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Zuverlässige Alternative zu traditionellen Systemen

Elektronische Druckkompensation an Differenzialdosierern
Zuverlässige Alternative zu traditionellen Systemen

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Bei gravimetrischen Dosierern in einem geschlossenen System können Druckschwankungen im Dosierertrichter oder am Auslauf falsche Gewichtssignale bewirken, die zu einem fehlerhaften Durchsatz und mangelnder Dosiergenauigkeit führen. Traditionell werden diese problematischen Druckschwankungen mechanisch kompensiert. Doch es geht auch anders: Das effiziente und trotzdem einfache elektronische Druckkompensationssystem EPC ist die Antwort von Coperion K-Tron auf dieses Problem.

Druckkräfte wirken in einem komplett von der Umgebung isolierten Druckbehälter gleichmäßig nach allen Seiten und beeinträchtigen die Gewichtsmessung nicht. Der Dosierer hat jedoch in seinem Deckel eine Nachfüllöffnung und ist vom darüberliegenden, fix montierten Nachfüllventil mittels flexiblem Faltenbalg entkoppelt. Der schlagartige Eintrag von Material in den Dosierertrichter bei einer Nachfüllung erhöht den Luftdruck im Trichter. Der ansteigende Druck dehnt sich gleichmäßig nach allen Seiten aus und wirkt so auch aufwärts auf den Trichterdeckel und das Nachfüllventil. Weil der Druck im Bereich der Nachfüllöffnung nicht auf den Trichterdeckel wirkt, sondern auf das darüberliegende Nachfüllventil, balancieren sich die im Trichter wirkenden Kräfte nicht aus. Aufgrund der Öffnung im Trichter sind die aufwärts wirkenden Kräfte kleiner als diejenigen, die entgegengesetzt auf den Trichterboden wirken. Die größeren, nach unten wirkenden Kräfte erhöhen das Gewichtssignal. Die Differenzialsteuerung interpretiert in diesem Fall das erhöhte Gewichtssignal als reduzierten Durchsatz und reagiert fälschlicherweise mit einer Erhöhung des Dosiereraustrags, was zu einem Istwertfehler führt.

