DE3838139A1 - Verfahren zur regelung der konzentration einer dispersen phase in einer emulsion oder suspension - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Konzentration einer dispersen Phase in einer Emulsion oder Suspension nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Verfahren der einleitend gekennzeichneten Gattung ist in der DE-PS 35 14 958 beschrieben. Es findet dort insbesondere Anwendung für die genaue Dosierung der Bierhefezellen (disperse Phase) zur Bierwürze (kontinuierliche Phase).

Im Zusammenhang mit der Vorrichtung zur Durchführung des bekannten Verfahrens wird in der vorgenannten Druckschrift unter anderem vorgeschlagen, in der Würzeleitung ein Hefedo­ sier-Regelventil anzuordnen, das eine in die Würzeleitung einmündende Dosierleitung für Hefe steuert.

Es ist zwar nicht Gegenstand des vorgenannten Verfahrens und der Vorrichtung zu seiner Durchführung, die über die Dosierleitung zugeführte disperse Phase mit der kontinu­ ierlichen Phase innig zu vermischen und in dieser möglichst gleichmäßig zu verteilen, jedoch sind derartige Misch- und Verteilungsvorgänge notwendige Voraussetzung dafür, daß die Konzentrationsbestimmung der dispersen Phase in der kontinu­ ierlichen Phase gelingt.

Als Misch- und Verteilungseinrichtung hat sich in diesem Zusammenhang beispielsweise eine statische Mischvorrichtung bewährt, wie sie aus der DE-OS 36 11 589 bekannt ist. Dem in einem Rohr strömenden Prozeßstrom (kontinuierliche Phase) wird über eine Injektionsvorrichtung, die im engsten Quer­ schnitt eines venturirohrartig ausgebildeten Rohrleitungsab­ schnittes der Mischvorrichtung ausmündet, das zu injizierende Strömungsmittel, die disperse Phase, über einen Ringspalt im Kreuzstrom zum Prozeßstrom zugeführt, wobei der Ringspalt von einer im Zentrum des Mischrohres angeordneten Stauscheibe und dem stirnseitigen Ende einer Injektionsleitung gebildet wird.

Die bekannte Mischvorrichtung oder ähnliche Einrichtungen arbeiten so lange störungsfrei, wie die zu injizierende disperse Phase eine ausreichende fließfähige Konsistenz aufweist und stetig, ohne zu stagnieren, dem Prozeßstrom zugeführt wird. Insbesondere bei dickflüssigen dispersen Phasen, die zur Sedimentation und Brückenbildung neigen, und die bei geringer gewünschter Konzentration in der kontinuierlichen Phase mit sehr geringer Strömungsgeschwin­ digkeit zugeführt werden oder zeitweise sogar in der Injek­ tionsvorrichtung stagnieren, kann es innerhalb des Dosier- Regelventils und/oder seiner vor- und nachgeordneten Leitun­ gen zu Verstopfungen kommen. Derartige Verstopfungen beobach­ tet man beispielsweise bei sehr dickflüssigen Bierhefen, wenn minimale Hefegaben zur Bierwürze mit dem Ziel einer relativ kleinen Hefezellzahl je Milliliter Würze oder sehr kleine Volumenströme der dispersen Phase aufgrund kleiner Volumen­ ströme der kontinuierlichen Phase erforderlich sind.

Die vorstehend aufgrund hoher Hefekonsistenz beim Anstellvor­ gang der Bierwürze beobachteten Störungen und Unzulänglich­ keiten treten auch bei anderen Dosiervorgängen auf, bei denen die strömungstechnischen und stofflichen Voraussetzungen in gleicher Weise gegeben sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Konzentration einer dispersen Phase in einer Emulsion oder Suspension zu schaffen, wodurch selbst bei niedrigen Konzentrationen der beizumischenden dispersen Phase ein störungsfreier Zufluß derselben zur Mischungsstelle sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1, bezüglich der Vor­ richtung durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 4 oder 6 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das vorgeschlagene Verfahren bietet deshalb Vorteile, weil es in den Zeitabschnitten verminderter Beimischung der dispersen Phase, in denen bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen die Strömung infolge eines geschlossenen Injektions-Regelventils zum Stillstand kommt, stets eine Mindestströmung der dispersen Phase sicherstellt. Hierzu werden gemäß der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens und seiner Vorrichtung zwei sich grundsätzlich voneinander unterscheidende Lösungswege vorgeschlagen.

