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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Steuern der Zufuhr von Wasserbehandlungschemikalien. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung den Einsatz einer voltamperemetrischen
Messung als ein Rückmeldesignal
für eine
Steuereinrichtung, die eine Ein-/Abschalte-
oder Proportionierungs-Steuerung der Einleitung von Chemikalien
zur Behandlung von Wasser und Abwasser bereitstellt.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Eine
große
Vielfalt von Chemikalien wird zu industriellem Brauch-, Kessel-
und Kühlwasser
zur Verwendung als Mikrobizide, Korrosionsschutzmittel, Kesselsteinverhütungsmittel
usw. hinzugefügt.
Chemikalien werden ebenfalls zu Abwasser für ähnliche Zwecke oder als Aufbereitungsmittel
hinzugefügt, wie
beispielsweise Schwermetall-Fällungsmittel,
Flockungsmittel usw.
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Es
gibt mehrere Gründe,
warum es wünschenswert
ist, den Anteil dieser Verbindungen in einem Wassersystem zu steuern.
Das Hinzufügen
von zu viel von der Behandlungschemikalie (Überschusseinspeisung) ist Verschwendung
und kann verhindern, dass das Behandlungsprogramm wirtschaftlich ist.
Eine Überschusseinspeisung
kann dazu führen, dass
inakzeptabel hohe Anteile von Behandlungschemikalien in dem Abflusswasser
auftreten, was wiederum zu Umweltbelastungs-Problemen führen und
sich störend
auf den Betrieb von biologischen Aufbereitungsanlagen auswirken
kann. Auf solche Weise kann eine Überschusseinspeisung verursachen,
dass eine Industrieanlage gegen ihre Genehmigungen für die Abwasserentsorgung
verstößt.
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Des
Weiteren verursacht die Zufuhr der Behandlungschemikalien mit einem
zu niedrigen Anteil, d.h. mit Untereinspeisung, dass das Behandlungsprogramm
wirkungslos ist.
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Im
Fall eines Mikrobizid-Einsatzes ist eventuell nicht genügend von
der Chemikalie vorhanden, um das Wachstum von Mikroorganismen zu
steuern. Im Fall von Abwasserbehandlung unter Verwendung eines Fällungsmittels
für die
so genannten "schweren" Metalle, d.h. diejenigen Übergangsmetalle,
die toxisch sind und Umweltschäden
verursachen, wenn sie in Flüsse,
Seen oder andere natürliche
Wasserquellen eingeleitet werden, wird es durch eine Untereinspeisung
des Fällungsmittels
möglich,
dass toxische Anteile der Schwermetalle in den Abfluss gelangen.
Auf diese Weise kann eine unzureichende Zufuhr ebenfalls verursachen,
dass eine Industrieanlage gegen die Genehmigungen für die Abwasserentsorgung
verstößt. Daher
kann das Fehlen einer Steuerung der Anteile von Wasserbehandlungschemikalien
offensichtliche schädliche
Folgen für
die Umwelt haben.
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Zwei
Techniken zum Steuern der Zufuhr einer Wasserbehandlungschemikalie
sind vorgeschlagen worden. Bei der ersten Steuertechnik wird die Behandlungschemikalie
hinzugefügt,
bis ein kleiner Überschuss
erfasst wird, und dann wird die Beimengung der Chemikalie so bald
wie möglich
gestoppt, um die Überschusseinspeisung
zu minimieren. Idealerweise würde
keine überschüssige Behandlungschemikalie
verwendet werden. Diese Technik ist einer Titration sehr ähnlich.
Ein Beispiel für
eine Situation, in der diese Technik angewendet wird, umfasst die
Ausfällung
von Blei (Pb++) oder Kupfer (Cu++) aus einem Abwasserstrom unter
Verwendung von Natrium-Dimethyldithiocarbamat. Es würde die
exakte Menge der Behandlungschemikalie, die durch die Stöchiometrie
der Metall-Dithiocarbamat-Reaktion erforderlich ist, verwendet,
da kein nennenswerter Anteil an überschüssigen Dimethyldithiocarbamat-Ion
benötigt
wird, um ein vollständiges
Entfernen dieser Metalle aus dem Abwasser sicherzustellen. Da es
unnötig
ist, den tatsächlichen
Anteil von überschüssiger Behandlungschemikalie
in dem Wasser zu kennen, muss das zum Erfassen der Behandlungschemikalie
verwendete Verfahren nicht sehr präzise oder genau sein; und ein
breiter linearer Bereich ist nicht wesentlich. Allerdings muss die
Reaktionszeit sehr schnell sein, um eine Überschusseinspeisung zu minimieren;
und das Verfahren muss empfindlich genug sein, um eine erfassbare
Reaktion auf einen kleinen Anteil von überschüssiger Behandlungschemikalie
zu gestatten.
