DE29909434U1

DE29909434U1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen eines Flüssigkeitsstroms

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Publication number: DE29909434U1
Application number: DE29909434U
Authority: DE
Original assignee: Oden Corp
Current assignee: Oden Corp
Priority date: 1999-05-29
Filing date: 1999-05-29
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2009-05-30

Description

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Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen eines Flüssigkeitsstroms, d.h. zur Durchführung eines Verfahrens zum Vermengen von zwei oder mehreren Flüssigkeiten, welche eine Charge oder Mixtur mit bestimmten Zusammensetzungen oder Mischungsverhältnissen bildet.

Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf eine neuartige Verwendung intermittierend betriebener Rotations-Verdrängungspumpen mit Servoantrieb, Durchflußmessern und Präzisions-Strömungsabsperrvorrichtungen zur Erzeugung wiederholter synchronisierter Dosierungen von zwei oder mehreren Flüssigkeiten in einem gemeinsamen Ort, wobei die Folge der synchronisierten, intermittierenden Dosierungszyklen eine Gesamt-Strömungsgeschwindigkeit einer in bestimmten Verhältnissen gemischten Flüssigkeit erzeugt, wobei die Ausströmung der Mischung aus der Vorrichtung beliebig gestartet und beendet werden kann, ohne negative Einflüsse auf die Genauigkeit der Mischungsanteile der verschiedenen Flüssigkeiten.

Hintergrund der Erfindung

Das Zusammenführen zweier oder mehrerer Flüssigkeiten zur Bildung einer definierten Mischung ist ein Basisverfahren bei der Durchführung vieler industrieller Verfahren sowie der Erzeugung verschiedener Produkte. Dieses Zusammenführen der Flüssigkeiten kann als Chargenbildung oder Mischung bezeichnet werden und ist wesentlich für unterschiedliche industrielle Bereiche einschließlich der Herstellung pharmazeutischer Produkte, biomedizinischer Produkte, Haushaltsprodukte, Kosmetika, petrochemischer Produkte, chemischer Produkte, der Lebensmittelverarbeitung und verschiedener anderer allgemeiner industrieller Flüssigkeitserzeugnisse.

In den meisten Fällen werden flüssige Produkte durch die Kombination relativ großer Mengen ihrer Bestandteile erzeugt. Die flüssigen Bestandteile werden in großen Tanks aufbewahrt und in den entsprechenden volumetrischen oder gewichtsmäßigen Verhältnissen in einen anderen großen Tank bewegt, wo die Mischung der Flüssigkeiten stattfindet. Dieses allgemeine Verfahren wird als Chargenherstellung bezeichnet.

Die Chargenherstellung von Flüssigkeiten weist einige Nachteile und Grenzen auf. Zum Beispiel werden große Tanks benötigt, und es werden typischerweise Chargen mit großem Volumen hergestellt. Diese großen Dimensionen erfordern einen beträchtlichen Produktionsraum, und große Chargenvolumen zwingen zu einem relativ festen und unflexiblen Herstellungsrhythmus. In der Regel werden großvolumige Chargen produziert, um die relative Ungenauigkeit bei der Messung der flüssigen Bestandteile zu überwinden. Große Volumen ermöglichen es, diese Fehler als Prozentsatz der gesamten Chargenmenge zu reduzieren. Ein weiterer Nachteil der Chargenherstellung ist, daß die Charge häufig ihre Theologische oder chemische Eigenschaften mit der Zeit ändert. Dieser Alterungseffekt ist vielen Zusammensetzungen zu eigen und erfordert die Durchführung einer Vielzahl von Einstellungen an den Verpackungsmaschinen, die zum Abfüllen der Flüssigkeit einer Charge in die Vertriebsbehälter verwendet werden. Die Chargenherstellung kann ebenfalls die Verwendung offener oder teilweise offener Tanks erfordern, wodurch die Flüssigkeiten der Atmosphäre ausgesetzt sind. Dies kann zu unerwünschten chemischen Reaktionen und zu Mikrobenbefall führen.

Die Chargenherstellung kann ebenfalls zu Schwierigkeiten beim Vermischen großer Volumen der Flüssigkeitskomponenten führen. Häufig können die Komponenten nur mit Schwierigkeiten vermischt werden und erfordern ein langwieriges Rühren zur Erzielung einer homogenen Mischung. Es ist auch bekannt, daß die unterschiedlichen Bereiche großer Tanks unterschiedliche Mischungsverhältnisse der Flüssigkeiten aufweisen können. Ebenfalls ist bekannt, daß aufgrund der üblicherweise zur Chargenbildung verwendeten großen Volumen das Reinigen langsam, arbeitsaufwendig und schwer zu automatisieren wird. Große Volumen von Reinigungsabwasser entstehen und führen zu Schwierigkeiten der Abfallbeseitigung und Umweltverschmutzung.

Aufgrund dieser Vielzahl erheblicher Unzulänglichkeiten und Grenzen wurden alternative Mittel zur Herstellung flüssiger Produkte gesucht. Ein zur Chargenbildung alternatives Verfahren wird als Durchlaufmischung (Mischung kontinuierlicher Ströme) bezeichnet.

Die Durchlaufmischung umfaßt das Prinzip der Verbindung der gemischbildenden Flüssigkeit zur Bildung eines flüssigen Produktes je nach Bedarf

oder Notwendigkeit. Im wesentlichen wird das Produkt nur wenn benötigt und in der benötigten Rate erzeugt. Die benötigte Rate hängt typischerweise von dem Bedarf der Füllmaschine zur Verpackung des flüssigen Produktes ab.
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Die Vorteile eines Durchlaufmischsystems gegenüber einem Chargensystem sind klar. Die Möglichkeit, die Herstellung sehr großer Einzelchargen flüssigen Produktes sowie die Verwendung großer Vorratstanks zu vermeiden, führt zu einem kleinen Systemvolumen, größerer Herstellungsflexibilitat, kürzeren Verarbeitungszeiten und erheblich geringeren Kapitalanforderungen. Die Durchlaufmischung kann auch zu einer erhöhten Genauigkeit und Qualität der Produktzusammensetzung führen und eine Trennung Flüssigkeitsverarbeitung von der Flüssigkeitsverpackung aufheben sowie erhebliche Einsparungen an Abfall, Reinigungszeit und Abwasservolumen herbeiführen. Weiterhin wird die Vermischung vereinfacht und Alterungseffekte des Produkts weitgehend beseitigt. Problematisch ist die Frage, wie ein Durchlaufmischsystem mit maximaler Mischgenauigkeit, Einsatzflexibilität und Verwendungsvielfalt in einem weiten Gebiet gewerblicher Felder geschaffen werden kann.

Eine Vielzahl von Konstruktionen für Durchlaufmischsysteme wurden vorgeschlagen, welche aus unterschiedlichen Industrien der Flüssigkeitsverarbeitung, insbesondere der Getränke- und Lebensmittel verarbeitung hervorgehen. Diese Konstruktionen waren Versuche zur Entwicklung und Vermarktung von Systemen zur kontinuierlichen Stromproportionierung oder -mischung auf der Grundlage von Strömungsverhältnisregelung unter Verwendung von Strömungsmeßgeräten und Proportional-Integral-Reglern mit Vorhalt (nachfolgend PID-Regler genannt) in Rückkopplungs-Regelschleifen. Zum Beispiel hat die Firma H & K Inc. aus New Berlin, Wisconsin, ein System namens "Contimix" auf der Grundlage dieses Konstruktionsansatzes eingeführt. Im allgemeinen regulieren derartige Konstruktionen die kontinuierlichen Strömungen von Flüssigkeitsströmen unter Verwendung von Ventilen mit variabler Durchlaßöffnung oder geschwindigkeitsgeregelten Pumpen, wobei das Strömungsgeschwindigkeitssignal eines Durchflußmeßgerätes, meist eines Coriolis-Massendurchflußmessers, verwendet wird, um im richtigen Verhältnis die Durchflußsteuerungsvorrichtung zu beeinflussen, um ein gewünschtes Durchflußverhältnis

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zwischen den Flüssigkeitsströmen zu erzielen, wobei ein weiteres Signal, welches den Gesamtbedarf des Systems wiedergibt, verwendet wird, um den Gesamtdurchfluß des Systems einzustellen.

