DE3416127A1

DE3416127A1 - Vorrichtung und verfahren zur einstellung volumetrischer hohlraeume zum gravimetrischen dosieren von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE3416127A1
Application number: DE19843416127
Authority: DE
Inventors: Vladimir 07624 Closter N.J. Horak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-10-05
Filing date: 1984-04-27
Publication date: 1985-10-31
Also published as: AT388811B; US4445627A; ATA143684A

Description

NACHGEREIOHTI

Vladimir Horak, 353 High Street, Closter, c ^ __ i

New Jersey 07624, U.S.A.

Vorrichtung und Verfahren zur Einstellung volumetrisoher Hohlräume zum gravimetrischen Dosieren von Flüssigkeiten

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei Flüssigkeitsab- bzw. ausgabesystemen und insbesondere auf eine neue und verbesserte Anordnung zum Ausgleichen von Unte;schieden in der Flüssigkeitsdichte während des Abgabevorgangs bzw. -betriebes.

Heute verfügt man über verschiedene Systeme zur Abgabe von Flüssigkeiten in genauen Mengen, insbesondere in der chemischen Industrie, der Nahrungsmittelindustrie und dergleichen. Mein früheres US-Patent 3 960 295 offenbart beispielsweise ein System zum Dosieren von zwei oder mehr Flüssigkeiten in genauen Verhältnissen. Mein US-Patent 4 284 210 offenbart ein System zum Dosieren einer einzigen Flüssigkeit in genauen ausgewählten Mengen. In beiden dieser Systeme ist die Notwendigkeit zur Benutzung von Pumpen oder anderen mechanischen Zuführeinrichtungen ausgeräumt, und die Flüssigkeit wird aus einem Behälter (Tank) durch Schwerkraft oder Druck abgegeben, wobei der Mengenfluß durch ein Auslaßventil an dem Behälter und das Volumen der abgegebenen Flüssigkeit durch Flüssigkeitsstandsensoren in dem Behälter reguliert werden. Es gibt andere, im Handel erhältliche Systeme, die ebenfalls mit volumetrischer Zufuhr (Speisung) arbeiten, d.h. bei denen ein abgegebenes Flüssigkeitsvolumen durch Schwerkraftoder durch Druckströmung abgegeben wird.

Eine allen solchen volumetrischen Speisungssystemen anhaftende Schwierigkeit besteht in den den Flüssigkeiten innewohnenden Eigenschaften, sich hinsichtlich der Dichte zu verändern und deshalb hinsichtlich ihres Volumens im Verhältnis zu Temperaturänderungen zuzunehmen oder rbzunehmen. Es ist allgemein so, daß, je höher die Temperatur einer Flüssigkeit ist, ihre Dichte niedriger ist; folglich wird ein größeres Volumen erforderlich, um das gleiche Gewicht zu erreichen. Beispielsweise hat ein Liter (1000 ml) Wasser seine höchste Dichte bei 4°C, die als Dichte 1 bezeichnet werden kann. Wenn die Temperatur des gleichen Liters auf 50°C ansteigt, nimmt die Dichte des Wassers auf 0,9880 ab, und das Volumen steigt auf 1012 ml an. Somit hat sich das Volumen des Wassers durch die höhere Temperatur ausgedehnt, und deshalb ist, wenn ein Liter Wasser bei 5O⁰C unter volumetrischer Messung abgegeben wird, die Messung um 12 ml oder l,25o unaenau. Will man gewichtsmäßig genau einen Liter Wasser erhalten,

1Θ müßte die bei 50°C gemessene volumetrische Menge um 12 ml erhöht werden, was zu einem Volumen von 1012 ml führt.

Deshalb haben in Flüssigkeitsdosiersystemen, in denen eine Flüssigkeit volumetrisch abgegeben wird, Änderungen in der Umgebungstemperatur eine schwerwiegende ungünstige Auswirkung auf die Genauigkeit des Dosiervorganges. Beispielsweise wird bei dem in dem vorgenannten US-Patent 4 284 240 gezeigten Dosiersystem die Flüssigkeit in einen Ausgabetank bis zu einer vorbestimmten Höhe gefüllt, die durch einen Flüssigkeitssensor bestimmt ist, der die Zufuhr beendet, wenn dieser Füllpegel erreicht ist. Wird die Flüssigkeit dann an eine Verwendungsstelle abgegeben,

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so fließt sie unter Schwerkraft oder Druck durch ein Auslaßventil, bis ihr Stand einen vorbestimmten Punkt erreicht; zu diesem Zeitpunkt schließt ein zweiter Sensor das Auslaßventil, und eine bestimmte Menge, beispielsweise ein Liter, ist abgegeben. Dieses Gerät ist so geeicht, daß es einen Volumen-Liter bei normaler Raumtemperatur von ungefähr 2O⁰C abgibt. Wenn die Raumtemperatur sich von Zeit zu Zeit oder von Jahreszeit zu Jahreszeit ändert, so ändert sich die Dichte der volumetrischen abgegebenen Liter entsprechend, so daß die abgemessenen Liter merklich im Gewicht variieren können.

Solche Ungenauigkeiten werden durch die Tatsache erschwert, daß unterschiedliche Flüssigkeiten unterschiedlichen Änderungen in der Dichte proportional den Temperaturänderungen unterliegen. Dieses ist ein besonderes Problem, wenn unterschiedliche Flüssigkeiten in genauen Mengen proportioniert oder gemischt werden, wie dies in dem System meines vorgenannten US-Patentes 3 960 gezeigt ist. Nach diesem Patent werden volumetrisch gemessene Flüssigkeitsmengen aus getrennten Behältern abgegeben und in einem ausgewählten Verhältnis gemischt. Bei Temperaturänderungen ändern sich die Flüssigkeitsdichten unterschiedlich stark, wodurch die Proportionierung ungenau wird.

