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Technisches Feld
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Regelung
der chemischen Konzentration in einer Metallband-Reinigungsanlage, insbesondere
einer Aluminiumband-Reinigungsanlage.
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Stand der Technik
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Beim
Bearbeiten eines Aluminiumbands, beispielsweise zur Verwendung in
der Produktion von Automobilen, ist es notwendig, die Oberflächen des
Bandmaterials zu reinigen. Ein Weg dieses zu tun ist der, das Bandmaterial
auf einer kontinuierlichen Basis durch eine Reinigungsanlage hindurchzuführen, die
einen Säure-Waschabschnitt
oder -abschnitte beinhaltet, gefolgt von einem Spülabschnitt oder
-abschnitten. In jedem Abschnitt wird entweder Säure-Lösung oder Spülwasser über Düsen auf
die oberen und unteren Oberflächen
des Bands, welches durch die Anlage hindurchtritt, aufgesprüht. Die
aufgesprühte
Flüssigkeit
wird in Tanks am Boden der Einhausung aufgesammelt, von wo es mittels
Pumpen zurück
zu den Düsen
rezirkuliert wird.
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Bei
dieser Prozedur ist es wichtig, die Stärke der freien Säure in dem
oder den Waschabschnitt(en) zu regeln, und dies wird typischerweise durch
Bereitstellen einer Leitfähigkeits-Probe,
die in die Badflüssigkeit
eingeführt
wird, erreicht. Ein spezifisches Leitfähigkeits-Signal, welches üblicherweise proportional
zur Konzentration der freien Säure
der Lösung
variiert, wird typischerweise durch die Leitfähigkeits-Probe zur Verfügung gestellt
und dazu verwendet, die Lösungs-Konzentration
einzustellen. Jedoch neigt die Verwendung des spezifischen Leitfähigkeits-Signals
bei der Abschätzung
der Konzentration der freien Säure
zu Verschiebungsfehlern aufgrund von Unreinheiten und Temperatur-Fluktuation in
dem Bad, was die aktuelle spezifische Leitfähigkeit der Reinigungslösung unabhängig von
der Konzentration der freien Säure
anhebt oder absenkt sowie zu Fehlern aufgrund einer Abweichung der
Leitfähigkeitsprobe
selbst, die durch Anwachsungen auf der Elektrode bewirkt werden,
führt.
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Aufgrund
dieser Unbeständigkeit
ist die übliche
Praxis, periodisch manuelle Titrationen durchzuführen, um festzustellen, ob
die Konzentration immer noch innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.
Wenn eine Abweichung ermittelt wird, sind die Optionen eine manuelle
Rekalibrierung der Probe oder die manuelle Einstellung des Bads
unter Verwendung von Trial and Error-Verfahren. Dies erfordert erfahrene Techniker
und/oder Bediener, ist arbeitsintensiv und anfällig für Bedienfehler bei der Kalibrierung
und Korrektur. Es wurde ermittelt, dass die Badkonzentration eine
bemerkenswerte Verschiebung vom Zielwert ausführen kann, bevor eine Korrektur
ausgeführt wird,
was zu einem Produkt führt,
welches ungenau bearbeitet ist.
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Beim
Durchführen
der oben genannten Korrekturen ist das Ziel, die Konzentration der
freien Säure
(FAC) in dem Bad zu regeln, was im Gegensatz zur vollständigen Säurekonzentration
(TAC) die für
die Reaktion mit der Aluminiumoberfläche bereitstehende Säure anzeigt.
Die vollständige
Säurekonzentration
umfasst die freie Säurekonzentration
plus lösbare
Reaktionsprodukte. Die Regelung der freien Säurekonzentration wird durch
Abschätzen
der freien Säurekonzentration
sowie Zufügen
von frischer, konzentrierter Säure
von einem Speichertank oder von Wasser abhängig davon, ob die freie Säure zu gering oder
zu hoch eingestellt ist, durchgeführt.