Die erste Lösung stützt sich auf einen hinlänglich bekannten Zweipunktregelvorgang und nutzt in vorteilhafter Weise die zum ordnungsgemäßen Arbeiten des Reglers gehörende Schwingung der Regelgröße, die sogenannte Arbeitsbewegung, zur Erzeugung einer pulsierenden Strömung der beizumischenden dispersen Phase. Da es erfindungsgemäß zu keiner Zeit der Beimischung der dispersen Phase zu einer Stagnation oder zu einem Stillstand der Strömung kommt, wird Sedimentation oder Brückenbildung, die zur Verstopfung führen kann, sicher vermieden. Der zum Einhalten eines Beharrungszustandes notwendige Wert der Stellgröße (Sollwert der Trübung) kann vom System nicht geliefert werden. Dieses kann vielmehr nur entweder einen darüber liegenden Wert (größere Trübung) oder einen darunter liegenden Wert (kleinere Trübung) einstellen. Während des Regelvorganges stellt sich von selbst bald der eine, bald der andere Wert in einer solchen Verteilung ein, daß der Mittelwert der dadurch entstehenden Schwingung der Stellgröße dem zum Einhalten des Beharrungszustandes benötigten Wert entspricht.

In der Regelungstechnik versucht man die Nachteile der Zweipunktregelung, die in der vorgenannten Arbeitsbewegung des Reglers gesehen werden, gegenüber der stetigen Regelung dadurch zu beseitigen oder zu reduzieren, daß die Amplitude und Schwingungsdauer dieser Arbeitsbewegung in solchen Grenzen gehalten werden, daß sie den Ablauf des Regelvorgan­ ges nicht stört. In diesem Zusammenhang wird in der Literatur darauf hingewiesen, daß die Abweichungen des Mittelwertes der Schwingung der Regelgröße vom Sollwert in derselben Größen­ ordnung liege, wie sie mit stetigen P-Reglern erzielbar sei (vergleiche Winfried Oppelt, Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge, 1964, Seite 534 bis 537).

An dieser Stelle setzt nun der erste Lösungsgedanke der vor­ liegenden Erfindung an, indem, abweichend von der üblichen Dimensionierung einer Zweipunktregelung hinsichtlich einer Reduzierung der Amplitude und Schwingungsdauer der Arbeitsbe­ wegung, insbesondere die Amplitude, aber auch die Frequenz der Arbeitsbewegung, definiert ausgeprägt und zur Erzeugung einer pulsierenden bzw. stetig pulsierenden Strömung der beizumischenden dispersen Phase genutzt werden. Da sich bei der Zweipunktregelung, wie vorstehend bereits erläutert, kein Beharrungszustand der Stellgröße (z. B. Stellung des Injek­ tions-Regelventils) ausbilden kann, wechselt dieses dauernd zwischen zwei Grenzzuständen hin und her. Durch diesen Wechsel werden auch alle anderen Größen des Regelkreises zu einer Schwingung gezwungen. Dies führt u. a. dazu, daß das Injektions-Regelventil ständig seinen Durchtrittsquerschnitt im Sitzbereich verändert und damit eine pulsierende Strömung der beizumischenden dispersen Phase mit den vorstehend dargestellten Vorteilen hervorruft. Bei niedrigen Sollwerten kann in diesem Zusammenhang die Überlagerung der Schwingungs­ amplitude der Stellgröße zu einem kurzzeitigen Schließen des Injektions-Regelventils führen, so daß die stetig pulsierende Strömung in eine pulsierende Strömung mit kurzzeitigen, aber unschädlichen Stagnationsphasen übergeht.

Nach den Erkenntnissen der Regelungstechnik ist bei der Zweipunktregelung die Amplitude der Arbeitsbewegung unab­ hängig vom jeweiligen Verlauf der Stör- oder Führungsgröße; sie ist demgegenüber abhängig von der sogenannten Totzeit der Regelstrecke und dem sogenannten Schaltsprung der Stellein­ richtung. Da andererseits die Abweichung des Mittelwertes der Schwingung der Regelgröße vom Sollwert von der Totzeit abhängt, wird man beim vorliegenden Erfindungsgegenstand, in Übereinstimmung mit den Regeln der Regelungstechnik, die Totzeit möglichst klein halten, da der Regelvorgang dann günstiger verläuft. Über die Festlegung der Totzeit ist dann auch die Schwingungsdauer der Arbeitsbewegung determiniert, da diese näherungsweise viermal größer als die Totzeit ist. Zur Beeinflussung der Amplitude der Arbeitsbewegung bleibt somit in erster Linie der sogenannte Schaltsprung der Stelleinrichtung. Dies ist deren Veränderung bei Ansteuerung durch den Zweipunktregler. Es ist bemerkenswert, daß nach den Erkenntnissen der Regelungstechnik die Abweichung des Mittelwertes der Schwingung der Regelgröße vom Sollwert von dem Wert des Schaltsprunges des Schaltsignales nicht abhängt.