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Bei
der zweiten vorgeschlagenen Steuertechnik wird die Wasserbehandlungschemikalie
hinzugefügt,
bis ein spezifischer Konzentrationsgrad der Chemikalie in dem Wasser
vorhanden ist, und zusätzliche
Chemikalie wird nach Bedarf beigemengt, um diesen Anteil aufrechtzuerhalten.
Ein Beispiel für eine
Situation, in der diese Technik verwendet würde, ist die Beimengung eines
Mikrobizids zu Siebwasser in einer Papiermaschine. Ein gewisser
Anteil des Mikrobizids (oft 100 ppm oder weniger) wird benötigt, um
das Wachstum von Mikroorganismen zu unterdrücken, und es ist notwendig,
diesen Anteil innerhalb gewisser Grenzen aufrechtzuerhalten. Wenn der
Mikrobizid-Anteil zu weit abfällt,
kann die Population von Mikroorganismen auf Anteile zu wachsen beginnen,
die sich störend
auf den Betrieb der Papiermaschine auswirken. Wenn der Mikrobizid-Anteil
andererseits zu hoch ist, wird durch den übermäßigen Chemikalien-Einsatz Geld
verschwendet; es kann bei der Papierherstellung zu Problemen kommen (wie
beispielsweise Verfärbung);
und die Chemikalie kann in dem Abwasser von der Papierfabrik auftreten und
damit Probleme bei der Abwassereinleitung verursachen. Das Verfahren,
das zum Messen des Anteils der Behandlungschemikalie in Wasser verwendet
wird, muss ausreichend präzise
sein, um genau zu ermitteln, ob der Anteil der Behandlungschemikalie
innerhalb des gewünschten
Bereichs liegt. Zwar sind Reaktionszeit und Empfindlichkeit genau
so wichtig, doch sind diese Merkmale im Allgemeinen für diese
Situation nicht so entscheidend wie für die Titrations-Steuertechnik,
die oben beschrieben wurde. Die Empfindlichkeit muss nur hoch genug
sein, um eine genaue Bestimmung der Verbindung für den gewählten Einsatzanteil vorzunehmen.
Sobald der erforderliche Anteil der Behandlungschemikalie in dem
System hergestellt ist, erfolgen Änderungen an dem Anteil relativ
langsam, und die rasche Reaktionszeit, die zum Stoppen der Beimengung
der Behandlungschemikalie in dem oben beschriebenen Verfahren erforderlich
ist, ist nicht notwendig. Die Auslegung der Steuer-Ausrüstung und
-Techniken, die zum Ausführen
beider dieser Steuerprozeduren verwendet werden können, ist
eine wichtige Aufgabe dieses Patents.
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Wie
in 1 gezeigt, sind für das Steuern jedes Wasserbehandlungsprozesses,
wie beispielsweise das Ausfällen
von Schwermetallen aus Abwasser, drei grundlegende Komponenten erforderlich:
- 1. Es ist eine Chemikalien-Zufuhrvorrichtung 102, für welche
die Geschwindigkeit (Zufuhrgeschwindigkeit) elektrisch gesteuert
werden kann, notwendig. Die Zufuhrvorrichtung wird normalerweise
eine Pumpe zum Einleiten von flüssigen
Behandlungschemikalien aus beispielsweise einem Behandlungschemikalien-Massenspeicher 104 sein,
aber es kann eine Dosierschnecke verwendet werden, die mit einem
Motor mit regelbarer Drehzahl ausgestattet ist, um feste Behandlungschemikalien
einzuleiten.
- 2. Es werden ein Sensor 106 und dazugehörige Elektronik 108 benötigt, um
die Menge der Behandlungschemikalie zu erfassen, die sich im System
befindet oder vom System benötigt
wird. Dieser Sensor 106 erzeugt ein Rückmeldesignal, das an eine
Steuereinrichtung gesendet wird.