Versuche, die Neigung von Flüssigkeiten zur Änderung der Dichte infolge Temperaturänderungen bzw. -Schwankungen zu kompensieren, führten zur sogenannten "gravimetrischen Kontrolle" (Bemessung) abgegebener Flüssigkeiten. Bei einem solchen System wird die Flüssigkeit nach dem Gewicht und nicht nach dem Volumen abgegeben, se daß das Gewicht

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der abgegebenen Charge oder Füllung immer konstant ist, und zwar unabhängig von der Temperatur und von der Dichte der Flüssigkeit zum Zeitpunkt ihrer Abgabe. Eine solche gravimetrische Abgabe wird herkömmlich durch empfindliche und kostspielige Wägeeinrichtungen erreicht, die entweder durch Vergleich mit bekannten Gewichten, durch Messung des Ab- bzw. Ausweichens eines Körpers, durch Messen des hydraulischen oder pneumatischen Drucks, der zum Halten (Stützen) des unbekannten Gewichts benötigt wire, durch Messung des elektrischen Stroms in einer Spule, deren Magnetfeld das unbekannte Gewicht hält, oder durch Messen der Verdrängung der Flüssigkeit, in die ein Schwimmkörper eingetaucht ist, arbeiten.

Die Schwierigkeit bei solch einem gravimetrischen Betrieb besteht darin, daß die z.Z. verwendeten Wägevorrichtungen hinsichtlich ihrer Größe und Aufnahmefähigkeit beschränkt sind. Sie sind jeweils zum Wiegen von Mengen in speziellen Klassen oder Kategorien, beispielsweise bis zu 1000 Pfund (pound), 5000 bis 8000 Pfund etc. ausgelegt. Schwerere Belastungen bzw. Mengen als die, für die die Vorrichtung ausgelegt ist, können die empfindliche Wägeeinrichtung beschädigen, während die Genauigkeit des Wägemechanismus beim Messen wesentlich kleinerer Mengen außerordentlich gering ist. ALGerdem ist es wohlbekannt, daß die empfindlichen mechanischen Teile der Waagen physischen Beschädigungen unterliegen und regelmäßig durchzuführende Prüfungen, Nacheichungen und Reparaturen erfordern. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Produktionsstraßen oder -linien, die eine gravimetrische Arbeitsweise erfordern, sehr langsam und deshalb teuer sind. Der Dosierungsvorgang kann wegen des Endstadiums des Fluidflusses nicht beschleunigt werden.

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Es ist ein Ziel (Aufabe) der vorliegenden Erfindung, Flüssigkeitsabgabevorrichtungen mit volumetrischer Messung mit Mitteln zu versehen, um die volumetrische Menge oder Messung an gravimetrisch^ Mengen bzw. Messungen anzupassen bzw. entsprechend ein- oder nachzustellen, so daß die Vorrichtung die Flüssigkeiten nach dem Gewicht der gewünschten Füllung unabhängig von der Temperatur der Flüssigkeit während des Abgabevorganges abgibt. Dies wird ohne Verwendung von Wägeeinrichtungen oder anderen komplexen Vorrichtungen, wie sie derzeit für die gravimetrische Kontrolle (Bemessung) von Flüssigkeiten in Benutzung sind, erreicht.

Ein weiteres Ziel (Aufgabe) der Erfindung ist es, eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung der beschriebenen Art zu schaffen, die Mittel zum Variieren des inneren volumetrischen Fassungsvermögens des Dosierungsraumes umfaßt, um Änderungen in der Dichte der Flüssigkeiten zu kompensieren, die bei den Umgebungstemperaturen des Abgabevorganges abgegeben werden.

Das volumetrische Fassungsvermögen des Dosierraumes wird mittels eines Flüssigkeit-Verdrängungsteiles mit gleichmäßigem Querschnittsbereich variiert bzw. verändert, das in den Abgaberaum eingeführt wird, um dessen volumetrisches Fassungsvermögen (Kapazität) zu verringern, und darauf wahlweise relativ zu dei<i Raum nach innen oder außen in genauen Stufen oder Schritten bewegt wird, um das volumetrische Fassungsvermögen im Verhältnis zur Dichte der abgegebenen Flüssigkeit zu variieren, die bei der Umgebungstemperatur während des Abgabevorganges abgegeben wird. Das Flüssigkeitsverdrängungsteil kann

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ein länglicher Stab sein, der zur Bewegung in den bzw. aus dem Abgaberaum oberhalb desselben angeordnet ist. Die Bewegung des Stabes kann manuell bewirkt werden oder automatisch mittels eines Mikrocomputers erfolgen, der einen Speicher umfaßt, in dem die Temperatur/Dichte-Funktion-Eigenschaften für die abzugebende Flüssigkeit gespeichert sind.

Weitere Ziele, Ausführungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsformen hervor. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer statischen Dosierpumpe mit einer grauimetrischen

Einstelleinrichtung nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansieht einer manuell betätigbaren gra-

vimetrischen Einstelleinrichtung zur Anwendung bei der statischen Dosierpumpe der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Seitenansicht eines der Behälter

der statischen Dosierpumpe der Fig. unter Darstellung einer automatisch betätigbaren gravimetrischen Einstelleinrichtung, die damit in Verbindung steht.

