DE2641101C3 - Einrichtung zum Regeln des pH-Wertes oder eines vergleichbaren Wertes einer Lösung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln des pH-Wertes oder eines vergleichbaren Wertes einer Lösung, mit einem Fstwertgeber, einem Sollwertgeber, einem durch die Geber beaufschlagten Regler und einem von diesem beaufschlagten Stellglied, das der Lösung ein die Regelgröße beeinflussendes Zusatzmittel zuführt, wobei das Stellglied eine durch die Impulse eines Impulsgenerators antreibbare Dosierpumpe für das Zusatzmittel, der Impulsgenerator einen spannungsgesteuerten Oszillator uud der Regler einen die Steuerspannung für den den Oszillator bildenden, von Soll- und Istwertspannung beaufschlagten Differenzverstärker aufweist und die Impulsfolgefrequenz logarithmisch von der Regelabweichung abhängig ist

Es sind pH-Wert-Regeleinriditungen zur Neutralisierung des Abwassers bekannt, bei denen in das Abwasser getauchte pH-Wert-Meßelektroden einen elektrischen Regler beaufschlagen, der ein Stellglied in Form eines Rotations-Elektromotors mit einem durch diesen einstellbaren Regelventil in der Zuleitung der Neutralisationslösung zum Abwasser-Kanal steuert Eine solche Einrichtung ist aufwendig, verhältnismäßig träge und ungenau.

Bei einer bekannten Einrichtung der gattungsgemäßen Art (DE-OS 24 15 526) ist die Kennlinie des spannungsgesteuerten Oszillators linear. Zur Erzielung der logarithmischen Abhängigkeit ist zusätzlich zu dem spannungsgesteuerten Oszillator bei der bekannten Einrichtung eine Antilog-Schaltung vorgesehen, die aus einem Operationsverstärker mit einer Logarithmierstufe in Rückkopplungszweig besteht Diese Ausbildung des Impulsgenerators ist aufwendig.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die schnelle und genaue Ausregelung von Regelabweichungen mit einem einfächeren Aufbau erzielt wird.

Nach der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der spannungsgesteuerte Oszillator ein Schwellwert-Schaltglied und einen Zeitgeber-Kondensator aufweist, dessen Ladespannung den Schalteingang des Schwellwert-Schaltgliedes beaufschlagt und daß die Steuerspannung den Endwert der Ladespannung des Zeitgeber-Kondensators bestimmt

Bei diesem Oszillator handelt es sich um einen einfachen Kippschwingungs-Oszillator, der in einer Einheit die Umformung der Steuerspannung in eine von dieser logarithmisch abhängige Frequenz ermöglicht, ohne daß hierzu zahlreiche aktive und passive Bauelemente erforderlich sind. Im einfachsten Falle benötigt er ein einfaches Schaltglied, einen Kondensator und zwei Widerstände.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn das Schwellwert-Schaltglied ein Unijunction-Transistor-Oszillator ist. Dieser benötigt im einfachsten Falle nur einen Transistor, einen Kondensator und zwei Widerstände.

Sodann ist es günstig, wenn die Oszillatorimpulse dem Steueranschluß eines aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Thyristors über ein Zeitglied zuführbar sind, im Arbeitskreis des Thyristors ein Betätigungs-Elektromagnet für eine Hubmembran der Dosierpumpe liegt, und die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle abgegebenen Wechselspannung höher als die der Oszillatorimpulse ist. Auf diese Weise erhält man mit ebenfalls nur wenigen Bauelementen sehr leistungsstarke Impulse zur Betätigung der Dosierpumpe, die in Verbindung mit der trägheitsarmen Hubmembran ein sehr schnelles Ansprechen der Dosierpumpe und eine entsprechend hohe Beschleunigung des Zusatzmittels ermöglichen.

Bei dem Thyristor kann es sich um eine Zweirichings-Thyristortriode handeln, und der Betätigungs-Elektromagnet kann im Gleichstromkreis eines wechselstromseitig in Reihe mit dem Thyristor an der

Wechselspannungsquelle angeschlossenen Brückengleichrichters !legen. Der Betätigungs-Elektromagnet erhält auf diese Weise während jedes Impulses des Impulsgenerators eine lückenlose Folge gleichgerichteter Erregungsimpulse, deren Folgefrequenz doppelt so hoch wie die der Wechselspannung ist, so daß auch bei Verwendung der Netzwechselspannung zur Speisung des Thyristors eine sehr viel höhere Frequenz der mit jedem Generatorinipuls erzeugten Erregungsimpulse sichergestellt ist als es der normalen Netzspannungsfrequenz entspricht Entsprechend hoch kann auch die Maximalfrequenz der Impulse des Impulsgenerators und damit der Dosierpumpe gewählt werden. Dies steigert mit geringen Mitteln die Regelempfindlichkeit.