- 3. Es wird eine Steuereinrichtung 110 benötigt, um
(a) das Rückmeldesignal
vom Sensor 106 mit einem Signal zu vergleichen, das dem
gewünschten
Anteil der Behandlungschemikalie entsprechen würde, und (b), um Korrekturen
an der Geschwindigkeit der Chemikalien-Zufuhrvorrichtung 102 so
vorzunehmen, dass der im Wasser erfasste Anteil der Behandlungschemikalie
dem gewünschten
Anteil entspricht.
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Diese
drei Komponenten müssen
in irgendeiner Form vorhanden sein, um die Kontrolle über den
Anteil der verwendeten Wasserbehandlungschemikalien aufrechtzuerhalten.
Es ist insbesondere richtig, dass bei fehlender Rückmeldung
keine effektive Steuerung erreicht werden kann. In einigen Fällen kann
eine Person die Funktion von einer oder mehreren der Komponenten übernehmen.
In der einfachsten Auslegung, die möglich ist, kann eine Person
beispielsweise eine Wasserprobe entnehmen, sie chemisch analysieren
(die Funktion des Sensors), die Menge der benötigten Behandlungschemikalie
berechnen und abwiegen (die Funktion der Steuereinrichtung), und
die Behandlungschemikalie manuell hinzufügen (die Funktion der Chemikalien-Zufuhrvorrichtung).
Für viele
Vorgänge
wäre es jedoch
zu bevorzugen, diese Funktionen automatisch ausführen. Eine automatisierte Steuerung
ist in vielen Fällen
weniger teuer als eine manuelle Steuerung, und ein sachgemäß ausgelegtes
automatisiertes System sollte in der Lage sein, die Anteile der
Behandlungschemikalien präziser
und zuverlässiger
zu steuern als menschliche Bedienpersonen. Automatische Steuereinrichtungen,
die zu diesem Zweck verwendet werden können, implementieren EIN/AUS oder
Proportional-/Integral-/Differenzial-(PID) Steueralgorithmen und
sind von einer Reihe von Herstellern erhältlich, wie beispielsweise
Honeywell, Inc. in Minneapolis, Minnesota und Fenwal, Inc. in Ashland, Massachusetts.
Es ist eine primäre
Aufgabe dieses Patents, eine automatische Steue rang durch den Einsatz
von voltamperemetrischen Sensoren für die Bereitstellung des erforderlichen
Rückmeldesignals zu
ermöglichen.
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Es
gibt zwei grundlegende Ansätze,
die verwendet werden können,
um ein Rückmeldesignal
für die
Steuereinrichtung zu generieren. Bei der ersten dieser zwei Vorgehensweisen
spricht der Sensor 106 direkt auf die Konzentration der
Behandlungschemikalie an, die im Wasser vorhanden ist, und generiert ein
Rückmeldesignal,
das sich direkt proportional zu der Konzentration der Behandlungschemikalie
verhält.
Mit anderen Worten, das Rückmeldesignal
wird stärker,
wenn sich der Anteil der Behandlungschemikalie erhöht. Ein
Beispiel für
eine derartige Anwendung könnte
den Einsatz von Glutaraldehyd oder Dithiocarbamat-Salz umfassen,
um das Wachstum von Mikroorganismen im Wasser zu steuern. Ein zweckmäßiger Sensor 106 würde direkt
auf den Anteil des Mikrobizids im Wasser ansprechen.
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Bei
der zweiten Vorgehensweise kann der Sensor 106 auf eine
Substanz im Wasser ansprechen, mit der die Behandlungschemikalie
reagieren soll, statt auf den Anteil der Behandlungschemikalie. Auf
diese Weise würde
der Sensor 106 ein Rückmeldesignal
generieren, das umgekehrt proportional zu dem Anteil der Behandlungschemikalie
ist. Mit anderen Worten, das Rückmeldesignal
würde schwächer werden,
wenn sich der Anteil der Behandlungschemikalie erhöht. Ein
Beispiel für
eine derartige Anwendung könnte
den Einsatz von Natrium-Dimethyldithiocarbamat umfassen, um gewisse
spezifische Schwermetalle aus einem Abwasserstrom auszufällen. In
einem System, das eine sehr begrenzte Vielfalt von Metallen enthält, wäre es möglich, ein
Rückmeldesignal
für jedes
Metall unter Verwendung von anodischer Stripping-Voltammetrie (anodic
stripping voltammetry) bereitzustellen. Eine On-Line-Einrichtung
zur Durchführung
dieser Art von Messung ist von Ionics, Inc. in Watertown, Massachusetts
erhältlich.
