DE69411283T2 - Vorrichtung zum mit genauigkeit zuführen von flüssigkeit - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die eine genaue Menge eines Fluids einem Prozeßbehälter bzw. -gefäß oder einem Prozeßsystem zuzuführen in der Lage ist.
• Bei vielen Anwendungen für Formulierungen müssen während des Herstellungsverfahrens kleine Menge eines Fluids zugefügt werden. Bei der maßgeschneiderten Herstellung einer Farbe beispielsweise wird eine pigmentlose Harzlösung oder -dispersion mit einem oder mehreren Mahlgütern vermischt, die dispergierte Pigmente, eine Trägerflüssigkeit und ein Dispergierharz enthalten. Um eine Farbanpassung der herzustellenden Farbe an eine Standardfarbe zu erreichen, müssen genaue Mengen von Fluid und Dispersionen hinzugefügt werden, oft in sehr kleinen Mengen. Die kleinste Abweichung von der Formel führt zu einer Farbe mit Farbabweichung. Deshalb ist eine genaue Zufuhrausrüstung erforderlich.
• Ein anderes Beispiel liegt dort, wo Bestandteile hinzugefügt werden, um ein Material mit einem spezifischen Toleranzbereich hinsichtlich von pH- und/oder Viskositätsgrenzwerten zu erreichen. Wiederum ist eine genaue Steuerung der Zugabe von kleinen Mengen wesentlich, insbesondere für Materialien, welche in Bezug auf Fluktuationen in pH oder Viskosität sensitiv sind.
• Eine typische Vorrichtung, welche eine pneumatische Logiksteuerung verwendet und die für das Fluidpräzisionspumpen verwendet wurde, ist in US-A 4,026,439 [Cocks], veröffentlicht am 31. Mai 1977, beschrieben. Jedoch steuert diese Logiksteuerung die Pumpe nicht genau genug, und die beschriebenen flüssigkeitsaktivierten Rückschlagventile steuem den Fluß nicht genau genug.
• US-A 4,494,677 [Falcoff], veröffentlicht am 22. Januar 1985, beschreibt eine Vorrichtung, die eine computergesteuerte Pumpe verwendet, um ein Fluid aus einem Vorratsgefäß einem Mischbehälter zuzuführen. Diese Offenbarung gestattet nicht eine leichte Zugabe von Materialien zu einem On-line-System, insbesondere bei kleinen Mengen, die für die Feineinstellung bei der Herstellung einer Formulierung gebraucht werden.
• Eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines vorbestimmten Volumens eines Rohstoffs in einer vorbestimmten Flußrate, welche ein Rückkopplungs-Steuerungsmittel beinhaltet, ist in der Offenlegungsschrift Nr. 91/10551 beschrieben.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die leichte und genaue Zugabe von Materialien zu einem Prozeßbehälter oder einem Prozeßsystem zu ermöglichen. Eine andere Aufgabe ist es zu ermöglichen, daß alle Fluids, die dem System abgemessen zugeführt werden, tatsächlich in den Prozeßbehälter oder -strom injiziert werden, wobei kein Material innerhalb der Injektionsvorrichtung zurückbleibt.
• Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Tot- bzw. Leerraum innerhalb des Systems mittels eines Rezirkulationsmodus' zu eliminieren. Wenn das System einmal mit den zuzugebenden Materialien befüllt ist, kann der Rezirkulationsmodus dazu verwendet werden, Materialien wie etwa Pigmente in dem Fluid zu resuspendieren und Inhomogenitäten zwischen den Bestandteilen zu verhindern.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die offenbarte Vorrichtung erlaubt die genaue Zugabe von Fluid in ein Prozeßbehälter bzw. -gefäß oder einen Prozeßstrom, um On-line-Zugaben von Bestandteilen oder Einstellungen zu machen, wobei ein computergesteuerter Servomotor und ein modifiziertes Probenventil verwendet werden, welches eine kolbenartige Einspritzeinrichtung enthält, um die vollständige Zugabe aller abgemessenen Fluids zu erreichen. Das Fluid kann direkt in das Verfahren oder in einen gemeinsamen Verteiler eingegeben werden, der mit einer sog. Chaser- bzw. (Nach)spülleitung versehen ist, um sicherzustellen, daß das gesamte zugegebene Material dem Verfahren zugeleitet wird.
