DE10302888B4

DE10302888B4 - Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Härtebildnern und Verfahren zur Prozeßsteuerung

Info

Publication number: DE10302888B4
Application number: DE10302888A
Authority: DE
Inventors: Winfried Schellbach
Original assignee: Individual
Current assignee: SCHELLBACH, WINFRIED, DE
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2003-01-25
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-01-26
Also published as: DE10302888A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Härtebildnern und zur Prozeßsteuerung in Wasserbehandlungsanlagen, insbesondere in Anlagen zum Ausführen von Ionenaustauscher-, Antiscaling-, Härtestabilisierungs-, Kristallisations- und dergleichen weiteren, auf Austausch oder Überführung aktiver in passive Härtebildner beruhenden Verfahren zur Wasserbehandlung mit anlagenseitigen Vorrichtungen für einen Betrieb der Wasseranlage,
gekennzeichnet durch
eine Prozeßsteuereinrichtung mit folgenden Merkmalen:
– eine innerhalb einer mit Probewasser (5) gefüllten Probenkammer (10) angeordnete ionenselektive Sensoreinrichtung (15),
– mindestens eine die Probenkammer mit wasserführenden Einrichtungen der Wasseranlage verbindende, schaltbare Probenzuführung (20),
– eine mit der Sensoreinrichtung und anlagenseitigen Stellgliedern datenübertragend verbundene Meß- und Steuereinheit (25).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Härtebildnern und zur Prozeßsteuerung von Wasserbehandlungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Härtebildnern zum Zweck der Prozesskontrolle von Wasserbehandlungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Zur Reduktion von Härteausfällungen oder Steinbildungen im Rahmen einer industriellen Wassernutzung werden Wasserenthärtungsverfahren angewendet, die die Wasserhärte dadurch senken, indem die Wirkung bestimmter, im Wasser gelöster Ionen, insbesondere Calcium- und Magnesiumionen reduziert wird. Dies wird zum einen dadurch erreicht, indem die betreffenden Ionen aus der Lösung beispielsweise mittels Umkehrosmose, Elektrodialyse oder eines Ionenaustauscherverfahrens entfernt werden. Im Folgenden wird ein Verfahren nach diesem Prinzip als aktive Härtereduzierung bezeichnet.
Eine andere Möglichkeit der Wasserhärtereduzierung besteht darin, die Ionen an gewisse und im Wasser gelöste Reaktionspartner chemisch zu binden oder in anderer Weise zu maskieren. Verfahren, die auf diesem Grundprinzip beruhen, werden nachfolgend als passivierende Härtereduktionsverfahren oder passivierende Härtereduzierung bezeichnet.
Derartige Verfahren sind auch als Antiscaling-, Härtestabilisierungs- oder Kristallisationsverfahren bekannt. Beim Antiscaling- oder Härtestabilisierungsverfahren werden im wesentlichen kettenförmige kondensierte Phosphatverbindungen oder vergleichbare Wasserenthärter, beispielsweise Zeolithe oder dergleichen beigemischt, die nachweislich eine Reduzierung der Wasserhärte bewirken. Beim Kristallisationsverfahren werden durch elektrische oder magnetische Energieeinwirkung und/oder in Verbindung mit spezifisch behandelten Harzen Mikrokristalle auf Calcium bzw. Magnesium-Basis erzeugt, die ebenfalls die Konzentration der freien Ca- bzw. Mg-Ionen in der Lösung vermindern. Die Mikrokristalle weisen gegenüber den freien Ionen veränderte chemische Eigenschaften auf. Weil die Härtebildner weiterhin in der Lösung verbleiben, aber infolge der beschriebenen Absorptions-, Bindungs- bzw. Kristallisationsprozesse inaktiviert sind, bezeichnet man diese gebundenen Ionen auch als passive Härtebildner. Durch die kurz beschriebenen Verfahren werden also aktive in passive Härtebildner überführt, wobei die Konzentration der aktiven Härtebildner gesenkt wird.
Es sind verschiedene Verfahren zur Härtemessung bzw. für Qualitätsüberwachungen von Härtereduktionsverfahren bekannt. Gebräuchlich sind vor allem Leitfähigkeitsmessungen an einer Eingangs- und Ausgangsseite einer Enthärtungsanlage, Leitfähigkeitsmessungen einer der Enthärtung dienenden Harzbeladung, Quellstandsmessungen eines Harzes entweder in einer Harzbeladung oder in Form eines definierten Harzvolumens innerhalb einer Meßanordnung, photometrische Messungen an Ein- und Ausgängen der Anlage und ionenselektive Messungen am Weichwasserausgang. Bei Wasserverschnittanlagen sind photometrische oder ionenselektive Härtemessungen am Verschnittwasserausgang gebräuchlich.
So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift DE 41 14 380 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Wasserhärte. Bei dem dort genannten Verfahren wird davon ausgegangen, dass vor dem Ionenaustausch die gemessene Leitfähigkeit proportional zur Konzentration der Härtebildner ist.
Die Bestimmung der Wasserhärte kann zur Steuerung einer Wasserverschnittanlage oder eines Prozeßwasserkreislaufs herangezogen werden. Ein Beispiel hierfür ist in der Offenlegungsschrift DE 199 18 073 A1 offenbart. Die Druckschrift beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Einstellung der Wasserhärte. Dabei wird ein aktueller Wasserhärtegrad an festen Messpunkten, beispielsweise an einem Ein- und/oder Ausgang einer Wasserverschnittanlage, ermittelt und ein einzustellender Wasserhärtegrad eingegeben. Es erfolgt ein Vergleich zwischen dem erfassten Wasserhärtegrad und dem eingestellten Wasserhärtegrad zur Gewinnung eines Steuersignals. Das Steuersignal wird dazu genutzt, um in einer Wasserverschnitteinrichtung ein Mischungsverhältnis zwischen Weich- und Rohwasser bzw. zwischen Prozess- und Speisewasser einzustellen.
Generell sind Leitfähigkeitsmessungen ungenau und besonders im Rahmen passivierender Härtereduktionsverfahren nicht anwendbar, weil sie keine härtespezifische Messung, sondern nur eine Summenmessung über alle in der Lösung vorkommende Ionenarten darstellen, aber im Gegensatz dazu registrierte Veränderungen der gemessenen Leitfähigkeit des Wassers ausschließlich in Hinblick auf die Härtekonzentration einiger spezifischer Ionen, insbesondere der Ca- und Mg-Ionen interpretiert werden. Die oben erwähnte Reduktion der Konzentration aktiver Härtebildner in passive Härtebildner läßt sich mit einem derartigen Verfahren nur sehr ungenau oder überhaupt nicht nachweisen, da die passiven Härtebildner ebenfalls als Ladungsträger innerhalb der Lösung wirken und demnach zur Leitfähigkeit weiterhin beitragen.
Quellstandsmessungen weisen den entscheidenden Nachteil auf, daß die Harzaffinität des verwendeten Quellharzes keine repräsentativen Aussagen über den Enthärtungsvorgang der Anlage erlaubt und niedrige Härtekonzentrationsgrenzen von etwa 0.1°dH nicht oder nur unzureichend erkannt werden. Derartige Verfahren weisen zudem eine lange Ansprechzeit auf und sind überwiegend als Schwellwertsteuerungen zu einem bedarfsweisen Zuschalten von Härtereduktionsvorrichtungen im Gebrauch. Zudem bewirken aktive wie passive Härtebildner im allgemeinen einen vergleichbaren Quellvorgang des Harzes. Diese Methode ist somit nicht sensitiv auf bestimmte Härtebildner, unterscheidet auch nicht zwischen aktiven und passivierten Härtebildnern und kann somit bei passivierenden Härtereduktionsverfahren nicht eingesetzt werden.