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In
einigen Situationen ist der Einsatz von Rückmeldesignalen erforderlich,
die direkt proportional zum Anteil der Behandlungschemikalie in
dem System sind. Ein Beispiel für
diesen Fall würde
das Aufrechterhalten eines vorgegebenen Anteils von Mikrobizid umfassen,
wie oben beschrieben. Ein weiteres Beispiel würde den Einsatz eines Dimethyldithiocarbamat-Salzes
zum Ausfällen
einer Reihe von Metall-Ionen aus einem Abwasserstrom umfassen. In diesem
Fall wäre
es unnötig,
den Anteil jedes der Metall-Ionen in dem Abwasser zu bestimmen,
um die Menge des hinzugefügten
Dithiocarbamats zu korrigieren; es wäre nur notwendig, einen vorgegebenen Anteil
von überschüssigem Dithiocarbamat
in dem Abwasserstrom herzustellen und aufrechtzuerhalten. Wenn ein
genügender
Anteil von überschüssigem Dithiocarbamat
in dem Abwasser vorhanden ist, kann davon ausgegangen werden, dass
alle der gelösten "schweren" Metalle ausgefällt worden
sind. Die Bestimmung der Dithiocarbamat-Konzentration wäre weitaus
einfacher als die Bestimmung der Anteile aller Schwermetalle in
dem Abwasser.
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Andererseits
erfordern gewisse Situationen den Einsatz eines Rückmeldesignals,
das in indirektem Bezug zu dem Anteil der Behandlungschemikalie
in dem System steht. Bei Situationen, die das Entfernen einer toxischen
Substanz aus einem Abwasserstrom umfassen, ist diese Technik wünschenswert,
da das Rückmeldesignal
nicht nur die Zufuhr der Behandlungschemikalie steuert, sondern
auch einen direkten Messwert für
den Anteil der toxischen Substanz in dem Abwasserstrom bereitstellt,
der aufgezeichnet werden kann. Aufzeichnungen von diesen Messungen
lassen sich zum Dokumentieren der Beachtung oder Nicht-Beachtung
der Abwasser-Entsorgungsgenehmigung der Anlage verwenden. Beispielsweise
kann die Entsorgungsgenehmigung einer Abwasser-Aufbereitungsanlage,
die mit Natrium-Dimethyldithiocarbamat zum Ausfällen von Schwermetallen arbeitet,
einen Grenzwert in Bezug auf den Anteil von Dimethyldithiocarbamat-Ion
aufweisen, der in dem endgültigen
Abwasser vorhanden sein kann. Ein Sensor 106, der direkt
auf den Anteil von überschüssigem Dimethyldithiocarbamat-Ion
in dem Abwasserstrom anspricht, kann zum Generieren eines Rückmeldesignals
zum Steuern der Zufuhr einer Lösung
von gelöstem
eisenhaltigen Ion verwendet werden, das mit dem überschüssigen Dithiocarbamat-Ion reagiert
und es daher ausfällt.
Eine Aufzeichnung des Anteils von erfasstem Dithiocarbamat-Ion,
d.h. das Rückmeldesignal, überprüft, dass das
Dithiocarbamat-Ion in angemessener Weise aus dem Abwasserstrom entfernt
worden ist. Leider können
nicht alle toxischen Substanzen, die aus abfließendem Abwasser entfernt werden
müssen,
auf bequeme Weise durch analytische On-Line-Verfahren bestimmt werden.
Es ist eine weitere wichtige Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren
zum Generieren von Rückmeldesignalen
bereitzustellen, die zum direkten oder indirekten Steuern der Zufuhr
von Wasserbehandlungschemikalien und Dokumentieren der Einhaltung
der Abwasser-Entsorgungsgenehmigung verwendet werden können.
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Zum
Generieren eines effektiven Rückmeldesignals
muss der Sensor 106 eine quantitative Analyse des Brauchwassers
oder Abwasserstroms vornehmen, um den gewünsch ten Anteil der Behandlungschemikalie
zu steuern. Viele herkömmliche
Labortechniken sind so automatisiert worden, dass sie für On-Line-Messungen
verwendet werden können. On-Line-Ausrüstung für farbmetrische
Analysen ist von Hach Co. in Loveland, Colorado erhältlich. On-Line-Ausrüstung für turbidimetrische
Analysen wurde ebenfalls in dem U.S.-Patent Nr. 4,923,599 beschrieben.
