Dosiersysteme für Schüttgüter

Dr.-Ing. Matthias Kruse, Steffen Böhmer

Üblicherweise erfolgen derzeit Genauigkeitsmessungen bzw. -angaben mit Bezug auf die Empfehlungen gemäß dem Namur-Arbeitsblatt NA40. Demnach werden Dosierkonstanz Sk (= Schwankung des IST-Wertes um den tatsächlichen Mittelwert) und Dosiergenauigkeit Sd (= systematische Abweichung des Mittelwertes des IST-Wertes vom Sollwert) auf der Basis von 30 Messungen mit jeweils 1 min Messzeit berechnet. Jedoch ist es denkbar, dass aufgrund einer kurzen Verweilzeit (<< 1 min) des Schüttgutes in einem einer Dosier- waage nachgeschalteten Prozess, der Bezugszeitraum für die Messung der Dosiergenauigkeit verkürzt werden muss. Dies bringt die Notwendigkeit mit sich, die Genauigkeiten mit hochgenauen Kontrollwaagen mit kurzen Reaktionszeiten sowie einer schnellen Messdatenaufnahme zu erfassen. Werden dann auch noch die Forderungen an Dosierkonstanz und Dosiergenauigkeit verschärft, kann sich die Gesamt-Genauigkeitsanforderung wesentlich erhöhen. Es ist daher im Projektgespräch zu klären, welche Genauigkeiten an welchen Stellen eines Gesamtprozesses tatsächlich erforderlich sind, um unnötige Kosten zu vermeiden.

Ist bei gravimetrischen Dosiersystemen die Dosierleistung und damit die Entnahmemenge aus dem Wägebehälter zu niedrig, kann es sein, dass die Wägetechnik der Dosiersteuerung keine signifikante Abnahme der Masse melden kann, wodurch der Steuerung die Eingangsparameter zur Regelung fehlen. Ist die Dosierleistung im oberen Grenzbereich, muss der Wägebehälter nach einer vergleichsweise kurzen Phase der gravimetrischen Dosierung wieder befüllt werden. In dieser Zeit erfolgt keine Wägung und damit auch nur ein volumetrischer Betrieb des Dosiersystems. Je höher die Dosierleistung gewählt wird, desto länger sind also die Phasen, in denen keine Korrektur der Drehzahl des Dosierers erfolgt. Zudem können u. a. Impulskräfte aufgrund der häufigen Wiederbefüllungen das Dosierergebnis verschlechtern. Bei der gravimetrischen Dosierung gibt es also bei gegebenem Behältervolumen einen optimalen Leistungsbereich, in dem die Genauigkeit einen nahezu konstanten Wert erreicht. Am unteren und oberen Leistungsbereich nimmt die Genauigkeit aus den genannten Gründen ab.

Zusammen mit der Hochschule Konstanz (HTWG University of Applied Sciences) erfolgte eine Untersuchung über die Einflüsse von Vibrationen auf Differenzialdosierwaagen. Vor allem in Industrieanlagen können Vibrationen auftreten, die durch die Antriebe der integrierten Maschinen viele verschiedene horizontale und vertikale Schwingungen in unterschiedlichsten Frequenzbereichen hervorrufen können. Maßgebend beeinflusst wird das Dosierergebnis durch die Schwingstärke gemessen als Schwingungsbeschleunigung. Die Untersuchungen zusammen mit der Hochschule HTWG Konstanz ergaben, dass eine Schwingungsbeschleunigung bis zu 0,5 m/s2 die Dosiergenauigkeit der Hybrid-Wägetechnologie von Gericke nicht beeinträchtigte. Neben der elektronischen Dämpfungsmöglichkeit stellte sich heraus, dass besonders die mechanische Dämpfung bei der Verbesserung der Dosiergenauigkeit eine wichtige Rolle spielt. Die Tests verdeutlichten, dass weder durch schwere Gewichte (beispielsweise schwere Bodenplattformen) Schwingungsübertragungen auf das System verringert wurden, noch einfache Gummifüße als Vibrationsdämpfer geeignet waren, um Einwirkungen von Schwingungen signifikant zu reduzieren. Im Gegenteil, es zeigte sich, dass ein zusätzliches Aufschwingen des Systems möglich sein kann, was zu Dosierungenauigkeiten führt. Untergründe aus Sand dagegen dämpfen die Vibrationen sehr gut. Dies ist allerdings aus bautechnischen und hygienischen Gründen nicht praktikabel. Die HTWG Konstanz bewertete die Hybrid-Differenzialdosierwaage von Gericke, die mit einem mechanischen Vib-rationsdämpfersystem und der Tarakompensation ausgestattet ist, als optimales System. Es kompensiert Beeinträchtigungen, hervorgerufen durch Schwingungen aus einer Anlage oder vom volumetrischen Dosiersystem selbst.

