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Meßeinrichtung zur Darstellung des Übersättigungskoeffizienten von
siedenden Lösungen, insbesondere Zuckerlösungen Das Verkochen von Zuckersäften bezweckt,
die Säfte in den übersätt äg-ten Zustand zu bringen und dadurch die Auskristallisation
der in den Zuckersäften enthaltenen Zuckerstoffe herbeizuführen. Die Art und der
Verlauf der Auskristallisation werden bestimmt durch die Größe des Übersättigungskoeffizienten..
Dies ist das Verhältnis der in der übersättigten Lösung enthaltenen Zuckermenge
zu der bei der gleichen Temperatur in der gesättigten Lösung enthaltenen Zuckermenge.
Mit Rücksicht auf den Einfluß der Größe des Übersättigungskoeffizienten wird der
Kochprozeß meistens so durchgeführt, daß während der einzelnen aufeinanderfolgenden
Perioden des Kochvorganges der Übersättigungskoeffizient einen bestimmten Wert besitzt.
Bestimmen läßt sich der übersättigungskoeffizient aus der Temperatur der Lösung
und dem jeweiligen Vakuum im Kochgefäß; doch ist auch die jeweilige Reinheit des
Zuckersaftes bei gleichem Vakuum von Einfluß auf die Höhe der Temperatur, die zur
Erhaltung eines bestimmten Übersättigungsgrades einzuhalten ist.
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Es sind Einrichtungen zur Überwachung des Verkochens von Zuckersäften
auf Grund der Siedepunktserhöhung. bekanntgeworden. Die Bestimmung der Siedepunktserhöhung
allein genügt aber nicht für eine gleichmäßig vorteilhafte Durchführung des Kochvorganges.
Andererseits sind zur Überwachung des Kochvorganges Rechenbehelfe entwickelt worden,
mit denen man auf Grund einer Vakuummessung aus Tabellen oder durch Verstellen von
Schiebern die jeweils erforderliche Größe der Temperatur bestimmen kann. Ändert
sich das Vakuum, so muß die einzuhaltende Temperatur jedesmal neu ermittelt werden.
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Es sind auch Vorrichtungen zur Erleichterung der Überwachung bekanntgeworden,
bei denen mit den Meßvorrichtungen für das Vakuum Temperaturkontaktvorrich.tungen
verbunden sind, durch die jedesmal ein Signal gegeben wird, wenn die Kochtemperatur
die erforderliche Höhe erreicht hat. Diese Einrichtungen zeigen jedoch den Mangel,
daß sie keine dauernde Überwachung des Übersättigungskoeffizienten ermöglichen.
Endlich ist eine Einrichtung bekanntgeworden, bei der die Ablesung einer besonderen
Tabelle dadurch entbehrlich gemacht wurde, daß die zusammengehörigen Werte von Vakuum
und Temperatur an einer Kurvenschar auf der Skala einer gemeinsamen Meßeinrichtung
für Vakuum und Temperatur abgelesen werden können. Diese Einrichtung hat aber den
Nachteil, daß die Ablesung verhältnismäßig ungenau ist und daß von der Anzeige eine
selbsttätige Regelung nicht abgeleitet werden kann.
