DE19934043C2

DE19934043C2 - Verfahren zur meßtechnischen Bestimmung der Konzentration gelöster verdampfbarer Inhaltsstoffe in einem flüssigen Medium, insbesondere Alkohol in Wasser, und Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19934043C2
Application number: DE19934043A
Authority: DE
Inventors: Harro Kiendl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2019-07-17
Also published as: DE19934043A1

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 die Verwen dung dieses Verfahrens in Verbindung mit einer Regeleinrichtung, die dafür sorgt, daß die Konzentration c einem vorgegebenen Sollwert oder Sollwertverlauf entspricht. Die Erfindung zielt in erster Linie auf die Verbesserung der Messung und Regelung der Konzentration von in Wasser gelöstem Isopropylalkohol, kurz IPA, ab. Dies hat für die Aufbereitung des Feuchtmittels für den Offsetdruck eine große wirtschaftliche Bedeu tung. Der Druckprozeß erfordert nämlich eine bestimmte IPA-Mindestkonzentration. Und wenn es gelingt die störbedingten Schwankungen des Istwertes der IPA- Konzentration zu reduzieren, dann läßt sich der Sollwert der IPA-Konzentration absen ken. Dies führt zu einer Verringerung des Alkoholeinsatzes, wodurch Kosten gespart werden und die Atemluftbelastung reduziert wird.

Die Erfindung geht von dem Meßprinzip für IPA-Konzentrationen aus, wie es von B. Schulte: Alkoholreduzierter Druck mit neuem Mess- und Dosiergerät, in Deutscher Dru cker, Nr. 23-24, 1999 beschrieben ist. Seine wesentlichen Elemente sind in Fig. 1 die ser Patentschrift 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 abgeleite ter Infrarot-Absorptionsgrad x. Dieses Meßprinzip hat gegenüber einer direkten Mes sung in der Flüssigphase die in der oben genannten Veröffentlichung herausgestellten Vorzüge. Allerdings ist bei diesem Meßprinzip zu berücksichtigen, daß die IPA- Konzentration, die sich in der Gasphase über der Flüssigkeit einstellt, temperaturab hängig ist. Der stationäre Zusammenhang ist aus der Theorie bekannt und auch ohne Theorie empirisch bestimmbar. Basierend hierauf wird ein Funktionsglied 8 (Fig. 2) konstruiert, das in Abhängigkeit von dem in der Gasphase gemessenen Infrarot- Absorptionsgrad x und der in der Flüssigkeit gemessenen Temperatur. T einen Aus gangswert y = f(x, T) liefert. Dieser entspricht der IPA-Konzentration c in der Flüssig keit in sehr guter Näherung. Dies ist der derzeitige Stand der 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 Feucht mittelaufbereitung aber die Feuchtmitteltemperatur innerhalb bestimmter Grenzen hal ten. Hierzu ist eine Kühleinrichtung vorgesehen, die das Feuchtmittel nach Bedarf kühlt und damit der durch den Druckprozeß verursachten Erwärmung entgegenwirkt. Der Eingriff dieser Kühlung kann zu derart schnellen Temperaturänderungen des Feuchtmit tels führen, daß die Genauigkeit der o. a. IPA-Konzentrationsmessung störend beein trächtigt wird. Dies gilt insbesondere, wenn zur Temperaturregelung herkömmliche, schaltend arbeitende Regeleinrichtungen eingesetzt werden.

Das beschriebene Verfahren ist wie folgt von bekannten Messverfahren abzugrenzen:
In DE 44 45 668 A1 ist eine Vorrichtung zur Mes sung des Partialdruckes von in Flüssigkeiten gelösten Gasen beschrieben. Das Meßprinzip besteht - wie im beschriebenen Verfahren als Stand der Technik vorausgesetzt - darin, daß das Gas aus der Flüssigphase durch eine gaspermeable Membrane in die Meßkammer dif fundiert und die Gaskonzentration dort durch Lichtabsorption gemessen wird. Es fehlt aber das zentrale Merkmal des vorliegenden Verfahrens, daß nämlich Einflüsse von Temperaturschwankungen auf die Einstellung des Diffusionsgleichgewichtes berück sichtigt werden und damit keinen nennenswerten Einfluß auf die Meßgenauigkeit ha ben.