Der zweite Lösungsgedanke der vorliegenden Erfindung basiert auf einem an sich bekannten Dreipunktschrittregler, über den ein Dosierregelventil angesteuert wird. Bekannte Verfahren und Vorrichtungen lassen nun zu, daß in den Zeitabschnitten, in denen der Dreipunktschrittregler das Injektions-Regelven­ til geschlossen hat, ein Stillstand der Strömung der disper­ sen Phase eintritt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Min­ destströmung wird nun nach einer vorgeschlagenen Vorrichtung dadurch sichergestellt, daß der erforderliche Durchtritts­ querschnitt des Injektions-Regelventils über wenigstens eine Ausnehmung gebildet wird, die sich über einen axialen Bereich im Schließglied erstreckt, und deren Kontur in der Quer­ schnittsebene im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz nähe­ rungsweise die kleinste mögliche spezifische Umfangslänge aufweist. Aus Gründen der Regelbarkeit muß die Mindestströ­ mung naturgemäß sehr klein sein, was bei üblichen Regelven­ tilen zu einem entsprechend kleinen Durchtrittsquerschnitt, der in der Regel die Form eines Ringspaltes hat, führen würde. Derartige enge Spalte sind jedoch bei Anwendungen auf die vorgenannten dispersen Phasen sehr verstopfungsanfällig. Hier schafft nun die neue Vorrichtung dadurch Abhilfe, indem der Durchtrittsquerschnitt nicht als Ringspaltquerschnitt mit einer sehr hohen spezifischen Umfangslänge, sondern in einer möglichst günstigen Ausbildung, z. B. als Rechteck-, Quadrat- oder Halbkreisquerschnitt ausgeführt ist. Damit die Mindest­ strömung den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden kann, ist darüber hinaus vorgesehen, daß der Durchtrittsquerschnitt im Zusammenwirken mit dem Ventilsitz von einem Maximalwert am vordersten, dem Ventilsitz zugewandten Ende, bis auf null abnimmt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Schließ­ gliedes gelingt es, selbst kleinste Strömungen mit einem noch durchströmbaren, in seiner Größe mit dem Hub des Stellgliedes veränderbaren Querschnitt auszubilden.

Mit steigendem k _v -Wert des Injektions-Regelventils ist nach einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen, mehr als eine Ausnehmung am Umfang des Stellgliedes anzuordnen, wobei Breite und Tiefe einer recht­ eckförmig ausgebildeten Ausnehmung und ein Winkel α, der die Änderung des Durchtrittsquerschnittes in Abhängigkeit vom Stellgliedhub bestimmt, in einer empirisch ermittelten Abhängigkeit zum vorgenannten k _v -Wert stehen.

Bei Anlaufvorgängen ist es dem Regelsystem nicht möglich, die das System durchströmende kontinuierliche Phase unverzüglich auf den gewünschten Sollwert mit der dispersen Phase anzu­ reichern. Darüber hinaus sind Störungen denkbar, bei denen die beizumischende disperse Phase derart beschaffen ist, daß selbst bei größtmöglicher Öffnung der Dosiereinrichtung der gewünschte Sollwert der Konzentration an disperser Phase in der kontinuierlichen Phase nicht erreichbar ist. Der umge­ kehrte Fall ist ebenso denkbar, daß nämlich die kontinuier­ liche Phase vor der Dosierstelle bereits eine derart hohe Konzentration an disperser Phase aufweist, daß selbst bei maximaler Drosselung des Dosierventils der gewünschte Sollwert der Konzentration nicht erreichbar ist. In diesen Fällen sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung vor, daß ständig das Produkt aus Volumenstrom und Istwert der Konzentration der Emulsion bzw. Suspension gebildet, aus den Produkten fortlaufend ein Summenwert ermittelt und mit dem entsprechenden Summenwert, gebildet aus Volumenstrom und Sollwert der Konzentration, verglichen wird, und daß, bei Abweichung der Summenwerte von­ einander, die Beimischung der dispersen Phase jeweils mit der geringstmöglichen bzw. der höchstmöglichen meßbaren Konzen­ tration bis zur vollständigen Gleichstellung der Summenwerte gesteuert wird.