Mehrere wesentliche Konstruktionsprobleme treten bei Durchlaufmischsystemen unter Verwendung dieser Durchfluß-Architektur auf. Erstens unterscheiden sich die Übertragungsverhalten und Einregelzeiten der verschiedenen Flüssigkeitsströme voneinander, wenn der Gesamtdurchfluß des Systems angehoben oder abgesenkt wird. So wird bei verschiedenen Gesamtdurchflußsignalen jeder Flüssigkeitstrom mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit reagieren, wodurch eine Abweichung vom gewünschten Strömungsverhältnis entsteht. Dieser Effekt wird durch Überschwingen oder Unterschwingen einzelner Ströme bei Annäherung an den neuen Regelpunkt verstärkt. Weiterhin kann die geänderte Strömungsgeschwindigkeit eines Flüssigkeitsstroms die Strömungsgeschwindigkeit der anderen Ströme beeinflussen und Nachlauf- oder Schwingungseffekte erzeugen. Derartige allgemeine Regelprobleme können einen beachtlichen Verlust der Genauigkeit des Mischungsverhältnisses verursachen. PID-Regelschleifen sind dazu ausgelegt, komplexe Systeme, deren Konstruktion nicht zu einer inhärenten Stabilität oder Kontrollierbarkeit führt, zu regeln oder "zähmen". Sie arbeiten mit mehreren zusammenwirkenden, abhängigen oder unabhängigen Variablen eines Flüssigkeitsstroms nicht in Echtzeit auf statistische Weise und wirken ändernden Parametern in rückschauender Weise entgegen.

Ein weiteres Problem kann entstehen, wenn eine Änderung des Rückkopplungssignals die Flüssigkeitsströmung dazu veranlaßt, kurzzeitig den erlaubten Bereich des Durchflußmeßgerätes, welches das Rückkopplungssignal erzeugt, zu überschreiten oder zu unterschreiten. Dies kann selbst mit Software- oder Hardware-Absicherungen auftreten, wobei die Notwendigkeit, eine Strömung durch einen Coriolis-Massendurchflußmesser in einem festgelegten Bereich zu halten, um zufriedenstellende Genauigkeit zu erzielen, einfach demonstrierbar ist.

Das größte bei diesen Konstruktionen und der PID-Regelarchitektur auftretende Problem entsteht wahrscheinlich mit der unausweichlichen Notwendigkeit, das Flüssigkeitsströmungssystem anlaufen zu lassen oder anzuhalten. Beim Anhalten/Anlaufen ist es äußerst schwierig, das System zurück auf

einen ausgewogenen (d.h. genauen) Strömungs- und Mischzustand zu bringen. Das Problem ist derartig dominant, daß nahezu alle installierten Systeme auf die Verwendung von Ausgleichsbehältern mit einer Kapazität von bis zu mehreren hundert Litern ausgewichen sind, um während eines kurzen Anhaltens der Abfüllmaschine eine Aufrechterhaltung der Mischungsströme zu ermöglichen.

Wenn die Mischströmung wegen eines längeren Abschaltens der Füllanlage angehalten werden muß, müssen selbst bei der Verwendung eines Ausgleichsbehälters beim Neustart die Flüssigkeitsströme entweder umgeleitet werden, bis korrekte Strömungsgeschwindigkeiten wieder hergestellt sind, oder der Ausgleichsbehälter muß sehr groß sein, um die statistische "Verdünnung" schlecht eingestellter Mischraten zu ermöglichen, um ein Abweichen von der genauen Mischung zu verhindern. Beide Methoden führen zu erheblichen Abfallmengen, herabgesetzter Mischgenauigkeit, gesteigerter Komplexität des Systems und einem gesteigerten Systemvolumen, wodurch die erwünschten Vorteile der Durchlaufmischung zunichte gemacht werden.

Ein weiteres wesentliches Problem entsteht bei PID-Regelvorrichtungen, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten zur Anpassung der variablen Abgabemenge geändert werden müssen. Wenn dies auftritt, ist das System gestört, und die Strömungsgeschwindigkeiten aller Flüssigkeitszuströme müssen verändert werden. Dies kann nur mit einer endlichen und begrenzten Geschwindigkeit geschehen, wobei die Änderungsgeschwindigkeiten bei den unterschiedlichen Flüssigkeitsströmungen selten übereinstimmen. Die Folge dieser system-inheränten Grenzen sind eine verzögerte Reaktion auf Strömungsgeschwindigkeits-Änderungssignale, Abweichungen vom Mischungsverhältnis während der Änderung und Überschwingen über den neu eingestellten Strömungswert. Diese Phänomene sind allgemeine Eigenschaften von PID-Regelsystemen und begrenzen die Gesamtleistung derartiger Systeme.

Obwohl es möglich ist, PID-Regler einzustellen, um dynamische Regelbegrenzungen und -ungenauigkeiten zu minimieren, kann bei einem Durchlauf-Mischsystem als Allzweck-Vorrichtung, die über einen weiten Bereich von Mischungsverhältnissen, Flüssigkeitseigenschaften und Strömungsge-

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schwindigkeiten arbeitet, eine PID-Regelschleife nicht sinnvoll optimiert werden.

Die Verwendung von Coriolis-Massenflußgeräten bei verschiedenen Durchlaufmischern ist beispielsweise bekannt aus der US-PS 5,325,852, der US-PS 5,481,986 und der US-PS 5,656,313.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Mischen eines Flüssigkeitsstroms zu schaffen, welche die vielen Nachteile der zuvor beschriebenen bekannten Mischsysteme und -verfahren beseitigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden kleine Zuflußdosiserungen der verschiedenen flüssigen Produkte intermittierend zugeführt, können jedoch in einem kontinuierlichen Strom entnommen werden. Die kleinen diskreten Zuflußdosierungen können auch als digitale Einheiten bezeichnet werden, so daß bei digitalem Zufluß eine digitale Mischung und eine digitale Dosierung erfolgt. Dieses Merkmal ermöglicht es insbesondere, die Vorrichtung in kurzen Intervallen anzuhalten und wieder anlaufen zu lassen, ohne daß die Mischgenauigkeit oder andere Leistungsparameter negativ beeinflußt werden. Dabei wird vorzugsweise die digitale Flußdauer gegenüber dem Signal einer Präzisionsuhr oder eines Präzisions-Zeitmessers gemessen. Dieses Signal kann auch zur Anpassung der Strömungsdauer jedes Flüssigkeitsstroms verwendet werden.

Die Dichte eines einen Mischungsbestandteil bildenden Flüssigkeitsstroms kann für die Ermittlung des Massenflusses ausgeschaltet werden, indem Coriolis-Massendurchflußmesser verwendet werden, welche jeweils den absoluten Massenwert einer digitalen Dosis angeben, wobei die Strömungsgeschwindigkeit angehoben oder abgesenkt wird, um synchrone Strömungsgeschwindigkeiten jedes Stroms zu bewahren, und wobei derartige Änderungen in dem Intervall zwischen zwei digitalen Dosierungszyklen berechnet und durch Verstellung der Geschwindigkeit des Servomotors zum Antrieb der Pumpe eingestellt werden.

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Aufgrund des inkrementalen (digitalen) Mischstroms kann die Genauigkeit und Synchronität der Massendosierung überwacht und bei jedem digitalen Strömungszyklus eingestellt werden. Die durch jeden Strom ausgegebene Massendosierung entspricht unmittelbar dem Massenanteil der das Endprodukt bildenden Mischung, ohne daß hierbei Dichtenänderungen oder Strömungsgeschwindigkeiten der gemischbildenden Ströme oder des Endproduktstroms berücksichtigt werden müßten.

Der zu entnehmende kontiuierliche Strom kann entweder durch An/Aus-Modulation, durch beliebige analoge Modulation der Strömungsgeschwindigkeit von Null zu einem Maximalwert der jeweiligen Vorrichtung beeinflußt werden, wobei eine derartige Modulation keinen Einfluß auf die Gemisch-Zusammensetzung hat. Jeder Zustrom einer gemischbildenden Flüssigkeit erfolgt mit einer intermittierenden oder digitalen Strömungsgeschwindigkeit, so daß die Strömungsgeschwindigkeiten aller Zuströme um einen gemeinsamen Faktor erhöht werden können, um einen Gesamtstrom zu erzeugen, der gleich oder größer dem Wert des Entnahmestroms ist.

Die Dosierungsvorrichtung für jeden Zustrom umfaßt typischerweise einen Servo-Antriebsmotor mit einem zugeordneten Regler, eine Verdrängungs-Rotationspumpe, einen Coriolis-Massendurchflußmesser und einen absperrbaren Dosierstrom-Einspritzer. Die Coriolis-Massendurchflußmesser jedes Zustroms dienen der Ermittlung der totalen zugeführten Masse und nicht als Meßwertgeber in einer Regelschleife. Der gesamte Massenstrom wird durch digitale Ausgangssignale mit variabler Frequenz von den Durchflußmessern ermittelt.

