Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren eines flui- den Mediums mittels einer Dosiervorrichtung in Form einer Kolbenpumpe mit Zylinder und verstellbarem Kolben, wobei der Zylinder und der Kolben einen Arbeitsraum bilden.

In den verschiedensten Industriebereichen, z.B. Gummiherstellung, Lebensmittelherstellung, etc., werden Mischungen im Batchbetrieb herge- stellt, bei denen verschiedenste Flüssigkeiten einem Mischer zudosiert werden. Der Mischer soll in einem Mischprozess Feststoffe und Flüssigkeiten zu einer homogenen Masse vermischen. Um reproduzierbare Massen zu erzeugen, benötigt der Hersteller neben den abgewogenen Feststoffen eine oder mehrere genau dosierte Flüssigkeiten bzw. Fluide als Zugabe, um dem dann in einem späteren Prozess zu fertigenden Endprodukt bestimmte Eigenschaften zu geben.

Für die zu dosierenden Flüssigkeiten sind u.a. Wägesysteme bekannt. Dabei werden über getrennte Zuleitungen verschiedene Fluide, insbesondere Flüssigkeiten, nacheinander in einen Zwischenbehälter dosiert und abgewogen, um sie dann als Ganzes über eine geeignete Förderpumpe dem Mischer zuzuführen. Bei einem Batchwechsel, also einer anderen neu herzustellenden Mischung, ist die Zuführleitung noch mit der alten Rezeptur gefüllt. Dies bedeutet, dass eine sogenannte Zwischenmischung entsteht, die eben nicht der Vorgängermischung bzw. der neuen Mi- schung entspricht.

Es sind auch kombinierte Wäge- und Kolbensysteme am Markt bekannt, bei denen zuerst ein Behälter auf einer Waage mit der entsprechenden Menge einer Flüssigkeit für eine bestimmte Mischung gefüllt wird, danach diese Flüssigkeit aus dem Wägebehälter mittels einer Förderpumpe in einem sogenannten Dosierzylinder zwischengelagert und bezogen auf die gewünschte Menge nochmals kontrolliert wird, um sie anschließend dem Mischer nach der Schussfreigabe zuzuführen. Dieses Verfahren ist also ein kombiniertes gravimetrisch und volumetrisch arbeitendes Dosiersys- tem.

Ebenfalls bekannt sind Kolbendosiersysteme, die mittels eines Masse- durchflussmesssystems geregelt bzw. gesteuert werden. Diese nach dem Coriolisprinzip funktionierenden Messsysteme sind aber im rauen Industriebetrieb, insbesondere durch Erschütterungen bzw. Vibrationen, oft nicht genau genug oder verfälschen das Ergebnis bei einem Schussbetrieb, da die Systeme elektronisch bzw. softwareseitig geglättet oder gefiltert werden müssen.

Die vorbeschriebenen Systeme basieren vorwiegend auf der gravimetri- schen Dosierung bzw. Messung mit den im Industriebereich bekannten Vor- und Nachteilen.

Aufgabe des neuen Verfahrens ist eine hochgenaue volumetrische Dosierung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.

