DE1947218C3 - Elektronische Vorrichtung zur Kontrolle von Ionen-Austauschprozessen - Google Patents

Description

xad es kann sogar vorkommen, daß (obgleich bei der Eluats zur Gefahr von Fehlsteuerungen, weil dann

Wasserenthärtung mittels Kation-Austauschharzen der für die Auslösung einer Warnung oder des Re-

ias erschöpfte Harz einen höheren Widerstand hat generiervorganges zugrunde gelegte Meßwert nicht

ils das aktive Harz) bei der Behandlung eines be- mehr sicher genug gegen irgendwelche zufälligen, auf

stimmten Wassers für das erschöpfte Bett ein kleine- 5 Sekundäreinflüssen beruhenden Meßwertschwankun-

rer Widerstand gemessen wird, als für das noch gen unterschieden werden kann,

aktive Bett bei Behandlung eines anderen Wassers. Mit der Erfindung sollen die vorangehend umris-

Aus diesem Grunde, und auch deshalb, weil die senen Nachteile vermieden werden. Demgemäß soll

Widerstände stark temperaturabhängig sind und so- mit der Erfindung eine Kontrollvorrichtung für Ionen-

mit be? Temperaturänderungen des Eluats entspre- io austauschvorgänge geschaffen werden, die mit ein-

chend schwanken können, ist dieses einfache Kon- fachen Mitteln unabhängig von Temperatur- und

troüverfahren für die Praxis viel zu unsicher. Konzentrationsschwankungen des Eluats und auch

Es sind auch bereits Vorrichtungen bekannt, die unabhängig vom Absolutwert der Konzentration der

mit zwei oder mehr an verschiedenen Pegeln des im Eluat gelösten leitfähigen Bestandteile eine wirk-

Austauschbettes angeordneten Elektrodenpaaren ar- 15 same Kontrolle aller Phasen des Ionenaustausch-

beiten, und zwar derart, daß die Differenz der mit Vorganges ermöglicht.

den einzelnen Elektrodenpaaren ermittelten Wider- Ausgehend von einer Kontrollvorrichtung mit zwei stände als Meßwert benutzt wird. Bei Verwendung Elektrodenpaaren, von denen eines in einem gerinvon zwei Elektrodenpaaren beispielsweise, die im gen Abstand vor dem Austrittspunkt des Eluats an-Aiistauschbett im Abstand voneinander angeordnet 20 geordnet ist, wird dieses Ziel erfindungsgemäß dasind, ist bei einem frisch regenerierten, also voll akti- durch erreicht, daß das zweite Elektrodenpaar in ven Austauschharz keine Differenz zwischen mit den einer mit erschöpftem Harz gefüllten Zelle angebeiden Elektrodenpaaren gemessenen Widerständen ordnet ist und beide Elektrodenpaare an eine Schalvorhanden. Im Verlauf des Betriebs dagegen stellt tung angeschlossen sind, die eine dem Verhältnis der sich eine Widerstandsdifferenz ein, sobald die Über- 25 mit dem ersten und dem zweiten Elektrodenpaar ergangszone (oder spätestens die erschöpfte Zone) das mittelten Widerstände proportionale Spannung ererste der beiden Elektroden paare erreicht hat. MU zeugt, welche den Meßwert für den Belegungszustand dieser Widerstandsdifferenz kann entweder ein auto- des Harzes im Ionenaustauschbett darstellt,
matisch gesteuerter Regenerierprozeß eingeleitet wer- Die Erfindung geht somit aus von dem eigentlichen den oder aber zumindest eine Warnung ausgelöst 3° »Meßwiderstand« (d. h. dem im Ionenaustauschbett werden, um einer Bedienungsperson die Einleitung nahe dem Austrittspunkt des Eluats gemessenen Wider Regenerierung zu ermöglichen. derstand) und zusätzlich einem »Bezugswiderstand«,