Photometrische und ionenselektive Messungen sind bei kontinuierlicher Betriebsweise mit erheblichen mechanischen Beanspruchungen, hohen Betriebskosten bzw. einem Eintrag störender Inhaltsstoffe, wie beispielsweise Eisen, Aluminium und Farbstoffen verbunden. Diese sedimentieren und beeinflussen die Meßgenauigkeit nachteilig. Zudem reagieren die bekannten zugesetzten Indikatoren in praktisch gleicher Weise sowohl mit aktiven Härtebildnern, als auch mit passivierten Härtebildnern. Das Verfahren eignet sich somit nicht für eine genaue Qualitätskontrolle einer passivierenden Härtereduktion. Bei Verschnittwasseranlagen sind mit photometrischen Meßverfahren Härtegrade nur bis zu 3°dH wirtschaftlich zu überwachen, höhere Konzentrationen erfordern aufwändige automatische und genau definierte Probenverdünnungen.
Ionenselektive Messungen am Weichwasserausgang bzw. am Verschnittwasserausgang erfordern eine zusätzliche Kalibriereinheit bzw. zusätzliche Kalibrierzyklen zum Erkennen eines Kalibrierungsdriftes und eine entsprechende Neueichung. Derartige Meßverfahren sind zwar sehr genau und zuverlässig, gleichzeitig jedoch sehr kostenaufwändig und erfordern einen umfangreichen Service.
Letzteres Verfahren wird insbesondere in der deutschen Patentschrift DE 198 54 651 C1 beschrieben. Dort wird eine ionenselektive Härtemessung bei einem aktiven Härte reduktionsverfahren beschrieben. Aus einem Ionenaustauscher austretendes Weichwasser wird an einer Stelle der Anlage entnommen und mittels einer Ventilanordnung und einer Pumpe in eine Sensoreinheit gesaugt, die ionenselektiv die Härtekonzentration der Ca- und Mg-Ionen mißt. Die dabei gemessenen Werte werden an einem Rechnersystem ausgelesen und protokolliert und dienen insbesondere dazu, den Betrieb des Ionenaustauschers zu überwachen, bzw. zu regeln. Die dort beschriebene Anordnung erfordert eine ständige Rekalibrierung. Zu diesem Zweck ist der ionenselektiven Sensoranordnung über eine Ventileinheit ein Kalibrierspeicher zugeschaltet, der einen Wasservorrat mit genau definierten Härtekonzentrationen enthält. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Grenzwertsteuerung, die einen Regenerationsprozess innerhalb des Ionentauschers initiiert, falls ein vorab definierter Grenzwert überschritten wird. Eine kontinuierliche Prozeßkontrolle durch einen Vergleich des Härtegrades auf der Weichwasserseite der Anlage mit einem Härtegrad auf der Rohwasserseite ist damit nicht möglich. Zudem betrifft das dort dargestellte Verfahren ein aktives Enthärteverfahren, bei dem die aktiven Härtebildner aus der Lösung entfernt werden.
Für ein passivierendes Verfahren besteht gegenwärtig keine befriedigende technische Lösung für eine Prozeßkontrolle. Gegenwärtig wird zur Beurteilung der Wirksamkeit passivierender Härtereduktionsverfahren auf einen Labortest unter definierten Bedingungen zurückgegriffen, bei dem eine Steinbildung nach einer gewissen, in der Regel dreiwöchigen, Laufzeit beurteilt und mit der eines unbehandelten Wassers verglichen wird. Ein derartiges Verfahren eignet sich verständlicherweise nicht für eine kontinuierliche Prozeßkontrolle. Die so ausgeführte Zertifizierung geht von der eigentlich unerlaubten Annahme aus, daß die unter Laborbedingungen ermittelte Wirksamkeit der passivierenden Härtereduktion unter allen realen Praxisbedingungen in gleichem Maße, auch ohne konkrete Überwachung der während des Prozesses auftretenden Ergebnisse und Wirkungen, gegeben ist. Dieser Zustand ist gänzlich unbefriedigend.
Für nachgeschaltete Anlagen und Komponenten oder Verfahrensprozesse bestehen somit erhebliche Risiken, sofern die passivierende Härtereduktionsanlage mit ungenügender Effizienz arbeitet und dies nicht rechtzeitig erkannt wird. Es kann zu hohen Härteausfällungen, Ablagerungen und Steinbildungen mit entsprechenden Korrosionsschäden kommen. Weiterhin besteht ebenfalls die Gefahr, daß zu große Mengen von passivierenden Zuschlagsstoffen dem Wasser beigefügt werden, was zu einem unge rechtfertigt hohen Einsatz von Material und Energie führt. Besonders beim Antiscaling-, bzw. Härtestabilisierungsverfahren in einem Kühl- oder Klimawasser wird durch eine zu hohe Dosierung der Härtestabilisierungsmittel die Leitfähigkeit des Wassers zu stark erhöht, was dazu führt, daß die Verweildauer des Wassers in einem Kühlkreislauf stark verkürzt wird, sofern die Wasserqualität in einem derartigen Kreislauf durch Leitfähigkeitsmessungen überwacht wird. Die Folge ist ein erhöhter Wasserverbrauch.
Im Allgemeinen führen in das Wasser eingebrachte, härtestabilisierende Phosphate zu einem Wachstum von Mikroorganismen. Infolge einer überhöhten Konzentration führt dies zur Bildung von Biofilmen innerhalb der Wasseranlage. Dadurch wird ein Einsatz von Biociden erforderlich, was insbesondere in Hinblick auf Umweltverträglichkeit der Anlage höchst problematisch ist und ebenfalls zu steigenden Betriebskosten führt.
Es ist somit aus dem Vorgenannten die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Prozeßsteuerung Ionenaustauscher – bzw. passivierender Härtereduktionsverfahren anzugeben, mit der eine exakte, kontinuierliche, effektive und wirtschaftliche Prozeßüberwachung ohne aufwändige Kalibrierungsvorgänge und mit einer entsprechenden Härteselektivität gewährleistet werden kann. Weiterhin ist ein kostenoptimiertes Verfahren für eine Prozeßsteuerung härtepassivierender Wasserbehandlungsverfahren zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Härtebildnern und zur Prozesssteuerung von Wasserbehandlungsanlagen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Härtebildnern zum Zweck der Prozeßkontrolle von Wasserbehandlungsanlagen gemäß der Lehre nach Anspruch 10.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine innerhalb einer mit Probenwasser gefüllten Probenkammer angeordnete-ionenselektive Sensoreinrichtung. Weiterhin sind mit der Probenkammer wasserführende Einrichtungen der Wasseranlage über eine schaltbare Probenzuführung verbunden. Die Vorrichtung zur Prozeßsteuerung umfaßt ebenso eine mit der Sensoreinrichtung und anlagenseitigen Stellgliedern informationsübertragend verbundene Meß- und Steuereinheit.
