DE1943409A1

DE1943409A1 - Vorrichtung zum Steuern des Mengenflusses einer Fluessigkeit in einem chemischen Prozess

Info

Publication number: DE1943409A1
Application number: DE19691943409
Authority: DE
Inventors: Tadanao Iketani; Naoyuki Mitani; Mitsuo Uchida
Original assignee: Toyo Rayon Co Ltd
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1968-08-29
Filing date: 1969-08-26
Publication date: 1970-04-02
Also published as: CH512776A; FR2016613A1; GB1287435A; US3692048A

Description

Dipl.-Ing. Reinkold Kramer PATENTANWALT

8OOO München 12 Maria-Blrnbaum-Straßo 1

Telefon eeosea 1943409

69/8721

Toyo Rayon Company Limited

2, Nihonbashi Muromachi 2-chome, Chuo-ku,

Tokyo, Japan

"Vorrichtung zum Steuern des Mengenflusses einer Flüssigkeit in einem chemischen

Prozess"

(Beanspruchte Prioritäten:

Japan Anmeldung Nr. 61980/68 vom 29. Aug. 1968)

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Mengenflusses einer Flüssigkeit in einem chemischen Prozess.

Neuerdings wird in der chemischen Industrie, in der sich ein "bemerkenswerter Fortschritt hinsichtlich der chemischen Verfahrenstechnik vollzogen hat, eine auffallende !Tendenz beobachtet, eine sehr genaue automatische Steuerung der Prozesstemperatur, des Drucks,des Mengenflusses," bestimmter Prozessvariabler etc. zu erreichen, damit die erforderliche genaue Prozessteuerung mit dem Fortschritt der chemischen Technik Schritt hält. So ist beispielsweise zur Durch-

— 2 —

D098H/1B53

führung einer automatischen Steuerung für das Zuführen eines Katalysators zu einer Reaktion eine genaue Messung des Mengenflusses der Flüssigkeit in dem Prozess erforderlich. Die Messung des Mengenflusses der Flüssigkeit in dem chemischen Prozess wird bekanntlich mittels Ausströmregler, Volumenmesser, Scheibenmesser etc. durchgeführt. Bei den erwähnten bekannten Messverfahren kann der Mengenfluss Jedoch nicht unmittelbar gemessen werden. Ausserdem ist es nicht möglich, das Auftreten von Fehlern zu verhindern, die durch Änderungen der Eigenschaften' der fliessenden-Substanz abhängig von Änderungen der Messbedingung und von Änderungen der Einstellbedingungen des automatischen Steuerungssystemes verursacht werden. Die bekannten Messmethoden genügen deshalb nicht zur Durchführung einer genauen automatischen Steuerung des chemischen Prozesses. Zum Einspeisen einer Flüssigkeit mit konstanter Geschwindigkeit können eine Getriebepumpe in Verbindung mit einem Wechselgetriebe, eine Verdrängerpumpe etc. verwendet werden. Derartige Ausrüstungen genügen jedoch nicht der oben erwähnten Forderung, da ausgeprägte Fehler auftreten, die durch bestimmte Veränderungen der Prozesslsedingungen oder durch eine Welligkeit des Flüssigkeitstromes im Ablauf des chemischen Prozesses verursacht werden. Man hat viele Versuche zur Verbesserung der Direktmessung des Mengenflusses einer Flüssigkeit unternommen um die erwähnten Probleme zu lösen. Einer dieser Versuche war beispielsweise

- 5 - ■

00981471653

die Entwicklung einer Vorrichtung zum direkten Messen des Augenblickswertes des Mengenflusses, Zu dieser Art von Vorrichtungen gehören Strömungsmesser mit einer Schleife, mit einer Rückstossplatte oder mit einer Aufprallfläche.

Ein anderer "bekannter Typ ist eine Messvorrichtung, hei der eine Kombination eines Strömungsmessers des volumetrischen Typs angewandt wird, der mit Mitteln zum Kompensieren des direktgemessenen Wertes versehen ist. Zu diesem Typ gehört ein Differentialdruckströmungsmesser, "bei dem Mittel zum Erfassen des Druckunterschiedes der Flüssigkeit an einer Düse vorgesehen sind und/oder Temperatur- und/oder Dichtemessvorrichtungen eingebaut sind, so dass die Ausgangssignale eine Kompensation des Ausgangssignales des Hauptströmungsmessers bewirken.

Es ist jedoch bekannt, dass die erwähnten beiden Typen von Strömungsmessern nicht zufriedenstellend verwendet werden können, da der Bereich einer genauen Messung praktisch begrenzt ist. Der Messbereich dieser Typen von Strömungsmessern wird durch Einflüsse eingeschränkt, die durch den Zustand der Viskosität^des spezifischen Gewichts, der Koagulationseigenschaft,der Korrosionseigenschaft, der Temperatur oder des Drucks der Flüssigkeit und des in der Flüssigkeit suspendierten Materials bedingt sind.

0 0 98U/1B53

Ferner wird angegeben, dass die Messgenauigkeit, die die. Durchführung des Strömungssteuerungssystems bestimmt, auf 1 Prozent beschränkt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei den bekannten Vorrichtungen der einleitend genannten Art vorhandenen Nachteile zu eliminieren. Es soll eine automatische Steuerung der Flüssigkeit auf konstanten Fluss ermöglicht

