DE2404586C3 - Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Konzentration einer Lösung - Google Patents

Description

Photozellen einschließlich deren beweglicher Halterang und Steuerung und

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

Gemäß Fig. t 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 KPu proportional zum Signal P\, vom Ausgang des Verstärkers 24 ab. Ein das Vorzeichen umkehrender Differenzverstärker 26 empfängt an einem Eingang das Signal AlPi und am anderen Eingang das Signal P₂ vom Verstärker 25. Das Signal Px wird in gleicher Weise in den Eingang eines Differenzverstärkers 32 eingespeist, der in gleicher Weise eine Bezugsspannung Lh 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 über eine Diode 34 das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 32 empfängt

In der oberen Hälfte der F i g. 2 ist in Voll- linie die Änderung der Signale P\ und Pi 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 Photozellen 14 und 15 vergleichbar sind, ergeben sich die Änderungskurven von P\ und Pz 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 U₅ 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:

U₅ = -(KPx-Pi).

Wenn die beiden Photozellen 14 und 15 in Licht oder in der hellen Zone sind, gilt P\ = Pt und bleibt U₁ konstant auf einem positiven Wert P\ (1 — K).

Für eine Konzentration m beginnt die dunkle Zone, <to die Zelle 15 zu erreichen, und nimmt das Signal P₂ ab. Daraus folgt eine Verringerung des Signais U* das jedoch bis zu einer Konzentration no positiv bleibt wo es verschwindet, da das Signal Pi gleich KP\ geworden ist. Wegen des relativen Verlaufs der Kurven Pi und K P\ nimmt das Signal U₅ weiterhin ab und wird bis zu einer Konzentration n₂ negativ, wo der senkrechte Abstand zwischen den Kurven KP, und P₂ am größten ist jenseits von n₂ bleibt da* Signal U, noch negativ, wird aber in seinem Absolutwert bis zum Wert /& kleiner, wo es erneut verschwindet und wieder bis zu m anzuwachsen beginnt, wo die beiden Photozellen 14 und 15 vollständig in der dunklen Zone Hegen, wo erneut P\ = /*2 gilt und wo U, einen konstanten Wert beibehält

Aus F i g. 2 geht also hervor, daß zwischen deli Konzentrationswerten n\ und H₂, die die Bezugskonzentration no umgeben, sich das Ausgangssignal U, des Verstärkers 26 wie die Lage der Trennlinie um die Bezugslage verändert, die der Bezugs-Konzentration /% entspricht. Dieses Signal ü, kann in diesem Bereich so zwischen n, und n₂ 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 /?2 nicht überschreiten. In diesem Fall kann die in F i g. 2 des Hauptpatents gezeigte Anordnung beibehalten werden, in der der Verstärker 26 anstelle eines einfachen Vergleichers ein Differenzverstärker ist

Falls dagegen im Verlauf des gesteuerten Prozesses die Konzentration den Wert m überschreiten sollte, ist ersichtlich, daß sich das Signal U, im Zweig jenseits von m umgekehrt zur Verschiebung der Trennlinie ändert Um das Signal U₁ verwenden zu können, muß lediglich der Änderungsbereich zwischen n\ und /te 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 Signals P₂ für die Konzentration n₂ entspricht Wenn das Signal P₂ kleiner als Ua ist dann ist das Ausgangssigna] 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 d. h. wenn der positive Zweig oder die Abfallflanke des Signals U₅ vorliegt wird der Differenzverstärker 35 eingeschaltet, der das Signal U_s linear verstärkt Der untere Teil von Fig.2 stellt die Änderungen des endgültigen- Nutzsignals am Ausgang des Differenzverstärkers 35 dar, das im wesentliche* der Regelabweichung zwischen dem Sollwert no und dem Istwert des Meßfühlers proportional ist wenn dieser zwischen m und m liegt und das außerhalb dieser Grenzen positiv oder negativ gesättigt ist

Das Sndsignal kann direkt zur Regelung oder Aufzeichnung um den Bezugswert Ai 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 13, die die Entwicklung der überwachten Konzentration überträgt, und es kann vorteilhaft sein, diese Verschiebung des Schlittens 13 durch ein Signal 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 45 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 der allgemeine (Untergrund)-Lichtpegel zur Bestimmung des Schwellenwertes Uo (einstellbare Spannung) beachtet. Hier 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 (Fig,3), Das durch die Phötözelle 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 Schvellenwert LO wird also proportional zum allgemeinen Lichtpegel und somit zum Signal P₂ gemacht, und die Lage in wird unabhängig vom empfangenen Licht.

Dieses Überwachunesurinzin für die !.pee eines

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 Verschiebungsebene des reflektierten Lichtstrahles verschiebbar ist und
zwei Photozellen haltert, 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 Vengjeicher eingespeist werden,
nach Hauptpatent21 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 ac dessen negativen Eingang eine einstellbare Spannung (Ua) anliegen, und
daß der Ausgang des zweiten D'-fierenzverstärkers (32) mit dem positiven Eingang ( + ) des Schaltverstärkers (35) über 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 wetteren Verstärker (43) und

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

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Konzentration einer Lösung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (nach Hauptpatent 21 20 421),

Der nach dem Hauptpatent vorgesehene Vergleiclier kippt dann um, wenn seine beiden Eingangssignale identisch sind, d, h, wenn das verstärkte Signal von der einen Photozelle gleich dem ebenfalls verstärkten, jedoch um einen konstanten Faktor geschwächten 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 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 Konientrations-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[196I], S. 563-564);
eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Lösungen mit einem Differenzverstärker, der bei der Eitigangsdifferenz Null 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 Ausfuhrungsbeispiels der Vorrichtung zur Messung und Überwachung der

eo Konzentration einer Lösung innerhalb eines engeren Bereichs um einen Bezugswert herum,

Fig. 2 die relative Änderung verschiedener Signale an verschiedenen Punkten der Einrichtung von Fig. 1,
Fig.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 Darstellung der