Die Lösung mittels eines erfindungsgemäß eingesetzten Zwei­ punktreglers ist ebenfalls sehr einfach.

Eine Meß- und Regeleinrichtung, die die Konzentration der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase mißt ist mit einem Grenzwertgeber ausgestattet, der auf den Sollwert der gewünschten Konzentration eingestellt ist. So lange sich der Istwert der Konzentration unterhalb des Sollwertes befindet, bleibt ein Schaltkontakt geschlossen, so daß eine Stellein­ richtung des Injektions-Regelventils angesteuert wird und eine Öffnungsbewegung ausführt. Durch vermehrte Zufuhr von disperser Phase zur kontinuierlichen Phase über dieses Injek­ tions-Regelventil steigt die Konzentration der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase, bis der Sollwert erreicht ist. Nun öffnet der Schaltkontakt und die Stelleinrich­ tung bewirkt eine Schließbewegung des Injektions-Regel­ ventils. Als Folge der im System gegebenen Totzeit ergibt sich zunächst eine gewisse Überschreitung des Sollwertes, bis eine neuerliche Unterschreitung desselben den Schalt­ kontakt erneut schließt und sich die Arbeitsbewegung, wie vorstehend beschrieben, in zyklischer Abfolge vollzieht.

Im Hinblick auf eine Kompensation von Anlaufvorgängen und Störungen sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung einen Rechner vor, der zwischen der Meß- und Signaleinrichtung und der Stelleinrichtung angeordnet und mit einer Meßeinrichtung für den Volumenstrom der kontinuierlichen Phase verbunden ist. Der Rechner wird einerseits ständig mit dem Istwert der Konzentration der dispersen Phase versorgt, andererseits erhält er die jeweils zugeordneten Werte für den Volumenstrom der kontinuierlichen Phase, so daß er ständig das Produkt aus diesen beiden Meßgrößen bilden und fortlaufend aus den Produkten einen Summenwert ermit­ teln kann, den er mit dem entsprechenden Summenwert, gebildet aus dem Volumenstrom und dem Sollwert der Kon­ zentration, vergleicht. Sobald der Rechner feststellt, daß die Summenwerte voneinander abweichen, veranlaßt er die Beimischung der dispersen Phase jeweils mit der geringstmög­ lichen bzw. der höchstmöglichen meßbaren Konzentration bis zur vollständigen Gleichstellung der Summenwerte.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Sie sind in der dargestellten Form beispielsweise geeignet, das sogenannte "Anstellen" von Bierwürze (kontinuierliche Phase) mittels Bierhefe (disperse Phase) zu realisieren. Die verwen­ deten Begriffe beziehen sich allerdings nicht auf diesen speziellen Anwendungsfall, da das vorgeschlagene Beispiel gleichermaßen uneingeschränkt für andere Dosierprobleme Anwendung finden kann. Es zeigt

Fig. 1 in vereinfachter schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ebenfalls in vereinfachter schematischer Darstellung eine vorteilhafte Erweiterung der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 bis 3b eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung im Bereich des Stellgliedes des Injektions- Regelventils und

Fig. 4a bis 4b Verläufe typischer Arbeitsbewegungen der Regelgröße zur Verdeutlichung der Wirkungsweise des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.

Fig. 1 weist im unteren Teil eine Rohrleitung 1 auf, in der eine statische Mischvorrichtung 2, bestehend aus einer Düse 2 a, einem im wesentlichen zylindrischen Mischrohr 2 b und einem nachgeordneten Mischdiffusor 2 c, angeordnet ist. Zwischen der Düse 2 a und dem Mischrohr 2 b befindet sich ein Mischelement 4, welches in seinem Zentrum eine über Verwirbelungsstege 4 b gehaltene Stauscheibe 4 a aufweist. Letztere bildet zusammen mit der stirnseitigen Begrenzungsfläche einer Injektionsleitung 3 einen nicht näher bezeichneten Ringspalt. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der Funktion der statischen Mischvorrich­ tung 2 wird auf die DE-OS 36 11 589 verwiesen.