■■'■■■■-■ «
werden, die sehr genau ist,und eine Messeinrichtung für den Mengenfluss der Flüssigkeit enthält. Es soll, in einem chemischen Prozess der Zufluss oder der Abfluss der Flüssig-

keit in oder aus einem Apparat automatisch und genau auf konstanten Mengenfluss steuerbar sein. Die Messung soll unter besonderen Bedingungen abweichend von atmosphärischer Temperatur und atmosphärischem Druck durchgeführt werden können.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch die. folgenden Merkmale gekennzeichnet:

a) in einem Flüssigkeitskanal des Prozesses ist ein Flüssigkeitsbehälter angeordnet

b) mit dem Flüssigkeitsbehälter sind steuerbare Organe

zum wechselweisen Schliessen und öffnen des Flüssigkeitskanals in Abhängigkeit von einem Steuersignal verbunden

c) es ist eine Steuereinrichtung zum Steuern des augenblicklichen Mengenflusses der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitskanal vorgesehen, die mit dem Flüssigkeits-■feenälter verbunden ist 009814/1653 - 5 -

a) die Steuereinrichtung für den Mengenfluss der

!Flüssigkeit ist "bezüglich der Schliess- und öffnungs-• organe auf der entgegengesetzten Seite des Flüssigkeit sbehälters angeordnet

e) durch die automatische Steuereinrichtung für den Mengenfluss der Flüssigkeit ist ein Augenblickswert

' des Mengenflusses der Flüssigkeit einstellbar.

f) es ist eine Recheneinrichtung zum integrierenden Berechnen des durchschnittlichen Mengenflusses der Flüssigkeit aus der Gewichtsdifferenz der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter innerhalb eines Zeitintervalls vorgesehen

g) es ist eine Einrichtung zum Erfassen des Unterschiedes zwischen dem Sollwert für den Mengenfluss und dem Ausgangssignal der Recheneinrichtung sowie zum Senden eines hieraus abgeleiteten Ausgangssignals zu der automatischen Steuereinrichtung für den augenblicklichen Mengenfluss der Flüssigkeit vorgesehen

h) ferner ist eine Programmsteuerung für die Einrichtungen vorgesehen.

Die Erfindung wird im folgenden durch Ausführungsbeispiele anhand von Figuren erläutert. Esjzeigen

Fig. 1 ein Schemabild eines automatischen Prozesssteuerungssystems zum Steuern des Flusses einer Speiseflüssigkeitj wobei eine verbesserte Methode

zumjMessen des Mengenflusses entsprechend dieser Erfindung angewandt ist . ig. 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Änderung des

Mengenflusses des in Fig. 1 dargestellten automatischen Steuerungssystems

Fig. 3 ein Schemabild eines automatischen Prozessteuerungssystems zum Steuern des Flusses einer ausfliessenden Flüssigkeit, wobei eine verbesserte Methode zum Messen des Mengenflusses gemäss dieser Erfindung A angewandt ist ■

Fig. Λ ein Fig. 2 entsprechendes Diagramm, das die zeitliche

Änderung des Mengenflusses des automatischen Steuerungssystems der Fig. 3 zeigt

Fig. 5 das Schemabild eines weiteren Prozessteuerungssystems zum Steuern des Flusses einer Flüssigkeit, wobei ein verbessertes erfindungsgemässes Messgerät für den Mengenfluss verwendet ist

Fig. 6a bis

Fig. 6g ein Diagramm zur Erläuterung, das die Beziehungen ^ zwischen der Wirkungsweise des Mengenflussteuerungs-

systems nach Fig. 5 und der Wirkungsweise der einzelnen Elemente des Gerätes erkennen lässt.

Fig. 7 und

Fig. 8 verbesserte erfindungsgemässe Einrichtungen zum

Messen des Mengenflusses unter besonderen von der'" <atmosphärischen Temperatur und dem atmosphärischen '^:- Druck abweichenden Bedingungen, so dass eine her-

- 7 ■-ÖÖ9Ö14/16B3 -

. -7- 19A3A09

vorragende automatische Steuerung des Flusses der Flüssigkeit in einem chemischen Prozess durchgeführt werden kann.

Im allgemeinen bleiben in chemischen Prozessen für eine verhältnismässig kurze Zeitdauer Zusammensetzung und charakteristische Eigenschaften der Flüssigkeit wie Temperatur oder Druck der flüssigkeit etc. nahezu konstant. Demgemäss kann der tatsachliche Mengenfluss der Flüssigkeit in einem chemischen Prozess für kurze Zeit innerhalb weniger Minuten konstant gehalten werden, selbst wenn eine Pumpe mit konstantem Fluss oder ein Volumensteuerutigssystem zum Steuern des Flusses verwendet wird. Es kann also ein genaues Messverfahren zur Bestimmung des Mengenflusses,mit anderen Worten, eine genaue automatische Steuerung des Mengenflusses auf konstante Bedingung dadurch erhalten werden, dass ein durchschnittlicher Fluss in dem erwähnten kurzen Zeitintervall mit dem geforderten Augenblickswert des Mengenflusses in Übereinstimmung gebracht wird und eine Veränderung des durchschnittlichen Flusses in Abhängigkeit von der Zeit verhindert wird. Bei dem automatischen Prozessteuerungssystem, bei dem eine neue Methode zur Messung des Mengenflusses angewandt wird, wird zunächst der Durchschnittswert des Mengenflusses in verhältnismässig kurzen Zeitintervallen gemessen, dann der Unterschied zwischen dem Durchschnittswert und dem geforderten Sollwert errechnet und der Steuereingang des automatischen Steuersystems zur Steuerung des

0098U/1653

Flusses der Pumpe oder der Volumensteuerungsanlage automatisch abhängig von dem erwähnten Unterschied geregelt, so dass eine hervorragende automatische Steuerwirkung erzielt wird. Wird mittels dieser Methode der Mengenfluss der Flüssigkeit gemessen, so wird vorzugsweise "bei der Messung des Augenblickswertes ein Störeffekt wie Rauschen vermieden. Deshalb wird vorzugsweise der Integralwert des Mengenflusses der Flüssigkeit während einer bestimmten Periode in der Weise berechnet, dass der Gewichtsfaktor fe zusammen mit dem Zeitfaktor bestimmt wird. .