Vorzugsweise sind die Verbindungen der Geber mit dem Regler mittels eines Schalters vertauschbar. Dies gestattet bei Durchlaufen des Neutralpunktes der Lösung durch einfaches Umschalten dieser Verbindungen wieder eine Steigerung der Impulsfolgefrequenz, um die Konzentration des Zusatzmittels Ober den Neutralpunkt hinaus zu erhöhen.

Ferner ist es günstig, wenn jeder Regelabweichung, die größer als ein vorbestimmter Grenzwert ist, der wesentlich kleiner als der Einstellbereich der Regelgröße ist, die Maximalfrequenz des Imr"'sgenerators zugeordnet ist Bei dieser Ausbildung der Regeleinrichtung wird eine Regelabweichung, die größer als der vorbestimmte Grenzwert ist, bis zum Erreichen dieses Grenzwertes mit der Maximalfrequenz der Dosierpumpe bis zum Erreichen dieses Grenzwertes verringert und erst dann mit allmählich abnehmender Pumpenfrequenz weiter bis auf Null verringert. Auf diese Weise läßt sich einerseits ein Überschwingen der Regelgröße über den Sollwert hinaus vermeiden und andererseits dennoch eine hohe Regelgeschwindigkeit sicherstellen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer schematischen Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, bei dem es sich um eine pH-Wert-Regeleinrichtung für das Abwasser in einem Abwasserkanal handeln kann.

Die dargestellte Regeleinrichtung enthält einen Istwertgeber 1, einen Sollwertgeber 2, einen Umschalter 3, einen Regler ·*, einen Impulsgenerator 5 und ein Stellglied 6.

Der Istwertgeber 1 enthält zwei in das Abwasser getauchte pH-Wert-Meßelektroden, und zwar eine Glaselektrode 7 und eine Bezugselektrode 8, sowie einen als Impedanzwandler dienenden, direkt gegengekoppelten Differenzverstärker 9, dessen nicht umkehrender Eingang über einen hochohmigen Widerstand 10 mit der Glaselektrode 7 und über einen Glätfungskondensator 11 mit Masse verbunden ist.

Der Regler 4 enthält einen Differenzverstärker 12, der einen mit seinem umkehrenden Eingang verbundenen Rückführwiderstand 13, zwei Eingangswiderstände 14 und 15 und am nicht umkehrenden Eingang einen Ableitwiderstand 16 aufweist. Ein direkt gegengekoppelter Differenzverstärker 18 dient als Impedanzwandler auf der Ausgangssei, i ucs Reglers.

Die Ausgangsspannung des Reglers 4 steuert den Impulsgeber 5. Dieser enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 19, dessen Frequenz eine logarithmische Funktion der Steuerspannung ist. Der Oszillator 19 enthält eingangsseilig einen Spannungsteiler aus einem einstellbaren Widerstand 20 und einem festen Widerstand 21. Der Spannungsteilerabgriff ist über einen einstellbaren Widerstand 22 und einen in Reihe dazu liegenden Kondensator 23 mit Masse verbunden. Der Verbindungspunkt von Widerstand 22 und Kondensator 23 ist mit dem Emitter eines Unijunction-Transistors 24 verbunden Die eine Basis des Unijunc tion-Transistors 24 ist über einen niederohmigen Widerstand 25 mit Masse und die andere Basis mit dem Abgriff eines einstellbaren SpannunjTSteiler-Widers.tands 26 verbunden, der einerseits mit dem positiven