Durch die Verwendung einer Widerstandsdifferenz der in einer besonderen, mit erschöpftem Harz geals Meßwert werden zwar die Mangel der auf nur füllten und von dem unbehandelten Eluat vor dem einer einzigen Widerstandsmessung beruhenden ein- 35 Eintritt in den Ionenaustauscher durchströmten Zelle fachen Kontrollverfahren weitgehend beseitigt, denn ermittelt wird. Es wurde gefunden, daß der Quotient die Differenz zwischen zwei an verschiedenen Pegeln aus diesen beiden Widerständen, mit dem Meßwiderdes gleichen Austauschbetts ermittelten Widerständen stand im Zähler und dem Bezugswiderstand im Nenist weitgehend unabhängig von Konzentrations- ner, einen sowohl von Temperaturschwankungen des Schwankungen und/oder Temperaturschwankungen 4° Eluats als auch von der Konzentration des Eluats und des Eluats. Dennoch sind die auf dem Prinzip der Schwankungen in der Eluat-Konzentration unabhän-Differenzmessung beruhenden Kontrollvorrichtungen gigen, reproduzierbaren Wert hat. Dementsprechend noch unbefriedigend. Einer ihrer Nachteile ist darin sieht die Erfindung weiterhin eine elektronische zu sehen, daß die Anzeige einer Widerstandsdifferenz Schaltung vor, die eine diesem Quotienten propornur während der verhältnismäßig kurzen Zeit erfolgt, 45 tionale Spannung erzeugt, welche als Meßwert für in der sich die Übergangszone zwischen den für die den Belegungszustand des Harzes im Ionenaustausch-Differenzmessung maßgeblichen Elektrodenpaaren bett weiterverarbeitet werden kann,
befindet. Sobald die Übergangszone auch das letzte Um zu beweisen, daß die Bildung des Quotienten Elektrodenpaar passiert hat, ergibt sich der Differenz- aus dem Meßwiderstand und dem Bezugswiderstand wert Null, d. h., das Meßergebnis ist dann nicht mehr 5° ein brauchbares Arbeitsprinzip für eine Kontrolivorvon dem Meßergebnis für aktives Harz unterscheid- richtung von Ionenaustauschprozessen bildet, wurden bar. Sofern also bei Auftreten eines Differenzwertes zahlreiche Versuche durchgeführt. So wurde, als Beiaus irgendeinem Grund nicht die Einleitung des Re- spiel, Wasser sehr unterschiedlicher Zusammensetgeneriervorganges erfolgt ist, kann nach dem an- zung einer Enthärtung mittels eines Kation-Ausschließenden Verschwinden des Differenzwertes nicht 55 tauschharzes unterworfen, wobei sowohl für das mehr festgestellt werden, ob das Austauschbett noch aktive Harz (also das Harz in »Natriumform«) als aktiv oder schon nahezu erschöpft oder sogar schon auch für das erschöpfte Harz jeweils der Widerstand durchgeschlagen ist. Weiterhin wird aber auch bei im Ionenaustauschbett gemessen wurde. Dabei zeigte Messung der Widerstandsdifferenz das Meßergebnis sich, daß die Differenzen der für das aktive Harz noch durch die Konzentration der im Eluat gelösten 60 und das erschöpfte Harz ermittelten Werte in den leitfähigen Bestandteile beeinflußt. Bei schlechter verschiedenen Fällen erheblich voneinander abwi-Leitfähigkeit des Eluats ist die gemessene Wider- chen, das Verhältnis der ermittelten Werte aber relastandsdifferenz verhältnismäßig groß, sie wird mit tiv konstant blieb. Bei der Behandlung von verhältnissteigender Leitfähigkeit des Eluats aber geringer und mäßig weichem Wasser (etwa 8,4 Deutsche Härtekann bei hoher Leitfähigkeit sogar so klein sein, daß 65 grade [°d] — entsprechend 150 ppm CaCO₈ — bei sie dem Bereich der durch irgendwelche Sekundär- einem Gesamtsalzgehalt in der Größenordnung von einflüsse entstehenden Meßwertschwankungen nahe- 280 ppm) lag der Widerstand des aktiven Harzes im kommt. Das führt bei hohen Leitfähigkeiten des Bereich von 55 bis 57 °/o des Widerstandes des er-

schöpften Harzes. Dieses Verhältnis änderte sich bei beispielsweise der Zufluß der Regenerierflüssigkeit der Behandlung von sehr hartem und stark leitfähi- zum Austauschbett ausfallen sollte, z. B., weil der gem Wasser (etwa 106° d bei einem Gesamtsalzge- Tank mit Regenerierflüssigkeit leer ist oder weil eine halt von 7350 ppm) nur auf 58 bis 60 °/o. Wenn nun Pumpe oder eine Düse versagt, nimmt der Meßwert noch ein gewisser Sicherheitsbereich hinzugenommen 5 nicht in dem Ausmaß ab, als es bei ordnungsgemäßer und der Betriebszustand »Harz erschöpft« mit einem Einleitung der Regenerierflüssigkeit in das Austausch-Wert von etwa 70 bis 75 %> für das Verhältnis von bett der Fall wäre. Ein solches Nichtabsinken des Meßwiderstand zu Bezugswiderstand definiert wird, Meßwertes kann dann zum Auslösen einer entspreermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung somit chenden Warnung herangezogen werden,
die Verarbeitung praktisch aller vorkommenden io Ausgehend von der Erkenntnis, daß der (als ein Wassersorten ohne Notwendigkeit einer Neueinstel- Faktor in den Bezugswiderstand eingehende) spezilung oder Nachjustierung. fische Widerstand des erschöpften Harzes sich zwar Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben mit der Temperatur, aber nicht mit den sonstigen sich aber auch noch eine Reihe von weiteren Vortei- Betriebsbedingungen (z. B. der Konzentration des len und Betriebsmöglichkeiten, die mit einer Vor- 15 Eluats) ändert, ist es in vorteilhafter Weiterbildung richtung, welche lediglich Widerstandsdifferenzen der Erfindung möglich, den Bezugswiderstand durch zwischen zwei an verschiedenen Pegeln des Aus- eine elektrische Schaltungsanordnung nachzubilden, tauschbettes angeordneten Elektrodenpaaren fest- anstatt ihr unmittelbar in einer mit dem erschöpften stellt, nicht erreicht werden können. So kann der von Harz gefüllten und von dem noch unbehandelten der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelieferte Meß- »° Eluat durchströmten Zelle zu messen. Eine solche wert, also die dem Verhältnis vom Meßwiderstand Nachbildung des Bezugswiderstandes, die auf verzum Bezugswiderstand proportionale Spannung, bei- schiedene Weise realisiert werden kann, hat den Vorspielsweise unmittelbar auf ein Anzeigegerät (z. B. ein teil, daß der Bezugswiderstand nicht verfälscht wer-Mikro-Amperemeter oder einen Streifenschreiber) den kann durch irgendwelche Verunreinigungen, die gegeben und zur stetigen Anzeige des augenblick- »5 sich im Laufe der Zeit in der mit dem erschöpften liehen Betriebszustandes des Ionenaustauschbettes Harz gefüllten Zelle ansammeln können,
herangezogen werden. Wenn das Austauschbett (wie- Im einfachsten Fall kann zur Nachbildung des der für das Beispiel der Wasserenthärtung) zur Re- Bezugswiderstandes vorgesehen sein, daß die mit dem generierung in eine konzentrierte Salzlösung getaucht erschöpften Harz gefüllte Zelle und das ihr zugeordist, hat das Verhältnis von Meßwiderstand zu Be- 3° nete Elektrodenpaar ersetzt ist durch eine Parallelzugswiderstand einen sehr niedrigen Wert, der in der schaltung eines Festwiderstandes mit einem variablen, Regel unterhalb von 10 % liegt. Während des Ent- mittels einer Elektrodenanordnung in einer von dem härtungsvorganges, also wenn das aktive Harz von unbehandelten Eluat durchströmten Kammer gemesdem zu behandelnden Wasser durchströmt wird, liegt senen Widerstand.