Luftdruckprobleme im Trichter können auch andere Ursachen haben, wie z. B. ein verschmutzter Filter, eine Staubabsaugung via Trichterbelüftung oder eine Stickstoffüberlagerung. Wenn Staubabsaugung oder Stickstoffüberlagerung über mehrere Dosierer querverbunden sind, treten bei der Nachfüllung eines Dosierers in allen Dosierertrichtern Druckveränderungen auf.
Druckschwankungen am Auslauf
Eine Druckveränderung am Dosiererauslauf verfälscht ebenfalls das Gewichtssignal, wenn der Auslauf luftdicht verschlossen ist. Der ansteigende Druck im Auslaufrohr drückt nach oben gegen den Verschluss, der, wenn am Dosierer befestigt, diesen aufwärts drückt und das gewogene Gewicht reduziert.
Eine mechanische Druckkompensation am Dosiererauslauf gleicht Druckschwankungen aus, indem der Deckel fix an einer Außenstruktur montiert und mittels flexiblem Faltenbalg vom Dosierer entkoppelt wird.
Druckkompensationsprobleme am Auslauf können entstehen durch Gegendruck vom Extruder, Pulsation der Extruderschnecke, Stickstoffüberlagerung, etc.
Das folgende Beispiel geht von einem Dosierer aus, der mit einer runden, 15,24 cm (6”) großen Nachfüllöffnung im Trichterdeckel versehen ist und mithilfe eines flexiblen Faltenbalges von der umliegenden Konstruktion entkoppelt ist. Unter der Annahme, dass der Druck im Trichter um 0,007 bar ansteigt, erhöht sich das Dosierergewicht um 1,28 kg. Dieses einfache Beispiel vernachlässigt die Belüftungsöffnung im Deckel, aber veranschaulicht, wie bereits kleine Druckdifferenzen einen großen Einfluss auf das gewogene Dosierergewicht haben können.
Elektronische Druckkompensation
Eine Druckkompensation kann auf dem Dosierertrichter, am Dosiererauslauf oder an beiden Orten erforderlich sein. Die elektronische Druckkompensation von Coperion K-Tron basiert auf einem hochpräzisen Drucksensor, der auf dem Trichterdeckel und/oder am Auslaufrohr installiert ist und fortwährend den Druck misst. Das Sensorsignal wird via EPC-Board an die KCM-Dosierersteuerung übermittelt, wo es für die dynamische Kompensation der Druckschwankungen und somit zur Korrektur von Wägefehlern verwendet wird.
Der EPC-Sensor misst die atmosphärische Druckdifferenz (relativ zum Atmosphärendruck). Dank Einsatz hochpräziser Drucksensoren ist das EPC in der Lage, Druckschwankungen im Bereich von ±50 mbar zu messen und auszugleichen. Liegt die Druckdifferenz außerhalb dieses Bereiches, wird ein Alarm ausgelöst.
EPC kann auf dem Dosierertrichter, am Dosiererauslauf oder an beiden Orten installiert werden. Ebenso ist es möglich, EPC auf dem Trichter einzusetzen und am Dosiererauslauf die traditionelle mechanische Druckkompensation zu verwenden. Nicht möglich ist allerdings, am Dosiererauslauf gleichzeitig EPC und mechanische Druckkompensation anzuwenden.
Elektronisch versus traditionell
Elektronische Druckkompensation wird eingesetzt, um Druckschwankungen innerhalb eines Dosierers automatisch zu erkennen und das Gewichtssignal entsprechend anzupassen. EPC bietet für die Behebung von Problemen mit Druckdifferenzen in Differenzialdosierern klare Vorteile gegenüber traditionellen mechanischen Druckkompensationslösungen, besonders bei Druckschwankungen im Dosierertrichter:
  • einfaches, kostensparendes Design
  • weniger Bauteile, einfache Installation und Reinigung
  • höhere Effizienz und Zuverlässigkeit
  • Wartungsfreiheit
  • einfache Nachrüstung für bestehende Systeme
  • gemessene Werte sind elektronisch verfügbar
  • Alarme für Über-/Unterdruck
Die traditionelle mechanische Druckkompensation am Trichter ist recht komplex und muss fachmännisch installiert werden. Jede Abweichung, z. B. ein Versatz von Einlaufrohr und Füllöffnung, beeinflusst das Resultat negativ. Im Vergleich dazu ist EPC einfach zu installieren, selbstoptimierend und bedeutend kostengünstiger.
Bei einem luftdicht verschlossenen Dosiererauslauf, der mittels flexiblem Faltenbalg mit dem Folgeprozess verbunden ist, führen Druckschwankungen ebenfalls zu einem Gewichtsfehler. Dieser kann mit einem separaten Drucksensor, der am gleichen EPC-Klemmenkasten angeschlossen wird, korrigiert werden.
Traditionlle mechanische Druckkompensation am Dosiererauslauf ist meist sehr einfach und effektiv und deshalb oft eine gute Lösung. Andererseits erfordert auch ein relativ einfaches mechanisches Kompensationssystem regelmäßige Wartung und periodisch die Nachjustierung oder den Ersatz der flexiblen Faltenbälge. Deshalb ist EPC in manchen Fällen doch die bessere Wahl, sogar im Vergleich zu einer einfachen mechanischen Lösung am Dosiererauslauf.