ίο Pol ( + ) der Betriebsgleichspannungsquelle und andererseits über einen festen Widerstand 27 mit Masse verbunden ist In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß alle mit (+) bezeichneten Anschlüsse mit dem positiven Pol, alle mit (—) bezeichneten Anschlüsse mit

is dem negativen Pol und alle Masseanschlüsse mit dem Nullpunkt einer vorzugsweise durch Zener-Dioden stabilisierten, nicht dargestellten Betriebsgleichspannungsquelle verbunden sind. Der Ausgang des Oszillators 19 ist über eine Leitung 28 mit dem Eingang eines einstellbaren Zeitgliedes 29 in Form eines monostabilen Kippgliedes verbunden. Dessen Ausgang ist mit dem Steueranschluß eines bidirektionalen Thyristors 30, auch Zweirichtungs-Thyristortriode genannt, verbunden. Der Thyristor 30 liegt

in Reihe mit dem Wechselstromkreis eines Brückengleichrichters 31 an einer Wechselspannungsquelle 32 in Form des 220-Volt-50 Hz-Wechselstromnetzes. Im Gleichstromkreis des Brückengleichrichters 31 liegt der Betätigungs-Elektromagnet 33 einer im Stellglied 6

jo enthaltenen Dosierpumpe 34. Der Pumpenhubraum 35 ist durch eine Membran 36 und Rückschlagventile 37,38 abgeschlossen. Der Elektromagnet 33 betätigt die Membran 36.

Die Spannung zwischen den Elektroden 7 und 8

j5 ändert sich bei einer Temperatur von 24°C um 57 mV, wenn sich der pH-Wert um eine Einheit ändert Die vom Istwertgeber 1 abgegebene Spannung ist daher proportional dem pH-Wert des Abwassers. Sie wird im Regler 4 mit einer an dem Sollwertpotentiometer im Sollwertgeber 2 eingestellten Sollwertspannung verglichen. Wenn eine Regelabweichung auftritt wird sie im Regler 4 verstärkt und vom Reglerausgang über den Spannungsteiler 20, 21 dem Widerstand 22 als Steuerspannung U zugeführt. Der Kondensator 23 ist bestrebt, sich auf diese Spannung U als Endwert aufzuladen. Liegt der Endwert U höher als die Höckerspannung Un des Unijunction-Transistors 24, das ist die Spannung am Emitter des Unijunction-Transistors, bei der er plötzlich zwischen Emitter und der

■so unteren Basis leitend wird, dann entlädt sich der Kondensator 23 jedesmal, wenn seine Spannung u die Höckerspannung Uh erreicht, sehr rasch über diese Emitter-Basis-Strecke und den Widerstand 25, um sich anschließend sofort wieder bis auf die Höckerspannung Uh aufzuladen. Bezeichnet man die Ladezeitkonstante des Kondensators 29 mit T, dann gilt für die Spannung am Kondensator 23 in Abhängigkeit von der Zeit t

M=

Die Zeit t = f«, innerhalb der sich der Kondensator 23 auf die Höckerspannung Uh aufgeladen hat, bestimmt die Frequenz f=\ltn des Oszillators 19. Damit erhält man

= I₁₁ = U₁, = U (I -

Mit den normierten Abkürzungen
U

f,,

= .v

= 3'

(3)

(4)

erhält man durch Einsetzen von (3) und (4) in (2)

y =

(5)