In dem erfindungsgemässen automatischen Steuerungssystem für den Mengenfluss der Flüssigkeit in einem chemischen Prozess besteht der Grundgedanke zum Messen des Mengenflusses der Flüssigkeit darin, einen Gewichtsfaktor zusammen mit einem Zeitfaktor zu bestimmen und den Mengenfluss aus diesen Faktoren zu berechnen, da diese Faktoren am ei' Wachsten und genauesten gemessen werden können. Die Übertragung und die Operation selbst können digital f ausgeführt werden Jrjbswb, so dass eine hohe Messgenauigkeit erhalten wird.

Das Verfahren zur Steuerung des Mengenflusses einer Flüssigkeit in einen chemischen Prozess unter Verwendung der erfxndungsgemässen Messmethode für den Mengenfluss besteht darin;

- 9 0 0981471653- ^;;

1. Es wird auf eine der folgenden Arten der durchschnittliche Mengenfluss G bestimmt

a) es wird in einem bestimmten variablen Zeitintervall T die Masse oder Menge W der einer Messeinrichtung zugeführten bzw. aus dieser entnomenen Flüssigkeit ge-

■ messen und der Mengenfluss G mittels der Gleichung

G - W/T
berechnet.

b) es wird in einem vorgegebenen festen Zeitintervall T die Masse bzw. Menge W der einer Messeinrichtung zugeführten bzw. aus dieser entnommenen Flüssigkeit gemessen und der Mengenfluss G der Flüssigkeit mittels der gleichen Gleichung ±

G « W/T
ermittelt.

c) es wird die zum Einspeisen bzw. zur Entnahme einer vorgegebenen Masse bzw. Menge W der Flüssigkeit in eine oder aus einer Messeinrichtung erforderliche Zeit T gemessen und der durchschnittliche Mengenfluss G aus dem gemessenen Zeitintervall T mittels der Gleichung G « W/T berechnet.

Der durchschnittliche Mengenfluss G ist umgekehrt pro-• portional zu dem Zeitintervall T, was durch die Gleichung

ausgedrückt werden kann· Im Fall c) werden vorzugsweise

- IO -

009814/1853

T943409

Digitalsignale zur Durchführung der Steuerung angewandt um eine grosse Messgenauigkeit zu erreichen.

2. Der durchschnittliche Mengenfluss G wird bei jeder Messung mit dem Sollwert des Steuerungssystems verglichen, so dass eine Differenz zwischen dem Ist-Wert G und dem Sollwert erhalten wird.

5· Der Mengenfluss der Flüssigkeit wird in dem Prozess ^ automatisch in Abhängigkeit von der in Absatz 2 be-„ zeichneten Differenz gesteuert. Beispielsweise wird der Innendruck der Messeinrichtung durch ein der erwähnten Differenz entsprechendes Signal gesteuert, so dass der Mengenfluss der Flüssigkeit in dem Prozess automatisch auf den richtigen Wert gebracht wird. Wie erwähnt, kann als Energiequelle zum Einstellen der Flüssigkeit des Prozesses der Innendruck der Messeinrichtung verwendet werden. Mit anderen Worten, kann der Innendruck als Stellgrösse zum Steuern- des Mengen-" flusses der Flüssigkeit in dem Prozess verwendet werden, wodurch eine Wellung der Flüssigkeit ausreichend verhindert werden kann. Die Messeinrichtung ist vorzugsweise als ummantelter Behalten? ausgebildet, wobei das Nettogewicht des Behälters auf ein geringes Gewicht beschränkt ist, so dass genaue Messergebnisse erhalten werden ohne dass Prozessbedingungen wie Flüssigkeits-

- 11 -

009814/1653

temperatur oder Druck berücksichtigt werden müssen.

Eine typische Ausführungsform des erfindungsgemässen Steuerungssystems enthält eine Einrichtung zum Steuern des Mengenflusses auf einen nahezu konstanten Wert, während eines sehr kurzen Zeitabschnittes (im folgenden Einrichtung für konstanten Fluss genannt), eine Messeinrichtung, die mit einer Speiseleitung und einer Abflussleitung sowie einem Behälter versehen ist, der mit diesen Leitungen verbunden ist, so dass eine Zunahme oder eine Abnahme der Flüssigkeitsmenge in dem Behälter genau bestimmbar ist (im folgenden als Messeinrichtung für den Massenfluss bezeichnet), Mittel zum Schliessen oder öffnen oder Steuern der erwähnten Leitungen mittels eines Steuersignals (im folgenden als Leitungsstellglieder bezeichnet), eine Recheneinheit zum Berechnen des durchschnittlichen Massenflusses der Flüssigkeit aus dem Messwert T und dem Wert W der Messeinrichtung für den Massenfluss während des genannten Zeitabschnitts T (im folgenden als Recheneinheit bezeichnet), Mittel zum Vergleichen des Sollwertes des Mengenflusses der Flüssigkeit und des dem Ausgang der Recheneinheit entsprechenden Messwertes, wobei die Einrichtung für dea konstanten Mengenfluss durch den Ausgang dieses Mittels (im folgenden als Regler bezeichnet) gesteuert wird, Mittel zum Übertragen der erforderlichen Signale auf die erwähnten EIe-

- 12 -

0098U/1653

mente, so dass jedes Element des gesteuerten Systems in Übereinstimmung mit dem vorgegebenen "Programm "betätigt wird (im folgenden als Steuereinrichtung bezeichnet).