Die Injektionsleitung 3 steht mit einem Gehäuse eines Injek­ tions-Regelventils 5 in Verbindung, wobei ein Stellglied 5 a in Verbindung mit einem Ventilsitz 5 b diesen Verbindungsweg steuert. Das Gehäuse des Injektions-Regelventils 5 verfügt darüber hinaus über einen Anschluß für eine Leitung 5 d für die Zufuhr der dispersen Phase q. Als Antrieb des Stellgliedes 5 a dient eine Stelleinrichtung 6, die aus einem federbelasteten Antriebszylinder 5 c einem ³/₂-Wegeventil 8 und eine beide miteinander verbindende Arbeitsleitung 10, in der sich eine Drosseleinrichtung 9 befindet, aufgebaut ist. Das ³/₂-Wegeven­ til verfügt über drei Anschlüsse A, P und R und zwei Stellungen a bzw. b. In der Stellung b ist die Arbeitsleitung 10 über den Arbeitsanschluß A mit der Abflußleitung R verbunden, während in der Stellung a eine Verbindung der Arbeitsleitung 10 mit dem Zufluß P des Druckmittelnetzes besteht. Anstelle der pneuma­ tischen Stelleinrichtung 6 ist ebenso die Verwendung eines elektrisch oder eines mit anderen Wirkmechanismen arbeitenden Stellantriebes möglich.

In der der statischen Mischvorrichtung 2 nachgeordneten Rohrleitung 1 befindet sich eine Meß- und Regeleinrichtung 7, unter anderem bestehend aus einem Schaltkontakt 7 a, einem Grenzwertgeber 7 b, einem Meßkopf 7 c, einem Sender und Empfänger 7 d bzw. 7 e und einem Meßkanal 7 f. Anstelle des einseitig in die Rohrleitung 1 mit dem Meßkanal 7 f eingreifenden Meßkopfes 7 c ist auch eine Meß- und Regeleinrichtung denkbar, bei der der Sender auf der einen und der Empfänger auf der anderen Seite der Rohrleitung 1 angeordnet ist. In diesem Falle würde die gesamte Strömung in der Rohrleitung 1 meßtechnisch erfaßt werden. Auf die Darstellung einer der statischen Mischvorrich­ tung vorgeordneten Meßeinrichtung wird im Ausführungsbeispiel verzichtet, da einerseits die zur Beimischung der dispersen Phase notwendigen Differenzsignale auch mit einer einzigen Meßeinrichtung zu gewinnen sind, andererseits das Wesen der vorliegenden Erfindung unabhängig von der Anzahl und der Anordnung der Meßeinrichtungen zur Bestimmung der Konzentration der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase (eine Beschreibung des diesbezüglichen Standes der Technik findet sich in der DE-PS 35 14 958) dargestellt werden kann. Die Meß- und Regeleinrichtung 7 beinhaltet erfindungsgemäß einen Zwei­ punktregler, der über eine Steuerleitung 7 g mit einem Steuer­ leitungsanschluß x des Wegeventils 8 verbunden ist. In der Rohrleitung 1 strömt in der mit dem Pfeil gekennzeichneten Richtung der Prozeßstrom Q, der die kontinuierliche Phase darstellt. Das zu injizierende Strömungsmittel, die disperse Phase, tritt als Volumenstrom q in die Leitung 5 d ein, um über den nicht näher bezeichneten Ringspalt zwischen der Stauscheibe 4 a und der stirnseitigen Begrenzungsfläche der Injektionslei­ tung 3 im Kreuzstrom in das Mischrohr 2 b auszutreten. Der Abstand zwischen dieser Dosierstelle und der Meßstelle für die Konzentration der dispersen Phase ist mit L bezeichnet und bestimmt im wesentlichen die Totzeit der Regelstrecke.

Die Wirkungsweise der Vorrichtungsfigur gemäß Fig. 1 sei im folgenden in Verbindung mit den Darstellungen in den Fig. 4a und 4b erläutert.