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Elektrochemische
Messungen sind als eine Grundlage zum Generieren eines Rückmeldesignals aus
mehreren Gründen
gut geeignet:
- (1) Viele der Chemikalien, die
bei der Wasser- und Abwasserbehandlung verwendet werden, lassen sich
unter Verwendung elektrochemischer Techniken bestimmen.
- (2) Die für
elektrochemische Messungen benötigte
Ausrüstung
ist preiswert im Vergleich zu der Ausrüstung, die für farbmetrische
On-Line-Messungen oder chromatografische (HPLC) Messungen benötigt wird.
- (3) Elektrochemische Sensoren sind ziemlich einfach und im Allgemeinen
robust und zuverlässig. Im
Gegensatz zu den farbmetrischen und turbidimetrischen On-Line-Messungen, für die Pumpen erforderlich
wären,
um einen Teil des Brauch- oder Abwasserstroms ständig durch die Küvetten fließen zu lassen,
weisen elektrochemische Sensoren keine beweglichen Teile auf, die
eine hohe Störanfälligkeit
besitzen.
- (4) Elektrochemische Sensoren sind einfacher zu warten als farbmetrische
oder turbidimetrische, für
die zeitaufwändiges
und arbeitsintensives Zerlegen und Reinigen erforderlich ist. Dieses
Merkmal ist wichtig, weil durch das Ausgesetztsein in Brauchwasser-
oder Abwasserströmen,
insbesondere denjenigen, die einen hohen Anteil an Schwebstoffen
enthalten, die Oberfläche
jeder Messvorrichtung schnell verunreinigt wird. Wenn der elektrochemische
Sensor zugänglich
ist, kann einfaches manuelles Abwischen für die Elektrodenwartung ausreichend
sein. Für
unzugängliche Sensoren
ist eine andere Reinigungstechnik erforderlich.
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Eine
vorgeschlagene Technik zum Ausführen
von elektrochemischen Messungen umfasst potenziometrische Verfahren,
zu denen die Messung der Spannung gehört, die sich auf der Oberfläche einer
Elektrode aufbaut, wenn sie in eine Lösung getaucht ist. Die Spannung
wird im Vergleich zu einer Bezugselektrode gemessen, wie beispielsweise
der Silber/Silberchlorid-(Ag/AgCl) Koppelelektrode oder einer gesättigten
Calomel-Elektrode
(SCE). Spannungsmessvorrichtungen, die für diese Technik verwendet werden,
müssen
so wenig Strom durch die Elektroden aufnehmen wie möglich, so
dass die Elektrodenspannungen durch die Messungen nicht verändert werden.
Mit anderen Worten, es muss eine sehr hochohmige Messschaltung verwendet
werden. Bei einer idealen potenziometrischen Messung sollte überhaupt
kein Strom durch die Elektroden fließen. In der Praxis sind die
normalerweise verwendeten Spannungsmessschaltungen so ausgelegt,
dass sie weniger als ein Pico-Ampere (1 pA oder 10–12 Ampere)
durch die Elektroden aufnehmen. Maximale Eingangsströme im unteren
Femto-Ampere-(fA oder 10–15 Ampere) Bereich können unter
Verwendung von gegenwärtig
erhältlichen
Elektrometerverstärkern
erhalten werden, wie beispielsweise dem Verstärker AD549L, der von Analog
Devices, Inc. in Norwood, Massachusetts hergestellt wird.
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Allerdings
hat die Verwendung von potenziometrischen Messungen zum Generieren
eines Rückmeldesignals
in einem Steuersystem keine zufriedenstellende Ergebnisse erbracht.
Zum einen ist die Spannung, die in einer potenziometrischen Bestimmung
gemessen wird, direkt proportional zu dem Logarithmus der Konzentration
der Substanz, die erfasst wird. Dieses logarithmische Verhältnis erfordert eine
komplizierte elektronische Ausrüstung,
um eine Anzeige der gemessenen Konzentration zu erhalten, z.B. %,
ppm usw. Daher mindert das logarithmische Verhältnis, das in potenziometrischen
Messungen erhalten wird, die Genauigkeit und Auflösung der
Konzentrationsbestimmung, und diese Einschränkung reduziert die Genauigkeit,
mit welcher der Konzentrationsanteil gesteuert werden kann. Mit
anderen Worten, das Steuersystem ist unter Umständen nicht in der Lage, Änderungen
in der Konzentration der Behandlungschemikalie im Wasser zu erkennen
und auf diese anzusprechen, es sei denn, diese Änderungen sind groß, d.h.
weisen Änderungen
um Faktoren 2–3
oder mehr auf.
