DE19951555A1 - Einrichtung zum dosierten Abfüllen einer Flüssigkeit in Behälter - Google Patents
Einrichtung zum dosierten Abfüllen einer Flüssigkeit in BehälterInfo
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Abstract
Eine Einrichtung zum dosierten Abfüllen einer Flüssigkeit in Behälter (12) umfasst eine Druckmesseinrichtung (20) für die abzufüllende Flüssigkeit sowie eine die Befüllung der Behälter (12) steuernde Dosiersteuereinrichtung (18). Diese ist dazu ausgebildet, zur Befüllung eines Behälters (12) in einer Zeit-Druck-Dosierbetriebsart einen Flüssigkeitsstrom in diesen Behälter (12) für eine vom gemessenen Flüssigkeitsdruck abhängige Zeitdauer freizugeben. Um Unterdosierungen zu vermeiden, wenn ein die abzufüllende Flüssigkeit enthaltender Vorrat (10) nahezu leer ist, dennoch aber der Vorrat (10) rückstandslos geleert werden soll, ist ferner eine Wiegeeinrichtung (24) vorgesehen, um während der Befüllung eines Behälters (12) dessen Gewicht zu messen, wobei die Dosiersteuereinrichtung (18) dazu ausgebildet ist, in einer wahlweise einstellbaren Wäge-Dosierbetriebsart den Flüssigkeitsstrom in einen der Gewichtsmessung unterzogenen Behälter (12) in Abhängigkeit vom gemessenen Gewicht dieses Behälters (12) und einem vorbestimmten Soll-Gewicht dieses Behälters (12) zu steuern.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum dosierten Abfüllen einer
Flüssigkeit in Behälter, mit einer Druckmesseinrichtung für die abzufül
lende Flüssigkeit und einer die Befüllung der Behälter steuernden Dosier
steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, zur Befüllung eines
Behälters in einer Zeit-Druck-Dosierbetriebsart einen Flüssigkeitsstrom in
diesen Behälter für eine vom gemessenen Flüssigkeitsdruck abhängige
Zeitdauer freizugeben.
Abfüllanlagen, die nach dem Zeit-Druck-Dosierprinzip arbeiten, sind
weithin bekannt. Bei diesem Dosierprinzip wird die Öffnungsdauer eines
Füllventils der Abfüllanlage rechnerisch ermittelt. Die Berechnung erfolgt
auf Grundlage des gemessenen Flüssigkeitsdrucks und gegebenenfalls
weiterer Parameter, wie etwa der Temperatur der Flüssigkeit bzw. deren
Viskosität. In den Druckmesswert gehen der hydrostatische Flüssigkeits
druck und gegebenenfalls auch ein Gasdruckanteil ein, sofern die ab
zufüllende Flüssigkeit in einem Druckbehälter unter einen Gasdruck
gesetzt ist. Zusammen mit anlagentechnischen Parametern, wie etwa
dem Durchlassquerschnitt des Füllventils, läßt sich hieraus die notwen
dige Öffnungsdauer des Füllventils ermitteln, um eine gewünschte
Flüssigkeitsmenge in den Behälter einzufüllen.
Derartige Zeit-Druck-Abfüllanlagen erlauben eine sehr rasche Befüllung
der Behälter und zeichnen sich dementsprechend durch einen hohen
Durchsatz und eine gute Wirtschaftlichkeit aus. Obwohl die erzielbaren
Dosiergenauigkeiten in aller Regel ausreichend gut sind, können Probleme
auftreten, wenn mit der Gefahr gerechnet werden muss, dass z. B.
Dichteschwankungen der Flüssigkeit oder Ablagerungen im Abfüllsystem,
die den Querschnitt einer Abfüllleitung verändern, auftreten oder dass
zusammen mit der Flüssigkeit Gasanteile in die Behälter gelangen, etwa
weil die Flüssigkeit zur Schaumbildung neigt oder weil der Flüssigkeits
strom Gasblasen mitreißt. Hieraus können Fehldosierungen entstehen, die
beim Zeit-Druck-Dosierprinzip in situ nicht korrigiert werden können, da
die Berechnung der Öffnungsdauer des Füllventils Faktoren wie Schaum
bildung und mögliche Gaseinschlüsse nicht berücksichtigt und gar nicht
berücksichtigen kann. Zwar ist es bekannt, das Taragewicht der leeren
Behälter und das Bruttogewicht der fertig befüllten Behälter zu messen
und das Nettogewicht zu berechnen und aus etwaigen Abweichungen
von einem Soll-Nettogewicht einen Korrekturfaktor zu ermitteln, mit dem
die Öffnungsdauer des Füllventils korrigiert wird. Allerdings wirkt sich
diese Korrektur erst bei nachfolgenden Behältern aus; diejenigen Behälter,
deren gemessenes Gewicht zur Grundlage der Öffnungsdauerkorrektur
gemacht wurde, bleiben unkorrigiert und damit mit einem Dosierfehler
behaftet. Es wird insoweit bis zum jeweils folgenden In-Prozess-Kontroll
wägeschritt, der die Richtigkeit der vorgenommenen Korrektur bestätigt,
Ausschuss produziert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine zur Zeit-Druck-Dosierung geeignete
Flüssigkeitsabfüllanlage bereitzustellen, die auch dann eine präzise
Dosierung ermöglicht, wenn die Gefahr besteht, dass Unregelmäßigkeiten
während des Abfüllvorgangs im Dosierstrom auftreten können, etwa weil
z. B. zusammen mit der abzufüllenden Flüssigkeit Gasanteile in die Behäl
ter gelangen, oder Dichteschwankungen, Viskositätsschwankungen und
dgl. auftreten.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer gattungsgemäßen Einrichtung
zum dosierten Abfüllen einer Flüssigkeit in Behälter erfindungsgemäß
vorgesehen, dass ferner eine Wiegeeinrichtung vorgesehen ist, um
während der Befüllung eines Behälters dessen Gewicht zu messen, wobei
die Dosiersteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, in einer wahlweise
einstellbaren Wäge-Dosierbetriebsart den Flüssigkeitsstrom in einen der
Gewichtsmessung unterzogenen Behälter in Abhängigkeit vom gemesse
nen Gewicht dieses Behälters und einem vorbestimmten Soll-Gewicht
dieses Behälters zu steuern.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht einen Abfüllbetrieb wahlweise
nach dem Zeit-Druck-Dosierprinzip oder nach dem Wäge-Dosierprinzip.
