DE4029386A1 - Verfahren und vorrichtung zum dosieren von fluessigkeiten, insbesondere von geschmolzenem metall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Dosieren von Flüssigkeiten, inbesondere von geschmolzenem Metall, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und des nebengeordneten Vorrichtungsanspruchs.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 20 22 989 bekannt. Diese bekannte Dosiervorrichtung weist ein druckdichtes Gefäß auf, in dem die Metall­ schmelze enthalten ist. Der Austrag des flüssigen Metalls erfolgt durch ein Abgaberohr, das in die Metallschmelze hineinragt. Zur Dosierung bzw. Abgabe des Metalls wird das Gefäß mit Druck beaufschlagt, wobei der Druck von einem Differenz­ drucktransmitter und einem weiteren Transmitter gemessen wird. Das geschmolzene Metall steigt unter den Einfluß der Druckluft aus dem Gefäß in das Abgaberohr hoch, bis es Elektroden erreicht, die ein Signal abgeben, wobei der zugehörige Druck gespeichert wird. Der momentane Druck in dem Gefäß wird gemessen und der bei Abgabe des Signals herrschende Druck wird subtrahiert. Abhängig von dem Differenzdruck und dem momentanen Druck wird die Druckgaszuführung derart gesteuert, daß der vorgegebene Förderdruck unabhängig vom Badspiegel ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von diesem Stand der Technik ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren von geschmolzenem Metall zu schaffen, mit denen ein schnelles und genaues Dosieren unabhängig vom Inhalt des Behälters und seiner Form möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß der Behälter dauernd unter einem ge­ regelten Druck steht, wobei die Regelung derart erfolgt, daß unabhängig vom tatsächlichen Füll­ stand der Pegel in dem Steigrohr vor einem Abgabe­ vorgang einen konstanten Abstand zu dem Signalgeber bzw. zur Ausflußöffnung aufweist, ist die Anlauf­ zeit für die Dosierung, d. h. die Zeit, bis ein Signal vom Signalgeber abgelöst wird, unabhängig vom Füllstand des Behälters. Dadurch wird eine schnelle Dosierung erreicht.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maß­ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die zu dosierende Ausflußmenge durch die Bildung des Integrals Druck mal Zeit bestimmt wird.

Durch die Druckregelung kann der Druckbehälter Leckverluste haben, ohne daß sich die Genauigkeit verringert. Weiterhin ist die Soll-/Istwertabweichung der Regelung für die dosierte Ausflußmenge nicht ausschlaggebend.

Ein Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt, wobei das Verfahren unter Heranziehung der Vorrichtung in der folgenden Beschreibung näher erläutert wird. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung der Vorrichtung nach der vor­ liegenden Erfindung, und

Fig. 2 die Trennlinien des Solldrucks ps und des Istdruckes pi in Abhängigkeit von der Zeit während des Dosiervor­ ganges.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist einen druckdichten Behälter 1 auf, der die Metallschmelze 2 enthält. In dem Behälter 1 ist ein Steigrohr 3 angeordnet, das in das flüssige Metall bzw. die Metallschmelze 2 eintaucht. Das Steigrohr mündet in einer Aus­ flußöffnung 4, durch die eine dosierte Menge an flüssigem Metall ausgebracht werden soll. In dem Steigrohr, beispielsweise über oder in der Nähe der Ausflußöffnung 4 ist ein Signalgeber 5 ange­ bracht, der ein Signal abgibt, wenn das flüssige Metall in dem Steigrohr 3 den Signalgeber 5 erreicht. Weiterhin ist ein Druckregelkreis 6 vorgesehen, der einen innerhalb des Behälters 1 angeordneten Druckfühler 7, einen mit dem Druckfühler 7 verbundenen Druck-Stromwandler 8, einen PID-Regler 9, einen Strom-Druck-Stellungsgeber 10 und ein Stellventil 11 aufweist. Das Stellventil 11 ist mit einer Druck­ quelle 12 verbunden, wobei entsprechend dem Signal vom Stellungsgeber 10 ein Druckmedium von der Druckquelle 12 über das Ventil 11 in den Behälter 1 gelangt. Weiterhin ist ein Entlüftungsventil 13 vorgesehen. Der PID-Regler 9 ist mit einem Rechner 14 verbunden, der die Sollwerte bzw. Führungs­ größen für den Regler zur Verfügung stellt. Der Rechner 14 ist an einen Spannungs-Frequenzwandler 15 angeschlossen, der wiederum mit einem Zähler 16 verbunden ist, wobei der Ausgang des Zählers 16 mit dem Rechner 14 in Verbindung steht.

