DE2527378B2 - Verfahren und vorrichtung zur dosierung von mehrkomponenten-fluessigsystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dosierung von Mehrkomponenten-Flüssigksystemen, insbesondere von chemisch-reaktiven Komponenten, bei dem die Komponenten durch getrennte Leitungen in eine Mischkammer gefördert werden. Eine Anwendung besteht in der Herstellung von Polyurethan-Reaktionsgemischen.

Flüssige Zweikomponentensysteme z. B. auf Basis von Epoxy-Harzen oder Polyurethanen werden zur Herstellung von Kunststoffen, wie z. B. Schäumen Elastomeren oder Beschichtungsmassen, verwendet. Auch Zweikomponenten-Lacksysteme gewinnen in den letzten Jahren immer stärkere Bedeutung. Insbesondere in der Fahrzeugindustrie wird hiervon mehr und mehr Gebrauch gemacht. Der Grund hierfür liegt in den überlegenen Eigenschaften solcher Zweikomponenten-Lacksysteme. Die Qualität kann aber nur dann eingehalten werden, wenn die Komponenten mit hoher Genauigkeit dosiert werden. Die in der Serienfertigung zumeist angewandte Lackspritztechnik setzt eine kontinuierliche Dosierung voraus, wobei die einmal eingestellte Dosierrate für das jeweilige System stets konstant bleiben muß. Dosierschwankungen können zu gravierenden Qualitätseinbußen, z. B. der Farbton- oder Wetterbeständigkeit führen.

Die bisher bekannten und verwendeten Zweikomponenten-Dosiereinrichtungen genügen diesen Anforderungen nicht. Alle zwangsfördernden Pumpen sind bei abrasiven und zur Sedimentation neigenden Medien störanfällig. Bewegliche Teile verschleißen und werden undicht, wodurch das vorgegebene Mengenverhältnis geändert wird.

Die einfachste Methode der Dosierung einer Flüssigkeit durch Anwendung eines konstanten Überdruckes auf eine in einem Behälter befindliche Flüssigkeit versagt bei Zweikomponentenanlagen. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß beim Mischvorgang in der Mischkammer Druckschwankungen stattfinden, die die Mengenströme in die Mischkammer beeinflussen. Des weiteren können durch Leckage und Viskositätsänderungen Druck- und damit Mengenschwankungen in allen Leitungen auftreten, die die zulässige Toleranz des Mengenverhältnisses überschreiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dosier verfahren für M ehr komponen ten- Flüssigsy sterne

zu schaffen, das eine genaue und reproduzierbare Dosierung unabhängig vom Förderdruck, von der Dichte der Viskosi'ät und der Temperatur der Komponenten erlaubt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Dabei handelt es sich vorwiegend um kleine Ausstoßraten (50 - 200 cmVmin pro Komponente) wie sie z. B. bei Spritzlackierungen und Beschichtungen üblich sind. Die Reproduzierbarkeit der Dosierung darf auch nicht durch Flüssigkeitskomponenten mit abrasiven Pigmenten beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in mindestens einer der Leitungen ein Wärmeimpuls in die Strömung injiziert wird und die Laufzeit des resultierenden Wärmepfropfens digital gemessen wird, daß die gemessene Laufzeit zwischengespeichen wird und durch Codewandler in eine dem Mengenstrom proportionale elektrische Spannung umgewandelt und die Mengenströme in den anderen Leitungen proportional zu dieser Spannung eingeregelt werden.

Der Proportionalitätsfaktor kann dabei für die verschiedenen Leitungen verschieden sein und wird jeweils durch einen Spannungsteiler eingestellt. Dadurch wird das Verhältnis der Mengenströme untereinander festgelegt.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren auf ein Zweikomponentensystem angewendet, so erfolgt die Laufzeitmessung in der einen Zuleitung zur Mischkammer, während der Mengenstrom in der anderen Leitung proportional zu dem bei der Laufzeitmessung erzeugten Spannungssignal eingeregelt wird. Die beiden Mengenströme stehen dann unabhängig von dem absoluten Durchsatz stets in einem festen Verhältnis zueinander.

Das erfindungfgemäße Dosierverfahren eigent sich vorteilhaft zur Herstellung von Polyurethan-Reaktionsgemischen. Zu diesem Zweck werden die beiden Reaktionskomponenten durch zwei getrennte Leitungen in eine Mischkammer gefördert und das Verhältnis der beiden Mengenströme in der oben beschriebenen Weise geregelt.

