DE2648538B1 - Verfahren zur automatisch geregelten Konstanthaltung der Zusammensetzung von Baedern und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Bei einem bekannten Verfahren, wie es eingangs beschrieben ist, wird der Badprobenstrom durch die Meßzelle geführt und von dort in einen Ablauf oder in das Bad zurückgeleitet. Das Meßsignal eines in der Meßzelle befindlichen Meßfühlers wird über einen Verstärker auf den Regler gegeben, der den Istwert mit dem an einem Steller vorgegebenen Sollwert vergleicht und im Falle einer unzulässigen Regelabweichung einen Schaltverstärker ansteuert. Dadurch wird ein Dosierorgan betätigt, so daß Chemikalien aus einem Behälter in das Bad gelangen. Bei diesem bekannten Verfahren bedarf es zur Festlegung des Sollwertes einer Messung unter Zugrundelegung analytisch bestimmter Kenngrößen für die Badbestandteile, beispielsweise der Konzentration. Die analytisch bestimmbare Konzentration (Kenngröße) eines Stoffes ist aber vielfach gar nicht maßgebend, denn gerade in konzentrierten Lösungen liegen die Stoffe meist nicht in der analytisch bestimmten Konzentration frei vor. Deshalb sind derartige Meßmethoden für die Überwachung der Arbeitsweise von Bädern weder notwendig noch immer sinnvoll.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es unter Beibehaltung der Vorteile einer im Nebenstrom eines Bades liegenden Meßzelle möglich ist, den optimal eingestellten Zustand eines Bades auf einfache Weise automatisch konstant zu halten.
• Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs geschilderten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch die Meßzelle zusätzlich ein Leitprobenstrom gewünschter Zusammensetzung (Sollwert) in einem geschlossenen Kreislauf hindurchgeleitet wird, daß in der Meßzelle mindestens zwei identische Meßfühler angeordnet werden, von denen der eine dem Badprobenstrom und der andere dem Leitprobenstrom zugeordnet ist, und daß die Meßsignale der identischen Meßfühler dem Regler zugeführt werden.
• Auf diese Weise wird mit Hilfe der dem Badprobenstrom der Meßzelle zugeordneten Meßfühlers ein Meßsignal gewonnen, das den Istzustand des Bades charakterisiert Über den Regler wird das den Istzustand kennzeichnende Meßsignal mit dem Meßsignal für den Sollzustand des Bades verglichen, das von dem identischen Meßfühler geliefert wird, der dem Leitprobenstrom der Meßzelle zugeordnet ist. Somit wird nicht ein im analytischen Sinne absolutes Meßsignal für die Badregelung verwendet, sondern als Meßsignal dient der relative Unterschied zwischen zwei den Istzustand und den Sollzustand des Bades charakterisierenden Größen. Die Eigenschaften des Leitprobenstromes dienen als Führungsgröße, und der Zustand des Bades wird damit kontinuierlich verglichen.
• Wenn das Bad neu angesetzt oder eingestellt ist und optimal arbeitet, kann dem Bad, ohne daß die analytische Zusammsetzung bekannt sein muß, eine Leitprobe entnommen werden. Diese wird in einem geschlossenen Kreislauf als Leitprobenstrom durch einen Kanal der Meßzelle gefördert. Das Meßsignal des dem Leitprobenstrom zugeordneten Meßfühlers dient nun als Bezugspunkt für den Sollzustand des Bades.
• Durch einen identischen Meßfühler, der dem Badprobenstrom der Meßzelle zugeordnet ist, wird ein Meßsignal für den Istzustand des Bades gewonnen. Bei einwandfreiem Badzustand ist die Differenz beider Meßsignale, die dem Regler zugeführt werden, Null.
• Weicht das Meßsignal des Meßfühlers des Badprobenstroms von dem des Leitprobenstromes ab, entsteht am Ausgang des Reglers ein Signal, das ein Ansteuern des Dosierorgans bewirkt.
