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Verfahren und Vorrichtung zttr kontinuierlichen Regelung des plI-Wertes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Regelung des pH-Wertes
von Flüssigkeitsströmen unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder unterschiedlicher
Strömungsmenge durch adaptive Steuerung der Verstärkung der Regeleinrichtung und
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Um eine zufriedenstellende Regelung ohne ochwinrrungen zu erreichen,
ist es notwendig, die Reglerparameter an die Eigenschaften der Regelstrecke anzupassen.
Die üblichen Regler besitzen für diesen Zweck Einstellknöpfe, an denen die Reglerverstärkung
und ggf. auch das Zeitverhalten des Reglers von hand eingestellt werden kann. Bei
elektrischen Reglern erfolgt die Einstellung über veränderliche Widerstände
oder
Potentiometer. Günstige Einstellwerte ergeben sich aus bekannten Optimierungsregeln.
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Bei einer gegebenen günstigen Reglereinstellung ist eine zufriedenstellende
Regelung nur solange möglich, wie die Verstärkung und das Zeitverhalten der Regèlstrecke
annähernd konstant bleiben. Andernfalls müssen die Reglerparameter nachgestellt
werden. Bei nichtlinearer Kennlinie der Regelstrecke ändert sich die Regelstreckenverstärkung
zusätzlich mit dem Sollwert, die Reglerverstärkung muß daher auch bei jeder Änderung
des Sollwertes korrigiert werden.
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Bei der kontinuierlichen pH-Wert-Regelung treten diese Schwierigkeiten
ebenfalls auf: Die statische Kennlinie der pH-Wert-Regelstrecke ist ausgeprägt nichtlinear,
ihre Form ist identisch mit der Titrationskurve. Die Steigung der Kennlinie entspricht
dabei der Regelstreckenverstärkung.
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Bei Änderung des Sollwertes (gewünschten pH-Wertes) ändert sich die
Regelstreckenverstärkunr und die Stabilitit des Regelkreises ist gefährdet, wenn
die Reglerparameter nicht nachgestellt werden.
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Außerdem nndert sich die Form und -damit die Verstärkung der statischen
Kennlinie n Abhängigkeit von der Zusammensetzung der durchströmenden Flüssikeit
und der rfi-trationsmittel.
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Zum Beispiel verflacht die Kennlinie mit einem größeren Anteil an
Puffersalzen. Eine Änderung der Durchflußmenhe ändert ebenfalls die Etegelstreckenverstcirkung.
die Regelstre ckenver stärkung . Auch in diesen Fllen müssen die Relerparameter
nachgestellt werden, um eine hefriedigende Regelung zu sichern.
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Um bei fest eingestellten Reglerparametern dennoch eine befriedigende
pH-Wert-Regelung zu erhalten, sind verschiedene
Maßnahmen vorgeschlagen
worden: Reihenschaltung zweier Regelkreise, Kaskadenschaltung, Störgrößenaufschaltung,
Verwendung nichtlinearer Regler, Kompensation der Nichtlinearität durch ein zweites
nichtlineares Glied, erweiterter Stellbereich durch Verwendung mehrerer Stellglieder,
Verwendung großer Ausgleichbecken, Zusatz von Puffersalzen.
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Die regelungstechnißchen Maßnahmen versagen dann, wenn die Regelstreckenkennlinie
nicht bekannt ist oder sich zeitlich erheblich ändert. Die verfahrenstechnischen
Maßnahmen erfordern unter Umständen einen wirtschaftlich untragbaren Aufwand.
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Eine Abhilfe bieten hier die adaptiven Verfahren, die bisher vor allem
in der Raumfahrt und in der Antriebstechnik angewendet werden. Bei diesenVerfahren
werden die Reglerparameter selbsttätig von Kenngrößen der Regelstrecke so gesteuert,
daß immer eine befriedigende Regelung gewährleistet ist.
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Auch für die kontinuierliche pH-Wert-Regelung wurde von R.W.
