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Dosieren
Dosieren bedeutet Transport einer bestimmten Stoffmenge von A nach B.
Es gibt prinzipiell unterschiedliche Ansätze, einen Stoff zu dosieren. Diese Ansätze sowie technische Realisierungsmöglichkeiten werden nachfolgend beschrieben.
Indirekt bestimmte Dosierung
Die transferierte Stoffmenge wird durch einen Regler bestimmt, der eine Messgrösse mittels Dosierung eines Stoffes konstant halten muss (z.B. pH-Wert mit Säure und Lauge). In diesem Fall interessiert nicht primär die transferierte Stoffmenge oder die Zeit, in der dieser Stoff transferiert wird, sondern nur, ob der Stofftransfer zu einem Messwert der geregelten Grösse führt, der dem Sollwert entspricht.
Direkt bestimmte Dosierung
Zugabe einer definierten Menge in kurzer, unbestimmter Zeit
In diesem Fall wird ein Stoff in einer definierten, absoluten Menge dosiert; die Zeit hierfür spielt nur eine untergeordnete Rolle. Z.B. wird der Inhalt einer Flasche vollständig mittels einer Pumpe in einen Kessel transferiert, oder eine bestimmte Menge Pulver wird einmalig in einen Behälter eingebracht.
Zugabe einer definierten Menge über ein definiertes Zeitintervall
Häufig muss aber eine definierte Stoffmenge innerhalb einer definierten Zeit überführt werden, also mit einem genau definierten Fluss. Dies kann sowohl diskontinuierlich wie auch kontinuierlich geschehen.
Eine Anwendung in der Bioprozesstechnik ist z.B. die Chemostatkultur, bei der über die Flussrate des zugeführten Mediums die Wachstumsgeschwindigkeit der Kultur eingestellt wird.
Wird kontinuierlich dosiert, interessiert den Anwender vor allem die Dosierrate - der Fluss - aber auch die Dosiergenauigkeit, d.h. die maximale Abweichung des effektiven vom gewünschten, vorgegebenen Flusswert.
Um eine gewünschte Dosierrate (Fluss) einzustellen und konstant zu halten, gibt es wiederum zwei unterschiedliche Vorgehensweisen:
Gesteuerte Dosierung
Hierbei wird der gewünschte Fluss mittels einer Fördereinrichtung eingestellt, die systeminhärent eine möglichst konstante Flussrate erzeugt, wobei der Fluss nur einmal gemessen wird, um die Fördereinrichtung zu kalibrieren. Danach muss angenommen werden können, dass sich ein einmal eingestellter Fluss innerhalb eines gewünschten Zeitraums nicht verändert.
Geregelte Dosierung
In diesem Fall wird der Fluss geregelt, indem er kontinuierlich gemessen und von einem Regler durch Abgleich mit dem eingestellten Sollwert über eine Ansteuerung der Fördereinrichtung konstant gehalten wird. In diesem Fall muss die Fördereinrichtung nicht kalibriert werden, dafür aber das Flussmessgerät.
Die geregelte Dosierung hat den Vorteil, dass Störgrössen ausgeregelt werden können. Typische Störgrössen können z.B. sich stark verändernde Druckverhältnisse, ein gequetschter oder abgenutzter Schlauch, oder auch Pumpenschlupf sein.
In der Praxis hat aber die ungeregelte, nur gesteuerte Dosierung ebenso gewichtige Vorteile. Der Fluss kann im Kurzzeitbereich insbesondere bei kleinen Flüssen besser konstant gehalten werden, er schwankt weniger und die ungeregelte, nur gesteuerte, Dosierung ist kostengünstiger - vor allem, weil sie unabhängig von aufwendiger Messtechnik ist.
Beispiele der technischen Realisierung einer Dosierung mit definierter Flussrate
Gesteuerte Systeme
Diese Systeme verzichten auf eine andauernde Messung des Flusses und müssen daher einen Fluss erzeugen, der über möglichst lange Zeit möglichst unabhängig von äusseren Einflüssen ist. Meist handelt es sich um Verdrängerpumpen, die drucksteif sind. Typischerweise sind das Peristaltikpumpen, Kolbendosierpumpen, Membranpumpen oder auch Zahnradpumpen. Sie ermöglichen eine genaue gesteuerte Dosierung. Zentrifugalpumpen hingegen sind für diese ungeregelte Art der Dosierung ungeeignet.
Im Hygienebereich werden typischerweise Peristaltikpumpen eingesetzt
Geregelte Systeme
Geregelte Dosiersysteme stellen immer eine Kombination eines Fluss-Messsystems mit einem Regler und einer Fördereinrichtung als Stellglied dar. Bei solchen Systemen gibt es prinzipiell keine Einschränkungen bei der Wahl der Fördereinrichtung. Es können auch getaktete Ventile oder Regelventile sowie Zentrifugalpumpen als Stellglied eingesetzt werden.
Geregelte Dosierung mit gravimetrischer Flussmessung
Zur Messung des Flusses kommen hier Waagen zur Anwendung. Der Fluss wird über die zeitliche Ableitung des gemessenen Gewichts bestimmt. Diese gravimetrische Dosierung hat folgende Vorteile:
- Nebst dem Fluss ist gleichzeitig auch die gesamte zu-dosierte Menge (Verbrauch) als Messwert über den Gewichtswert direkt und genau verfügbar.
- Über einen langen Zeitraum kann der gewünschte Fluss sehr genau gehalten und bestimmt werden, insbesondere dann, wenn der gewünschte Fluss über ein Gewichts-Zeit-Profil dem Gewichtsregler vorgegeben wird.
Nachteile sind hingegen:
- Der momentane Fluss, vor allem, wenn dieser sehr klein sein soll, kann oft nur ungenau gehalten und bestimmt werden. Kleine Störungen des Gewichtsmesswerts, etwa ein Luftzug oder eine kleine Positionsänderung eines Schlauchs, können schon zu stark schwankenden Flusswerten im Kurzzeitbereich führen.
- Aufwändig in der Realisierung gegenüber einer nur gesteuerten Dosierung,
Geregelte Dosierung mit anderen bekannten Flussmesseinrichtungen
Eine geregelte Dosierung kann auch mit magnetisch-induktiver Messung- mit Coriolis-Flussmessung, mit Ultraschallmessung oder weiteren Messprinzipien realisiert werden. Mit solchen Messsystemen kann manchmal im Kurzzeitbereich ein genauerer Fluss gehalten werden. Die gesamte dosierte Menge über einen längeren Zeitraum lässt sich aber bei gravimetrischen Dosiersystemen prinzipiell genauer erfassen.
Auch diese nicht-gravimetrischen geregelten Systeme sind gegenüber einer nur gesteuerten Dosierung deutlich aufwendiger zu realisieren. Und oft wird auch mit diesen geregelten Systemen keine bessere Dosiergenauigkeit erreicht.
In jedem Fall sind für die Wahl einer geeigneten Dosiermethode vorgängig alle relevanten Paramater und Bedürfnisse zu klären, wie z.B. Flussbereich, zulässige Abweichung des Momentanflusses, zulässige Abweichung der dosierten Menge über einen längeren Zeitraum, welches Gesamtvolumen soll während des Prozesses zudosiert werden, mit welchen Störgrössen muss gerechnet werden, welche Druckverhältnisse liegen innerhalb der Dosierstrecke vor, welche chemische Zusammensetzung und welche ungefähre Viskosität weisst die zu dosierende Flüssigkeit auf.