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Anwendungsgebiete
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Die
Erfindung der Durchfluss-Mess- und Regel-Einrichtung wird eingesetzt,
um bei Dosieranlagen für
die Applikation von Heisskleber oder ähnlichen heissen und/oder sehr
zähfliessenden
und/oder sehr adhäsiven
Medien dafür
zu sorgen, dass sich langsam bildende Verstopfungen in den Leitungen der
Anlage frühzeitig
zu erkennen.
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Zweck
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Die
Durchfluss-Mess- und Regel-Einrichtung in Dosier- und Applikations-Anlagen
für Heisskleber- oder ähnliche
heisse und/oder sehr zähfliessende und/oder
sehr adhäsive
Medien dient dazu, auch bei derartigen Medien eine Durchflussmessung
zu ermöglichen,
die:
- • für eine Durchflußmengen-Regelung
ausreichend genau ist und
- • gegenüber den
bisher üblichen
extrem wartungsintensiven Mess-Komponenten mit beweglichen bzw.
rotierenden Elementen einen fast wartungsfreien Betrieb gewährleistet
wodurch überhaupt
erst eine wirtschaftliche Erfassung der Durchfluss-Menge ermöglicht wird.
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Mit
der Ermöglichung
der wirtschaftlich vertretbaren Durchflussmengen-Messung während der Fertigung
können
nun nicht vermeidbare Ablagerungen von aushärtendem Material in der Applikations-Anlage
so rechtzeitig erkannt werden, dass:
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- • mit
einer rechtzeitigen Reinigung in den Produktions-Pausen ein Stillstand
während
einer Produktionsschicht vermeiden werden kann
- • bei
sich langsam bildenden Verstopfungen dem daraus anwachsenden Staudruck
durch Steigerung des Material-Förderdrucks
so entgegen gewirkt werden kann, dass eine konstante Material-Ausbringung
erhalten werden kann
- • bei
Anlagen zur Aufbringung von aneroben Klebstoffen (welche metallische
Komponenten im Materialweg wie Ventile und Rohre chemisch zersetzen
und sich an ihnen anlagern) eine Abschätzung der durch diesen Klebstoff
verursachten Materialschäden
und Material-Verstopfungen im Materialflussweg zu ermöglichen
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Stand der Technik
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Die
in den Fertigungsstrassen heute übliche Applizierung
von Heisskleber oder ähnlichen
heissen und/oder sehr zähfliessenden
und/oder sehr adhäsiven
Medien auf Fertigungsteile z. B. in der Automobil- oder Küchengeräte-Industrie
wird ohne Erfassung der Material-Durchfluss-Menge
durchgeführt,
da sich eine für
eine Steuerung ausreichend genaue Erfassung bei gleichzeitiger Erhaltung
des Grads der Wartungsfreiheit der Anlage als nur unter grössten Aufwendungen
realisierbar herausgestellt hat.
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Hieraus
ergeben sich nachfolgend beschriebene Beeinträchtigungen für den Fertigungs-Ablauf:
- – aushärtende Material-Partikel
setzen die Zuführungsleitungen
und die Auftrags-Düse
langsam zu
- – durch
das Zusetzen der Anlage im Produktionsverlauf muss der Applikations-Druck
manuell erhöht
werden, um gegen den Durchflusswiderstand der Zusetzungen eine gleichmässige Auftragsmenge
beizubehalten, was den benötigten Energie-
und auch den Überwachungs-Aufwand erhöht
- – an
einem bestimmten Punkt der Ausbreitung der Zusetzungen sind die
Förderpumpen
nicht mehr in der Lage, den Förderdruck
zu liefern, um genug Material an den Durchflusswiderständen der
Zusetzungen vorbei zu fördern,
um die notwendige Auftragmenge applizieren zu können.
Die gesamte Fertigungsstrasse
muss mitten während
der Betriebsschicht abgeschaltet werden, um die notwendige gewordene
und zeitraubende Wartung der Material-Applikationsanlage durchzuführen. Es
entsteht ein kostspieliger Produktions-Ausfall
- – für die Wartung
der Material-Applikations-Anlage ist dann oft eine Spülung mit
Lösungsmittel nicht
mehr ausreichend, da sich die Leitungen und die Auftragsdüse schon
zu weit mit Material-Resten zugesetzt haben. Der Tausch von Leitungen
und/oder Applizier-Düsen
wird notwendig
- – ohne
Durchfluss-Messung ist es notwendig, dass ein Mitarbeiter den Materialaustrag
während der
Produktionsschicht regelmässig
zumindest optisch kontrolliert
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Aufgabenstellung
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Dem
Gebrauchsmuster liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchfluss-Mess-Vorrichtung
zu schaffen für
Dosier- und Applizier-Anlagen, die mit Heisskleber oder ähnlichen
heissen und/oder sehr zähfliessenden
und/oder sehr adhäsiven
Medien arbeiten, um durch die Früherkennung
von Zusetzungen im Leitungssystem der Anlage und durch deren rechtzeitige
Behebung in den Schichtpausen einen störungsfreien Betrieb während einer
Arbeitsschicht zu ermöglichen.