• Das System zeigt einen Rezirkulationsmodus im geschlossenen Kreislauf, der mittels eines Computers gesteuert wird, was gestattet, daß das System von eingefangener Luft gereinigt werden kann, um sicherzustellen, daß alles Material innerhalb des Systems nicht-komprimierbar ist. Das Material innerhalb des Systems kann auch periodisch rezirkuliert werden, um Inhomogenitäten bei Fluids mit suspendiertem Material, wie etwa Dispersionsfarbe, welche Pigment- oder Metallflocken enthält, zu verhindern.
Kurze Beschreibung der Figuren
• Fig. 1 stellt eine schematische Übersicht dar, die die Hauptbestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung illustriert.
• Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Modus der Direktinjektion.
Genaue Beschreibung der Erfindung
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Zufuhr einer genauen Menge eines Fluids von einem Zufuhrbehälter zu einem zweiten Behälter brauchbar, bei dem es sich üblicherweise um einen Mischbehälter handelt. Die Vorrichtung ist für die Zugabe von Viskositäts- oder pH-Steuerungsadditiven brauchbar, wenn man chemische Bestandteile mischt, und sie ist insbesondere für das Vermischen von Farben brauchbar, wobei die Zufuhr von sehr kleinen Volumina mit Präzision wesentlich ist.
• Fig. 1 illustriert die Vorrichtung, bei der ein genaues Volumen eines Fluids vom Zufuhrbehälter 10 über den Injektionsport oder -anschluß 22 in den Produktstrom 95 gepumpt wird.
• Der Zufuhrbehälter 10 enthält die dem System zuzugebenden Fluids. Eine Rühreinrichtung 12 kann vorhanden sein, um die Suspension von Feststoffen innerhalb der zu dispergierenden Flüssigkeiten, wie etwa Pigmente- oder Metallflocken, sicherzustellen. Die Leitung 16 ist innerhalb des Zufuhrbehälters 10 derartig positioniert, daß der Einlaßbereich 14 sich unterhalb der Oberfläche des Fluids innerhalb des Zufuhrbehälters 10 befindet. Die Leitung 16 ist mittels gewöhnlicher Einrichtungen mit der Einlaßseite einer Verdrängungseinrichtung 18 verbunden, typischerweise einer Pumpe wie etwa einer BarMag-Modell-SV79A-Zahnradpumpe. Geeignete Beispiele derartiger Verdrängungseinrichtungen sind eine Zahnradpumpe, Kolbenpumpe oder Membranpumpe.
• Die Verdrängungseinrichtung 18 wird mittels eines Servomotors 30 betrieben, typischerweise einem Industrial Motor Modell EB-202-A. Der Servomotor 30 ist elektrisch mit einer Motorsteuereinheits-Verstärkungseinrichtung 34, typischerweise einem Industrial Drives Modell BDS-5-203-Verviel-facher, verbunden und gesteuert, angetrieben mittels einer Sammelleitung 38, typischerweise einem Industrial-Driver- Model PSR-5-213, das an den Computer 35 elektrisch gekoppelt ist. Der mit dem Motor 30 verbundene Resolver 33 mißt die Winkel-Schaft-Rotation des Motors 30 und leitet diese Information an die Motorsteuereinheits-Verstärkungseinrichtung 34 weiter. Die Motorsteuereinheits-Verstärkungseinrichtung 34 erhält Rotations- und Geschwindigkeitsbefehle vom Computer 35 und signalisiert dem Computer 35, wenn die Aktivität durchgeführt wurde.
• Der Computer 35 ist programmiert, den Servomotor 30 gemäß einer vorbestimmten Umwälzpumpen-Verdrängungs-Beziehung rotieren zu lassen.
• Der Computer 30 berechnet aus der In-Prozeß-Instrumentierung oder aus einem programmierten Eingabewert die Anzahl der Rotationen, die erforderlich sind, um die gewünschte Menge des Fluids vom Zufuhrbehälter 10 in den Prozeßstrom 95 zu pumpen. Aus der vorbestimmten Beziehung der Motorumdrehungen relativ zu dem verdrängten Volumen wird der Computer 35 der Servosteuereinheits-Verstärkungseinrichtung 34 die Zahl der Umdrehungen weiterleiten, die der Servomotor 30 braucht, um das benötigte Volumen des Fluids vollständig zu verdrängen.
