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Externe Einflüsse auf die Dosiergenauigkeit und deren Auswirkung auf die Kosten der Inhaltsstoffe

Die Leistung von Differentialdosierwaagen hängt von verschiedenen Einflüssen ab, die sowohl intern als auch extern auf das System und den Prozess einwirken. Um eine optimale Leistung zu erreichen, muss man diese Einflüsse richtig verstehen. In diesem Artikel werden einige Strategien beschrieben, die die Dosiergenauigkeit von Differentialdosierwaagen sichern.

Coperion K-Tron Differentialdosierer
Abbildung 1: Konfiguration einer Differentialdosierwaage

Eine Differentialdosierwaage ist ein gravimetrisches Gerät, das direkt das Materialgewicht misst, um konstant eine vorgegebene Dosierleistung zu erzielen. Diese Dosierleistung wird in Gewichtseinheit pro Zeit gemessen (z. B. Pfund oder Kilogramm pro Stunde). Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht die Differentialdosierwaage im Allgemeinen aus einem Trichter, einer Einheit zur Gewichtserfassung (digital oder analog), einem Dosierer (z. B. einem Schneckendosierer, der von einem Motor mit variabler Drehzahl angetrieben wird) und einer Steuerung.

Vor der Nutzung programmiert ein Bediener die Steuerung so, dass das Material mit einer vorgegebenen Leistung (sog. Sollwert) dosiert wird. Die Differentialdosierwaage kann entweder, wie in Abbildung 2 dargestellt, auf einer Plattformwaage montiert oder, wie in Abbildung 3 dargestellt, an Lastzellen aufgehängt werden. Wenn die von der Wägeeinheit vorgenommene Messung ungenau ist oder durch äußere Kräfte beeinflusst wird, kann der resultierende Massenstrom aus dem Dosierer schwanken. Diese Ungenauigkeit führt nicht nur dazu, dass dem nachfolgenden Prozess eine falsche Materialmenge zugeführt wird, sondern kann aufgrund der Abweichung vom Massenfluss-Sollwert auch zu erhöhten Materialkosten führen.

Differentialdosierwaagen werden sowohl in Chargen- als auch in kontinuierlichen Verfahren eingesetzt. Hersteller, die ihre Prozesse mit Differentialdosierwaagen automatisieren möchten, optimieren gleichzeitig die Gesamtkosten für Schüttgüter. Schon geringe Änderungen in der Genauigkeit eines oder mehrerer Dosierer können sowohl die Produktqualität als auch die Rohstoffkosten erheblich beeinflussen. Eine Differentialdosierwaage kann besonders empfindlich auf Umgebungseinflüsse reagieren, da sie sehr kleine Unterschiede im Gewicht einer relativ großen Menge präzise und kontinuierlich messen muss.

Zu den für den Wägevorgang entscheidenden Umgebungseinflüssen gehören neben einer unsachgemäßen Installation oder Wartung auch Vibrationen, die von nahe gelegenen Maschinen auf das Wägesystem übertragen werden. Hinzu kommen nicht ausreichend flexible Einlauf-/Auslaufanschlüsse, zufällige physikalische Stöße (z. B. ein Anstoßen des Dosierers während des Betriebs) und andere mechanische Störungen sowie Druckschwankungen innerhalb des Systems und an den Prozessanschlüssen. Sogar Luftzüge und Strömungen in der Verarbeitungszone können, wenn sie übermäßig stark sind, die Wägeleistung beeinträchtigen. Im Folgenden werden ausführlich drei der wichtigsten Einflüsse und Gegenmaßnahmen beschrieben.

