DE2404586B2 - Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Konzentration einer Lösung - Google Patents

Description

Photozellen einschließlich deren beweglicher Halterung und Steuerung und

Fig.4 eine Abänderung des Ausführungsbeispiels von F i g. 3.

Gemäß F i g. 1 sind Verstärker 24 und 25 jeweils einer Photozelle 14 bzw. 15 zugeordnet, und eine Brücke aus Widerständen 27 und 28 gibt an ihren Ausgang ein Signal KP\, proportional zum Signal P₁, vom Ausgang des Verstärkers ?4 ab. Ein das Vorzeichen umkehrender Differenzverstärker 26 empfängt an einem Eingang das Signal KPi und am anderen Eingang das Signal P₂ vom Verstärker 25. Das Signal P₂ wird in gleicher Weise in den Eingang eines Differenzverstärkers 32 eingespeist der in gleicher Weise eine Bezugsspannung Ua empfängt, die an einem Potentiometer 33 abgegriffen wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 26 wird in den (Minus-)Eingang eines Differenzverstärkers 35 eingespeist, dessen (Plus-)Eingang Ober eine Diode 34 das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 32 empfängt

In der oberen Hälfte der Fig.2 ist in Voii-Linie die Änderung dec Signale P\ und Pz dargestellt, wenn sich die Trennlinie verschiebt, wobei die dunkle Zone zuerst die Photozelle 15 und dann die Photozelle 16 erreicht Wenn die Eigenschaften der beiden Photozeilen 14 und 15 vergleichbar sind, ergeben sich die Änderungskurven von P\ und P₂ auf einfache Weise voneinander durch Verschiebung parallel zur Abszisse. Aus Fig.2 geht auch hervor, daß die Kurve KP\ aus der Kurve P-. durch eine Abbildung im Verhältnis K erhalten wird.

Eine Kurve U, in der Mitte von Fig.2 stellt die Änderung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 26 dar. Da der Differenzverstärker 26 in gleicher Weise das Vorzeichen umkehrend geschaltet ist gilt:

IA- -(KP^-P₂).

Wenn die beiden Photozellen 14 und 15 in Licht oder in der hellen Zone sind, gilt P\ = P₂ und bleibt U, konstant auf einem positiven Wert P\ (1 — K).

Für eine Konzentration m beginnt die dunkle Zone, die Zelle 15 zu erreichen, und nimmt das Signal P₁ ab. Daraus folgt eine Verringerung des Signals £/,, das jedoch bis zu einer Konzentration /% positiv bleibt, wo es verschwindet, da das Signal P₂ gleich KP\ geworden ist. Wegen des relativen Verlaufs der Kurven P₂ und KP, nimmt das Signal U, weiterhin ab und wird bis zu einer Konzentration H₂ negativ, wo der senkrechte Abstand zwischen den Kurven KP\ und P₂ am größten ist. Jenseits von m bleibt das Signal U_s noch negativ, wird aber in seinem Absolutwert bis zum Wert n₃ kleiner, wo es erneut verschwindet und wieder bis zu n_t anzuwachser, beginnt, wo die oeiden Photozellen 14 und 15 vollständig in der dunklen Zone liegen, wo erneut P\ — Pi gilt und wo £Λeinen konstanten Wert beibehält.

Aus Fig.2 geht also hervor, daß zwischen den Konzentrationswerten n\ und O₂, die die Bezugskonzentration no umgeben, sich das Ausgangssignal i/, des Verstärkers 26 wie die Lage der Trennlinie um die Bezugslage verändert, die der Bezugs-Konzentration th entspricht Dieses Signal U, kann in diesem Bereich zwischen n, und m zur Darstellung der Lage der Trennlinie ausgenutzt werden. Man kann sich mit diesem Bereich begnügen, wenn der gesteuerte Prozeß zu Änderungen des Brechungsindexes führt, die den Wert /J₂ nicht überschreiten. In diesem Fall kann die in F i g. 2 des Hauptpatents gezeigte Anordnung beibehalten werden, in der der Virstärker 26 anstelle eines einfachen Vergleichers ein Differenzverstärker ist.