• Wenn die Arbeitsweise der Meßfühler des Bad- und Leitprobenstroms überprüft werden soll, braucht nur den beiden Kanälen dieser Ströme die gleiche Lösung aufgegeben zu werden, und nach kurzer Einstellzeit muß die Differenz beider Meßsignale am Regler Null sein. Ist dies wegen einer Asymmetrie der Meßfühler nicht der Fall, läßt sich das Signal am Regler in bekannter Weise zu Null kompensieren. Die Funktionskontrolle erfordert somit keine Messung elektrischer Größen, und auch keine Verwendung von Lösungen analytisch bekannter Konzentration, sondern nur eine qualitative Nullkontrolle.
• Wenn der Leitprobenstrom gemäß einem weiteren Gedanken zur Ausgestaltung der Erfindung durch das Bad geführt wird, ist auch sichergestellt, daß Bad- und Leitprobenstrom dieselbe Temperatur aufweisen, so daß deren Einfluß auf die Meßsignale entfällt. Wenn die Badzusammensetzung geändert werden soll, braucht nur die Leitprobe entsprechend korrigiert zu werden, und sofort werden die Meßorgane angesteuert und Chemikalien in das Bad eindosiert, bis die Meßfühler wieder identische Meßsignale abgeben, deren Differenz Null ergibt.
• Beim Einsatz potentiometrischer Meßfühler können die Kanäle der beiden Probenströme nach einem weiteren Merkmal zur Ausgestaltung der Erfindung durch einen Stromschlüssel verbunden werden, der mit der Leitprobe gefüllt ist. Wegen der praktisch gleichen Zusammensetzung von Badprobe, Leitprobe und Stromschlüsselfüllung werden somit Diffusionspotentiale vermieden, die bei konventionellen Bezugselektroden erhebliche Probleme ergeben können und besonders bei direktpotentiometrischen Messungen oft die Ursache beträchtlicher Meßunsicherheiten sind. Zwecks elektrischer Erdung kann im Stromschlüssel eine Ableitelektrode angeordnet werden.
• Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Blockschaltbildes beispielsweise erläutert: Aus einem Bad 1 wird mit einer Pumpe 2 eine Ringleitung 3 gespeist, der über einen Nebenkreislauf 4 ein Badprobenstrom entnommen wird, der den Kanal 5 der Meßzelle 6 durchströmt und in das Bad 1 zurück fließt. Aus einem Vorratsgefäß 7 wird mit einer Pumpe 8 ein Leitprobenstrom in einem geschlossenen Kreislauf 9 durch einen Kanal 10 der Meßzelle 6 gefördert und in das Vorratsgefäß 7 zurück geführt Beide Kanäle 5 und 10 können bei Verwendung potentiometrisch arbeitender Meßfühler durch einen mit der Leitprobe gefüllten Stromschlüssel 11 elektrisch leitend verbunden sein.
• Beiden Kanälen 5 und 10 sind Meßfühler 12 bzw. 13 zugeordnet, die paarweise identisch sind. Im dargestellten Fall ist für jeden Kanal nur ein Meßfühler vorgesehen. Die Meßsignale der Meßfühler 12 und 13 werden einem Regler 14 zugeführt und bei Übereinstimmung der Beschaffenheit von Bad- und Leitprobenstrom erfolgt mit einem Steller 15 ein Nullabgleich, der allfällige Unsymmetrien der Meßfühler 12 und 13 beseitigt. Der Regler 14 kann in Form eines elektronischen Differenzverstärkers als einfacher Nullverstärker ausgeführt sein, an dessen Charakteristik wesentlich geringere Anforderungen gestellt werden als an einen Meßverstärker, wie er z. B. bei Verwendung von Meß- und Bezugselektroden zur pH-Messung notwendig ist.
• Wenn z. B. als Meßfühler 12 und 13 je eine Glaselektrode verwendet wird und der pH-Wert des Badprobenstromes 5 von dem des Leitprobenstromes 10 abweicht, entsteht am Ausgang des Reglers 11 eine Spannung, auf die ein Nullrelais 16 anspricht, das ein Dosierorgan 17 ansteuert. Dadurch gelangen Chemikalien aus dem Behälter 18 in das Bad 1, bis die Regelabweichung beseitigt ist.