Über den Regelkreis 6 wird der Behälter 1 dauernd unter einem geregelten Druck gehalten. Wird der Behälter mit Druck beaufschlagt, so steigt das flüssige Metall in dem Steigrohr 3 an, bis über den Signalgeber 5 ein elektrisches Signal an den Rechner 14 gegeben wird. Mit sinkendem Metallspiegel der Metallschmelze 2 im Behälter 1 wird der not­ wendige Druck, um ein Signal auszulösen, immer höher. Um von der Bauform und dem Inhalt des Behälters unabhängig zu sein, wird der Metallspiegel im Steigrohr 3 über den geregelten Druck so eingestellt, daß er einen vorgegebenen Abstand zum Signalgeber bzw. zur Auslaßöffnung aufweist. Der Druck wird über den Druckfühler 7 erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dem PID-Regler 9 zugeführt wird. Entsprechend den Sollwerten, die der Regler vom Rechner 14 erhält, wird über den Strom-Druck- Stellungsgeber 10 das Ventil 11 gesteuert, so daß sich der gewünschte Druck im Behälter 1 aufbauen kann. Die Druckversorgung 12 stellt einen vorgeregelten Druck vor dem Stellventil 11 sicher, so daß die Vorrichtung auch bei Leckverlusten des Behälters noch funktionsfähig bleibt. Der Behälter muß somit nicht vollständig druckdicht sein. Bei schnellen Sollwertänderungen kann das Entlüftungsventil 13 geöffnet werden.

Wenn eine dosierte Menge aus der Ausflußöffnung abgegeben werden soll, wird der Druck erhöht. Die Ausflußmenge wird durch die Bildung des Integrals Druck mal Zeit bestimmt. Dabei wird der wirkliche Druck, nämlich der über der Ausfluß­ öffnung als Maß genommen. Der Druck ist variabel, d. h. er ändert sich in jedem Moment, wobei zur Bestimmung des Integrals die Zeit in viele einzelne Zeiteinheiten eingeteilt wird. Wenn die Zeit­ einheit genügend klein ist, so ist die Bestimmung des Integrals ausreichend genau. Der momentane Druck wird jeweils mit der Zeiteinheit in dem Spannungs-Frequenz­ wandler 15 multipliziert, wobei der Druck durch die Differenz des vom Druckfühler 7 gemessenen Drucks und des Druckgebers, der herrscht, wenn der Metallspiegel im Steigrohr 3 den Signalgeber 5 erreicht und einen Kontakt auslöst. Der Rechner 14 erhält über den PID-Regler 9 die vom Druckfühler und vom Signalgeber 5 ausgelösten Spannungssignale. Die so gebildete Differenzspannung wird mit der Zeiteinheit multipliziert, wobei der sich ergebende Wert im Spannungs-Frequenzwandler 15 in Impulse umgewandelt werden. Diese Impulse werden dem Zähler 16 zugeführt, der sie zählt. Die Zahl der Impulse ist ein Maß für die dosierte Menge.

Es soll flüssiges Aluminium mit einer Dichte von 2,5 kg/dm³ dosiert werden, wobei die Abmessungen des Behälters 1 m×2 m×1 m beträgt. Der maxi­ male Behälterfüllstand soll 0,5 m nicht überschreiten.

Die Ausflußöffnung ist in einer Höhe von 700 mm über dem Behälterboden angebracht. Bei maximalem Füllstand be­ trägt das Aluminiumvolumen 1 cbm. Dies entspricht einer Masse von 2500 kg.