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Die
japanische Patentveröffentlichung
JP 7-54175, veröffentlicht
am 28. Februar 1995, beschreibt ein Verfahren zur Regelung der Konzentration
von Säure
in einer Stahl-Beizanlage durch Überwachen
des Gewichtsverlusts. Jedoch beschäftigt sich diese Veröffentlichung
nicht mit den Problemen, die mit einer Reinigungsanlage und der
Wichtigkeit der Korrektur der freien Säure-Konzentration zusammenhängen.
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Es
ist ebenso bekannt, Metallbänder
durch Durchführen
des Bands durch eine Reinigungsanlage zu reinigen, wobei eine Alkali-Lösung anstelle
einer Säure-Lösung verwendet
wird. Ein Beispiel dieses Verfahrens kann in der japanischen Patentveröffentlichung
JP 11-269,678, veröffentlicht
am 5. Oktober 1999 gefunden werden, wobei eine Alkali-Lösung dazu
verwendet wurde, kaltgewalzte Stahlbänder zu entfetten und zu reinigen.
Beim Reinigen mit Alkali-Lösung
wurden die gleichen Probleme beim Regeln der Konzentration, wie
dies oben für
die Säure-Reinigungslösungen dargestellt
wurde, beobachtet.
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein automatisiertes und
genaueres Verfahren zur Regelung der chemischen Konzentration in
einer Metallband-Reinigungsanlage zur Verfügung zu stellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
dieser Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen
Regelung der Säure-Konzentration
in einer Aluminiumband-Reinigungsanlage,
bei der ein Aluminiumband mit einer Säure-Lösung in Kontakt gebracht wird, während es
durch ein Reinigungsbad hindurchtritt und die Konzentration der
Säure in
dem Bad durch Zufügen
entweder von konzentrierter Säure
oder von Wasser zu dem Bad eingestellt wird. Eine Leitfähigkeits-Probe
ist in dem Säure-Reinigungsbad
vorgesehen und diese Probe erzeugt ein erstes Signal, welches nahezu
proportional zu der Konzentration freier Säure des Bads ist. Ein Online-Prozess-Titriergerät wird ebenso
zur Verfügung
gestellt, um periodisch das Säurebad
zu testen und durch eine zweifache Endpunkt-Titration die Konzentration
freier Säure und
der vollständigen
Säure des
Bads zu ermitteln. Das Online-Titriergerät erzeugt ein zweites Signal, welches
die aktuelle Konzentration freier Säure und die vollständige Säurekonzentration
anzeigt. Die oben genannten Signale werden einer programmierbaren
Steuerungselektronik (PLC) zugeführt,
welche basierend auf dem Signal von dem Titriergerät einen Korrekturfaktor
für das
Signal von der Leitfähigkeits-Probe
zu berechnen, um somit einen korrigierten spezifischen Leitfähigkeits-Wert
zu erhalten, der proportional zur Konzentration der freien Säure ist. Basierend
auf diesem korrigierten Wert wird die Bad-Säure-Konzentration basierend
auf dem korrigierten spezifischen Leitfähigkeits-Wert automatisch und
kontinuierlich eingestellt. Die zu diesem Zweck verwendete Säure ist
typischerweise Schwefelsäure. Der
Wert der vollständigen
Konzentration und der Konzentration freier Säure zeigt das Niveau von Bad-Verunreinigungen
an und kann daher dazu verwendet werden, die Menge an gemessenem Überlauf
von dem Waschabschnitt einzustellen.
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Die
Leitfähigkeits-Probe
misst die Fähigkeit einer
Lösung,
einen elektrischen Strom zwischen zwei Elektroden zu leiten. Ein
Anstieg der Konzentration von Ionen in der Lösung resultiert in höheren Leitfähigkeits-Werten. Die Leitfähigkeit
wird in Siemens (früher
als mho bekannt) gemessen und die Leitfähigkeits-Probe kann ebenso
dazu verwendet werden, die Konzentration vollständig gelöster Feststoffe in einer Wasserprobe
zu ermitteln.