Der Grundgedanke der vorgeschlagenen Prozeßsteuereinrichtung besteht darin, ein Meß- und Steuerglied zu schaffen, das in einer Wasseranlage umlaufende Wässer analysiert und Steuersignale an Stellglieder von Wasseranlagen ausgibt. In der Probenkammer befindet sich Wasser, das über die Probenzuführung aus verschiedenen Stellen der Wasseranlage zugeleitet wird. Die ionenselektiv bestimmte Wasserhärte geht als Meßsignal in eine Meß- und Steuereinheit ein. Anschließend generiert die Meß- und Steuereinheit Steuersignale an Stellglieder der Wasseranlage. Der Begriff der Ionenselektivität bedeutet in diesem Zusammenhang, daß ausschließlich die Konzentration aktiver Härtebildner in der wässrigen Lösung nachgewiesen, bzw. bestimmt wird. Dadurch wird die Wirksamkeit der passivierenden Härtereduktion objektiv meß- und steuerbar. Die passiven Härtebildner werden durch die ionenselektive Sensoreinrichtung nicht nachgewiesen, wodurch insbesondere Vergleichsmessungen zwischen Roh-, Weichwässern oder vergleichbaren anderen Wassermengen innerhalb der Anlage möglich werden, die gezielt auf eine eindeutig bestimmte Meßgröße abgestimmt sind.
Vorzugsweise wird als ionensensitive Sensoreinrichtung eine selektive Calcium-Magnesium-Elektrodenanordnung verwendet. Die Konzentration der Ca²⁺ bzw. Mg²⁺-Ionen innerhalb einer wässrigen Lösung stellt ein ausschlaggebendes Kriterium und eine definierende Normgröße zur Beurteilung der Wasserhärte dar. Durch eine solche ionenselektive Elektrodenanordnung wird ausschließlich die Konzentration der aktiven Härtebildner, in diesem Fall die der Ca- bzw. Mg-Ionen, nicht aber die der maskierten und passivierten Härtebildner gemessen. Dies bildet eine klar definierte Grundlage einer exakten Beurteilung der Effizienz des passivierenden Härtereduktionsverfahrens.
Die Probenkammer kann wie folgt ausgebildet sein. Bei einer ersten Ausführungsform ist sie als eine Tauchkammer gestaltet, die einen zeitlich variablen Füllstand des Probewassers aufweist. Die Tauchkammer enthält mindestens eine Einlaßöffnung zum Füllen und eine Auslaßöffnung zum Entleeren der Kammer. Der ionenselektive Sensor wird intervallartig von einer Probewassermenge bedeckt, die eine gewisse Zeitdauer innerhalb der Probenkammer verbleibt.
In einer zweiten Ausführungsform ist die Probenkammer als Durchflußmeßkammer ausgebildet, die von Wasserproben durchströmt wird. Die Probenzuführung ist schaltbar ausgeführt. Sie umfaßt mindestens eine, mit Förder- und Leiteinrichtungen der Wasseranlage an Probeentnahmepunkten verbundene und in die Probenkammer mündende Zuführungsleitung und eine innerhalb der Zuführung angeordnete Schalteinrichtung in Form von Absperrventilen. Vorteilhaft ist eine Probenzuführung in Form von an mindestens zwei unterschiedlichen Stellen der Wasseranlage anschließender und an zwei Einlaßöffnungen in die Probenkammer mündender Zuführungsleitungen mit einem innerhalb jeder Zuführungsleitung angeordneten schaltbaren Absperrventil an einer beliebigen Stelle in der Zuführungsleitung. Bei einer weiteren Ausführungsform der Probenzuführung münden die Zuführungsleitungen in einen gemeinsamen Einlaßstutzen der Probenkammer, wobei ein Schaltventil ein alternatives Öffnen bzw. Absperren der ersten bzw. zweiten Zuführungsleitung ermöglicht.
Durch diese Ausführungsformen kann die Probenkammer mit unterschiedlichen Zweigen der Wasseranlage verbunden und daraus mit Wasserproben beschickt werden. Weiterhin ist eine Härtemessung verschiedener Wässer mit ein und der selben ionensensitiven Elektrodenanordnung möglich, wodurch zum einen die Meßanordnung besonders einfach und kostengünstig ausgeführt ist und kalibrierende Abgleiche zwischen verschiedenen Sensoren überflüssig sind und daher entfallen.
Die Prozeßsteuerungsvorrichtung wird durch eine Meß- und Steuereinheit kontrolliert. Diese umfaßt mindestens eine zentrale Betriebssteuerung in Verbindung mit einer Speichereinheit, zweckmäßigerweise mit einem innerhalb der Speichereinheit abgelegten Meß- und Steuerprogramm, einen Datenausgang, einen Dateneingang, einen Ventil-Steuerausgang und einen Steuersignalausgang. Die zentrale Betriebssteuerung ist vorteilhaft als ein Mikrocomputer oder eine vergleichbare Einrichtung ausgebildet. Durch die Meß- und Steuereinheit erfolgt eine Meßwertumsetzung der Spannungswerte der ionensensitiven Elektrodenanordnung, ein Abspeichern und Protokollieren der Daten, ein Auslesen der Daten, eine Steuerung der Ventile innerhalb der Zuführungsleitung und ein Ansprechen der Stellglieder innerhalb der zugeordneten Wasseranlage. Die Meß- und Steuereinheit, bzw. deren zentrale Betriebssteuerung stellt somit eine Verarbeitungsanlage für Meßwerte, Daten und Steuersignale dar, die jeweils vorlie genden Erfordernissen bei unterschiedlichen Wasseranlagen und damit verbundenen Einsatzbedingungen flexibel angepaßt werden kann.
Bei dem Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration von Härtebildnern, insbesondere aktiven Härtebildnern im Verhältnis zu passivierten Härtebildnern zum Zweck der Prozeßkontrolle von Wasserbehandlungsanlagen wird von einer Meß- und Steuermethodik ausgegangen, bei der mittels eines ionenselektiven Sensors eine kontinuierliche und an mehreren Orten der Wasseranlage erfolgende Härtebestimmung erfolgt und in Verbindung damit eine Steuerung einer Wasseranlage ausgeführt wird. Dabei werden an der Wasseranlage Wasserproben entnommen, dem ionensensitiven Sensor zugeführt und dort vermessen. Der ionensensitive Sensor führt Vergleichsmessungen aus, wobei eine Meß- und Steuereinrichtung die dabei gewonnenen Meßresultate auswertet und vergleicht und im Ergebnis der Auswertung/des Vergleichs Steuersignale ausgibt, die zum Ansprechen von Stellgliedern in der Wasseranlage dienen.
Das Verfahren beruht somit auf den grundlegenden Aspekten einer ionenselektiven Härtemessung, einer gleichzeitigen Messung in einer Wasseranlage an verschiedenen Stellen umlaufender Wässer, beispielsweise Roh-, Weich- und dergleichen Wasser, einem Vergleich zwischen den dabei gewonnenen Meßergebnissen und/oder vorgegebenen Sollwerten und einer Ausgabe von Steuersignalen zum Betrieb der Wasseranlage. Sofern Größenverhältnisse zwischen verschiedenen Härtewerten der vermessenen Wässer bestimmt werden, stellen eintretende Kalibrierungsdrifts innerhalb der Sensoreinrichtung kein Problem dar und müssen nicht korrigiert werden, da verschiedene Wasserproben mit ein und derselben Sensoreinrichtung vermessen werden. Weiterhin wird mit diesem Verfahren eine Möglichkeit geschaffen, Wasserbehandlungsverfahren in einer auf Passivierung von Härtebildnern beruhenden Technologie vollautomatisch zu steuern. Die selektive Bestimmung einer Konzentrationsabnahme aktiver Härtebilner infolge eines Passivierungsprozesses in Kombination mit einer Ausgabe von Steuersignalen und somit einer rückgekoppelten Regelung der passivierenden Härtereduktion ist Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dabei wird zeitlich alternierend eine Probe von in der Wasseranlage befindlichen Wässern entnommen und in eine den ionenselektiven Sensor enthaltende Probenkammer eingeleitet. Über eine Spannungsmessung an dem ionensensitiven Sensor erfolgt sodann eine Bestimmung der Wasserhärte der jeweils eingeleiteten Wässer innerhalb der Probenkammer. Die so bestimmten Wasserhärten bzw. deren Verhältnisse, werden in einer Meß- und Steuereinheit miteinander und/oder mit einem vorgegebenen Sollwert Soll/Ist-verglichen, wobei Abweichungsgrößen bestimmt werden. Im Anschluß daran erzeugt die Meß- und Steuereinrichtung ein der Größe der Abweichung entsprechendes Steuersignal und überträgt dieses an Stelleinrichtungen der Wasseranlage.