Falls dagegen im Verlauf des gesteuerten Prozesses die Konzentration den Wert D₂ überschreiten sollte, ist ersichtlich, daß sich das Signal £A im Zweig jenseits von U₂ umgekehrt zur Verschiebung der Trennlinie ändert

s Um das Signal U_s verwenden zu können, muß lediglich der Änderungsbereich zwischen n\ und D₂ beibehalten werden, was mit dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel möglich ist Hier ist das Potentiometer 33 so eingestellt, daß die Ausgangsspannung U₀ dem Wert des

ίο Signals P₂ für die Konzentration O₂ entspricht Wenn das Signal P₂ kleiner als Ua ist, dann ist das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 32 negativ, die Diode 34 leitet und der Differenzverstärker 35 ist bei einer negativen Spannung gesperrt Wenn dagegen P₂ größer als Uo ist,

is d. h. wenn der positive Zweig oder die Abfallflanke des Signals U₁ vorliegt, wird der Differenzverstärker 35 eingeschaltet der das Signal U, line&r verstärkt Der untere Teil von F i g. 2 stellt die Änderungen des endgültigen Nutzsignals am Ausgang des Differenzverstärkers 35 dar, das im wesentlichen ier Regelabweichung zwischen dem Sollwert no und der', istwert des Meßfühlers proportional ist, wenn dieser zwischen n, und U₂ liegt und das außerhalb dieser Grenzen positiv oder negativ gesättigt ist

Das Endsignal kann direkt zur Regelung oder Aufzeichnung um den Bezugswert n> verwendet werden. Es kann auch zur Steuerung eines Wirbelstrommotors eines die Photozellen 14 und 15 tragenden Schlittens verwendet werden, so daß dieser konstant der Trennlinie folgt Eine derartige Vorrichtung ist in F i g. 3 dargestellt Hier ist der die Photozellen 14 und 15 tragende Schlitten 13 über eine Leitspindel 37 mittels eines Motors 39 gesteuert Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 35 wird im Verstärker 36 im Vorzeichen umgekehrt und steuert den Motor 39. Auf diese Weise entsteht eine Steuerkette, so daß der Schlitten 13 konstant der Verschiebung der Trennlinie folgt. Es ist also die Verschiebung des Schlittens iS, die die Entwicklung der überwachten Konzentration überträgt und es kann vorteilhaft sein, diese Verschiebung ues Schlittens 13 durch ein Signa! zu übertragen, das bei einer vollautomatischen Anlage bequemer zu verwenden ist, z. B. durch ein elektrisches Signal. Dies wird mit dem in der F i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erreicht, bei dem ein Potentiometer 38, das von einer hochstabilen Stromquelle 40 gespeist ist der Leitspindel 37 des Schlittens 13 zugeordnet ist Das Ausgangssignal des Potentiometers 38, das im Punkt 41 empfangen wird, kennzeichnet somit die Lage des Schlittens 13 und die entsprechende Konzentration der Lösung.

Bei dem in F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird d~.T allgemeine (Untergrund)-Lichtpegel zur Bestimmung des Schwellenwertes U₀ (einstellbare

π Spannung) beachtet I "ier wird der Wert Uo, anstatt auf einen festen Pegel mittels des Potentiometers 33 von F i g. 1 oder 3 eingestellt zu sein, durch ein Signal erhalten, das von einer dritten Photozelle 42 kommt, die am Rand des Bildes der Trennlinie liegt (F i g. 3). Das durch die Photozelle 42 erzeugte und durch den Verstärker 43 verstärkte Signal wird durch ein Potentiometer 44 eingestellt und in den Eingang des Differenzverstärkers 32 eingespeist, wie oben beschrieben wurde. Der Schwellenwert Lh wird also pioportional zum allgemeinen Lichtpegel und somit zum Signal P₂ gemacht, und die Lage n, wird unabhängig vom empfangenen Licht.

Dieses ÜberwachunesDrinziD für die Lace nines

Lichtüberganges, unabhängig vom Kontrast und Lichtpegel, ist nicht nur auf Refraktometer beschränkt, sondern kann immer dann angewendet werden, wo die genaue Lage eines Überganges festgestellt werden soll, der sich fortschreitend von einer dunklen in eine helle Zone bewegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Konzentration einer Lösung unter Ausnutzung der Totalreflexion eines Lichtstrahls an einer Planfläche eines die Lösung berührenden Prismas,
wobei auf einem Schirm mit einer Strichskala ein optisches Bild einer Trennlinie erzeugt wird, die die Grenze des reflektierten Lichtstrahles bildet;

mit einer beweglichen Einheit,
die parallel zur Verschiebuttgsebene des reflektierten Lichtstrahles verschiebbar ist und
zwei Photozellen halten, deren lichtempfindliche Teile dem Schirm gegenüber angeordnet sind,
wobei das verstärkte Signal der einen Photozelle direkt und das verstärkte Signal der anderen Photozelle nach Schwächung um einen konstanten Faktor in einem Glied
in einen VergWcher eingespeist werden,
nachHauptpa/ent21 20421.
dadurch gekennzeichnet,
daß als Vergleicher ein erster, das Vorzeichen umkehrender Differenzverstärker (26) vorgesehen ist,

