DD241646A1

DD241646A1 - PROCESS FOR RHEOLOGICAL PROCESS CONTROL

Info

Publication number: DD241646A1
Application number: DD28155185A
Authority: DD
Inventors: Horst-Dieter Tscheuschner; Thomas Beer; Hans-Werner Suess
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1985-10-09
Filing date: 1985-10-09
Publication date: 1986-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rheologischen Prozesskontrolle mit einem Durchflussrotationsviskosimeter fuer die Lebensmittel- und Chemische Industrie, z. B. bei der Herstellung von Schokolade. Die erfinderische Loesung zeichnet sich dadurch aus, dass der Zulauf des Gutstroms unterbrochen, das Gut in dem Messspalt temperiert, das Drehmoment bei einer ersten Drehzahl wiederholt gemessen, aus den wiederholten Messungen die Einstellung des thermischen und Stroemungsgleichgewichtes ermittelt, der Messwert bei Erreichen des Gleichgewichts gespeichert, der gesamte Messzyklus bei wenigstens einer weiteren Drehzahl wiederholt und abschliessend der Zulauf fuer die Vorbereitung der Messung an einer neuen Probe wieder geoeffnet wird sowie aus den gespeicherten Werten der einzelnen Messzyklen die rheologischen Materialkonstanten und die hieraus resultierenden Steueranweisungen in an sich bekannter Weise ermittelt werden. Fig. 1The invention relates to a process for rheological process control with a flow-through rotary viscometer for the food and chemical industry, z. B. in the production of chocolate. The inventive solution is characterized in that the supply of the good stream interrupted, tempered the good in the measuring gap, repeatedly measured the torque at a first speed, the adjustment of the thermal and Stroemungsgleichgewichtes determined from the repeated measurements, the measured value stored on reaching equilibrium , the entire measuring cycle is repeated at at least one further rotational speed and finally the feed for the preparation of the measurement is reopened on a new sample and the rheological material constants and the resulting control instructions are determined from the stored values of the individual measuring cycles in a manner known per se. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Theologischen Prozeßkontrolle mit einem Durchflußrotationsviskosimeter für die Lebensmittel- und Chemische Industrie, z. B. bei der Herstellung von Schokolade.The invention relates to a method for theological process control with a Durchflußrotationsviskosimeter for the food and chemical industry, z. B. in the production of chocolate.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß die Viskosität der Newtonschen Flüssigkeiten eine Materialkonstante ist, die nur von der Temperatur und im geringen Maße vom Druck beeinflußt wird. Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten unterscheiden sich davon dadurch, daß die nach dem Newtonschen Gesetz bestimmte scheinbare ViskositätIt is known that the viscosity of Newtonian fluids is a material constant which is influenced only by the temperature and to a lesser extent by the pressure. Non-Newtonian fluids differ in that the apparent viscosity determined by Newton's law

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s- -£ϊ_ zusätzlich eine Funktion des Schergradienten D ist. Zur Ermittlung von Materialkonstanten, die vom s- - £ ϊ_ is additionally a function of the shear gradient D. To determine material constants used by the

Schergradienten unabhängig sind, werden Theologische Zustandsgieichungen genutzt,die zwei oder mehr Theologische Materialkonstanten beinhalten und das Fließverhalten als Funktion vom Schergradienten zu beschreiben gestatten.Schergradienten are independent, theological state equations are used, which contain two or more theological material constants and allow to describe the flow behavior as a function of the shear gradient.

Entsprechend wächst der Aufwand zur Messung dieser Materialkonstanten bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten.Accordingly, the effort to measure these material constants in non-Newtonian fluids is growing.

In einer Reihe von Fällen sind Prozesse der Lebensmittel- und Chemischen Industrie in Abhängigkeit vom Fließverhalten des Mediums zu steuern. Dabei kommt es in zunehmendem Maße darauf an, in kurzer Zeit die Theologischen Materialkonstanten möglichst genau zu ermitteln, um die Vorzüge der digitalen elektronischen Steuerung voll auszunutzen. Ein solcher Prozeß ist beispielsweise die Herstellung von Schokoladenmasse nach dem Hochgradscherverfahren. Die unbedingte Erfüllung der Qualitätsanforderungen der Abnehmer, darunter die Einhaltung einer vom Abnehmer geforderten, sortenabhängigen Viskosität und Fließgrenze der Schokoladenmasse, erfordern vom Hersteller derzeit bei noch unbefriedigender Meßgenauigkeit einen höheren Kakaobuttereinsatz als theoretisch notwendig wäre. Bei den hohen Weltmarktpreisen für Kakaobutter summieren sich die Aufwendungen für diesen Sicherheitszuschlag schnell.In a number of cases, processes in the food and chemical industries can be controlled depending on the flow behavior of the medium. It is increasingly important to determine the theological material constants as accurately as possible in a short time in order to fully exploit the advantages of digital electronic control. One such process is, for example, the production of chocolate mass according to the high shear method. The unconditional fulfillment of the quality requirements of the customers, including compliance with a demanded by the customer, variety-dependent viscosity and yield point of the chocolate mass, currently require the manufacturer with still unsatisfactory measurement accuracy higher cocoa butter than theoretically necessary. With the high world market prices for cocoa butter, the cost of this security surcharge adds up quickly.