Prinzipiell ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Probeentnahmepunkten an einer Wasseranlage vorzusehen. Der intern vorgegebene Sollwert kann ein einzustellendes und zweckmäßiges Verhältnis zweier oder mehrerer Härtewerte der betreffenden Wässer darstellen. Die Meß- und Steuereinheit steuert die Probenentnahme an den entsprechenden Probeentnahmepunkten hinsichtlich Zeitpunkt und Menge. Dadurch wird erreicht, daß Öffnungs- und Schließvorgänge einer Gesamtheit von Probeentnahmeventilen gesteuert und mit entsprechenden Meßvorgängen synchronisiert werden. Messungen werden innerhalb entsprechender zeitlicher Intervalle gestartet bzw. gestoppt und sind Teil eines Regelzyklusses der Wasseranlage.
Bei einem Antiscaling- oder Härtestabilisierungsverfahren erfolgt die zyklische Steuerung dadurch, daß zu Beginn ein erstes Probeentnahmeventil für Rohwasser geöffnet und Rohwasser in die Probenkammer eingeleitet wird. Das erste Probeentnahmeventil wird sodann geschlossen und die Wasserhärte der Rohwasserprobe in der Probenkammer bestimmt. Der gewonnene Meßwert wird in einer Meß- und Steuereinheit gespeichert, die Probenkammer danach entleert.
Als nächstes erfolgt ein öffnen eines zweiten Probeentnahmeventils für Weichwasser und ein Einleiten einer Weichwasserprobe in die Probenkammer, ein Schließen des Probeentnahmeventils und ein Bestimmen der Wasserhärte des Weichwassers. Der Weichwasser-Meßwert wird sodann in der Meß- und Steuereinheit gespeichert und die Probenkammer wird abermals entleert.
Innerhalb der Meß- und Steuereinheit werden ein und/oder beide Meßwerte mit einem innerhalb der Meß- und Steuereinheit vorliegenden Sollwert verglichen. Durch Ausgabe eines Steuersignals erfolgt im Anschluß daran ein Aktivieren einer Dosiereinrichtung für eine Härtestabilisierungsmittel-Zugabe. Anschließend beginnt der Regelzyklus neu.
Eine Steuerung eines Kristallisationsverfahrens erfolgt in einer dazu vergleichbaren Weise. Im Ergebnis der Vergleichsoperation wird ein Steuersignal an eine elektrische Schalteinrichtung einer Kristallisationseinrichtung ausgegeben und der Regelzyklus fortgesetzt.
Das beschriebene Verfahren ist ebenfalls zum Betreiben einer Verschnittanlage anwendbar. Hier wird eine Messung des Roh-, Weich- und Verschnittwassers mit den beschriebenen Vergleichsoperationen ausgeführt und im Ergebnis ein Steuersignal an eine Verschnitteinrichtung ausgegeben. Prinzipiell werden von einem Sensor demnach drei Probeentnahmepunkte im Roh-, Weich- und Verschnittwasserzweig meßtechnisch überwacht und die Probeentnahme aus diesen Entnahmepunkten durch die Meß- und Steuereinrichtung mit den entsprechenden Messungen synchronisiert.
Zur Betriebssteuerung eines offenen Kühlkreislaufes wird an entsprechenden Probeentnahmepunkten Speisewasser und innerhalb des Kühlkreislaufes zirkulierendes Kühlwasser entnommen und in der beschriebenen Weise vermessen. Durch das ausgegebene Steuersignal wird der Betrieb einer Absatzanlage gesteuert.
Weitere Ausführungsformen der Vorrichtung und Verfahrensvarianten ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Folgenden werden Verfahren und Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es werden für gleiche bzw. gleich wirkende Teile bzw. Verfahrensschritte die selben Bezugszeichen verwendet. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 6. Es zeigt:
1 eine beispielhafte Darstellung einer Prozeßsteuervorrichtung,
1a eine weitere Ausführungsform einer Probenzuführung,
2 eine beispielhafte Darstellung einer Prozeßsteuerung in einem Autoscaling-/Härtestabilisationsverfahren,
3 eine beispielhafte Darstellung einer Prozeßsteuerung in einem Kristallisationsverfahren,
4 eine beispielhafte Darstellung einer Prozeßsteuerung einer Verschnittanlage und
5 eine beispielhafte Darstellung einer Prozeßsteuerung eines offenen Kühlwasserkreislaufs.
1 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Prozeßsteuervorrichtung. Eine bestimmte Menge Probewasser 5 befindet sich innerhalb einer Probenkammer 10. Die Probenkammer weist eine Anordnung von Einflußöffnungen 11 und eine Abflußöffnung 12 auf. Eine ionenselektive Sensoreinrichtung 15 ist in das Probewasservolumen eingetaucht. Die Probenkammer ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Tauchkammer ausgebildet, jedoch ist eine Durchflußmeßkammer ebenfalls anwendbar. Bei diesem hier nicht abgebildeten Ausführungsbeispiel tritt Probewasser an den Einflußöffnungen in die Probenkammer ein, durchströmt die Probenkammer und verläßt diese an der Auslaßöffnung. Das Probewasser wird so an der Sensoreinrichtung entlanggeführt, daß ein intensiver Kontakt zwischen strömendem Medium und Sensor erreicht wird.
Als ionensensitiver Sensor 15 kann jede Sensoreinrichtung dienen, die in Abhängigkeit von einer Konzentrationsänderung einer spezifischen Art von Ionen einer Lösung ein entsprechend deutlich veränderliches Meßsignal ausgibt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinrichtung aus einer Anordnung einer Kathode und einer Anode gebildet, zwischen denen sich das zu prüfende Wasser als Dielektrikum befindet. Die Elektroden sind mit einer Beschichtung oder Membrananordnung versehen, deren Permeabilität auf eine eindeutig bestimmte Art von Ionen beschränkt ist. Die an den Elektroden anliegende Spannung hängt dann nur von den Ionen ab, die die Beschichtung passieren können. Passivierte Härtebildner werden in einer derartigen Anordnung nicht nachgewiesen, so daß der Passivierungsvorgang anhand einer verminderten Konzentration aktiver Härtebildner eindeutig nachgewiesen werden kann.
Für alle nachfolgenden Darstellungen wird von einer auf Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen selektiven Sensoreinrichtung ausgegangen. Der Probenkammer ist eine Probenzuführung 20 zugeordnet, die in 1 als eine Anordnung von Zuführungsleitungen 21 ausgeführt ist. In den Zuführungsleitungen sind schaltbare Absperrventile 22 angeordnet, die von einer Stelleinrichtung 23 durch Steuersignale geöffnet, bzw. geschlossen werden. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist jede der Zuführungsleitungen 21 ein eigenes Absperrventil 22 mit einer entsprechenden Stelleinrichtung 23 auf.