Gegenmaßnahmen bei Umgebungsvibrationen

Vibrationen von anderen Maschinenteilen können zu falschen Messwerten der Wägevorrichtung führen. Um mögliche Vibrationen zu kompensieren, verwenden die Wägetechnik und Steuersysteme von Coperion K-Tron ausgeklügelte Filteralgorithmen, um zwischen der zu messenden Last und den durch Vibrationen verursachten Kräften zu unterscheiden. Dazu wird ein Algorithmus auf die Prozessdaten angewendet. Dieser unterstützt das Steuersystem dabei, charakteristische Frequenzkomponenten der werksinternen Vibrationen, wie in Abbildung 4 dargestellt, zu identifizieren und zu extrahieren. Auch bei der Anwendung solcher Filteralgorithmen sollte unbedingt sichergestellt werden, dass der Dosierer eine stabile Befestigung hat. Dazu sollten vibrationsdämpfenden Halterungen verwendet sowie Plattformbeschleunigungsmessungen angewandt werden. Darüber hinaus sollten bei Anwendungen mit sehr niedrigen Dosierleistungen unbedingt starke Luftströmungen in der Nähe des Dosierers vermieden werden, da sie über die Waage strömen und die Gewichtsanzeigen beeinflussen können.

Coperion K-Tron Gewicht-Sensor-Ausgang
Abbildung 4: Gewichtsignal mit und ohne Digitalfilter

Den Dosierer vom System trennen

Da der Betrieb der Differentialdosierwaage von genauen Gewichtsmessungen des Materials im Trichter abhängt, müssen der Dosierer und die Wägevorrichtung vollständig von den vor- und nachgeschalteten Prozessen isoliert sein. Nur so wird das Gesamtgewicht nicht beeinflusst. Im Falle eines kontinuierlichen Prozesses kann der vorgeschaltete Prozess einen pneumatischen Abscheider oder einen großen Trichter/IBC enthalten. Ist dieser Abscheider oder Trichter direkt mit dem Dosierer gekoppelt, interpretiert die Waage das Gesamtgewicht fälschlicherweise als viel zu hoch. Daher ist es unumgänglich, dass der Dosierer über flexible Verbindungen von vor- und nachgeschalteten Geräten isoliert ist und über ausreichend Platz für die Wartung verfügt.

Eine der gängigsten Verbindungsarten ist der flexible Faltenbalg. Diese Faltenbälge werden typischerweise aus einem flexiblen Elastomer, wie z.B. Silikon, hergestellt. Wenn diese Verbindungen zu fest sind, werden zu starke Zugkräfte auf den darunter liegenden Dosierer ausgeübt. Dies kann dazu führen, dass die Steuerung des Dosierers ein falsches Gewichtssignal abgibt. Wenn der Faltenbalg durch Druckeinflüsse nach innen gesaugt wird, führen diese Kräfte ebenfalls zu Abweichungen im Gewichtssignal. Abbildung 5 zeigt Beispiele von zu lockeren und zu festen Faltenbälgen.

Der Prozessanschluss muss den Dosierer von Kräften, die die Leistung des Dosierers und der Waage beeinträchtigen könnten, isolieren. Häufig treten diese Probleme nach einer Abschaltung oder Wartung auf, wenn die flexiblen Verbindungen unsachgemäß wieder installiert wurden. Treten bei einem Dosierer nach einem Wartungsprogramm Leistungsprobleme auf, sollten zunächst die flexiblen Verbindungen des Systems untersuchen werden.

Druckschwankungen kompensieren

Wenn eine Differentialdosierwaage Material in eine Umgebung ohne Umgebungsdruck entlädt, kann ein Druckimpuls (Luft, die aus dem nachgeschalteten System durch das Auslaufrohr des Dosierers zur Gewichtserfassung entweicht) einen Dosierleistungsfehler verursachen. Ein solcher Druckimpuls übt eine vertikale Kraft auf die Gewichtserfassung aus, die der Abwärtskraft des Trichters entgegengesetzt ist. So wird die Last leicht angehoben, so dass die Steuereinheit ein geringeres Gewicht registriert. Um die dadurch interpretierte Überfütterung zu kompensieren, verringert die Differentialdosierwaage die Ausgabe. Darüber hinaus können Druckprobleme am Auslauf durch einen Extrudergegendruck oder ein Vakuum auftreten. Dies können z. B. ein Gegendruck in einem nachgelagerten Mischer oder Extruder sowie Vakuumeinflüsse durch ein Mikronisierungs- oder Mahlsystem sein. Um Druckschwankungen am Auslass abzuschwächen, kann die Kappe durch einen flexiblen Faltenbalg, der starr an einer äußeren Struktur, wie z. B. einem Stützrahmen, befestigt ist, vom Dosierer isoliert werden.