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Eine
neue Titration wird automatisch in zeitlichen Intervallen oder wenn
von der PLC angefordert durchgeführt,
und der Wert der spezifischen Leitfähigkeit zu dem Zeitpunkt, an
dem die Titrations-Probe gezogen wurde, wird im Speicher der PLC
abgespeichert. Die Zeitsteuerung der Titration wird nach jeder erfolgreich
abgeschlossenen Titration auf Null zurückgesetzt.
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Die
Eingabe-Bewertung der freien Säure-Titration
% in dem Titriergerät
wird wie folgt durchgeführt.
Wenn der Unterschied zwischen dem neuen Wert der freien Säure und
dem aufgezeichneten Wert der freien Säure mehr als X Prozent des
laufenden Werts ist, wird der laufende Wert festgehalten und eine
neue Titration durch die PLC angefordert. Ein Warnsignal wird zur
Bedienerstation gesendet, welches angibt, dass die „Säurekonzentration
außerhalb des
Bereichs – nochmaliges Überprüfen der
Konzentration" besagt.
Dies erfolgt, um sicherzustellen, dass große Abweichungen nicht aufgrund
von Titrationsfehlern oder sonst abweichend auftreten. Der Wert der
nächsten
Titration wird von der PLC akzeptiert und ersetzt den laufenden
Wert.
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Direkt
nach dem Erhalten eines Werts, von dem die freie Säure auf
der Titriergerät-Eingabe
abgelesen werden kann, wird ein Leitfähigkeits-Korrekturfaktor berechnet und in der
PLC gespeichert. Die Berechnung erfolgt wie folgt: Leitfähigkeits-Korrekturfaktor
= Titration freier Säure % – {spezifische
Leitfähigkeit
(μSiemens/cm)*Konzentrationsfaktor
(1/μSiemens/cm)}
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Der
Konzentrationsfaktor ist der Umrechnungsfaktor für die spezifische Leitfähigkeit
zur freier Säure
%, dessen Einheit 1/μSiemens/cm
einmal für jede
Art von Reinigungslösung
mittels einer Offline-Kalibrierung bestimmt wurde. Die wahre Säure-Konzentration
wird basierend auf der Ausgabe der Leitfähigkeits-Messung durch den
folgenden Algorithmus in dem PLC bestimmt: Korrigierte
Leitfähigkeits-Konzentration
freier Säure %
= {spezifische Leitfähigkeit
(μSiemens/cm)*Konzentrationsfaktor
(1/μSiemens/cm)}
+ Leitfähigkeits-Korrekturfaktor
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Ein
Wert, der das Niveau der Bad-Konzentration anzeigt, wird ebenso
in der PLC wie folgt berechnet: Verunreinigungsniveau
= vollständige
Säuretitration % – freie
Säuretitration
%
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Dem
Säure-Reinigungsbad
folgt typischerweise ein oder mehrere Spülabschnitte, in denen das mit
Säure gereinigte
Bad vollständig
gespült
wird. Die Reinigungs- und Spül-Flüssigkeiten
werden vorzugsweise mittels einer Vielzahl von Sprühdüsen oberhalb
und unterhalb des Bands auf das Bandmaterial gesprüht. Diese
sind mit Pumpen verbunden, um die oberen und unteren Oberflächen des
sich bewegenden Bands simultan zu besprühen. Die Reinigungs- und Spülflüssigkeiten
fließen
zurück
nach unten in einen Speicher in jedem Abschnitt, um durch die Düsen rezirkuliert
zu werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann das Säure-Reinigungsbad in
der oben aufgeführten
Beschreibung durch ein Alkali- Reinigungsbad
ersetzt werden. Die gleichen Prozeduren wie oben beschrieben werden
dann dazu verwendet, die Alkali-Konzentration in dem Reinigungsbad
zu regeln.