Vorzugsweise ist die Strömungsgeschwindigkeit, mit der jede digitale Dosis durch den Coriolis-Massenmesser fließt und zugeführt wird, reguliert, um Abweichungen während der Periode der Massenzufuhr zu vermeiden. Die Regulierung erfolgt mittels des Rückkopplungssignals eines digitalen Dekodierers (z.B. inkrementaler Drehzahlgeber), der auf dem Servomotor montiert ist und direkt mit der Regelelektronik des Servo-Antriebs der Dosierungspumpe verbunden ist.

Die vorzugsweise Verwendung einer absperrbaren Einspritzdüse im Bereich der gemeinsamen Strömungszufuhr der digitalen Zuflußströme stellt eine hohe Präzision und Genauigkeit sowie Wiederholbarkeit der Massendosierung sicher und vermeidet den Rückfluß oder die Vermischung anderer flüssiger Bestandteile in die einzelnen Zuflußströme hinein.

Vorzugsweise erfolgt die erste Vermischung der synchron strömenden Flüssigkeitsströme in einer Mischkammer, wobei jeder Strom aus der Einspritzdüse derart ausgerichtet ist, daß er mit den anderen Strömen der anderen absperrbaren Einspritzdüsen zusammenprallt. Ein zweiter Mischungsschritt kann durch Verwendung einer bandartigen statischen Mischvorrichtung innerhalb der Leitung erfolgen. Nach der kinetischen Mischung kann der digitale Flüssigkeitsstrom unterteilt werden, um den Durchfluß durch mehrere parallele statische Mischelemente zu ermöglichen, mit dem Ziel, den Gegendruck zu reduzieren. Nach der kinentischen Mischung und der statischen Bandmischung kann der Strom in einer Verpackungseinheit oder einen Verpackungsbehälter unter Verwendung einer absperrbaren Einfülldüse am Ausgabepunkt in einer Abfüllmaschine verwendet werden.

Bei Bedarf kann die Massendosis jedes digitalen Zuflußstroms direkt am Einspritzpunkt in die kinetische Mischkammer abgegriffen und gemessen werden, um den dem jeweiligen Strom zugeordneten Coriolis-Massenmesser zu kalibrieren und überprüfen, wobei das Abgreifen unter Verwendung einer zweiten dem Strom zugeordneten abstellbaren Einspritzdüse geschieht.

Mehr als eine digitale Dosierungsvorrichtung kann zur Zufuhr einer bestimmten gemischbildenden Flüssigkeit verwendet werden, so daß höhere absolute Strömungsraten dieser bestimmten Flüssigkeit ohne die Verwendung größerer Servoantrieben, Pumpen und Massenmesser erreicht werden.

Durch die digitale Zuströmung werden mögliche Fehler in der Massenzusammensetzung auf einen digitalen Strömungszyklus beschränkt, da unabhängig von der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit eines Stroms dieser nur für einen kurzen Abschnitt des digitalen Stromzyklus vor der elektronisehen Korrektur von der synchronen Strömung abweichen kann (typischerweise 5 see). Unabhängig von der Änderung der Strömungsgeschwindigkeit wird der tatsächliche Massenanteil von dem vorgeschriebenen

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Massenanteil nur geringfügig abweichen, bis eine Korrektur für den digitalen Strömungszyklus durchgeführt wurde. Auf diese Weise ist das Ausmaß und die Größe eines Mischfehlers begrenzt.

Zwei unabhängige Alarmsysteme werden verwendet, um sicherzustellen, daß die Strömungsgeschwindigkeit durch jeden der vorhandenen Coriolis-Massendurchflußmesser innerhalb des optimalen Meßbereichs des Meßgerätes liegen. Der erste Alarm mißt die Frequenz des auf dem Servomotor montierten digitalen Inkremental-Dekodierers, um sicherzustellen, daß die Strömungsgeschwindigkeit durch den Durchflußmesser nicht unterhalb oder oberhalb des optimalen Bereichs des Meßgeräts liegt. Der zweite Alarm mißt das Durchfluß-Ausgangssignal variabler Frequenz des Meßgerätes, um sicherzustellen, daß die Strömungsgeschwindigkeit durch das Meßgerät nicht unterhalb oder oberhalb des optimalen Bereichs des Meßgeräts liegt.

Die Stromdosierungsvorrichtungen, d.h. die einzelnen Zuflußvorrichtungen, sind modular aufgebaut, wobei eine Reihe von Einheiten mit überlappenden Durchflußkapazitäten eine Anzahl verschiedener Massenverhältnisse zur Verfügung stellt, die zu einer Anwendung in einem weiten Bereich von Mischungszusammensetzungen geeignet ist. Die gleiche Stromdosierungsvorrichtung kann für die Verarbeitung von Flüssigkeiten mit sehr geringer Viskosität (wasserähnlich) und mit sehr hoher Viskosität (nicht freifließend) verwendet werden.

Es wird eine Vorrichtung geschaffen, die vor Ort im wesentlichen ohne die Notwendigkeit manueller Zerlegung gereinigt werden kann, und zwar sowohl ihre mechanischen als auch ihre elektronischen Bestandteile. Vorzugsweise wird die gemischte Flüssigkeit einem End-Mischtank zugeführt, wobei eine Kapazität des End-Mischtanks ausreichend ist, die dem Volumen zweier digitaler Dosierungszyklen der gemischbildenden Strömungskanäle entspricht.

Es werden vorzugsweise berechenbare Algorithmen durch die Steuerungselektronik der Vorrichtung verwendet, um automatisch die erforderliche Massendosierung in jedem Strömungskanal auf der Grundlage der Massenzusammensetzung der zu erzeugenden Flüssigkeit verwendet, so daß automatisch die Strömung der Massendosierung in der definierten synchronen

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Fließzeit erzeugt wird. Der digitale Massenstrom in dem End-Mischtank wird vorzugsweise mittels einer dem End-Mischtank zugeordneten Füllstandsüberwachung gestartet und gestoppt, so daß zu jeder Zeit das gemischte Endprodukt in dem Tank vorhanden ist und eine kontinuierliche Strömungsentnahme bis zu einer bestimmten maximalen Entnahmerate möglich ist, wobei gleichzeitig eine ausreichende Tankkapazität vorhanden ist, um einen vollständigen digitalen Dosierungsstrom von der Mischvorrichtung in den Tank über den maximalen Flüssigkeitsstand der Füllstandsüberwachung hinaus zu ermöglichen.

Zusammenfassend besteht die Erfindung aus einer Vorrichtung zur Erzeugung eines kontinuierlichen Gemischstroms, vorzugsweise auf der Grundlage des Massenverhältnisses von zwei oder mehr Flüssigkeiten. Jeder einzelne Flüssigkeitsstrom wird synchron dosiert in präzisem Massenverhältnis einem gemeinsamen Mischpunkt zugeführt. Der Durchfluß eines jeden Stroms ist entweder im An- oder im Auszustand und damit digital. Wiederholte Dosierungen in festgelegtem Massenverhältnis mit einem definierten und übereinstimmenden Strömungsintervall, nachfolgend als synchrone digitale Strömung bezeichnet, unterbrochen von definierten strömungsfreien Intervallen, bilden eine digitale Strömung bei einer Gesamtströmungsgeschwindigkeit, die ausreicht, um der erforderlichen Entnahmerate der gemischten Flüssigkeit zu entsprechen oder diese zu überschreiten.

Der genannte Servo-Antriebsmotor und sein Regler erzeugen eine intermittierende Strömungsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, eine definierte Massendosierung in einem präzise definierten Strömungsintervall zu bewegen. Das Strömungsintervall wird gegenüber einer Millisekunden messenden Präzisionsuhr gemessen. Der Coriolis-Massenmesser dient nur der Ermittlung des Gesamtmassenstroms, um die gewünschte Massendosierung während des definierten digitalen Strömungsintervalls festzulegen. Die Absperrvorrichtung für den Zuflußstrom stellt eine präzise Abgabe der Massendosierung zu dem gemeinsamen Mischpunkt sicher. Die Strömungsgeschwindigkeit wird automatisch durch die Steuerungselektronik eingestellt, bis die erforderliche Massendosierung in dem definierten Strömungsintervall abgegeben ist.

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Da jeder Zuflußstrom simultan beginnt und endet, unabhängig von der jedem Zuflußstrom zugeordneten Massendosierung, wird die Vermischung der Ströme an einem gemeinsamen Kreuzungspunkt zur Bildung einer definierten Mischung vereinfacht, indem gleichzeitig die kinetische Kollision der Ströme und die daraus erfolgende Durchmischung in einer Mischkammer bewirkt wird.