der Meßwert normalerweise zwischen etwa 45 und 35 Die von einer solchen einfachen Schaltungsanord-

65 °/o, und gegen Ende des Enthärtungsvorganges, nung gelieferte Nachbildung des Bezugswiderstandes

wenn das Austauschbett sich der Erschöpfung nähert, ist für viele Anwendungsfälle brauchbar, in manchen

steigt der Meßwert gegen 100 °/o hin an. Fällen jedoch noch nicht genau genug. Zur genaueren

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- Nachbildung des Bezugswiderstandes kann diese Schaldung sind an die den Meßwert (also die dem Verhält- 40 tungsanordnung dahingehend ergänzt werden, daß in nis von Meßwiderstand zu Bezugswiderstand pro- dem den variablen Widerstand des Eluats enthaltenportionale Spannung) erzeugende Schaltung zwei di- den Zweig der Parallelschaltung ein mit dem vagitale Schaltkreise angeschlossen, von denen der eine riablen Widerstand des Eluats in Reihe liegender zuein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Meßwert den sätzlicher Festwiderstand angeordnet ist. Alternativ Wert für erschöpftes Harz annimmt, während der 45 dazu kann auch eine Abwandlung der einfachen andere ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Meß- Schaltungsanordnung dahingehend erfolgen, daß in wert etwas kleiner, aber nahe der Spannung ist, die dem den Festwiderstand enthaltenden Zweig der Pardem aktivierten und von Regenerierflüssigkeit freien allelschaltung ein mit dem Festwiderstand in Reihe Harz entspricht. Der Meßwert für das erschöpfte liegender variabler Zusatzwiderstand angeordnet ist Harz kann dabei in dem schon erwähnten Bereich 5° wobei dieser Zusatzwiderstand gemessen ist in einer von etwa 70 bis 75 %> liegen, während der dem akti- ebenfalls von dem unbehandelten Eluat durchströmvierten Harz entsprechende Meßwert bei etwa 40 °/o ten zweiten Kammer, deren Widerstandskonstante liegen kann. kleiner ist als die Widerstandskonstante der in dem

Mit dieser bevorzugten Ausführungsform der Er- anderen Zweig der Parallelschaltung liegenden, zur findung ist in einfacher Weise eine vollautomatische 55 Messung des variablen Widerstands des Eluats die-

Regelung des Austauschprozesses möglich. Die von nenden Kammer.

den beiden digitalen Schaltkreisen gelieferten Signale Falls die Temperatur des Eluats während des Be-

können dabei zur Ansteuerung von Ventilen und triebs Schwankungen unterworfen ist, muß in den

entsprechenden Absperrgliedem verwendet werden, Schaltungsanordnungen zur Nachbildung des Bezugsweiche entweder das zu behandelnde Eluat oder aber ⁶° Widerstandes auch noch eine Temperaturkompensa-

die Regenerierflüssigkeit für das Austauschbett frei- tion erfolgen. Das geschieht zweckmäßig dadurch,

geben und welche bei Ende des Austauschvorganges daß die betreffenden Festwiderstände jeweils ersetzt

bzw. des Regeneriervorganges wieder die entspre- sind durch die Parallelschaltung eines Thermistors

chende Umsteuerung besorgen. Die Tatsache, daß mit einem Festwiderstand, wobei diese Parallelschalder Meßwert jeweils den augenblicklichen Betriebs- 65 tung in Reihe liegt mit einem weiteren Festwider-

zustand des Austauschbettes angibt, gibt dabei der stand. Die Thermistoren werden dabei zweckmäßig

automatischen Regelung des Austauschvorganges eine in der von dem unbehandelten Eluat durchströmten

zusätzliche Sicherheit gegen einen Fehlbetrieb. Falls Kammer (bzw. den beiden Kammern) so angeordnet,

7 8

daß sie nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem mittelbar in einer mit dem erschöpften Harz gefüllten Eluat stehen, aber die gleiche Temperatur wie dieses und von dem noch unbehandelten Wasser durchannehmen. Der in solcher Weise nachgebildete Be- strömten Zelle erfolgen. Eine Ausführungsform einer zugswiderstand ändert sich dann mit der Temperatur solchen Zelle 7 zeigt die F i g. 2. Die Zelle ist mit praktisch proportional den temperaturbedingten Wi- 5 Austauschharz 8 gefüllt und wird in Pfeilrichtung von derstandsveränderungen in der mit dem erschöpften dem noch unbehandelten Wasser durchströmt, und Harz gefüllten und von dem unbehandelten Eluat zwar zweckmäßig im Nebenschluß zu der zum Ausdurchströmten Zelle. tauscher führenden Einlaßleitung des Wassers. Zwei

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungs- Membranen 9 sorgen dafür, daß das Harz 8 in der

beispielen an Hand der Zeichnungen näher erläutert, xo Zelle 7 verbleibt. Durch die Seitenwandungen der

Dabei stellen dar Zelle 7 sind zwei Elektroden in Form zweier Edel-

F i g. 1 eine Ausführungsform des Elektroden- Stahlstäbe 5, 6 hindurchgeführt, von denen die eine

paares zur Ermittlung des Meßwiderstandes, der beiden Elektroden geerdet ist.

