DE19934043A1 - Verfahren zur meßtechnischen Bestimmung der Konzentration gelöster verdampfbarer Inhaltsstoffe - Google Patents

Abstract

Mit dem Verfahren wird die Genauigkeit bekannter Einrichtungen zur Bestimmung der Konzentration gelöster verdampfbarer Inhaltsstoffe in einem flüssigen Medium - wie z. B. Alkohol im Feuchtmittel für den Offsetdruck - für den Fall veränderlicher Temperaturen des flüssigen Mediums verbessert. Bisherige Systeme, die auf der Bestimmung der Infrarotabsorption in der Gasphase basieren, haben - neben vielen Vorteilen im Vergleich zu Systemen, die die Messung in der Flüssigphase vornehmen - den Nachteil, daß die Messung nur dann sehr genau ist, wenn die Temperatur des flüssigen Mediums hinreichend lange konstant war. Die vorliegende Erfindung stellt diesen Nachteil dadurch ab, daß nicht die unmittelbar in der Flüssigphase gemessene Temperatur T, sondern eine davon abgeleitete Größe T* zur Berechnung der Konzentration c aus dem gemessenen Absorptionsgrad x herangezogen wird. Dabei wird T* als Ausgangsgröße eines Verzögerungsgliedes erzeugt, dessen Eingangsgrößen die gemessene Temperatur T und gegebenenfalls die Größe x sind und dessen dynamisches Verhalten mit dem des Verdampfungsprozesses näherungsweise übereinstimmt. Dabei werden unter dem Begriff Verdampfungsprozess alle physikalischen Teilprozesse zusammengefaßt, die insgesamt dafür sorgen, daß sich nach Temperaturänderungen in der Flüssigphase die Konzentration des Inhaltsstoffes in der Gasphase erst nach einer gewissen Zeit auf den neuen stationären Gleichgewichtswert einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Konzentration c verdampfbarer In­ haltsstoffe, die in einem flüssigen Medium gelöst sind. Sie betrifft ferner ein nach die­ sem Verfahren arbeitende Meßeinrichtung sowie eine damit in Verbindung stehende Regeleinrichtung, die dafür sorgt, daß die Konzentration c einem vorgegebenen Soll­ wert oder Sollwertverlauf entspricht. Die Erfindung zielt in erster Linie auf die Verbesse­ rung der Messung und Regelung der Konzentration von in Wasser gelöstem Isopro­ pylalkohol, kurz IPA, ab. Dies hat für die Aufbereitung des Feuchtmittels für den Offset­ druck eine große wirtschaftliche Bedeutung. Der Druckprozeß erfordert nämlich eine bestimmte IPA-Mindestkonzentration. Und wenn es gelingt die störbedingten Schwan­ kungen des Istwertes der IPA-Konzentration zu reduzieren, dann läßt sich der Sollwert der IPA-Konzentration absenken. Dies führt zu einer Verringerung des Alkoholeinsat­ zes, wodurch Kosten gespart werden und die Atemluftbelastung reduziert wird.

Die Erfindung geht von dem Meßprinzip für IPA-Konzentrationen aus, wie es in der Druckschrift 1 [B. Schulte: Alkoholreduzierter Druck mit neuem Mess- und Dosiergerät, Deutscher Drucker, Nr. 23-24, 1999] beschrieben ist. Seine wesentlichen Elemente sind in Fig. 1 dargestellt. Das Feuchtmittel strömt durch das Rohr 1 in die Überlauf­ kammer 2. Der Abfluß 3 sorgt für einen konstanten Füllstand. Die eigentliche Messung findet nicht in der Flüssigkeit, sondern in der Gasphase in der Meßkammer 4 statt. Die­ se ist - um Verschmutzungen fernzuhalten - durch eine gasdurchlässige Membran 5 von der Flüssigkeit getrennt. Die Messung basiert auf der Bestimmung der Infrarotab­ sorption: Mit Infrarotsensoren 6 wird festgestellt, wie stark das von der Infrarot- Lichtquelle 7 ausgesandte Licht durch den IPA in der Gasphase in bestimmten Fre­ quenzbereichen absorbiert wird. Maßgebend hierfür ist ein aus der Messung abgelei­ teter Infrarot-Absorptionsgrad x. Dieses Meßprinzip hat gegenüber einer direkten Mes­ sung in der Flüssigphase die in der Druckschrift 1 herausgestellten Vorzüge. Allerdings ist bei diesem Meßprinzip zu berücksichtigen, daß die IPA-Konzentration, die sich in der Gasphase über der Flüssigkeit einstellt, temperaturabhängig ist. Der stationäre Zu­ sammenhang ist aus der Theorie bekannt und auch ohne Theorie empirisch bestimm­ bar. Basierend hierauf wird ein Funktionsglied 8 (Fig. 2) konstruiert, das in Abhängigkeit von dem in der Gasphase gemessenem Infrarot-Absorbtionsgrad x und der in der Flüs­ sigkeit gemessenen Temperatur T einem Ausgangswert y = f(x,T) liefert. Dieser ent­ spricht der IPA-Konzentration c in der Flüssigkeit in sehr guter Näherung. Dies ist der Stand der derzeitigen Technik.