Unter Detail-Bezugnahme auf die Zeichnungen ist :n Fig. eine statische Dosierpumpe eines Aufbaus gezeigt, wie

sie in meinem US-Patent 4 284 210 dargestellt und beschrieben ist. Die statische Dosierpumpe 10 umfaßt ein Paar Behälter 12, 14, die durch eine Rohrleitung 16 verbunden sind, so daß Flüssigkeit Luft oder ein and?::es Gas oder auch irgendein sonstiges fließendes Medium (Fluid) von einem Behälter zum anderen fließen kann. Die statische Dosierpumpe 10 umfaßt weiterhin ein Paar elektrisch betätigter Einlaßventile 18, 20, die über eine Einlaß-Leitung 22 gespeist werden. Die Einlaßventile 18, 20 sind mit (Rohr)Leitungen 24, 26 verbunden, die jeweils in den unteren Abschnitten der Behälter 12, enden, wodurch eine Ausbildung von Turbulenzen während der Füllung der Behälter 12, 14 so gering wie möglich gehalten wird.

Die Behälter 12, 14 umfassen jeweils ein auswechselbares Mündungselement oder Mundstück 28, 30, die durch Paare anderer, ähnlich aufgebauter Mundstücke mit Öffnungen verschiedener Größen ersetzt werden können, wodurch die statische Dosierpumpe 10 Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität dosieren bzw. abmessen kann.

Die Mundstücke 28, 30 führen über (Rohr)leitungen 36, 38 zu einem Paar elektrisch betriebener Auslaß- oder Auslaufventile 32, 34. Letztere sind über (Rohr)leitungen 42, 44 mit einem elektrisch betriebenen Dreiwegeventil 40 verbunden. Dieses gibt die dosierte Flüssigkeit über eine (Rohr)leitung 46 ab.

Jeder Behälter 12 und 14 umfaßt ferner ein elektrisch betätigtes Flüssigkeitshöhe-Kontroll- oder Steuersystem, das ein Paar Flüssigkeitspegel-Sensoren 48 und 50 umfaßt, wobei der obere Sensor 48 fest und der untere Sensor

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einstellbar ist, um wahlweise die Volumina der aus den Behältern abgegebenen Flüssigkeit zu regulieren. Jeder Sensor 48, 50 kann irgendeinen herkömmlichen, bekannten Aufbau haben, der auf die Ankunft des Flüssigkeitspegels auf seiner voreingestellten Höhe anspricht, um dadurch einen Schalter zu betätigen und einen elektrischen Schaltkreis zu schließen. Die Sensoren 48, 50 sind lediglich schematisch gezeigt, da ihr spezieller Aufbau nicht Teil der vorliegenden Erfindung darstellt. Beispielsweise können die Sensoren aber von der in meinem US-Patent 4 284 210 gezeigten Art sein; dort besteht jeder Sensor aus einem magnetischen Schwimmerteil, das mit einem wirkverbundenen Reed-Schalter zusammenarbeitet, um den letzteren zu betätigen, wenn das Schwimmerteil die Höhe des Reed-Schalters erreicht. Dieser besondere Sensor ist ebenfalls im Detail in dem US-Patent 3 703 246 dargestellt und beschrieben, und im folgenden wird im Hinblick auf die weitere Offenbarung darauf Bezug genommen.

Die Flüssigkeitspegel-Sensoren 48, 50 sind mit den Einlaßventilen 18, 20 und den Auslaßventilen 32, 34 der Behälter 12, 14 über elektrische Verbindungen zum Zwecke der Betätigung dieser Ventile verbunden, um gewünschte Flüssigkeitspegel in den Behältern während des Arbeitens der statischen Dosierpumpe 10 aufrechtzuerhalten. Diese elektrischen Verbindungen erstrecken sich über elektrische Leitungen 88 in ein Bedienungspult 52, das auf seiner Oberfläche eine Bedienungs- oder Steuertafel 54 in einer Weise zeigt, die in dem vorgenannten US-Patent 4 284 ?10 dargestellt ist. Das Bedienungspult 52 mfaßt elektrische Schaltungen und/oder einen Mikrocomputer, der programmiert ist, um ein abwechselndes und aufeinanderfolgendes Leeren der Behälter 12, 14 zu veranlassen, wobei ein Be-

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halter gefüllt wird, während der andere sich leert, bis ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen abgemessen (dosiert) ist. Zu diesem Zweck ist die Bedienungstafel 54 mit folgenden Schaltern und Steuerungen versehen: Einer Zähler-Voreinstellung und Steuerung 56, einem Ein-Aus-Schalter 58, einem Füll-Schalter 60 und einem Start-Schalter 62.

Die oberen Flüssigkeitspegel-Sensoren 48 dienen als Sensoren für den der vollständigen Füllung (Voll-Zustand) entsprechenden Flüssigkeitspegel in den entsprechenden Behältern 12 und 14, während die unteren Sensoren 50 als Sensoren für den Leerp'-'gel des Fluids in den Behältern dienen, d.h. den Pegel am Ende der Behälterentleerung. Zwischen den "Voll"-Sensoren 48 und den "Leer"-Sensoren liegen die bestimmten Fluidvolumina, die abzugeben sind. Beispielsweise kann jeder untere Sensor so voreingestellt werden, daß der Abstand zwischen ihm und dem festen oberen Sensor 48 zu der Abgabe eines Fluidvolumens von genau 10 Gallonen aus jedem Behälter führt.

Das Gesamtvolumen der abzugebenden Flüssigkeit wird von der Bedienungsperson an der Zähler-Voreinstellung und -Steuerung 56 des Bedienungspultes 54 eingestellt. Beispielsweise kann ein Gesamtvolumen von 60 Gallonen eingestellt werden. Die statische Dosierpumpe arbeitet dann automatisch und bewirkt ein abwechselndes sechsmaliges Entleeren der Behälter 12 und 14, so daß genau 60 Gallonen Flüssigkeit entsprechend dem Volumen abgemessen bzw. dosiert werden.