Bei Letzterem wird das Gewicht eines Behälters während der Befüllung
fortlaufend überwacht. Sobald ein gewünschtes Nettogewicht erreicht
ist, wird der Flüssigkeitsstrom in den Behälter gestoppt. Etwaige Gasein
schlüsse in der eingefüllten Flüssigkeit oder Dichteschwankungen des
Abfüllgutes können bei der Wäge-Dosierung das Dosierergebnis nicht
verfälschen. Es wird somit ausschließlich die tatsächlich eingefüllte
Flüssigkeitsmenge erfasst. Es läßt sich so eine stets hochpräzise Dosie
rung erzielen, auch dann, wenn kein homogener Flüssigkeitsstrom in die
Behälter fließt, sondern zusätzlich Gasanteile etc. vom Flüssigkeitsstrom
mitgerissen werden oder in die Behälter gedrückt werden.
Durch die Wahlfreiheit des Dosierprinzips bietet die erfindungsgemäße
Abfülleinrichtung eine hohe Universalität und Einsatzbreite, die es für
jeden Einzelfall erlauben, auf das jeweils günstigere Dosierprinzip zurück
zugreifen. Solange die Gefahr ausgeschlossen werden kann, dass mit
dem Flüssigkeitsstrom unerwünschte Gasanteile etc. in die Behälter
gelangen oder ähnliche Unregelmäßigkeiten, etwa Dichteschwankungen
der Flüssigkeit, auftreten, wird man wegen der hohen Abfüllgeschwindig
keit zweckmäßigerweise die Zeit-Druck-Dosierbetriebsart wählen. Muss
jedoch damit gerechnet werden, dass der Flüssigkeitsstrom Gasblasen
mitreißt oder ähnliche Unregelmäßigkeiten auftreten, wird es aus Grün
den der Dosiergenauigkeit zweckmäßig sein, auf die Wäge-Dosierbe
triebsart zurückzugreifen, wenngleich dabei aufgrund der Messträgheit
der Waagen oftmals nicht so hohe Abfüllgeschwindigkeiten wie bei der
Zeit-Druck-Dosierbetriebsart erzielbar sind.
Die Dosiersteuereinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, den
gesamten Füllvorgang eines jeweiligen Behälters wahlweise in der Zeit-
Druck-Dosierbetriebsart oder in der Wäge-Dosierbetriebsart zu steuern.
Bei manchen Flüssigsubstanzen wird man bestrebt sein, das Vorrats
behältnis, aus dem die jeweilige Flüssigsubstanz abgefüllt wird, rück
standslos zu entleeren. Dies gilt beispielsweise für sehr hochwertige und
dementsprechend teure Substanzen, etwa aus dem pharmazeutischen
Bereich, von denen bereits einige Gramm so viel kosten können, dass
Rückstände im Vorratsbehältnis zu einer erheblichen Einschränkung der
Wirtschaftlichkeit führen können. Auch bei hochtoxischen Substanzen
wird man auf eine vollständige Entleerung des Vorratsbehältnisses
dringen, um bei der Reinigung des Vorratsbehältnisses die toxische
Belastung des Reinigungspersonals und der verwendeten Reinigungs
mittel möglichst gering zu halten. Wenn in solchen Fällen der Füllstand im
Vorratsbehältnis bereits so weit abgesunken ist, dass sich nur noch
Restbestände der Flüssigkeit im Vorratsbehältnis befinden, besteht die
große Gefahr, dass kein homogener Flüssigkeitsstrom mehr erhalten
wird, der in die zu befüllenden Behälter strömt, sondern dass die Flüssig
keit stattdessen nur als unterbrochener Strahl aus dem Vorratsbehältnis
herausfließt oder gar nur noch tröpfchenweise in die zu befüllenden
Behälter gelangt. Die Zeit-Druck-Dosierbetriebsart alleine kann dann keine
akzeptablen Dosierergebnisse mehr gewährleisten. Um dennoch auch bei
den Restbeständen der Flüssigkeit im Vorratsbehältnis eine hohe Dosier
genauigkeit zu erzielen, sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfin
dung vor, dass eine Füllgradüberwachungseinrichtung Informationen über
den Füllgrad eines die abzufüllende Flüssigkeit enthaltenden Vorrats an
die Dosiersteuereinrichtung liefert und dass die Dosiersteuereinrichtung
oberhalb eines vorbestimmten Füllgrads des Vorrats den gesamten
Füllvorgang jedes Behälters in der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart steuert
und bei Unterschreiten dieses vorbestimmten Füllgrads bzw. bei Unter
schreiten einer vorbestimmten Restmenge zumindest eine Endphase des
Füllvorgangs jedes nachfolgenden Behälters in der Wäge-Dosierbetriebs
art steuert. Unter den Begriff Füllgradüberwachung im Sinne der vor
liegenden Anmeldung soll jede Art der Überwachung des Unterschreitens
einer bestimmten Restmenge an Flüssigkeit im Vorrat fallen, so z. B.
durch die Überwachung des Gewichts des Vorratsbehälters, oder durch
Zählung der Abfüllvorgänge seit dem letzten Befüllen des Vorratsbehäl
ters etc.