Eine abgewandelte Ausführungsform der Probenkammer ist in 1a dargestellt. Die Zuführungsleitungen 21 münden in einen gemeinsamen Einfüllstutzen 21a, wobei mittels eines Umschaltventils 22a entweder das Probewasser der linken oder der rechten Zuführungsleitung in die Probenkammer 10 gelangt. Auch dieses Umschaltventil weist eine Stelleinrichtung 23 auf. Die Auslaßöffnung 12 kann mit einem eigenen Absperrventil 12a versehen sein, das ebenfalls angesteuert werden kann. Eine derartige Ausführungsform ist vor allem bei Ausführungsformen der Probenkammer als Tauchkammer zweckmäßig. Bei Durchflußmeßkammern kann das Absperrventil 12a entfallen.
Alle Absperrventile können beispielsweise als Magnetventile ausgeführt sein. Für eine genaue Wahl der zweckmäßigsten Ventilform sind die jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen, wie Druck, Durchflußmenge, Temperatur, Wasserqualität usw. entscheidend und im Rahmen fachmännischen Handelns zu berücksichtigen.
Die Prozeßsteuervorrichtung weist weiterhin eine Meß- und Steuereinheit 25 auf. Diese enthält eine zentrale Betriebssteuerung 31 mit einer Speichereinheit 32 und einem darin gespeicherten Betriebs- und Steuerprogramm 33. Datenausgaben und Dateneingaben erfolgen an einen externen Datenspeicher 39a oder von einer externen Dateneingabe 39b. Die Meß- und Steuereinheit 25 enthält zu diesem Zweck einen Datenausgang 34 und einen Dateneingang 35. Zweckmäßigerweise ist die zentrale Betriebssteuerung in einem Mikrorechner zusammengefaßt. Dieser steuert einen Meßwertumsetzer 37 und spricht den Steuersignalausgang 36a sowie eine Ventilsteuereinheit 38 an. Diese betätigt über einen Ventil-Steuerausgang 36 die Stelleinrichtungen 23 der Ventilanordnung 22 bzw. das Absperrventil 12a der Auslaßöffnung 12. Alle Signalübertragungen können wahlweise drahtgebunden oder drahtlos erfolgen bzw. bidirektional gestaltet sein.
Durch die zentrale Betriebssteuerung 31 wird über ein Ansprechen der Ventilanordnung 22 die Probenkammer 10 mit Probewasser 5 wechselseitig aus den Zuführungsleitungen 21 gefüllt. Dieser Vorgang wird von der zentralen Betriebssteuerung mit dem Meßvorgang der Ca/Mg-Härtebestimmung durch die ionenselektive Sensoreinrichtung 15 synchronisiert, wobei ein Meßvorgang dann gestartet wird, wenn die Probenkammer mit einer entsprechenden Menge Probewasser 5 gefüllt ist. Nach Beendigung des Meßvorgangs wird die Probenkammer entleert, indem die Betriebssteuerung das Auslaßventil 12a anspricht und die Auslaßöffnung 12 öffnet. Der gemessene Härtewert wird entweder in der Speichereinheit 32 zwischengespeichert oder zusätzlich für eine Protokollierung an den externen Datenspeicher 39a, beispielsweise ein Diskettenlaufwerk oder eine externe Überwachungsanlage, übertragen. Nach Abschluß dieses ersten Meß- und Speichervorgangs spricht die Betriebssteuerung 31 die Ventilanordnung 22 wiederum an, wobei die Probenkammer 10 ein weiteres Mal mit Probewasser 5 gefüllt und ein weiterer Meßvorgang initiiert wird. Dabei werden verschiedene Zuführungsleitungen zu unterschiedlichen Zeiten angesprochen und die Probenkammer 10 mit Probewässern verschiedener Zuführungsleitungen gefüllt und deren Härtegrad gemessen.
Die Betriebssteuerung führt entsprechend des vorgegebenen Steuerprogramms 33 Vergleichsoperationen zwischen verschiedenen Härtewerten bzw. zwischen den gemessenen Härtewerten und einem Sollwert aus und gibt im Ergebnis ein Steuersignal über den Steuersignalausgang 36a an Stelleinrichtungen von Wasseranlagen aus. Dabei wird insbesondere die Überführung der aktiven Härtebildner in passive Härtebildner als ionenselektiv gemessener Konzentrationsabfall gemessen und als Meßsignal der Steuerung zugrunde gelegt.
Im Folgenden werden beispielhafte Anwendungen der Prozeßsteuerungsvorrichtung in verschiedenen Wasseranlagen 40 beschrieben. Es sind dies eine Wasseranlage 40A zum Ausführen eines Antiscaling-/Härtestabilsierungsverfahrens, eine Wasseranlage 40C zum Ausführen eines Kristallisierungsverfahrens, eine Verschnittwasseranlage 40V und ein offener Kühlkreislauf 40K mit einer Absatzanlage.
2 zeigt eine Wasseranlage in Form einer Antiscaling- bzw. Härtestabilisierungsanlage 40A. Die Anlage weist einen Rohwasserzweig R und einen Weichwasserzweig W auf. Jeder der beiden Zweige enthält einen Probeentnahmepunkt 41 für Rohwasser bzw. einen Probeentnahmepunkt 42 für Weichwasser. Eine Dosierpumpe 43 führt ein Härtestabiliserungsmittel, beispielsweise ein langkettiges Phosphat, aus einem Dosierbehälter 44 über eine Zuführungseinrichtung 45 und versetzt damit das behandelte Wasser. Von den Probeentnahmepunkten 41 und 42 zweigen Zuführungsleitungen 21R und 21W für Roh- bzw. Weichwasser ab, deren Durchflüsse von einem Probeentnahmeventil 22R im Rohwasserzweig bzw. einem Probeentnahmeventil 21W im Weichwasserzweig geöffnet, bzw. unterbrochen werden. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel münden diese in einen gemeinsamen Einlaßstutzen 21a der Probenkammer 10.
Die Probenkammer 10 und die Meß- und Steuereinrichtung 25 ist wie oben beschrieben ausgeführt. Innerhalb der Meß- und Steuereinrichtung 25 ist ein Sollwert SW für eine einzuhaltende Wasserhärte fest vorgegeben. Der Sollwert kann beispielsweise ein vorgegebener Grenzwert für einen Spannungsabfall an der Sensoreinrichtung und einer damit zusammenhängenden Härtekonzentration der aktiven Härtebildner, oder ein erwünschtes Verhältnis zwischen einer Weichwasser- und Rohwasserhärte sein. Im ersten Fall wird im einfachsten Fall eine Grenzwertsteuerung der Wasseranlage ausgeführt, oder es wird eine Entwicklung einer Weichwasserhärte über einen gewissen Zeitraum überwacht und die Zugabe des Härtestabilisierungsmittels dosiert. Beinhaltet der Sollwert ein Verhältnis zwischen Roh- und Weichwasserhärte, wird die Effektivität der Härtestabilisierung überwacht. Als Maß der Effektivität des Verfahrens kann als Sollwert beispielsweise die Größe SWE = (RM – WM)/RM als relative Enthärtung vorgegeben sein, wobei RM die gemessene Rohwasserhärte und WM die gemessene Weichwasserhärte darstellt. Mit einem derartigen Sollwert können Kalibrierungsdrifts ausgeschlossen werden, sofern die selbe Sensoreinrichtung zur Härtemessung von RM und WM verwendet wird. Bei dem hier dargestellten Verfahren ist dies der Fall, eine Kalibierung des ionenselektiven Sensors kann somit vollständig entfallen.