Nach dem Einstellen des zu dosierenden Gesamtvolumens beginnt die Bedienungsperson den Arbeitsvorgang der sta-

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tischen Dosierpumpe 10 durch Betätigen des Ein-Aus-Schalters 58, wodurch das System mit Energie beaufschlagt wird, und drückt dann den Füllschalter 60 auf der Steuertafel 54, der ein elektrisches Signal an die Einlaßventile 18 und 20 aussendet, um diese zu öffnen, und weiter ein elektrisches Signal, durch das das Drei-Wege-Ventil 40 eingestellt wird, um einen Zufluß aus dem Behälter 12 zu ermöglichen und einen Fluß aus dem Behälter 14 zu verhindern. Die Flüssigkeit fließt dann von einem äußeren Vorrat durch die Leitung 22 und die offenen Einlaßventile 18 und 20 und füllt beide Behälter 12, 14. Wenn der Flüssigkeitspegel in den Behältern 12, 14 die Höhe der oberen Sensoren 48 erreicht, werden Signale an das Bedienungspult 52 übertragen, das solche "Voll'^Information verarbeitet und beide Einlaßventile 18, 20 schließt.

Nachdem beide Behälter erstmalig auf ihre "Voll"-Kapazität gebracht sind, wird der Dosierzyklus begonnen, indem die Bedienungsperson den Start-Schalter 62 auf der Steuertafel 54 betätigt und dadurch ein Signal abgegeben wird, das das Auslaßventil 32 des Behälters 12 öffnet, so daß letzterer sich zu leeren beginnt. Wenn der Pegel der Flüssigkeit in dem Behälter den "Leer"-Pegel in Übereinstimmung mit dem unteren Sensor 50 erreicht, bringt letzterer ein Signal an das Bedienungspult 52 hervor.

Auf dieses Signal hin schließt der Mikrocomputer-Sch-Itkreis das Auslaßventil 32 des Behälters 12, so daß aus diesem genau 10 Gallonen abgegeben sind. Zur gleichen Zeit wird das Auslaßventil 34 des Behälters 14 geöffnet, um die Entleerung der Flüssigkeit aus diesem zu beginnen, und das Einlaßventil des Behälters 12 wird geöffnet, um die Wiederfüllung des letzteren zu bewirken. Der Behälter 12 wird also erneut gefüllt, während sich der Behälter 14 leert, um seine Füllung von 10 Gallonen abzugeben. Wenn

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der Behälter 12 seinen "Voll"-Pegel erreicht, wobei der Flüssigkeitspegel den oberen Sensor 48 erreicht, gibt letzterer ein Signal ab, das das Einlaßventil 18 schließt. Wenn der Behälter 14 auf seinen "Leer"-Pegel entleert ist, gibt der untere Sensor 50 auf die Ankunft des Flüssigkeitspegels hin in Übereinstimmung damit ein Signal ab, das das Auslaßventil 34 des Behälters 14 schließt, das Auslaßventil 32 des gefüllten Behälters 12 öffnet und das Einlaßventil des Tanks 14 öffnet, so daß letzterer mit der Wiederfüllung beginnt. Auf diese Weise wechseln beide Behälter sich nacheinander im Entleeren und Wiederauffüllen ab, bis sechs Entleerungen durchgeführt sind und eine Gesamtmenge von 60 Gallonen Flüssigkeit dosiert worden ist. Zu diesem Zeitpunkt beendet die Zähler-Voreinstellung und -Steuerung 56 die Arbeit der statischen Dosierpumpe 10.

Die vorstehende Beschreibung gibt die Anordnung und Arbeitsweise der statischen Dosierpumpe meines US-Patentes 4 284 210 soweit wieder, wie dies für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Während diese Dosierpumpe zufriedenstellend beim Dosieren -enauer Fluidvolumina arbeitet, stellt es einen Nachteil dar, daß sie das Fluid volumetrisch und nicht gravimetrisch abmißt und abgibt. Wie vorstehend angedeutet, ist das Volumen einer Flüssigkeit bei einer Temperatur ihrer maximalen Dichte geringer als das Volumen der gleichen Flüssigkeit bei höherer Temperatur. Anders ausgedrückt wiegt ein volumetrischer Liter der Flüssigk- t bei der Temperatur höchster Dichte mehr als ein volumetrischer Liter der Flüssigkeit einer höheren Temperatur, so daß bei einer solchen höheren Temperatur ein größeres Flüssigkeitsvolumen erforderlich ist, um das gleiche Gewicht

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zu erreichen. Bei vielen Dosieranwendungen ist es wesentlich, die Flüssigkeit gravimetrisch zu dosieren; es werden Waagen oder andere Wägegeräte verwendet, um die dosierte Flüsssigkeit gewichtsmäßig zu messen. Wenn beispielsweise die statische Dosierpumpe 10 benutzt wird, um 50 Volumen-Gallonen Salpetersäure, die in einem Fülloder Lagerbehälter außerhalb des Dosierraumes gelpqert sind, abzugeben, so wiegt ein solches 50 Gallonen-Volumen der Säure bei einer Temperatur von O⁰C (32⁰F) 594,9 Pfund. Bei nachfolgenden Dosiervorgängen kann die Umgebungstemperatur steigen, so daß die gemessene Salpetersäure eine Temperatur von 2O⁰C (68°F) unc¹ dementsprechend eine verminderte Dichte hat und damit das Gewicht der gleichen 50 Gallonen-Menge nur 584,9 Pfund beträgt.

Der Unterschied von 10 Pfund bildet einen Verlust für den Endverbraucher und eine ernst zu nehmende Ungern uigkeit bei nachfolgenden Be- oder Verarbeitungsvorgängen.