Die unterhalb des vorbestimmten Füllgrads bzw. der vorbestimmten
Restmenge des Vorrats zum Einsatz kommende Wäge-Dosierbetriebsart
stellt sicher, dass die für jeden Behälter gewünschte Gesamtfüllmenge
präzise eingehalten wird. Dies gilt unabhängig davon, ob die Flüssigkeit
noch als homogener Strom oder schon als unterbrochener Strahl oder nur
noch quasi tröpfchenweise in die Behälter gelangt. Der vorbestimmte
Füllgrad des Vorrats wird zweckmäßigerweise so gewählt werden, dass
oberhalb dieses Füllgrads mit hoher Gewissheit ein homogener Flüssig
keitsstrom aus dem Vorrat in die Behälter erhalten wird, der in der Zeit-
Druck-Dosierbetriebsart hinreichend gute Dosiergenauigkeiten ermöglicht.
Steuerungstechnisch besonders einfach ist es, wenn die Dosiersteuer
einrichtung bei Unterschreiten des vorbestimmten Füllgrads des Vorrats
von der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart auf die Wäge-Dosierbetriebsart
umschaltet und den gesamten Füllvorgang jedes nachfolgenden Behälters
in der Wäge-Dosierbetriebsart steuert.
Zur Steuerung des Flüssigkeitsstroms ist es bekannt, ein Schlauch
quetschventil vorzusehen, mittels dessen der Durchlassquerschnitt eines
Füllschlauchs veränderbar ist. Das Schlauchquetschventil weist dabei ein
Schlauchquetschorgan auf, das mittels eines von der Dosiersteuereinrich
tung steuerbaren Antriebs verstellbar ist. Eine besonders präzise und
jederzeit reproduzierbare Einstellung des Schlauchquetschorgans lässt
sich dann dadurch erreichen, dass der Antrieb ein relativ zu dem
Schlauchquetschorgan verstellbares Antriebsorgan aufweist, welches in
einer Nockenbahn-Bahnfolger-Verbindung mit dem Schlauchquetschorgan
steht. Insbesondere in der Wäge-Dosierbetriebsart ist es erwünscht, den
Flüssigkeitsdurchsatz durch den Füllschlauch variieren zu können, etwa
zu Zwecken der Grob- und der Feindosierung. Die Nockenbahn bietet
dabei eine einfache Möglichkeit, um den Durchsatz zu variieren. Durch
geeignete Gestaltung der Nockenbahn sind beliebige Durchsatzprofile mit
stetiger oder stufenweiser Durchsatzänderung realisierbar.
Zweckmäßigerweise wird das Schlauchquetschorgan durch eine Schließ
feder in Richtung auf eine den Füllschlauch vollständig abquetschende
Sperrstellung hin vorgespannt sein, wobei es durch den Antrieb gegen
die Wirkung der Schließfeder zu öffnen ist. Konstruktionstechnisch
einfach ist es, wenn das Antriebsorgan quer zur Verstellrichtung des
Schlauchquetschorgans linear verstellbar ist. Wenngleich zur Verstellung
des Antriebsorgans verschiedenste Antriebskonzepte denkbar sind, etwa
hydraulische, pneumatische oder elektromagnetische, ist das Antriebs
organ bevorzugt elektromotorisch verstellbar, insbesondere mittels eines
Linearmotors. Auf diese Weise sind große Verstellwege bei hoher Dyna
mik möglich. Zudem sind Elektromotoren präzise regelbar, wobei darüber
hinaus insbesondere Linearmotoren kostengünstig sind.
Für die Idee der Nockenbahn-Bahnfolger-Verbindung zwischen dem
Schlauchquetschorgan und dem Antriebsorgan wird unabhängig von der
Wahlmöglichkeit zwischen Zeit-Druck-Dosierbetriebsart und Wäge-
Dosierbetriebsart selbständiger Schutz vorbehalten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Dosier
steuereinrichtung Mittel zur Erfassung der Abfüllzeit in Abhängigkeit von
der jeweiligen gewichtsmäßig mittels der Wiegeeinrichtung bestimmten
Abfüllmenge auf und ist dazu eingerichtet, die ermittelten Abfüllzeit-
Abfüllmengen-Informationen auszuwerten, um Soll-Abfüllzeiten für die
Befüllung von Behältern in der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart zu bestim
men. Die Zeiterfassungsmittel können in verschiedenen Kalibrierungsmodi
der Abfülleinrichtung zum Einsatz gebracht werden. Der einfachste
Kalibrierungsmodus ist dadurch charakterisiert, dass während des Wäge-
Dosierbetriebs Dosierzeiten in Abhängigkeit vom Wägeergebnis ermittelt
werden und diese Dosierzeit-Gewichtsinformationen zur Bestimmung von
Sollwerten für die Zeit-Steuerung im nachfolgend einzustellenden Zeit-
Druck-Dosierbetrieb ausgewertet werden. Dieser Kalibrierungsmodus hat
den Vorteil, dass auch während der Ermittlung der Soll-Abfüllzeiten die
Behälter stets korrekt gefüllt werden und somit kein Ausschuss produ
ziert wird. Entsprechendes gilt für andere Zeitkalibrierungsmodi, bei
denen der jeweilige Abfüllvorgang bei Erreichen des Sollgewichts des
Behälters beendet wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 eine Schemaskizze eines Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Abfülleinrichtung,
Fig. 2a den zeitlichen Öffnungsverlauf eines Schlauch
quetschventils der Abfülleinrichtung der Fig. 1 in der
Zeit-Druck-Dosierbetriebsart,
Fig. 2b den zeitlichen Öffnungsverlauf des Schlauchquetsch
ventils in der Wäge-Dosierbetriebsart der Abfüllein
richtung und
Fig. 3 schematisch eine mögliche Konstruktion des
Schlauchquetschventils.