Das erwähnte automatische Steuerungssystem für den Massenfluss einer Flüssigkeit kann zum Steuern des Mengenflusses einer Speiseflüssigkeit einer bestimmten Anlage oder zum Steuern des Flusses der aus einer bestimmten Anlage abfliessenden Flüssigkeit dienen. Zur Verein-fächung der folgenden Beschreibung wird das erstgenannte Steuerungssystem im folgenden "automatisches Steuerungssystem für

den Mengen'fluss der Speiseflüssigkeit" und das zweite "automatisches Steuerungssystem für den Mengenfluss der abfliessenden Flüssigkeit" genannt»

In Figuren 1 und 3 sind die einander entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen* Ein Stellglied der Sp' .--seieitung ist mit 1 bezeichnet, eine Messeinrichtung für den Mengenfluss mit 2, ein Stellglied der Ausflussleitung mit 3* eine Einrichtung zum Messen eines Zeitintervalls oder ein Zeittaktgeber mit 4, eine Recheneinheit mit 5» ein Regler mit 6 und eine Steuereinrichtung mit 7* Die Messeinrichtung 2 enthält einen Flüssigkeitsbehälter.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine automatische Steuerung des Mengenflusses einer Speiseflüssigkeit, wobei das Stellglied 3 der Abflussleitung so arbeitet, dass der Fluss

- 13 009814/1653

der Flüssigkeit in der Abflussleitung konstant gehalten wird. Die in dem Behälter der Messeinrichtung 2 ent-. haltene Flüssigkeitsmenge W nimmt ab während das Stellglied 1 der Speiseleitung geschlossen ist. Wenn die Flüssigkeitsmenge in dem Behälter den Wert VL. erreicht, erhält die Recheneinheit 5, zu der in Fig. 2 mit t^. bezeichneten Zeit das Signal wV. Nimmt die Menge ¥ weiter ab und erreicht sie den Betrag Wj-t zur Zeit t-, , dann bewirkt die Steuereinrichtung 7 dass das Stellglied 1 die Speiseleitung öffnet oder eine Pumpe zum Einspeisen der Flüssigkeit in die Messeinrichtung 2 in Betrieb gesetzt wird.

Falls der Fluss Q-, der Speiseleitung grosser als der Fluss Q₂ der Ausflussleitung des betreffenden Prozesses ist, tendiert die Flüssigkeitsmenge W in der Messeinrichtung 2 dazu, sich zu vergrössern, selbst wenn das Stellglied 3 einen konstanten Fluss der Flüssigkeit in der Ausflussleitung zulässt. Wenn die Flüssigkeitsmenge W in der Messeinrichtung 2 zur Zeit tp den Wert Wtttt einnimmt, bewirkt die Steuereinrichtung 7■> das Schliessen der Speiseleitung mittels des Stellgliedes 1. Die Flüssigkeitsmenge W in der Messeinrichtung 2 beginnt abzunehmen. Wenn, sie den Wert Wtt erreicht hat, erscheint an der Messeinrichtung 2 ein momentanes Ausgangssignal, welches zur Zeit t, der Recheneinheit 5 zugeführt wird.

- 14 -

009814/1653

Die Flüssigkeitsmenge W nimmt weiter ab und erreicht nach dem Zeitabschnitt Δ T den Wert Wj. Bei diesem Wert wird ein momentanes Ausgangssignal Wr an der Messeinrichtung 2 ausgelöst und dieses zur Zeit t^. der Recheneinheit 5 zugeführt. Die Recheneinheit 5 berechnet den durchschnittlichen Mengenfluss (Wrj - W-j-) /A T. Der Ausgang der Recheneinheit 5 ist zum Regler 6 geführt, in dem die Differenz 6Q zwischen einem Solleingang des Steuersystems und dem Ausgang ΔW/Δo? » Q^ , wobei (W™ - W-^ =" AW)_; erfasst wird.

^ Sodann wird dem Stellglied 3 ein am Ausgang des Reglers 6 erscheinendes Steuersignal zugeleitet. Der Betriebszustand des Stellgliedes 3 wird so geregelt, dass er einem Stellwert gemäss S Q entspricht und in diesem Zustand so lange gehalten bis aus dem Regler 6 das nächste Signal eingespeist wird. Wenn bei diesem Steuervorgang der Wert <iQ positiv ist, wird der Fluss Q^des Stellgliedes 3 auf einen Wert entsprechend 6 Q in negativer Richtung abgeglichen und wenn der Wert von S Q negativ ist^.umgekehrt. Der erwähnte Steuervorgang wird jedesmal beim Messen des

W Mengendurchflusses G im Zeitintervall T wiederholt. Das Zeitintervall T ist jedoch wegen der Variation vieler Faktoren wie z.B. des Flusses Q₁ nicht konstant. Im allgemeinen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn ^W β Wo· - Wy vorgegeben und auf einem konstanten Wert festgehalten wird um die Messbedingung des Behälters konstant zu machen und wenn die Zeit Δ T gemessen wird.. .

OOdSU/1653

Diese Art des Messverfahrens und der Vorrichtung wird durch die in den Figuren 5 und 6 A bis 6 G dargestellten Ausführungsformen verständlich gemacht. Bei der in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform liegt der Grund, die Werte W™ oder W-rr ausserhalb der Werte W^ bzw. W-^ zu wählen, darin, den durch die dynamischen Eigenschaften des Stellgliedes 1 verursachten unerwünschten Einfluss zu vermeiden. Die den Ausgängen Wtttt "bzw. -Wjt der Messeinrichtung 2 entsprechenden Zeiten sind mit t^ "bzw. t-, bezeichnet. Die Messgenauigkeit von AW beträgt 1/2000, die von Δ Τ 1/2000 und die von AW/^T 1/1000.

Die erwähnte automatische Steuerungsmethode hat mehrere im folgenden angegebene praktische Merkmale.

1. Das Steuerungssystem arbeitet ohne unerwünschte Beeinflussung durch die charakteristischen Eigenschaften der Flüssigkeit insbesondere der Yiskositätjdes spezifischen Gewichtes, der Suspension etc. Es besteht die Möglichkeit, dieses Steuerungssystem anzuwenden zum Steuern des Durchflusses von Flüssigkeit nit hoher Viskosität wie 5*000 Poise.