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Des
Weiteren kann die Ansprechzeit für
potenziometrische Messungen sehr langsam sein, insbesondere für ionenselektive
Elektroden, die in Lösungen
eingesetzt werden, die sehr niedrige Analyt-Konzentrationen enthalten.
Diese Ansprechzeit kann in der Größenordnung von Minuten liegen,
und ein Rückmeldesignal
mit einer derartig langsamen Ansprechzeit kann der Steuereinrichtung
unter Umständen
nicht ausreichend Zeit ge ben, um auf eine Konzentrationsänderung
in dem System zu reagieren, insbesondere in einer Durchström-Auslegung. Zu
dem Zeitpunkt, zu dem ein derartiger Sensor auf eine plötzliche Änderung
des Bedarfs an der Behandlungschemikalie anspricht, könnte es
für die
Steuereinrichtung zu spät
sein, die Geschwindigkeit der Chemikalien-Zufuhrvorrichtung zu korrigieren,
um einen entsprechenden Anteil der Behandlungschemikalie in dem
Strom beizubehalten. Während
der Zeit, in welcher der Sensor auf die Bedarfsänderung für die Behandlungschemikalie
anspricht, wird das Abwasser, das abgelassen wird, unsachgemäß behandelt
oder enthält
einen hohen Überschuss
der Behandlungschemikalie. In jedem Fall kann gegen die Entsorgungsgenehmigung
für die
Anlage verstoßen werden.
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Außerdem kann
die Leistung der extrem hochohmigen Messschaltungen, die für potenziometrische
Messungen erforderlich sind, durch das Vorhandensein von Feuchtigkeit
oder chemische Verunreinigung schwer beeinträchtigt werden, was in einer industriellen
Umgebung häufig
vorkommt.
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Schließlich ist
eine Mischspannungsmessung, wie beispielsweise eine Redox-(ORP)
Bestimmung, das Nettoergebnis des Einflusses von mehreren Faktoren,
wie beispielsweise von pH-Wert und dem Vorhandensein von Oxidations-
oder Reduktionsmitteln. Es gibt keine Möglichkeit, die verschiedenen
Komponenten, welche die gemessene Spannung bestimmen, voneinander
zu unterscheiden oder aufzulösen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Dementsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuereinrichtung, die im
Wesentlichen eines oder mehrere der Probleme verhindert, die auf Einschränkungen
und Nachteile des Stands der Technik zurückzuführen sind.
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Diese
und andere Vorteile werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch
6 erzielt.
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Es
sollte klar sein, dass die vorhergehende allgemeine Beschreibung
und die folgende ausführliche
Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind und dafür bestimmt
sind, eine weitere Erläuterung der
Erfindung, wie sie beansprucht wird, bereitzustellen.
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Die
begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um für ein weiteres Verständnis der
Erfindung zu sorgen, und sind in diese Spezifikation integriert
und bilden einen Bestandteil davon, sie veranschaulichen mehrere
Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
folgenden begleitenden Zeichnungen, die in diese Spezifikation integriert
sind und einen Bestandteil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung
der Aufgaben, Vorteile und Prinzipien der Erfindung.
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1 ist
ein Blockschaltbild eines Chemikalien-Zufuhrsystems;
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2 ist
ein Schaltbild eines Zwei-Elektroden-Voltammetriesystems, das in Übereinstimmung mit
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung konstruiert ist;
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3 ist
ein Schaltbild eines Gleichstrom-Potenziostats, der in Übereinstimmung
mit einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung konstruiert ist;
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4 ist
ein Schaltbild einer Elektrodenreinigungsschaltung, die in Übereinstimmung
mit einer dritten Ausführungsform
der Erfindung konstruiert ist;
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5 ist
ein Schaltbild einer Redox-Elektrodenreinigungsschaltung, die in Übereinstimmung
mit einer vierten Ausführungsform
der Erfindung konstruiert ist; und
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6 ist
ein Schaltbild eines Differenzial-Gleichstrom-Potenziostats, der
in Übereinstimmung
mit einer fünften
Ausführungsform
der Erfindung konstruiert ist
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einem System zum Steuern der Zufuhr von Wasserbehandlungschemikalien
kann eine Rückmeldung
bestimmt werden, indem elektrochemische Messungen unter Verwen dung
von voltamperemetrischen Techniken vorgenommen werden, welche das
Anlegen einer Spannung über
zwei Elektroden in einer Lösung
und das Messen des Stroms umfassen, der zwischen den Elektroden
fließt.