Zur Messung der Viskosität sind verschiedene Funktionsprinzipien bekannt. Bei Rotationsviskosimetern wird das Drehmoment bei eingestellter Drehzahl, bei schwingenden Systemen die Dämpfung, bei Kapillarviskosimetern der Druck und Durchsatz und bei Kugelfall-Viskosimetern die Fallgeschwindigkeit gemessen.Various functional principles are known for measuring the viscosity. For rotary viscometers, the torque is measured at set speed, for oscillating systems the damping, for capillary viscometers the pressure and flow rate and for falling-ball viscometers the falling speed is measured.

Die Rotationsviskosimeter mit Ringspalt(en) zwischen konzentrischen Körpern bzw. nach dem Kegel-Platte-Prinzip gehören zu den wenigen Viskosimetertypen, bei denen sich der.Berechnung gut zugängige Strömungsverhältnisse einstellen. Sie sind darum in Laborgeräten besonders häufig im Einsatz. Es werden auch bereits verschiedene Rotationsviskosimeter zur Prozeßkontrolle eingesetzt, einmal als Eintauch-, zum anderen als Durchflußrotationsviskosimeter.The rotational viscometers with annular gap (s) between concentric bodies or according to the cone-and-plate principle belong to the few types of viscometers in which the calculation provides easily accessible flow conditions. They are therefore particularly frequently used in laboratory equipment. Various rotational viscometers are also already being used for process control, once as a dip-in and as a flow-rate rotary viscometer.

Mit Eintauchrotationsviskosimetern ist eine kontinuierliche Messung möglich. Es wird bei einer konstanten Drehzahl und den tatsächlichen Guttemperaturen des Prozesses gemessen. Aber die Strömungsverhältnisse sind nicht so exakt einstellbar wie bei Laborviskosimetern.With immersion rotation viscometers a continuous measurement is possible. It is measured at a constant speed and actual true temperatures of the process. But the flow conditions are not as precisely adjustable as in laboratory viscometers.

Mit Eintauchrotationsviskosimetern mit konstanter Drehzahl und nicht exakt einstellbaren Scherbedingungen lassen sich keine Materialkonstanten nicht-Newtonscher Flüssigkeiten bestimmen, die das Fließverhalten als Funktion vom Schergradienten zu beschreiben gestatten. Die Eintauchrotationsviskosimeter können vorzugsweise zur Messung der Viskosität Newtonscher Flüssigkeit, z. B. zur Zuckerverarbeitung (DD-WP 203631) eingesetzt werden oder zur Messung von Sollwertabweichungen auf der Basis der scheinbaren Viskosität.With constant-velocity immersion rotary viscometers and non-precisely adjustable shear conditions, it is not possible to determine material constants of non-Newtonian fluids that allow the flow behavior to be described as a function of the shear gradient. The immersion rotary viscometers may preferably be used to measure the viscosity of Newtonian fluid, e.g. B. for sugar processing (DD-WP 203631) are used or for measuring setpoint deviations based on the apparent viscosity.