Die Mischvorrichtung kann beliebig gestartet werden und am Ende jedes definierten Dosierungsintervalls (typischerweise alle 5000 ms) gestoppt werden. Hierdurch wird es ermöglicht, die Vorrichtung bei der Flüssigkeitsverarbeitung zu verwenden, wenn häufige Starts und Stopps erforderlich sind, ohne negative Auswirkungen auf das Massenverhältnis oder die Mischleistung zu haben. Die Verwendung von PLC- (programmierbare Logic Controller) oder PC- (Personal Computer) Steuerungssystemen in Verbindung mit dem Signal einer Millisekunden- (1000 Hz) Präzisionsuhr ermöglicht die automatische Einstellung einer Massendosierung und einer Zuflußstrom-Synchronisierung von Beginn an sowie eine Selbstüberwachung und Selbstkorrektur der Massendosierung und der Strömungssynchronität bei jedem digitalen Strömungszyklus. Vorzugsweise erfolgt der Betrieb auf der Grundlage eines Massen-Mischungsverhältnisses, wobei geeignete Steuerungssoftware auch die Möglichkeit der Umrechnung in volumetrische Verhältnisse ermöglicht. Die Vorrichtung paßt sich automatisch Änderungen der Entnahme-Strömungsgeschwindigkeiten durch Variierung der Ausschaltzeiten (strömungsfreies Intervall) zwischen synchronen digitalen Dosierungen an und vermeidet so manuelle oder elektronische Anpassung oder Kalibrierung der Flüssigkeits-Zuflußströme, wenn der Entnahmebedarf variiert.

Zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Erfindung und weiterer Vorteile werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten

Ausführungsform einer digitalen Mischvorrichtung für eine kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom entsprechend der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten

Ausführungsform;

Fig.	3-5
Fig.	6
Fig.	7
Fig.	8

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schematische Darstellungen einer dritten bis fünften bevorzugten Ausführungsform;

die Möglichkeit der Abänderung der Ausführungsformen aus den Fig. 1-5 zur Ermöglichung einer Probenentnahme an jedem Zuflußstrom;

eine Steuerungsschaltung für die Ausführungsformen aus den Fig. 1-5;

eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer Dichteüberprüfung des erzeugten Gemischstroms der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 9 und 10 eine schematische Darstellung einer zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsform einer Dichteüberprüfung des erzeugten Gemischstroms.

Gemäß der Definition muß ein System zur Erzeugung eines kontinuierlichen Stroms einer Flüssigkeitsmischung an seiner Entnahmestelle das vollständig durchmischte Produkt in einer dem Entnahmebedarf entsprechenden Rate zur Verfügung stellen. Die Entnahmebedarfsrate wird im allgemeinen durch die Betriebsgeschwindigkeit einer Verpackungsvorrichtung für das flüssige Produkt definiert, welche durch das erfindungsgemäße Mischsystem zugeführt wird. Ein mit intermittierender An/Ausströmung (digitaler Strömung) arbeitendes mehrkanaliges Mischsystem, welches kleine synchronisierte Strömungschargen des flüssigen Produktes mit einer Rate erzeugt, die größer als die Entnahmerate ist, kann als kontinuierliche Gemischzufuhr dienen. Auf diesem zentralen Konzept baut die hier beschriebene Erfindung auf. Eine große Errungenschaft dieser kontinuierlichen Mischmethode ist die extrem hohe Massen-Dosierungsgenauigkeit (0,15% bis 0,25%) jeder einzelnen Gemischkomponenten, die durch Auslegung des Systems erzielt wird, welche die Fehlerquellen der bekannten rückkopplungsgeregelten Systeme ausschaltet. Das bei jedem Zyklus erzeugte Systemvolumen ist sehr klein, so daß nahezu das gesamte erzeugte Produkt am Ende eines Mischvorgangs verarbeitet werden kann. Schließlich kann die Entnahmerate des Systems unmittelbar und automatisch variiert werden, um den Entnahmeanforderungen zu entsprechen. Dies ist auf das digitale (an/aus) Design der Anlage zurückzuführen.

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Die Fig. 1 zeigt schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform der kontinuierlichen Flüssigkeitsmischvorrichtung mit digitaler Mischung, welche mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind lediglich zwei Zuflußstrom-Systeme dargestellt. Die Vorrichtung kann aber auch drei und mehr Zuflußvorrichtungen enthalten. Es gibt keine Grenze für die Anzahl der Zuflußströme. Aus diesem Grund zeigt Fig. 1 partiell einen dritten digitalen Zuflußstrom.

Während des Betriebs werden die verschiedenen Komponenten in dem exakt korrekten Massenverhältnis durch Coriolis-Massenmesser dosiert und in eine kleine Einspritzkammer, auch kinetische Mischkammer 16 bezeichnet, eingebracht. Jede Dosierung wird von einem Vorratsspeicher 48 zur Mischkammer 16 über Förder- und Einspritzmittel transportiert, welches eine Verdrängerpumpe 46, die durch einen geeigneten, digital geregelten Servomotor angetrieben wird, umfaßt, wobei die gepumpte Dosis durch ein Coriolis-Massenmeßgerät 12, 14 und eine absperrbare Einspritzdüse 18, 20 hindurchfließt. Die Einspritzmittel werden so gesteuert, daß während jedes Dosierungszyklus ein präziser Massenanteil zu einem gemeinsamen Mischpunkt transportiert wird. Auf diese Weise ist jede Dosis mit den anderen Dosierungen synchronisiert, so daß alle gleichzeitig starten und enden. Jede Dosis weist eine bekannte, präzise Wiederholbarkeit auf. Die absperrbare Einspritzdüse 18, 20 hat ein wirksames Absperrmittel am Ende ihres Strömungskanals. Dieses Mittel wird gelegentlich als Absperrdüse (cut-off nozzle) bezeichnet und ist gut bekannt. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die gesamte Dosierung jeder der flüssigen Komponenten in die Einspritzkammer 16 eintritt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform aus Fig. 1 schließt sich an die kinetische Mischkammer 16 ein statischer Rohrmischer 22 an, der anschließend in den End-Mischtank 24 führt, von dem das gemischte Produkt durch den Auslaß 25 entnommen wird. Durch den Aufbau der kinetischen Mischkammer 16 wird jede digitale Charge in dem korrekten Massenverhältnis der gemischbildenden Ströme durch die nachfolgende Dosierung aus der Kammer in den statischen Rohrmischer (bandartiger Mischer = ribbon type mixer) ausgestoßen. Während der Strömung der digitalen Dosierung findet eine simultane Einspritzung aller gemischbildenden Bestandteile in die Mischkammer 16 statt und erzeugt einen starken und sehr effektiven kineti-

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schen Mischvorgang. Bei einer zweiten, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die kinetische Mischkammer 16 in einen dynamischen, pumpengetriebenen Strömungskreis integriert, der eine Mischpumpe 26 umfaßt. Bei dieser Anordnung kann kein Teil einer beliebigen Dosierung in der Mischkammer verbleiben. Der dynamische Strömungskreis stellt sicher, daß alle eingespritzten Gemischbestandteile durch den Rohrmischer 22 in einer kontinuierlichen Bewegung hindurch bewegt werden.

Bei jeder der hier beschriebenen Vorrichtungen stellen die zweifachen Mischanordnungen sicher, daß auch geringfügige Abweichungen der Strömungssynchronisierung der Massenbestandteile während eines digitalen Dosierungszyklus keine Ungenauigkeiten des endgültigen Mischungsverhältnisses zur Folge haben.

Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform in Fig. 3, welche eine Variation der ersten Ausführungsform darstellt, wird die Strömung von der kinetischen Mischkammer auf mehrere statische Rohrmischer 22a bis 22d aufgeteilt. Dies ermöglicht eine Reduktion des Gegendrucks des Systems, wobei die erforderliche Durchflußgeschwindigkeit durch die statischen Mischelemente zur Erzielung einer effektiven Durchmischung aufrechterhalten bleibt.

In einer vierten, in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist eine Variation der Konstruktion aus Fig. 2 gezeigt, wobei die pumpengetriebene dynamisehe Durchmischung von dem kinetischen Mischungskreis getrennt ist und alternativ eine Pumpe 26 Flüssigkeit von dem End-Mischtank 24 entnimmt und in diesen Tank durch einen zusätzlichen Rohrmischer 28 wieder einbringt. Diese Anordnung ist in Fällen sinnvoll, in denen erhebliche Perioden ohne Bedarf der Entnahme aus dem Tank erwartet werden, in denen jedoch das gemischte Endprodukt in Bewegung gehalten werden muß.