Vorteilhaft erfolgt die Laufzeitmessung periodisch. Gemäß einer modifizierten Ausführung der Erfindung erzeugt jeder am Ende der Laufzeitmeüstrecke ankommende Wärmeimpuls einen neuen Impuls, der in die Strömung injiziert wird. Die daraus resultierende ^₅ Impulsfrequenz kann dann als Maß für den Mengenstrom herangezogen werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht von einer Mischkammer aus, in deren Zuleitungen Dosiervorrichtungen eingebaut sind. Sie ist dadurch gekennzeichnet.

a) daß mindestens eine der Zuleitungen zur Mischkammer eine Laufzeitmeßstrecke zur Mengenstrommessung aufweist, die aus einem in die Leitung eingebauten Heizdraht und einem an einer anderen Stelle dieser Leitung eingebauten thermoelektrischen Wärmefühler besteht,

b) daß der Wärmefühler über einen Verstärker und Komparator mit dem Reset-Eingang eines bistabilen Multivibrators verbunden ist, und der Multivibrator während seiner Setzzeit eine Torschaltung während der Laufzeit des Wsärmepfropfens für die Zeittaktimpulse eines Impulsgenerators offenhält,

c) daß die eingezählten Impulse in einem Impulszäh· ler aufsummiert und in einem Digital-Speicher zwischengespeichert werden, der mit einem elektronischen Code-Wandler und D/A-Wandler ver bunden ist, der ein dem Mengenstrom proportionales elektrisches Signal erzeugt, das in einem Leistungsverstärker verstärkt wird und
d) daß der Leistungsverstärker jeweils an eine elektrisch betätigte Dosiervorrichtung angeschlossen ist, deren Dosierrate proportional zur angelegten Spannung ist.

Die Laufzeitmeßstrecke ist vorteilhaft so ausgeführt, daß die Impulsdauer der Wärmeimpulse 1 bis 100 ms beträgt und der Abstand Heizdraht-Wärmefühler im Bereich von 5 bis 500 mm liegt.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß keine genau arbeitenden Dosierpumpen benötigt werden. Solche Pumpen sind im allgemeinen sehr störanfällig. Ferner ist von Vorteil, daß die erfindungsgemäße Mengenstromregelung ohne bewegliche Teile arbeitet und unabhängig vom Druck, der optischen Transparenz, der elektrischen Leitfähigkeit und der Viskosität der Komponenten ist. Es können auch sehr kleine Mengenströme dosiert werden, wobei das Totvolumen der Meßeinrichtung sehr gering ist. Auf Grund des geringen Bauvolumens kann die Laufzeitmeßstrecke und damit die Regelvorrichtung auch an handbetätigten Mischköpfen angebracht werden. Austausch und Reinigung sind wegen des einfachen Aufbaus problemlos.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild für die geregelte Dosierung eines Zweikomponentengemisches nach dem Prinzip der Laufzeitmessung und

Fig. 2 eine modifizierte Laufzeitmeßstrecke mit Rückkopplung vom Wärmefühler zum Wärmeimpulsgeber.

Gemäß Fig. 1 wird die eine Komponente, /.. B. eine Lösung eines hydroxylgruppenhaltigen Polyesterharzes mit 60 Gewichtsprozent Feststoffgehalt, durch die Zuleitung 1 und die zweite Komponente, z. B. ein Härter auf der Basis von Polyisocyanaten, durch die andere Zuleitung 2 in die Mischkammer 3 gefördert. Die Mischkammer 1 ist direkt mit einer Spritzpistole verbunden. Die Förderung der Komponenten erfolgt durch Anwendung eines Luft- oder Stickstoffüberdrukkes in einem geschlossenen Vorratstank oder aus Ringleitungen, wie sie in der Automobilindustrie üblich sind.