2. Es kann bei dieser Erfindung praktisch ein automatischer Regelvorgang sur Steuerung des Durchflusses in einem grossen Bereich von einem sehr grossen Wert bis zu einem sehr kleinen Wert angewandt werden, d.h. dieses Steuerungs-

- 16 0098U/1653

system besitzt einen grossen Regelbereich.

3. Es sind für die Durchführung dieses Steuerungsvorganges keinerlei Massnahmen zur Kompensation von Veränderungen erforderlich, die durch die Temperatur, den Druck der Flüssigkeit oder die Atmosphäre verursacht werden.

4. Da die Differenz der Flüssigkeitsgewichte in dem Behälter der Messeinrichtung 2 in zwei verschiedenen Zeitpunkten gemessen wird, besteht keine Beeinflussung durch

^ das- Gewicht von an dem Behälter anhaftender Substanz oder durch Veränderungen des Behältergewichtes infolge Korro-

sion.

5. Da das Messen der Gewichtsdifferenzen der in dem Behälter ■ befindlichen Flüssigkeit innerhalb sehr kurzer Zeitintervalle durchgeführt wird, kann eine sehr genaue und zuverlässige Steuerung erzielt werden.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des vorliegenden Steuerungs- ^ systems in der Anwendung zur Steuerung des Flusses einer Flüssigkeit, die aus der Apparatur eines chemischen Prozesses abgelassen wird, dargestellt. Der Arbeitsablauf der Komponenten des Steuerungssystems ist in Fig. 4- veranschaulichte Wie aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht, wird fast der gleiche . Steuervorgang durchgeführt und der gleiche Steuerungseffekt erzielt wie bei der 'ersten in den Figuren 1 und 2 darge-

-17 • ■ 0098U/1653

stellten Ausführungsform. Bei der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4- sind jedoch die Positionen der Stellglieder 1 und 3 miteinander vertauscht und die Messeinrichtung misst den zur ersten Ausführungsform entgegengesetzten Wert der Flüssigkeitsmenge W in dem Behälter.

Bei den beschriebenen zwei Ausführungsformen wird als Stellglied 1 ein automatisches Regelventil verwendet. Anstelle des Regelventils kann jedoch auch eine Zahnradpumpe verwendet werden, die einen ausreichenden Druck für einen gleichmässigen Flüssigkeitsstrom in der Prozessleitung hervorruft. Zur Erzeugung eines Ausgangspulses zum Messen der Zeit kann ein Quarzschwinger
oder ein anderer genauer Vibrator verwendet werden.
Damit kann leicht eine genaue Zeitmessung durchgeführt werden. Es kann ein optimales Messintervall T im Hinblick auf die Stabilität und die geforderte Genauigkeit des Stellgliedes 3» ferner des Flusses Qo der Leitung und im Hinblick auf die Genauigkeit und die Empfindlichkeit der einzelnen Teile berechnet werden. Ferner kann der optimale Zustand des Flusses Q-, der Speiseleitung im Hinblick auf den Fluss Q₂ der Ausflussleitung entsprechend der oben erwähnten Werte bestimmt werden» Wird der Wert von Δ W festgehalten, so kann der Wert für ΔW/AT allein durch Messen des Wertes Δ Τ ^erhalten werden, so dass "b»i der Recheneinheit 5 auf die Differenz-

- 18 -

bildung von Wg- - VL- verzichtet werden Kann. Wird der Wert ά T festgehalten, so kann der Wert für Z\W/^\T ohne
Messung des Wertes A^ erhalten werden.

In den Figuren 5 und 6 A bis 6 G ist ein automatisches Steuerungssystem dargestellt, bei dem der Wert AW festgehalten und lediglich die für die Gewichtsverminderung der in dem Behälter enthaltenen Flüssigkeit notwendige Zeit /\ ¹H gemessen wird.

Bei der in den Figuren 5 und 6 A bis 6 G dargestellten Ausführungsformen eines erfindungsgemässen Steuerungssystems enthält die Messeinrichtung einen inneren Behälter 12 und einen äusseren Behälter 10, der den inneren Behälter 12 und ein Messgerät 13 umgibt. In Fig. 6 A stellt die Ordinate die im inneren Behälter 12 befindliche
Flüssigkeitsmenge W und die Abszisse die Zeit dar. Der Ausgang 16 der Messeinrichtung ist zu einer Steuereinricht 17 geführt. Diese besitzt Steuerorgane mit einer " toten Zone 'zum Übertragen eines Steuersignals auf ein in der Speiseleitung 26 angeordnetes Stellglied 25- Die
tote Zone stimmt mit dem Bereich zwischen den Werten
und Wjx der Fig. 6 A überein. Wenn der Mengenwert W
den Betrag Wtttt erreicht, wird das Stellglied 25 der
Speiseleitung 26 geschlossen und wenn der Mengenwert W

- 19 -

QQtS14/t653

den Betrag Wjt erreicht wird das Stellglied 25 geöffnet. Die" dem inneren Behälter 12 zugeführte Flüssigkeit wird - durch einen in einer Ausflussleitung 15 angeordneten Durchflussbegrenzer 14 entleert. Die Entleerung ist in Fig. 6 A durch Kurve II dargestellt, die Einspeisung durch Kurve I. Durch einen Zeitmesser 18 wird ein Zeitintervall Δ T gemessen, das der Zeitdauer entspricht, bis die Menge W vom Betrag W„ auf den Betrag Wt abgesunken ist. Mittels einer Vergleichseinrichtung 19 wird ein Sollwert oder ein Zeitnormal Tg, das ein Ausgangssignal eines Zeitgebers 21 ist, wobei der Sollwert vorbestimmt ist, mit dem gemessenen Zeitintervall Δ T verglichen. Ist der Sollwert Tg grosser als das gemessene Zeitintervall A T, mit anderen Worten ist der vorgegebene Durchfluss kleiner als der gemessene, dann wird diirch ein Aus gangs signal der Vergleichseinrichtung 19 die Einstellung X eines Druckreglers 22 auf einen kleineren Wert gebracht, der dem Betrag ^Q entspricht. Ist Tg kleiner als Δ T, so wird die Einstellung des Druckreglers 22 in entgegengesetzter Richtung verstellt. Da der Ausfluss Q^ ^aus ^^em inneren Behälter 12 proportional zum Innendruck des äusseren Behälters 10 ist, kann der Fluss Q~ ^{aus dem} inneren Behälter 12 durch Einstellen des Innendrucks Y des äusseren Behälters 10 genau gesteuert werden. Der Innendruck Y wird durch Verändern der Einstellung des Druckreglers .22 mittels Betätigen eines Druckstellglieds