F i g. 2 eine Ausführungsform des Elektroden- Die Ermittlung des Bezugswiderstandes unter un-

paares zur Ermittlung des Bezugswiderstandes, 15 mittelbarer Verwendung des erschöpften Harzes 8

F i g. 3 eine Ausführungsform einer Elektroden- kann einige Nachteile aufweiser, da das Harz 8 (im

anordnung zur Messung des Widerstandes des unbe- Gegensatz zu dem Harz im Austauschbett) niemals

bandelten Eluats, regeneriert oder gewaschen werden darf und sich

F i g. 4 ein Beispiel für eine einfache Schaltungs- deshalb das Harz 8 im Laufe der Zeit durch im Was-

anordnung zur Nachbildung des Bezugswiderstandes, ao ser mitgeführte Fremdkörper verunreinigen kann.

Fig.5 das Schaltbild einer Schaltung zur Ablei- Weiterhin kann auch, falls eine der das Harz8 ab-

tung einer dem Verhältnis von Meßwiderstand zu Be- sichernden Membranen 9 bricht, das Harz verlustig

zugswiderstand proportionalen Spannung sowie gehen. Aus diesen Gründen ist es zweckmäßiger, den

zweier daran angeschlossener digitaler Schaltkreise, Bezugswiderstand nicht unmittelbar unter Verwen-

F i g. 6 das Schaltbild einer anderen Schaltung zur as dung des erschöpften Harzes zu ermitteln, sondern in

Ableitung einer dem Verhältnis von Meßwiderstand einer elektrischen Schaltungsanordnung nachzubilden,

zu Bezugswiderstand proportionalen Spannung, An Hand von Testversuchen wurde festgestellt,

F i g. 7 schematisch eine Kette von Harzkügelchen, daß der durch ein Elektrodenpaar in einem von Was-

die sich in einem Eluat befinden, ser durchströmten Harzbett gemessene Widerstand im

F i g. 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung 30 Prinzip als Parallelschaltung zweier Widerstände auf-

der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß gefaßt werden kann, von denen der eine der Wider-

Fig.4, stand des Wassers und der andere der Widerstand

F i g. 9 eine verbesserte Schaltungsanordnung zur des Harzes ist. Dementsprechend ist es möglich, die

Nachbildung des Bezugswiderstandes, in Fig. 2 gezeigte Zelle zur Ermittlung des Bezugs-

F i g. 10 eine andere verbesserte Schaltungsanord- 35 Widerstandes zu ersetzen durch die Schaltungsanordnung zur Nachbildung des Bezugswiderstandes und nung gemäß F i g. 4, in der ein Festwiderstand r 1 und

Fig. 11 eine Thermistoren enthaltende Schaltung ein variabler Widerstand R 1 in zwei Zweigen parzur Temperaturkompensation des nachgebildeten Be- allel zueinander geschaltet sind. Der variable Widerzugswiderstandes, stand R 1 ist dabei der Widerstand des unbehandelten

Die nachfolgende Beschreibung geht aus von dem 40 Wassers. Mit diesem Widerstand R1 in Reihe liegt

Beispiel der Wasserenthärtung mittels eines Kation- eine Kapazität C, die lediglich die Funktion hat,

Austauschharzes, welches in seinem aktiven Zustand einen Gleichstromfluß durch das Wasser zu verhin-

mit Natrium-Ionen und in seinem erschöpften Zu- dem. Der Wert der Kapazität C ist so groß, daß ihre

stand mit Calcium- und Magnesium-Ionen belegt ist. Impedanz für einen Wechselstrom der benutzten Fre-

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Wasserenthär- 45 quenz vernachlässigbar ist.

rung beschränkt, sondern kann grundsätzlich bei allen Der Widerstand R1 kann beispielsweise mit der in

Ionenaustauschprozessen Anwendung finden. F i g. 3 gezeigten Elektrodenanordnung gemessen

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist grund- werden. Diese Elektrodenanordnung besteht aus einer

sätzlich die Ermittlung eines Meßwiderstandes und Einzelelektrode 11 und einer geerdeten Doppelelek-

die Ermittlung eines Bezugswiderstandes vorgesehen. 5° trode 12, wobei alle Elektroden sich innerhalb einer

Zur Ermittlung des Meßwiderstandes kann das in Kammer 10 befinden, die von dem unbehandelten

F i g. 1 gezeigte Elektrodenpaar 1, 2 dienen. Dieses Wasser durchströmt wird.

Elektrodenpaar hat die Form zweier Edelstahlzylin- Die Güte der mit der Schaltungsanordnung gemäß der, die etwa 35 bis 40 mm Durchmesser und 10 bis F i g. 4 erzielbaren Nachbildung des Bezugswider-12 mm Länge aufweisen und mit einem Zwischen- 55 Standes läßt sich an Hand des Schaubildes der F i g. 8 raum von SO bis 70 nun auf einem Kunststoffzaun- erkennen. In diesem Schaubild ist die dem Verhältder3 angeordnet sind. Dieser Kunststoffzylinder ist nis von Meßwiderstand zu Bezugswiderstand pronahe dem Austrittspunkt des Eluats durch die Wan- portionale Spannung
dung 4 des Ionenaustauschbehälters hindurchgefühlt, ν — l· ^^r
so daß sich das Elektrodenpaar 1, 2 in dem Aus- 60 ν — κ· —^-
tauschbett befindet. Die der Wandung 4 nähere Elektrode 1 ist dabei geerdet, ebenso wie auch alle Metall- (worin Ar den Meßwiderstand und Rc den gemäß teile des Austauschers selbst Zur Messung werden F i g. 4 durch einen Ohmschen Widerstand und einen zweckmäßig sehr kleine Ströme und verhältnismäßig elektrolytischen Widerstand nachgebildeten Bezugshohe Frequenzen von 1 kHz oder mehr verwendet. 65 widerstand bedeuten) in bezug gesetzt zu dem spezifi-Die dabei gemessenen Widerstände sind gering, in der sehen Widerstand ρ des unbehandelten Wassers. Im Regel sind sie kleiner als 100 Ohm. Idealfall ist der nachgebildete Bezugswiderstand Rc

