Gravimetrisch und volumetrisch dosieren

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Dosieren: nach Volumen oder Gewicht?

Grundsätzlich gibt es zwei Arten zu Dosieren, die jede Hausfrau kennt. Ein Löffel dosiert volumetrisch, also nach Volumen, und eine Waage gravimetrisch nach Gewicht. In der Industrie ist das grundsätzlich genauso. Was so einfach klingt, zeigt bei Produktionsprozessen aber die Tücke im Detail.

„Grundsätzlich erfolgt eine Dosierung zunächst nach Volumen“, erklärt Ralf Griemens, Schulungsleiter bei Brabender Technologie. Der einfachste Dosiereraufbau besteht aus Behälter, Dosierorgan (z. B. eine Schnecke) und einem Motor, der die Schnecke antreibt. „In der Industrie hängt die Dosierung von verschiedenen Parametern ab: dem Fördervolumen der Schnecke und der Schneckendrehzahl. Unter Beachtung der relativen Dichte des Schüttguts können wir dann die Förderleistung errechnen.“ Das funktioniert mit allen rieselfähigen Schüttgütern und ist der Grundaufbau jeder Form von industrieller Dosierung.

Im Fließverhalten lauern Probleme
Dieses Verfahren weist in der Praxis verschiedene Schwächen auf. Eine Problematik sind Hohlräume in der Schneckenfüllung. „In der Theorie ist die Kammer der Schnecke immer zu 100 Prozent gefüllt“, erläutert Ralf Griemens. „Durch die Rotation der Schnecke sinkt aber der Schneckenfüllgrad ab – in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit. Je höher die Drehzahl, desto niedriger ist der Schneckenfüllgrad.“ Dann stimmt aber die errechnete Förderleistung nicht mehr. Eine andere Problematik sind Materialveränderungen. Klebt das Material zum Beispiel durch Luftfeuchtigkeit oder Erwärmung, kann es das Volumen verändern. Auch dieses Phänomen kennt die Hausfrau: Durch mechanische Bearbeitung nimmt ein Becher Sahne im Volumen deutlich zu – das Gewicht aber bleibt gleich.

„Es gibt viele Einflussfaktoren auf das Fließverhalten von Schüttgütern“, zählt Ralf Griemens auf. „Dazu zählen zum Beispiel Feuchtigkeit, Druck, Fluidisierung oder die Temperatur.“ Daher ist für viele Dosierungen das gravimetrische Verfahren sinnvoll. Dazu wird die komplette volumetrische Dosier-
einheit auf eine Wägezelle montiert. Die wiegt das System bis zu 18.000-mal in der Stunde und erfasst das abnehmende Gewicht der gesamten Einheit. Das Ergebnis gleicht die Steuerung mit dem Sollwert ab. Weicht der tatsächliche Gewichtsverlust ab, regelt die Steuerung die Drehzahl der Schnecke, so dass eine konstante, gewichtskontrollierte Dosierung gewährleistet ist. Im englischen Sprachraum heißt diese Form der Dosierung darum Loss-in-weight.

Sonderfall kontinuierliche Produktion
Soll ein System kontinuierlich produzieren, muss der Behälter regelmäßig nachgefüllt werden (Abbildung: „Phasen der kontinuierlichen Dosierung“). In dieser Zeit steigt das Gewicht. Erreicht der Behälter eine definierte Mindestfüllung (t2), passiert Folgendes: Die Drehzahl wird „eingefroren“ und die Dosierung erfolgt konstant volumetrisch. Gleichzeitig misst die Wägezelle die Gewichtszunahme durch die Nachfüllung. Ist der maximale Füllstand erreicht (t3) und eine kurze Ruhephase für das Schüttgut eingehalten worden, in dem es sich setzen kann (t4), nimmt die Wägezelle wieder die gravimetrische Steuerung auf. „Daher sagen wir immer, dass eine sehr exakte volumetrische Dosierung die Voraussetzung für eine genaue gravimetrische Dosierung ist.“

Sehen Sie hier unser Video zu den Themen gravimetrische Dosierung und kontinuierliche Produktion.

(erschienen in FLUX 1/2018)