- 20 009814/1653

bewirkt. Das Druckstellglied 23 ist in einer Leitung angeordnet, die die nicht dargestellte Druckluftquelle mit dem äusseren Behälter IO verbindet. Ein weiteres Druckstellglied 24 befindet sich in einer Leitung zum Ablassen von Gas bzw. Druckluft aus dem äusseren Behälter 10, wenn der innere Gasdruck des Behälters 10 den vorgeschriebenen Wert.; überschritten hat. Der Druckregler 22 betätigt wechselweise die Druckstellglieder 23 und 24. in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Ausgangssignal eines Druckgebers 27, fc der den Innendruck des äusseren Behälters 10-erfasst und dem eingestellten Wert X. Ist der Innendruck des Behälters

niedriger als der vorgegebene Wert, so wird das Druckstellglied 23 geöffnet, damit zur Steigerung des Innendrucks Gas oder Luft in den äusseren Behälter 10 eingespeist werden kann. Ist der innere Gasdruck des äusseren Behälters 10 grosser als der vorgegebene Wert, so wird das Druckstellglied 24 geöffnet und Gas aus dem äusseren Behälter 10 abgelass'a. Dem Steuersystem ist ein Normalpulsgenerator 20. zugeordnet, der den Zeitmesser 18, die Vergleichseinrichtung

^f 19 und die Zeitmesseinrichtung 21 synchron steuert.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist ein neues Messgerät für den Mengenfluss der Flüssigkeit verwendet. In Fig. 7 ist der Aufbau dieses Gerätes im Detail dargestellt.

- 21 -

009814/1653

Das für die Erfindung verwendete Messgerät gemäss Fig. 7 enthält einen äusseren Behälter 31, der mit einem Heizoder Kühlmantel versehen ist. In den äusseren Behälter 31 ist ein innerer Behälter 32 eingeschlossen, der durch einen Wiegemechanismus getragen wird. Der W/egemechanismus enthält '"einen horizontalen Tragbalken 33> der den inneren Behälter 32 trägt, einen horizontalen Arm 34-, der an der Innenseite des äusseren Behälters 31 befestigt ist, ein Lager 35> das auf dem horizontalen Arm 34· angebracht ist, ein Paar Traglager 36, die in symmetrischer Lage ausserhalb des inneren Behälters 32 befestigt sind, einen durch eine Membran abgedichteten Hebel 38, der mit einem Lager versehen ist, das das Endstück des horizontalen Tragbalkens 33 trägt, eine Membran 39 > die in der in Fig. 7 dargestellten Weise an dem äusseren Behälter 31 angebracht ist und den Hebel 38 in der Weise trägt, dass dieser um die Membran 39 bewegt werden kann, so dass diese als Lager für den Hebel 38 wirkt. Mit dem Ende des Hebels 38 ist ein Geber 44 derart verbunden, dass eine Lage des Hebels 38 ausserhalb des Gleichgewichtszustandes erfasst werden kann. Die Arbeitsstellung des Gebers 44 bezogen auf den Hebel ist so gewählt, dass sie dem dynamischen Punkt des Lagers 37 entspricht. In einem Teil einer Ausflussleitung 42 ist eine flexible Leitung 40 vorgesehen, so dass selbst wenn sich der innere Behälter 32 nach oben oder unten bewegt, keine Schwierigkeiten bei der Durchführung der Messung

- 22 -

009814/1653

auftreten. Durcli den äusseren Beilälter wird eine Speisebzw. Zuleitung 41/J eine Druckleitung 43 ist an der höchsten Stelle des äusseren Behälters 31 angeschlossen und ausserdem mit einer nicht dargestellten Druckgas- bzw. Druckluftquelle verbunden. Die Leitungen 46 und 47 stellen Zuflussbzw. Abflusslei tiuigen zum Einspeisen bzw. zum Ablassen eines Heiz- oder Kühlmittels in oder aus einer Leitung dar, die in den äusseren Behälter eingeschlossen ist. Mit dem Geber 44 ist ein Anzeigegerät 45 für das Gewicht verbunden.

Der. Grundgedanke des beschriebenen Messgerätes ist folgender: Der Innendruck des äusseren Behälters 31 wird durch Einspeisen oder Entnahme von Gas mittels der Leitung 43 und die Temperatur im innern durch den Mantel des äusseren Behälters 31 so eingestellt, dass die Werte der Arbeitsbedingung entsprechen.