Bei einer fünften, in Fig. 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird das kinetische Mischverfahren nicht eingesetzt. Alternativ führen die absperrbaren Einspritzvorrichtungen 18, 20 für den Dosierungsstrom direkt in den End-Mischtank 30 mit kontinuierlicher Flüssigkeitsentnahme, wo die Durchmischung durch einen Mischer 32 mit rotierenden Schaufeln erfolgt, der über einen Motor 34 angetrieben ist. Dieses Verfahren ist hilfreich,

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wenn die gemischbildenden Flüssigkeitsströme besonders einfach miteinander vermischen sowie in Fällen, in denen große Partikeleinschlüsse in den Zuflußströmen vorhanden sind. Diese Abbildung stellt auch ein synchronisiertes Chargen-Mischungssystem dar. Auch bei einer Verwendung als Chargen-Mischungssystem auf der Grundlage bestimmter Massenverhältnisse bietet der synchronisierte Zufluß jeder gemischbildenden Flüssigkeit in den Tank einen wichtigen Vorteil, indem er die Einfachheit und Gründlichkeit der Durchmischung fördert und die Vorteile der häufigen Überprüfung der Dosierungsgenauigkeit beibehalten bleiben.

Bei jeder der bevorzugten Ausführungsformen ist es möglich, eine separate absperrbare Düse 36,38 für jeden gemischbildenden Strom vorzusehen, mit dem Ziel, die Möglichkeit einer Probenentnahme aus jedem Zustrom zu ermöglichen. Wie in Fig. 6 dargestellt, ist dies eine wesentliche Eigenschaft dahingehend, daß in Verbindung mit der digitalen Dosierung eine unmittelbare empirische Kalibrierung und Überprüfung der Massenverhältnisse ermöglicht wird. Dies ist bei PID-geregelten Durchlaufmischvorrichtungen nicht möglich.

Im Betrieb sind die kombinierten Zuflußraten in den End-Mischtank zur kontinuierlichen Stromentnahme größer als die vorgesehene maximale Entnahmerate. Typischerweise ist die kombinierte Zuströmrate innerhalb einer Zeiteinheit etwa 30% größer als die Entnahmerate. Dies ermöglicht ein sehr enges und schnell reagierendes Einbringungs/Entnahmeverhältnis. In einem typischen Fall einer digitalen Strömung während fünf Sekunden bei dem 1,3-fachen der maximalen Entnahmerate mit einer Unterbrechung von einer Sekunde zwischen den digitalen Dosierungen ergibt sich eine gesamte digitale Zuströmrate zum End-Mischtank für die kontinuierliche Entnahme von dem 1,083-fachen der maximalen Entnahmerate.

Die erhöhten ZuStrömungsgeschwindigkeiten jedes der gemischbildenden Bestandteile ermöglicht kurze (typischerweise fünf Sekunden) synchronisierte Betriebszyklen für jeden Zuflußkanal mit Massenmeßgerät. Jeder Kanal wird elektronisch eingestellt, um das korrekte Massenverhältnis in der zulässigen Betriebsphase zu erreichen. Die Unterbrechungszeit zwischen den digitalen Dosierungen, typischerweise eine Sekunde, ermöglichen eine ausgiebige Überwachung und Berechnungen, die zur Bestätigung des

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genauen Massenverhältnisses einer Dosierung und der Synchronität der Zuflußströme erforderlich sind. Die Abschalt- oder strömungsfreie Periode ermöglicht ebenfalls die elektronische Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten der Dosierungsströme, je nach Erfordernis zur Aufrechterhaltung einer synchronen Strömung.

Die Wahl der Dosierungsdauer von fünf Sekunden hängt mit den Eigenschaften von Coriolis-Massendurchflußmessern zusammen. Jedes unterschiedliche Coriolis-Massenmeßgerät weist eine minimale und eine maximale Durchflußgeschwindigkeit auf, oberhalb oder unterhalb welcher die Meßgenauigkeit abnimmt. Weiterhin ist aufgrund der Anfangslatenz des Signals des Massendurchflußmessers eine minimale Durchflußmeßzeit mit jeder bestimmten Fließgeschwindigkeit innerhalb des Meßbereiches verbunden, um eine gewünschte Genauigkeit der Durchflußdaten zu erzielen. Im vorliegenden Fall ist eine Durchflußdauer von fünf Sekunden ausreichend, um eine maximale Genauigkeit des Massendurchflusses zu gewährleisten.

Bei der vorliegenden Erfindung kann die Genauigkeit zusätzlich verstärkt werden, indem die maximale Massendurchflußrate durch ein Massenmeßgerät mit beliebiger vorgegebener Größe auf 90% des vom Hersteller angegebenen Maximalwerts und die minimale Durchflußrate auf 20% oder mehr des vom Hersteller angegebenen Maximalwerts begrenzt werden.

Bei der vorliegenden Erfindung sind zwei getrennte und unabhängige elektronische Alarmüberwachungseinrichtungen vorgesehen, welche sicherstellen, daß die Massendurchflußrate durch jedes der Massenmesser nicht unterhalb oder oberhalb der genannten Grenzen liegt. Eine erste Alarmvorrichtung überwacht die Frequenz eines inkrementalen digitalen Dekodierers oder Drehzahlgebers 42 (siehe Fig. 5), der verwendet wird, um eine digitale Geschwindigkeitsregelung des Pumpenantriebs-Servomotors 44 zu bewirken. Der Motor 44 treibt eine Pumpe 46 an, um eine Flüssigkeit von einem Vorratsspeicher 48 (siehe z.B. Fig. 1) zu dem zugeordneten Coriolis-Massenmeßgerät 12 oder 14 und anschließend zu dem zugeordneten Dosierstrom-Einspritzmittel 18 oder 20 zu fördern. Der Flüssigkeitsstand in jedem Tank 48 wird durch einen Füllstandsüberwacher 50 (vgl. Fig. 8) kontrolliert. Da die Frequenz des Dekodierers 42 unmittelbar die Drehzahl der Pumpe 46 und damit die Strömungsgeschwindigkeit wiedergibt, kann

unmittelbar eine minimale und eine maximale Frequenz festgelegt werden, um einen Alarm für eine Strömung außerhalb des vorgegebenen Bereichs auszulösen. Auf die gleiche Weise ist ein zweiter unabhängiger Strömungsgeschwindigkeitsalarm vorgesehen, der sich auf die Überwachung des eine variable Frequenz aufweisenden Ausgangssignals des Massenmeßgerätes 12 oder 14 stützt und das gleiche Überwachungsverfahren anwendet.

Das bei jedem einzelnen Zuflußgerät verwendete Regelverfahren ist einzigartig und wesentlich für die Gesamtkonstruktion. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeitsdosis durch jedes Coriolis-Massenmeßgerät 12 oder 14 wird durch die zugeordnete Strömungspumpe 46 geregelt, welche unmittelbar mit einem Servomotor 44 gekoppelt ist. Ziel dieser Regelung ist es, die Strömungsgeschwindigkeit durch das Coriolis-Massenmeßgerät 12 oder 14 während einer Durchfluß-Meßperiode konstant zu halten. Der Servomotor 44 wird durch eine elektronische Servomotor-Regelung 52 geregelt, welche ein die Geschwindigkeit regelndes Rückkopplungssignal von einem inkrementalen Digitaldekodierer 42 erhält, der auf den Servomotor aufgebracht ist. Da der Dekodierer 42 vorzugsweise digital ist, ist er frei von Drift. Die Servomotor-Elektronik 52 ist in der Lage, eine sehr genaue Regulierung der Servomotor-Geschwindigkeit durchzuführen. Eine 100% ige Veränderung der an dem Servomotor 44 angreifenden Last erzeugt lediglich eine Drehzahländerung des Motors von einem Viertel eines Prozents. Eine derartig große Laständerung bei einem Servoantrieb in dem hier beschriebenen System ist extrem unwahrscheinlich und bildet einen sinnvollen Grenzparameter (Worst-Case-Parameter).

Das Aufrechterhalten einer konstanten volumetrischen Durchflußrate durch das Coriolis-Massenmeßgerät während der Durchflußmeßperiode ist eine Hauptanforderung zur Erzielung einer präzisen Massendosierung unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung. Somit ist die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit durch das Massenmeßgerät innerhalb von 0.25% um den Einstellpunkt herum zu halten, eine wesentliche Regeleigenschaft des Systems. Bei einer synchronen Durchflußperiode des Systems von 5000 ms repräsentiert eine Abweichung von 0,25 % 12,5 ms. Eine Veränderung des Durchflusses durch das Massenmeßgerät in dieser Größenordnung kann einen Massenströmungs-Meßfehler von nicht mehr als 25 % des

volumetrischen Fehlers erzeugen. Auf diese Weise kann in diesem Fall der Gesamtfehler nicht über 0,0625 % liegen.