Bei der Prozeßsteuerung der Anlage 40A und des Härtestabilisierungs- oder Antiscalingverfahrens werden an den Probeentnahmepunkten 41 und 42 Wasserproben entnommen, die Härtekonzentration der freien Ca²⁺- bzw. Mg²⁺-Ionen ionenselektiv bestimmt und die Zugabe des Härtestabilisierungsmittels über die Dosierpumpe 43 entsprechend den gemessenen Werten gesteuert. Grundlegende Steuerungsparameter, wie Einstell- und Ansprechzeiten, Schaltzeiten, Toleranzen beliebiger Art, Gerätekennlinien des ionenselektiven Sensors, empirische Zusammenhänge zwischen Förderungsgrad der Dosierpumpe und einer dadurch erzielten Rate des Enthärtungvorgangs je Zeiteinheit und zugesetzter Menge des Härtestabilisators und verschiedene Auswertealgorithmen können mittels eines Programms in die Meß- und Steuerungseinheit eingelesen und somit vorgegeben werden. Dabei werden über den oben beschriebenen Dateneingang entsprechende Meß- und Steuerungsprogramme eingelesen und die Prozeßsteuervorrichtung auf jeweils vorliegende Betriebsbedingungen angepaßt.
Zu Beginn eines Meß- und Steuerzyklusses öffnet die Meß- und Steuerungseinheit 25 das Probeentnahmeventil 22R. Rohwasser R gelangt in die Probenkammer 10 in Form einer Rohwasserprobe RP. Der Meßwert der Rohwasserhärte RM wird innerhalb der Meß- und Steuerungseinheit 25 gespeichert. Anschließend wird die Probenkammer entleert. Danach wird das Probeentnahmeventil 22W geöffnet und Weichwasser W gelangt in die Probenkammer 10 als eine Weichwasserprobe WP. Deren ionenselektiv bestimmte Härte WM wird ebenfalls innerhalb der Meß- und Steuerungseinheit 25 gespeichert. Anschließend wird die Probenkammer 10 wieder entleert. Der Meßzyklus wird innerhalb eines vorgegebenen zweckmäßigen Zeittaktes wiederholt oder bei Bedarf initiiert.
Je nach der Größe der gemessenen Abweichung des Meßwertes der Weichwasserhärte WM zu einem Sollwert bzw. der oben genannten Verhältnisgröße der relativen Enthärtung gibt die Meß- und Steuerungseinrichtung 25 ein Steuersignal S an die Dosierpumpe 43 aus. Je nach Art des Steuersignals und des Anlagenbetriebs wird durch das Steuersignal S eine Aktivierungszeit der Pumpe oder eine geförderte Menge eines Härtestabilisierungsmittels je Zeiteinheit als ein Förderungsgrad der Dosierpumpe eingestellt. Die Steuerung der Aktivierungszeit verläuft dann nach einem Alles- oder Nichts-Prinzip, d. h. die Dosierpumpe arbeitet entweder mit voller Leistung oder wird abgestellt. Diese Steuerung ist insbesondere bei einem Verfahrensablauf möglich, bei dem das behandelte Wasser in einem internen Kreislauf mehrfach an der Zuführungseinrichtung der Dosierpumpe entlanggeführt wird.
Für eine kontinuierliche Prozeßsteuerung in einer Wasseranlage mit Rohwasserzufluß und Weichwasserabfluß ohne internen Kreislauf wird im allgemeinen die Regulation des Förderungsgrades des Härtestabilisierungsmittels durch die Dosierpumpe oder ein veränderliches Mischungsverhältnis des Härtestabilisierungsmittels innerhalb einer Verdünnung zweckmäßig sein. Die Regulation des Förderungsgrades kann im einfachsten Fall beispielsweise darin bestehen, die Dosierpumpe schneller laufen zu lassen oder deren Betrieb zu drosseln. Eine andere Möglichkeit der Regulation ist dadurch gegeben, daß eine Zuführungseinrichtung in Form einer Verschnitteinrichtung so eingestellt wird, daß das Härtestabilisierungsmittel veränderlich mit einer gewissen Wassermenge verdünnt wird.
Entsprechend der zugegebenen Menge an Härtestabiliserungsmittel werden die aktiven Härtebildner an das Härtestabilisierungsmittel gebunden und passiviert und sind damit in der Lösung durch den ionenselektiven Sensor nicht mehr nachzuweisen. Durch diesen Effekt wird der Passivierungsprozeß gezielt gesteuert und eine Über- oder Unterdosierung des zugesetzten Härtestabilisators vermieden.
3 zeigt eine beispielhafte Steuerung einer Kristallisationsanlage zur Wasserenthärtung 40C. Bei einem derartigen Verfahren ist die Menge der durch Kristallisation passivierten Härtebildner proportional zur Stärke der an das betreffende Wasser angelegten elektrischen und/oder magnetischen Energie. Die elektrische und/oder magnetische Energie wird in der Kristallisations-Anlage 40C innerhalb einer Kristallisationsapparatur 47 dem zu behandelnden Wasser zugeführt. Diese Apparatur enthält intern Einrichtungen, die spezifische Harzwirkstoffe enthalten, die in Verbindung mit den einwirkenden elektrischen Feldern eine Kristallisation und damit eine Passivierung freier Härtebildner, insbesondere der Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen bewirken. Die Reduktion des Anteils der freien Härtebildner wird direkt durch die ionenselektive Sensoranordnung 15 nachgewiesen. Das entscheidende Stellglied in einer nach Art der Anlage 40C ausgeführten Vorrichtung ist in 3 beispielhaft ein steuerbares Netzteil oder eine vergleichbare elektrische Schalteinrichtung 47 zur Regulierung der einwirkenden Feldstärke. Die Zuführung der Probewässer aus den Probeentnahmepunkten 41 und 42 über die Zuführungsleitungen 21 sowie das Öffnen und Schließen der Probenzuführungen durch die Ventilanordnung 22 aus Roh- und Weichwasserventilen 22R, 22W unter Steuerung der Meß- und Steuereinheit erfolgen nach dem bereits beschriebenen Ablauf. Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel werden hier ebenfalls Roh- und Weichwasserhärten ionenspezifisch bestimmt und mit einem vorgegebenen absoluten oder als Verhältnis vorgegebenen Sollwert verglichen. Es erfolgt ebenfalls eine Ausgabe eines Steuersignals S an die Schalteinrichtung 46 der Kristallisationsapparatur 47. Mittels eines internen Steuerprogramms innerhalb der Meß- und Steuereinrichtung 25 kann die Steuerung der Schalteinrichtung 46 unter den für eine derartige Apparatur empirisch ermittelten oder theoretisch erwarteten Schaltbedingungen erfolgen. Diese Anpassung erfolgt durch eine entsprechende Gestaltung oder Veränderung eines Betriebsprogrammes über die externe Dateneingabe.
4 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine Steuerung einer Verschnittwasseranlage 40V. In einer derartigen Anlage wird Rohwasser R mittels eines Weichwasserzusatzes W verschnitten, wobei das Verschnittwasser V einer anderweitigen Verwendung zugeführt wird. Es bestehen somit ein Rohwasserzweig R, ein Weichwasserzweig W und ein Verschnittwasserzweig V, deren Wässer in einer Verschnitteinrichtung 54 gemischt werden. Im einfachsten Fall geschieht dies, indem entsprechende Leitungen gedrosselt, bzw. entsprechend geöffnet werden.