Dieses herkömmliche Verfahren arbeitet allerdings nur dann sehr genau, wenn die Temperatur T so lange konstant gewesen ist, bis sich in der Gasphase die zur Tempe­ ratur T gehörige Sättigungskonzentration ausgebildet hat. Tatsächlich muß die Feuchtmittelaufbereitung aber die Feuchtmitteltemperatur innerhalb bestimmter Gren­ zen halten. Hierzu ist eine Kühleinrichtung vorgesehen, die das Feuchtmittel nach Be­ darf kühlt und damit der durch den Druckprozeß verursachten Erwärmung entgegen­ wirkt. Der Eingriff dieser Kühlung kann zu derart schnellen Temperaturänderungen des Feuchtmittels führen, daß die Genauigkeit der o. a. IPA-Konzentrationsmessung stö­ rend beeinträchtigt wird. Dies gilt insbesondere, wenn zur Temperaturregelung her­ kömmliche, schaltend arbeitende Regeleinrichtungen eingesetzt werden.

Die Erfindung stellt diesen Mangel weitgehend ab: Sie verbessert die Meßgenauigkeit bei Vorliegen von Temperaturvariationen im flüssigen Medium und vergrößert damit auch die Genauigkeit einer nachgeschalteten Regeleinrichtung. Die erfindungsgemäße Lösung wird im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben. Verbesserungen und weite­ re Ausgestaltungen werden in den übrigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung geht von der Feststellung aus, daß die herkömmliche Meßeinrichtung deshalb bei nicht konstanter Temperatur ungenauer arbeitet, weil die Ausbildung des Gleichgewichtes zwischen der Konzentration in der Gas- und Flüssigphase (im folgen­ dem Verdampfungsprozeß genannt) nicht spontan erfolgt, sondern ein Zeitverhalten zeigt. Insbesondere kann der Verdampfungsprozeß langsamer als eine Temperaturän­ derung in der Flüssigkeit erfolgen. Der Kern der Erfindung besteht in der Idee, daß dem Funktionsglied 8 ein Verzögerungsglied 9 vorgeschaltet wird, das die gemessene Flüs­ sigkeitstemperatur T mit einem geeigneten Zeitverhalten an das Funktionsglied 8 wei­ terleitet (Fig. 3). Dabei wird auch die Option vorgesehen, daß das Zeitverhalten durch die Größe x beeinflußt wird. Je besser das Zeitverhalten des Verzögerungsgliedes auf das dynamische Verhalten des Verdampfungsprozesses unter Einbeziehung des Zeit­ verhaltens der Temperatursensorik abgestimmt ist, desto größer ist der resultierende Korrektureffekt. Als eine einfache Variante wird ein nicht von x abhängiges Verzöge­ rungsglied in Form eines linearen Übertragungsgliedes mit der Übertragungsfunktion H(s) = 1/(1 + T₀(s) vorgesehen, dessen Zeitkonstante T₀ so gewählt ist, daß sie dem Zeitverhalten des Ausgleichprozesses pauschal entspricht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß komplexere Verzöge­ rungsglieder vorgesehen werden. Hierfür werden kontinuierliche oder zeitdiskrete linea­ re Glieder höherer Ordnung mit den beiden Eingangsgrößen T und x vorgesehen. Da der Verdampfungsprozeß durch eine nichtlineare Differentialgleichung beschrieben wird, läßt sich der Korrektureffekt durch den Übergang zu nichtlinearen Verzögerungs­ gliedern weiter verbessern. Fig. 4 zeigt ein Beispiel dafür: Eingangsgrößen sind der aktuelle und zeitlich frühere Temperaturwerte und entsprechende Werte von x sowie zeitlich frühere Werte der Ausgangsgröße T*. Der aktuelle Wert T*(t) der Ausgangs­ größe wird als