Gegenstand der
Erfindung ist demgegenüber eine Meßeinrichtung, mit deren Hilfe die jeweiligen Werte
des übersättigungskoeffizienten an der einfachen Skala eines Ouotientenmeßgerätes
abgelesen werden können. Zur Erläuterung des Meßprinzips möge das Schaubild nach
Fig. i dienen. Die ausgezogenen Kurven stellen die aus der Siedetemperatur des beispielsweise
um das i,2fache übersättigten Zuckersaftes und der Siedetemperatur der gesättigten
Zuckerlösung sich ergebende Temperaturdifferenz oder mit anderen Worten die Siedepunktserhöhung
der übersättigten Lösung gegenüber der gesättigten Lösung in Abhängigkeit von der
Siedetemperatur der übersättigten Lösung dar. Die betreffende Abhängigkeit wird
beeinflußt durch den aus der Menge der in der Lösung enthaltenen Nichtzuckerstoffe
sich bestimmenden Reinheitsgrad. In Fig. i sind die betreffenden Kurven auf Grund
der Angaben in den bisher üblichen Tabellen für drei verschiedene Reinheitsgrade
78, 84. und 92 aufgetragen. Legt man durch jede der genannten Kurven eine Gerade,
die sich der Kurve möglichst anpaßt, so zeigt sich, daß bei Zugrundelegung dieser
gestrichelt eingezeichneten Geraden die Abweichung von der Kurve höchstens + 9
% beträgt. Im allgemeinen sind die Abweichungen jedoch noch geringer. Aus
den angegebenen Werten ergibt sich, daß bei einem Übersättigungskoeffizienten von
1,2 der Höchstwert des Fehlers -I- o,oi8 beträgt. Da die Krümmungen der Kurven theoretisch
nicht zu erklären sind und offenbar auf Meßfeliler zurückgeführt werden müssen,
so stellt die Annahme des geradlinigen Verlaufs voraussichtlich die Gesetzmäßigkeit
richtig dar.
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Unter Zugrundelegung der erwähnten Geraden erhält man für den Übersättigungskoeffizienten
K die Formel
Hierin bedeuten At die Siedepunktserhöhung der übersättigten Lösung gegenüber der
gesättigten Lösung, A eine Konstante und t
die Temperatur der übersättigten
Lösung. Sowohl At als auch A sind von der Reinheit der Lösung abhängig, wie sich
aus Fig. i ergibt. Während jeder Periode des Kochens, also nach jedesmaliger Zugabe
neuer Lösung, sind aber die betreffenden Werte eindeutig bestimmt, da die Reinheit
sich während einer Kochperiode nicht wesentlich ändert. Auf Grund der angegebenen
Abhängigkeit ist erfindungsgemäß unter Verwendung eines Quotientenmeßgerätes die
Messung , des Übersättigungskoeffizienten für jede Stufe des Kochprozesses zurückgeführt
auf die Bestimmung des Quotienten
Die der Siedepunktserhöhung At entsprechende Verstellkraft des Quotientenmeßgerätes
wird dabei mit Hilfe einer Differentialanordnung in Abhängigkeit von zusammengehörenden
Werten des Vakuums als Maß für die Temperatur der gesättigten Lösung und der Siedjtemperatur
der übersättigten Lösung gebildet.
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Vorzugsweise wird ein elektrisches Kreuzspulmeßgerät verwendet, wobei
die eine Wicklung der Kreuzspule mittels einer Brückenschaltung mit einem der Temperaturdifferenz
At proportionalen Strom und die andere Wicklung mit einem Strom gespeist wird, der,
von einem konstanten Wert ausgebend, sich proportional der Temperatur der übersättigten
Lösung ändert. Ein Ausführungsbeispiel dieser Schaltung ist in Fig. 2 veranschaulicht.
Die beiden Drehspulen des Quotientenmessers sind mit i und 2 bezeichnet und der
besseren Übersicht wegen getrennt voneinander dargestellt. Die Wicklung i liegt
im Diagonalzweig einer Brückenschaltung. In dieser sind 3 und q. unveränderliche
Widerstände; 5 ist ein nach Art eines Widerstandsthermometers ausgebildeter Widerstand,
der an solcher Stelle des Kochkessels o. dgl. angebracht ist, daß er jeweils die
Siedetemperatur der übersättigten Lösung und demgemäß einen dementsprechenden Widerstandswert
besitzt. Der im vierten Seitenzweig liegende Widerstand 6 wird mittels eines der
Einfachheit halber in Fig. nicht dargestellten Vakuummeters eingestellt. Da, wie
in dem Schaubild nach Fig: 3 für verschiedene Reinheitsgrade der Lösung gezeigt
ist, zwischen dem Vakuum und der Temperatur der gesättigten Lösung keine lineare
Abhängigkeit besteht, müssen mit Rücksicht hierauf und gegebenenfalls auch mit Rücksicht
auf die Charakteristik des verwendeten Vakuummeters Maßnahmen getroffen werden,
die eine lineare Abhängigkeit zwischen der Einstellung des Widerstandes 6 und der
aus dem gemessenen Vakuum sich bestimmenden Temperatur der gesättigten Lösung herbeiführen.