Vor dem erstmaligen Dosieren ist der Innendruck 0 und durch Druckaufbau im Behälter steigt das Aluminium im Steigrohr 3 bis ein elektrischer Kontakt am Signal­ geber 5 ausgelöst wird, dem eine Spannung von 5 V zuge­ ordnet wird. Der P/I-Wandler 8 hat eine Auflösung von 0 bis 200 mbar, wobei der PID-Regler 9 für diesen Bereich eine Spannung von 0 bis 10 V zur Verfügung stellt. Der Druck bei Auslösen des Kontaktes am Signalgeber 5, der vom Rechner 14 ausgerechnet wird, beträgt somit 100 mbar.

1 mbar entspricht 10 mm WS und dies entspricht wiederum 4 mm flüssigen Aluminiums. Hieraus folgt, daß der Unterschied zwischen Schmelzbadober­ fläche und Ausflußöffnung (in diesem Fall ist der Signal­ geber an der Ausflußöffnung angeordnet) 400 mm betragen muß. Die Füllstandshöhe ist somit 700 mm-400 mm und die Masse des Behälterinhaltes beträgt 1500 kg. Anhand des als Spannung am PID-Regler 9 vorliegenden und im Rech­ ner gespeicherten Druckwertes kann der Rechner 14 je nach Dichte des Inhalts und Volumen des Behälters 1 den Behälterfüllstand bestimmen.

Der Druck kann auf 0,5%, d. h. 1 mbar genau gestimmt wer­ den. Dies entspricht 4 mm flüssigen Aluminiums. Bei ei­ ner Höhe des Metallspiegels von 500 mm ergibt sich ein Unterschied von 4 mm, d. h. ein Fehler von 0,8%, was 20 kg entspricht, d. h. das Verfahren ist sehr genau.

In einem nächsten Schritt gibt der Rechner 14 einen neuen Sollwert dem PID-Regler 9 als Sollspannung von 5 V-1 V = 4 V vor, indem von der bei Kontaktgabe ge­ messenen Spannung eine konstante Spannung abgezogen wird. Entsprechend diesem Spannungswert wird über den Druck- Stromwandler 10 und das Stellventil 11 der Druck in dem Behälter 1 derart eingestellt, daß der Pegel im Steigrohr 3 80 mm (entsprechend 1 V bzw. 20 mbar) unterhalb der Ausflußöffnung bzw. dem Signalgeber 5 liegt. Der Druck wird in dem Behälter 1 ständig so eingeregelt, daß unab­ hängig von der Behälterbauform und dem Füllzustand des Behälters 1 dieser Abstand von 80 mm immer konstant ist. Durch den immer gleichen Abstand zwischen dem Pegel im Steigrohr 3 und der Ausflußöffnung bzw. dem Signalgeber 5 bleibt die Anlaufzeit, bis ein Signal am Signalgeber 5 ausgelöst wird, konstant. Dieser Signalgeber bzw. die Austrittsöffnung wird als relativer Bezugspunkt ange­ nommen.

In Fig. 2 ist der Soll- und Istdruck in zeitlicher Ab­ hängigkeit währed eines Dosiervorganges dargestellt.

Wird ein Dosiervorgang eingeleitet, so wird der Druck im Behälter 1 derart geregelt, daß er nach einer Rampenfunk­ tion ansteigt, die der Rechner 14 vorgibt. Die Druckan­ stiegsgeschwindigkeit beträgt in einer ersten Phase z. B. 10 mbar/s. Ist der Druck auf 10 mbar unterhalb des­ jenigen gestiegen, bei dem ein Signal vom Signalgeber ausgelöst wird, so wird eine zweite Phase eingeleitet. Die durch eine weitere Rampenfunktion vorgegebene Druck­ anstiegsgeschwindigkeit beträgt nur noch 3,2 mbar/s. Der Pegel im Steigrohr 3 steigt daher erst schnell und läuft in der zweiten Phase langsam die restlichen 40 mm gegen die Elektrode des Signalgebers 5. Durch die Verlangsamung ist es möglich, den Elektrodenkontaktpunkt sehr genau zu erfassen. Die Elektrode ist dabei so ausgebildet, daß bei Schließung des Kontaktes sie sich schnell aus dem Aluminium­ bereich herausbewegt, so daß die Abnutzung über die Zeitdauer gering ist.