Die Ermittlung des Bezugswiderstandes kann un- dem tatsächlich in einer mit dem Harz gefüllten Zelle

ίο

gemessenen Bezugswiderstand (der nachfolgend mit reichend groß gegenüber Rr bemessen sind, dann gilt

»Afc« bezeichnet wird) gleich oder ihm proportional. für die endgültig abgeleitete Spannung
Damit muß im Idealfall der Wert für V unabhängig

vom spezifischen Widerstand des Wassers konstant y_e _ Y^_.^_r _ ^ . ^^r _ ^3. ™

sein, d. h., wenn Wasser verschiedenartiger Zusam- 5 re re ρ ρ '
mensetzung verwendet wird, darf sich der Wert V

praktisch nicht ändern. Die F i g. 8 zeigt nun, daß V d. h., die Spannung Ve ist proportional dem Quotienbei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 4 eine ge- ten aus dem Meßwiderstand Rr und dem (nachgewisse Abhängigkeit von dem spezifischen Widerstand bildeten) Bezugswiderstand Rc.
des unbehandelten Wassers hat, die allerdings für »° Die Spannung Ve kann über den Verstärker 17 viele Anwendungsfälle vernachlässigt werden kann. auf ein Anzeigegerät 20 (z. B. ein Mikro-Ampere-Damit liefert die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 meter, einen Streifenschreiber od. dgl.) gegeben werfür viele Anwendungsfälle eine brauchbare Nachbil- den, wo Ve abgelesen werden kann. Die Verstärker dung des Bezugswiderstandes. 18 und 19 steuern zwei bistabile Kippschaltungen E Es sei nunmehr die Schaltung zur Ableitung einer 15 und F an, die bei vorbestimmten Werten von Ve umdem Verhältnis von Meßwiderstand Rr zu Bezugs- kippen. Diese vorbestimmten Werte hängen von den widerstand Rb bzw. Rc proportionalen Spannung in Verstärkungsfaktoren der Verstärker 18 und 19 ab, zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Die F i g. 5 wobei diese Verstärkungsfaktoren so eingestellt sein zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen können, daß die eine Kippschaltung bei einem der Schaltung 5, der ein Anzeigegerät 20 sowie zwei digi- *° beginnenden Erschöpfung des Austauschharzes enttale Schaltkreise E und F nachgeschaltet sind. In der sprechenden Pegel von Ve ausgelöst wird, während Schaltung 5 ist dabei die Schaltungsanordnung gemäß die Auslösung der anderen Kippschaltung bei einem F i g. 4 mit den dort schon erläuterten Widerständen Pegel von Ve erfolgt, der nahe dem Wert für das r 1 und R1 enthalten, d. h., die Schaltung 5 arbeitet regenerierte und von Regenerierlösung freien Harz mit einem nachgebildeten Bezugswiderstand Rc. 35 gilt, also dem Ende des Regenerierungsvorganges zu-Die Arbeitsspannung Vo für die Schaltung S gemäß geordnet ist. Mit den beiden bistabilen Schaltungen E F i g. 5 wird in Form einer sinusförmigen, rechteck- und F werden jeweils ein Relais 21 bzw. 22 betätigt, förmigen oder anderen regelmäßigen Schwingung die entweder eine Warnung auslösen oder entsprekonstanter Amplitude mit einer Frequenz von 1 bis chende automatische Arbeitsschritte einleiten.
5 kHz von einem Oszillator 15 geliefert. Dem Oszil- 3° Während die Schaltung S zur Ableitung der Spanlator ist dabei eine Kapazität 16 nachgeschaltet, die nung Ve als Transistorschaltung ausgebildet ist, zeigt bei der Arbeitsfrequenz als Kurzschluß betrachtet die F i g. 6 das Beispiel der Ausbildung dieser Schalwerden kann und lediglich als Gleichstromsperre tung nach Art einer bei Analogrechnungen üblichen dient. Das gleiche gilt auch für alle übrigen in der Schaltung zur Spannungsteilung durch implizite Rech-F i g. 5 nicht weiter bezifferten Kapazitäten. Ein fester 35 nung.

Anteil der Arbeitsspannung Vo wird der Basis eines Auch bei der Schaltung gemäß F i g. 6 ist ein Oszil-Transistors T1 zugeführt, an dessen Emitter die Basis lator 25 vorhanden, der eine Wechselspannung Vo eines zweiten Transistors T 2 angeschlossen ist. An mit einer Frequenz von 1 bis 5 kHz liefert. Dem Osdem Emitter des zweiten Transistors T 2 liegt die zillator 25 ist dabei wiederum eine Kapazität 26 Schaltungsanordnung gemäß Fig.4 mit den beiden 40 nachgeschaltet, die (ebenso wie die vorherigen Kaparallelen Widerständen r 1 und R 1, also die Schal- pazitäten 26) bei der Arbeitsfrequenz als Kurztungsanordnung, die den nachgebildeten Bezugswider- Schlüsse betrachtet werden können und nur als Gleichstand Rc liefert. Der Gleichstromemitterwiderstand Stromsperre dienen.

der Transistoren ist gleich r 1, während für die Wech- Die Spannung Vo fällt über zwei parallele Wider-

selstromemitterimpedanz die Beziehung 45 Standsgruppen ab, von denen die eine einen Widerstand Ra und die Parallelschaltung der Widerstände

_ rl-Rl _r 1 _uncj # 1 (j_n der Schaltungsanordnung gemäß

rl + Rl Fig.4) enthält, während die andere einen Widerstand

stand rb sowie den Meßwiderstand Ar enthält Falls

gilt. Wenn r 1 passend gewählt ist, dann ist ρ an- 5° der Wert von ρ (der die vorangehend an Hand der nähernd proportional dem nachgebildeten Bezugs- Fig.5 erläuterte Bedeutung hat) sehr klein ist gewiderstand Rc. genüber ra, gilt für die hinter ra abgegriffene Span-Die von den Transistoren gelieferte Kollektor- nung die Beziehung
Wechselspannung Vc ist umgekehrt proportional dem Vo

1 „ Va = ρ = k 1 · ρ.

