DE4230343A1

DE4230343A1 - Vorrichtung zur messung und regelung der luftdichte in einem behaelter

Info

Publication number: DE4230343A1
Application number: DE19924230343
Authority: DE
Inventors: Didier Thibault
Original assignee: Superba SAS
Current assignee: Superba SAS
Priority date: 1991-09-11
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1993-03-18
Also published as: GB2259573B; GB9219289D0; GB2259573A; FR2681137A1; FR2681137B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung und Regelung der Luftkonzentration in einem Behälter.

Die Erfindung hat besonders die Anwendung dieser Vorrichtung auf die Regelung der Luftkonzentration eines Behälters, der ein Luft-Wasserdampf-Gemisch enthält, wie z. B. ein Behälter für eine kontinuierliche Behandlung zum Thermofixieren von Textilfäden zum Ziel.

In den Behältern oder Straßen zur kontinuierlichen Behandlung von Textilfäden durch Thermofixieren, werden diese Fäden mit einem Luft-Wasserdampf-Gemisch bei einer festgelegten Temperatur und einem festgelegten Druck behandelt.

Im allgemeinen werden in diesen Behältern die Temperatur und den Druck geregelt, was sich sehr gut handhaben läßt.

Die Anmelderin hat jedoch festgestellt, daß die Qualität des erzielten Fadens nicht nur von der Gleichmäßigkeit der Temperatur und vom Behandlungsdruck, sondern auch von dem Verhältnis zwischen Luft- und der Wasserdampfkonzentration, abhängt.

Aus dem Dokument EP 04 21 672 kennt man eine Vorrichtung zur Messung der Luftkonzentration in einem sauerstoffangereicherten Medium, ausgehend von einem, durch eine bei niedrigen Temperaturen ansprechende Sonde abgegebenen Signal. Diese Sonde erlaubt es jedoch nicht die Sauerstoffkonzentration genau zu messen, wenn diese zu gering ist, da dann das Ausgangssignal der Sonde fast konstant ist. Außerdem können, wenn das Medium feucht ist, Kondensationserscheinungen an der Sonde auftreten, wobei dieses die Messungen unbrauchbar machen oder verfälschen könnten.

Nun enthält der Behälter aber, während der Behandlung zum Thermofixieren der Textilfäden, aufgrund des vorhandenen Wasserdampfes ein sauerstoffarmes und sehr feuchtes Medium.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Messung und Dauerregelung der Luftkonzentration in einem Behälter, inbesondere in einem Behälter, der ein feuchtes und sauerstoffarmes Medium enthält, wie der, der nachfolgend erwähnt ist, ermöglicht.

Nach der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes umfaßt:

- eine Sauerstoff-Meßsonde, die aus einem Stoff, dessen elektrische Leitfähigkeit sich je nach in dem Behälter enthaltener Sauerstoffkonzentration ändert, besteht,
- wobei diese Sauerstoff-Meßsonde in einem Hohlraum, die mit dem Behälter in Verbindung steht, angeordnet ist,
- eine Vorrichtung, um das Innere des Hohlraumes auf einer gleichbleibenden Temperatur, die der Temperatur entspricht, bei der die höchste Empfindlichkeit der Sonde erreicht wird, zu halten,
- eine Vorrichtung zur Messung der durch die Sonde gelieferten Spannung,
- eine Vorrichtung, um diese Spannung in Luftkonzentration umzuwandeln;
- eine Vorrichtung, um diese Spannung mit einem Sollwert der Spannung zu vergleichen, und
- eine Vorrichtung, um die Luftzufuhr in oder die Luftentnahme aus dem Behälter zu steuern, wenn die gemessene Spannung über oder unter der Sollwert liegt.

Der Stoff der Sauerstoff-Meßsonde hat die Eigenschaft, einen Prozentsatz des Sauerstoffs in Abhängigkeit von dem in dem Behälter befindlichen Sauerstoff zu absorbieren, was eine Änderung der Leitfähigkeit zur Folge hat. Diese Änderung der Leitfähigkeit kann durch die Änderung der am Ausgang der Sonde gemessenen Spannung ermittelt wird.