nichtlineare Funktion dieser Eingangsgrößenwerte bestimmt. Zur Auf­ stellung dieser Funktion wird beispielsweise ein Strukturansatz in Form eines Fuzzy- Systems gemacht und die hierfür erforderlichen Fuzzy-Regeln datenbasiert mit dem Fuzzy-ROSA-Verfahren gelernt, das in der Druckschrift 2 [A. Krone, U. Schwane: Gen­ erating Fuzzy Rules from Contradictory Data of Different Control Strategies and Control Performances, 5^th IEEE International Conference on Fuzzy Systems, New Orleans, pp. 492-497, 1996] und in der Druckschrift 3 [H. Kiendl: Fuzzy Control methodenorientiert, Oldenbourg Verlag, München, Wien, 1997] beschrieben ist. Zur Bereitstellung geeig­ neter Lerndaten für den Einsatz dieses Verfahrens werden geeignete Szenarien expe­ rimentell untersucht, darunter auch solche, bei denen die Konzentration c konstant bleibt, während die Temperatur T sich ändert. Gewünscht wird generell, daß der Ver­ lauf y*(t) des Ausgangswertes des in Fig. 4 dargestellten Gesamtsystems unabhängig von dem Temperaturverlauf T(t) möglichst gut mit dem Verlauf c(t) der Konzentration übereinstimmt. Dann ist die Größe Q = ∫(c(t)-y*(t))²dt ein Maß für die Qualität des Verzögerungsgliedes. Dieses Maß wird zum Entwurf und zur Feinabstimmung des Ver­ zögerungsgliedes herangezogen. Alternativ kann das nichtlineare Funktionsglied 10 in Form eines künstlichen neuronalen Netzes angesetzt und das Training des Netzes da­ tenbasiert mit existierenden Lernverfahren durchgeführt werden.

Bei Verwendung einfacher Verzögerungsglieder kann die Feinabstimmung der darin enthaltenen freien Parameter auch online durchgeführt werden. Hierzu werden vor In­ betriebnahme oder in Betriebspausen aussagekräftige Szenarien gefahren und ausge­ wertet.

Eine weiterführende Ausgestaltung zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit besteht darin, daß auch das Signal x dem Funktionsglied 8 nicht direkt sondern über ein von T abhängiges Verzögerungsglied 11 zugeleitet wird (Fig. 5). Der Entwurf dieses zusätzli­ chen Verzögerungsgliedes kann wie o. a. datenbasiert vorgenommen werden.

Je nach Wahl des Verzögerungsgliedes gibt es einen mehr oder minder großen Rest­ fehler des Signals y*. Mit datenbasierten Verfahren kann man ein Modul 12 (Fig. 6) schaffen, das situationsabhängig Auskunft darüber gibt, welche Schranke eder resultie­ rende Fehler |c-y*| mit Sicherheit nicht übersteigt. Dieser Wert ε wird in einer nach­ geschalteten Regeleinrichtung als zusätzliche Eingangsgröße verwendet. Qualitativ wird die Regelung so ausgelegt, daß die vom Regler ausgelöste Zudosierung um so mehr abgeschwächt wird, je größer ε ist. Hierdurch wird einem Überschwingen entge­ gengewirkt.

Durch Analyse des Verlaufs der Temperatur T läßt sich ermitteln, wie oft die Kühlung anspricht. In der Anwendung für den Offsetdruck können hieraus Rückschlüsse auf den aktuell laufenden Druckprozess und damit auch auf den Bedarf d an Alkohol-Zudo­ sierung gezogen werden. Ein entsprechendes Modul 13 (Fig. 7) kann datenbasiert als Fuzzy-Modul generiert werden. Das von diesem Schätzglied 13 erzeugte Signal d wird als zusätzliche Eingangsgröße in der nachgeschalteten Regelung genutzt: Je größer der Dosierbedarf d ist, desto kräftiger greift die Regelung ein.