Die Schwingung der Regelgröße T (Konzentration der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase) ist in Fig. 4a in Abhängigkeit von der Zeit t idealisiert dargestellt. Sie schwankt mit einer Amplitude T ₀ um den über den Grenzwert­ geber 7 b eingestellten Sollwert G 1. Bei Unterschreitung des Sollwertes G 1 wird der Schaltkontakt 7 a geschlossen (vergl. Fig. 1) und es erfolgt über die Steuerleitung 7 g eine Ansteu­ erung des ³/₂-Wegeventils 8 in die Stellung a, in der der Zufluß P des Druckmittelnetzes mit der Arbeitsleitung 10 verbunden ist. Das Druckmittel strömt über die Drosseleinrich­ tung 9 in den Antriebszylinder 5 c, so daß das Stellglied 5 a eine Öffnungsbewegung beginnt. Der vorstehend beschriebene sogenannte Schaltsprung der Stelleinrichtung 6 bestimmt neben der im wesentlichen durch den Abstand L bedingten Totzeit die Amplitude T ₀ der Arbeitsbewegung. Durch Öffnen des Sitzquer­ schnitts zwischen dem Stellglied 5 a und dem Ventilsitz 5 b strömt vermehrt disperse Phase in die kontinuierliche Phase, so daß sich demzufolge die Konzentration der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase erhöht. Sobald der Konzentrations­ wert den Sollwert G 1 erreicht hat, öffnet der Schaltkontakt 7 a, so daß das Wegeventil 8 in seine Stellung b abfällt. In dieser Stellung kann nun das im Antriebszylinder 5 c befindliche Druckmittel aus diesem über die Drosseleinrichtung 9 und die Arbeitsleitung 10 über den Abfluß R abströmen, so daß eine Schließbewegung des Schließgliedes 5 a eingeleitet wird. Durch die der Regelstrecke anhaftende Totzeit ergibt sich sowohl bei der Überschreitung des Sollwertes G 1 als auch bei dessen Unter­ schreitung zunächst ein Überschwingen, wobei die Amplitude T ₀ jeweils beiderseits des Sollwertes G 1 das Maximum bzw. das Minimum der Regelgröße T bestimmt.

Wie vorstehend bereits angedeutet, wird die Amplitude T ₀ sowohl beim Über- als auch beim Unterschreiten des Sollwertes G 1 vom sogenannten Schaltsprung der Stelleinrichtung bestimmt, der über die Drosseleinrichtung 9 in Grenzen veränderbar ist. Die Schwingungsdauer der Arbeitsbewegung liegt nach den Erkennt­ nissen der Regelungstechnik bei etwa dem Vierfachen der Totzeit der Regelstrecke.

Bei realistischer Betrachtung des Regelvorganges ist von einer bleibenden Abweichung T 1 (vergleiche Fig. 4b) des Mittelwertes der Schwingung der Regelgröße T vom Sollwert G 1 auszugehen. Es ist bemerkenswert, daß nach den Erkenntnissen der Regelungs­ technik die Abweichung T 1 vom Schaltsprung des Schaltsignales der Stelleinrichtung 6 nicht abhängt, sondern, außer von einigen festen Kenngrößen der Regelstrecke, allein von der Totzeit. Die bleibende Regelabweichung T 1 vom Sollwert G 1 ergibt sich nach Fig. 3b aus der Bedingung, daß die mit u bzw. o bezeichneten Flächen gleich sein müssen. Auch beim Erfin­ dungsgegenstand ist man bemüht, die Abweichung T 1 vom Sollwert durch Reduzierung der Totzeit möglichst klein zu halten, da dadurch der Regelvorgang günstiger verläuft.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von jener der Fig. 1 durch die Erweiterung um einen Rechner 12 und eine Meßeinrichtung 11 für die Erfassung des Volumenstromes Q der kontinuierlichen Phase innerhalb der Rohrleitung 1. Schaltungs­ technisch ist der Rechner 12 zwischen der Meß- und Regelein­ richtung 7 und dem Wegeventil 8 angeordnet. Er ist über die Steuerleitung 7 g mit dem Schaltkontakt 7 a verbunden und erhält über die erste Meßleitung 7 h ständig eine Information über den anstehenden Istwert der Konzentration der dispersen Phase. Über eine zweite Meßleitung 11 a erhält er darüberhinaus ständig eine Information über den momentanen Volumenstrom Q der kontinuier­ lichen Phase innerhalb der Rohrleitung 1.

Eine Steuerleitung 12 a verbindet den Rechner 12 mit einem Steuerleitungsanschluß y des Wegeventils 8. Mit der vorstehend beschriebenen zusätzlichen Einrichtung, die in Fig. 2 im wesentlichen durch den mit DB gekennzeichneten Bereich dargestellt ist, ist ein sogenanntes digitalgesteuertes Mischen oder "digital blending" möglich.