Somit ist klar, daß die Strömungsgeschwindigkeit durch die Massenmeßgerate in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung allein durch die Servoantriebe geregelt werden, und es ist ebenfalls klar, daß das Zulassen einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit während der Messung des Massenstroms, wie es zur Zeit bei den vorbekannten Regelvorrichtungen der Fall und beabsichtigt ist, falsch ist.

Zwar ist der digitale inkrementale Digitaldekodierer 42 die bevorzugte Geschwindigkeits-Rückkopplungsvorrichtung bei der vorliegenden Erfindung, jedoch können verschiedene andere Vorrichtungen verwendet werden einschließlich Motorspannungs- oder -Strommeßgeräte, Drehzahlmesser und Geschwindigkeitsmesser.

Ferner ist zu erwähnen, daß bei dem Regelverfahren, das für jede einzelne Zustromvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, der Coriolis-Massendurchflußmesser lediglich dazu dient, den Wert des digitalen Massendosierungsstroms anzugeben. Dieses Meßgerät gibt ein Ausgangssignal mit einer Folge digitaler Impulse ab, wobei die Frequenz dieses Signals in direkter Abhängigkeit von dem Massenstrom variiert. Diese Impulsfolge wird im Vergleich mit einer vorgegebenen Anzahl durch eine Hochgeschwindigkeitszählvorrichtung 54 in der Steuerelektronik des Systems gezählt. Bei der vorliegenden Erfindung hat der Coriolis-Massendurchflußmesser keinerlei Regelverbindung oder -funktion in bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit der hindurchfließenden Flüssigkeit, mit Ausnahme der Anzeige, wenn eine gewünschte Massendosis durch die Vorrichtung hindurchgeflossen ist, worauf der Massenfluß durch das Meßgerät gestoppt wird.

Wenn die digitale Charge dosiert und vermischt ist, fließt sie in einen kleinen End-Mischtank 24. Die oben erwähnte 1 Sekunde dauernde Zyklusunterbrechung wird am Ende jeder digitalen Charge eingelegt, nach der eine zweite digitale Charge im Bedarfsfall erzeugt werden kann. Elektronische Füllstandsüberwacher 56 und 58 (Fig. 9) in dem kleinen Mischtank 24 sorgen für einen vollautomatischen Start der Chargenbildung. Diese Füll-

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standsüberwacher regeln auch den Gesamtfluß in dem System. So ist ein Füllstandsüberwacher 56 für den maximalen Füllstand derart in dem Tank angeordnet, daß ausreichend Kapazität für die Beendigung einer begonnenen digitalen Chargenbildung verbleibt. Auf ähnliche Weise veranlaßt ein "Start"-Füllstandsüberwacher 58 den Anlauf der digitalen Mischung, wenn der Füllstand in dem Tank unterhalb eines "Start"-Füllstandes fällt. Die Differenz zwischen dem Maximum- und dem Start-Füllstand ist in der Regel eng festgelegt und entspricht typischerweise der Summe der gemischbildenden Ströme in einem kompletten digitalen Zyklus. In der Praxis wird hierdurch der Füllstand des Tanks relativ nahe in der Region des "Start"-Füllstandsensors gehalten, da dieser tatsächlich die Schwelle darstellt, welche die digitale Chargenbildung auslöst. Bei Bedarf kann ein getrenntes Paar von Sensoren (nicht dargestellt) einerseits einen Überfluß-Alarm und andererseits einen Leerlauf-Alarm bilden, so daß ein Schutz gegen eventueile Füllungs-Fehlfunktionen besteht. Vorzugsweise wird das gesamte Systemvolumen der Mischvorrichtung so klein wie möglich gehalten. Ein kleines Systemvolumen minimiert die Verluste an fertiggestellter Flüssigkeitsmischung, die nicht verwendet werden kann, und reduziert erheblich die Volumen der Reinigungsabwässer. Es ist eine einzigartige Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, daß die Kapazität des End-Mischtanks zur kontinuierlichen Stromentnahme lediglich dem Volumen zweier digitaler Gemischdosierungen und typischerweise nicht größer als vier dieser Dosierungen ausgelegt werden kann. Selbstverständlich kann bei Bedarf der End-Mischtank vergrößert werden, um die Aufnahmekapazität für das gemischte Endprodukt zu erhöhen und somit die Entleerungszeit zu vergrößern.

Es ist ein wesentlicher Vorteil der neuartigen Mischkonstruktion zur kontinuierlichen Stromentnahme, daß ein angemessenes Tankvolumen zur Verfügung gestellt werden kann, um die Verfügbarkeit einer ausreichenden Menge gemischten Produktes zur Fertigstellung aller angefangenen Abfüllprozesse der Abfüllvorrichtung selbst bei Notabschaltung der Zuflußströme gewährleistet ist. Dieses stellt eine geordnete Abschaltung der Verpakkungsmaschine ohne die Gefahr von Teilfüllungen sicher. Es ist ebenfalls wesentlich zu erwähnen, daß jegliches Produkt, welches die Abfüllvorrichtung erreicht, aufgrund der konstruktiven Auslegung der Mischvorrichtung das korrekte Mischverhältnis aufweist. Keiner dieser Vorteile konnte mit den älteren Mischsystemen unter Verwendung von PID-Rückkopplungs-

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regelschleifen erreicht werden. Im Gegenteil, das Trockenlaufen einer Abfüllvorrichtung und Behälter mit falsch gemischten Produkten sind bekannte Probleme bei Systemen, welche PID-Regelschleifen verwenden.

Eine normale Tankauslegung bei der digitalen Dosierungsvorrichtung erfordert eine Überlaufkapazität des Tanks oberhalb des maximalen Pegels von nur einer "digitalen" Charge (bei etwa 750 Liter/min kontinuierlicher Entnahmekapazität entspricht eine Charge etwa 99 Litern.). Es ist zu beachten, daß der kontinuierliche Entnahmestrom aus dem End-Mischtank beliebig gestartet und gestoppt werden kann, ohne daß hierdurch ein Fehler auftreten kann, da jeder digitale Mischprozeß vollständig beendet werden kann, unabhängig von dem Status der Gemischentnahme aus dem Tank. Diese Trennung der Mischung und der kontinuierlichen Gemischentnahme ist ein einzigartiger und wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches hier beschrieben wird, ist eine maximale Entnahmerate von etwa 375 Liter/min vorgesehen. In der Praxis können Systeme mit einer maximale Entnahmerate von einem Bruchteil eines Liters pro Minute bis weit über 1000 Liter pro Minute eingesetzt werden.

Bei der vorliegenden Erfindung ist jeder Zustromkanal modular ausgelegt und besteht aus einer Servomotor getriebenen Präzisions-Dosierungspumpeneinheit 44,46 und einem entsprechend dimensionierten Coriolis-Massenmeßgerät 12 oder 14. Zusammen mit einem absperrbaren Dosierungsstrom-Einspritzer 18 oder 20 bilden diese Bauteile einen vollständigen Dosierungskanal. Die Auslegung mehrerer (typischerweise sieben) vorgefertiger modularer Kanalgrößen ermöglicht die Handhabung nahezu jeder Dosierungsgröße, je nach Erfordernis der gewünschten Gemischzusammensetzung.

Die Tatsache, daß jeder Kanal gegenüber einer Präzisionstaktfrequenz (erzeugt durch eine externe 1 KHz-Präzisionsuhr) kalibriert wird, deren Signal an alle Dosiserungskanäle gleichzeitig weitergeleitet wird, um die Übereinstimmung der Strömungsgeschwindigkeiten aller Kanäle zu gewährleisten, eliminiert sämtliche Fehlerquellen der vorbekannten Konstruktionen aufgrund von Strömungsgeschwindigkeitsanpassung zur Korrektur von Abweichungen von Mischungsverhältnissen oder der Entnahmerate. Diese Verfahrensweise vereinfacht ebenfalls erheblich die Steuerungsprogramme

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TABELLE 1

Typische Flüssigkeits-Dosierungskanäle

Kanalgröße 1

min. Durchflußrate max. Durchflußrate Coriolis-Meßgerät Dosierungspumpe

Kanalgröße 2

min. Durchflußrate max. Durchflußrate Coriolis-Meßgerät Dosierungspumpe

Kanal größe 3

min. Durchflußrate max. Durchflußrate Coriolis-Meßgerät Dosierungspumpe

Kanalgröße 4

min. Durchflußrate max. Durchflußrate Coriolis-Meßgerät Dosierungspumpe

Kanalgröße 5

min. Durchflußrate max. Durchflußrate Coriolis-Meßgerät Dosierungspumpe

Kanalgröße 6

min. Durchflußrate max. Durchflußrate Coriolis-Meßgerät Dosierungspumpe

Kanalgröße 7

Anm 1:
Anm 2:

min. Durchflußrate max. Durchflußrate Coriolis-Meßgerät Dosierungspumpe max. Durchflußrate min. Durchflußrate 0,067 kg/min 0,300 kg/min Endress & Hauser SOl Oden 125 T