Die Zudosierung betrifft meist Systeme in Form eines Behälters mit einem oder mehre­ ren angeschlossenen Kreisläufen. Aus regelungstechnischer Sicht sind dies Tiefpaßsy­ steme mit Totzeitverhalten. Es ist bekannt, daß es zur Regelung dieser Systeme gün­ stig ist, phasenanhebende Korrekturglieder - wie Lead-Glieder mit der Übertragungs­ funktion H(s) = (1 + s/ω_i)/(1 + s/mω_i), mit ω_i < 0 und m < 1 - vorzusehen. Wenn es nicht um den Neuentwurf einer Regelung, sondern um die Nachrüstung existierender Systeme geht, dann ist es von Vorteil, existierende Regelungen unverändert beizube­ halten und zur Verbesserung der Regelgüte ein phasenanhebendes Glied der erfin­ dungsgemäßen Meßeinrichtung nachzuschalten. Fig. 8 zeigt ein Beispiel. Das so er­ zeugte Ausgangssignal repräsentiert nicht mehr die zu messende Konzentration c, sondern hängt auch noch von der Änderungsgeschwindigkeit dc/dt der Konzentration ab. Diese Größe wird der nachgeschalteten Regelung statt des Meßwertes der Kon­ zentration zugeführt.

Alle erfindungsgemäßen Teilsysteme 9 bis 14 lassen sich technisch einfach zum Bei­ spiel in Form von Softwaremodulen realisieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zur Lösung noch wesentlich allgemeinerer dynamischer Meßprobleme einsetzen. Gegeben sei ein physikalisch-technisches dy­ namisches System S₁ (im obigen Beispiel die Überlaufkammer mit Meßeinrichtung). Das System werde von gewissen Eingangsgrößen x₁, x₂,. . ., x_n beeinflußt, die nicht alle direkt meßbar sind (im obigen Beispiel Temperatur T meßbar und IPA-Konzentration c in der Flüssigphase nicht direkt meßbar), und habe gewisse direkt meßbare Ausgangs­ größen y₁,y₂,. . .,y_m (im obigen Beispiel Absorptionsgrad x und Temperatur T; letztere ist die durchgeleitete Eingangsgröße T). Die Aufgabe besteht darin, aus den Verläufen yi(t) die Verläufe xi(f) zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Lösung des Problems be­ steht darin, daß dem System S1 ein dynamisches System S₂ nachgeschaltet wird, dessen Eingangsgrößen y₁,y₂, . . .,Y_m und dessen Ausgangsgrößen z₁, z₂, . . .,z_n sind. Das System S₂ wird so angesetzt, daß es ausreichend viele strukturelle und parame­ trische Freiheitsgrade aufweist. Diese werden datenbasiert, d. h. experimentell oder - falls für das System S₂ ein Simulationsmodell verfügbar ist - simulatorisch, optimiert. Hierzu wird ein Fehlermaß Q minimiert, das beschreibt, wie groß die Unterschiede zwi­ schen den Verläufen z_i(t) und x_i(t) im Mittel sind. Wendet man das Verfahren in die­ ser allgemeinen Form auf das obige Beispiel an, so beinhaltet das System S₂ sämtli­ che aus Fig. 5 ersichtlichen Glieder 8, 9 und 11. Das bedeutet, daß man in diesem Fall keinen separaten Entwurf des Funktionsgliedes benötigt, denn dessen Funktionalität wird ebenfalls datenbasiert generiert.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung der Konzentration c gelöster verdampfbarer Inhaltsstoffe in einem flüssigen Medium, wie z. B. Alkohol in Wasser, basierend auf dem bekannten Prinzip, daß mit Hilfe einer Messung der Infrarotabsorption in einer gasgefüllten Meßkammer, die in Diffusionskontakt mit dem flüssigen Medium steht, zunächst ei­ ne Maßzahl x für den frequenzselektiven Absorptionsgrad der Gasphase und dar­ aus unter Berücksichtigung der Temperatur T des flüssigen Mediums über ein Funktionsglied eine Ausgangsgröße y = f(x,T) ermittelt, die ein Maß für die zu messende Konzentration c darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Funktions­ glied statt der gemessenen Temperatur T die davon abgeleitete Größe T* zugeführt