Das Mengenstromverhältnis der beiden Komponenten muß im Hinblick auf eine gleichbleibende Qualität der Lackierung stets konstant gehalten werden. Zur Messung und Regelung des Mengenstromverhältnisses wird in die Mitte der Leitung t ein Platinheizdraht 4 eingebaut und durch einen Taktgenerator 5 mit nachfolgendem Leistungsverstärker 6 periodisch oder aperiodisch durch Stromitr.pulse aufgeheizt. Der Widerstand des Platindrahtes 4 beträgt 1,5 0hm und die Höhe df*·: Spannungsimpulses 5 Volt. Die Impulsdauer liegt bei 50 ms. Ein Teilbereich der strömenden Flüssigkeit wird durch den Stromimpuls erwärmt und mit der Strömung als Wärmepfropfen fortgeführt. Der Wärmepfropfen erreicht in einer Entfernung von 50 mm in Strömungsrichtung den in der Strömungsmitte eingebauten thermoelektrischen Wärmefühler 7. Der Wärmefühler 7 ist hier ein Differenzihcrmoelemeni mit sehr geringer Ansprechzeit, wodurch sichergestellt wird, daß langsame Änderungen der Grundtemperatur der Flüssigkeit keinen Einfluß auf die Messung haben. Andererseits

wird der Temperaturanstieg beim Vorbeiströmen des Wärmepfropfens unverzögert erfaßt. Anstelle eines Thermoelementes können im Prinzip auch andere thermoelektrische Fühler z. B. NTC-Widerstände oder Widerstandsthermometer verwendet werden.

Der durch den Wärmcpfropfen im Diffcrenzthermoelement 7 erzeugte Spannungsimpuls wird mit einem Verstärker 8 derart verstärkt, daß die Spannung ausreicht, um einen Spannungskomparator 9 zu erregen. Die Komparatorschwellspannung wird so eingestellt (10). daß der Komparator 9 beim Anstieg der Thermospannung sofort schaltet.

Gleichzeitig mit dem Stromimpuls durch den Heizdraht 4 wird ein bistabiler Multivibrator 11 gesetzt und beim Empfang des ankommenden Wärmepfropfens über den Komparator 9 wieder rückgesetzt. Die Zeil, während der der bistabile Monovibrator 11 gesetzt ist, entspricht der Laufzeit des Wärmepfropfens in der Leitung 1. Die Laufzeit ist der Strömungsgeschwindigkeit der Komponente in dieser Leitung umgekehrt proportional.

Die Messung der Laufzeil erfolgt digital: Während der Setz/eit des Multivibrators 11 werden über eine Torschaltung 12 Zeittaktimpulsc aus einem Impulsgenerator 13 in einen Impulszähler 14 eingezahlt. Die während eines Meßtaktes eingezahlten Impulse werdeh nach jeder Messung bis zum Beginn des nächsten Meßtaktes in einem Digitalspeicher 15 zwischengespei chert. Zur Umsetzung der gemessenen Laufzeiten in Mengenströme wird ein fest programmierter Code-Wandler 16 benutzt (z. B. ein ROM-Bauelement, »read only memory«). Er bildet den Reziprokwert der Laufzeit. Ferner werden durch diesen Baustein eventuell erforderliche Eichkorrekturen, die sich aus dem Strömungsprofil der Flüssigkeit ergeben, durchgeführt. Zur direkten digitalen Anzeige der Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit (Mengenstrom) in der Leitung I wird der Ausgang des Code-Wandlers 16 (Umsetzer) auf eine Ziffernanzeigeeinheit 17 geschaltet. Zur Analoganzeige und zur Gewinnung eines Signals für Regelzweckc wird das digitale Ausgangssignal des Code·Wandlers 16 durch einen Digitalanalogwandler 18 in eine Analogspannung umgesetzt. Diese Spannung wird über einen Spannungsteiler 20 geführt, mit dem das gewünschte Verhältnis zwischen dem Mengenstrom der Komponente in der ersten Leitung 1 und dem zu regelnden Mengenstrom in der zweiten Leitung 2 vorgewählt wird. Die Regelung der zweiten Komponente erfolgt in der Weise, daß die vom Spannungsteiler 20 kommende Sollwertspannung einem Proportionallcistungsverstärker 21 zugeführt wird, der den Antriebsmotor 22 Tür eine Kolbendosierpumpe 23 in der Leitung 2 speist. Anstelle einer Kolbendosierpumpe kann auch ein motorisch betriebenes Stellventil bzw. eine Blende treten.