0,336 kg/min 1,510 kg/min Endress & Hauser S02 Oden 657 T

1,54 kg/min 6,94 kg/min Endress & Hauser S04 Waukesha Universal Series Größe

6,67 kg/min 30,01 kg/min Endress & Hauser T08 Waukesha Universal Series Größe 6/15/18

21,59 kg/min 97,16 kg/min Endress & Hauser T15 Waukesha Universal Series Größe 15/18/60

59,88 kg/min 269,44 kg/min Endress & Hauser T25 Waukesha Universal Series Größe 30/60/130

149,69 kg/min 673,60 kg/min Endress & Hauser T40 Waukesha Universal Series Größe 60/130 ^: 90% der max. Durchflußrate des Meßgeräts 90% der min. Durchflußrate des Meßgeräts

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sowie die Berechnungen zur Einrichtung des Systems. Der große Funktionsbereich jedes Strömungskanals (typischerweise größer als 4:1) stellt sicher, daß das System erfolgreich in einem breiten Bereich von Gemischzusammensetzungen verwendet werden kann, ohne daß teure Neukonfigurationen oder Zusatzkonfigurationen erforderlich sind. Die Tabelle 1 zeigt die Konfiguration von sieben typischen Dosierungskanälen. Diese Konfigurationen haben in der Regel überlappende Durchflußraten und sind dazu ausgelegt, eine große Vielfalt unterschiedlicher Flüssigkeiten zu verarbeiten, einschließlich wasserartiger Flüssigkeiten und nicht frei fließender Flüssigkeiten sowie flüssige Schlämme und Flüssigkeiten mit festen Bestandteilen.

Obwohl die vorliegende Vorrichtung für die Erstellung von Flüssigkeitsgemischen mit festgelegtem Massenverhältnis ausgelegt ist, können selbstverständlich auch festgelegte Volumenverhältnisse über die bekannten Umrechnungsfaktoren von Masse- in Volumeneinheiten erstellt werden. Diese Umrechnungsprozeduren und Faktoren können in der Steuerungs-Software der Vorrichtung abgelegt werden. Ebenfalls können die Mischberechnungen je nach Einsatzort in beliebigen Einheiten (metrisches System, englisches oder US-amerikanisches System) durchgeführt werden.

Zur Programmierung der Steuerung, des Mischverhältnisses und zur Durchführung der oben genannten Berechnungsprozeduren steht vorzugsweise ein Misch-Computer 54, in der Regel ein leistungsfähiger PLC (programmable logic Controller) mit einem PC-gestützten User Interface (Benutzerschnittstelle) 62 mit LCD-Farbanzeige zur Verfügung.

Mit einer derartigen siebenkanaligen Anlage werden zur Getränkeherstellung beispielsweise Wasser mit mehreren (z.B. zwei) Geschmacksstoffen, Farbstoffen, einem Süßmittel und einem Konservierungsmittel vermischt.

Durch die unterschiedlichen Kanalgrößen können Massenanteile der unterschiedlichen Komponenten im Verhältnis von 1:60 und mehr realisiert werden. Für das Wasser, welches relativ konstante physikalische Eigenschaften (spezifisches Gewicht) aufweist, kann anstelle des Coriolis-Massenmeßgerätes ein sogenanntes magnetisches Durchflußmeßgerät verwendet werden, welches erheblich billiger ist und insbesondere bei recht konstanten Strömungsgeschwindigkeiten wie in dem vorliegenden System sehr gute Meßwerte liefert.

Die korrekte Massendosis jedes Kanals kann auf zwei unterschiedliche Weisen eingestellt werden. Wenn das Coriolis-Massenmeßgerät zuvor kalibriert wurde, kann die Massendosierung direkt in die Eingabeeinheit (z.B. in Kilogramm) über eine Benutzerschnittstelle eingegeben werden. Aufgrund dieser Eingabe kann der PC 54 eine vorgegebene Impulszahl an den PLC-Hochgeschwindigkeitszähler (nicht dargestellt) weitergeben, welche eine Massendosis repräsentiert. Der PC verwendet weiterhin eine Datentabelle, um die Servo-Antriebsgeschwindigkeit zu definieren, mit der die Massendosis innerhalb etwa 5000 ms gefördert wird.

Bei der zweiten Methode zur Festlegung der Massendosis kann ein praktisches Probenentnahme- und Kalibrierverfahren angewendet werden. Wie oben in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben, sind Mittel zur Probenentnahme an jedem Zuflußkanal vorhanden. Die entnommene Probe kann gewogen werden. Vornehmlich dient diese Probenentnahme der Überprüfung der Eingabe gemäß dem ersten Verfahren. Über die Benutzerschnittstelle wird an der Maschinensteuerung für einen bestimmten Kanal eine Probenentnahme-Prozedur aktiviert. Nach dem Wiegen wird das Gewicht der Probe in die Benutzerschnittstelle 62 des PCs eingegeben. Weiterhin können andere Prozeßvariablen, wie z.B. die Temperatur, in das PLC 54 mittels eines Sensors 63 eingegeben werden. Der PC dividiert das Probengewicht durch die Impulszahl der entsprechenden Massendosierung, welche von dem Massenmeßgerät während der Probenentnahme abgegeben wurde. Auf diese Weise wird die Impulszahl pro Masseneinheit erhalten. Der PC multipliziert die Impulszahl pro Masseneinheit mit der gewünschten Massendosis, so daß eine neue Impulszahl erhalten wird, die als Vorgabewert in den PLC-Hochgeschwindigkeitszähler eingegeben wird.

Die Zeit für eine digitale Dosis wird bei jedem Kanal auf 5000 ms durch Anpassung der Geschwindigkeit des Pumpenantriebs eingestellt.

Anschließend werden alle Zufuhrkanäle synchron betrieben, so daß sie jeweils in einem Intervall von 5000 ms die eingestellte Massendosis der Mischkammer zuführen. Es ist zu erwarten, daß aufgrund der gleichzeitigen Zuflußströme der Gegendruck an den unterschiedlichen Förderpumpen der Kanäle variieren wird. Typischerweise nimmt der Gegendruck zu, wodurch

selbst bei leistungsfähigen Rotationspumpen und Servoantrieben eine geringfügige Abweichung in der Strömungszeit zur Erzielung der korrekten Massendosierung eintritt. Aufgrund der Meßwerte der Massenmeßgeräte in Verbindung mit den Zeittaktwerten kann am Ende jedes Strömungszyklus bei jedem Kanal die Förderleistung nachgeregelt werden, so daß in dem vorgesehenen Zeitintervall von 5000 ms die gewünschte Dosis gefördert wird. Dabei ist kein manuelles Eingreifen des Bedienungspersonals notwendig, da die Konfigurationsdaten fest in dem System eingespeichert sind und die Nachregelung jedes Kanals automatisch erfolgen kann.

Es ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß die Synchronität der Strömung in jedem Strömungskanal mit jedem Dosierungszyklus überprüft werden kann. Dies beschränkt die maximale Fehlerrate und verhindert Wiederholungsfehler, so daß optimal gemischte, synchrone Strömungen bei jedem Zyklus auch unter sich ändernden Bedingungen gewährleistet sind. Die Überprüfungs- und Anpassungsberechnungen der Steuer- und Regelvorrichtung des Systems erfolgt in dem strömungsfreien Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Dosierungszyklen.

Sollte die erforderliche Anpassung beispielsweise durch Überschreitung der maximalen Geschwindigkeit des Servomotors nicht möglich sein, wird durch die Steuerungs-Software ein Alarmsignal abgegeben und über die Benutzerschnittstelle (Bildschirm) eine Diagnosemeldung an den Benutzer geleitet.

Zusätzlich werden durch die Steuerungs-Software umfangreiche mathematische Überprüfungen der Berechnungsgenauigkeit durchgeführt. Beispielsweise werden sowohl die vorgegebenen als auch die berechneten Dosierungen mit den gemessenen Dosierungen jeder digitalen Charge verglichen, um mathematische Berechnungsfehler zu ermitteln.

