DE2128944B2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Regelung des pH-Wertes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Regelung des pH-Wertes von FlUssigkeitsströmen unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder unterschiedlicher Strömungsmenge durch adaptive Steuerung der Verstärkung der Regeleinrichtung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Um eine zufriedenstellende Regelung ohne Schwingungen 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 Einstellwertc ergeben sich aus bekannten Optimierungsregeln.

Bei einer gegebenen günstigen Reglereinslellung ist eine zufriedenstellende Regelung nur so lange möglich, wie die Verstärkung und das Zeitverhalten der Regelstrecke 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.

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 Tegelstreckenverstärkung. Bei Änderung des Sollwertes (gewünschten pH-Wertes) ändert sich die Regelstreckenverstärkung und die Stabilität des Regelkreises ist gefährdet, wenn die Reglerparameter nicht nachgestellt werden.

Außerdem ändert sich die Form und dami· die Verstärkung der statischen Kennlinie in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der durchströmenden Flüssigkeit und der Titrationsmittel. Zum Beispiel verflacht die Kennlinie mit einem größeren Anteil an Puffersalzen. Eine Änderung der Durchflußmenge ändert ebenfalls die Regelstreckenverstärkung. Auch in diesen Fällen müssen die Reglerparameter nachgestellt werden, um eine befriedigende Regelung zu sichern.

Um bei fest eingestellten Reglerparametern dennoch eine befriedigende .pH-Wert-Regelung zu erhalten, sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden: Reihenschaltung zweier Regelkreise, Kaskadenschaltung, Verdünnung des Titrationsmittels mit dem zu regelnden Flüssigkeitsstrom im Nebenschluß (Regelungstechnik, Bd. 2 [1954], S. 109 - 114), Störgrößenaufschaltung, Verwendung nichtlinearer Regler, Kompensation der Nichtlinearität durch ein zweites nichtlineares Glied, erweiterter Stellbereich durch Verwendung mehrerer Stellglieder, Verwendung großer Ausgleichbecken, Zusatz von Puffersalzen.

Die regelungstechnischen Maßnahmen versagen dann, wenn die Regelstreckenlinie nicht bekannt ist oder sich zeitlich erheblich ändert. Die veriahrentechnischen Maßnahmen erfordern unter Umständen einen wirtschaftlich untragbaren Aufwand.

Eine Abhilfe bieten die adaptiven Verfahren, die bisher vor allem in der Raumfahrt und in der Antriebstechnik angewendet werden. Bei diesen Verfahren werden die Reglerparameter selbsttätig von Kenngrößen der Regelstrecke so gesteuert, daß immer eine befriedigende Regelung gewährleistet ist.

Auch für die kontinuierliche pH-Wert-Regelung wurde von R. W. 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.

Es ist auch eine Lösung bekannt, bei der aus dem pH-Wert und der Menge des zu regelnden Fiüssigkeitsstromes die notwendige Menge an Titrationmittel berechnet wird (H. S. Wilson und W. J. Wylupek, »Design of pH Control Systems«, Measurement and Control, Bd. 2, September 1969, S. 336-342). Bei der Berechnung wird eine nicht gepufferte statische Kennlinie vorausgesetzt. Ist der zu regelnde Flüssigkeitsstrom jedoch gepuffert, so wird der berechnete Austritts-pH-Wert nicht erreicht. Diese Abweichung vom Sollwert wird benutzt, um über einen PI-Regler die Verstärkung der Titrationsmittelzugabe zu vergrößern.

Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß nicht unterschieden wird, ob die pH-Abweichung am Austritt infolge Pufferwirkung erfolgt oder nur auf einer vorübergehenden Störung beruht

Das Problem einer zeitlich veränderten Regelstrekkenkennlinie und damit einer veränderlichen Regelstreckenverstärkung tritt vor allem bei der kontinuierlichen pH-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 Regelstreckenvsrstärkung in unvorhergesehener Weise, wobei sie sich im ungünstigsten Fall im Verhältnis 1 :100 ändern kajin.