Die dem Druck entsprechende Spannung bei Kontaktaus­ lösung (EK) wird im Rechner 14 gespeichert und es er­ folgt eine weitere Erhöhung des Istdruckes nach einer neuen Rampenfunktion, wobei der vorgegebene Solldruck­ wert in der Phase 3 sehr schnell ansteigt und dann kon­ stant bleibt (Phase 4). Es ist dem Istdruck nicht mög­ lich, innerhalb der Phase 3 dem Sollwert zu folgen und er erreicht in der Phase 4 zum Zeitpunkt tmin den proportio­ nalen Bereich.

Nach der Kontaktgabe EK beginnt der Rechner 14, der von der Moment­ spannung des Reglers 9, die dem Druck im Behälter 1 entspricht, die gespeicherte Spannung abzuziehen. Diese Differenzspannung wird dem Spannungs-Frequenz-Wandler 15 zugeführt, wobei das Integral Differenzspannung bzw. Druck über der Ausflußöffnung mal Zeit gebildet wird. Die Im­ pulse des Spannungs-Frequenz-Wandlers 15 werden in dem Zähler 16 gezählt. Steigt der Istdruckwert bei tmin bis auf den Sollwert, findet keine Druckerhöhung mehr statt, und er wird durch die Regelung auf dem Sollwert eingeregelt.

Überschreitet die Anzahl der Impulse einen bestimmten als Grenzwert vorgegebenen Zählerstand, beginnt eine fünfte Phase, wobei über den Grenzwert die Dosiermenge einstell­ bar ist.

Der Behälter 1 soll möglichst schnell entlüftet werden, wobei das zusätzliche Entlüftungsventil 13 den Vorgang unterstützt. Weiterhin wird ein neuer Sollwert vorgegeben, der der Füllstandshöhe vor dem Dosiervorgang entspricht. Solange bis in dieser Phase 5 der Druck unter den bei der Kontaktgabe EK gemessenen Druck abfällt, fließt weiter flüssiges Metall aus dem Behälter. Dies wird in der Fig. 2 durch die Dreiecksfläche verdeutlicht. Die Zeit bis zum Unterschreiten des bei der Kontaktgabe gemessen­ en Drucks beträgt wenige ms, wird aber mit höherem Druck, d. h. bei sinkendem Metallspiegel immer länger, wodurch sich die Dreiecksfläche vergrößert. Würde keine Korrektur erfolgen, so würde sich mit abnehmendem Behälterfüll­ stand die dosierte Menge erhöhen, da der Entlüftungsvor­ gang mit höher werdendem Druckniveau ensprechend der Verringerung des Flüssigkeitsspiegels im Behälter immer länger wird. Zur Korrektur wird daher in Abhängigkeit des Behälterfüllstandes, d. h. des bei Kontaktgabe EK ge­ messenen Drucks eine Gegenspannung auf den Spannungs- Frequenz-Wandler 15 gegeben, wodurch die Impulse ver­ langsamt werden. Damit ist eine Zeitkorrektur des Zählergrenzwertes möglich, ohne den Grenzwert selbst zu verändern.

Es kann aber auch anstelle einer Gegenspannung eine Spannung addiert werden, wodurch die Impulse be­ schleunigt werden. Bei einer solchen Addition wird der leere Behälter als Bezugsgröße genommen, während bei einer Anwendung der Gegenspannung der volle Behälter als Be­ zugsgröße gewählt werden muß.

Nachdem der Pegel im Steigrohr 3 im angegebenen Bei­ spiel wieder auf 20 mbar bzw. 80 mm unter dem Signal­ geber 5 eingeregelt worden ist, kann ein weiterer Dosier­ vorgang gestartet werden.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist nur ein Rechner 14 angegeben. Selbstverständlich kann das System aus mehreren getrennten aber untereinander vernetzten Rechnern aufgebaut sein, wobei dabei zeit­ kritische Daten der Regelung von den zeitunkritischen Daten in der Steuerung getrennt bearbeitet werden.

Der Rechner bestimmt neben schon angegebenen Größen die Sollwert-Rampenfunktionen bei bestimmten Grenzwer­ ten, sowie die Einstellung der Grenzwerte und der Rampenparameter.