Es ist das erforderlich, damit im Diagonalzweig der Brücke ein Strom auftritt, welcher
der Temperaturdifferenz At proportional ist. Um die genannte Abhängigkeit bezüglich
der Einstellung des Widerstandes 6 herbeizuführen, kann dessen Verstellung durch
das Vakuummeter über eine einzige für den ganzen Kochprozeß gültige, entsprechend
ausgebildete Kurvenscheibe erfolgen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß trotz der
Abhängigkeit der Vakuum-Temperatur-Funktion von der Reinheit des Saftes die geradlinige
Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur durch Verwendung einer Kurvenscheibe
hergestellt werden kann. Statt dessen können auch andere an sich bekannte Maßnahmen
getroffen werden, z. B. kann der Widerstand 6 so ausgebildet werden, daß sein
Widerstandswert
je Längeneinheit in einer aus der angestrebten Abhängigkeit sich ergebenden Weise
zu- oder abnimmt.
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Die Wicklung 2 des Ouotientenmessers liegt ebenfalls in einer Briickenschaltung,
in der 7 und 8 unveränderliche Widerstände sind und 9 ein Widerstand ist, der in
gleicher Weise wie der Widerstand 5 der ersten Brükke;isclialtung ausgebildet und
angeordnet ist, also z. B. nach Art eines Widerstandsthermometers ausgebildet und
an solcher Stelle angeordnet ist, daß sein Widerstandswert der jeweiligen Temperatur
der übersättigten Lösung entspricht.
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Da je nach dem Reinheitsgrad der Zuckerlösung verschiedene Kurven
gemäß den Schaubildern nach Fig. i und 3 gelten, müssen bei Änderung des Reinheitsgrades
der Zuckerlösung bzw. bei jeder neuen Kochperiode die Konstanten der Schaltung geändert
werden. Hierzu dienen die wahlweise einschaltbaren Widerstände r o, i r und 12.
Durch die Umschaltung an den Widerständen 12 wird die Änderung der Konstanten A
berücksichtigt. Weiterhin wird durch Einschalten der Vor-und Parallelwiderstände
1o und 1i zu. dem vom Vakuummeter eingestellten Widerstand 6 erreicht, daß durch
diesen die dem jeweiligen Reinheitsgrad entsprechende Sättigungstemperatur durch
das Vakuummeter richtig dargestellt wird. Die Widerstände 13 dienen zur Einstellung
des Ouotientenverhältnisses. Mit 14 ist die in üblicher Weise geschaltete Stromquelle,
mit 15 ein fester Vorwiderstand bezeichnet. Die verschiedenen Umschalteinrichtungen
.können mittels eines gemeinsamen Organs betätigt werden. Es ist mithin beim Übergang
von. der einen Stufe des Kochprozesses auf eine andere Stufe lediglich eine Umschaltung
mittels eines einzigen Schalters vorzunehmen. Im übrigen arbeitet die Meßeinrichtung
vollkommen selbsttätig, d. h. sie bringt ohne weitere Bedienung die jeweilige Größe
des Übersättigungskoeffizienten zur Darstellung. Die die Einrichtung bedienende
Person hat dann lediglich darauf zu achten, den für den jeweiligen Kochprozeß vorgeschriebenen
Übersättigungskoeffizienten einzuhalten.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung ist in
Fig. 4 schematisch dargestellt. Dabei bezeichnet 16 das Kochgefäß, das teilweise
im Schnitt dargestellt ist, so daß man den Einbau der Widerstandsthermometer 5 und
9 erkennt. Zur Bestimmung der Höhe des Vakuums ist beispielsweise eine Vakuum-,vage