Eine Regelung der Konzentration T unter den vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 genannten Bedingungen ist in jedem Falle auch mit der Vorrichtung gemäß Fig. 2 gegeben. Darüber hinaus bietet die Vorrichtung gemäß Fig. 2 die Möglichkeit, Anlaufvorgänge und Störungen quantitativ zu erfassen und schnellstmöglich zu kompensieren. Einen Anlaufvorgang, wobei die gewünschte Konzentration im Zeitintervall zwischen 0 und t 1 unterschritten ist, zeigt in vereinfachter Darstellung Fig. 4c. Im vorgenannten Zeitintervall wird der kontinuierlichen Phase in jedem Falle zuwenig disperse Phase beigemischt (Bereich D), so daß der Sollwert G 1 nicht erreichbar ist. Dieses Defizit auszugleichen, so daß die über den Gesamtvorgang gewünschte integrale Mengenbilanz der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase erfüllt ist, ist erklärte Aufgabe der Vorrichtung gemäß Fig. 2. Der Rechner 12 löst diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 2. Der Volumenstrom Q wird dabei über die Meßeinrichtung 11 erfaßt, während der Istwert der Konzentration der dispersen Phase ständig über die erste Meßleitung 7 h von der Meß- und Regeleinrichtung 7 auf den Rechner 12 übertragen wird. Zur Kompensation des vorgenannten Defizits erhöht der Rechner vom Zeitpunkt t 1 an den Sollwert G 1 um den Betrag T 1, wobei dieser neue Sollwert die höchstmögliche meßbare Konzen­ tration darstellen soll.

Eine andere Unterschreitung des Sollwertes der Konzentration der dispersen Phase ist in Fig. 4d zwischen den Zeiten t 2 und t 3 dargestellt (Bereich Z). Eine derartige Unterschreitung des Sollwertes ist beispielsweise dadurch gegeben, daß die disperse Phase nicht in ausreichender Konzentration zur Verfügung steht. In diesem Falle geht zwar das Injektions-Regelventil 5 in seine volle Offenstellung, ein Erreichen des vorgegebenen Sollwertes G 1 ist jedoch nicht möglich. Der Rechner 12 kompensiert das entstandene Defizit an disperser Phase, wie vorstehend beschrieben. Hierzu ist von der Zeit t 3 an vom Rechner 12 eine Erhöhung des Sollwertes G 1 um den Betrag T 3 vorgesehen.

In Anlehnung an den Verlauf gemäß Fig. 4d ist auch eine umgekehrt wirkende Störung, eine Überschreitung des Sollwertes der Konzentration der dispersen Phase, denkbar. In diesem Falle wird, sobald dies möglich ist, die Beimischung der dispersen Phase mit der geringstmöglichen meßbaren Konzentration bis zur vollständigen Kompensation des vorgenannten Summenwertes gesteuert.