Mit Durchlaufrotationsviskosimetern kann ebenfalls kontinuierlich gemessen werden. Sie sind bereits seit längerer Zeit bekannt und im Einsatz. Beispielsweise wird ein Durchflußrotationsviskosimeter nach DD-WP 47814 an eine Druckleitung angeschlossen. Der Gutstrom aus dem Prozeß wird von unten nach oben über einen Überlauf gedrückt und füllt dabei den Raum zwischen zwei Ringspalten aus, zwischen denen ein Hohlzylinderrotor gedreht wird. Die der Rechnung mathematisch exakt zugängigen konzentrischen Strömungen des Meßmediums werden in jedem Durchflußrotationsviskosimeter von einer zwar geringen, letztlich aber das Ergebnis doch erheblich verfälschenden Axialströmung überlagert. Mit einer ausreichenden Zahl von Kalibriermessungen im Vergleich mit Laborrotationsviskosimetern ist es in bestimmten Fällen möglich, die Parameter für die notwendigen rechnerischen Korrekturen zu ermitteln. Sie gelten selbstverständlich immer nur für eine bestimmte Breite von Meßbedingungen. Größere Veränderungen der Zusammensetzung und damit des Fließverhaltens der Einsatzstoffe bzw. anderer Prozeßparameter erfordern neue Kalibrierungen. Der Einsatz von Thermostaten zur Temperatureinstellung ist nur mangelhaft wirksam, da die Durchlaufgeschwindigkeit nicht beliebig veränderbar ist.With continuous rotation viscometers it is also possible to measure continuously. They have been known and used for a long time. For example, a Durchflußrotationsviskosimeter according to DD-WP 47814 is connected to a pressure line. The material flow from the process is pressed from bottom to top via an overflow and fills the space between two annular gaps, between which a hollow cylinder rotor is rotated. The mathematically exactly accessible concentric flows of the measuring medium are superimposed in each Durchflußrotationsviskosimeter of a small, but ultimately the result but significantly falsifying axial flow. With a sufficient number of calibration measurements compared to laboratory rotation viscometers, it is possible in certain cases to determine the parameters for the necessary computational corrections. Of course, they only apply to a certain range of measuring conditions. Larger changes in the composition and thus the flow behavior of the feedstock or other process parameters require new calibrations. The use of thermostats for temperature setting is only ineffective, since the throughput speed can not be changed arbitrarily.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die genaue Kontrolle des Fließverhaltens von Medien Theologischer Prozesse.The aim of the invention is the precise control of the flow behavior of media Theological processes.

Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Verwendung eines an einen Gutstrom angeschlossenen Durchflußrotationsviskosimeters mit einem Überlauf, bei dem das der effektiven Viskosität entsprechende Drehmoment bei unterschiedlichen Drehzahlen gemessen und der Meßwert als elektrisches Signal über einen Analog-Digital-Umsetzer in einem Mikrorechner zur genauen Berechnung der Theologischen Materialkonstanten genutzt und zur Prozeßkontrolle ausgewertet wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Zulauf des Gutstroms unterbrochen, das Gut in dem Meßspält temperiert, das Drehmoment bei einer ersten Drehzahl wiederholt gemessen, aus den wiederholten Messungen die Einstellung des thermischen und Strömungsgleichgewichtes ermittelt, der Meßwert bei Erreichen des Gleichgewichts gespeichert, der gesamte Meßzyklus bei wenigstens einer weiteren Drehzahl wiederholt und abschließend der Zulauf für die Vorbereitung der Messung an einer neuen Probe wieder geöffnet wird sowie aus den gespeicherten Werten der einzelnen Meßzyklen die Theologischen Materialkonstanten und die hieraus resultierenden Steueranweisungen in an sich bekannter Weise ermittelt werden.The object of the invention is, using a connected to a good flow Durchflußrotationsviskosimeters with an overflow, wherein the effective viscosity corresponding torque measured at different speeds and the measured value as an electrical signal via an analog-to-digital converter in a microcomputer for accurate calculation of the Theological material constants used and evaluated for process control. According to the invention, the object is achieved in that the feed of the material flow is interrupted, the temperature in the Meßspält tempered, repeatedly measured the torque at a first speed, from the repeated measurements determines the setting of the thermal and flow equilibrium, the measured value stored on reaching equilibrium, the entire measuring cycle is repeated at at least one further rotational speed and finally the feed for the preparation of the measurement on a new sample is reopened and from the stored values of the individual measuring cycles the theological material constants and the resulting control instructions are determined in a manner known per se.

Das Durchflußrotationsviskosimeterwirdfürdie kurze Zeit der Temperierung und Messung vom Gutstrom getrennt. Während dieser Zeit werden im Prinzip Labormeßbedingungen geschaffen, wobei unter Nutzung des ohnehin für die Prozeßsteuerung notwendigen Rechners jeder Meßzyklus bei Sicherung hoher Genauigkeit in kürzester Frist abgeschlossen wird. Durch fortlaufende Kontrollmessung und Vergleich der Meßwerte untereinander auf Differenzen wird der Zeitpunkt ermittelt, bei dem sich ein für die Messung ausreichendes thermisches und Strömungsgleichgewicht eingestellt hat. Der Zeitaufwand wird bei hoher Sicherheit der Meßqualität minimiert. Durch die ausschließlich konzentrische Strömung des Meßgutes im Scherspalt ist keine rechnerische Korrektur der Strömungsbedingungen erforderlich.The flow-through rotary viscometer is separated from the stream of material for the brief time of temperature control and measurement. During this time laboratory measuring conditions are created in principle, whereby each measuring cycle is completed in the shortest possible time while ensuring high accuracy using the computer, which is in any case necessary for the process control. By continuous control measurement and comparison of the measured values with one another on differences, the time is determined at which a sufficient thermal and flow equilibrium for the measurement has been established. The time required is minimized with high reliability of the measurement quality. Due to the exclusively concentric flow of the material to be measured in the shear gap no arithmetic correction of the flow conditions is required.