Verschiedene Flüssigkeiten unterliegen unterschiedlichen Änderungen in der Dichte im Verhältnis zu Temperaturänderungen. Beispielsweise zeigt Äthylalkohol, der unter den gleichen Bedingungen wie die vorbeschriebene Sa.¹.'' 'tersäure dosiert wird, einen Gewichtsverlust von nur ungefähr 3 Pfund im Vergleich zu den 10 Pfund der Salpetersäure. Kurven, die die Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur zeigen, sind linear. Im Falle von Salpetersäure resultiert jeder Temperaturanstieg von 9,33⁰C (16,8⁰F), in einer Gewichtsabnahme von 1% für das gleiche Meßvolumen. Da diese Dichte/Temperatur-Kurven für die meisten Flüssigkeiten in der chemischen Literatur zur Verfügung stehen oder leicht berechnet werden können, können sie zum Einstellen volurr-etrischen Dosierens zwecks Ausgleichs entsprechend den Erfordernisse gravimetrischer Messungen

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verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung beabsichtigt eine Anpassung der Art der vorstehend beschriebenen statischen Dosierpumpe zur Erreichung einer gravimetrischen Steuerung des Dosiervorganges bei gleichzeitiger Erhaltung der volumetrischen Zufuhr der Pumpe. Dies wird erreicht, indem wahlweise die Größe des oder der in der Pumpe verwendeten Dosierraumes (-räume) variiert wird, um Dichteänderungen in der zu dosierenden Flüssigkeit auszugleichen. Zu diesem Zweck soll jeder der in Fig. 1 gezeigten Behälter 12 und 14 eine gravimetrische Einstelleinrichtung umfassen, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Diese Einrichtung kann manuell oder durch den Mikrocomputer in dem Steuerpult der statischen Dosierpumpe automatisch betätigbar sein.

Anhand eines Beispiels zeigt Fig. 2, wie der Behälter 12 mit einer manuell betätigbaren gravimetrischen Ein-Stelleinrichtung 70 versehen ist. Die Einrichtung 70 umfaßt ein Gehäuse 72, das an der Oberwand 12a des Behälters 12 befestigt ist und einen sich vertikal erstreckenden Volumeneinstellstab 74 trägt. Der Stab 74 erstreckt sich von dem Gehäuse 72 durch eine Öffnung in der Behälteroberwandung 12a und ragt in das Innere des Behälters 12, wobei sein unterer Teil in die Flüssigkeit 76 in diesem Behälter eingetaucht ist. Es ist festzustellen, daß das Eintauchen der Stange 74 in die Flüssigkeit 76 auf den Dosierraum 78 in dem Behälter 12 begrenzt ist, d.h.

auf den Innenraum des Behälters zwischen dem "Voll"-Pegel, bestimmt durch den oberen Sensor 48, und dem "Leer"-Pegel, bestimmt durch den unteren Sensor 50. Der Stab 74 ist so bemessen, daß er eine bestimmte Menge Flüssigkeit in dem

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Dosierraum 78 verdrängt und so die innere Volumenkapazität dieses Dosierraumes in einer hier näher zu erläuternden Weise ändert.

Der Volumen-Einstellstab 74 ist in dem Gehäuse 72 derart beweglich gelagert, daß er in dem Gehäuse angehoben oder abgesenkt werden kann, um die Länge des Stabes, die in den Dosierraum 78 hineinreicht, zu variieren. Die Mittel zum beweglichen Lagern des Stabes 74 sind vorzugsweise Schraubmittel sehr feiner und genauer Ausbildung, wodurch eine Bedienungsperson den Stab 74 manuell in ausgewählten kleinen Schritten oder Stufen anheben oder absenken kann. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse 72 mit einer Längsdurchbohrung 80 versehen, die ein Innengewinde trägt. Der obere Abschnitt des Stabes 74 ist mit einem Außengewinde 82 ausgebildet, das in der Innengewinde-Bohrung 80 des Gehäuses 72 aufgenommen wird. An seinem oberen Ende endet der Stab 74 in einem gerändelten Einstellknopf 84, an dem die Bedienungsperson zum Drehen des Stabes 74 in dem Gehäuse 72 in einer Richtung angreift, um ihn mittels des Schraubgewindes entweder anzuheben oder aozusenken. Ein Feineinstellungs- bzw. Nonienmechanismus und eine Fein- bzw. Nonienanzeige (Skala) (nicht gezeigt) bekannter Bauart können einen Teil der Einrichtung bilden, um eine genaue, geeichte Ver- bzw. Einstellung des Stabes 74 zu ermöglichen.

Der Volumen-Einstellstab 74 ist langgestreckt, schmal und zylindrisch und hat eine solche Länge sowie einen solchen Durchmesser, daß er die Flüssigkeit in dem Dosierraum 78 des Behälters genau in Einheiten einzelner Milliliter verdrängen kann. Um die Größe der durch den Stab 74 begründeten Fluidverdrängung sichtbar anz-j-

zeigen, kann der Stabkörper 74 mit Eichmarken 86 versehen sein, die beispielsweise in Einheiten von 5 Millilitern kalibriert sind und eine Unter-Einteilung in Einheiten einzelner Milliliter tragen, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