Die Mischrezepte geben in der Regel keine Volumenangaben sondern Gewichtsangaben für die einzelnen Bestandteile der Mischung vor. Bei Verwendung einer Kolbenpumpe als Dosiervorrichtung kann diese jedoch lediglich ein bestimmtes Volumen dosieren. Die Dichte des zu dosieren- den fluiden Mediums ändert sich jedoch mit der Temperatur und dem Druck, unter dem es im Arbeitsraum der Kolbenpumpe ausgesetzt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt jedoch beim Dosiervorgang die Temperatur des in den Arbeitsraum strömenden fluiden Mediums. Optional kann auch noch das im Arbeitsraum befindliche Gasvolumen be- stimmt werden. Da sich das Volumen des Mediums mit der Temperatur ändert, kann bei bekannter Temperatur das erforderliche Fördervolumen, welches der Gewichtsvorgabe für das Medium entspricht, und damit eine einzustellende Dosierstartposition des Kolbens berechnet werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird deshalb zunächst der Arbeits- räum der Dosiervorrichtung mit einer Füllmenge befüllt, deren Volumen größer ist als das zu dosierende Fördervolumen. Nachdem die Temperatur der Füllmenge bestimmt worden ist, kann das zu dosierende Fördervolumen bestimmt werden. Das überschüssige Fluid wird durch Verfahren des Kolbens in die Dosierstartposition über ein geöffnetes Ventil aus dem Arbeitsraum abgelassen und kann in den Vorratsbehälter zurückgefördert werden. Sofern das Ventil an der obersten Position des Arbeitsraumes angeordnet ist, wird gleichzeitig im Arbeitsraum befindliches Gas oder Luft beim Verfahren des Kolbens in die Dosierstartposition aus dem Arbeitsraum gedrückt, sofern sich das Gas im oberen Bereich des Arbeits- raumes angesammelt hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zudem vor, dass die Gasbeladung des Füllmediums bestimmt wird, wodurch sich eine noch genauere Dosierung erreichen lässt. Die Bestimmung bzw. Abschätzung des in der Füllmenge befindlichen Gases lässt sich vorteilhaft über einen zusätzlichen Verfahrensschritt ermitteln, bei dem die in den Arbeitsraum geförderte Füllmenge mittels des Kolben bei geschlossenen Ventilen unter einen bestimmten Druck gesetzt wird. Anhand des Verfahrweges des Kolbens kann die Gasbeladung ermittelt werden, welche dann bei der Berechnung der Dosierstartposition berücksichtigt wird. Vorteilhaft ist die Kolbenpumpe der Dosiervorrichtung derart angeordnet, dass der Kolben in vertikaler Richtung rauf und runter bewegt wird. Diese Anordnung ermöglicht das Anordnen des Ventils zum Entfernen der über- schüssigen Füllmenge bzw. der im Arbeitsraum eingeschlossenen unerwünschten Gase am höchsten Punkt. Sofern der Arbeitsraum beim Verfahren des Kolbens nach oben verkleinert wird, ist somit das Ventil in der unteren Bodenwandung des Zylinders anzuordnen. Sofern der Arbeits- räum beim Verfahren des Kolbens nach unten verkleinert wird, ist das Ventil im Kolben selbst anzuordnen.

Selbstverständlich ist es möglich, dass mit einer Dosiervorrichtung mehr als ein fluides Medium dosiert wird. Hierzu sind entsprechend der Anzahl der zu dosierenden Medien eine entsprechende Anzahl von Zuleitungen und Absperrventilen vorzusehen. Auch sind entsprechende Anzahlen von Auslassleitungen und Ventilen vorzusehen, sofern die überschüssigen Medien beim Verfahren des Kolbens in die Dosierstartposition wieder zurück in die entsprechenden Vorratsbehälter gefördert werden sollen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit die Vorteile der gravimetri- sehen Dosierung auf und übertrifft diese in der Genauigkeit, da Temperaturschwankungen und Gaseinschlüsse im zu dosierenden Medium berücksichtigt werden. Durch das Vorsehen von eigenen Verbindungsleitungen zwischen nachgeordnetem Mischer und Arbeitsraum für jede Einzelkomponente werden vorteilhaft Undefinierte Zwischenmischungen von ver- schiedenen Fluiden vermieden.

Die Kolbenpumpe als Dosierzylinder kann vorteilhaft über einen Hydraulikzylinder angetrieben werden, der wiederum über ein geeignetes Messsystem und einem hydraulischen Positionierventil in seiner Längs- bzw. Auf-/Abbewegung genau positioniert werden kann. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 : Dosiervorrichtung mit nachgeordnetem Mischer;

Fig. 2 : Einspritzöffnung eines Mischers nach dem Stand der Technik; Fig. 3 : Erfindungsgemäße Zuführleitung zum Mischer.