• Bei dem Computer handelt es sich typischerweise um einen digitalen Computer wie etwa IBM, Intel 386-PC mit einer Eingabeeinrichtung, durch die die Information für die Formulierung eingegeben wird. Bei der Eingabevorrichtung kann es sich um eine Standardtastatur oder einen anderen Computer handeln.
• Die Leitung 16 erstreckt sich von der Verdrängungseinrichtung 18 zu einem Flüssigkeits-Einspritzventil 22, das mittels üblicher Einrichtungen auf der Leitung 90 befestigt ist. Bei dem Flüssigkeits-Einspritzventil 22 handelt es sich typischerweise um ein Sampling Valve SV-500, Strahman Valve, Inc., das mit einem zweiten Flüssigkeitseinlaß 26 modifiziert ist, der in die Standard-Seiteneinlaßöffnung 23 gebohrt ist. Die Leitung 16 ist mit der Öffnung 25 eines zweiten Flüssigkeitseinlasses 26 mittels gewöhnlicher Einrichtungen verbunden, und die Leitung 16 führt zu dem Vorratsgefäß zurück. Ein Automatik-Tauch- bzw. Topfmagnetventil 28, typischerweise Quality Controls, Inc., Modell SV-64-1/2, ist an der Leitung 16 nahe dem zweiten Flüssigkeitseinspritzeinlaß 26 befestigt.
• Das Flüssigkeits-Einspritzventil 22 weist einen pneumatisch gesteuerten Kolben 40 auf, der sich entweder in einer Offen- (oben) oder Geschlossen- (unten) -Position befinden kann. Wenn der Kolben 40 in der Offen-Position ist, und das Topfmagnetventil 28 geschlossen ist, kann Material aus dem Vorratsgefäß 10 die Leitung 16 betreten, durch die Leitung 16 gepumpt werden, um dann den Prozeßstrom 95 durch das Einspritzventil 22 zu betreten. Wenn der Kolben 40 sich in der Geschlossen-Position befindet und das Tauch- bzw. Topfmagnetventil 28 offen ist, erlaubt es das geschlossene Kreislaufsystem, daß die Fluids in dem Vorratsgefäß 10 über die Leitung 16, ohne den Prozeßstrom 95 zu betreten, gepumpt werden.
• Beim Betrieb wird der Vorratsbehälter 10 mit Fluids befüllt, die in den Prozeßstrom 95 injiziert werden sollen. Eine Rühreinrichtung 12 kann verwendet werden, um in derartigen Fluids vorhandene Feststoffe, wie sie bei Farbdispersionen typisch sind, zu suspendieren. Der Computer 35 berechnet das Volumen der in den Prozeßstrom 95 zu injizierenden Fluids. Aus der vorher bestimmten Beziehung der Motorumdrehungen zu dem verdrängten Volumen wird der Computer 35 der Servomotor- Steuerungseinrichtung 34 die für den Servomotor 30 für die Vervollständigung benötigte Zahl an Motorumdrehungen berechnen. Computer 35 wird dem Kolben (40) die Offen-Position signalisieren und bestätigen, daß das Einspritzventil 22 offen ist. Dann wird Computer 35 dem Tauch- bzw. Topfmagnetventil 28 die Geschlossen- Position signalisieren, eine derartige Geschlossen-Position bestätigen und den Servomotor 30 laufen lassen. Der Servomotor 30 wird die Verdrängungseinrichtung 18 die erforderliche Zahl von Umdrehungen lang betreiben, um das gewünschte Fluidvolumen zu verdrängen. Nach Abschluß des Pumpzyklus positioniert Computer 35 den Kolben 40 in die Geschlossen-Position. In der Einspritzöffnung 46 verbleibende Flüssigkeit bzw. Fluid wird ebenfalls mittels der Abwärtsbewegung des Kolben 40 in die Leitung 90 injiziert werden. Dieser kann auch am Ende der Pumpsequenz manuell betrieben werden.