dessen Ausgang am negativen Eingang (—) eines Schaltverstärkers (35) anliegt,
daß ein zweiter Differenzverstärker (32) vorgesehen ist

an dessen positiven Eingang (+) das gleiche Signal wie am negativen Eingang (—) des ersten Differenzverstärkers (26; und an dessen negativen Eingang eine einstellbare Spannung (Uo) anliegen, und
daß der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (32) mit dem positiven Eingang ( ) des Schaltverstärkers (35) Ober eine Diode (34) verbunden ist derart,

daß negative Signale passieren und den Schaltverstärker (35) sperren, jedoch positive Signale von der Diode (34) gesperrt werden, wonach der Schaltverstärker (35) arbeitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Spannung (Uo) auf einen festen Wert mittels eines Potentiometers (33) eingestellt ist (F ig. 1,3).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Spannung sich mit dem allgemeinen Beleuchtungspegel ändert (F i g. 4).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch eine den allgemeinen Beleuchtungspegel erfassende dritte Photozelle (42),
durch einen dieser nachgeschalteten weiteren Verstärker (43) und

durch ein diesem nachgeschaltetes Potentiometer (44), von dem die einstellbare Spannung abgreifbar ist φ ig. 3,4).

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch ein Antriebsgerät (39,37) für die die beiden Photozellen (14, 15) halternde bewegliche Einheit (13),

das dem Schaltverstärker (35) nachgeschaltet ist, und durch eine mit der beweglichen Einheit (13) verbundene Meßeinrichtung (38, 40) zur Messung der Verschiebungen der beweglichen Einheit (13) (Fig.3).

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Konzentration einer Lösung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (nach Hauptpatent 21 20421).

Der nach dem Hauptpatent vorgesehene Vergleicher kippt dann um, wenn seine beiden Eingangssignale identisch sind, & h, wenn das verstärkte Signal von der einen Photozelle gleich dem ebenfalls verstärkten, jedoch um einen konstanten Faktor geschwächten

to Signal von der anderen Photozelle gleich wird. Dieses

Kippen des Vergleichers löst eine Warneinrichtung aus,

die insbesondere ein Licht- oder Schall-Warnsignal abgibt

Mit der Vorrichtung nach dem Hauptpatent ist es also

is unmöglich, die zeitliche Entwicklung der Lösungs-Konzentration um einen Bezugswert herum zu messen und zu überwachen, um insbesondere mit einer derartigen Vorrichtung eine vollautomatische Steuerung der Lösungs-Konzentration zu sichern.

Gegenüber der Vorrichtung nach dem Hauptpatent ist es daher Aufgabe der Erfindung, von einer bloßen Ja/Nein-Aussage am Ausgang des Vergleichers wegzukommen und statt dessen eine eindeutige Beziehung zwischen Vergleicher-Ausgangssignal und Lösungs-Konzentration zumindest innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs um einen Konzentrations-Bezugswert zu gewinnen

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Steuerung bzw. Regelung von Prozessen verwendet werden, die insbesondere Kochen, Kristallisieren oder Mischen von in eine Lösung getretenen Stoffen betreffen, um so ein vollautomatisches Herstellungsverfahren zu sichern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dabei sind die Lehren nach den Ansprüchen 3 und 4 für einen engeren bzw. einen weiteren zu erfassenden Konzentrationsbereich um einen vorgegebenen Bezugswert herum vorgesehen.

Demgegenüber ist bisher lediglich noch folgender Stand der Technik bekannt geworden:

Die Verwendung von Differenzverstärkern auf dem Gebiet der optischen Analyse, speziell in Verbindung mit Refraktometern (vgl. US-PS 28 37 961 und Chemiker-Zeitung 16[1961JS. 563-564);
eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Lösungen mit einem Differenzverstärker, der bei der Eingangsdifferenz Nu'rl auch den Wert Null abgibt (vgl.

DE-OS 21 21 142); und

eine Vorrichtung zur automatischen sensitometrischen Prüfung von Filmen, die mehrere hintereinander geschaltete Operationsverstärker, von denen einer als Differenzverstärker geschaltet ist, aufweist (vgl. DE-OS 18 07 403).

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Konzentration einer Lösung innerhalb eines engeren Bereichs um einen Bezugswert herum,

F i g. 2 die relative Änderung verschiedener Signale an verschiedenen Punkten der Einrichtung von F i g. 1,
F i g. 3 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbei-

spiels der Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Konzentration einer Lösung innerhalb eines weiteren Bereichs um einen Bezugswert herum zusammen mit einer halbschematischen Darstellune der