In der Praxis wird der untere Flüssigkeitspegel-Sensor 50 voreingestellt und von dem festen oberen Flüssigkeitspegel-Sensor 48 in einem Abstand angeordnet, daß der dazwischen bestimmte Dosierraum 78 das gewünschte dosierte Flüssigkeitsvolumen bei der Temperatur der maximalen Dichte der Flüssigkeit enthält, wobei der Volumen-Einstellstab 74 in seinem maximalen Ausmaß in den Dosierraum abgesenkt ist. Der abgesenkte Stab 74 verringert natürlich die innere Kapazität des Dosierraumes 78, jedoch sind die Sensoren 48 und 50 so eingestellt, daß bei dieser reduzierten Kapazität der Dosierraum die genaue volumetrische Dosiercharge aufnimmt. Wenn die Flüssigkeit abgegeben werden soll, wird ihre Temperatur gemessen und der Unterschied in dem tatsächlichen Flüssigkeitsvolumen aus den Dichteänderungseigenschaften der speziellen Flüssigkeit in Abhängigkeit von Temperaturänderungen errechnet. Um eine solche Berechnung zu erleichtern, können die vorerwähnten Temperatur/Dichte-Kurven zu Rate gezogen werden. Wenn die tatsächliche Volumenzunahme der dosierten Flüssigkeitsfüllung (in Millilitern) bestimmt ist, wird der Stab 74 angehoben und um die gleiche Zahl von Millilitern aus dem Dosierraum 78 herausgezogen. Daraus ergibt sich, daß das innere volumetrische Fassungsvermögen des Dosierraumes 78 gleich dem Volumen der dosierten Füllung bei der Temperatur der maximalen Flüssigkeitsdichte plus dem Anstieg im effektiven Volumen der Füllung bei ihren gemessenen Umgebungstemperaturen ist.

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Wenn man beispielsweise annimmt, daß der Behälter 12 einen Liter Wasser abgeben soll und das Flüssigkeitsverdrängungsvolumen des Einstellstabes 74 bei seinem maximalen Eintauchen 50 ml beträgt, werden die Flüssigkeitspegel-Sensoren 48 und 50 so eingestellt, daß der Dosierraum 78 mit seiner durch den voll eingetauchten Stab 74 reduzierten Kapazität genau einen Liter Wasser bei 4⁰C abmißt und aufnimmt. Die Temperatur des dem Behälter 12 durch das Einlaßventil 18 zuzuführenden Wassers wird gemessen und mit 500C festgestellt. Die Temperatur/ Dichte-Kurve für Wasser zeigt, daß dessen maximale Dichte (bezeichnet mit 1,0) bei 4⁰C liegt, daß bei 50⁰C die Dichte auf 0,9880 abgenommen hat und daß das Volumen eines Liters Wasser sich von 12 ml auf 1,012 Liter vergrößert hat. Der Stellstab 74 wird somit um ein Maß aus dem Dosierraum 78 herausgezogen, das 12 ml seiner Flüssigkeitsverdrängung entspricht, wodurch sich die volumetrische Kapazität des Dosierraumes um 12 ml vergrÖßert. Der Dosierraum 78 bemißt nun und nimmt eine volumetrische Füllung von 1,012 Liter Wasser bei 5'^<0C auf, die ein Gewicht von 1 kg hat, d.h. das gleiche Gewicht wie ein Liter Wasser bei 4°C. Der Behälter 12 ist somit angepaßt worden, um durch gravimetrische Einstr-1-lung seiner volumetrischen Messung zu dosieren jnd zwar ohne Verwendung von Wägeeinrichtungen oder ähnlichen Geräten, die bisher für eine gravimetrische Kontrolle eiforderlich waren.

Verständlicherweise kann, während die gravimetrische Einstelleinrichtung 70 und ihre Arbeitsweise in Verb·"-'-dung mit dem Behälter 12 beschrieben worden ist, die gleiche gravimetrische Einstellung an den Behälter 14

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der statischen Dosierpumpe 10 vorgesehen werden.

In Fig. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform der gravimetrischen Einstelleinrichtung gezeigt, die automatisch arbeitet und von dem Mikrocomputer in dem Bedienungspult 52 gesteuert ist. Die gravimetrisch^ Einstelleinrichtung 90 dieser Ausführungsform ist in Verbindung mit einem Tank 12 gezeigt und umfaßt ein Gehäuse 92, in dem ein Volumen-Einstellstab 94 bewegbar gelagert ist.

Der Stab 94 hat gleiche Abmessungen wie der Einstellstab 74 gemäß der vorangehenen Beschreibung und kann wieder mit Außengewinde zum Anheben und Absenken versehen sein. In diesem Falle umfaßt das Gehäuse 72 einen umschaltbaren Schrittmotor 96, der mit dem Gewinde der Stange 94 wirkverbunden ist, um die Stange in kleinen Schritten oder Stufen, die Millilitern entsprechen, anzuheben bzw. abzusenken. Der Schrittmotor 96 ist über Leitungen 98 und 100 mit dem Mikrocomputer in dem Bedienungspult 52 verbunden. Die Leitungen 98 und 100 bilden einen Antriebsschaltkreis, wodurch der Mikrocomputer den Schrittmotor in der jeweils gewünschten Richtung betätigen kann.

Die gravimetrische Einstelleinrichtung 90 umfaßt außerdem eine elektrische Thermostatsteuerung 102 an dem Behälter 12, die einen länglichen Temperatur-Meßfühler aufweist, der in das Innere des Behälters 12 ragt und sich in den Dosierraum 78 erstreckt. Die Thermostatsteuerung 102 ist durch Leitungen 106 und 108 mit dem Mikrocomputer in dem Bedienungspult 52 verbunden. Die Leitungen 106 und 108 bilden einen Temperaturinformation-Relaisschaltkreis zwischen der Thermostatsteuerung und dem Mikrocomputer.