Als Signalgeber wird bei höheren Temperaturen und aggres­ siven Flüssigkeiten, wie z. B. flüssigem Aluminium, eine bewegliche Elektrode innerhalb des Steigrohres vorge­ sehen, die gegenüber der Flüssigkeit isoliert ist. Bei Berührung der Flüssigkeit mit der Elektrode schwingt diese aus dem Steigrohr aus, so daß sie selbst nicht bewegt wird und sich damit auch nur geringfügig ab­ nutzt.

Es sind aber auch, insbesondere bei geringen Temperaturen andere Signalgeber, wie berührungslos arbeitende kapazi­ tive und induktive Grenzwertmelder anwendbar.

Der Signalgeber ist zur Vereinfachung des Beispiels an der Ausflußöffnung angeordnet, er kann aber auch an anderen Stellen vorgesehen werden.

Selbstverständlich kann unter Anwendung eines Teils der Erfindung der Füllstand in einem Behälter ohne an­ schließendem Dosiervorgang gemessen werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Dosieren von Flüssigkeiten, insbesondere von geschmolzenem Metall, das in einem druckdichten Behälter mit einem in die Flüssigkeit eintauchender Steigrohr aufgenommen ist, bei dem die Höhe des Flüssigkeitsspiegels über eine Druckmessung abhängig von dem Signal eines in dem Steigrohr angeordneten Signalgebers festgestellt wird und die Abgabe bestimmter Mengen an Flüssigkeit durch eine in dem Steigrohr vorgesehene Ausflußöffnung durch Beaufschlagung des Behälters mit einem den Füllzustand berück­ sichtigenden Druck gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter dauernd unter einem ge­ regelten Druck steht, der derart geregelt wird, daß unabhängig vom tatsächlichen Füllstand der Pegel in dem Steigrohr von dem Abgabevorgang einen konstanten Abstand zu dem Signalgeber aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für den Abgabevorgang die dosierte Ausflußmenge über das Integral Druck mal Zeit bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während des Abgabevorganges die Differenz des gemessenen momentanen Drucks und des Drucks, der bei Auslösen eines Signals am Signalgeber herrscht, gebildet wird und mit der Zeit des Abgabe­ vorganges multipliziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der momentane Differenzdruck mit einer kleinen Zeiteinheit multipliziert wird und in Spannungsimpulse umgewandelt wird, die gezählt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu dosierende Menge durch einen als Zählwert angegebenen Grenzwert vorgegeben wird, wobei bei Er­ reichen des Grenzwertes durch die aufgezählten Impulse der Abgabevorgang beendet wird und der Be­ hälter entlüftet wird.

6. Vorrichtung zum Dosieren von Flüssigkeiten, insbesondere von geschmolzenem Metall, die einen druckdichten Behälter mit einem in das Metall eintauchenden Steigrohr aufweist, wobei in dem Steigrohr ein die Höhe des Flüssigkeitsspiegels angebender Signalgeber angeordnet ist, mit einer Druckgasversorgung, die über ein Ventil Druck zur Abgabe bestimmter Mengen aus einer in dem Steigrohr vorgesehenen Ausflußöffnung unter Berücksichtigung des Flüssigkeitszustandes des Behälters zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckregelkreis (6) vorgesehen ist, der einen den Druck in dem Behälter (1) erfassenden Druckwandler (7) und einen Regler (9) aufweist, der den Druck in dem Behälter ständig derart regelt, daß unabhängig vom tatsächlichen Füllstand des Behälters (1) der Pegel in dem Steigrohr (3) vor dem Abgabevorgang einen konstanten Abstand zu dem Signalgeber aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckregelkreis (6) mit einem Rechner verbunden ist, der abhängig von dem wirklichen Druck im Behälter (1) und des Drucks bei Signalgabe durch den Signalgeber (5) an den Regler (9) den Sollwert vorgibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungs-Frequenz­ wandler (15) mit dem Rechner (14) verbunden ist, dessen Ausgang an einem Zähler (15) angeschlossen ist, wobei in dem Spannungs- Frequenzwandler (15) das Integral Druck mal Zeit in Impulse umgewandelt wird, die im Zähler gezählt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der noch während des Entlüftungsvorganges ausfließenden Flüssigkeitsmenge die Spannungs­ impulse abhängig vom Füllstand beschleunigt oder verlangsamt werden.