In DE 44 33 336 A1 ist ein Verfahren zur Konzentrati onsbestimmung beschrieben, das auf Infrarotabsorption basiert. Der Kern besteht dar in, die Einflüsse von Temperaturschwankungen auf die Meßgenauigkeit - soweit diese durch eine Temperaturempfindlichkeit des Infrarotsensors bedingt sind - zu reduzieren. Die Einflüsse von Temperaturänderungen auf die Meßgenauigkeit, die durch eine Beeinflussung des Diffusionsgleichgewichtes hervorgerufen werden, werden hierdurch - im Gegensatz zur Arbeitsweise des beschriebenen Verfahrens - nicht reduziert.

In DE 44 27 356 A1 ist eine Einrichtung zur Regelung der Luftqualität in einem Raum beschrieben. Hierbei wird die CO₂-Konzentration in der Luft über eine Lichtabsorptionsmessung in der Luft bestimmt. Im Gegensatz zum beschriebenen Ver fahren wird hier also nicht das Problem behandelt, daß eine Konzentration in der Flüs sigphase über eine Konzentrationsmessung in der Gasphase erfolgt und deshalb we gen der Zeitkonstante des Diffusionsprozesses durch Temperaturschwankungen nega tiv tangiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit bei Vorliegen von Tem peraturvariationen im flüssigen Medium zu verbessern und auch die Genauigkeit einer nachgeschalteten Regeleinrichtung zu vergrößern.

Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen werden in den übrigen Ansprüchen be schrieben.

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 weiterleitet (Fig. 3). Dabei wird auch die Option vorgesehen, daß das Zeitverhalten durch die Größe x beeinflußt wird. Je besser das Zeitverhalten des Verzöge rungsgliedes auf das dynamische Verhalten des Verdampfungsprozesses unter Einbeziehung des Zeitverhaltens der Temperatursensorik abgestimmt ist, desto größer ist der resultierende Korrektureffekt. Als eine einfache Variante wird ein nicht von x abhängiges Verzögerungsglied in Form eines linearen Übertragungsgliedes mit der Übertragungsfunktion H(s) = 1/(1 + T₀(s)) vorgesehen, dessen Zeitkonstante T₀ so 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 ak tuelle und zeitlich frühere Temperaturwerte und entsprechende Werte von x sowie zeit lich frühere Werte der Ausgangsgröße T*. Der aktuelle Wert T*(t) der Ausgangsgröße wird als nichtlineare Funktion dieser Eingangsgrößenwerte bestimmt. Zur Aufstellung 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 von A. Krone, U. Schwane: Generating Fuzzy Rules from Contradictory Data of Different Control Strategies and Control Performances, 5^th IEEE International Conference on Fuzzy Systems, New Orleans, Seiten 492-497, 1996 und von H. Kiendl: Fuzzy control methodenorientiert, Oldenbourg Verlag, München, Wien, 1997, Seiten 265-271 beschrieben ist. Zur Bereitstellung geeigneter Lerndaten für den Einsatz dieses Verfahrens werden geeignete Szenarien experimentell untersucht, dar unter auch solche, bei denen die Konzentration c konstant bleibt, während die Temperatur T sich ändert. Gewünscht wird generell, daß der Verlauf 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 überein stimmt. Dann ist die Größe Q = ∫(c(t) - y*(t))²dt ein Maß für die Qualität des Verzöge rungsgliedes. Dieses Maß wird zum Entwurf und zur Feinabstimmung des Verzögerungsgliedes herangezogen. Alternativ kann das nichtlineare Funktionsglied 10 in Form eines künstlichen neuronalen Netzes angesetzt und das Training des Netzes datenbasiert mit existierenden Lernverfahren durchgeführt werden.

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

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 ε der resultie rende Fehler |c - y*| mit Sicherheit nicht übersteigt. Dieser Wert ε wird in einer nachge schalteten 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 entgegenge wirkt.