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Dazu
gehört
die Erfüllung
folgender Anforderungen:
- – genaue Erfassung der Durchflussmenge
an Material
- – Durchfluss-Messung
bei bis zu vielen hundert Grad Celsius an Material- und Leitungs-Temperatur
- – Durchfluss-Messung
bei einem in seiner Fliessfähigkeit
stark schwankenden Medium
- – Durchfluss-Messung
bei einem Medium, das sich leicht an kleinen Kanten und rauhen Flächen im
Materialfluss-System absetzt und Verstopfungen bildet
- – Durchfluss-Messung,
ohne dabei bewegliche Teile im Durchfluss-Strom des zu messenden
Mediums einzubringen
- – Durchfluss-Messung,
ohne dabei einen beeinträchtigenden
Rückstau
zu erzeugen
- – Durchfluss-Messung
ohne dabei für
die Zusetzung geeignete Oberflächen
in das Leitungssystem einzubringen
- – Durchfluss-Messung
bei zähfliessenden
Medien
- – Durchfluss-Messung
bei Medien, die bei Betriebsunterbrechungen in den Leitungen aushärten können (z.
B. Erstarrung beim Abkühlen)
und dabei den Durchflussmesser nicht beschädigen dürfen
- – Durchflussmessung
bei stark adhäsivem
(klebrigen) Material
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Lösung
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Die
Durchfluss-Mess- und Regel-Vorrichtung für Dosier- und Applizier-Anlagen,
welche Heisskleber oder ähnliche
heisse und/oder sehr zähfliessende
und/oder sehr adhäsive
Medien verarbeiten, wird so ausgeführt, dass auch bei diesen Medien
eine wartungsarme und exakte Bestimmung der Durchflussmenge des
Materials ermöglicht
wird.
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Damit
kann wiederum dann einer Verstopfung der Zuleitungen und der Applizier-Düsen der Gesamtanlage
entgegen gewirkt werden und eine Früherkennung einer Verstopfung
wird ermöglicht.
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Die
Aufgabenstellung wird dabei dadurch gelöst, dass nachfolgend beschriebene
technische, konstruktive, sowie gestalterische Mittel eingesetzt werden
sowie eine neue konstruktive Kombination von heute verfügbaren technischen
Komponenten zum Zwecke der Erfüllung
des neuen gewünschten Funktionsumfangs
zur Anwendung kommt.
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Eine
Dosier- und Applizier-Anlage für
heisse und/oder sehr zähfliessende
und/oder sehr adhäsive Medien
wird mit einer oder mehreren Mess-Strecken ausgestattet, welche
einer Normdrossel ähneln,
wie sie üblicherweise
zur Volumenstrommessung bei hochkompressiblen Medien wie Gasen eingesetzt werden.
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Mit
dieser Mess-Strecke bzw. diesen Mess-Strecken wird eine Messung
des Durchflusses auf Basis der Erfassung der Druckminderung zwischen
einem Mess-Punkt vor und einem Mess-Punkt nach der Mess-Strecke
ermöglicht.
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Dabei
gilt: sinkt der Volumenstrom, so sinkt auch der Differenzdruck,
der zwischen der Druckmessung vor der Mess-Strecke und der Druckmessung
nach der Mess-Strecke erfasst werden kann, d.h. die geförderte Menge
an Material-Masse nimmt ab.
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Die
Mess-Strecke ist dabei ein normdrossel-artiges Gebilde (Bild 5) ähnlich einem
Venturi-Rohr (Bild
1) oder einer Normblende (Bild 2) oder einer Normdüse (Bild
4) oder einer Normstrecke (Bild 3), welches in seiner detaillierten
Formgebung durch empirische Versuche an das jeweilige Durchflussmedium
angepasst werden kann.