• In Fig. 1 wird eine Chaser- bzw. Spülvorrichtung gezeigt, die dazu dient, die in der Leitung 90 verbleibenden Fluids in den Prozeßstrom 95 zu waschen. Das elektrisch gesteuerte Tauch- bzw. Topfmagnetventil 44 ist mittels gewöhnlicher Einrichtungen in der Nähe des Einspritzventils 22 auf der Leitung 90 angebracht. Als Alternative kann eine manuelle Einrichtung das Tauch- bzw. Topfmagnetventil 44 ersetzen. Die Leitung 90 ist mit einem Vorrat an Fluid, nicht gezeigt, verbunden, der wechselseitig mit dem Inhalt des Vorratsbehälters 10 und dem Prozeßstrom 95 mischbar ist. Während des Einspritzens befindet sich das Topfmagnetventil 44 in einer Geschlossen-Position. Nach Vervollständigung des Einspritzens steuert der Computer 35 das Topfmagnetventil 44 in eine Offen-Position, um eine Menge an wechselseitig mischbarem Fluid die Leitung 90 betreten zu lassen, um jegliche Restflüssigkeit von dem Vorratsbehälter 10 aus der Leitung 90 heraus- und in den Prozeßstrom 95 zu hineinwaschen. Das Topfmagnetventil 44 wird dann in die Geschlossen-Position mittels des Computers 35 zurückgebracht, nachdem eine geeignete Zeitmenge verstrichen ist. Es wird dafür gesorgt, daß die Menge an Waschfluid, die die Leitung 90 betritt, minimiert ist, so daß eine Verschlechterung der Prozeßmischung verhindert wird. Ein Mehrfaches der beschriebenen Erfindung, entweder ein Langrohr- oder Direkt-Einspritzungsmodus, kann an die Leitung 90 angebracht sein, um für den Prozeßstrom Mehrfachinjektionsoptionen zu gestatten. Die Materialien können ebenfalls direkt in den Prozeßstrom oder einen Behälter in Abwesenheit einer Langrohr- oder Chaser- Leitung, wie in Fig. 2 gezeigt, eingespritzt werden.
• Das System kann auch im Rezirkulationsmodus betrieben werden. Computer 35 positioniert den Kolben 34 in einer Geschlossen-Position, um ein System mit einem geschlossenen Kreislauf zu erzeugen. Die Fluids können dann vom Vorratsbehälter 10 durch die Leitung 16 in das modifizierte Probenventil 23 über das offene Topfmagnetventil 28 gepumpt werden und kehren dann zum Vorratsbehälter 10 zurück. Computer 35 wird den Servomotor 30 für Zeitintervalle und Geschwindigkeitsbereiche betreiben, die derartig sind, daß ein ausreichendes Volumen an Fluid in dem Vorratsbehälter 10 durch das System mit einer Geschwindigkeit gepumpt wird, die ausreicht, um Luft zu verdrängen und irgendwelche Feststoffe, die sich abgesetzt haben, zu resuspendieren, wie vor dem Betrieb des Einspritzmodus.
• Rezirkulieren kann auch dazu verwendet werden, um periodisch Fluid, das suspendierte Materialien enthält, wie etwa Dispersionsfarben, die Pigment- oder Metallflocken enthalten, mit ausreichender Geschwindigkeit zyklisch umlaufen zu lassen, derartig daß abgesetztes Pigment oder Feststoffe wieder in das Fluid reinkorporiert werden. Eine derartige Rezirkulation wird verhindern, daß es zu Inhomogenitäten innerhalb des Systems kommt. Während einer derartigen Rezirkulation wird der in Geschlossen- Position befindliche Kolben 40 verhindern, daß der Ventilhohlraum 40 mit suspendierten Materialien gefüllt oder verstopft wird.
• Standardmaterialien können verwendet werden, um die Bestandteile der Vorrichtung herzustellen. Die meisten Bestandteile können aus Aluminium, Stahl oder rostfreiem Stahl maschinell hergestellt werden, wobei dies von den Eigenschaften der Fluids abhängt, die durch die Vorrichtung laufen sollen.
• Wenn die Vorrichtung im typischen Farbmischbetrieb verwendet wird, werden alle elektrischen Ausrüstungsgegenstände, wie etwa die Motoren, die Motorsteuerungen, Ventile und ähnliches so modifiziert, daß sie den Spezifikationen von Artikel 500 des National Electrical Code zum Betrieb innerhalb von elektrisch-klassifizierter Umgebungen genügen.
• Die Offenbarung und Beschreibung der Erfindung sind nur von illustrierender und erklärender Natur, und verschiedene Änderungen in der Größe, Form und den Materialien wie auch die Details dei illustrierten Konstruktion können innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche verwirklicht werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Fördern eines gesteuerten Fluidvolumens von einem Vorratsgefäß zu einem Prozeßstrom (95), welche folgendes umfaßt:

(a) mindestens ein Flüssigkeitsvorratsgefäß (10);

(b) eine Verdrängungseinrichtung (18), welche zur Förderung eines gesteuerten Fluidvolumens von dem Vorratsgefäß (10) in der Lage ist;

(c) Motorsteuereinheit (34), welche mit einem Motor (30) verbunden ist, welcher die Verdrängungseinrichtung (18) antreibt;

(d) einen Computer (35), welcher zur Speicherung von Programmen in der Lage ist, welcher mit der Vorrichtung elektrisch verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes besitzt

(e) ein Einspritzventil (22) mit drei Einspritzöffnungen, wobei die erste Öffnung (23) ein Fluid von dem Vorratsgefäß (10) empfängt, die zweite Öffnung (22) es ermöglicht, daß das Fluid aus dem Einspritzventil in eine Prozeßleitung fließt, und eine dritte Öffnung (26), welche es ermöglicht, daß Fluid zu einer Rückführleitung fließt;

(f) ein Kolben (40) im Einspritzventil (22), welcher so innerhalb des Einspritzventils positioniert ist, daß das Fluid in den Raum im Einspritzventil eintreten kann, wobei der Kolben als eine Spritze fungiert, um bei der Vollendung eines Pumpzykluses eine vollständige Materialienzugabe durchzuführen;

(g) ein mit einer dritten Öffnung (26) verbundenes Magnetventil (28), welches durch den Computer (35) gesteuert wird, um eine Zirkulation von Fluiden aus dem Vorratsgefäß (10) durch das Einspritzventil (22) zurück zum Vorratsgefäß zu ermöglichen;

wobei der Computer (35) über die Motorsteuereinheit (34) den Motor (31) aktiviert, welcher die Verdrängungseinrichtung (18) antreibt, um ein Fluidvolumen aus dem Vorratsgefäß (10) in das Einspritzventil (22) zu pumpen, wenn sich der Kolben in der offenen Position befindet, so daß gepumpte Fluide in den Prozeßstrom (95) eintreten.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Computer (35) ein Digitalrechner ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Computer über eine Tastatureingabe oder eine Eingabe von einem zweiten Computer verfügt.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (34) folgendes ist:

(a) ein Servomotor (31), welcher mit der Verdrängungseinrichtung (18) verbunden ist;

(b) ein mit dem Servomotor (31) verbundener Drehmelder (32) zur Messung der Winkeldrehung und Motordrehzahl der Verdrängungseinrichtung (18) im Motor (31); und

(c) eine elektrisch mit dem Drehmelder (32) verbundene Motorsteuereinheits- Verstärkungseinrichtung (34), welche vom Drehmelder (32) ein Signal der Winkeldrehung empfängt und dadurch die Motordrehzahl zur Steuerung des Motors und der Fördermenge der Verdrängungseinrichtung (18) berechnet.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche eine Rohrleitung (90) einschließt, die Fluide befördert, um eine Zuleitung zu spülen, deren Durchfluß mittels eines durch den Computer (35) gesteuerten Magnetventils (44) gesteuert wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der Computer ein Digitalrechner ist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Steuereinheit folgendes ist:

(a) ein Servomotor (31), welcher mit der Verdrängungseinrichtung (18) verbunden ist;

(b) ein mit dem Motor (31) verbundener Drehmelder (32) zur Messung der Winkeldrehung der Verdrängungseinrichtung im Motor; und

(c) eine elektrisch mit dem Drehmelder (32) verbundene Motorsteuereinheits- Verstärkungseinrichtung (34), welche vom Drehmelder ein Signal der Winkeldrehung empfängt und dadurch den Motor (31) und die Fördermenge der Verdrängungseinrichtung (18) steuert.