Widerstand p, d. h., es gilt Vc = Kl · —. Diese Span- ^{03 ra}

nung Vc wird durch einen Verstärker 14 mit einem Entsprechend gilt, falls Rr sehr klein ist gegen-

Verstärkungsfaktor G verstärkt, wodurch sich am über rb, für die hinter rb abgegriffene Spannung die

Verstärkungsausgang die Spannung Beziehung

r p

Die beiden Spannungen Va und Vb werden in

einstellt. Dem Verstärker 14 ist ein Widerstand re zwei Verstärkern 27 bzw. 28 verstärkt, und zwar· mit nachgeschaltet, hinter dem der Meßwiderstand Ar an 65 den Verstärkungsfaktoren Ga bzw. Gb. Damit erErde liegt. Wenn re sehr groß gegenüber Ar ist, und geben sich die Spannungen
wenn auch die Eingangsirapedanzen der weiterhin
noch nachgeschalteten Verstärker 17,18 und 19 hin- Vd — kl · Ga - ρ und VV = kl · Gb ■ Rr.

11 12

Diese beiden verstärkten Spannungen werden mit weichungen des nachgebildeten Bezugswiderstandes Hilfe eines Vervielfachers 29 und eines weiteren Rc von dem tatsächlichen Bezugswiderstand Rb über Verstärkers 30 miteinander ins Verhältnis gesetzt, was einen Bereich des spezifischen Widerstandes des Waszu einer Ausgangsspannung sers von 800 bis 4000 Ohm/cm weniger als 2 °/e bs"

5 trugen.

Ve = k3 ^' = Jfc3·— "_lii^- . 3üL — χ . ^^r Eine andere Schaltungsanordnung zur Erzeugung

y_a· kl-Ga ρ ~~ ρ ^c'^nes nachgebildetem Bezugswiderstandes Rc von ge

genüber der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 4 hö-

führt. Diese Ausgangsspannung Ve entspricht der herer Genauigkeit zeigt die F i g. 10. Diese Schal-Ausgangsspannung Ve im Falle der Fig.5, sie kann io tungsanordnung enthält wiederum in zwei zueinander in gleicher Weise wie dort verstärkt und auf ein An- parallelen Zweigen den Festwiderstand r 1 und den zeigeinstrument gegeben bzw. nachgeschalteten variablen Widerstand R1 sowie weiterhin die als Schaltkreisen zur Relaisbetätigung zugeleitet werden. Gleichstromsperre dienende Kapazität C. Zusätzlich

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der durch ist dabei jedoch in denjenigen Zweig, der den vadie Schaltungsanordnung gemäß Fig.4 nachgebil- 15 riablen Widerstand R 1 enthält, in Reihe damit noch dete Bezugswiderstand Rr zwar dem tatsächlichen ein weiterer Festwiderstand rl zugeschaltet. Dieser Bezugswiderstand Rb weitgehend entspricht, aber weitere Festwiderstand rl hat dabei gegenüber dem noch eine gewisse Abhängigkeit von der Konzentra- Festwiderstand r 1 einen geringen Wert,
tion des verwendeten Wassers hat und deshalb für Eine der Fig.7 entsprechende physikalische Erbestimmte Anwendungsfälle nicht genau genug sein 10 läuterung der Vorgangsweise kann für die Schaltungskann. In der F i g. 9 ist eine gegenüber F i g. 4 ver- anordnung gemäß F i g. 10 nicht gegegeben werden, besserte Schaltungsanordnung gezeigt, die eine ge- Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 10 beruht auf nauere Nachbildung Rc des Bezugswiderstandes Rb der Überlegung, daß bei hohen spezifischen Widerliefert. ' ständen des Wassers eine bessere Konstanz des Wer-

Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 9 ist eben- »5 tes für V erreicht werden kann, wenn der Festwiderso wie die Schaltungsanordnung gemäß Fig.4 eine stand rl einen hohen Wert hat, während der Fest-Parallelschaltung, deren einer 7weig den variablen widerstand rl dann nahezu keinen Einfluß auf den Widerstand R 1 und deren andc rer Zweig den Fest- Gesamtwiderstand des den Festwiderstand r 2 und widerstand r 1 enthält und die weiterhin noch mit den variablen Widerstand R 1 enthaltenden Zweiges einer Kapazität C als Gleichstromsperre versehen ist. 30 hat. Der Festwiderstand r 2 stellt dagegen eine Ver-Die Widerstände R 1 und r 1 haben dabei die an besserung bei geringen spezifischen Widerständen des Hand der F i g. 4 erläuterte Bedeutung. Zusätzlich zur Wassers sicher, weil er dann einen wesentlicheren F i g. 4 ist bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 9 Anteil an dem Gesamtwiderstand des durch den Festjedoch noch in dem den Festwiderstand r 1 enthalten- widerstand r 2 und den variablen Widerstand R1 geden Zweig ein variabler Zusatzwiderstand R1 einge- 35 bildeten Zweiges hat und dadurch den Verlauf der schaltet, und zwar in Reihe mit dem Festwiderstand in F i g. 8 gezeigten Kurve bei geringen spezifischen r 1. Der variable Widerstand R1 ist ähnlich wie der Widerständen des Wassers verflacht. Bei Vergleichs-Widerstand R1 in einer Kammer gewonnen, die nach versuchen mit Lewatit-S-100 betrug die maximale Art der in F i g. 3 gezeigten Kammer 10 von dem Schwankung über einen Bereich des spezifischen Wieinströmenden Wasser durchflossen ist und Elektro- 4° derstandes des Wassers von 800 bis 4000 Ohm/cm den zur Widerstandsmessung enthält. Die zur Er- größenordnungsmäßsg etwa 6 bis 7 °/o.
mittlung des Widerstandes R 2 dienende Kammer Sowohl die einfache Schaltungsanordnung gemäß