In Fällen, in denen eine bestimmte Flüssigkeit mit einer Rate zugeführt werden muß, welche die Strömungsgeschwindigkeit in dem größten Kanal übersteigt, ist es möglich und praktisch, den erforderlichen Massenstrom unter Verwendung zweier Kanäle zu fördern. Ebenfalls kann die Einstellung der Vorrichtung verändert werden, um die Herstellung der Endmischung bei einer reduzierten kontinuierlichen Entnahmerate im Rahmen der zulässigen Durchströmraten der verschiedenen Kanäle zur Verfügung zu stellen.

Da die vorliegende Erfindung dazu ausgelegt ist, die Flüssigkeiten in einem festgelegten Massenverhältnis zu vermischen und eine korrekte Massendosis jeder gemischbildenden Flüssigkeit zu liefern, selbst wenn die Dichte der Flüssigkeit variiert, ist es möglich, die zu erwartende Dichte der erzeugten Flüssigkeitsmischung zu kennen. Dies ermöglicht die Verwendung eines vollständig unabhängigen Coriolis-Massenmeßgerätes als unabhängige Überwachungsvorrichtung zur Überwachung und Gewährleistung des korrekten Betriebes der beschriebenen Mischvorrichtung. Dies ist insbesondere wichtig bei schwierigen Produktionsbedingungen wie beispielsweise bei der Herstellung pharmazeutischer Präparate.

Ein Coriolis-Massenmeßgerät ist ein hervorragender Densitometer sowie Durchflußmeßgerät. So ist ein Coriolis-Meßgerät in der Lage, die Dichte der erstellten Flüssigkeitsmischung in einem sehr engen Toleranzbereich, typischerweise bis zur zweiten oder dritten Dezimalstelle, zu bestimmen.

In der Praxis bietet die vorliegende Erfindung drei bevorzugte Mittel zur Prüfung der Enddichte.

Ein erstes bevorzugtes Mittel ist ein Massengerät 64, welches als Densitometer verwendet wird, und in Fig. 8 am Ausgang der Mischpumpe 26 angeordnet ist. Diese Methode erlaubt eine kontinuierliche Überprüfung und ermöglicht die Sicherstellung, daß eine komplette Durchmischung der Flüssigkeitsströme erfolgt. Dies ist der Fall, da typischerweise eine unvollständige Durchmischung durch Dichteschwankungen mittels dieses Meßgerätes erfaßt wird. Der gemessene Dichtewert des Gemisch-Überprüfungsmeßgerätes wird typischerweise dem Steuerungs-PLC zugeführt. Die Software bietet einen durch den Benutzer einstellbaren Grenzalarm, so daß das System angehalten wird, wenn die Probendichte oberhalb oder unterhalb eines festgelegten Grenzwertes liegt, der typischerweise als ein Bruchteil von einem Prozent des Zielwerts festgelegt wird. Die Zieldichte der Endmischung wird automatisch berechnet und festgelegt als Funktion der Steuerungs- und Zusammensetzungs-Software.

Bei der zweiten bevorzugten Methode der Dichteüberprüfung des erzeugten Gemischstroms wird - wie in Fig. 9 gezeigt - das Dichte-Überprüfungs-

meßgerät 64 an den Ausgang der Mischkreispumpe entsprechend der Konstruktion aus Fig. 4 angeschlossen, wobei die Mischpumpe in diesem Fall einen Mischkreis speist, der von der kinetischen Mischkammer unabhängig ist. Wie im ersten Fall wird der ermittelte Dichtewert zur Überprüfung der vollständigen Durchmischung verwendet.

Bei der dritten bevorzugten Ausführungsform der Dichteüberprüfung des erzeugten Flüssigkeitsgemisches ist das Massenmeßgerät 64, wie in Fig. 10 gezeigt, an den Auslaß einer kontinuierlichen Förderpumpe 66 angeschlossen, welche verwendet wird, um das flüssige Erzeugnis von dem End-Mischtank zu dem Ort der Abfüllung zu fördern. Wie in den ersten beiden Fällen wird der gemessene Dichtewert zur Überprüfung der Vollständigkeit der Durchmischung verwendet.

In allen drei Fällen der Dichteüberwachung des erzeugen Gemischstroms ist es möglich, ein getrenntes elektronisches Überwachungssystem zu schaffen, so daß die Dichteüberwachung vollständig getrennt und unabhängig von dem Regelsystem der Mischvorrichtung erfolgt. Dies ist in einigen Fällen vorteilhaft, um ein zuverlässig und vollständig unabhängiges Überprüfungssystem zu gewährleisten. Trotzdem kann ein Unterbrechungssignal im Falle von Fehlfunktionen an das Mischsystem weitergeleitet werden.

Obwohl konkrete Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurden, kann die Erfindung in anderen Ausführungsformen eingesetzt werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

1. Vorrichtung zum Mischen eines Flüssigkeitsstroms mit:

1. zwei oder mehr Vorratsspeichern (48) für zu mischende flüssige Produkte,

2. einer Mischkammer (16) und

3. mindestens zwei Dosierstrom-Fördermitteln,

wobei jedes Fördermittel einen der Vorratsspeicher (48) mit der Mischkammer (16) verbindet und kleine Zuflußdosierungen flüssigen Produktes erzeugt, wobei die Fördermittel synchronisiert sind, um wiederholte synchronisierte Zuflußdosierungen zweier oder mehrerer Flüssigkeiten zu der Mischkammer (16) zu erzeugen, wobei die Folge synchronisierter, intermittierender Dosierungszyklen eine gewünschte Gesamtflußrate im bestimmten Verhältnis gemischter Flüssigkeiten erzeugt und wobei die Vorrichtung ferner Mittel zur Entnahme eines kontinuierlichen Stroms der gemischten Flüssigkeit umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine digitale Präzisionsuhr (54) umfaßt, wobei jedes der Fördermittel in Abhängigkeit von dem Uhrensignal wirkt, um einen synchronisierten Fluß von zwei oder mehr Flüssigkeitsströmen durch Messung der digitalen Flußdauer gegen das Signal der Präzisionsuhr (54) zu erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Dosierstrom-Fördermittel eine absperrbare Einspritzdüse (18, 20) in der Zone der gemeinsamen Dosierung jedes digitalen Stroms umfaßt, um eine hohe Präzision, Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Massendosis zu bewirken und einen Rückfluß oder eine Vermischung anderer flüssiger Bestandteile in die einzelnen Zuflußströme hinein zu vermeiden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vermischung der synchron strömenden Flüssigkeitsströme in der Mischkammer (3) erfolgt, wobei jeder Strom aus der Einspritzdüse (18, 20) derart ausgerichtet ist, daß er mit den anderen Strömen der anderen absperrbaren Einspritzdüsen (18, 20) zusammenprallt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Anpassen der digitalen Strömungsdauer jedes Stroms bei jedem digitalen Betriebszyklus.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Fördermittel einen Servo-Antriebsmotor (44), einen zugeordneten Regler (52) und eine von dem Motor (44) angetriebene Verdrängungs-Rotationspumpe (46) umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Fördermittel einen Coriolis-Massendurchflußmesser (12, 14) umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Coriolis-Massendurchflußmesser (12, 14) lediglich der Ermittlung der Gesamtdosis und nicht der Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit dient und wobei der gesamte Massenfluß aufgrund des digitalen Ausgangssignals des Massenmeßgeräts (12, 14) mit variabler Frequenz ermittelt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen auf dem Servomotor (44) angeordneten digitalen Dekodierer (42), wobei die Strömungsgeschwindigkeit, mit der jede digitale Dosis durch den Coriolis- Massendurchflußmesser (12, 14) fließt, durch das Rückkopplungssignal des digitalen Dekodierers (42), welcher unmittelbar mit der Steuerelektronik des Servoantriebs (44) der Dosierpumpe (46) verbunden ist, geregelt wird, um Abweichungen während der Periode der Massendosierung zu vermeiden.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine bandartige, statische Mischvorrichtung (22) innerhalb der Leitung stromabwärts von der Mischkammer (16) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der Mischkammer (16) zu einem End- Mischtank (24) führt.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine An- und Ausschaltvorrichtung für die kontinuierliche Entnahme des erzeugten Flüssigkeitsgemisches umfaßt.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine digitale Regelvorrichtung für die Regelung der Strömungsgeschwindigkeit des kontinuierlichen Entnahmestroms des erzeugten Flüssigkeitsgemisches umfaßt.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine analoge Regelvorrichtung für die Regelung der Strömungsgeschwindigkeit des kontinuierlichen Entnahmestroms des erzeugten Flüssigkeitsgemisches vom Wert Null bis zum Maximalwert der Vorrichtung umfaßt.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Coriolis-Massendurchflußmesser (64) in einer das erzeugte Flüssigkeitsgemisch führenden Leitung zur Überprüfung der Dichte des erzeugten Flüssigkeitsgemischs aufweist.