Eine veränderliche Regelstreckenverstärkung tritt auch bei industriellen pH-Wert-Regelstrecken auf, wenn die Zusammensetzung oder der Durchfluß des Flüssigkeitsstromes nicht konstant gehalten werden. Dieses trifft z. B. bei der pH-Wert-geregelten Alaunzugäbe in der Papierherstellung zu, wenn das Siebwasser im Kreislauf geführt wird und sich mit Puffersubstanzen anreichert.

Bei schwankender Zusammensetzung des Flüssigkeitsstromes ist es nicht denkbar, eine Ersatzgröße zu finden, die einen vorgegebenen funktioneilen Zusammenhang mit der Regelstreckenverstärkung besitzt und damit zur Parametersteuerung herangezogen werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei der pH-Wert-Regelung von Flüssigkeitsströmen die Regelstreckenverstärkung kontinuierlich direkt zu messen und danach mittels adaptiver Steuerung die Verstärkung der Regeleinrichtung anzupassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der gesamte Flüssigkeitsstrom oder ein proportionaler Teil davon in zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei in mindestens 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.

Die Verstärkung V«der Regeleinrichtung bezieht sich auf alle Übertragungsglieder (z.B. Regler, Stellglied), die sich außerhalb der Regelstrecke im Regelkreis befinden. Sie ist das Produkt der Verstärkungen der einzelnen Regelkreisglieder außerhalb der Regelstrekke. Üblicherweise kann rxr die Verstärkung des Reglers verstell! werden.

Der Zustrom an Titrationsmittel soll so eingestellt sein, daß die entstehende pH-Wert-Differenz trotz Schwankungen der Zusammensetzung und der Durch- !aufmengc einen bestimmten Grenzwert nicht unterschreitet, der durch den Fehler bei der Messung der pH-Wert-Differenz gegeben ist und bei etwazlpH =0,05 liegt.

Vorzugsweise wird zur pH-Wert-Anderung 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 Fällen empfiehlt, als Titrationsmittel für einen Teilstrom jeweils das gleiche wie für die eigentliche pH-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.

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 pH-Meßelektrode vorgesehen ist und die beiden pH-Meßelektroden über einen Differenzverstärker mit der Einstelleinrichtung an der Regeleinrichtung verbunden sind.

ίο Dabei ist es von Vorteil, wenn die Einstelleinrichtung an der Regeleinrichtung aus einem oder mehreren Heißleitern und/oder Kaltleitern besteht, die vom eingeprägten Ausgangsstrom des Differenzverstärkers geheizt werden.

is Als pH-Meßelektroden werden vorzugsweise Glaselektroden eingesetzt, die gegeneinander geschaltet werden. Dadurch entfällt eine Bezugselektrode, deren Diaphragma wegen seiner Neigung zu Verstopfung und Veränderung seines Diffusionspotentials die hauptsächliehe Störungsquelle bei pH-Messunj,<m ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert:

F i g. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der vollständigen pH-Wert-Regelung nach vorliegender Erfindung;

2"> F i g. 2 zeigt ein Schaltbild des Meßfühlers, der in F i g. 1 nur seiner Lage nach angedeutet ist;
F i g. 3 stellt ein Teilstück einer Titrationskurve dar;
Fig.4 zeigt ein Schaltbild fü^r den Teil zwischen Meßelektroden und Regeleinrichtung;

«ι F i g. 5 zeigt ein Prinzipschaltbild für eine Ausführungsform der erfindungemäßen Vorrichtung.