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Peters in dem Aufsatz "Selbstanpassende pH-Wert-Regelung"' abgedruckt
in Regelungstechnische Praxis und Prozeß-Rechentechnik 12 (1970); Seiten 10 bis
16, eine adaptive Steuerung vorgeschlagen. Dabei werden die Zeitparameter des Reglers
von der Durchflußmenge gesteuert. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß die
Reglerverstärkung fest eingestellt werden muß.
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Das Problem einer zeitlich veränderlichen Regelstreckenkennlinie und
damit einer veränderlichen Regelstreckenverstärkung tritt vor allem bei der kontinuierlichen
pII-Wert-Regelung von Flüssigkeitsströmen unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder
unterschiedlicher
Durchflußmenge, z.B. bei der Neutralisation von Abwasser auf. Da die Zusammensetzung
des Abwassers unkontrolliert schwanken kann, ändert sich auch die Re'gelstreckenver-stärkung
in unvorhergesehener Weise, wobei sie sich im ungünstigsten Fall im Verhältnis 1
: 100 ändern kann.
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Eine veränderliche Regelstreckenverstärkung tritt auch bei industriellen
pH-Wert-Regelstrecken auf, wenn die Zusammensetzung oder der Durchfluß des Flüssigk'eitsstromes
nicht konstant gehalten werden Dieses trifft z.B. bei der pH-Wert-geregelten Alaunzugabe
in der Papierherstellung zu, wenn das Siebwasser im Kreislauf geführt wird und sich
mit Puffersubst-anzen anreichert.
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Bei schwankender Zusammensetzung des Flüssigkeitsstromes ist es nicht
denkbar, eine Ersatzgröße zu finden, die einen vorgegebenen funktionellen Zusammenhang
mit der Regelstreckenverstärkung besitzt und damit zur Parametersteuerung herangezogen
werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher' die Aufgabe zugrunde, bei
der pH-Wert-Regelung von Flussigkeitsströmen die Regelstreckenverstärkung kontinuierlich
direkt zu messen und danach mittels adaptiver Steuerung die Verstärkung der Regeleinrichtung
an-zupassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der gesamte
Flüssigkeitsstrom oder ein proportionaler Teil davon in zwei Teilströme aufgeteilt
wird, wobei in min-~bestens einen Teilstrom Titrationsmittel in konstanter, geringer
Menge zugegeben wird, die entstehende pH-Wert-Differenz zwischen den Teilströmen
gemessen und das verstärkte
Signal zur Steuerung der Verstärkung
der Regeleinrichtung benutzt wird.
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Die Verstärkung VR der Regeleinrichtung bezieht sich auf alle Übertragungsglieder
(z.B. Regler, Stellglied), die sich außerhalb der Regelstrecke- im Regelkreis befinden.
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Sie ist das Produkt der Verstärkungen der einzelnen Regelkreisglieder
außerhalb der Regelstrecke. Üblicherweise kann nur die Verstärkung des Reglers verstellt
werden.
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Der Zustrom an Titrationsmittel soll so eingestellt sein, daß die
entstehende pH-Wert-Differenz trotz Schwankungen der Zusammensetzung und der Durchlaufmenge
einen bestimmt ten Grenzwert nicht unterschreitet, «er durch den Fehler bei der
Messung der pII-Wert-Differenz gegeben ist und bei etwa ApH=0,05 liegt.
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Vorzugsweise wird zur pH-Wert-Änderung im Meßfühler für die Regelstreckenverstärkung
in den einen Teilstrom ein saures und in den anderen Teilstrom ein basisches Titrationsmittel
gegeben, wobei es sich in vielen Fellen empfiehlt, als -Titrationsmittel für einen
Teilstrom jeweils das gleiche wie für die eigentliche plI-Wert-Regelung zu verwenden,
um den Einfluß des Titrationsmittels auf die Regelstreckenverstärkung zu berücksichtigen.