IO

15

Nach Gleichung (5) ist mithin die zu y proportionale Frequenz /des Oszillators 19 umgekehrt logarithmisch von der zu χ proportionalen Steuerspannung U abhängig. Die Funktion im doppelt logarithmischen Maßstab im kartesischen Koordinatensystem dargestellt, ergibt eine geradlinige Kurve für den hier interessierenden Bereich *ä 1. Bei χ < 1, also wenn die Steuerspannung U die Höckerspannung Uh unterschreitet, setzen die Impulse des Oszillators 19 aus. Der Regler 4 und das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 20 und 21 sind so eingestellt, daß der Oszillator 19 bei Regelabweichung Null gerade keine Impulse mehr erzeugt. Beim Auftreten einer Regelabweichung gibt der Oszillator 19 mithin Impulse mit einer Folgefrequenz nach Maßgabe der Gleichung (5) ab. Diese Impulse werden dem Zeitglied 29 zugeführt, das sie in Rechteckimpulse vorbestimmter, einstellbarer Dauer umformt Während der Dauer jedes dieser Rechteckimpulse ist der Thyristor 30 praktisch durchgehend, abwechselnd in beiden Richtungen leitend, da die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle 32 abgegebenen Wechselspannung wesentlich größer als die Maximalfrequenz der Oszillatorimpulse ist Der Thyristor 30 wird während der Dauer eines seinem Steueranschluß zugeführten rechteckförmigen Zündimpulses nur kurzzeitig während der Nulldurchgänge der von der Wechselspannungsquelle 32 abgegebenen Wechselspannung gesperrt Erst nach dem ersten Nulldurchgang dieser Wechselspannung, der nach dem Verschwinden eines Rechteck-Zündimpulses auftritt, bleibt der Thyristor 30 bis zum nächsten Rechteck-Zündimpuls gesperrt. Der in leitendem Zustand des Thyristors 30 über ihn fließende Wechselstrom wird vom Brückengieichrichter 31 gleichgerichtet, so daß der Elektromagnet 20 während der Dauer eines Rechteckimpulses des Zeitgliedes 29 durch eine verhältnismäßig hochfrequente (100 Hz) Folge gleichgerichteter Halbwellen erregt wird, die wegen der Trägheit des Elektromagneten 33 auf ihn wie ein Impuls wirken. Die Dauer und Frequenz der Rechteckimpulse des Zeitgliedes 29 bestimmen mithin die Dauer und Frequenz der Pumpenhübe. Mit zunehmender Regelabweichung erhöht sich die Folgefrequenz der Pumpenhübe nach go Gleichung (5) mehr als proportional, und umgekehrt, wie es dem logarithmischen Zusammenhang zwischen dem pH-Wert und der H3O⁰-Konzentration der Lösung, hier des Abwassers, entspricht Entsprechend wird die Menge des der Lösung über die Pumpe 34 aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter in Pfeilrichtung zugesetzten Mittels geändert. So benötigt man zu Beginn einer Neutralisation einer sauren Lösung für eine bestimmte relative Änderung der H3O°-Konzen tration, z. B. auf den zehnten Teil, eine große, mil fortlaufender Neutralisation der Lösung ständig abnehmende Menge an Zusatzmittel in Form von Alkali; nach Erreichen des Neutralpunktes, also bei pH = 7, wächsi umgekehrt die Menge des zuzugebenden Alkali wiedei ständig an, um die OH-Konzentration zu erhöhen Entsprechendes gilt wenn der pH-Wert einer alkali sehen Lösung durch Zugeben einer Säure geregeli werden soll.

Je nach dem, ob eine Base oder eine Säure der Lösung zugesetzt werden soll, kann der Schalter 3 in die eint oder andere Stellung gebracht werden, so daß die Verbindungen zwischen den Gebern 1, 2 einerseits unc dem Regler 4 andererseits vertauscht werden, um eine Änderung des pH-Wertes im richtigen Sinne zi erreichen. Ebenso kann die Umschaltung beim Durch laufen des Neutralpunktes erfolgen, wenn der pH-Wen über den Neutralpunkt hinweg geändert werden soll.

Mit Hilfe des einstellbaren Widerstands 22 ist die Zeitkonstante der Ladegeschwindigkeit des Kondensators 23 und damit die Frequenz des Oszillators 19 bzw der Pumpe 34 nachstellbar. Der einstellbare Widerstanc 26 ermöglicht eine Einstellung der Höckerspannung Ui des Unijunction-Transistors 24, wodurch ebenfalls di< Frequenz beeinflußt werden kann.

Die Verstärker und der Widerstand 20 sine vorzugsweise so eingestellt, daß die Regelung erst be einem bestimmten pH-Wert einsetzt und die Pumpi oberhalb dieses Wertes mit konstanter Maxirnalfre quenz arbeitet.

Es soll beispielsweise Abwasser mit einem pH-Wer von beispielsweise 10 auf pH = 7 neutralisiert werden Dann kann die Verstärkeranordnung so eingestellt sein daß sie bei einer pH-Wert-Änderung von pH = 7 au pH = 8 voll ausgesteuert ist, d.h. die ausgangsseitigt Steuerspannung U bei pH=8 ihren Maximalwer erreicht Die Dosierpumpe 34 läuft dann bis pH =8 mi voller Geschwindigkeit, z.B. 6000 Hübe pro Stunde Wenn durch die Zugabe von Neutralisationsmitte pH = 8 erreicht ist, setzt die Regelung ein, bis di( Dosierpumpe bei pH = 7 anhält Auf diese Weise is auch jeder andere pH-Wert, bei dem die Regelurij einsetzen soll, einstellbar, beispielsweise wenn dii Eingangs- und/oder Rückführwiderstände des Ver stärkers 12 einstellbar und/oder einstellbare Wider stand-Dioden-Begrenzer in die Verstärkerkreise einge schaltet sind. Desgleichen können auch die Verstärker! und 18 einstellbare Eingangs- und Rückführwiderstände aufweisen.