wird, die als Ausgangsgröße eines Verzögerungsgliedes erzeugt wird, dem als Ein­ gangsgrößen die Temperatur T und gegebenenfalls zusätzlich die Größe x zuge­ führt werden, wobei das Zeitverhalten des Verzögerungsgliedes unter Einbeziehung des Zeitverhaltens der Temperatursensorik so auf das Zeitverhalten des Verdamp­ fungsprozesses abgestimmt wird, daß sich eine möglichst gute Übereinstimmung des Verlaufs y*(t) der Ausgangsgröße des Funktionsgliedes mit dem Verlauf c(t) der tatsächlich vorliegenden Konzentration ergibt und wobei unter dem Begriff Ver­ dampfungsprozeß alle physikalischen Teilprozesse zusammengefaßt werden, die insgesamt dafür sorgen, daß sich nach Temperaturänderungen des flüssigen Medi­ ums die dazugehörige Gleichgewichtskonzentration des Inhaltsstoffes in der Gas­ phase erst nach einer gewissen Zeit einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Funktionsglied statt des Signales x das Signal x* zugeführt wird, das Ausgangsgröße eines Verzöge­ rungsgliedes ist, dessen Eingangsgrößen x und T sind und dessen dynamisches Verhalten unter Einbeziehung des dynamischen Verhaltens des Temperaturmeß­ gliedes auf das des Verdampfungsprozesses durch Minimierung des mittleren Feh­ lers |c-y*| abgestimmt ist, wobei y* die Ausgangsgröße des Funktionsgliedes ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhaltsstoff Isopropylalkohol und das Medium Wasser ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzöge­ rungsglieder kontinuierliche oder zeitdiskret arbeitende lineare Übertragungsglieder verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzöge­ rungsglieder nichtlineare Funktionsglieder wie Fuzzy-Module oder künstliche neuro­ nale Netze verwendet werden, deren Ausgangsgrößen T* und x* sind und deren Eingangsgrößen die aktuellen und vergangene Werte der Größen T und x sowie Vergangenheitswerte von T* bzw. x* sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung der strukturellen und parametrischen Freiheitsgrade der Verzögerungsglieder an­ hand von experimentell untersuchten Szenarien erfolgt, wobei als Optimierungskri­ terium ein Maß verwendet wird, das bewertet, wie groß die Unterschiede zwischen dem Verlauf y*(t) der Ausgangsgröße des Funktionsgliedes und dem Verlauf c(t) der tatsächlich vorliegenden Konzentration sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß darin ein Fehler­ schätzglied eingefügt ist, dessen Ausgangsgröße ε ein Maß dafür ist, wie groß der Restfehler |ε-y*| ist, wobei die Eingangsgrößen dieses Fehlerschätzgliedes die aktuellen Werte und gewisse Vergangenheitswerte der Größen T und x sind.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Schätzglied für den Dosierbedarf eines nachgeschalteten Prozesses eingefügt ist, dessen Eingangsgrößen aus dem bisherigen Verlauf der Größen x und T abgeleitet werden und dessen Ausgangsgröße d ein Maß für die Größe der Temperaturschwankungen, damit auch für die Größe des Verbrauchs des Inhalts­ stoffes im Prozeß und damit auch für die Höhe des Dosierbedarfs ist.

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in Verbindung mit einem nachgeschalteten Regelkreis zur Konstanthaltung oder gezielten Variation der Konzentration c durch einen Dosierregler, dadurch gekennzeichnet, daß die von Verfahren gelieferte Größe y* dem Dosierregler als Istwert für die Konzentration zugeführt wird.

10. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regelkreis statt der Größe y* eine Größe zugeleitet wird, die als Ausgangsgröße eines phasenanhebendes Gliedes erzeugt wird, wobei y* die Eingangsgröße die­ ses Gliedes ist.