Es wird dem inneren Behälter 32 durch die Speiseleitung !Flüssigkeit zugeführt und dann wird die Leitung 41 durch " ein bekanntes Mittel wie beispielsweise ein nicht dargestelltes Ventil verschlossen. Vor Zufuhr der Flüssigkeit ist auch die Abflussleitung 42 durch bekannte Mittel verschlossen worden. Das Gewicht der in dem Behälter 32 befindlichen Flüssigkeit wird zusammen mit dem Gewicht des' Behälters 32 durch das Lager 36 auf den, horizontalen Trag- balken 33 übertragen. Da das Lager 35 fest ist, wird eine

- 23 -

009814/1613

entsprechende Kraft auf das Lager 37 übertragen. Die auf das Lager 37 übertragene Kraft wird mittels des Hebels 38 an äea. Geber 44 weitergeleitet. Die übertragene Kraft oder Verschiebung wird hier in ein elektrisches oder pneumatisches Signal umgesetzt. Dieses wird durch das Anzeigegerät 45 angezeigt. Da der innere Behälter 32 von innen und aussen einen ausgeglichenen Druck erhalt, ist eine stabile und schwere Konstruktion nicht erforderlich. Es kann mit anderen Worten für den inneren Behälter 32 eine sehr leichte Konstruktion verwendet werden. Nach Beendigung der Messung wird die im inneren Behälter 32 befindliche Flüssigkeit durch die Ausflussleitung 42 entleert. Die beschriebene Konstruktion des Messgerätes kann hinsichtlich der Grosse des Behälters,der Arbeitsbedingungen etc. modifiziert werden; Vorzugsweise wird ein Geber 44 mit Kraftausgleich verwendet, um sehr genaue Messergebnisse zu erhalten.

Bei den in den Figuren"1, 3 und 5 dargestellten Ausführungsformen muss die Speiseleitung 41 mit einem steuerbaren Stellglied zum öffnen oder Schliessen der Leitung 41 versehen werden. Die Ausflussleitung 42 muss immer im geöffneten Zustand gehalten werden, so dass die Flüssigkeit mit konstanter Geschwindigkeit ausströmt. Die Leitung 42 kann mit einem automatischen Regler versehen sein, wodurch der Fluss der Ausflussleitung 42 automatisch gesteuert werden kann. Auf diese Weise lässt sich der Durchfluss der in dem inneren

- 24 -

009814/16 53

Behälter 32 befindlichen Flüssigkeit genau messen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 wird der Fluss unter Verwendung eines elektrischen Gebers gemessen. Die übrigen Elemente sind fast die gleichen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 7. Das in Fig. 8 dargestellte Messgerät enthält eine elektrische Leitung 48₅ einen in den äusseren Behälter Jl eingeführten Isolierstöpsel 39a» durch den die elektrische Leitung 48 festgehalten wird, einen Differentialübertrager 51* der mit einem Eisenkern versehen ist, welcher unten mit dem Endstück des horizontalen Tragbalkens 33 verbunden ist, eine Ausgleichsfeder 50, die an ihrem unteren Ende mit dem Eisenkern verbunden ist und an ihrem oberen Ende durch den äusseren Behälter 31 gehalten, wird. Ein selbstabgleichender Geber 49 ist mit dem Leitungsdraht verbunden^, Die Grundidee dieses Typs des Messgerätes ist die folgende:

Die Belastung wird auf das Lager 37 übertragen, so dass der Eisenkern des Differentialübertragers 51 so weit nach unten gezogen wird, bis die Last von der Ausgleichsfeder 50 im Gleichgewicht gehalten wird. Diese Gleichgewichtslage ist proportional zur Belastung. Die Gleichgewichtslage wird in ein elektrisches Signal umgesetzt, das durch das Anzeigegerät 45 angezeigt wird.

- 25 -

0098 U/1.6.53

Wenn in einem chemischen Prozess unter speziellen Temperatur- und Druckt)edingungen gearbeitet werden muss, die ausserhalb der normalen atmosphärischen Temperatur oder des atmosphärischen Druckes liegen, ist das Nettogewicht des Behälters grosser als das der in dem Behälter "befindlichen Flüssigkeit, da der Behälter mit einer dicken Wand oder mit einer besonderen Heiz- bzw. Kühlvorrichtung versehen werden muss. Trotzdem kann bei Verwendung des in den !Figuren 7.iielcI 8 dargestellten Messgerätes eine sehr genaue Steuerung des Mengendurchflusses erzielt werden. Auch in dem Fall, in dem ein Prozess mit einer korrodierenden Flüssigkeit durchgeführt wird, und ein spezielles Material verwendet werden muss, um die Teile zu schützen, die direkt mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, kann die Menge des speziellen Materials bei Verwendung des erwähnt en Messgerätes reduziert werden, so dass die Anlagekosten der automatischen Steuereinrichtung für den Mengenfluss der Flüssigkeit eines chemischen Prozesses reduziert werden können.

10 Ansprüche
8 Figuren

0098U/1653

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Steuern des Mengenflusses einer Flüssigkeit in einem chemischen Prozess, gekennzeich net durch die folgenden Merkmale

b) mit dem Flüssigkeitsbehälter sind steuerbare Organe zum wechselweisen Schliessen und öffnen des Flüssig-

v keitskanals in Abhängigkeit von einem Steuersignal verbunden

c) es ist eine Steuereinrichtung zum Steuern des augenblicklichen Mengenflusses der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitskanal vorgesehen, die mit dem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist

d) die Steuereinrichtung für den Mengenfluss der Flüssigkeit ist bezüglich der Schliess- und Öffnungsorgane auf der entgegengesetzten Seite des Flüssigkeitsbehälters angeordnet

e) durch die automatische Steuereinrichtung für den Mengenfluss der Flüssigkeit ist ein Augenblickswert des Mengenflusses der Flüssigkeit einstellbar

f) es ist eine Eecheneinrichtung zum integrierenden Berechnen des durchschnittlichen Mengenflusses der