Auch ist es günstig, wenn die beiden Teilströme gleich groß gehalten werden.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht aus einem Rohr, das sich in zwei parallele Rohre verzweigt, die sich wieder
vereinigen, wobei in jedem der parallelen Rohre in der Nähe des- Strömungseintritts
eine Dosiereinrichtung für ein Titrationsmittel und
in der'Nähe
des Strömungsaustritts eine pII-Meßelektrode vorgesehen ist und die beiden pII-Meßelektroden
über einen Differenzverstärker mit der Einstelleinrichtung an der Regeleinrichtung
verbunden sind.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die Sinstelleinrichtung an der Regeleinrichtung
aus einem oder mehreren Ileißleitern und/oder Kaltleitern besteht, die vom eingeprcigte,n
Ausgangsstrom des Differenzverstärkers geheizt werden.
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Als pH-Meßelektroden werden vorzugsweise Glas elektroden eingesetzt,
die gegeneinander geschaltet werden. Dadurch entfällt eine Bezugselektrode, deren
Diaphragma wegen seiner Neigung zu Verstopfung und Veränderung seines Diffusionspotentials
die hauptsächliche Störungsqiielle bei pH-Messungen ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1
zeigt ein- Prinzipschaltbild der vollständigen pH-Wert-Regelung nach vorliegender
Erfindung.
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Fig. 2 zeigt ein Schaltbild des erfindungswesentlichen Meßfühlers,
der in Fig. 1 nur seiner Lage nach angedeutet ist.
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Fig. 3 stellt ein Teilstück einer Titrationskurve dar.
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Fig. 4 zeigt ein Schalthil,d für den Teil zwischen Meßelektroden und
Regeleinrichtung, Fig. 5 zeigt ein Prinzipschaltbild für eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Im Prinzipschaltbild der vollstEladigen pH-Wert-Regelung mit ádRptiver
Steuerung der Verstärkung der Regeleinrichtung gemäß Fig. 1 wird der pH-Wert des
Flüssigkeitsstromes 1 mit einer Elektrode 2 gemessen, und der Regler 3a gibt zur
Korrektur des pH-Wertés über Stellglieder 4 und 5 das saure Titrationsmittel 6 oder
das basische Titrationsmittel 7 zu. Ein Teil oder der ganze durchströmende Flüssigkeitsstrom
i wird durch den in Fig; 2 näher erläuterten Meßfühler 8 geleitet und damit die
Regelstreckenverstärkung V5 gemessen. Die für die pH-Wert-Regelung verwendeten Titrationsmittel
6 und 7 werden ebenfalls über die Pumpen 9 dem Meßfühler 8 zugeführt. Das Ausgangssignal
des Meßfühlers 8 steuert übereine Anpassung 10 die Verstärkung der Regeleinrichtung
3.
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In Fig. 2 wird der-MeßfUhler 8 der Fig. 1, der der direkten Messung
der Regelstreckenverstärkung dient, näher erläutert.
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Der durchströmende Flüssigkeitsstrom 1, dessen pII-Wert geregelt werden
soll, wird vollständig oder zu einem proportionalen Teil durch den Meßfühler geleitet.
Der Maßfühler besteht aus einem Rohr 11, das sich in -zwei vorzugsweise gleichgroße
Rohre 12 und 13 verzweigt und o den durchströmenden FlUssigkeitsstrom teilt. Über
Pumpen 9 wird ein konstanter geringer Mengenstrom des sauren Titrationsmittels 6
und/oder des basischen Titrationsmittels 7 in die Teilströme 14 und' 15 eingespeist.
Nach einer angemessenen Reaktionstrecke 16 wird mit zwei pH-Meßelektroden 17 und
18 die verursachte pH-Wert-Differenz dpH zwischen den beiden Teilströmen gemessen.
Anschließend werden die beiden Teilströme 14 und 15 wieder zusammengeführt.