Die in Fig. 1 gezeigte Abfülleinrichtung dient zum Abfüllen einer Flüssig
keit aus einem Verteiler 10 in Behälter 12, beispielsweise Ampullen,
Vials, Flaschen oder dergleichen. Die Behälter 12, von denen in Fig. 1 nur
einer gezeigt ist, werden mittels einer nicht näher dargestellten Trans
porteinrichtung zu einer Füllstation der Abfülleinrichtung transportiert, wo
sie befüllt werden, und anschließend zur Weiterverarbeitung abtrans
portiert. Die Transporteinrichtung kann zum Transport der Behälter 12
beispielsweise gegenläufig rotierende Transportschnecken aufweisen,
deren Schneckengänge Aufnahmen für die Behälter 12 bilden. Einzel
heiten einer solchen Schnecken-Transporteinrichtung können der
WO 83/03235 entnommen werden.
Die Abfülleinrichtung ist zur gleichzeitigen Befüllung mehrerer Behälter 12
ausgebildet, die demgemäß gruppenweise zur Füllstation antransportiert
und von dort abtransportiert werden. An den Verteiler 10 sind mehrere
Füllschläuche 14 angeschlossen, über die die abzufüllende Flüssigkeit aus
dem Verteiler 10 in die Behälter 12 geleitet wird. Die Füllschläuche 14
können in an sich bekannter Weise an ihren freien Enden mit Füllnadeln
bestückt sein, die in die Behälter 12 hineingetaucht werden können. Zur
Steuerung des Flüssigkeitsstroms durch die Füllschläuche 14 ist jedem
der Füllschläuche 14 ein Schlauchquetschventil 16 zugeordnet, mittels
dessen durch Quetschung des jeweiligen Füllschlauchs 14 dessen
Durchlassquerschnitt veränderbar ist.
Die Schlauchquetschventile 16 sind von einer Steuereinheit 18 steuerbar.
Diese kann in zwei verschiedenen Betriebmodi arbeiten, nämlich einer
Zeit-Druck-Dosierbetriebsart und einer Wäge-Dosierbetriebsart. In der
Zeit-Druck-Dosierbetriebsart öffnet sie die Schlauchquetschventile 16 für
eine Ventilöffnungsdauer, die sie aus der gewünschten Gesamtfüllmenge
jedes Behälters 12, dem Flüssigkeitsdruck und weiteren Parametern
berechnet, die sich auf die Temperatur und die Viskosität der Flüssigkeit
und auf die konstruktiven Gegebenheiten der Abfüllanlage beziehen. Zur
Messung des Flüssigkeitsdrucks ist ein Drucksensor 20 vorgesehen,
dessen Druckmesswert sich aus dem hydrostatischen Druckanteil der
Flüssigkeit und aus einem Gasdruckanteil zusammensetzt, der aus der
Unterdrucksetzung des als Druckbehälter ausgebildeten Verteilers 10
mittels einer Gasdruckquelle 22 resultiert.
Fig. 2a zeigt den Zeitverlauf des Durchlassquerschnitts D der Schlauch
quetschventile 16 in der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart. Die Schlauch
quetschventile 16 werden auf einen konstant bleibenden Durchlassquer
schnitt D1 geöffnet und anschließend wieder geschlossen. Die Schräg
flanken der Kennlinie der Fig. 2a zu Beginn und Ende der Ventilöffnungs
dauer sind auf die endlichen Öffnungs- und Schließzeiten der Schlauch
quetschventile 16 zurückzuführen. Die Schrägflanken der Kennlinie
sollten gut reproduzierbar sein, um die gewünschten Dosiertoleranzen zu
erreichen. Aus diesem Grunde werden bei Zeit-Druck-Füllsystemen in der
Regel schnellschließende Ventile eingesetzt.
In der alternativ wählbaren Wäge-Dosierbetriebsart wird die Öffnungs
dauer der Schlauchquetschventile 16 nicht rechnerisch ermittelt. Statt
dessen werden die Schlauchquetschventile 16 abhängig vom kontinuier
lich erfassten Momentangewicht der Behälter 12 gesteuert. Hierzu weist
die Abfülleinrichtung den an der Füllstation zur Befüllung bereitstehenden
Behältern 12 einzeln zugeordnete Wiegeeinheiten 24 auf, von denen in
Fig. 1 nur eine schematisch angedeutet ist. Jede Wiegeeinheit 24 meldet
das gemessene Gewicht des auf sie gestellten Behälters 12 an die
Steuereinheit 18. Diese vergleicht den aktuellen Gewichtsmesswert mit
einem gewünschten Erdgewicht des Behälters 12 und steuert in Ab
hängigkeit von der auszugleichenden Gewichtsdifferenz das zugehörige
Schlauchquetschventil 16. Einzelheiten der Gewichtsmessung und der
gewichtsabhängigen Steuerung der Schlauchquetschventile 16 können
wiederum der WO 83/03235 entnommen werden.
Fig. 2b zeigt den zeitlichen Öffnungsverlauf der Schlauchquetschventile
16 in der Wäge-Dosierbetriebsart. Zunächst erfolgt eine Öffnung der
Schlauchquetschventile 16 auf einen großen Durchlassquerschnitt D2.
Dies entspricht einer Phase der Grobdosierung. Daran schließt sich eine
Phase der Feindosierung an, in der der Durchlassquerschnitt auf einen
kleineren Wert D3 reduziert wird. Der Übergang von Grob- auf Feindosie
rung kann gewichtsabhängig erfolgen, beispielsweise wenn das gemes
sene Momentangewicht der Behälter einen vorbestimmten Prozentsatz
des gewünschten Endgewichts erreicht hat. Denkbar ist auch ein zeit
abhängiger Wechsel von Grob- auf Feindosierung, nämlich in der Weise,
dass dieser Wechsel zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach Beginn der
Grobdosierung stattfindet. Es versteht sich, dass dieser vorbestimmte
Zeitpunkt so gewählt werden wird, dass die zum Ende der Phase der
Grobdosierung erreichte Füllmenge in den Behältern 12 in jedem Fall
geringer als die gewünschte Gesamtfüllmenge ist.