Diese Spannung kann unmittelbar in Sauerstoff- und Luftkonzentration umgewandelt werden (da man weiß, daß die Luft einen gleichbleibenden Sauerstoffanteil enthält).

Hiermit ist es möglich, die Luftkonzentration anzuzeigen und aufzuzeichnen und dann Luft in den Behälter einzublasen, wenn die Konzentration nicht ausreichend ist oder Luft zu entnehmen, wenn die Konzentration zu hoch ist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht es somit in dem Behälter einen gleichbleibenden Luftanteil aufrecht zu erhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfaßt die Vorrichtung einen Druckfühler, der den Druck des in dem Behälter enthaltenen Gasgemisches mißt und eine Spannung, die sich in Abhängigkeit von diesem gemessenen Druck ändert, liefert, wobei eine Vorrichtung zur Korrektur des von der Sauerstoff-Meßsonde gemessenen Spannungswertes vorgesehen ist und dazu dient, die vom gemessenen Druck abhängige Luftkonzentration zu bestimmen, um diese Luftkonzentration mit einem festgelegten Drucksollwert in Beziehung zu setzen.

Die Vorrichtung ist somit in der Lage sogar im Falle einer Änderung des Gesamtdruckes des in dem Behälter enthaltenen Gasgemisches den Sauerstoffanteil konstant zu halten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Stoff, aus dem die Sauerstoff-Meßsonde besteht, Zirkonoxid.

Dieser Stoff besitzt die Eigenschaft, eine elektrische Leitfähigkeit aufzuweisen, die sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration deutlich ändert, unter der Voraussetzung, daß er auf eine Temperatur von ca. 750°C gebracht wird.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen, die als Beispiel zu verstehen ist:

Fig. 1 ist eine schematische Gesamtanordnung der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ist ein Längsschnitt der Vorrichtung in einem größeren Maßstab, die eine Sauerstoff-Meßsonde in einem Hohlraum, der mit dem Behälter in Verbindung steht, umfaßt,

Fig. 3 ist eine Ansicht, die die verschiedenen Funktionen des Reglers zeigt, der Bestandteil der Vorrichtung nach der Erfindung ist. Bezugnehmend auf die beigelegten Zeichnungen, umfaßt die Vorrichtung zur Messung und Regelung der Luftkonzentration in einem Behälter 1 hauptsächlich:

- eine Sauerstoff-Meßsonde 2, bestehend aus einem Stoff 3, dessen elektrische Leitfähigkeit sich in Abhängigkeit von der in dem Behälter 1 enthaltenen Sauerstoffkonzentration ändert,
- diese Sonde 2 ist in einem rohrförmigen Hohlraum 4, der über eine Öffnung 5 mit dem Behälter 1 in Verbindung steht, angeordnet,
- eine Heizvorrichtung 6, um im Inneren des Hohlraumes 4 eine gleichbleibende Temperatur, die der Temperatur, bei der die höchste Empfindlichkeit der Sonde 2 erreicht wird, entspricht, zu halten
- eine Vorrichtung zur Messung der von der Sonde 2 gelieferten Spannung K₁,
- eine Vorrichtung, die diese Spannung K₁ in einen Sauerstoffwert umzuwandelt,
- eine Vorrichtung, die diese Spannung K₁ mit einem Spannungssollwert W vergleicht.

Diese drei obengenannten Vorrichtungen sind in einem Steuerungskasten 7 untergebracht.

Die Vorrichtung umfaßt außerdem eine Einrichtung, die die Luftzufuhr in oder die Luftentnahme aus dem Behälter steuert, falls die gemessene Spannung über oder unter dem Spannungssollwert W liegt.

Diese Vorrichtungen sind in einem Regelungskasten 8 untergebracht.

Die Vorrichtung umfaßt ferner einen Druckfühler 9, der den Druck des in dem Behälter 1 befindlichen Gasgemisches mißt und eine Spannung K₂, die sich in Abhängigkeit von diesem Druck ändert, liefert. In dem Steuerungskasten 7 befinden sich Schaltungen, die den von der Sauerstoff- Meßsonde gemessenen Wert der Spannung K₁ berichtigen und dazu dienen die Luftkonzentration in Abhängigkeit von dem von dem Druckfühler 9 gemessenen Druck zu bestimmen und mit einem festgelegten Sollwert des Druckes in Beziehung zu setzen.