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In Fig. 3 wird an einem Teilstück einer Titrationskurve 19 gezeigt,
daß die gemessene pH-Wert-Differenz bpH näherungsweise der Steigung der Titrationskurve
19 und damit der Regelstreckenverstärkung proportional ist, welche durch die Tangente
20 im Arbeitspunkt A gegeben ist. Durch die Titration mit den Titrationsmitteln
6 und 7 erfolgt in den Teilströmen 14 und 15 eine gegenläufige pH-Wert-Verschiebung
zu den Punkten B und C. Die Sekante 21 durch B und C hat näherungsweise die gleiche
Steigung wie die Tangente 2D. Bei konstanter Zugabe des Titrationsmittels ist die
pH-Wert-Differenz ApH der Steigung der Sekante 21 proportional. Je geringer die
Zugabe an Titrationsmittel ist, um so besser ist die Annäherung an die Steigung
der Tangente 20. Der Differenzenquotient nähert sich dem entsprechenden DifferentialquotientenJwelcher
der Tangentensteigung entspricht.
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, soll . - -In den Teilströmen 14 und 15 vorzugsweise jeweils das
gleiche Titrationsmittel eingespeist werden, das auch für die eigentliche pH-Wert-Regelung
benutzt wird. Dadurch werden Änderungen in der Zusammensetzung des Titrationsmittels
kompensiert. Zum Beispiel bedeutet ein verdünnteres Titrationsmittel eine Titrationskurve
mit geringerer Steigung, also eine geringere Regelstreckenverstärkung. Wird im Meßfühler
das' gleiche verdünnte Titrationsmittel benutzt, so ergibt sich eine kleinere pH-Wert-Differenz,
es wird also auch die kleinere Regelstreckenverstärkung gemessen.
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Der erfindungsgemäße Meßfühler berücksichtigt zusätzlich den Einfluß
der Strömungsmenge auf die Regelstreckenverstärkung.
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Eine gelilgere Strömungsmenge entspricht einer größeren Regelstreckenverstärkung,
Bei einer geringeren Strömungsmenge erhält
man im Meßfühler bei
konstanten. Mengenströmen an Titrationsmittel eine größere sH-Wert-Differenz. was
einer größeren ver Regelstreckenmstärkung entspricht. Eine besondere Störgrößenaufschaltung
der Strömungsmenge auf die Reglerverstärkung entfällt somit.
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Die Zugabe' von Titrationsmittel kann auch nur in einem Teilstrom
des Meßfühlers erfolgen, wobei man die Sekante 22 bzw. 23 erhält.
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Die Differenzmessung der pH-Werte in den beiden Teilströmen 14 und
15 erfolgt vorzugsweise mit zwei Glaselektroden 17 und 18, die gegeneinander geschaltet
werden. Die Messung muß mit einem Differentialverstärker erfolgen, der zwei hochohmige
Eingänge mit etwa io12 Ohm Eingangswiderstand hat. Diese Verstärker lassen sich
aus den handelsüblichen Verstärkern mit einem hochohmigen Eingang aufbauen. Eine
solche unordnung ist in der DAS 1 297 359 beschrieben.
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Die gewünschte günstige Verstärkung der Regeleinrichtung erhält man
aus der gemessenen Regelstreckenverstärkung nach den bekannten Optimierungsregeln.
Für eine pH-Wert-Regelstrecke, die einer Regelstrecke höherer Ordnung mit Ausgleich
entspricht, und für einen PI-Regler ergibt sich die günstige Verstärkung VR der
Regeleinrichtung zu: VR = 0,5 . 1 . (#. Tg + ) s µ Darin ist Vs die Regelstreckenverstärkung
im Arbeitspunkt, die Verzugs zeit Tú und die Ausgleichs zeit Tg sind zeitliche u
Parameter der Regelstrecke, ihr Quotient kann für eine gegebene Anordnung als konstant
angesehen werden.
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Die Verstärkung V5 der Regelstrecke liegt als Spannungssignal am Ausgang
des Differentialverstärkers vor. Aus der oben angegebenen Optimierungsgleichung
ergibt sich, daß die Verstärkung VR der Regeleinrichtung umgekehrt proportional
zur Regelstreckenverstärkung V5 eingestellt werden muß. üblicherweise wird zu diesem
Zweck die Reglerverstärkung durch Verändern eines Widerstandes eingestellt.