Statt einer stufenweisen Änderung des Durchlassquerschnitts der
Schlauchquetschventile ist es selbstverständlich auch möglich, den
Durchlassquerschnitt in der Wäge-Dosierbetriebsart kontinuierlich zu
ändern. Es sind an sich beliebige Verläufe der zeitlichen Öffnungskenn
linie der Schlauchquetschventile 16 denkbar.
Die Grundbetriebsart der Abfüllanlage der Fig. 1 ist die Zeit-Druck-Dosier
betriebsart. Dies hängt damit zusammen, dass in der Zeit-Druck-Dosierbe
triebsart eine sehr rasche Befüllung der Behälter 12 möglich ist. Bei
einigen Substanzen, etwa sehr teuren oder hochtoxischen Substanzen,
ist es in der Regel erwünscht, nahezu jeden Tropfen der im Verteiler 10
befindlichen Flüssigkeit in die Behälter 12 abzufüllen. Wenn der Füllstand
im Verteiler 10 aber schon so weit abgesunken ist, dass der Verteiler 10
fast leer ist, besteht die Gefahr, dass in der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart
während der Ventilöffnungsdauer nicht mehr genügend Flüssigkeit in die
Behälter 12 strömt, um die gewünschte Gesamtfüllmenge zu erreichen.
Stattdessen kann es vorkommen, dass der Flüssigkeitsstrom durch die
Füllschläuche 14 mehr oder weniger große Gasblasen mitreißt oder dass
der Flüssigkeitsstrom abreißt, weil sich nicht mehr genügend Flüssigkeit
im Verteiler 10 befindet. Um der Gefahr von Fehldosierungen zu entge
hen, die sich in diesem Stadium in der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart
einstellen können, wird rechtzeitig, bevor aufgrund zu starken Absinkens
des Füllstands im Verteiler 10 die Gefahr solcher Fehldosierungen auftritt,
von der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart auf die Wäge-Dosierbetriebsart
umgeschaltet. Diese Umschaltung kann selbstverständlich vom Bedie
nungspersonal der Abfülleinrichtung initiierbar sein, wobei dann aber das
Bedienungspersonal fortlaufend den Füllstand im Verteiler 10 im Auge
behalten muss. Bevorzugt erfolgt deswegen eine automatische Um
schaltung durch die Steuereinheit 18. Den geeigneten Zeitpunkt zum
Betriebsartwechsel kann die Steuereinheit 18 beispielsweise aus den
Signalen eines Füllstandssensors 26 ermitteln, der den Füllstand der
Flüssigkeit im Verteiler 10 überwacht. Der Füllstandssensor 26 kann so
ausgebildet sein, dass er den Ist-Füllstand im Verteiler 10 fortlaufend
messen kann und diesen an die Steuereinheit 18 meldet. Zweckmäßiger
weise wird er aber als Schwellen-Sensor ausgebildet sein, der ein Warn
signal an die Steuereinheit 18 sendet, wenn der Flüssigkeitspegel im
Verteiler 10 eine vorbestimmte Schwelle unterschreitet. Eine solche
Schwelle ist in Fig. 1 mit einer gestrichelten Linie 28 im Verteiler 10
schematisch angedeutet. In Antwort auf das Warnsignal des Füllstands
sensors 26 schaltet die Steuereinheit 18 dann von der Zeit-Druck-Dosier
betriebsart auf die Wäge-Dosierbetriebsart um. Es versteht sich, dass
diese Umschaltung bereits so früh erfolgen kann, dass noch ein aus
reichendes Sicherheitspolster besteht, bevor tatsächlich die Gefahr der
angesprochenen Fehldosierungen auftritt. Anstelle der Füllstandsüber
wachung kann irgendeine andere Restmengenüberwachung vorgesehen
sein, die zur Erfassung des Unterschreitens einer bestimmten Restmenge
im Vorrat geeignet ist.
Nach Umschaltung auf die Wäge-Dosierbetriebsart ist eine vollständige,
rückstandsfreie Entleerung des Verteilers 10 möglich, da in der Wäge-
Dosierbetriebsart die Schlauchquetschventile 16 nicht für eine vorbe
stimmte Zeitdauer geöffnet werden, sondern so lange geöffnet bleiben,
bis die gewünschte Flüssigkeitsmenge durch die Füllschläuche 14 geflos
sen ist. Dies kann besonders dann, wenn sich nur noch geringe Flüssig
keitsreste am Boden des Verteilers 10 befinden, vergleichsweise lang
dauern, ermöglicht aber, dass nahezu jeder Tropfen der ursprünglich in
den Verteiler 10 eingefüllten Flüssigkeit in die Behälter 12 abgefüllt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Verteiler 10 aus einem
Ansatzbehälter 30 über ein steuerbares Ventil 32 befüllbar. Es versteht
sich, dass das soeben erläuterte Prinzip der Umschaltung von Zeit-Druck-
Dosierbetriebsart auf Wäge-Dosierbetriebsart auch dann angewendet
werden kann, wenn die Flüssigkeit nicht aus einem Verteiler mit mehre
ren Füllschläuchen abgefüllt werden soll, sondern aus einem Gefäß, das
nur eine einzelweise Befüllung der Behälter 12 erlaubt.