Die Elektrode, an der die gewünschte
Oxidation oder Reduktion stattfindet, wird als die Arbeitselektrode
bezeichnet, und das an die Oberfläche dieser Elektrode angelegte
Potenzial (die Spannung) wird im Vergleich mit der gleichen Art
von Bezugselektrode gemessen, die zum Durchführen potenziometrischer Messungen verwendet
wird. In dem Beispiel, das den Einsatz von Dimethyldithiocarbamat-Ionen
zum Ausfällen
von Metall-Ionen aus Abwasser umfasst, werden Dimethyldithiocarbamat-Ionen
an der Arbeitselektrode bei einer angelegten Spannung von +300 Millivolt
gegen Ag/AgCl oxidiert. Die Arbeitselektrode misst einen elektrischen
Strom, der als Ergebnis dieser Oxidationsreaktion durch die Lösung fließt, wobei
dieser zu dem Anteil der Dithiocarbamat-Ionen in dem Wasser direkt
proportional ist und daher zur Verwendung als ein Rückmeldesignal
verstärkt
werden kann, um die Pumpe zu steuern, die dem System Dithiocarbamat-Ionen
zuführt.
Auf gleiche Weise kann durch Korrigieren der angelegten Spannung
ein elektrischer Strom, der zu der Konzentration eines Aldehyds
proportional ist, wie beispielsweise Formaldehyd, Glutaraldehyd
oder einer Verbindung, die eine der beiden Verbindungen in den Prozess
oder das Abwasser freisetzen kann, auf diese Weise gemessen werden.
Dieser Strom kann in eine Spannung umgewandelt und für die Verwendung
als ein Rückmeldesignal
verstärkt
werden, um die Pumpe zu steuern, die dem System das Aldehyd zuführt.
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In
einigen Fällen
kann die Gleichstrom-(DC) Messausrüstung, die für die oben
beschriebene voltamperemetrische Technik verwendet wird, jedoch
ein unregelmäßiges Signal
liefern, wodurch es schwierig wird, einen spezifischen Anteil der
Behandlungschemikalie in dem System zu messen und herzustellen. Das
erratische Verhalten dieses Messsignals ist auf die Bewegung der
Probenlösung über die
Oberfläche der
Arbeitselektrode hinaus zurückzuführen. Diese Bewegung
kann auf Temperaturkonvektion sowie das Mischen des behandelten
Wassers durch ein mechanisches Rührwerk
zurückzuführen sein.
Das Vorhandensein eines hohen Anteils an Schwebstoffen in dem Wasser,
das behandelt werden soll, wie beispielsweise eine Lehmaufschlämmung, fügt beiden
Steuertechniken insofern eine zusätzliche Komplikation hinzu,
als die Schwebstoffe eine Diffusion der Moleküle der Behandlungschemikalie
auf der Elektrodenoberfläche
verhindern, was im Lauf der Zeit zu einer Verschlechterung des Messsignals führt.
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Beide
dieser Probleme können
unter Verwendung der Chronoamperometrie-Technik gemindert werden,
in der die angelegte Spannung eine Impulsfolge statt einer stetigen
Gleichstromspannung ist. Zwischen den Impulsen wird die angelegte
Spannung auf einem Pegel gehalten, auf dem wenig oder keine Oxidation
oder Reduktion der Behandlungschemikalie stattfindet, und damit
ist der gemessene Zellenstrom vernachlässigbar klein. Während der
Impulse wird die angelegte Spannung jedoch auf einen Pegel geändert, auf
dem die Behandlungschemikalie oxidiert oder reduziert wird. Der
Strom, der während des
Anlegens des angelegten Spannungsimpulses gemessen wird, ist anfänglich sehr
hoch und fällt rasch
auf einen eingeschwungenen Pegel ab. Die Komponente des Signals,
die mit der Zeit abfällt,
ist die Summe eines nicht-Faradayschen Ladestroms und eines Faradayschen
Signals, das eine Funktion der Konzentration der Behandlungschemikalie
ist, die gemessen wird. Zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem
Anlegen des Spannungsimpulses wird das Faradaysche Stromsignal direkt
proportional zu der Konzentration der Behandlungschemikalie im Wasser.