Das Prinzip, die Einstellung des thermischen und Strömungsgleichgewichtes durch wiederholte Kontrollmessungen vor der eigentlichen Messung zu ermitteln, kann auch unter Laborbedingungen, z. B. bei einer großen Zahl in kurzer Zeit durchzuführender Messungen, vorteilhaft eingesetzt werden.The principle to determine the setting of the thermal and flow equilibrium by repeated control measurements before the actual measurement, can also under laboratory conditions, eg. B. in a large number of measurements to be performed in a short time, be used advantageously.

In Abhängigkeit von der Anzahl der je Probe zu bestimmenden Meßpunkte, der Anzahl der Materialkonstanten bzw. Modellparameter sowie dem Fördervolumen der quasikontinuierlichen arbeitenden Meßeinrichtung dauert eine Analyse ca. 2 bis 10 Minuten.Depending on the number of measurement points to be determined per sample, the number of material constants or model parameters and the delivery volume of the quasi-continuous measuring device, an analysis takes about 2 to 10 minutes.

embodiment

In der Zeichung ist das Schema der Meßanordnung für die quasikontinuierliche Messung der Theologischen Eigenschaften von Schokoladenmassen nach dem erfindunggemäßen Verfahren zur Kontrolle des Conchierprozesses dargestellt. Die auf Theologische Eigenschaften zu untersuchende Schokoladenmasse verläßt nach der Homogenisierung den Homogenisator 1 durch den Überlauf 2. Durch einen Bypaß 4 wird mittels eines Dreiwegehahns 3 oder einer Pumpe die zu untersuchende Flüssigkeit (Schokoladenmasse) in den Ringspalt des Rotationsviskosimeters 5 geleitet, bis die Flüssigkeit den Überlauf 6 erreicht und eine konstante Füllhöhe eingestellt ist. Die Überlaufleitung 6 ist wieder in den unteren Teil des Rohres 2 eingeleitet. Zur Messung wird der Meßspalt 5 mittels Bypaß 4 mit Untersuchungsflüssigkeit bis zum Austritt aus dem Überlauf 6 gefüllt und dann der Zufluß gestoppt (z.B. Pumpe oder Dreiwegehahn 3). Die Meßflüssigkeit wird im Meßspalt durch ein Temperiersystem 7 auf die gewünschte Meßtemperatur (z. B. 4O⁰C bei Schokoladenmasse) temperiert. Die Temperatur der Meßflüssigkeit wird mittels Temperatursonde 8 kontrolliert und dem Rechner 9 als analoges Signal über einen Analog-Digital-Umsetzer eingegeben. Bei Erreichen der Solltemperatur wird über den Rechner der Motor, der die Rotationssonde antreibt, angesteuert und die gewünschte Drehzahl eingestellt. Das auftretende Drehmoment wird über einen Analog-Digital-Umsetzer dem Rechner zugeführt, der die Daten bei Erreichen des Gleichgewichtszustandes als Meßwerte speichert. Der Gleichgewichtszustand wird wie folgt ermittelt: Es werden jeweils drei in kurzer Zeit nacheinander abgetastete Werte summiert und vom Summenwert derIn the drawing, the scheme of the measuring arrangement for the quasi-continuous measurement of the theological properties of chocolate masses according to the inventive method for controlling the conching process is shown. After homogenization, the chocolate mass to be examined for the rheological properties leaves the homogenizer 1 through the overflow 2. By means of a bypass 4, the liquid to be examined (chocolate mass) is directed into the annular gap of the rotational viscometer 5 by means of a three-way cock 3 or a pump until the liquid reaches the Overflow 6 reached and a constant level is set. The overflow line 6 is again introduced into the lower part of the tube 2. For measurement, the measuring gap 5 is filled by means of bypass 4 with examination liquid until it leaves the overflow 6 and then the inflow is stopped (eg pump or three-way cock 3). The measurement liquid is heated in the measuring gap 7 by a temperature control system to the desired measuring temperature (z. B. 4O ⁰ C for chocolate mass). The temperature of the measuring liquid is controlled by temperature probe 8 and entered the computer 9 as an analog signal via an analog-to-digital converter. When the setpoint temperature is reached, the motor which drives the rotation probe is controlled via the computer and the desired speed is set. The occurring torque is fed via an analog-to-digital converter to the computer, which stores the data when reaching the equilibrium state as measured values. The equilibrium state is determined as follows: Three values scanned in succession in a short time are summed together and the sum value of the