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Für die selbsttätige Steuerung ist jedoch die Verwendung von motorgetriebenen
Einstellpotentiometern sehr aufwendig.
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In Fig. 4 werden daher zur Veränderung des Widerstandswertes fremdgehei~zte
temperaturabhängige Widerstände (Heißleiter oder Kaltleiter) eingesetzt. Diese Heißleiter
oder Kalt leiter sind-einfache, leicht erhältliche Bauelemente, die sicher zu handhaben
sind. Die als Maß für die Regelstreckenverstärkung V5 am Ausgang des Differentialverstärkers
24 vorliegende Spannung U wird in einem weiteren Verstärker 25 in einen eingeprägten
Strom 1H verwandelt.
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Dieser Strom iH heizt ohne direkte galvanische Verbindung über einen
Heiztiderstand 26 einen temperaturabhängigen Widerstand 27, der sich anstelle des
Einstellwiderstandes für die Reglerverstärkung befindet. Da' der Zusammenhang zwischen
Heizstrom i. H und dem Widerstand R des temperaturabhängigen Widerstandes 27 nichtlinear
ist, muß die Kennlinie R = f(iH) durch ein zusätzliches Netzwerk von passiven Widerständen
annähernd linearisiert werden. Die Ansprechverzögerung fremdgeheizter temperaturabhängiger
Widerstände liegt bei einigen Sekunden. Sie hat keinen nachteiligen Einfluß auf
die Regelung, da sich die Regel-' streckenverstärkung normalerweise viel langsamer
ändert.
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Da die Verstärkung VR der Regeleinrichtung von allen über tragungsgliedern
außerhalb der Regelstrecke abhängt,'kaün der Meßfühler 8 nicht nur auf die Reglerverstärkung
im engeren Sinne, sondern auch auf die Verstärkung anderer
Regelkreisglieder,
z.B. Stellglieder einwirken.
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Ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Regelstreckenverstärkung auf
die Verstärkung des Stellgliedes einwirkt, ist in Fig. 5 angegeben. Bei diesem Beispiel
erfolgt nur die Zugabe eines Titrationsmittels, die Schaltung für die Zugabe zweier
Titrationsmittel baut sich jedoch sinngemäß auf. Der pH-Wert des Flüssigkeitsstromes
1 wird mit einer Elektrode 2 gemessen und der als Zweipunktregler ausgeführte Regler
3a gibt über ein Magnetventil 4 stoßweise das Titrationsmittel 6 zur Korrektur des
pH-Wertes zu. Die zugegebene Menge an Titrationsmittel wird dabei durch die Öffnungszeit
des Magnetventils 4 bestimmt und durch die maximale Durchflußmenge pro Zeiteinheit,
welche die Verstärkung des Magnetventils festlegt. Diese maximale Durchflußmenge
und damit die Verstärkung des Magnetventils 4 wird durch ein vorgeschaltetes, motorgetriebenes
Stellventil 28 bestimmt, dessen Stillung kontinuierlich vom r3eßfühler8 für die
Regelstreckenverstärkung über die Anpassung 10 gesteuert wird. Bei diesem Beispiel
wird also die Verstärkung der Regeleinrichtung 3 über die Verstärkung des Magnetventils
4 verändert, ohne daß ein Eingriff in die Geräte des eigentlichen Regelkreises erfolgen
muß.
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Die Ausführung des Meßfühlers 8 für die Regelstreckenverstärkung richtet
sich nach den genormten Abmessungen der Glaselektroden 17 und 18. Davon ausgehend
kann man für die Teilrohre 12 und 13 z.B. einen inneren Durchmesser von etwa 40
mm wählen. Die Länge der RekBtionsstrecke 16 kann dann etwa 400 mm betragen. Die
Strömungsgeschwindigkeit in, den Teilrohren 12 und 13 muß größer als 6 cm/sec sein,
damit turbulente Strömung vorhanden ist und eine gute
Durchmischung
erreicht wird. Der zu erwartende Druckabfall liegt bei einigen mm WS. Der Meßfühler
wird zweckmäßigerweise aus Kunststoff gefertigt.