Das in Fig. 3 gezeigte Schlauchquetschventil 16 weist ein im Wesentli
chen senkrecht zur Längsrichtung des zu quetschenden Füllschlauchs 14
verstellbares Schlauchquetschorgan 34 mit einer in die Wand des Füll
schlauchs 14 hineindrückenden Quetschklinge 36 auf. Eine Stützbacke
38 stützt den Füllschlauch 14 ab, so dass er bei Annäherung der
Quetschklinge 36 nicht ausweicht. Das Schlauchquetschorgan 34 ist
durch eine Schließfeder 40 in Richtung auf eine Sperrstellung hin vor
gespannt, in der es den Füllschlauch 14 vollständig abquetscht und ein
Flüssigkeitsstrom durch den Füllschlauch 14 nicht möglich ist. Das
Schlauchquetschorgan 34 mit seiner Quetschklinge 36 und die Stütz
backe 38 können nach Art einer Quetschzange ausgebildet sein, wie sie
in der WO 83/03235 gezeigt ist. Der bewegliche Teil der Quetschzange
ist dort mittels einer Elektromagnetanordnung gegen die Kraft der
Schließfeder verstellbar. Im Unterschied zu einer solchen elektromagneti
schen Betätigung und auch im Unterschied zu einer denkbaren pneumati
schen oder hydraulischen Betätigung ist bei dem Schlauchquetschventil
16 der Fig. 3 das Schlauchquetschorgan 34 mittels eines elektromotori
schen Nockenantriebs 42 betätigbar, um das Schlauchquetschventil 16
zu öffnen und die Quetschung des Füllschlauchs 14 zu reduzieren oder
aufzuheben, so dass Flüssigkeit durch den Füllschlauch 14 in den jeweils
zu befüllenden Behälter fließen kann. Der Nockenantrieb 42 weist einen
von der Steuereinheit 18 steuerbaren Elektromotor 44 auf, mittels dessen
ein Nockenelement 46 in einer zur Verstellrichtung des Schlauchquetsch
organs 34 im Wesentlichen senkrechten Richtung geradlinig verstellbar
ist. Das Nockenelement 46 weist eine Nockenbahn 48 auf, an der ein
Bahnfolger 50 beispielsweise in Form einer am Schlauchquetschorgan 34
drehbar gelagerten Scheibe anliegt. Durch die Schließfeder 40 und die
hieraus resultierende Vorspannung auf das Schlauchquetschorgan 34
wird der Bahnfolger 50 in ständigem Eingriff mit der Nockenbahn 48
gehalten. Bei einer Verstellung des Nockenelements 46 in der mit einem
Pfeil 52 bezeichneten Richtung rollt der Bahnfolger 50 an der Nocken
bahn 48 ab und bewirkt eine gleichzeitige Verstellung des Schlauch
quetschorgans 34 in der durch einen Pfeil 54 bezeichneten Richtung.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 weist die Nockenbahn 48 eine
zur Verstellrichtung 52 schräg geneigte Rampenfläche 49 auf. Es ist
denkbar, dass die beiden Ventilendstellungen, also die Sperrstellung des
Schlauchquetschorgans 34 und die den Füllschlauch 14 vollständig
freigebende Öffnungsstellung des Schlauchquetschorgans 34, im Bereich
der Rampenfläche 49 liegen, d. h. dass der maximale Bewegungshub des
Nockenelements 46 so eingestellt ist, dass der Bahnfolger 50 stets im
Bereich der Rampenfläche 49 bleibt und diese nie verlässt. Falls der
Bahnfolger 50, das Nockenelement 46 und der Elektromotor 44 nicht in
selbsthemmender Verbindung stehen und der Elektromotor 44 keine
ausreichende Haltekraft besitzt, müsste dann aber der Elektromotor 44
ständig bestromt werden, um das Schlauchquetschorgan 34 konstant in
einer den Füllschlauch 14 mindestens teilweise öffnenden Stellung halten
zu können. Dies kann dadurch vermieden werden, dass die Rampenfläche
49 durch mindestens eine im Wesentlichen parallel zur Verstellrichtung
52 verlaufende, geradlinige Stufenfläche 56 ergänzt wird, die eine
Raststellung für das Schlauchquetschorgan 34 definiert. Wenn der
Bahnfolger 50 an einer solchen Stufenfläche 56 anliegt, kann der Elek
tromotor 44 stromlos gemacht werden; dennoch wird das Schlauch
quetschorgan 34 in der zugehörigen Raststellung gehalten. Wenn in der
Wäge-Dosierbetriebsart eine stufenweise Änderung des Durchsatzes
durch den Füllschlauch 14 gewünscht ist, können durchaus mehrere
solcher Stufenflächen 56 am Nockenelement 46 vorgesehen werden, die
durch Rampenflächenabschnitte miteinander verbunden sind. In der den
Füllschlauch 14 vollständig abquetschenden Sperrstellung des Schlauch
quetschorgans 34 kann der Kontakt zwischen dem Bahnfolger 50 und
der Nockenbahn 48 aufgehoben sein, da die zum Abquetschen des
Füllschlauchs 14 notwendige Kraft vollständig von der Schließfeder 40
aufgebracht wird und der Nockenantrieb 42 nur zum Öffnen des
Schlauchquetschventils 16 benötigt wird.
Es versteht sich, dass an sich beliebige Gestaltungen der Nockenbahn 48
möglich sind, mit denen sich verschiedenste Abhängigkeiten zwischen
der Position des Nockenelements 46 und dem resultierenden Öffnungs
grad des Schlauchquetschventils 16 realisieren lassen.
Der Nockenantrieb 42 hat den Vorteil, dass sich mit ihm das Schlauch
quetschventil 16 sehr genau, schnell und mit hoher Reproduzierbarkeit in
eine gewünschte Stellung einstellen lässt. Die elektromotorische Betäti
gung ermöglicht eine hohe Dynamik. Dies gilt insbesondere dann, wenn
der Elektromotor 44 von einem Linearmotor gebildet ist. Es versteht sich
jedoch, das auch andere Motortypen verwendet werden können, etwa
ein Servomotor.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Nockenelement 46 gemäß Fig. 3 bei
einer abgewandelten Ausführungsform durch ein anderes Nockenelement
ersetzt sein kann, welches zur Steuerung des Schlauchquetschorgans 34
beispielsweise eine Drehbewegung um eine betreffende Drehachse oder
ggf. eine hin- und hergehende Schwenkbewegung ausführt.