• Bei Inbetriebnahme des Bades stimmt die Zusammensetzung des Badprobenstromes 4 mit der im Vorratsgefäß 7 enthaltenen Leitprobe überein, da das Vorratsgefäß 7 im allgemeinen vor Betriebsbeginn aus dem Bad 1 gefüllt wird. Wenn sich die Badzusammensetzung ändert, weicht das Meßsignal des Meßfühlers 12 von dem des Meßfühlers 13 ab, und die Differenz wird durch Zugabe entsprechender Chemikalien in das Bad 1 beseitigt.
• Bei potentiometrischer Badkontrolle ergibt die Anordnung der Meßfühler 12 und 13 in der Meßzelle 6 in Verbindung mit dem Stromschlüssel 11 eine durch die Nernst-Gleichung beschriebene Konzentrationskette, so daß z. B. ein Unterschied von 0,1 pH zwischen Bad- und Leitprobenstrom am Eingang des Reglers 14 eine Potentialdifferenz von etwa 6 mV zur Folge hat.
• Wenn den Kanälen 5 und 10 je ein Photodetektor zugeordnet wird, zwischen den Kanälen eine monochromatisierte Lichtquelle sitzt und die Badkontrolle photometrisch erfolgt, ergibt sich nach dem Lambert-Beerschen Gesetz eine relative Extinktion, die Abweichungen der Zusammensetzung von Bad- und Leitprobe um +0,5 Relativ-Prozent zuverlässig indiziert.
• Bei konduktometrischer Messung können als Meßfühler 12 und 13 für Bad- und Leitprobenstrom je eine Widerstandsmeßzelle verwendet werden, die z. B. als Meßwiderstände in Reihe liegen, so daß sie gemeinsam mit zwei ohmschen Widerständen eine Meßbrücke bilden. Bei entsprechender Anpassung der Widerstände ergibt die Änderung der Leitfähigkeit des Badprobenstromes gegenüber der des Leitprobenstromes bei einer Versorgungswechselspannung der Brücke von z. B. 4 V ein Meßsignal von 10 mV. Eine Temperaturkompensa- tion erübrigt sich, wenn der Kanal 10 für den Leitprobenstrom, wie bereits erwähnt, durch das Bad 1 geführt wird, so daß Bad- und Leitprobenstrom dieselbe Temperatur aufweisen.
• Auf welche Weise die Meßsignale der Meßfühler 12 und 13 verarbeitet werden, d. h ob man einen stetigen oder einen nicht stetigen Regler 14 verwendet, hängt vor allem davon ab, wie groß das Badvolumen ist und wie schnell sich die Badzusammensetzung im laufenden Betrieb ändert. Für viele Anwendungen reicht ein Zweipunktregler völlig aus, wie sich im praktischen Einsatz erwiesen hat, zumal man durch eine Rückführung ein quasi stetiges Verhalten derartiger Regler erreichen kann.
• Dasselbe gilt für die Auswahl des Dosierorgans.
• Einfache, intermittierend geschaltete Ventile sind ebenso geeignet wie Dosierpumpen. Diese ergeben den Vorteil, daß ihre Förderleistung nicht von der Füllhöhe des Vorratsbehälters 18 abhängt.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur automatisch geregelten Konstanthaltung der Zusammensetzung von Bädern, bei welchem den Bädern Zusätze mittels eines Dosierorgans mengenrichtig zugegeben werden, das durch das Ausgangssignal eines einen Soll-lstwert-Vergleich durchführenden Reglers angesteuert wird, wobei der Istwert einem Meßfühler in einer Meßzelle entnommen wird, die von einem Badprobenstrom durchflossen wird, dadurch ge keanz e i c h n e t, daß durch die Meßzelle (6) zusätzlich ein Leitprobenstrom gewünschter Zusammensetzung (Sollwert) in einem geschlossenen Kreislauf hindurchgeleitet wird, daß der Meßzelle (6) mindestens zwei identische Meßfühler (12, 13) angeordnet werden, von denen der eine dem Badprobenstrom und der andere dem Leitprobenstrom zugeordnet ist, und daß die Meßsignale der identischen Meßfühler (12, 13) dem Regler (14) zugeführt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Probenströme über einen Stromschlüssel (11), der mit der Leitprobe gefüllt ist, miteinander verbunden werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bad- und Leitprobenstrom mit auf einander abgestimmten Geschwindigkeiten durch ihre Kanäle (5, 10) zwangsbewegt werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitprobenstrom vor Eintritt in die Meßzelle (6) durch das Bad (1) hindurch geleitet wird.