Bei großer Regelabweichung eriolgi daher zunächi eine schnelle Verringerung der Regelabweichung bis au eine Einheit die dann mit langsamer werdende; Frequenz ausgeregelt wird. Insgesamt ergibt sich au diese Weise eine sehr empfindliche und schnellt Regelung bei geringem Aufwand.

Das zum Thyristor 30 parallelgeschaltete Reihen-ÄC Glied dient der Verringerung der bei _ induktive: Belastung gegebenenfalls zu hohen Änderungs geschwindigkeit der Spannung am Thyristor 30 un< damit der Gefahr einer Zündung des Thyristors 30 übei seine Hauptanschlüsse.

Abweichungen vom dargestellten Ausführungsbei spiel liegen im Rahmen der Erfindung. So kann an Stell« des Unijunction-Transistor-Oszillators 19 auch eii astabiler Multivibrator eingesetzt werden. Der Aufwane bei einem Unijunction-Transistor-Oszillator ist jedocl geringer. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist dii

Regelung des pH-Wertes bei einer Redoxreaktion, der ebenfalls eine logarithmische Abhängigkeit aufweist. In einer Ausführung der Regeleinrichtung waren für

die nachstehenden Bauelemente und Größen die nebenstehenden Werte gewählt:

Widerstand Kondensator Spannung

Farad

Volt

10

13 14 15 16 20 21 22

25 26 27

23

1 M 100 K 2,7 K 2,7 K 100 K 0...4J K 10 K 0...100 K

150

0...1 K 1.5 K 100-500 ρ

47 Mikro

5,8... 13,8

Mit den angegebenen Werten lag die Impulsfolgefrequenz zwischen lOund 102 Impulsen pro Minute. Die logarithmische Abhängigkeit der Impulsfolgefrequenz von einer Regelabweichung läßt sich auch durch andere, z. B. eine nichtlineare Kennlinie aufweisende Übertragungsglieder, zumindest angenähert erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Regeln des pH-Wertes oder eines vergleichbaren Wertes einer Lösung, mit einem Istwertgeber, einem Sollwertgeber, einem durch die Geber beaufschlagten Regler und einem von diesem beaufschlagten Stellglied, das der Lösung ein die Regelgröße beeinflussendes Zusatzmittel zuführt, wobei das Stellglied eine durch die Impulse eines Impulsgenerators antreibbare Dosierpumpe für das Zusatzmittel, der Impulsgenerator einen spannungsgesteuerten Oszillator und der Regler einen die Steuerspannung für den den Oszillator bildenden, von Soll- und Istwertspannung beaufschlagten Differenzverstärker aufweist und die Impulsfolgefrequenz logarithmisch von der Regelabweichung abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Oszillator (19) ein Schwellwert-Schaltglied (24) und einen Zeitgeber-Kondensator (23) aufweist, dessen Ladespannung den Schalteingang des Schwellwert-Schaltgliedes beaufschlagt, und daß die Steuerspannung (U) den Endwert der Ladespannung des Zeitgeber-Kondensators (23) bestimmt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwellwert-Schaltglied ein Unijunction-Transistor (24) ist

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Oszillatorimpulse dem Steueranschluß eines aus einer Wechselspannungsquelle (32) gespeisten Thyristors (30) über ein Zeitglied (29) zuführbar sind, im Arbeitskreis des Thyristors (30) ein Betätigungs-Elektromagnet (33) für eine Hubmembran (36) der Dosierpumpe (34) liegt und die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle (38) abgegebenen Wechselspannung höher als die der Oszillatorimpulse ist

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Thyristor (30) eine Zweirich- tungs-Thyristortriode ist und der Betätigungs-Elektromagnet (33) im Gleichstromkreis eines wechselstromseitig in Reihe mit dem Thyristor (30) an der Wechselspannungsquelle (32) angeschlossenen Brückengleichrichters (31) liegt

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Geber (1, 2) mit dem Regler (4) mittels eines Schalters (3) vertauschbar sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß jeder Regelabweichung, die größer als ein vorbestimmter Grenzwert ist der wesentlich kleiner als der Einstellbereich der Regelgröße ist, die Maximalfrequenz des Impulsgenerators (5) zugeordnet ist