Ein Schlauchquetschventil nach der Erfindung, insbesondere in der Bauart
gemäß Fig. 3 oder ggf. in der vorstehend angesprochenen abgewandel
ten Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Schließvorgang und der
Öffnungsvorgang sehr schnell ablaufen können, was insbesondere für die
Zeit-Druck-Dosierbetriebsart wichtig ist, damit enge Dosiertoleranzen
eingehalten werden können. Darüber hinaus bietet das Schlauchquetsch
ventil nach der Erfindung die Möglichkeit, den Durchlassquerschnitt des
Füllschlauchs präzise und reduzierbar vom Maximalwert auf einen kleine
ren Wert einzustellen, was für die Wäge-Dosierbetriebsart von Bedeutung
ist, um eine "Füllkennlinie" realisieren zu können, wie sie z. B. in Fig. 2b
dargestellt ist.
Die Einrichtung zum dosierten Abfüllen einer Flüssigkeit nach der Erfin
dung kommt somit für beide Dosierbetriebsarten, nämlich Zeit-Druck-
Dosierbetriebsart und Wäge-Dosierbetriebsart, mit einem steuerbaren
Ventil, vorzugsweise Schlauchquetschventil 16 nach der Erfindung pro
Abfüllstelle aus. Hierin liegt insofern eine Besonderheit, als bisherige
Systeme für Wäge-Dosierung mit anderen Füllventilkonstruktionen
ausgerüstet wurden, als Zeit-Druck-Dosiersysteme. Die konventionell für
die Wäge-Dosierung verwendeten insbesondere zweistufigen Ventile
weisen zwar eine relativ gute Wegsteuerungsgenauigkeit bzw. Quer
schnittsdrosselungsgenauigkeit auf, nicht jedoch die für die Zeit-Druck-
Dosierung erforderliche Dynamik bzw. Schnelligkeit beim Öffnungs- und
Schließvorgang. Andererseits konnten mit den für das Zeit-Druck-Dosie
ren optimierten schnell schließenden Ventilsystemen üblicherweise keine
Querschnittsdrosselungsgenauigkeiten erzielt werden, wie sie für das
Wäge-Dosieren gefordert sind.
Durch die Verwendung jeweils ein und desselben Ventils pro Abfüllstelle
für beide wahlweise einstellbaren Dosierbetriebsarten wird folgende
Verfahrensweise nach der Erfindung möglich. Zu Beginn des Abfüllens
eines Ansatzes oder einer Charge in Behälter 12 wird zunächst die Wäge-
Dosierbetriebsart gewählt, wobei die Dosiersteuereinrichtung die jeweilige
Füllzeit betreffender Behälter 12 in Abhängigkeit von den beim Wäge-
Dosieren eingestellten Zuständen des betreffenden Dosierventils 16 und
ggf. weiterer Parameter, etwa den mit dem Sensor 20 gemessenen Druck
erfasst, um auf der Basis dieser Zeiterfassungs- und Ventilzustandsinfor
mationen die Steuerzeiten für die nachfolgend einzustellende Zeit-Druck-
Dosierbetriebsart zu berechnen und die Zeit-Druck-Dosierbetriebsart dann
entsprechend durchzuführen. Dem vorstehend genannten Aspekt der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass in der Wäge-Dosierbetriebsart
Systemparameter ermittelt werden können, die dann zur Steuerung der
Zeit-Druck-Dosierbetriebsart auf ein und derselben Dosiereinrichtung
genutzt werden können.
Wie erwähnt, bietet es sich an, beim Abfüllen einer jeweils neuen Charge
zunächst die Wäge-Dosierbetriebsart zu wählen, um gleich zu Beginn
korrekte Dosierergebnisse ohne Ausschussproduktion zu erhalten und
gleichzeitig Informationen für eine optimierte Steuerung des folgenden
Zeit-Druck-Dosierens zu gewinnen. Andererseits ist es auch möglich, die
zunächst gewählte Zeit-Druck-Dosierbetriebsart zu unterbrechen, um
zwischenzeitlich die Wäge-Dosierbetriebsart zu nutzen, um die Parameter
für die Zeit-Druck-Dosierbetriebsart zu überprüfen und ggf. zu korrigieren,
so dass dann wieder die Zeit-Druck-Dosierbetriebsart mit entsprechend
korrigierten Steuerungsparametern ablaufen kann.
Eine weitere Verfahrensvariante zur Ermittlung von Prozesssteuerungs
parametern für die Zeit-Druck-Dosierbetriebsart besteht darin, einen
betreffenden Behälter während eines bestimmten Zeitintervalls unter
definierten Ventilöffnungsbedingungen (normalerweise maximale Ventil
öffnung) zu befüllen, wobei jedoch noch nicht die Soll-Füllmenge erreicht
werden soll. Das Zeitintervall kann beispielsweise so abgeschätzt sein,
dass unter den gegebenen Bedingungen maximal 80% der Soll-Füllmenge
des betreffenden Behälters erreicht wird. Nach Ablauf dieses Zeitinter
valls erfolgt dann unter Kontrolle der Dosiersteuereinrichtung eine Brutto
wägung des Behälters, um die Gewichtszunahme aufgrund der Befüllung
während des bestimmten Zeitintervalls festzustellen. Sofern nicht von
einem im Voraus bekannten Taragewicht der Behälter ausgegangen
werden kann, wird der Befüllung des betreffenden Behälters in der hier
beschriebenen Betriebsart eine Tarawägung vorauszustellen sein. Aus
dem Ergebnis der Bestimmung des Gewichts der während des bestimm
ten Zeitintervalls in den betreffenden Behälter eingefüllten Flüssigkeits
menge und ggf. weiterer Systemparameter, wie etwa dem Abfülldruck
der Flüssigkeit, ermittelt die Dosiersteuereinrichtung dann die Ventilöff
nungszeiten für die nachfolgend einzustellende Zeit-Druck-Dosierbetriebs
art. Der während des bestimmten Zeitintervalls nur teilweise, beispiels
weise bis auf 80% der Soll-Füllmenge aufgefüllte Behälter wird schließ
lich in der Wäge-Dosierbetriebsart bis auf den Dosiersollwert gefüllt, so
dass die zuvor geschilderte Ermittlung von Steuerparametern für die Zeit-
Druck-Dosierbetriebsart nicht mit Ausschussproduktion verbunden ist.