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Die
Mess-Strecke wird so ausgebildet und bezüglich der Auswahl des Materials,
aus dem sie hergestellt wird, so ausgeführt, das Zusetzungen und Verstopfungen
durch das hindurchfliessende heisse und/oder sehr zähfliessende
und/oder sehr adhäsive Medium
möglichst
weitgehend vermieden werden.
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Darüber hinaus
wird die Mess-Strecke so ausgebildet, dass sie den Materialfluss
so wenig wie möglich
behindert, d.h. der Innendurchmesser wird so gross wie möglich gewählt und
ist dabei noch eng genug zu halten, um noch sicher auswertbare Messergebnisse
für die
Differenzdruck-Messung zu erhalten.
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Diese
Dimensionierung erfolgt unter Berücksichtigung der Viskosität, Temperatur
und Klebekraft (im unverarbeiteten Zustand während des Materialtransports
im System) des durchfliessenden Mediums, des Durchmessers der Medium-Transportschläuche im
System, sowie der notwendigen Fördermenge.
Dabei wird auf Erfahrungswerte zurückgegriffen, die sich aus empirischen
Versuchen mit unterschiedlichen Medien ergeben, sowie auf praktische
Versuche mit der jeweiligen Dosier- und Applikations-Anlage, in
welche die erfindungsgemässe Volumenstrom-Messeinrichtung
integriert werden soll.
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Die
erfindungsgemässe
Mess- und Regel-Vorrichtung besteht demzufolge aus:
- – einem
oder mehreren üblicherweise
für Gase eingesetzten
Durchfluss-Widerstand (Drossel) innerhalb eines Fördersystems
(z. B. Rohr, Schlauch)
- – je
einem Druck-Messaufnehmer unmittelbar vor und nach dem Durchfluss-Widerstand
- – einer
elektronischen Recheneinheit, die aus den beiden gemessenen Drücken den
Differenzdruck ermittelt
- – einem
Referenz-Datensatz für
die Korrelierung von Differenzdruck und Durchflussmenge
- – einer
elektronischen Recheneinheit zur Auswertung der Mess-Ergebnisse
- – für den Fall
der Messung mehrerer Differenzdrücke
mit mehreren Mess-Strecken einer elektronischen Recheneinheit zum
Vergleich dieser Differenzdrücke
- – einer
elektronischen Recheneinheit zur Nachregelung und zur Auslösung von
Alarmsignalen, wobei
- – die
elektronischen Recheneinheiten auch in einem Prozessor/Computer
zusammengefasst sein können
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Ausführungsbeispiel
1:
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Das
Ausführungsbeispiel
1 besteht gemäss Bild
4 aus einer einfachen Vorrichtung zur Messung der Durchfluss-Menge
an Heisskleber oder ähnlichen heissen
und/oder sehr zähfliessenden
und/oder sehr adhäsiven
Medien.
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Beschreibung:
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Bild
1 zeigt einen Ablaufplan für
eine in einer Dosier- und Applizier-Anlage weiter zu pumpenden (Heissklebe-)Masse,
bei der die Fördermenge
der Masse mittels einer Widerstands-Mess-Strecke ermittelt wird.
Dabei wird vor und nach der Mess-Strecke jeweils der Druck gemessen. Über die
Druckdifferenz, welche gleichzeitig den Druckverlust zwischen den
beiden Messpunkten vor und nach dem Drosselglied darstellt, wird
der tatsächlich
durch die Anlage durchfliessende Volumenstrom an Heisskleber oder ähnlichen
heissen und/oder sehr zähfliessenden
und/oder sehr adhäsiven
Medien ermittelt.
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Hierbei
gilt: sinkt der durchfliessende Volumenstrom, so sinkt auch der
Differenzdruck zwischen dem vor der normdrossel-ähnlichen Mess-Strecke und nach
der Mess-Strecke gemessenen Absolutdruck.
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Die
genaue Bestimmung der Durchflussmenge, d. h. der Grösse des
Volumenstroms kann beispielsweise durch geeignete Formelberechnungen
in einer Auswerteeinheit (Computer) erfolgen. Für die Durchflussmengen-Bestimmung
durch Formelberechnung ist eine Anzahl von Formeln der Thermo- und
Fluid-Dynamik als Berechnungsgrundlage notwendig, die in der ISO
5167 für
die Durchflussmessung mit voll durchströmten Blenden, Düsen und
Venturi-Rohren runden Querschnitts genormt sind.
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Für das Gebrauchsmuster
sind diese Formeln hier jedoch nicht weiter relevant und werden deshalb
hier auch nicht explizit ausgeführt.