Die Wäge- und Auswertetechnik kennt Grenzen. Neben den Fragen der Auflösung von Wägezellen in Verbindung mit der Wägemechanik, bekommen bei der Optimierung von Kurzzeitgenauigkeiten auch die Reaktionszeiten von Wägezellen und der gesamten Dosiersteuerung mehr Gewicht. Messintervalle von 1 s sind an der Tagesordnung, was insbesondere für Wägezellen, die nach dem Prinzip der schwingenden Saite arbeiten, aufgrund der Trägheit problematisch ist. Hier hilft die sogenannte gleitende Mittelwertbildung, wodurch das wahre Wägesignal elektronisch geschönt und mit einer gewissen Zeitverzögerung ausgegeben wird. Die von Gericke eingesetzte Wägetechnologie arbeitet in Verbindung mit der Dosiersteuerung Easydos Pro schnell genug, um auch dem hohen Anspruch in Kurzzeitbereich gerecht zu werden. Anlagen, in denen Differenzialdosierwaagen mit kontinuierlichen Mischern und/oder mit Verpackungsmaschinen in einem Systemverbund zusammenarbeiten, verlangen sehr schnelle Änderungen der Dosierleistung ohne Verzögerungen, was mit der Easydos Pro leicht möglich ist.

Seit einigen Jahren werden Kleinmengen nicht nur im Pharmabereich benötigt. Mit verschiedenen Waagentypen lassen sich diese im Bereich bis zu 0,1 kg/h im Industriealltag erfolgreich gravimetrisch dosieren. Dabei kommt das Konzept der elektromagnetischen Kraftkompensation zum Einsatz. Folgende Vorteile haben dazu geführt, dass bei der Dosierung von Kleinmengen heute oftmals dieses Prinzip Anwendung findet:

In Zusammenarbeit mit einer namhaften amerikanischen Universität wurden im neueröffneten Testcenter von Gericke in Regensdorf bei Zürich verschiedene Schüttgüter mit schwierigen Fließeigenschaften in mehreren Dosiergeräten mit speziellen Dosiergarnituren getestet. Viele Austragsgeräte neigen dazu, dass das Schüttgut nur aus dem hinteren Teilbereich der Austragsöffnung abgezogen wird. Im vorderen Bereich kann sich eine tote Zone bilden. Die Ursache für dieses Verhalten ist bekannt. Die Schneckenwendel, die sich im hinteren Bereich bereits mit Material füllt, fördert das Schüttgut durch den vorderen Bereich hindurch. Dieses Verhalten lässt sich vermeiden, indem man die Schneckengeometrie so gestaltet, dass die Förderkapazität in Förderrichtung zunimmt. Die Dosierschnecke wird so gestaltet dass sie über den gesamten Einzugsbereich Schüttgut aufnehmen kann.

Die Untersuchungen zeigen, dass mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Schneckengeometrien auch schwierig zu dosierende Schüttgüter, die die Zwischenräume der Schneckenwendeln langsam zusetzen, im Langzeittest gut dosiert werden konnten. Durch eine Optimierung des Auflockererrührwerks ließen sich Dosierergebnisse mit besserer Dosiergenauigkeit und geringerer Standardabweichung erreichen.

Die Dosierung von feuchten, pappigen und zu Schneebällen formbaren Schüttgütern ist eine Problemstellung, die einen besonderen maschinellen Einsatz erfordert. Häufig neigen diese Materialien auch zur Verfestigung, wenn sie länger nicht bewegt werden. Für Aufgabenstellungen dieser Art eignet sich der SAD-Dosierer von Gericke, der oberhalb der Dosierschnecke über zwei Rührwerkzeuge verfügt. Diese sorgen einerseits für eine Auflockerung und andererseits für eine gleichmäßige Füllung der Dosierschnecke. Die Konstruktion der Rührwerke und die Antriebsleistungen werden auf das jeweilige Schüttgut abgestimmt, denn die Widerstände bei der Bewegung durch die verschiedenen Produkte können erheblich voneinander abweichen. Der Einsatz von besonders kurzen Dosierrohren verhindert das erneute Verfestigen des Produktes. Dosiergenauigkeitsmessungen in der Anlage bestätigten eine sehr geringe Standardabweichung. Zusätzliche Brückenbrecher, die vor allem eine Schwerpunktsverschiebung zur Folge haben (z. B. Walkeinrichtungen) verschlechtern dagegen die Dosiergenauigkeit.

Im Gegensatz zu gut rieselfähigem Schüttgut, dass einen konstanten, kaum pulsierenden Abwurf aus dem Dosierrohr zeigt, kann man bei sehr feinen kohäsiven Materialien, die in ihrer Abwurfcharakteristik zu größeren zusammenbackenden Stücken neigen, eine sehr hohe Standardabweichung messen. Um dem zu begegnen, wurde erfolgreich mit speziellen Vorrichtungen, kleinen Sieben oder mit anderen Zerkleinerungswerkzeugen am Auslaufrohr der stückige Abwurf verringert, was eine deutliche Reduzierung der Standardabweichung zur Folge hatte.

Online-Info www.dei.de/1209422