009814/1653

ORIGINAL INSPECTED

Flüssigkeit aus der Gewichtsdifferenz der Flüssigkeit • in dem Flüssigkeitsbehälter innerhalb eines Zeitintervalls vorgesehen

g) es ist eine Einrichtung zum Erfassen des Unterschiedes zwischen dem Sollwert für den Mengenfluss und dem Ausgangssignal der Recheneinrichtung sowie zum Senden eines hieraus abgeleiteten Ausgengssignals zu der automatischen Steuereinrichtung für den augenblicklichen Mengenfluss der Flüssigkeit vorgesehen

h) ferner ist eine Programmsteuerung für die Einrichtungen vorgesehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Flüssigkeitsbehälter ein Gefäss enthält, mit dem eine Speiseleitung verbunden ist und an dessen Bodenteil eine Ausflussleitung angeschlossen ist und dassferner daß Gefäss von einem Wxegemechaaismus getragen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Flüssigkeitsbehälter einen inneren Behälter und einen äusseren Behälter enthält, der den inneren Behälter umfasst, dass eine Speiseleitung durch eine Wand des äusseren Behälters geführt und mit dem inneren Behälter verbunden ist, dass eine Abflussleitung durch eine Wand des äusseren Behälters geführt und an ein Bodenteil

- 3 009814/1653

des inneren Behälters angeschlossen ist und dass ferner ein Wiegemechanismus den inneren Behälter innerhalb des äusseren Behälters trägt.

4. Vorrichtung nach Anspruch I₇ dadurch gekenn ζ ei c h η e t , dass die automatische Steuereinrichtung für den Mengenfluss der Flüssigkeit aus einer Verdrängerpumpe besteht, die in einer mit dem Flüssigkeitsbehälter verbundenen Leitung angeordnet ist und mit einer Steuerschleife zum Steuern der Rotationsgeschwindigkeit dieser P Pumpe versehen ist.

5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Steuereinrichtung für den Mengenfluss der Flüssigkeit eine erste Verbindungsleitung enthält, die einen abgedichteten Gasraum des . Flüssigkeitsbehälters mit einer Druckluftquelle ausserhalb des Flüssigkeitsbehälters verbindet, ferner eine zweite Leitung, die den Gasraum des Flüssigkeitsbehälters mit der Atmosphäre verbindet, ein erstes Druckstellglied, das in der ersten Verbindungsieitung angeordnet ist und ein zweites Druckstellglied, das in der zweiten Leitung angeordnet ist, ferner ein erstes Drucksteuerorgan und ein zweites Drucksteuerorgan, die wechselweise in Übereinstimmung mit dem Ausgang der Einrichtung zur Erfassung des Unterschiedes zwischen dem Sollwert des Mengenflusses und dem Ausgang der Recheneinheit gesteuert werden.

- 4- 0098U/1653

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Flüssigkeitsbehälter ein Gefäss und einen Wiegemechanismus zum Tragen dieses Gefässes enthält und dass die Recheneinrichtung zum integrierenden Berechnen des durchschnittlichen Mengenflusses der Flüssigkeit eine Messeinrichtung enthält, die die Nettogewichte der in dem Gefäss befindlichen Flüssigkeit und des Gefässes in geeigneten Zeitabständen mittels des Wiegemechanismus misst sowie eine Recheneinheit zum automatischen Berechnen des Wertes des durchschnittlichen Mengenflusses » (Gewichtsdifferenz zwischen zwei durch die Messeinrichtung erfassten Gewichten)/(Zeitintervall zwischen den Messungen).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Flüssigkeitsbehälter ein Gefäss und einen Wiegemechanismus zum Tragen des Gefässes enthält und dass die Recheneinrichtung zum integrierenden Berechnen des durchschnittlichen Mengenflusses der Flüssigkeit eine Messeinrichtung zum Erfassen des Zeitintervalls enthält, das einer vorgegebenen Gewichtsdifferenz der in dem Gefäss befindlichen Flüssigkeit entspricht, welche durch den Wiegemechanismus in zwei benachbarten Zeitpunkten gemessen wird und dass die Recheneinrichtung ferner eine Recheneinheit zum automatischen Berechnen des Wertes des durchschnittlichen Mengenflusses » (genannte Gewichtsdifferenz)/ (Ausgangssignal der Messeinrichtung für das Zeitintervall) .enthält.

0098U/1653

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet 5 dass der Flüssigkeitsbehälter ein Gefäss und einen Wiegemechanismus zum Tragen des Gefässes enthält und dass die Recheneinrichtung zum integrierenden Berechnen des durchschnittlichen Mengenflusses der Flüssigkeit eine Messeinrichtung zum Messen der Nettogewichte der in dem Gefäss befindlichen Flüssigkeit sowie des Nettogewichtes des Gefässes in für die Messung vorgegebenen Zeitabstanden mittels des Wiegemechanismus enthält und dass die

^ Recheneinrichtung ferner eine Recheneinheit zum automatischen Berechnen des Wertes des durchschnittlichen Mengenflusses ■ (Gewichtsdifferenz zwischen zwei durch die Messeinrichtung gemessenen Gewichten)/(vorgegebenes Zeitintervall) enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäss von einem äusseren Behälter umfasst wird, der insbesondere dazu bestimmt ist, den Zustand der Arbeitstemperatur und des Arbeitsdruckes einzustellen und dass die Messeinrichtung zum Messen des Nettogewichtes der Flüssigkeit zusammen mit dem Nettogewicht des Gefässes in dem äusseren Behälter angeordnet ist, dass ferner die Recheneinheit ausserhalb des äusseren Behälters angeordnet ist und von der Messeinrichtung ein Ausgangssignal erhält.

0098U/1653

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass das Gefäss von einem äusseren Behälter xtw£asst wird, der insbesondere dazu bestimmt ist, die Arbeitstemperatur und den Arbeitsdruck festzulegen, dass die Messeinrichtung zum Messen des Nettogewichtes öer Flüssigkeit zusammen mit dem Nettogewicht des Gefässes ausserhalb des äusseren Behälters angeordnet ist und dass ferner die Recheneinheit ausserhalb des äusseren Behälters angeordnet ist und von der Messeinrichtung ein Aus gangs signal erhält.

009814/1653