Die Figur 1 zeigt eine Dosiervorrichtung mit nachgeordnetem Mischer 25 für das erfindungsgemäße Verfahren. Ein Dosiervorgang beginnt mit dem Befüllen des Dosierzylinders 2 mit einer bestimmten Füllmenge, die größer ist als die zu dosierende Menge. Dabei wird das zu dosierende Fluid über eine externe Druckquelle, z.B. in Form einer Pumpe 21, oder mittels der Dosiervorrichtung 2 selbst, über ein Befüllventil 11 in den Arbeitsraum A gefördert. Die Dosiervorrichtung 2 weist einen Zylinder Z auf, der mit einem Zylinderboden 1 verbunden ist. In dem Zylinder Z ist der Kolben 3 angeordnet, welcher von einem Kolbenzylinder-System 5, 6 über eine Kolbenstange 4 angetrieben ist. Die Position des Kolbens 5 des Kolbenzylinder-Systems 5, 6 wird mittels des Wegsensors 7 ermittelt. Mittels des Steuerungsventils 8 kann somit die genaue Position des Kolbens 5 vorgegeben werden, wodurch auch der mit ihm starr gekoppelte Kolben 3 der Dosiervorrichtung genau positioniert werden kann.

Die in Figur 1 dargestellte Dosiervorrichtung kann die beiden Fluide 1 und 2, welche in den Vorratsbehältern 20, 20' gelagert sind, genau dosiert in den Mischraum 25a des nachgeordneten Mischers 25 fördern. Die Fluide 1 und 2 werden mittels der Förderpumpen 21, 2Γ über die Zuführleitungen 22, Σ und die Einlassventile 11, 1Γ in die im Zylinderboden 1 befindlichen Zuführkanäle 16, 16 ¹ von unten in den Arbeitsraum A der Dosiervorrichtung 2 gefördert. Drucksensoren 10, 10 ^λ überwachen, ob ein genügend großer Druck in den Zuführleitungen 22, 22' aufgebaut werden kann, womit die Dichtigkeit der Zuführleitungen 22, 22" geprüft werden kann. Die Temperatursensoren 12, 12 ^v messen beim Befüllvorgang kontinuierlich die Temperatur der Füllmenge wodurch deren durchschnittliche Temperatur bestimmt werden kann. Beim Befüllen des Arbeitsraumes A wird der Kolben 3 aktiv nach oben gefahren. Dabei wird darauf geachtet, dass der Kolben 3 nicht zu schnell nach oben gefahren wird, damit kein Vakuum entsteht. Würde ein Vakuum entstehen, könnten flüchtige Anteile im zu dosierenden Fluid verdampfen. Der anschließende Messvorgang würde diesen Befüllfehler erkennen und den anstehenden Dosiervorgang abbrechen.

Im Kolben 3 sind Durchgangskanäle 17, 17' angeordnet, in denen optional ein Rückschlagventil angeordnet werden kann. Jeder Durchgangska- nal 17, 17' ist mit einer Rückführleitung 19, 19' verbunden, in der jeweils ein gesteuertes Ventil 18, 18' angeordnet ist. Über die Rückführleitungen 19, 19' wird das überschüssige Fluid in seinen zugehörigen Vorratsbehälter 20, 20' zurückgefördert.