Im Unterschied zu den vorausgehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind bei dem in 4 beschriebenen Verfahren drei Probeentnahmepunkte vorgesehen. Ein erster Entnahmepunkt 51 befindet sich im Weichwasserzweig W, ein zweiter Entnah mepunkt 52 ist im Rohwasserzweig R und ein dritter Entnahmepunkt 53 ist im Verschnittwasserzweig V angeordnet. Jedem Punkt entspricht eine Einmündung einer Zuführungsleitung 20, die durch eine Ventilanordnung geschaltet wird. In 4 sind dies die den jeweiligen Zuführungsleitungen für Weich-, Roh- und Verschnittwasser zugeordneten Ventile 22W, 22R und 22V. Entsprechend werden durch die Meß- und Steuereinheit 25 drei Ventile 22W, 22R und 22V geschaltet und damit drei Wasserhärtemessungen synchronisiert. Es liegen somit nach jedem Meßzyklus Meßwerte für eine Weichwasserhärte WM, eine Rohwasserhärte RM und eine Verschnittwasserhärte VM vor, die eine Grundlage zur Erzeugung des entsprechenden Steuersignals S an die Verschnitteinrichtung 54 bilden. Im einfachsten Anwendungsfall wird die Verschnittwasserhärte gemessen und deren Meßwert VM mit einem vorgegebenen Sollwert SW Soll/Ist-verglichen. Im Ergebnis der Analyse wird die Verschnitteinrichtung entsprechend gestellt.
Eine drahtlose Signalübertragung zwischen Meß-/Steuereinheit 25 und entsprechenden Ventilen 22 ist bei der Ansteuerung der Probeentnahmeventile sehr vorteilhaft. Die Ventilstelleinrichtungen 23 weisen dabei Empfangseinrichtungen auf, die Steuerimpulse auf unabhängig voneinander ausgebildeten Übertragungskanälen von einer entsprechenden Sendeeinrichtung der Meß- und Steuereinheit 25 empfangen. Durch eine derartige Signalübertragung ist es möglich, eine Vielzahl von Probeentnahmeventilen anzusprechen, ohne zusätzliche entsprechende Anschlußmöglichkeiten für Übertragungsleitungen einrichten zu müssen.
5 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Anwendung der Prozeßsteuereinrichtung in einem Kühlkreislauf. Dargestellt ist eine Wasseranlage 40 in Form eines offenen Kühlkreislaufs 40K. Dabei tritt extern zugeführtes Speisewasser SP in den Kühlkreislauf ein und strömt als Kühlwasser K durch den Kreislauf 57, wobei mittels einer Absalzanlage 58 eine Härtebehandlung des Kühlwassers erfolgt. Die Härte des umlaufenden Wassers wird an zwei Probeentnahmepunkten 55 und 56 kontrolliert. Am Probeentnahmepunkt 55 erfolgt eine Entnahme des umlaufenden Kühlwassers, am Probeentnahmepunkt 56 wird Speisewasser entnommen. Die Probenzuführung erfolgt wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben unter einem Schalten von Probeentnahmeventilen 22SP und 22K für Speise- bzw. Kühlwasser. Die ionense lektive Härtemessung erfolgt mit den gleichen Verfahrensschritten wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen. Als Meßwerte werden die Wasserhärte des Speisewassers SM und die Wasserhärte des umlaufenden Kühlwassers KM miteinander oder mit einem Sollwert SW der Härte verglichen. Entsprechend der ermittelten Abweichung gibt die Meß- und Steuereinheit 25 ein Steuersignal an eine Absalzanlage 58 des Kühlkreislaufes 57 aus.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind im Rahmen fachmännischen Handelns erweiterbar und auf vergleichbare Wasserbehandlungsanlagen anzuwenden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Dieser besteht darin, eine ionenselektive Härtemessung auszuführen, damit die Passivierung aktiver Härtebildner meßtechnisch exakt zu erfassen und diese genaue Härtemessung mit einer Steuerung insbesondere passivierender Wasserenthärteverfahren, aber auch anderer Wasserbehandlungsverfahren zu verbinden, sofern dies im Rahmen fachmännischen Handelns liegt. Damit wird eine Möglichkeit einer fortlaufenden und kontinuierlichen Prozeßkontrolle derartiger Wasserbehandlungsverfahren geschaffen.

5: Probewasser
10: Probenkammer
11: Einlaßöffnung
12: Auslaßöffnung
12a: Auslaßventil
15: ionenselektiver Sensor
20: Probenzuführung
21: Zuführungsleitung
21R: Zuführungsleitung Rohwasser
21W: Zuführungsleitung Weichwasser
21V: Zuführungsleitung Verschnittwasser
21a: Einlaßstutzen
22: Probeentnahmeventil
22a: Umschaltventil
22K: Probeentnahmeventil Kühlwasser
22R: Probeentnahmeventil Rohwasser
22SP: Probeentnahmeventil Speisewasser
22W: Probeentnahmeventil Weichwasser
22V: Probeentnahmeventil Verschnittwasser
23: Ventilstelleinrichtung
25: Meß-/Steuereinheit
31: zentrale Betriebssteuerung
32: Speichereinheit
33: Steuerprogramm
34: externer Datenausgang
35: externer Dateneingang
36: Ventil-Steuerausgang
36a: Steuersignalausgang
37: Meßwertumsetzer
38: Ventilsteuereinheit
39a, b: externe Dateneingabe, externer Datenspeicher
39: Wasseranlage, allgemein
40A: Wasseranlage für Antiscaling/Härtestabilisierung
40C: Wasseranlage für Kristallisationsverfahren
40V: Verschnittwasseranlage
40K: Kühlanlage
40: Probeentnahmepunkt Rohwasser
41: Probeentnahmepunkt Weichwasser
42: Dosiereinrichtung für Härtestabilisierungsmittel, Dosierpumpe
43: Vorratsbehälter Härtestabilisierungsmittel
44: Zuführung, Beimischung Härtestabilisierungsmittel
45: elektrische Schalteinrichtung
46: Kristallisationsapparatur
51: Probeentnahmepunkt Weichwasser an Verschnittanlage
52: Probeentnahmepunkt Rohwasser an Verschnittanlage
53: Probeentnahmepunkt Verschnittwasser
54: Verschneideinrichtung
55: Probeentnahmepunkt Kühlwasser
56: Probeentnahmepunkt Speisewasser
57: Kühlwasserkreislauf, schematisch
58: Absalzanlage
F: Fördermenge
KM: Meßwert Kühlwasserhärte
R: Rohwasser
RM: Meßwert Rohwasserhärte
RP: Rohwasserprobe
W: Weichwasser
WM: Meßwert Weichwasserhärte
WP: Weichwasserprobe
S: Steuersignal
SW: Sollwert
SWE: Sollwert relative Enthärtung
T: Einschaltzeit
VM: Messwert Verschnittwasserhärte

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Härtebildnern und zur Prozeßsteuerung in Wasserbehandlungsanlagen, insbesondere in Anlagen zum Ausführen von Ionenaustauscher-, Antiscaling-, Härtestabilisierungs-, Kristallisations- und dergleichen weiteren, auf Austausch oder Überführung aktiver in passive Härtebildner beruhenden Verfahren zur Wasserbehandlung mit anlagenseitigen Vorrichtungen für einen Betrieb der Wasseranlage, gekennzeichnet durch eine Prozeßsteuereinrichtung mit folgenden Merkmalen: – eine innerhalb einer mit Probewasser (5) gefüllten Probenkammer (10) angeordnete ionenselektive Sensoreinrichtung (15), – mindestens eine die Probenkammer mit wasserführenden Einrichtungen der Wasseranlage verbindende, schaltbare Probenzuführung (20), – eine mit der Sensoreinrichtung und anlagenseitigen Stellgliedern datenübertragend verbundene Meß- und Steuereinheit (25).