hat dabei jedoch eine gegenüber der Kammer zur F i g. 4 als auch die verbesserten Schaltungsanordnun-Ermittlung des Widerstandes R 1 kleinere Wider- gen gemäß F i g. 9 und 10 sind zwar weitgehend oder standskonstante, deren Wert insbesondere von der 45 zumindest befriedigend unabhängig von dem spezifi-Harzcharakteristik (Größe der Kügelchen) abhängt sehen Widerstand des Wassers, setzen jedoch sämtlich und normalerweise bei etwa 5 bis 10 % des Wertes eine im wesentlichen konstante Temperatur voraus, für die Kammer zur Ermittlung des Widerstandes R 1 Falls Temperaturschwankungen in dem einströmenliegt, den Wasser zu berücksichtigen sind, müssen diese

Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 9 bildet die 50 Schaltungsanordnungen noch mit einer zusätzlichen in der Fig.7 schematisch dargestellten physikali- Temperaturkompensation versehen sein. Eine Mögschen Verhältnisse nach, indem angenommen ist, daß lichkeit einer solchen Temperaturkompensation, die der Widerstand einer in das Wasser 32 eingetauchten in F i g. 11 gezeigt ist, besteht darin, daß jeder der Harzmasse 31 die -Form zweier parallelgeschalteter Festwiderstände r 1 bzw. r 1 durch eine Gruppe von Widerstände besitzt, von denen der eine der Wider- 55 drei Widerständen ersetzt wird, von denen einer ein stand des Wassers ist, während der andere als Reihen- Thermistor / ist, während die beiden anderen Widerschaltung des dem Harz 31 innewohnenden Wider- stände r3 und r4 wiederum Festwiderstände sind. Standes und des Widerstandes des zwischen den Harz- Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Therkügelchen befindlichen Wassers ist. Dementsprechend mistor t mit einem Festwiderstand r 3 in Parallelführt die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 9 bei 60 schaltung liegt und diese Parallelschaltung als solche unterschiedlichen Werten des spezifischen Widerstan- in Reihe mit dem anderen Festwiderstand r 4 gelegt des des Wassers zu einem nahezu völlig konstanten ist. Die Thermistoren müssen natürlich jeweils die Wert für die das Verhältnis von Meßwiderstand zu Temperatur des Wassers (und des Harzes) aufweisen, Bezugswiderstand darstellende Spannung V, d. h., bei was dadurch geschehen kann, daß sie innerhalb einer Zugrundlegung der F i g. 9 wird die in F i g. 8 gezeigte 65 Kapsel in dem strömenden Wasser angeordnet wer-Kurve nahezu eine parallel zur Abszisse verlaufende den, ohne aber einen unmittelbaren, die Gefahr von Gerade. Durch Vergleichsversuche und Verwendung Kurzschlüssen bringenden Kontakt mit dem Wasser von Lewatii-S-100 wurde festgestellt, daß die Ab- zuhaben.

Falls die Fesrwidersiände r 3 und r 4 und der Thermistor t entsprechend bemessen werden, kann der Gcsamiwiderstaad der gemäß Fig. Π temperaturkompensierten Schaltungsanordnungen, wie sie in den F i g. 4, 9 und 10 dargestellt sind, ungefähr proportio-

nal den Temperaturschwankungen gehalten werden. Diese Temperaturkompensation ist besonders optimal bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig.9. Bei den beiden anderen Schaltungsanordnungen ist sie nicht ganz so gut, aber immer noch befriedigend.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Ionenaustauschharzes mittels zweier Elektrodenpaare, Patentansprüche: von denen eines in einem geringen Abstand vor dem Austrittspunkt des Eluats angeordnet ist.

1. Elektronische Vorrichtung zur Kontrolle von Bei Ionenaustauschprozessen ist eine mehr oder Ionenaustauschprozessen durch Messung des 5 weniger ständige Überprüfung des Belegungszustanelektrischen Widerstandes des Ionenaustauschhar- des des Ionenaustauschharzes sehr wünschenswert, zes mittels zweier Elektrodenpaare, von denen damit rechtzeitig festgestellt werden kann, wann das eines in einem geringen Abstand vor dem Aus- Harz erschöpft ist und regeneriert werden muß. Diese trittspunkt des Eluats angeordnet ist, dadurch Überprüfung kann auf verschiedene Weise erfolgen, gekennzeichnet, daß das zweite Elektro- *o z. B. durch periodische Analyse des Eluats. Am denpaar (5, 6) in einer mit erschöpftem Harz (8) zweckmäßigsten hat es sich jedoch erwiesen, diese gefüllten Zelle (7) angeordnet ist und beide Elek- Überprüfung durch laufende Messung des Widertrodenpaare (1, 2 bzw. 5, 6) an eine Schaltung (S) Standes (bzw. der Leitfähigkeit) des Ionenaustauschangeschlossen sind, die eine dem Verhältnis der harzes durchzuführen, da dessen spezifischer Widermit dem ersten und dem zweiten Elektrodenpaar 15 stand unmittelbar davon abhängt, mit welchem Ion ermittelten Widerstände (Rr, Rb) proportionale das Harz gerade belegt ist. Bei einem Kation-Aus-Spannung (Ve) erzeugt, welche dem Meßwert für tauschharz beispielsweise ist dessen Widerstand bei den Belegungszustand des Harzes im Ionenaus- Belegung mit einwertigen Ionen (z. B. Na⁺) kleiner tauschbett darstellt. als bei Belegung mit zweiwertigen Ionen (z. B. Ca^{+ +}