Bei dem Dosiervorgang ist der Temperaturmeßfühler 104 in die Flüssigkeit in dem Dosierraum 78 eingetaucht, so daß er fortlaufend die Temperatur dieser Flüssigkeit überwacht und eine entsprechende Information an die Thermostatsteuerung 102 - zwischenverstärkt -- überträgt, die ihrerseits die durch Überwachung ermittelten Temperaturangaben (-werte) an den Mikrocomputer in dem Bedienungspult 52 übermittelt. Der Mikrocomputer umfaßt einen Speicher, in dem die Temperatur/Dichte-Kurve der zu dosierenden Flüssigkeit gespeichert ist. Wenn der Mikrocomputer die gemessene Temperaturangabe von der Thermostatsteuerung 102 empfängt, wird er programmiert, um den Unterschied zwischen der vorhandenen volumetrischen Kapazität des Dosierraumes und der gewünschten volumetrischen Kapazität des Dosierraumes für die Flüssigkeit bei der festgestellten Temperatur zu errechnen. Wenn eine solche Differenz vorliegt, betätigt der Mikrocomputer den Schrittmotor 96, um den Volumen-Einstellstab um das richtige Maß anzuheben oder abzusenken und so die volumetrische Kapazität des Dosierraumes 78 in einem Maße zu vergrößern oder zu verringern, das der errechneten Differenz entspricht .

In Fällen, in denen derselbe Dosierraum zu verschiedenen Zeiten zum Dosieren verschiedener Flüssigkeiten verwendet wird, kann der Mikrocomputer mit verschiedenen elektronischen Bausteinen (Modulen) versehen werden, von denen jeder in seinem Speicher eine geeignete Temperatur/ Dichte-Kurve aufweist.
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Die in Fig. 3 gezeigte, automatisch gesteuerte gravimetrische Einstelleinrichtung hat den Vorteil, daß sie ein genaues Dosieren ermöglicht, und zwar durch laufende

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Temperaturüberwachung, wenn während des Dosiervorganges Temperaturschwankungen auftreten. Wenn die Temperatur
der dosierten Flüssigkeit während des Dosiervorganges
konstant gehalten wird, ist die manuell betätigbare
Einrichtung der Fig. 2 praktisch und vorteilhaft und
kann verwendet werden.

Die gravimetrischen Einstelleinrichtungen nach der vorliegenden Erfindung sind in Verbindung mit der statischen Dosierpumpe des US-Patentes 4 284 210 rein beispielhaft dargestellt und beschrieben. Es ist ohne weiteres klar, daß die Einrichtungen in vorteilhafter Weise in irgendeinem Dosiersystem verwendet werden können, in dem ein
Fluid volumetrisch aus einem oder mehreren Dosierräumen abgegeben wird. Die Einrichtungen können ebenso in Flüssigkeitsproportionierungssystemen verwendet werden, die volumetrische Abgaberäume haben, beispielsweise bei Dosierungssystemen, wie sie in meinem US-Patent 3 960 295 offenbart sind.

Die hier gezeigte Einrichtung kann vorteilhaft auch zum Eichen von Dosierräumen in Fällen verwendet werden, in
denen sich die Raumkapazität aufgrund der Beschaffenheit der abgegebenen Flüssigkeit ändern kann. Wenn beispielsweise viskose Flüssigkeiten abgegeben werden, kann die
Flüssigkeit einen Film, eine Schicht oder einen anderen Rückstand merklicher Stärke auf den Wandungen des Dosierraumes hinterlassen, wodurch die tatsächliche volumetrische Kapazität des Raumes um einen nicht annehmbaren oder nicht zulässigen Prozentsatz verringert wird.

Da diese Menge zurückbleibender Flüssigkeit auf benetzten Abschnitten des Dosierraumes während aller Dosierzyklen gleich ist oder zumindest nur in unbedeutendem Maße

schwankt, wird ein Eichen des Systems vor Gegin" des Dosiervorganges nötig. Für eine solche Eichung kann die hier gezeigte Vorrichtung verwendet werden, indem die volumetrische Kapazität des Dosierraumes um den durc'" den zurückgehaltenen Film ajf den Raumwandungen begründeten Betrag vergrößert wird.

Nachdem bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, ist es klar, daß zahlreiche Änderungen, auch durch Weglassen oder Hinzufügen bestimmter Teile, bei diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne daß damit Geist und Umfang der Erfindung verlassen werden.

Weiter sei darauf hingewiesen, daO es sich bei den in der vorangehende Beschreibung verwendeten Maßeinheiten Pfund/pound und Gallone um US-amerikanische MaSe hancelt die 0,4536 kg (Pfund/pound) bzw. 3,785 1 (Gallone) es metrischen Systems entsprechen.

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Claims

j nachgere;cht

Vladimir Horak, 353 High Street, Closter, New Jersey 07624, U.S.A.

Vorrichtung und Verfahren zur Einstellung volumetrlscher Hohlräume zum gravimetrischen Dosieren von Flüssigkeiten

Patentansprüche :

]. Dosierbehälteranordnung mit einstellbaren Mitteln zum Verändern des volumetrischen Fassung-Aufnahme-vermöge/ps eines Flüssigkeitsdosierraumes in dem Behälter zum Aufnehmen einer ausgewählten volumetrischen, abzugebenden Flüssigkeitsfüllung, gekennzeichnet durch

a. eine gravimetrische Ein- oder Nachstelleinrichtung zum Verändern des ausgewählten inneren volumetrischen Fassungsvermögens des Flüssigkeitsdosierrautnes zum Ausgleichen (Kompensieren) von aus Temperaturänderungen resultierenden Dichteänderungen in der Flüssigkeit, wobei die Einstellvorrichtung Flüssigkeitsverdrängungsmittel mit einem festen länglichen, sich in das Innere des Dosierraumes erstreckenden und in die darin befindliche Flüssigkeitsfüllung eintauchbaren Teil zum Verringern des volumetrischen Fassungsvermögens des Raumes um einen Betrag, der dem Volumen des in die Flüssigkeit eingetauchten länglichen Teiles entspricht, und

hochgenaue Einstellmittel umfaßt, die die Flüssigkeitsverdrängungsmittel zwecks Bewegung