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßzelle (6) zwei Kanäle (5, 10) angeordnet sind, von denen der eine zur Durchführung des Badprobenstroms und der andere zur Durchführung des Leitprobenstroms dient, und daß jedem der Kanäle (5, 10) mindestens je ein identischer, mit dem Eingang des Reglers (14) verbundener Meßfühler (12, 13) zugeordnet ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stromschlüssel (11) eine Ableitelektrode angeordnet ist.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatisch geregelten Konstanthaltung der Zusammensetzung von Bädern, bei welchem den Bädern Zusätze mittels eines Dosierorgans mengenrichtig zugegeben werden, das durch das Ausgangssignal eines einen Soll-Istwert-Vergleich durchführenden Reglers angesteuert wird, wobei der Istwert einem Meßfühler in einer Meßzelle entnommen wird, die von einem Badprobenstrom durchflossen wird, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

   Beispielsweise bei der Oberflächenbehandlung von Werkstücken werden Bäder verwendet, deren Zusammensetzung innerhalb möglichst enger Grenzen konstant gehalten werden muß, damit ein technisch und wirtschaftlich optimales Bearbeitungsergebnis erzielt wird. Deshalb werden den Bädern die Chemikalien automatisch geregelt zudosiert. Bei den bisher bekannten Verfahren zur Regelung der Badzusammensetzung werden vielfach potentiometrisch arbeitende Meßketten zur Istwerterfassung verwendet, die mit einer Glaselektrode, einer Metallelektrode oder einer ionensensitiven Elektrode und einer Bezugselektrode arbeiten. Bei photometrischen Messungen wird die Farbtiefe der Lösung gemessen und entweder mit einer Sollspannung oder einem Farbstandard verglichen. Bei Dichtemessungen wird die Istwerterfassung über einen Schwimmer durchgeführt, dessen Eintauchtiefe z. B.

   lichtelektrisch abgetastet wird. Bei der konduktometrischen Messung wird der Widerstand einer Meßzelle mit einem ohmschen Widerstand, der den Sollwert repräsentiert, verglichen.

   Die bisher angewandte Arbeitsweise, z. B. unter Verwendung potentiometrischer Meßketten, bringt bei kontinuierlichem Betrieb verschiedenste Nachteile mit sich, die eine häufige Wartung durch Fachpersonal erforderlich machen. Die Elektrodensteilheit bleibt bei vielen Meßfühlern der oben genannten Art nicht konstant; an der Fritte der Bezugselektroden entstehen Diffusionspotentiale, deren Größe konzentrations-, zeit-, temperatur- und strömungsabhängig ist; der Meßverstärker muß eine konstante Arbeitskennlinie aufweisen, und eine Anpassung an den Isothermenschnittpunkt der Meßkette muß ermöglicht werden können; bei der Funktionskontrolle müssen Lösungen mit definierten Konzentrationswerten vorgelegt werden, die wegen des nicht genau bekannten Aktivitätskoeffizienten einer genauen Einstellung bedürfen. Bei Verwendung photometrischer, densitometrischer oder konduktometrischer Meßfühler bestehen bei der herkömmlichen Arbeitsweise mit einem Probenstrom, der die Meßzelle durchströmt, ähnlich vielfältige Anforderungen an die Konstanz meßtechnischer Randbedingungen.

   Für die automatische Überwachung von Bädern ist es völlig belanglos, welche Konzentrationswerte herrschen, denn allein die optimale Arbeitsweise der Bäder ist das entscheidende Kriterium. Daher steht nicht eine analytische Fragestellung im Vordergrund, sondern die Wirksamkeit des Bades als Summe der Einflüsse aller Badbestandteile. Die Badregelung hat somit die Aufgabe, den optimal eingestellten Zustand des Bades durch mengenrichtiges Eindosieren von Chemikalien in das Bad automatisch konstant zu halten. Eine weitere, wichtige Anforderung an die Badregelung besteht darin, daß ihre Arbeitsweise jederzeit überprüfbar sein muß, ohne daß es dazu qualifizierten Fachpersonals bedarf.