In Prinzipschaltbild der vollständigen pH-Wert-Regelung mit adaptiver Steuerung der Verstärkung der Regeleinrichtung gemäß Fig. I wird der pH-Wert des

r> Flüssigkeitsstromes 1 mit einer Elektrode 2 gemessen, und der Regler 3a gibt zur Korrektur des pH-Wertes über Stellglieder 4 und 5 das saure Titrationsmittel 6 oder das basische Titrationsmittel 7 zu. Ein Teil oder der ganze durchströmende Flüssigkeitsstrom 1 wird durch

4Ci den in F i g. 2 näher erläuterten Meßfühler 8 geleitet und damit die Regelstreckenverstärkung V, 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

4i Meßfühlers 8 steuert über eine Anpassung 10 die Verstärkung der Regeleinrichtung 3.

In Fig. 2 wird der Meßfühler 8 der Fi g. I, der der direkten Messung der Regelstreckenverstärkung dient, näher erläutert. Der durchströmende Flüssigkeitsstrom

ίο 1, dessen pH-W\.-rt geregelt werden soll, wird vollständig oder zu einem proportionalen Teil durch den Meßfühler geleitet. Dei Meßfühler besteht aus einem Rohr Ii, das sich in zwei vorzugsweise gleichgroße Rohre 12 und 13 verzweigt und so den durchströmenden

Vi Flüssigkeitsstrom teilt. Über Pumpen 9 wird ein konstanter geringer Mengenstrom des sauren Titrationsmittels 6 und/oder des basischen Titrationsmittels 7 in die Teilströme t4 und 15 eingespeist. Nach einer angemessenen Reaktionsstrecke 16 wird mit zwei

mi pH-Meßelektroden 17 und 18 die verursachte pH-Wert= Differenz /dpH zwischen den beiden T^ilströmen gemessen. Anschließend werden die beiden Teilströme 14 und 15 wieder zusammengeführt.

In F i g. 3 wird an e^:nem Teilstück einer Titrationskur-

b~, ve 19 gezeigt, daß die gemessene pH-Wert-Differenz ,dpH 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 20. Bei konstanter Zugabe des Tetrationsmittels ist die pH-Wert-Differenz dpH 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 Differenzenquolient nähert sich dem entsprechenden Differentialquotienten, welcher der Tangentensteigung entspricht.

In den Teilströmen 14 und 15 soll 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 kung durch Verändern eines Widerstandes eingestellt. Für die selbsttätige Steuerung ist jedoch die Verwendung von motorgetriebenen Einstellpotentiometern sehr aufwendig. In Fig.4 werden daher zur Veränderung des Widerstandswertes fremdgeheizte temperaturabhängige Widerstände (Heißleiter und Kaltleiter) eingesetzt. Diese Heißleiter oder Kaltleiter sind einfache, leicht erhältliche Bauelemente, die sicher zu handhaben sind. Die als Maß für die Regelstreckenverstärkung V₁ am Ausgang des Differentialverstärkcrs 24 vorliegende Spannung U wird in einem weiteren Verstärker 25 in einen eingeprägte Strom /,, verwandelt. Dieser Strom /';/ heizt ohne direkte galvanische Verbindung über einen Heizwiderstand 26 einen temperaturabhängigen Widerstand 27, der sich anstelle des Einstellwiderstandes für die Reglerverstarkiing befindet. Da der Zusammenhang zwischen Heizstrom ///

rer Steigung, also eine geringere Regelstreckenverstärkung. Wird im Meßfühler das gleiche verdünnte Titrationmittel benutzt, so ergibt sich eine kleinere pH-Wert-Differenz, es wird also auch die kleinere Regelstreckenverstärkung gemessen.

Der erfindungsgemäße Meßfühler berücksichtigt zusätzlich den Einfluß der Strömungsmenge auf die Regelstreckenverstärkung. Eine geringere Strömungsmenge entspricht einer größeren Regelstreckenverstärkung. Bei einer geringeren Strömungsmenge erhält man im Meßfühler hei konstanten Mengenströmen an Titrationsmittel eine größere pH-Wert-Differenz, was einer größeren Regelstreckenverstärkung entspricht. Eine besondere Störgrößenaufschaltung der Strömungsmenge auf die Reglerverstärkung entfällt somit.