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 Tiefpaß systeme mit Totzeitverhalten. Es ist bekannt, daß es zur Regelung dieser Systeme günstig ist, phasenanhebende Korrekturglieder - wie Lead-Glieder mit der Übertragungsfunktion 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, exstierende Regelungen unverändert beizubehalten und zur Verbesserung der Regelgüte ein phasenanhebendes Glied der beschriebenen Meßeinrichtung nachzuschalten. Fig. 8 zeigt ein Beispiel. Das so erzeugte 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 Größe wird der nachgeschalteten Regelung statt des Meßwertes der Konzentration zu geführt.

Alle beschriebenen Teilsysteme 9 bis 14 lassen sich technisch einfach zum Beispiel in Form von Softwaremodulen realisieren.

Das beschriebene Verfahren läßt sich zur Lösung noch wesentlich allgemeinerer dyna mischer Meßprobleme einsetzen. Gegeben sei ein physikalisch-technisches dynami sches System S₁ (im obigen Beispiel die Überlaufkammer mit Meßeinrichtung). Das System werde von gewissen Eingangsgrößen x₁, x₂, . . ., x_n beeinflußt, die nicht alle di rekt 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, y₂, . . ., y_m (im obigen Beispiel Absorptionsgrad x und Temperatur T; letztere ist die durchgeleitete Eingangsgröße T). Die Aufgabe besteht darin, aus den Verläufen y_i(t) die Verläufe x_i(t) zu ermitteln. Die Lösung des Problems besteht 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 parametrische Freiheitsgrade auf weist. 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 zwischen den Verläufen z_i(t) und x_i(t) im Mittel sind. Wendet man das Verfahren in dieser allgemeinen Form auf das o bige Beispiel an, so beinhaltet das System S₂ sämtliche aus Fig. 5 ersichtlichen Glieder 8, 9 und 11. Das bedeutet, daß man in diesem Fall keinen separaten Entwurf des Funk tionsgliedes benötigt, denn dessen Funktionalität wird ebenfalls datenbasiert generiert.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Konzentration c gelöster verdampfbarer Inhaltsstoffe in einem flüssigen Medium, insbesondere Alkohol in Wasser, wobei mit Hilfe einer Messung der Infrarotabsorption in einer gasgefüllten Meßkammer, die in Diffusions kontakt mit dem flüssigen Medium steht, zunächst eine Maßzahl x für den frequenz selektiven Absorptionsgrad der Gasphase und daraus unter Berücksichtigung der Temperatur T des flüssigen Mediums über ein Funktionsglied eine Ausgangsgröße y = f(x, T) ermittelt wird, die ein Maß für die zu messende Konzentration c darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Funktionsglied statt der gemessenen Temperatur T die davon abgeleitete Größe T* zugeführt wird, die als Ausgangsgröße eines Ver zögerungsgliedes erzeugt wird, dem als Eingangsgrößen die Temperatur T und ge gebenenfalls zusätzlich die Größe x zugeführt werden, wobei das Zeitverhalten des Verzögerungsgliedes unter Einbeziehung des Zeitverhaltens der Temperatursenso rik so auf das Zeitverhalten des Verdampfungsprozesses 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 Verdampfungsprozeß alle physikalischen Teil prozesse zusammengefaßt werden, die insgesamt dafür sorgen, daß sich nach Temperaturänderungen des flüssigen Mediums die dazugehörige Gleichgewichts konzentration des Inhaltsstoffes in der Gasphase erst nach einer gewissen Zeit ein stellt.

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 Temperatur meßgliedes auf das des Verdampfungsprozesses durch Minimierung des mittleren Fehlers |c - y*| abgestimmt ist, wobei y* die Ausgangsgröße des Funktionsgliedes ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Inhaltsstoff I sopropylalkohol 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 Optimierungskrite rium 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 Tem peraturschwankungen, damit auch für die Größe des Verbrauchs des Inhaltsstoffes 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 phasenanhebenden Gliedes erzeugt wird, wobei y* die Eingangsgröße dieses Gliedes ist.