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Das
Verfahren gemäß dieser
Erfindung hat den bedeutenden Vorteil, keine erfahrenen Techniker oder
Bediener zu erfordern und eine präzise Regelung des Prozesses
mittels eines semi-kontinuierlichen Kompensierens von Mess-Fehlern
zu ermöglichen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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In
den Zeichnungen, die bestimmte bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung
darstellen, ist
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1 eine
schematische Ansicht in einem teilweisen Schnitt einer Bandreinigungsanlage
gemäß der Erfindung;
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2 eine
graphische Darstellung, die den Effekt der Temperatur auf die spezifische
Leitfähigkeit
zeigt; und
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3 eine
graphische Darstellung, die den Effekt der Säure-Konzentration auf die spezifische Leitfähigkeit
als Funktion der Temperatur zeigt.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Eine
typische Säure-Reinigungsanlage
für Aluminiumblech,
welche in der Automobilindustrie verwendet wird, ist in 1 gezeigt.
Die Reinigungsanlage 10 besteht aus drei Abschnitten, nämlich einem
Säure-Reinigungsabschnitt 11,
einem ersten Spülabschnitt 12 sowie
einem zweiten Spülabschnitt 13.
In dem Säure-Reinigungsabschnitt 11 wird
Säurelösung durch
die Düsen 19 und 20 jeweils
auf die oberen und unteren Oberflächen eines Aluminiumblechs 14 gesprüht. Von
dem Säure-Reinigungsabschnitt 11 ausgehend
tritt das Aluminiumband durch einen ersten Spülabschnitt 12 hindurch,
wo Spülwasser
via oberer und unterer Sprühdosen 21 und 22 oben
und unten auf das Band gesprüht
werden, von wo das Band des Weiteren durch den zweiten Spülabschnitt 13 hindurchtritt,
wo weiteres Spülwasser über obere
und untere Sprühdose 23 und 24 oben und
unten auf das Band aufgesprüht
wird.
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Eine
Reihe von Rollrakeln mit einem Paar von Einlasswalzen 15,
einem Doppelpaar von Walzen 16 wird zwischen dem Säure-Reinigungsabschnitt 11 und
dem ersten Spülabschnitt 12,
ein weiteres Paar von Walzen 17 zwischen den zwei Spülabschnitten 12 und 13 und
schließlich
ein Doppelpaar von Walzen 18 am Ausgangsende des zweiten
Spülabschnitts 13 verwendet.
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Tanks
oder Speicher 25, 26 und 27 sind unterhalb
der Sprühdosen
der Reinigungsabschnitte 11 und der Spülabschnitte 12 und 13 jeweils angeordnet,
um die Flüssigkeit
von jedem Abschnitt zu sammeln und zu rezirkulieren. Die Flüssigkeits-Rezirkulation
wird mittels Pumpen 28, 29 und 30 durchgeführt, von
denen jede mit einer (nicht gezeigten) Bypass-Linie versehen ist, die die Rezirkulation
von Flüssigkeit zur
Verfügung
stellt, wenn die Zufuhrlinie zu den Düsen geschlossen ist. Der Rückfluss
zwischen benachbarten Tanks 25, 26 und 27 erfolgt über Servo-Ventile 47 und 48,
die über
Linien 49 und 50 jeweils mit den Flüssigkeits-Zufuhrpumpen
für die Sprühdüsen von
Spül-Abschnitten 12 und 13 verbunden
sind. Somit wird von dem Reinigungsabschnitt 11 erforderliches
wiederaufbereitetes Wasser durch das Servo-Ventil 48 von
dem Spülabschnitt 12 zugeführt, der
wiederum durch das Servo-Ventil 47 von dem Spülabschnitt 13 wieder
aufgefüllt
wird. Die Wiederauffüllung
des Spülabschnitts 13 erfolgt
vom Zufuhrtank 33 für
deionisiertes Wasser über
die Pumpe 34 und das Servo-Ventil 35. Frische
Säure wird
vom Zufuhrtank 32 über
die Pumpe 31 in den Reinigungsabschnitt-Tank 25 bewirkt.