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Eine
genaue Bestimmung der Durchflussmenge ist aber auch einfach auf
Basis von Referenz-Messungen möglich,
die dann zur Erstellung von Vergleichs-Tabellen bzw. Vergleichs-Kennlinien herangezogen
werden.
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Eine
solche Referenzwert-Liste ist einfach zu erstellen, in dem man bei
der Inbetriebnahme der Anlage die geförderte Material-Menge innerhalb
eines bestimmten Zeitfensters einem dazugehörenden gemessenen Druckverlust
zuordnet.
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Mit
einer einfachen Auswerteeinheit (Computer), die zur Steuerung der
Anlage benutzt zu wird, lässt
sich dann die diesem Gebrauchsmuster zugrunde liegende neue Funktion
der Volumenstrom-Messung bei (mit den üblichen Flüssigkeits-Durchflussmessern
gemäss
dem Stand der Technik sonst nicht messbarem) Heisskleber oder ähnlichen
heissen und/oder sehr zähfliessenden
und/oder sehr adhäsiven
Medien verwirklichen.
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Damit
wird dann wiederum
- a) eine Qualifizierung der
Durchfluss-Menge jeder Mess-Strecke zur Frühwarnung vor Verstopfungen
mittels Meldung bzw. Anzeige von Schwellwerten
sowie - b) die aktive Nachregelung, um eine konstante Austragsmenge
zu gewährleisten
durchgeführt.
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Ausführungsbeispiel
2:
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Das
Ausführungsbeispiel
2 besteht gemäss Bild
5 aus einer umfassenderen, sich bezüglich des Durchfluss-Volumenstroms
nachregelnden Vorrichtung, bei der mittels einer doppelten Mess-Strecken-Durchfluss-Messung,
einer Überschussmaterial-Rückführung und
eines Proportionalventils die gewünschte Funktion erzielt wird.
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Beschreibung:
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Bild
5 zeigt eine einfache Funktionsdarstellung einer Dosier- und Applikations-Anlage
für Heisskleber
oder ähnlichen
heissen und/oder sehr zähfliessenden
und/oder sehr adhäsiven
Medien mit einem Übermengen-Rücklauf zum
Material-Vorratstank, der über
ein Ventil so gedrosselt wird, dass der Volumenstrom in Richtung
der Ausragsdüse
konstant gehalten wird. Das Ventil sorgt dabei für den notwendigen Rückstau,
um einen gleich bleibenden Volumenstrom in Richtung der Auftrags-Düse zu gewährleisten
und lässt
die von der Förderpumpe
darüber
hinaus zuviel geförderten
Material-Mengen zurück
in den Vorratstank fliessen.
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Sowohl
die Förderleitung
zur Auftragsdüse als
auch die Rückführleitung
werden dabei mit Hilfe von normdrossel-ähnlichen Mess-Strecken und Druckmessern
auf Basis der Druckverlust-Erfassung überwacht. Hieraus wird der
durchlaufende Volumenstrom erfasst, der mittels der Veränderungen
des Absolutdrucks sowie der Druckdifferenz (im Fachjargon = "Druckverlust") über die
Mess-Strecke hinweg ermittelt wird.
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So
wird dann letztendlich die Austrags-Menge gemessen und Zusetzungen
der Förderleitung werden über die
aufgenommenen Messwerte detektiert.
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Aus
den Druckverlust-Werten der beiden Mess-Strecken A und B in der
Austrags-Förderleitung
und im Rücklauf
lässt sich
der gesamte Förder-Volumen-Strom
sowie das Verhältnis
der beiden Förder-Volumina
zueinander bestimmen.
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Sinkt
der Druckverlust (= Differenz zwischen dem Eingangsdruck vor der
Mess-Strecke und dem Ausgangsdruck nach der Mess-Strecke), so sinkt auch
der geförderte
Volumenstrom. Aus den beiden Volumenstrom-Messwerten wird die Steuergrösse zur
Nachregelung des Rückstauventils
in der Rückflussleitung
errechnet.
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Diese
Berechnungen können
wie in Ausführungsbeispiel
1 sowohl über
Formelberechnungen als auch über
die Vorgabe von Soll- und Ist-Werten für die Regelung auf Basis empirisch
ermittelter Versuchsergebnisse (Kennlinien) erfolgen.
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Mit
der in Ausführungsbeispiel
2 angewandten Komponenten-Anordnung und der eingesetzten Regelkreise
wird dann wiederum:
- a) die Konstanthaltung
des Austrags-Volumenstroms
sowie - b)
die Früherkennung
möglicher
Zusetzungen im Fördersystem
durchgeführt.