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ao oder Mg⁺+).

kennzeichnet, daß an die den Meßwert (Span- Während des Betriebs eines lonenaustauschbettes

nung Ve) erzeugende Schaltung (S) zwei digitale ergeben sich somit entsprechend dem sich ändernden Schaltkreise (E, F) angeschlossen sind, von denen Belegungszustand des Harzes verschiedene Zonen der eine ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der mit unterschiedlichem Widerstandswert für das Harz. Meßwert (Ve) den Wert für erschöpftes Harz as In Strömungsrichtung des Eluats bildet sich zunächst, annimmt, während der andere ein Ausgangssignal vom Eintiittspunkt des Eluats ausgehend, eine Zone erzeugt, wenn der Meßwert etwas kleiner, aber aus, die praktisch erschöpftes Harz enthält und sonahe der Spannung ist, die dem aktivierten und mit den für erschöpftes Harz geltenden Widerstand von Regenerierflüssigkeit freien Harz entspricht. aufweist. Dann folgt eine verhältnismäßig schmale,

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- 30 sich stetig zum Ausgangspunkt hin verschiebende durch gekennzeichnet, daß die mit dem erschöpf- Übergangszone, in der der Austauschprozeß stattten Harz (8) gefüllte Zelle (7) und das ihr züge- findet, und daran schließt sich schließlich die das ordnete Elektrodenpaar (5, 6) ersetzt ist durch noch aktive Harz enthaltende Zone an, die den für eine Parallelschaltung eines Festwiderstandes (r 1) das aktive Harz geltenden Widerstand besitzt.

mit einem variablen, mittels einer Elektroden- 35 Es wäre nun denkbar, die Kontrolle von Ionenausanordnung (11, 12) in einer von dem unbehan- tauschprozessen einfach auf die laufende Messung delten Eluat durchströmten Kammer (10) gemes- des Widerstandes des Harzes in der Nähe des Aussenen Widerstand (R 1). trittspunktes des Eluats zu stützen, indem in einem

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- geringen Abstand (von z. B. 12 bis 15 cm) vor dem kennzeichnet, daß in dem den Festwiderstand (r 1) 40 Austrittspunkt des Eluats im Ionenaustauschbett mit enthaltenden Zweig der Parallelschaltung ein mit einem Elektrodenpaar eine laufende Widerstandsmesdem Festwiderstand in Reihe liegender variabler sung durchgeführt wird. Im Idealfall hat der gemes-Zusatzwiderstand(Ä 2) angeordnet ist, welcher ge- sene Widerstand dabei zu Beginn des Betriebs zumessen ist in einer zweiten, ebenfalls von dem nächst einen konstanten Wert, entsprechend dem unbehandelten Eluat durchströmten Kammer, de- 45 noch aktiven Harz. Sobald die Übergangszone das ren Widerstandskonstante kleiner ist als die Wi- Elektrodenpaar erreicht hat, ändert sich der Widerderstandskonstante der in dem anderen Zweig der stand, und schließlich pendelt er sich wieder, sobald Parallelschaltung liegenden Kammer (10). das Harz im Bereich des Elektrodenpaares zur er-

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- schöpften Zone gehört, auf einen anderen konstanten kennzeichnet, daß in dem den variablen Wider- 50 Wert ein, der dem erschöpften Zustand des Harzes stand (R 1) des Eluats enthaltenden Zweig der entspricht.

Parallelschaltung ein mit dem variablen Wider- Ein derartiges einfaches Kontrollverfahren hat

stand in Reihe liegender zusätzlicher Festwider- jedoch schwerwiegende Nachteile. Der Hauptnachteil stand (r 2) angeordnet ist. liegt darin, daß der mit dem Elektrodenpaar tatsäch-

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 55 lieh gemessene Widerstandswert sich zwangsläufig bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festwider- aus dem Widerstand der einzelnen Harzpartikeln und stände (r 1, r 2) jeweils ersetzt sind durch die dem Widerstand des durchströmenden Eluats zusam-Parallelschaltung eines Thermistors (t) mit einem mensetzt, wodurch der Widerstand des Eluats einem Festwiderstand (r3), wobei diese Parallelschal- erheblichen Einfluß auf das Meßergebnis bekommt, tung in Reihe liegt mit einem weiteren Festwider- 60 Brauchbare Meßergebnisse sind deshalb nur mögstand (r 4). lieh, wenn die Konzentration der im Eluat gelösten

leitfähigen Bestandteile während des Betriebs kon-

stant bleibt, was in der Praxis normalerweise nicht

der Fall ist. Beispielsweise können bei der Wasser-65 enthärtung mittels eines Kation-Austauschharzes die

Die Erfindung betrifft eine elektronische Vorrich- Konzentrationen der im Wasser gelösten Salze je ig zur Kontrolle von Ionenaustauschprozessen nach der Quelle, aus der das zu behandelnde Wasser rch Messung des elektrischen Widerstandes des stammt, innerhalb sehr weiter Grenzen schwanken,