Die Dosiervorrichtung weist ferner für jedes Fluid 1 bzw. 2 eine Verbin- dungsleitung auf, die jeweils einen Einlasskanal 16, 16' mit der Zuführleitung 23 des Mischers 25 verbindet, wobei am Anfang und am Ende der Zuführleitung 26, 26' jeweils ein gesteuertes Ventil 13, 24 bzw. 13\ 24' angeordnet ist. Mittels der Ventile 13, 13' wird verhindert, dass beim Befüllen des Arbeitsraumes A Fluid von der Zuführleitung 22, 22' in die Ver- bindungsleitung 26, 26' gelangt. Die Ventile 24, 24' dienen dazu, dass beim Fördern eines dosierten Fluides in den Mischerraum 25a das geförderte Fluid nicht in die andere Verbindungsleitung gelangt. Die beschriebene Dosiervorrichtung weist eine nicht dargestellte Steuerung auf, in der die Rezeptur für den anstehenden Batch gespeichert ist. Die zu dosieren- de Menge eines bestimmten Fluides ist in der Regel in der Maßeinheit g oder kg hinterlegt und somit bekannt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht die Masse des Fluides sondern deren Dichte über die Temperatur und optional auch über das im Fluid enthaltene Gasvolumen ermittelt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass stets eine geringe Zusatzmenge von ca. 2 bis 10% mehr in den Arbeitsraum A gefördert wird als tatsächlich benötigt wird. Durch diese Zusatzmenge wird sichergestellt, dass beim Ermitteln der Dichte der Füllmenge im Arbeitsraum A nicht festgestellt wird, dass die aktuelle Füllmenge tatsächlich nicht klei- ner ist als die zu dosierende Menge. Die Größe der Zusatzmenge kann fest vorgegeben werden. Es ist jedoch auch möglich, dass sie adaptiv eingestellt wird. D.h., das System kann anhand der vorhergehenden Ermittlungen der Dichte lernen, und so die Zusatzmenge für das jeweilige Fluid einstellen, so dass diese nicht zu groß gewählt wird.

Nach dem Befüllen des Dosierzylinders Z schließt das Befüllventil 11, 11' am Zylinderboden 1. Durch Herabfahren des Materialkolbens 3 wird nun die Kompressibilität des im Arbeitsraum A befindlichen Fluides über den Weg der Kolben 3, 5 und der Erfassung des Drucks mittels des Drucksensors 15, 15 ^λ im Fluid überprüft und gemessen. Dabei lässt sich feststellen, ob möglichweise Luft- bzw. Gaseinschlüsse im zu messenden Fluid vorhanden sind. All diese Informationen, wie Temperatur und Gasbeladung bzw. Kompressibilität des Fluides, Dichtewerte über die Temperatur, welche in der Steuerung hinterlegt sind, werden nun verrechnet in der Form, dass die genaue Position der Kolben 3, 5 für die gewünschte und in der Rezeptur hinterlegte Dosiermenge berechnet wird. Ist diese Dosier- Startposition dann berechnet, öffnet ein Materialventil 18, 18' im Materialkolben 3 und der Hydraulikzylinder 5, 6 fährt in die berechnete Position. Dabei drückt der Materialkoben 3 über das geöffnete Ventil die überfüllte Menge über die Rückführleitung 19, 19' weitestgehend drucklos in den Materialbehälter 20, 20' zurück. Ist die errechnete Dosierstartposition erreicht, schließt das Ventil 18, 18 im Materialkolben 3. Die in der Rezeptur hinterlegte Dosiermenge ist nun eingestellt und für den nächsten Schuss in den Mischer 25 vorbereitet.

Damit das überfüllte Fluid und mögliche Luft-/Gaseinschlüsse aus dem Dosierzylinder weggefördert werden können, ist der Auslass am höchsten Punkt im Arbeitsraum A anzuordnen, da Luft/Gase nach oben steigen. Sofern der Arbeitsraum A beim Herunterfahren des Kolbens 3 verkleinert wird, ist der Auslass in Form des Durchgangskanals 17 somit im Kolben 3 anzuordnen. Sofern der Arbeitsraum A beim Herauffahren des Kolbens 3 verkleinert wird, ist der Auslass in Form des Durchgangskanals 17 im Zy- linderboden 1 anzuordnen.

Wird nun das Signal zum Dosieren von der Mischsteuerung gegeben, öffnet das Auslassventil 13, 13 ^λ im Zylinderboden 1 und der Kolben 3 fährt mit einer gewünschten Geschwindigkeit nach unten und drückt somit das Fluid in den Mischer 25. Ist die unterste Position des Kolbens 3 erreicht, befindet sich die gewünschte Menge des Fluides im Mischerraum 25a des Mischers 25. Der Kolben 3 liegt in der untersten Position möglichst komplett am Zylinderboden 1 an, so dass der Arbeitsraum möglichst vollständig entleert ist. Dadurch ist im Prinzip kein Fluidrest mehr im Dosierzylinder vorhanden. Dieser Umstand ermöglicht es nun, mehrere, d.h. auch mehr als zwei, verschiedene Flüssigkeiten/Fluide mittels des Dosierzylinders zu dosieren, wodurch Anschaffungskosten verringert werden. Allerdings ist jedes Fluid mit einem eigenen Eingangsventil 11, Ausgangsventil 13, welche vorteilhaft im Zylinderboden 1 angeordnet sind sowie einem Materialventil 18 im Materialkolben 3 sowie eigenen Drucksensoren 10, 14, 15 und Temperatursensoren 12 ausgestattet, damit alle Zuführleitungen 22, Dosierlei- tungen 26 und Rückführleitungen 19 immer mit demselben Fluid kontaminiert sind.