Bevorzugt ist der Stoff, aus dem die Sauerstoff- Meßsonde 2 besteht, Zirkonoxid.

Die von der Sonde gelieferte Spannung folgt dann der Gleichung:

Hierin ist
R die Gaskonstante,
T die Betriebstemperatur der Sonde,
n gleich 4,
F die Faraday-Konstante,
p der absolute Druck in bar,
Ce(%O₂) die in dem Behälter enthaltene Sauer stoffkonzentration,
Cr(%O₂) die Sauerstoffkonzentration der umgebenden Vergleichsluft.

Sobald die in dem Behälter enthaltene Sauerstoffkonzentration zu gering ist, steigt somit die Spannung an den Klemmen der Zirkoniumsonde an sogar bei geringen Abweichungen der Sauerstoffkonzentration sehr rasch.

Die Sonde ermöglicht also sehr genaue Messungen der Sauerstoffkonzentration in dem Behälter.

In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel umschließt der Hohlraum 4 die Sonde 2, und hat an seinem Umfang Heizwiderstände 6, die mit Vorrichtungen zur Aufrecht erhaltung einer Temperatur im Bereich von 750°C im Inneren des Hohlraumes 4, verbunden sind. Bei dieser Temperatur weist das Zirkonoxid die höchste Empfindlichkeit für Sauerstoff auf.

Außerdem können bei dieser Temperatur von 750°C die Messungen in einem sehr feuchten und sehr wasserdampfreichem Medium ohne die Gefahr einer Kondensation an der Sonde vorgenommen werden. Kondensation an der Sonde kann diese beschädigen und die Messungen verfälschen.

Ferner ist der Hohlraum 4 und der größte Teil der Sonde 2 von einer Verkleidung 4a aus feuerfestem Material umgeben.

Die Messung und die Anzeige der Temperatur werden in dem Kasten 9 vorgenommen (siehe Fig. 2).

Dieser Kasten 9 ist mit einer Temperatursonde 10 verbunden, die bis in der Nähe des Elements 3 aus Zirkonoxid reicht.

Dieser Kasten 9 umschließt ein Gerät wie etwa einen Thermostaten, der die Stromversorgung der Heizwiderstände 6 unterbricht, wenn die Solltemperatur (etwas über 750°C) erreicht wird. Ebenso schaltet der Thermostat die Stromversorgung der Heizwiderstände 6 wieder ein, wenn die Temperatur unter 750°C sinkt.

Die verschiedenen von dem Steuerkasten 7 durchgeführten Funktionen werden anhand der Fig. 3 näher erläutert.

Dieser Kasten ist mit zwei Analog-Eingängen E₁ und E₂ ausgerüstet. Der Eingang E₁ erhält die Spannung K₁ (in mV), die von der Sauerstoff-Meßsonde 2 geliefert wird.

Diese Spannung wird dann nach der folgenden Formel in einen Luftkonzentrationswert verwandelt (C₁ (%):

C₁ (%) = (100/20,93). exp ((67,03-K₁)/22,04).

Diese Formel ist ausgehend von Nernstschen Gleichung und den Eigenschaften der verwendeten Sauerstoff- Meßsonde aus ZrO₂ ermittelt worden.

Der Eingang E₂ erhält die Spannung K₂ (in mV) des Druckfühlers 9.

Diese Spannung K₂ ermöglicht es die Luftkonzentration C₁ (%) nach der folgenden Gleichung zu korrigieren:
C(%) = C₁(%)/K₂.

Diese Luftkonzentration wird auf einem Bildschirm 11 angezeigt und mittels eines Druckers, der mit dem Ausgang S₁ des Kastens 7 verbunden ist, aufgezeichnet.

Die der Luftkonzentration C(%) entsprechende Spannung wird dann mittels eines Komparators 12, mit dem Spannungssollwert W, der der Luftkonzentration, die man im Inneren des Behälters 1 einzuhalten wünscht, entspricht, verglichen.