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ionenselektive Sensoreinrichtung (15) in Form einer ionenselektiven Calcium-Magnesium-Elektrodenanordnung.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Probenkammer (10) in Form einer Tauchkammer mit einem zeitlich variablen Füllstand des Probewassers (5) mit mindestens einer Einlaßöffnung (11) zum Füllen und einer mit einem Auslaßventil versehenen Auslaßöffnung (12) zum Leeren der Tauchkammer.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Probenkammer (10) in Form einer Durchflußmeßkammer.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine schaltbare Probenzuführung (20), umfassend mindestens eine mit Förder- und Leiteinrichtungen der Wasseranlage verbundene und in die Probenkammer mündende Zuführungsleitung (21) und eine innerhalb der Probenzuführung angeordnete Schalteinrichtung in Form von steuerbaren Ventilen (22).
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Probenzuführung (20) in Form einer Anordnung an von mindestens zwei unterschiedlichen Stellen der Wasseranlage angeschlossener und an zwei Einlaßöffnungen (11) in die Probenkammer (10) mündender Zuführungsleitungen (21) mit einem innerhalb jeder Zuführungsleitung angeordneten steuerbaren Absperrventil (22) an einer beliebigen Stelle der jeweiligen Zuführungsleitung.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Probenzuführung (20) in Form mindestens zweier in einen gemeinsamen Einlaßstutzen (21a) mündender Zuführungsleitungen (21) mit einem Schaltventil (22a) innerhalb des Einlaßstutzens für ein alternatives Öffnen oder Absperren der ersten und zweiten Zuführungsleitung.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Meß- und Steuereinheit (25) mit mindestens einer der folgenden Einrichtungen: – eine zentrale Betriebssteuerung (31) mit einer Speichereinheit (32) mit einem internen Meß- und Steuerprogramm (33), – einen Datenausgang (34), – einen Dateneingang (35), – einen Ventil-Steuerausgang (36), – einen Steuersignalausgang (37),
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine zentrale Betriebssteuerung (25) in Form eines Mikrocomputers oder Mikrorechners.
Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Härtebildnern, insbesondere aktiven Härtebildnern zum Zweck der zur Prozeßkontrolle von Wasserbehandlungsanlagen, insbesondere in Anlagen zum Ausführen von Ionenaustauscher-, Antiscaling-, Härtestabilisierungs-, Kristallisations- und dergleichen weiteren, auf Austausch oder Überführung aktiver in passiver Härtebildner beruhenden Verfahren zur Wasserbehandlung mit anlagenseitigen Vorrichtungen für einen Betrieb der Wasseranlage (40), dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines ionenselektiven Sensors (15) eine kontinuierliche und an mehreren Orten der Wasseranlage erfolgende Härtebestimmung geförderter Wässer in Verbindung mit einer Steuerung der Wasseranlage erfolgt, wobei – an der Wasseranlage vorzugsweise zeitlich alternierend Wasserproben entnommen, dem ionenselektiven Sensor zugeführt und vermessen werden, – der ionenselektive Sensor Vergleichsmessungen zwischen den Wasserproben ausführt, – eine Meß- und Steuereinheit (25) dabei gewonnene Meßresultate auswertet sowie – die Meß- und Steuereinheit im Ergebnis der Auswertung/des Vergleichs ein Steuersignal (S) zum Ansprechen von Stellgliedern der Wasseranlage ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Härtebestimmung und der Steuerung der Wasseranlage – alternierend eine Probe von in der Wasseranlage befindlichen Wässern aus mehreren Probeentnahmepunkten (41,42) entnommen und in eine den ionenselektiven Sensor (15) enthaltende Probenkammer (10) eingeleitet wird, – über eine Spannungsmessung eine Bestimmung der Wasserhärte der jeweils eingeleiteten Wässer innerhalb der Probenkammer erfolgt, – die gemessene Wasserhärte der Wässer innerhalb der Meß- und Steuereinheit (25) miteinander und/oder ein Soll/Ist-Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert ausgeführt und Größen von Abweichungen bestimmt werden, – die Meß- und Steuereinheit entsprechend der Größe der Abweichung das entsprechende Steuersignal (S) erzeugt und an Stelleinrichtungen der Wasseranlage überträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Meß- und Steuereinheit (25) eine zeitliche und mengenmäßige Steuerung der Probeentnahme mit einer Synchronisation der Entnahme mit der ausgeführten Härtemessung erfolgt, wobei – die Meß- und Steuereinheit Öffnungs- und Schließvorgänge einer Gesamtheit von Probeentnahmeventilen (22) steuert und Meßvorgänge in entsprechenden zeitlichen Intervallen startet oder stoppt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Steuereinheit (25) eine Steuerung eines Ionenaustauscher-, Antiscaling- oder eines Härtestabilisierungsverfahrens in folgenden Schritten zyklisch ausführt: – Öffnen eines Probeentnahmeventils (22R) für Rohwasser (R), Einleiten einer Rohwasserprobe (RP) aus dem Rohwasserzweig in die Probenkammer (10), – Schließen des Probeentnahmeventils für Rohwasser, Bestimmen der Wasserhärte der Rohwasserprobe in der Probenkammer, – Entleeren der Probenkammer, Speichern des Rohwasser-Meßwertes (RM) in der Meß- und Steuereinheit, – Öffnen eines Probeentnahmeventils (22W) für Weichwasser (W), Einleiten einer Weichwasserprobe (WP) in die Probenkammer, – Schließen des Probeentnahmeventils für Weichwasser, Bestimmen der Wasserhärte des Weichwassers, – Entleeren der Probenkammer, Speichern des Weichwasser-Meßwertes (WM) in der Meß- und Steuereinheit, – Vergleichen beider Meßwerte und oder eines der beiden Meßwerte mit einem in der Meß- und Steuereinheit vorgegebenen Sollwert (SW), – Ausgabe eines Steuersignals (S) an eine Dosiereinrichtung (43) für eine Härtestabilisierungsmittelzugabe oder einer Wasseranlage (39) zum Beispiel auf Ionenaustauschbasis.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Steuereinheit (25) bei einer Steuerung eines Kristallisationsverfahrens zur Wasserbehandlung im Ergebnis des Vergleichs der gewonnenen Meßwerte und/oder des Vergleichs eines der beiden Meßwerte mit dem vorgegebenen Sollwert eine Ausgabe eines Steuersignals an eine elektrische Schalteinrichtung (46) einer Kristallisationseinrichtung (47) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Steuereinheit (25) bei einer Steuerung einer Wasserverschnittanlage eine Härtemessung des Roh-, des Weich und/oder eines Verschnittwassers (R, W, V) ausführt und im Ergebnis des Meßwerte- und/oder des Soll/Ist-Vergleichs ein Steuersignal (S) an eine Verschnitteinrichtung (54) ausgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Steuereinheit (25) bei einer Steuerung einer offenen Kühlkreislaufanlage (40K) die Wasserhärte eines Speisewassers (SP) und eines innerhalb des Kreislaufes zirkulierenden Kühlwassers (K) mißt und oder mit einem vorab gespeicherten Sollwert (SW) einen Soll/Ist-Vergleich ausführt und ein Steuersignal zum Betrieb einer Absalzanlage (58) ausgibt.