An den heute bekannten Mischern sind in der Regel 4 oder 6 Einspritzöff- nungen vorhanden. Wenn nun rezepturabhängig mehr als 4 oder 6 Flüssigkeiten gleichzeitig oder nacheinander, also zeitversetzt, dem Mischer 25 zugeführt werden sollen, müssen an einer Einspritzöffnung 23 auch mehrere Fluide angeschlossen werden können. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Einspritzrohr 23 ist in Figur 2 dargestellt. Die Einspritzöffnung 23 weist ein Anschlussrohr 23a auf, bei der axial versetzt fünf Fluidanschlüsse 23b vorgesehen sind. Jeder Fluidanschluss 23b weist ein Rückschlagventil 23c auf, welches so angeordnet ist, dass das zu dosierende Fluid zum Mischer fließen aber nicht in eine andere Fluidzuführ- leitung 26 gelangen kann. Dies funktioniert nur so lange, wie alle Rückschlagventile 23c einwandfrei funktionieren. Sollten aber die Rückschlagventile 23c undicht sein, kann das zu dosierende Fluid durch den herr- sehenden Dosierdruck in eine andere drucklose Zuführleitung 26 gedrückt werden. Dabei entstehen ungewollte und nicht bekannte„Vermischungen" innerhalb der an einem Einspritzrohr 23a angeschlossenen Zuführleitungen 26. Die Rezepturvorgaben sind dann nicht mehr in der ge- wünschten Genauigkeit einzuhalten. Des Weiteren sind durch den axialen Versatz der Fluidanschlüsse 23b bei einem Rezepturwechsel unterschiedlich verbleibende Restmengen in dem Einspritzrohr 23a. Auch dieser Umstand führt zumindest beim ersten Schuss einer neuen Rezeptur zu nicht definierten Rezepturverschiebungen.

Die Erfindung schlägt hierfür eine neu entwickelte Einspritzsöffnung 33 vor, welche eine Vielzahl von Anschlüssen für unterschiedliche Fluide aufweisen kann. So können sechs oder mehr Fluide dem Mischer über eine Dosiervorrichtung zu dosiert werden. Die Einspritzöffnung 33 zeich- net sich dadurch aus, dass die Kanallänge für jedes Fluid vom Anschlusspunkt in den Mischerraum 25a möglichst kurz und gleich lang ist. Alle Fluidanschlüsse 33b sind radial in der Form angeordnet, dass für jedes Fluid in der Einspritzöffnung 33 das gleiche Wechselvolumen besteht. Des Weiteren ist in jedem Fluidkanal 33b ein Rückschlagventil 33c angeord- net. Oberhalb eines jeden Rückschlagventils kann zusätzlich ein gesteuertes Fluidventil 24 eingebaut werden, um eben einen Fluidkanal aktiv zu öffnen und auch zu schließen. Durch den Drucksensor 14 am Ausgang der Dosiervorrichtung, wird der Zustand der Verbindungsleitung 26 und des korrespondierenden Fluidventils 24 jederzeit auf Dichtheit und korrekter Funktion überprüft. Somit wird über die Auswertung der Drücke in der Steuerung rechtzeitig eine Information erzeugt,

entsprechende Wartungen vorzunehmen. Außerdem lassen sich

Fehldosierungen oder ungewollte Vermischungen zwischen den Fluiden verhindern.