Wenn die gemessene Spannung unter dem Sollwert W liegt, gibt der Ausgang S₂ des Kastens 7, an den Regelungskasten 8 ein Signal ab, das ein elektromagnetisches Ventil 8a aufsteuert, das seinerseits die Luftzufuhr in den Behälter 1 steuert, bis die der gewünschten Luftdichte entsprechende Spannung gleich dem Sollwert der Spannung W ist.

Wenn die gemessene Spannung größer als W ist, gibt der Ausgang S₂ ebenfalls ein Signal ab, das ein teilweises Entweichen des in dem Behälter enthaltenen Gases und eine Zufuhr eines luftarmen Gasgemisches steuert.

Wohlgemerkt: die Kenntnis der Luftkonzentration in dem Behälter 1 ermöglicht es die Wasserdampfkonzentration zu bestimmen, da bekanntlich der Gesamtdruck des Gemisches durch den Fühler 9 gemessen wird.

Der hier verwendete Regler ermöglicht eine Zweipunkt oder eine kontinuierliche Differential Proportional Integral-Regelung, was eine genaue Steuerung der verschiedenen Regelvorrichtungen (Öffnen des elektromagnetischen Ventil 8a, teilweises Entweichen des Gases...) ermöglicht.

Die beschriebene Erfindung eignet sich vor allem zur Einhaltung einer gleichbleibenden Luft- und Wasserdampfkonzentration im Inneren einer Einrichtung zum Thermofixieren von Textilfäden.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Verwendung einer solchen Vorrichtung in Verbindung mit einer Einrichtung der obengenannten Art es ermöglichte die Gleichmäßigkeit und die Qualität der behandelten Fäden zu verbessern.

Selbstverständlich kann die Erfindung auch in einer anderen Anlage angewandt werden, in der man den Sauerstoff-, Luft- und oder Wasserdampfgehalt regeln will.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung und Regelung der Luftkonzentration in einem Behälter (1), gekennzeichnet durch:

- eine Sauerstoff-Meßsonde (2), bestehend aus einem Stoff, dessen elektrische Leitfähigkeit sich in Abhängigkeit von der im Behälter enthaltenen Sauerstoffkonzentration ändert.
- die Anordnung dieser Sonde in einem Hohlraum (4), der mit dem Behälter (1) in Verbindung steht,
- eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Temperatur, die der Temperatur der höchsten Empfindlichkeit der Sonde (2) entspricht, in dem Hohlraum (4),
- eine Vorrichtung zur Messung der von der Sonde (2) gelieferten Spannung (K₁),
- eine Vorrichtung, die diese Spannung (K₁) mit einem Sollwert (W) der Spannung vergleicht, und
- eine Vorrichtung, die eine Luftzufuhr in oder eine Luftentnahme aus dem Behälter (1) steuert, falls die gemessene Spannung unter oder über dem Sollwert (W) der Spannung liegt.

2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Druckfühler (9), der den Druck des in dem Behälter (1) enthaltenen Gasgemisches mißt und eine Spannung (K₂), die sich in Abhängigkeit von diesem Druck ändert, liefert, umfaßt, sowie eine Vorrichtung zur Berichtigung, des von der Sauerstoff-Meßsonde (2) gemessenen Wertes der Spannung (K₁), der zur Bestimmung der Luftkonzentration, in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck dient, um diese Luftkonzentration mit einem vorgegebenen Solldruck in Beziehung zu setzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff, aus dem die Sauerstoff- Meßsonde (2) besteht, Zirkonoxid ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (4), der die Sonde (3) umgibt, Heizwiderstände (6) umfaßt, die mit einer Vorrichtung zur Einhaltung einer Temperatur der Größenordnung von 750°C im Inneren des Behälters (1) verbunden sind.

5. Verwendung der Vorrichtung dient nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zur Messung und Regelung der Luftkonzentration in einem Behälter (1), der ein Luft- Wasserdampf-Gemisch enthält.

6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) ein Behandlungsbehälter zum Thermofixieren von Textilfäden ist.