Ein Anwendungsbeispiel
Ein Beispiel aus der Praxis zeigt, wie ein zugesetzter Filter zu Störungen führen kann, und repräsentiert gleichzeitig eine typische Situation, in der Probleme durch den Einsatz von EPC behoben werden können.
Ein Differenzialdosierer in einem geschlossenen System zeigte nach jeder Nachfüllung Unregelmäßigkeiten im Istwertsignal. Als Nachfüllorgan über dem Dosierer diente ein Vakuumabscheider mit motorbetriebenem Austragsventil. Um handfeste Daten für eine Diagnose zu sammeln, wurde ein EPC-Feldtestpaket von Coperion K-Tron eingesetzt, das den Druck während der Dosiererlaufzeit maß.
Das Diagramm in Bild 4 zeigt die Druckkurve, die durch die Daten beschrieben wird, die mit dem Feldtestpaket während drei Nachfüllzyklen aufgezeichnet wurden. Das Diagramm in Bild 5 zeigt den ersten Nachfüllzyklus im Detail. Der Druck wurde vor Diagrammerstellung in Gramm umgerechnet. Der Sollwert des Dosierers betrug 150 kg/h und die Umschaltverzögerung (Verzögerung nach der Nachfüllung) war 5 s, sodass die gravimetrische Dosierersteuerung Unregelmäßigkeiten während dieser Zeit ignorierte.
Der Nachfüllzyklus bestand darin, dass das Ventil für 10 s geöffnet wurde und die Fluidisierungskissen während dieser Zeit aktiviert wurden. Die Fluidisierungskissen pumpten Luft in den Abscheider und unterstützten so den Pulveraustrag.
Der Pulveraustrag aus dem Abscheider und in den Dosierer dauerte ungefähr drei Sekunden (t22-t25) und erzeugte große Druckspitzen im Dosierertrichter, da sich die verdrängte Luft durch den zugesetzten Belüftungsfilter sowie zurück in den Abscheider zwängte. Die Fluidisierungskissen blieben für weitere sieben Sekunden aktiv (t25-t32), bis das Nachfüllventil geschlossen wurde. Nachdem dieses geschlossen war, sank der Druck im Trichter während der folgenden 20 s kontinuierlich ab, bis er sich schließlich auf einem leicht negativen Wert stabilisierte. (Der kontinuierliche Materialaustrag aus dem Dosierer zieht ein leichtes Vakuum im Trichter, da die Luft nicht frei nachströmen kann, um das ausgetragene Pulver zu ersetzen.)
Analyse des Dosierfehlers
Der Dosierfehler trat in den 20 s auf, in denen sich der Druck langsam abbaute und sich schließlich stabilisierte. Der allmähliche Druckabbau im Dosierertrichter über diese 20 s führte zu einer Reduktion des Dosierergewichts und einem scheinbaren Überdosierungszustand. Dies wurde durch das Ausschlagen der Istwert-Anzeige nach jeder Nachfüllung ersichtlich. Noch bedeutender war jedoch die Reaktion der gravimetrischen Steuerung auf die scheinbare Überdosierung: sie drosselte die Motorgeschwindigkeit. Während also die Istwertanzeige den Anschein erweckte, als würde der Dosierer im Anschluss an die Nachfüllung überdosieren, geschah tatsächlich das Gegenteil.
Das Istwertdiagramm zeigt einen gefilterten Durchsatz mit einem 60-s-Exponentialfilter und einem Fehler von 40 g, akkumuliert über eine Dosierspanne von 20 s. Das Detaildiagramm verdeutlichte einen weiteren interessanten Aspekt der gesammelten Druckwerte: gleichbleibende Pulsationen im Sekundentakt. Die genaue Betrachtung dieser Dosiererdaten zeigte, dass die oszillierende Druckkurve mit der Schneckengeschwindigkeit korrelierte. Bei diesem Dosierer handelt es sich um einen Einzelschneckendosierer, der dazu tendiert, das Pulver stoßweise auszutragen und nicht gleichmäßig wie ein Doppelschneckendosierer. Der sehr empfindliche Sensor war somit klar in der Lage aufzuzeigen, dass bereits sehr kleine Druckschwankungen das Dosierergewicht beeinflussen können.
Fazit
Dies ist eine typische Anwendung für das elektronische Druckkompensationssystem von Coperion K-Tron. Basierend auf der tatsächlichen Druckmessung durch den EPC-Sensor im Inneren des Dosierertrichters oder am Auslauf werden Druckveränderungen auch als solche erkannt und nicht mehr als Veränderungen des Schüttgutgewichts fehlinterpretiert. Die über das EPC-Board übertragenen Daten versetzen die gravimetrische Dosierersteuerung in die Lage, den Durchsatz korrekt zu regulieren, was die Einhaltung der geforderten, hochgenauen Dosierleistung ermöglicht, sogar während und nach Nachfüllvorgängen.
Halle 14, Stand B19

Stefan Ludescher
Entwicklungsingenieur,
Coperion K-Tron
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