Normalerweise wird man mehrere Behälter 12 in der vorstehend be
schriebenen Weise behandeln, um eine statistische Auswertung der dabei
erhaltenen Ergebnisse zum Zwecke der Bestimmung von Steuerparame
tern durchführen zu können.
Die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung erlaubt somit die Durchführung
unterschiedlicher Verfahren, bei denen bei der Abfüllung einer Charge
oder eines Vorrats die Dosierbetriebsart gewechselt wird, um von den
oben beschriebenen Vorteilen Gebrauch zu machen.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die vorhandenen Waagen bei der
Dosiereinrichtung nach der Erfindung auch in konventioneller Weise zur
In-Prozess-Kontrolle beim Zeit-Druck-Dosieren verwendet werden können.
Dabei wird stichprobenweise eine Tarawägung und eine Bruttowägung an
den betreffenden Behältern durchgeführt. Falls das Wägeergebnis eine
Abweichung vom Sollwert ergibt, korrigiert die Dosiersteuereinrichtung
die Ventilöffnungszeiten in der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart in der Weise,
dass einer solchen Abweichung entgegengewirkt wird.
Claims (10)
1. Abfülleinrichtung zum dosierten Abfüllen einer Flüssigkeit in Behäl
ter (12), mit einer Druckmesseinrichtung (20) für die abzufüllende
Flüssigkeit und einer die Befüllung der Behälter steuernden Dosier
steuereinrichtung (18), welche dazu ausgebildet ist, zur Befüllung
eines Behälters (12) in einer Zeit-Druck-Dosierbetriebsart einen
Flüssigkeitsstrom in diesen Behälter (12) für eine vom gemessenen
Flüssigkeitsdruck abhängige Zeitdauer freizugeben,
dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Wiegeeinrichtung (24)
vorgesehen ist, um während der Befüllung eines Behälters (12)
dessen Gewicht zu messen, wobei die Dosiersteuereinrichtung
(18) dazu ausgebildet ist, in einer wahlweise einstellbaren Wäge-
Dosierbetriebsart den Flüssigkeitsstrom in einen der Gewichts
messung unterzogenen Behälter (12) in Abhängigkeit vom gemes
senen Gewicht dieses Behälters (12) und einem vorbestimmten
Soll-Gewicht dieses Behälters (12) zu steuern.
2. Abfülleinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiersteuereinrichtung (18)
dazu ausgebildet ist, den gesamten Füllvorgang eines Behälters
(12) wahlweise in der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart oder in der
Wäge-Dosierbetriebsart zu steuern.
3. Abfülleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiersteuereinrichtung (18)
dazu ausgebildet ist, eine erste Phase des Füllvorgangs eines
Behälters (12) in der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart und eine an
schließende Restphase des Füllvorgangs dieses Behälters (12) in
der Wäge-Dosierbetriebsart zu steuern.
4. Abfülleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Füllgradüberwachungsein
richtung (26) Informationen über den Füllgrad eines die abzufül
lende Flüssigkeit enthaltenden Vorrats (10) an die Dosiersteuer
einrichtung (18) liefert und dass die Dosiersteuereinrichtung (18)
oberhalb eines vorbestimmten Füllgrads des Vorrats (10) den
gesamten Füllvorgang jedes Behälters (12) in der Zeit-Druck-Do
sierbetriebsart steuert und bei Unterschreiten dieses vorbestimm
ten Füllgrads zumindest eine Endphase des Füllvorgangs jedes
nachfolgenden Behälters (12) in der Wäge-Dosierbetriebsart steu
ert.
5. Abfülleinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiersteuereinrichtung (18) bei
Unterschreiten des vorbestimmten Füllgrads des Vorrats (10) von
der Zeit-Druck-Dosierbetriebsart auf die Wäge-Dosierbetriebsart
umschaltet und den gesamten Füllvorgang jedes nachfolgenden
Behälters (12) in der Wäge-Dosierbetriebsart steuert.
6. Abfülleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung des Durchlass
querschnitts eines Füllschlauchs (14) ein Schlauchquetschventil
(16) vorgesehen ist, dessen Schlauchquetschorgan (34) mittels
eines von der Dosiersteuereinrichtung (18) steuerbaren Antriebs
(42) verstellbar ist, wobei der Antrieb (42) ein relativ zu dem
Schlauchquetschorgan (34) verstellbares Antriebsorgan (46)
aufweist, welches in einer Nockenbahn-Bahnfolger-Verbindung
(48, 50) mit dem Schlauchquetschorgan (34) steht.
7. Abfülleinrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schlauchquetschorgan (34)
durch eine Schließfeder (40) in Richtung auf eine den Füllschlauch
(14) vollständig abquetschende Sperrstellung hin vorgespannt ist
und durch den Antrieb (42) gegen die Wirkung der Schließfeder
(40) zu öffnen ist.
8. Abfülleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsorgan (46) quer zur
Verstellrichtung (54) des Schlauchquetschorgans (34) linear ver
stellbar ist.
9. Abfülleinrichtung nach einem der Ansprüche 6-8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsorgan (46) elektromo
torisch verstellbar ist, insbesondere mittels eines Linearmotors
(44).
10. Abfülleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiersteuereinrichtung (18)
insbesondere in der Wäge-Dosierbetriebsart einzusetzende Mittel
zur Erfassung der Abfüllzeit in Abhängigkeit von der jeweiligen
gewichtsmäßig mittels der Wiegeeinrichtung (24) bestimmten
Abfüllmenge aufweist und dazu eingerichtet ist, die ermittelten
Abfüllzeit-Abfüllmengeninformationen auszuwerten, um Soll-Abfüll
zeiten für die Befüllung von Behältern (12) in der Zeit-Druck-Do
sierbetriebsart zu bestimmen.
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