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Ein
konstanter Überlauf
von dem Reinigungsabschnitt 11 zum Ausschuss wird mittels
Auslaufens von Flüssigkeit
in einer geregelten Rate durch das Servo-Ventil 36 beibehalten,
um Verunreinigung auszuspülen.
Die erforderliche Überlauf-Rate wird
mit Bezug auf den Unterschied zwischen der vollständigen Säure-Konzentration
und der Konzentration freier Säure
in dem Bad bestimmt, wie dies durch das automatische Titriergerät bestimmt
wurde, wobei je größer dieser
Wert ist, desto höher
das Niveau an Verunreinigungen ist. Eine Reduzierung der Verunreinigungen
wird, wenn dies erforderlich ist, durch Anheben der Überlauf-Rate
aus dem Wasch-Abschnitt zum Ausschuss bewirkt. Dabei sieht ebenso
ein Überlauf-Wehr
zum Ausschuss (nicht gezeigt) in jedem der Tanks 25, 26 und 27 für diese
Situation vor, wo das Flüssigkeits-Niveau
in einem oder mehrerer der Tanks zu hoch wird.
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Das
System wird mittels einer programmierbaren Elektroniksteuerung (PLC) 40 geregelt,
welche Signale von Flüssigkeits-Niveausensoren 44, 45 und 46 in
den Tanks 25, 26 und 27 jeweils, sowie
von der Leitfähigkeits-Probe 41 im
Tank 25 und vom Online-Titriergerät 92 erhält. Das
Titriergerät 42 nimmt Säure-Reinigungsflüssigkeit über die
Linie 43 von der Flüssigkeit,
die mittels der Pumpe 28 rezirkuliert wird, auf.
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Die
Signale von der PLC 40 werden ausgesandt, um das Ausschuss-Servo-Ventil 36,
die Spülwasser-Rückfluss-Servo-Ventile 47 und 48,
das Servo-Ventil 35 für die Eingabe
von Frischwasser sowie die Säure-Zufuhrpumpe 31 zu
regeln.
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Die
spezifische Leitfähigkeit
variiert mit der Temperatur, wobei dies, wie in 2 gezeigt,
eine im nahezu gradlinige Beziehung aufweist. Die PLC 40 überwacht
die Temperatur in dem Säure-Reinigungs-Tank 25 über das
Thermoelement 51, wobei ein Temperatur-Normalisierungsfaktor
auf das Leitfähigkeitssignal
von der Probe 41 aufgebracht wird. Einige kommerziell erhältliche
Proben werden mit einer eingebauten Temperaturkompensation ausgeliefert, wobei
in diesem Fall der Linien-PLC-Normalisierungsfaktor auf einen Wert
von 1 gesetzt werden kann. Der Effekt der Konzentration freier Säure auf die
spezielle Leitfähigkeit
als Funktion der Temperatur ist ebenso für jeden Typ von Reinigungslösung erforderlich,
wobei ein Beispiel dieser Information in 3 gezeigt
ist.
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Basierend
auf dieser Information sowie der von der Probe 41 und dem
Titriergerät 42 erhaltenen Signale
wird die aktuelle Konzentration freier Säure des Tanks 25 unter
Verwendung des vorab beschriebenen Algorithmus berechnet. Wenn das
Niveau an freier Säure
unter einen vorab bestimmten Prozentsatz unterhalb eines festgelegten
Punkts abgefallen ist, wird die Pumpe 31 aktiviert, um
konzentrierte frische Säure
in den Tank 25 zuzufügen.