Zur selbsttätigen Überwachung der Regelvorrichtung wird der vom Differenzthermoelement 7 empfangene und verstärkte Spannungsimpuls einem rctriggerbarcn monostabilen Multivibrator 24 zugeführt, der beim Aussetzen der Impulsfolge (z. B. verursacht durch einen Defekt des Heizdrahtes 4, Thermoelementes 7. Impulsverstärkers 8 oder durch einen Stillstand der Strömung) eine Atarmcinrichlung 23 betätigt. Bei gewellter Unterbrechung der Strömung wird diese Überwachungsschaltung vorübergehend außer Betrieb gesetzt. Hiervon wird Gebrauch gemacht, wenn eine intcrmitlie rende Dosierung gewünscht wird.

Bei einer verbesserten Ausführung des Regelkreises

wird statt der analogen Mengenregelung eine direkte digitale Regelung durchgeführt. Zu diesem Zweck wird als Antrieb für die Kolbcndosierpumpe 23 ein frcquenzproportionaler Steuermotor (z. B. Schrittmotor) benutzt, der direkt mit dem verstärkten digitalen Ausgangssignal des Code-Wandlers 16 gespeist wird.

Eine Variante der erfindungsgemäßen Regelung für ein Zweikomponentensystem besteht darin, daß in beiden Leitungen eine Laufzeitmeßstreckc eingebaut

ίο und die Mengenströme in beiden Leitungen geregelt werden. Bei dieser Ausführung kann nicht nur das Mengenverhältnis der Komponenten, sondern auch die Absolutmenge des fertigen Gemisches konstant gehalten werden. Diese Ausführung kann im übrigen auch zur Regelung eines Einkomponentensystemes herangezogen werden.

Eine weitere Möglichkeit der Signalverarbeitung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Der durch den Wärmepfropfen erzeugte Spannungsimpuls wird hier zur Triggerung eines neuen Wärmeimpulses im Impulsgenerator 5 benutzt; d. h. jeder am Thermoelement 7 ankommende Wärmepfropfen löst sofort einen neuen Wärmeimpuls am Heizdraht 4 aus. Die daraus resultierende Impulsfrequenz ist direkt proportional zum Mengenstrom in der Leitung 1. Sie kann in ähnlicher Weise, wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, zur Regelung der zweiten Komponente herangezogen werden.
Mit der gemäß Fig.2 beschriebenen Anordnung wurden Zweikomponcntenpolyurethanlacke spritzfcrlig hergestellt und verarbeitet. Die eine Komponente enthielt die Polycstcrlösung mit Pigmengcn und abrasiven Zuschlagstoffen (z. B. SIO^ haltigc Pigmente), während die andere Komponente aus einer Hiirtcrlösung auf der Basis von Polyisocyanaten bestand. Die Dosierung solcher Gemische ist normalerweise wegen der Korrosion an den Meß- und Dosierorganen schwierig. Bei der Laufzeitmeßstrecke konnten auch nach längerem Betrieb keinerlei Korrosionserschcinungen beobachtet werden. Wichtig ist dabei, daß das Meßorgan keine beweglichen Teile besitzt. Es kann zur Reinigungszwecken leicht aus· und wieder eingebaut werden. Aufgrund des Meßprin/ips geht die Viskosität - im Gegensatz zu den meisten anderen Meßmethoden für die Strömungsgeschwindigkeit — nicht in clic Messung ein. Erfahrungsgemäß treten keine Schwierigkeiten auf bei der Dosierung von Flüssigkeiten mit einer Viskosität von 50 bis 2000 cp und Mengenströmen von 20 bis 1000 cm Vmin pro Komponente.

so Das neue Regelverfahren wurde auch bei der Herstellung von Polyurethanschäumen erprobt. Hierzu wird ein Reaktionsgemisch aus Diisocyunaten. Polyolcn und Wasser nebst Emulgatoren, Dispergatorcn und Katalysatoren hergestellt (siehe z. B. Kunststoff-Hand-

buch. Band 7. Polyurethone. Karl Hanser Verlag München 1966. Seite 144 bis 149). Zum Herstellen von Polyurethanschäumen finden als erste Hauptkomponcntc beispielsweise Verwendung mindestens zwei Hydroxylgruppen aufweisende Polyhydroxylverbindun·

gen vom Molekulargewicht 62 bis IO 000, vorzugsweise 62 bis 5000; z. B. mindestens zwei, in der Regel zwei bis acht, vorzugsweise aber zwei Hydroxylgruppen aufweisende Polyester, Polyether. Polythioether, Polyacetale. Polycarbonate, Polyesteramide. Die zweite Hauptkoni·