— O — £.·* I- O - £. · * I

vorhergehenden drei Werte abgezogen. Unterschreitet diese Differenz einen vorgegebenen Wert, dann gilt der Mittelwert der drei letzten Drehmomentenwerte als endgültiger Meßwert, bezogen auf die eingestellte Drehzahl. Anschließend wird die nächste Drehzahl vom Rechner am Motor der Rotationssonde angesteuert und für diese Drehzahl das auftretende Drehmoment im Strömungsgleichgewicht dem Rechner zugeführt. Je nach Erfordernissen können auf diese Weise zwei oder mehr Meßpunkte bei verschiedenen Drehzahlen aufgenommen werden.subtracted from the previous three values. If this difference falls below a predetermined value, then the mean value of the three last torque values applies as the final measured value, based on the set speed. Subsequently, the next speed is controlled by the computer on the motor of the rotation probe and supplied for this speed, the torque occurring in the flow equilibrium to the computer. Depending on requirements, two or more measuring points can be recorded at different speeds in this way.

Der Rechner verarbeitet diese Daten entsprechend vorgegebenem Modell und berechnet die Modellparameter, z.B. ricA/tcA, η für das Casson-ModellThe computer processes this data according to a given model and calculates the model parameters, e.g. ricA / tcA, η for the Casson model

1 I l1 l

C * '"CA ^τ ^YCA*¹^¹¹ C * '"CA ^τ ^ YCA * ¹ ^ ¹¹

Die Daten werden angezeigt und/oder ausgedruckt und zur Steuerung des Sollwertes für die Modellparameter genutzt. Nach Abschluß eines solchen Meßzyklus, der etwa 2 bis 10 Minuten dauert, wird vorzugsweise bei Rotation der Meßsonde 10 durch Öffnen des Dreiwegehahns 3 bzw. durch Anstellen einer Pumpe frische Untersuchungsflüssigkeit durch den Bypaß 4 dem Meßspalt 5zugeführt, während die alte Meßsubstanz über die Überlaufleitung 6 den Meßspalt verläßt. Das Öffnen und Schließen des Dreiwegehahns 3 bzw. der Pumpe erfolgt durch ein Stellglied 11, das vom Rechner 9 angesteuert wird. Bei Abweichung der rheologischen Eigenschaften vom Sollwert steuert der Rechner 9 die Dosierstation 12 zur Änderung des Anteils an viskositätsbeeinflussenden Komponenten.The data is displayed and / or printed out and used to control the setpoint for the model parameters. After completion of such a measuring cycle, which lasts about 2 to 10 minutes, is preferably upon rotation of the probe 10 by opening the three-way valve 3 or by hiring a pump fresh examination liquid through the bypass 4 the measuring gap 5zugeführt while the old measuring substance via the overflow line. 6 leaves the measuring gap. The opening and closing of the three-way cock 3 and the pump is performed by an actuator 11, which is controlled by the computer 9. In case of deviation of the rheological properties from the setpoint, the computer 9 controls the dosing station 12 to change the proportion of viscosity-influencing components.

Claims

Invention claim:

1. A process for theological process control using a connected to a good flow of the control liquid Durchflußrotationsviskosimeters with an overflow, in which the torque corresponding to the measured torque and the measured value is evaluated as an analog signal via an analog-to-digital converter in a microcomputer for process control, characterized in that the feed of the good stream is interrupted, the product is tempered in the measuring gap, the torque is repeatedly measured at a first speed, the thermal and flow equilibrium are determined from the repeated measurements, the measured value stored when the equilibrium is reached, the entire measuring cycle at at least one other The speed is repeated and finally the feed for the preparation of the measurement on a new sample is reopened and from the stored values of the individual measuring cycles the theological material constants and the resulting resulting control statements are determined in a conventional manner.

2. Method according to item!, Characterized in that each measured value deducted from the repeated measurements at a speed from the initial value, the difference compared with a predetermined threshold value and the measuring cycle is terminated when falling below the threshold value.

3. The method according to item 2, characterized in that an averaged difference value is compared with the threshold value.