Im Betrieb wird die Füllstandshöhe im Produkttank 10 mit Hilfe der Füllstandssonde 8 ermittelt. Der Füllstand wird mittels des Regelsystems Füllstandssonde 8 - Steuerungseinheit 11 - Regelventil 9 möglichst konstant gehalten. Auch der Versorgungsdruck der pneumatischen Betätigungselemente wird vorzugsweise konstant gehalten.

Produkttemperatur und -dichte werden unter Verwendung des Temperatursensors 7 und des Dichtesensors 13 ermittelt. Dabei ist sicherzustellen, daß Produkttemperatur und -dichte am Ort der Meßfühler mit Temperatur und Dichte des Produkts im Füllrohr übereinstimmen.

Die Steuerungseinheit berechnet aus Druck und Temperatur die entsprechende Öffnungszeit. Diese Öffnungszeit bzw. eine dazu korrespondierende Zahl wird an die Hochgeschwindigkeits- Zählereinheit 12 weitergegeben. Die Hochgeschwindigkeitszählereinheit 12 schaltet direkt das Pneumatikventil 5, welches für das Öffnen des Füllrohrverschlusses 3 sorgt, so daß das unterhalb des Verschlusses bereitstehende Gebinde (z. B. Flasche oder Tüte) befüllt wird. Die Zählereinheit 12 zählt nun vorwärts oder rückwärts bis zum Erreichen der Null bzw. der vorgegebenen Zahl. Daraufhin schließt die Zählereinheit 12 den Füllrohrverschluß 3 wieder. Das Pneumatikventil 5 schaltet den Pneumatikzylinder 4, der wiederum über die Zugstange 6 den Füllrohrverschluß 3 öffnet bzw. schließt.

Im Speicher der Steuerungseinheit 11 ist eine Korrekturkurve (Öffnungszeit in Abhängigkeit von der Produkttemperatur) abgelegt. Der Graph in Fig. 2 zeigt beispielhaft eine solche Korrekturkurve. Aufgetragen ist an der Ordinate die Öffnungszeit in Millisekunden und an der Abszisse die Temperatur in Grad Celsius. Die mit I bezeichnete Kurve zeigt die bei gleicher Dosiermenge empirisch ermittelten Öffnungszeiten in Abhängigkeit von der Produkttemperatur. Die mit II bezeichnete Kurve stellt eine an die Meßdaten approximierte mathematische Funktion dar.

Diese Korrekturkurve wird von der Steuerungseinheit 11 zur Ermittlung der exakten Öffnungszeit aus der ermittelten Produkttemperatur verwendet.

Claims (15)

1. Verfahren zur zeitgesteuerten Dosierung von flüssigen Produkten mit Hilfe einer Zuführ­ einrichtung und eines Verschlusses, dadurch gekennzeichnet, daß die Produkttemperatur in Fließrichtung vor dem Verschluß gemessen und die Öffnungszeit des Verschlusses in Abhängigkeit von der Produkttemperatur variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der hydrostatische Flüssigkeitsdruck des Produktes konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die empirisch ermittelte Abhängigkeit der Füllmenge von der Produkttemperatur ap­ proximierte mathematische Funktion zur Bestimmung der Öffnungszeiten benutzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Produktdichte in Fließrichtung vor dem Verschluß erfaßt und die Öffnungszeit des Ver­ schlusses zusätzlich in Abhängigkeit von der Produktdichte variiert wird.

5. Verfahren zur zeitgesteuerten Dosierung von flüssigen Produkten in einem Reservoir mit Hilfe einer Zuführeinrichtung und eines Verschlusses, dadurch gekennzeichnet, daß die Produkttemperatur in Fließrichtung vor dem Verschluß gemessen und der Druck des Produktes in Abhängigkeit von der Produkttemperatur variiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvariation durch Änderungen der Füllstandshöhe im Reservoir erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvariation mit Hilfe einer externen Druckquelle erfolgt.

8. Dosiereinrichtung (1) für die zeitgesteuerte Dosierung von Flüssigkeiten mit einem Füllrohr (2), einem Füllrohrverschluß (3) sowie Betätigungselementen (6, 4, 5) zum Öffnen und Schließen des Füllrohrverschlusses (3), gekennzeichnet durch eine Steuerung mit einem vor dem Füllrohrverschluß (3) in thermischem Kontakt mit dem Produkt stehenden Temperatursensor (7), einer Steuereinheit (11) und Betätigungselementen (6, 4, 5) des Füllrohrverschlusses (3).

9. Dosiereinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungs­ elemente ein schnellschaltendes Pneumatikventil (5), ein Pneumatikzylinder (4) und eine Zugstange (6) aufweisen.

10. Dosiereinrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die pneumatischen Betätigungselemente (4, 5) mit einem konstanten pneumatischen Versorgungsdruck (14) ausgestattet sind.

11. Dosiereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch Festanschläge für die Bestimmung des Öffnungs- und Schließweg des Füllrohrver­ schlusses (3).

12. Dosiereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsstück zwischen Steuerungseinheit (11) und Betätigungselementen (6, 4, 5) des Füllrohrverschlusses (3) eine High-Speed-Zähler-Einheit (12) vorgesehen ist.

13. Dosiereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung programmierbar ist und einen Speicher zur Ablage einer Eichtabelle aufweist.

14. Dosiereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch ein Regelungssystem mit einer sich im Produkttank (10) befindlichen Füllstandssonde (8), einem Regler (11) und einem Regelventil (9), welches die Produktleitung (15) mit dem Produkttank (10) verbindet.

15. Dosiereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit mit einem vor dem Füllrohrverschluß (3) in Kontakt mit dem Produkt stehenden Dichtesensor (13), einer Steuerung (11) und den Betätigungselementen (6, 4, 5) des Füllrohrverschlusses (3).