6) ponentc besteht vornehmlich aus aliphatischen, cycloaliphatische^ araliphatischen und aromatischen Polyisocyanaten. Insbesondere benutzt man die technisch leicht zuganglichen Poylsocyanate. z. B. das 2,4· und 2,6-Toluy-

Icndiisocyanai sowie beliebige Gemische dieser Isomeren und Polyphenylpolymethan-polyisocyanate. Die Komponenten müssen sehr genau dosiert werden. Dabei hat sich die oben beschriebene Regelung nach dem Prinzip der Laufzeitmessung sehr bewährt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Dosierung von Mehrkomponenten-Flüssigsystemen, insbesondere von chemisch reaktiven Komponenten, bei dem die Komponenten durch getrennte Leitungen in eine Mischkammer gefördert werden, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer der Leitungen ein Wärmeimpuls in die Strömung injiziert wird und die Laufzeit des resultierenden Wärmepfropfens digital gemessen wird, daß die gemessene Laufzeit zwischengespeichert wird und durch Code-Wandler in eine dem Mengenstrom proportionale elektrische Spannung umgewandelt und die Mengenströme in den anderen Leitungen proportional zu dieser Spannung eingeregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch I zur Dosierung von Zweikomporienten-Lacksystemen, bei dem die beiden Komponenten durch zwei getrennte Leitungen in eine Mischkammer gefördert werden, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer der Leitungen ein Wärmeimpuls in die Strömung injiziert wird und die Laufzeit des resultierenden Wärmepfropfens digital gemessen wird, daß die gemessene Laufzeit zwischengespeichert wird und durch Code-Wandler in eine dem Mengenstrom proportionale elektrische Spannung umgewandelt und die Mengenströme in den anderen Leitungen proportional zu dieser Spannung eingeregelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Polyurethan-Reaktionsgemischen, bei dem die Reaktionskomponenten durch getrennte Leitungen in eine Mischkammer gefördert werden, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer der Leitungen ein Wärmeimpuls in die Strömung injiziert wird und die Laufzeit des resultierenden Wärmepfropfens digital gemessen wird, daß die gemessene Laufzeit zwischengespeichert wird und durch Code-Wandler in eine dem Mengenstrom proportionale elektrische Spannung umgewandelt und die Mengenströme in den anderen Leitungen proportional zu dieser Spannung eingeregelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitmessung periodisch erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder am Ende der Laufzeitmeßstrecke ankommende Wärmepfropfen einen neuen Wärmeimpuls triggert, der in die Strömung injiziert wird und daß die daraus resultierende Impulsfrequenz als Maß für den Mengenstrom herangezogen wird.

b. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bestehend aus einer Mischkammer, in deren Zuleitungen Dosiervorrichtungen eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Zuleitungen (1) zur Mischkammer (3) eine Laufzeitmeßstrecke zur Mengenstrommessung aufweist, die aus einem in die Leitung (1) eingebauten Heizdraht (4) und einem an einer anderen Stelle dieser Leitung eingebauten thermoclektrischcn Wärmefühler (7) besteht, daß der Wärmefühler (7) über einen Verstärker (8) und Komparator (9) mit dem Reset-Eingang eines bistabilen Multivibrators (11) verbunden ist und der VIuIt 1 vibrator (II) während seiner Setzzeit eine Torschaltung (12) während der Laufzeit des Wärmepfropfens für die Zeittaktimpulse eines Impulsgenerators (13) offenhält und daß die eingezählten Impulse in einem Impulszähler (14] aufsummiert und in einem Digitalspeicher (15] zwischengespeichert werden, der mit einem elektronischen Code-Wandler (16) und D/A-Wandler (18; verbunden ist, der ein dem Mengenstrom proportionales elektrisches Signal erzeugt, das in einem Leistungsverstärker (21) verstärkt wird und daß der Leistungsverstärker jeweils an eine elektrisch betätigte Dosiervorrichtung (22, 23) angeschlosser ist, deren Dosierrate proportional zur angelegter Spannung ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer 1 bis 100 ms beträgi und der Abstand Heizdraht (4) — Wärmefühler (7] im Breich von 5 bis 500 mm liegt.