Die Zugabe von Titrationsmittel kann auch nur in einem Teilstrom des Meßfühlers erfolgen, wobei man die Sekante 22 bzw. 2.3 erhält.

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 mi; einem Differentialverstärker erfolgen, der zwei hochohmige Eingänge mit etwa 10¹² Ohm Eingangswiderstand hat. Diese Verstärker lassen sich aus den handelsüblichen Verstärkern mit einem hochohmigen Eingang aufbauen. Eine solche Anordnung ist in der DE-AS 12 97 359 beschrieben.

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:

-«■Hf ·£♦■)·

Darin ist V₅ die Regelstreckenverstärkung im Arbeitspunkt, die Verzugszeit T_u und die Ausgleichszeit T_g sind zeitliche Parameter der Regelstrecke, ihr Quotient kann für eine gegebene Anordnung als konstant angesehen werden.

Die Verstärkung V₅ der Regelstrecke liegt als Spannungssignal am Ausgang des Differentialverstärkers vor. Aus der oben angegebenen Optimierungsgleichung ergibt sieh, daß die Verstärkung Vr der Regeleinrichtung umgekehrt proportional zur Regelstreckenverstärkung V₅ eingestellt werden muß. Üblicherweise wird zu diesem Zweck die Reglerverstär-

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Widerstandes 27 nichtlinear ist, muß die Kennlinie R — f(iit) 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 Regelstreckenverstärkung normalerweise viel langsamer ändert.

Dr die Verstärkung V_R der Regeleinrichtung von allen Übertragungsgliedern außerhalb der Regelstrecke abhängt, kann der Meßfühler 8 nicht nur juf die Reglerverstärkung im engeren Sinne, sondern auch auf die Verstärkung anderer Regeikreisglieder. /. Fl. Stellglieder einwirken.

Ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Regelstreckenverstärkung auf die Verstärkung des Stellgliedes einwirkt, ist in F i g. 5 abgegeben. Bei diesem Beispiel erfolgt nur die Zugabe eines Titrationsniittcls, die Schaltung für die Zugabe zweier Titrationsmittel baut sich jedoch sinngemäß auf. Der pH-Wert des l-'Iüssigkeitsstromes 1 wird mit einer Elektrode 2 gemessen und der als Zweipunktregler ausgeführte Regler 3n gibt über ein Magnetventil 4 stoßweise das Ti;rationsmittel 6 /ur 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 Stellung kontinuierlich vom Meßfühler 8 '!ir 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.

Die Ausführung des Meßfühlers 8 für die Regelstrekkenverstärkung 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 Reaktionsstrecke 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.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Regelung des pH-Wertes von Flüssigkeitsströmen unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder unterschiedlicher Strömungsmenge durch adaptive Steuerung der Reglerverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß der gasamte Flüssigkeitsstrom oder ein proportionaler Teil davon in zwei Teilströmen aufgeteilt wird, wobei in mindestens 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den einen Teilstrom ein saures und in den anderen Teilstrom ein basisches Titrationsmittel gegeben wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß als Titrationsmittel für einen Teilstrom jeweils das gleiche wie für die eigentliche pH-Wert-Regelung verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilströme gleich groß gehalten werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einem Rohr, das sich in zwei parallele Rohre verzweigt, die sich wieder vereinigen, wobei in jedem der parallelen Rühre in der Nähe des Strömungseintritts eine Dosiereinrichtung für v-a Titrationsmittel und in der Nähe des Strön.ungsaustritts eint pH-Meßelektrode vorgesehen ist und . ie beiden pH-Meßelektrodcn über einen Differenzverstärker mit der Einstelleinrichtung an der Regeleinrichtung verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung an der Regeleinrichtung aus einem oder mehreren Heißleitern und/oder Kaltleitern besteht, die vom eingeprägten Ausgangsstrom des Differenzverstärkers gehei.it werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede pH-Meßelektrode aus einer Glaselektrode besteht.