Bei Verwendung eines Dreipunktschrittreglers kommt das in Fig. 3 und 3a dargestellte neue Schließglied 5 a zur Anwendung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Ausnehmungen 5 f vorgesehen, die sich gleichmäßig über den Umfang des Schließ­ gliedes verteilen. Sie besitzen am vordersten, dem Ventilsitz 5 b zugewandten Ende einen maximalen Durchtrittsquerschnitt, gebildet aus Breite b und Teile t, der infolge einer unter einem Winkel α von innen nach außen ansteigenden Grundfläche der Ausnehmung 5 f bis auf null abnimmt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ausnehmung 5 f am Stell­ glied 5 a im Zusammenwirken mit dem Ventilsitz 5 b zeigt Fig. 3b. Die Offenstellung des Injektions-Regelventils 5 sei mit I gekennzeichnet. Sobald nun die Regelung der Konzentration der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase eine starke Drosselung der dispersen Phase erfordert - bei bekannten Vorrichtungen würde ein vollständiges Schließen des Injek­ tions-Regelventils durchgeführt - geht das neue Stellglied 5 a in eine die Mindestströmung sicherstellende Stellung III. In dieser Stellung ist ein in der Höhe der oberen Begrenzungs­ fläche des Ventilsitzes 5 b zwischen letzterer und der Grund­ fläche der Ausnehmung 5 f gebildeter Durchtrittsquerschnitt für den Volumenstrom q der dispersen Phase wirksam. Der maximale Durchtrittsquerschnitt der Ausnehmung 5 f wird durch Stellung II verdeutlicht. Man erkennt, daß dieser maximale Durchtritts­ querschnitt über einen relativ weiten Stellgliedhub bis auf null veränderbar ist, wobei, abgesehen von dem Durchtritts­ querschnitt in der Nähe der Schließstellung des Stellgliedes 5 a, Querschnittsabmessungen vorliegen, die zwar eine relativ kleine Mindestströmung sicherstellen, die jedoch in jedem Falle problemlos durchströmt werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung der Konzentration einer dispersen Phase in einer Emulsion oder Suspension, wobei die Messung der Konzentration der dispersen Phase in der strömenden kontinuierlichen Phase (sog. "inline"-Meßtechnik) durchge­ führt und die Beimischung der dispersen Phase in Abhängig­ keit von dieser Konzentration gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet,daß die beizumischende disperse Phase über eine pulsierende Strömung zugeführt wird, wobei in den Zeitabschnitten verminderter Beimischung stets eine Mindestströmung der dispersen Phase vorgesehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Konzentration der dispersen Phase durch einen Zweipunktregelvorgang erfolgt, und daß die zum ordnungsgemäßen Arbeiten des Reglers gehörende Schwingung der Regelgröße, die sogenannte Arbeitsbewe­ gung, nach Frequenz und Amplitude definiert ausgeprägt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ständig das Produkt aus Volumenstrom und Istwert der Konzentration der Emulsion bzw. Suspension gebildet, aus den Produkten fortlaufend ein Summenwert ermittelt und mit dem entsprechenden Summenwert, gebildet aus Volumen­ strom und Sollwert der Konzentration, verglichen wird, und daß, bei Abweichung der Summenwerte voneinander, die Beimischung der dispersen Phase ebenfalls mit der geringstmöglichen bzw. der höchstmöglichen meßbaren Kon­ zentration bis zur vollständigen Gleichstellung der Sum­ menwerte gesteuert wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer in einer Rohrleitung angeordneten statischen Mischvorrichtung, in der eine über ein Injek­ tions-Regelventil, das über eine Stelleinrichtung verfügt, steuerbare Injektionsleitung ausmündet und einer der Misch­ einrichtung in der Rohrleitung nachgeordneten Meß- und Regeleinrichtung zur Bestimmung und Regelung der Konzen­ tration der dispersen Phase, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Regeleinrichtung (7) einen an sich bekannten Dreipunktschrittregler beinhaltet, der über einen Grenzwertgeber (7 b) in Verbindung mit einem Schaltkontakt (7 a) die Stelleinrichtung (6) steuert, und daß der für die Mindestströmung erforderliche Durch­ trittsquerschnitt des Injektions-Regelventils (5) über wenigstens eine Ausnehmung (5 f) gebildet wird, die sich über einen axialen Bereich im Stellglied (5 a) erstreckt, und deren Kontur in der Querschnittsebene im Zusammen­ wirken mit einem Ventilsitz (5 b) näherungsweise die kleinste mögliche spezifische Umfangslänge aufweist, und deren Durchtrittsquerschnitt im Zusammenwirken mit dem Ventilsitz (5 b) von einem Maximalwert am vordersten, dem Ventilsitz (5 b) zugewandten Ende, bis auf null abnimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (5 f) in Abhängigkeit von einem für das Injektions-Regelventil (5) gültigen k _v -Wert hin­ sichtlich einer Anzahl (z) der Ausnehmungen (5 f), einer Breite (b) und Tiefe (t) und eines Winkels (α), wie nachstehend in der Tabelle angegeben, ausgeführt wird:

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, mit einer in einer Rohrleitung angeordneten statischen Mischvorrichtung, in der eine über ein Injektions-Regelven­ til, das über eine Stelleinrichtung verfügt, steuerbare Injektionsleitung ausmündet und einer der Mischeinrichtung in der Rohrleitung nachgeordneten Meß- und Regeleinrichtung zur Bestimmung und Regelung der Konzentration der dispersen Phase, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Regeleinrichtung (7) einen Zweipunkt­ regler beinhaltet, der über einen Grenzwertgeber (7 b) in Verbindung mit einem Schaltkontakt (7 a) die Stellein­ richtung (6) steuert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Rechner (12) vorgesehen ist, der zwischen der Meß- und Signaleinrichtung (7) und der Stelleinrichtung (6) angeordnet und mit einer Meßeinrichtung (11) zur Bestimmung des Volumenstromes (Q) der kontinuierlichen Phase verbunden ist.