Nach einem Dosiervorgang kann weiterhin ein Restdruck in der Verbin- dungsleitung 26 durch die aktiv gesteuerten Ventile 14, 24 eingespannt bleiben. Fällt oder steigt nun dieser eingeschlossene Druck im weiteren Verlauf, sind entsprechende Rückschlüsse auf diesen Fluidstrang bezogen, zu generieren.

Durch das Gesamtsystem Dosiervorrichtung und Einspritzöffnung bzw. - ventil 33, insbesondere durch den weiteren Einsatz eines aktiv gesteuerten Fluidventils 24, lassen sich somit Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit von Rezepturen erhöhen und rechtzeitig eingeleitete Wartungs- hinweise generieren.

Nachfolgen wird der Ablauf eines möglichen Zyklus mit Entlüftung des Gasvolumens eingehend beschrieben :

1. Der Kolben 3 steht unten auf Zylinderboden 1. Das Fluidbefüilventil 11 wird geöffnet. Über den Drucksensor 10 wird der anstehende Förderdruck der Förderpumpe 21 gemessen. Bei ausreichendem Flu- iddruck fährt der Fluidkolben 3 so schnell nach oben, dass über den Drucksensor 15 kein Vakuum festgestellt wird, so dass keine Verdampfungsgefahr des Fluides besteht;

2. Während des Befüllvorgangs wird über den Temperatursensor 12 ständig die Fluidtemperatur der Füllmenge gemessen und damit die durchschnittliche Temperatur des im Zylinder 2 befindlichen Fluides berechnet;

3. Durch die errechnete Temperatur der Füllmenge wird über die Dichteänderung des Fluides das korrigierte Dosiervolumen und damit die notwendige Startposition des Kolbens 3 errechnet;

4. Die Startposition plus einer festgelegten Überfüllmenge bzw. Zusatzmenge ergibt die anzufahrende Befüllposition;

5. Ist die anzufahrende Befüllposition erreicht, schließt das Fluidbefüilventil 11. Die Position des Kolbens 5 und damit die Position des Kolbens 3 wird über die Wegmessung 7 ständig ermittelt;

6. Das nun komplett geschlossene Zylindersystem (1, 2 und 3), d.h. der komplett geschlossene Arbeitsraum A, wird nun unter einen bestimmten Druck gesetzt in der Form, dass der Fluidkolben 3 nach unten fährt. Der Druck wird dabei kontinuierlich mittels des Drucksensors 15 gemessen;

7. Ist der Prüf- bzw. Messdruck im Arbeitsraum A erreicht, ist auch der Kompressionsweg durch den Wegsensor 7 bekannt. Mit diesem Wert lässt sich die Gasbeladung und somit die letztendlich richtige Dosierstartposition errechnen ;

8. Danach wird durch Herauffahren des Fluidkolbens 3 der Raum entspannt; 9. Bei geöffnetem Überfüllventil 18 wird nun die errechnete und korrigierte Dosierstartposition des Kolbens 3 angefahren;

10. Ist die Dosierstartposition erreicht, schließt das Überfüllventil 18;

11. Der Fluidkolben 3 fährt nun nach unten auf den gewünschten Dosierstartdruck und wartet auf das Signal des Mischers 25, das Fluid über die Verbindungsleitung 26 in den Mischerraum 25a des Mischers 25 einzuschießen;

12. In dieser„Druckposition" werden alle Ventile 11, 13 und 17 sowie Dichtungen auf Dichtheit überprüft;

13. Kommt das Signal von der Mischsteuerung, das Fluid einzuspritzen, öffnen die Ventile 13 und 24 und der Fluidkolben 3 fährt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, welche über die in der Rezeptur hinterlegte Einspritzzeit für dieses Fluid errechnet wird, nach unten;

14. Ist die untere„Leerposition" erreicht, bleiben die Ventile 13 und 24 mit einer vorgegebenen Verweilzeit weiterhin geöffnet;

15. Nach Ablauf dieser Zeit werden die Ventile 13 und 24 geschlossen und der nächste Befüllvorgang kann beginnen.