Wenn das Säureniveau
innerhalb eines vorab bestimmten Prozentsatzes des gewünschten
Einstellpunkts liegt, wird die Pumpe 31 ausgeschaltet.
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Wenn
die Konzentration an freier Säure
bei einem festgelegten Prozentsatz oberhalb des festgelegten Punkts
liegt, wird das Servo-Ventil 48 geöffnet und der Tank 25 wird
mit Wasser vom Spültank 26 verdünnt, bis
die Konzentration an freier Säure
wieder innerhalb der festgelegten Grenzen liegt. Wenn das Wasserniveau
im Tank 26 absinkt, öffnet
das Servo-Ventil 47, um den Tank 26 aus dem zweiten Spülabschnitt 13 wieder
aufzufüllen.
Das Wasserniveau im Tank 27 wird durch Öffnen des Servo-Ventils 35 und
Aktivieren der Pumpe 34 wieder aufgefüllt, um deionisiertes Wasser
vom Tank 33 zuzuführen.
Wenn die Säurekonzentration
als außerhalb
festgelegter Punkte befindlich betrachtet wird, wird ein Alarm aktiviert.
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Vorzugsweise
werden alle Werte der freien Säure,
der spezifischen Leitfähigkeit,
der Temperatur, der Bad-Verunreinigung (Gesamtsäure – freie Säure) sowie eine Ausgleichskorrektur
sämtlich durch
die PLC protokolliert und angezeigt.
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Es
ist dabei selbstverständlich,
dass die oben angegebene detaillierte Beschreibung einer Reinigungsprozedur
unter Verwendung von Säure-Reinigungslösung ebenso
auf eine Reinigungsprozedur angewendet werden kann, bei der die
Reinigungslösung
eine Alkali-Lösung
ist.
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Es
ist ebenso vorteilhaft, eine Leitfähigkeitsprobe in dem Reservoir 27 des
Spülabschnitts 13 (Spülung #2)
vorzusehen, die dazu dient, den Grad an Verunreinigung des Spülwassers
anzuzeigen. Die Probe ist mit der PLC 90 verbunden, welche
obere und untere vorab eingestellte Grenzen für die Leitfähigkeit aufweist. Wenn ein Übertrag
in das Reservoir 27 die Leitfähigkeit über den vorab eingestellten
oberen Grenzwert anhebt, wird die Pumpe 34 aktiviert, um
deionisiertes Wasser zuzufügen.
Die Zufügung wird
beibehalten, bis die Leitfähigkeit
unter den unteren vorab eingestellten Grenzwert absinkt, wobei an diesem
Punkt die Pumpe 34 gestoppt wird.
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Zusammenfassung
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Verfahren zur Steuerung
der Lösungskonzentration in
einer Bandreinigungsanlage
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Es
wird ein automatisches Regelungssystem für die Säure-Konzentration in einer
Aluminiumband-Reinigungsanlage zur Verfügung gestellt, wobei ein Aluminiumband
mit einer Säure-Lösung in Kontakt
gebracht wird, während
es durch ein Säure-Reinigungsbad
hindurchtritt, und die Konzentration der Säure in dem Bad durch Zufügen entweder
einer konzentrierten Säure
oder von Wasser zu dem Bad eingestellt wird. Eine Leitfähigkeits-Probe
stellt ein Signal für
die Konzentration der freien Säure
des Bads zur Verfügung
und ein Online-Prozess-Titriergerät stellt periodisch ein zweites
Signal zur Verfügung,
welches die aktuelle freie Säure-Konzentration und
die vollständige
Säure-Konzentration
anzeigt. Diese ersten und zweiten Signale werden dazu verwendet,
einen korrigierten Wert für
die Konzentration von freier Säure
zu erhalten. Die Bad-Säure-Konzentration
wird dann wie erfordert basierend auf dem korrigierten spezifischen
Leitfähigkeitswert
eingestellt.