Gleichzeitig erhöht der Nachfüllzyklus eines Dosierers aufgrund des plötzlichen Materialzuflusses den Luftdruck im Trichter. Jeglicher positiver Luftdruck wirkt gleichmäßig nach allen Seiten und drückt so auch auf den Trichterdeckel und das Nachfüllventil. Da die Kraft im Einlaufbereich nicht auf den Trichterdeckel, sondern auf das darüber liegende Nachfüllventil wirkt, werden die Druckkräfte im Trichter nicht ausgeglichen. Aufgrund der Einlauföffnung sind die Kräfte, die auf den Deckel wirken, geringer als die entgegengesetzt wirkenden Kräfte am Boden des Trichters. Dies führt zu einer Erhöhung des Gewichtssignals. Die Steuereinheit der Differentialdosierwaage würde das erhöhte Gewichtssignal so interpretieren, dass sich der Massenfluss verlangsamt. Die Folge wären eine eine Erhöhung der Dosierleistung und ein Massenflussfehler.

Dosierer mit mechanischem Druck
Abbildung 6: Dosierer mit herkömmlicher mechanischer Druckkompensation am Trichterein- und -auslauf

Eine der häufigsten Quellen für Druckschwankungen in Differentialdosierwaagen ist ein verstopfter oder blockierter Entlüftungsfilter zur Staubabscheidung. Ist das Staubsammelsystem oder die Stickstoffdecke über viele Dosierer angeschlossen, können Fluktuationen auftreten. Wenn einer der Dosierer nachfüllt, erhalten die anderen Druckimpulse, die über die angeschlossenen Luftleitungen übertragen werden.

Normalerweise werden solche störenden Druckschwankungen durch mechanische Mittel kompensiert, wie in Abbildung 6 dargestellt. Faktoren wie mechanische Toleranzen, die Ausrichtung und das Alter der Faltenbälge und vieles mehr können sich jedoch auf die mechanische Druckkompensation auswirken und verhindern, dass der Druck die durch die Druckänderungen erzeugten Kräfte vollständig ausgleicht.

Prinzip der elektronischen Druckkompensation
Abbildung 7: Elektronische Druckkompensation in einem gravimetrischen Dosiersystem

Heute gibt es eine einfache, aber wirksame Alternative zur mechanischen Druckkompensation: Die elektronische Druckkompensation (EPC) von Coperion K-Tron. Diese Lösung verbessert die Dosiergenauigkeit gravimetrischer Dosierer in geschlossenen Systemen erheblich und kann kostengünstiger sein als herkömmliche Lösungen. Darüber hinaus ist die elektronische Lösung effektiver, zuverlässiger, wartungsfrei und in bestehenden Systemen einfach nachrüstbar.

Wie in Abbildung 7 dargestellt, basiert die EPC auf einem hochpräzisen Drucksensor, der auf dem Trichterdeckel und/oder dem Auslaufrohr montiert ist und ständig den Druck misst. Das Signal des Sensors wird über eine Sensorplatine an die Dosiersteuerung übertragen, wo es zur dynamischen Kompensation der Druckschwankungen und damit zur Vermeidung von Wägefehlern verwendet wird. Der Drucksensor kann auf dem Trichter, dem Auslauf oder auf beiden installiert werden. Man kann auch eine elektronische Druckkompensation für den Trichter und eine herkömmliche mechanische Druckkompensation für den Auslauf verwenden.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Umwelteinflüsse wie Vibrationen, Prozessanschlüsse und Druckschwankungen einen direkten Einfluss auf die Genauigkeit einer Differentialdosierwaage haben können. Durch die konsequente Umsetzung einiger oder mehrerer der oben beschriebenen Optimierungsstrategien werden jedoch höhere Leistungsstandards für kontinuierliche Differentialdosierwaagen erzielt sowie eine allgemeine Steigerung der Prozessrentabilität und -qualität erreicht.

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