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ο / ι r ι ο τ 26.04.1984

o4 Ib Iz/

NACHOEREiCHT

relativ zu dem Flüssigkeitsdosierraum lagern bzw. tragen, wodurch das längliche Teil wahlweise in den Raum hinein oder aus diesem heraus in einheitlichen partiellen Schritten oder Stufen bewegbar ist,

wobei die Flüssigkeitsverdrängungsmittei eine vollständig eingeführte Position aufweisen, in der sie das Fassungsvermögen des Flüssigkeitsdosierraumes um einen Betrag verringern, der ausreicht, um eine genaue ausgewählte eingestellte volumetrische Flüssigkeitsfüllung, die abgegeben Wirden soll, bei der Temperatur maximaler Dichte der Flüssigkeit aufzunehmen, während die Lagermittel eingerichtet sind, um die Flüssigkeitsverdrängungsmittei aus ihrer vollständig eingeführten Position um ausgewählte Beträge, die durch Dichteabnahme des Fluids bei Umgebungstemperatur bestimmt sind, herauszubewegen, wodurch das volumetrische Fassungsvermögen des Raumes vergrößerbar ist, um eine Flüssigkeitsfüllung aufzunehmen, die das gleiche Gewicht aufweist wie die ausgewählte volumetrische Flüssigkeitsfüllung bei ihrer Temperatur höchster Dichte,

b. Mikrocomputer-Mittel mit einem Speicher, der die Temperatur/Dichte-Eigenschaften der Flüssigkeit speichert,

c. Mittel zum Messen der Umgebungstemperatur der Flüssigkeit in dem Raum und zum Zuführen von Temperaturmeß-Information an den Mikrocomputer, und

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- 2·β"- 3 Λ 1 ß 1 9 7 26.04.1984

NACHQERSLlCr-Tr]

d. Mittel zum funktionellen Verbinden der Mikrocomputer-Mittel mit den Trägermitteln für die Flüssigkei'sverdrängungsmittel.
05
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeitsverdrängungsmittel einen länglichen Körper einheitlichen Querschnitts aufweisen, der in das Innere des Flüssigkeitsdosierraumes hineinragt und in der Nähe des Raumes gelagert ist, wobei sich der freie Endabschnitt des Körpers in den Raum erstreckt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, ! a d u r c h g e kennzeichnet, daß die Flüssigkeits-

verdrängungsmittel einen Stab, mit einem langgestreckten Körper einheitlichen Querschnitts und die Lagermittel Schraubmittel zum Bewegen des Stabes umfassen.
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4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Stangenkö^per in Stufen (Schritten) geeicht ist, die Bruchteile der volumetrischen Flüssigkeitsfüllung in dem Raum, bilden wodurch der Eintauchgrad des Stabes in die Flüssigkeit in dem Raum visuell bestimmbar ist.
5. Verfahren zum Ein- bzw. Nachstellen des volumetrischen Fassungsvermögens eines Flüssigkeitsdosierraumes, der verstellbar und wahlweise eingestellbar ist, um eine genaue ausgewählte volumetrische Flüssigkeitsfüllung abzugeben, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

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a. Bestimmen der Temperatur/Dichte-Funktion-Charakteristik der abzugebenden Flüssigkeit,

b. Einführen eines festen länglichen Fliissigkeitsverdrängungsteiles einheitlichen Querschnitts in den Flüssigkeitsdosierraum in eine Position, in der der freie Endabschnitt des Teils in die Flüssigkeitsfüllung eingetaucht ist, um das innere Volumen d'-s Dosierraumes zu verringern,

c. Einstellen des volumetrischen Fassungsvermögens des Dosierraumes mit dem darin eingeführten Flüssigkeitsverdrängun.gsteil, um die ausgewählte volumetrische Flüssigkeitsfüllung bei ihrer Temperatur maximaler Dichte aufzunehmen,

d. Messen der Umgebungstemperatur der Flüssigkeit und

e. Herausziehen des Flüssigkeitsverdrängungsteileo aus dem Dosierraum um einen Betrag, der durch die Temperatur/Dichte-Funktion bestimmt ist, um das innere Volumen des Raumes ausreichend zu erhöhen und um eine volumetrische Flüssigkeitsfüllung aufzunehmen, deren Gewicht gleich dem der ausgewählten volumetrischen Flüssigkeitsfüllung bei ihrer maximalen Dichte ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Messens der Umgebungstemperatur der Flüssigkeit und des Herausziehens und Einführens des Flüssigkeitsverdrängungsteiles manuell erfolgen.

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7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Messens der Umgebungstemperatur der Flüssigkeit und der Herausziehens des Flüssigkeitsverdrängungsteiles mittels eines Mikrocomputers erfolgen, der einen Speicher aufweist, in dem die Temperatur/ Dichte-Funktion-Charakteristik für die Flüssigkeit gespeichert ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Mikrocomputer zusätzlich den Schritt eines laufenden Überwachens der Temperatur der Flüssigkeit während des Abgabebetriebes und des Herausziehens oder Hineinführens des Flüssigkeitsverdrängungsteiles durchführt, um außerdem das innere Volumen des Flüssigkeitsdosierraumes in Übereinstimmung mi'. Umgebungstemperaturänderungen um Beträge, die durch die Temperatur/ Dichte-Funktion bestimmt sind, einzustellen.