r7 mittels der Rohrleitung 18 an das Kochgefäß angeschlossen. Mit dem in dem Schneidemager
r9 beweglichen System der Vakuumwaage ist ein Stift 2o verbunden, der mit dem inneren
Rand einer auf der Achse 21 befestigten Kurvenscheibe 22 in Eingriff steht. Durch
eine nicht gezeichnete Feder wird der Eingriff zwangsläufig gestaltet. Auf der Achse
21 ist ferner ein teilweise mit Quecksilber gefülltes Ringrohr 23 -befestigt, in
das ein Widerstandsdraht 6 je nach der Lage des Ringrohres mehr oder weniger tief
eintaucht. Ein Gehäuse 25 enthält die in Fig. 2 mit 3, 4, 7, 8, 1o bis
13 und 15 bezeichneten Widerstände. Dabei sind die Schalter zum stufenweisen
Verändern der Widerstände 1o bis 13 sämtlich mechanisch miteinander gekuppelt,
so daß sie durch das Handrad 26 gemeinsam bedient werden können. 27 stellt ein Kreuzspulinstrument
dar, das die' W icklungen i und 2 enthält. Durch elektrische Leitungen sind die
einzelnen Teile in der aus der Zeichnung erkennbaren Weise entsprechend dem Schaltbild
nach Fig.2 miteinander verbunden und an die Stromquelle 14 angeschlossen.
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Wenn das Vakuum prozentual zunimmt, so dreht sich das bewegliche System
der Vakuumwaage, indem sich das an die Leitung 18 angeschlossene Gefäß senkt. Infolgedessen
dreht sich die Kurvenscheibe 22 und damit auch das Ringrohr in; dem Sinne, daß das
angeschlossene Ende des Widerstandsdrahtes 6 mehr oder weniger aus dem Quecksilber
austaucht und der W'idersta,ndsbetrag sich entsprechend vergrößert. Durch eine geeignete
Formgebung der Kurvenscheibe kann erreicht werden, daß der Betrag des Widerstandes
6 jeweils linear von der Höhe der Temperatur der gesättigten Lösung abhängt.
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Es besteht unter Verwendung der neuen Meßeinrich,tung die Möglichkeit,
den. Kochprozeß vollkommen automatisch zu gestalten. Hierzu wird die beschriebene
Meßeinrichtung mit einem Programmregler ausgerüstet, der nach den zuvor festgelegten
Zeiten die Meßeinrichtung selbsttätig entsprechend dem neuen Reinheitsgrad umschaltet.
Dieser Programmregler kann gleichzeitig die während der einzelnen Stufen des Kochprozesses
einzuhaltenden Übersättigungskoeffizienten angeben bzw. eine mit dem Ouotientenmesser
zusammenarbeitende Kontakteinrichtung entsprechend einstellen. Aus der Zusammenarbeit
dieser Teile läßt sich dann die selbsttätige Regelung des Kochprozesses ableiten.
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Die neue Meßeinrichtung ist insbesondere für die Überwachung und Führung
des Kochprozesses von Zuckerlösungen bestimmt, kann natürlich aber auch dann Anwendung
finden, wenn es sich um die Verkoch.ung anderer Lösungen handelt.
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Anstatt eines Kreuzspuhrreßgerätes können auch andere Quotientenmeßgeräte
Anwendung finden. Weiterhin kann statt einer Brückenschaltung auch eine andere Differentialschaltung
verwendet
werden, beispielsweise unter Auflösung der Spule i in zwei getrennteWicklungen oder
Spulen, deren eine über den Widerstand 6 und deren andere über den Widerstand 5
angeschlossen wird und die mit Bezug aufeinander eine Differentialwirkung ergeben.