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Figuren-Beschreibung – Bilder 1 bis 8
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Bild 1
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Bild
1 zeigt eine Mess-Strecke, die als Venturi-Rohr ausgebildet ist
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Bild 2
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Bild
2 zeigt eine Mess-Strecke, die Als Norm-Blende Ausgeführt ist
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Bild 3
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Bild
3 zeigt eine Mess-Strecke, die als Norm-Strecke ausgeführt ist
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Bild 4
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Bild
4 zeigt eine Mess-Strecke, die als Norm-Düse ausgeführt ist
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Bild 5
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Bild
5 zeigt ein Beispiel einer Mess-Strecken-Vorrichtung, die als individuelle
Lösung
für heisse,
zähfliessende
und klebrige Materialien geeignet ist
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Bild 6
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Bild
6 zeigt am Beispiel der Mess-Strecken-Vorrichtung aus Bild 5 einen
möglichen Druck-Unterschied (= Druckverlust)
zwischen Messpunkt 1 und Messpunkt 2
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Bild 7
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Bild
7 zeigt ein Materialfluss-Diagramm einer Dosier- und Applizier-Anlage
für heisse,
zähflüssige sowie
adhäsive
Medien, welche die erfindungsgemässe
Durchflussmengen-Mess-Vorrichtung
beinhaltet
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Bild 8
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Bild
8 zeigt ein Materialfluss-Diagramm einer Dosier- und Applizier-Anlage
für heisse,
zähflüssige sowie
adhäsive
Medien, welche die erfindungsgemässe
Durchflussmengen-Mess-
und Regel-Vorrichtung mit Messung sowohl im Applizier-Weg als auch in
einem zusätzlichen
Rückfluss-Weg
beinhaltet
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Alle
Komponenten-Bezeichnungen der Zeichnungen 1 bis 34 sind konsistent
ausgeführt.
- P1
- = gemessener Druck
VOR der Mess-Strecke
- P2
- = gemessener Druck
NACH der Mess-Strecke
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Vorteile
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Die
mit der erfindungsgemässen
Vorrichtung einer "Durchfluss-Mess-
und Regel-Einrichtung bei Dosier- und Applikations-Anlagen mit heissen und/oder
sehr zähfliessenden
und/oder sehr adhäsiven
Medien" erzielbaren
Vorteile bestehen insbesondere darin, dass:
- – eine genaue
Erfassung der Durchflussmenge an Material möglich ist
- – eine
Durchfluss-Messung auch bei sehr hoher Material- und Leitungs-Temperatur
möglich
ist
- – eine
Durchfluss-Messung bei einem in seiner Fliessfähigkeit stark schwankenden
Medium möglich
ist
- – eine
Durchfluss-Messung bei einem Medium möglich ist, das sich leicht
an kleinen Kanten und rauhen Flächen
im Materialfluss-System absetzt und Verstopfungen bildet
- – eine
Durchfluss-Messung möglich
ist, ohne dabei bewegliche Teile im Durchflussstrom des zu messenden
Mediums einzubringen
- – eine
Durchfluss-Messung möglich
ist, ohne dabei einen beeinträchtigenden
Rückstau
zu erzeugen
- – eine
Durchfluss-Messung möglich
ist, ohne dabei für
die Zusetzung geeignete Oberflächen
in das Leitungssystem einzubringen
- – eine
Durchfluss-Messung bei sehr zähfliessendem
Material möglich
ist
- – eine
Durchfluss-Messung bei einem Material möglich ist, das bei Betriebsunterbrechungen
in den Leitungen aushärtet
und dabei den Durchflussmesser nicht beschädigen darf
- – eine
Durchflussmessung bei stark adhäsivem (klebrigen)
Material möglich
ist
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Daraus
ergeben sich wiederum folgende Vorteile für die Fertigungsanlage, in
der die erfindungsgemässe
Vorrichtung eingebaut ist:
- – Vermeidung eines Stillstands
während
einer Produktionsschicht durch eine rechtzeitige Reinigung in den
Produktions-Pausen
- – Beibehaltung
einer konstanten Material-Ausbringung selbst bei sich langsam bildenden
Verstopfungen
- – Vermeidung
von stetig notwendigen manuellen Kontrollen während der Produktionsschicht
- – Ermöglichung
der Verwendung von für
die automatisierte Fertigung sonst nicht oder nur sehr schwer verwendbaren
Materialien