Der nicht-Faradaysche Ladestrom fällt rasch ab (innerhalb von
Millisekunden bei Elektroden mit freiliegenden Bereichen von nicht
mehr als einigen Quadratmillimetern), so dass er ignoriert werden kann,
indem man einige Millisekunden nach dem anfänglichen Anlegen des Impulses
wartet, bevor der Zellenstrom gemessen wird. Der Zellenstrom sollte zu
einem bestimmten Zeitpunkt nach dem anfänglichen Anlegen des Spannungsimpulses
gemessen werden, und das Stromsignal, das zu dem Zeitpunkt gemessen
wird, muss gespeichert werden, bis es während des nächsten Spannungsimpulses aktualisiert
wird. Es werden exakte Zeitsteuerungsschaltungen benötigt, um
die Spannungsimpulse zu erzeugen und den Abtast- und Haltekreis
zu steuern, der die Zellenstrommessung zwischen Spannungsimpulsen speichert.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Zwei-Elektroden-Schaltkreises zum Erzeugen eines Rückmeldesignals
in einem Steuersystem ist in 2 gezeigt.
Der Operationsverstärker
U1, wie beispielsweise eine Vorrichtung AD549 von Analog Devices,
wird als ein Strom-Spannungs-Wandler verwendet, für den eine
negative Rückmeldung
durch den Widerstand R3 bereitgestellt wird. Die am Ausgang des
Verstärkers
U1 auftretende Spannung ist gleich R3 x dem Strom, der durch die
Arbeitselektrode gemessen wird, die an dem Anschluss 10 angeschlossen
ist. Da der gemessene Strom in kleinen voltamperemetrischen Zellen
eine Größenordnung von
Nano-Ampere oder weniger aufweisen kann, ist der Einsatz eines Operationsverstärkers mit
niedrigem Eingangsstrom (vor zugsweise weniger als 1 Pico-Ampere)
erforderlich. Die an die Arbeitselektrode angelegte Spannung wird
in Bezug auf Masse gemessen, den Anschluss 12, mit dem
die Bezugselektrode verbunden ist, und tritt an Anschluss 2 des
Verstärkers
U1 auf. Da der Verstärker
U1 mit negativer Rückmeldung
arbeitet, sind die Spannungen an den Anschlüssen 2 und 3 (den
jeweils invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen) einander
gleich und werden durch den Ausgang des Spannungsfolgers U2 bestimmt,
wie beispielsweise eine Vorrichtung AD707 von Analog Devices. Die
Widerstände
R4, R5 und R6 bilden einen Spannungsteiler, der zum Auswählen der
Eingangsspannung und damit der Ausgangsspannung des Spannungsfolgers
U2 verwendet wird. Der Widerstand R7 begrenzt den Stromfluss in
den nicht-invertierenden Eingang des Spannungsfolgers U2.
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Die
Trimmerwiderstände
R1 und R8 werden verwendet, um die Eingangs-Offset-Spannungen für den Verstärker U1
und den Spannungsfolger U2 jeweils auf Null zu setzen. Die Widerstände R2 und
R9 begrenzen den Stromfluss durch die Eingangs-Offset-Korrekturschaltungen
(input offset adjustment circuit) jeweils für den Verstärker U1 und den Spannungsfolger
U2. Die Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 werden verwendet, um Stromversorgungs-Rauschen
(power supply noise) und Schwingung zu verhindern.
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Die
Zwei-Elektroden-Schaltung von 2 ist eine
einfache Schaltung, die ein effektives Rückmeldesignal am Anschluss
J1 für
ein Steuersystem erzeugt.
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Wenn
Strom durch die Bezugselektrode fließt, die am Anschluss 12 angeschlossen
ist, kann eine Oxidations- oder Reduktions-Reaktion eintreten, welche
die Komponenten der Bezugselektrode ändern kann. Abhängig von
der Elektrodenauslegung kann die Änderung die Spannung der Bezugselektrode ändern, mit
der im Vergleich die Spannung gemessen wird, die an die Arbeitselektrode
angelegt wird. Somit ändert
sich die Spannung, die an die Arbeitselektrode angelegt wird, wenn
Strom durch die Zelle geleitet wird, und diese Änderung in der angelegten Spannung
kann den gemessenen Zellenstrom ändern.
Auf diese Weise kann ein Fehler in die Zellenstrom-Messung eingeführt werden,
wodurch wiederum ein Fehler in das Rückmeldesignal eingeführt wird.
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Wenn
des weiteren Strom durch die Probenlösung zwischen den Elektroden
fließt,
entwickelt sich ein Spannungsabfall zwischen den Elektroden, der
proportional zu dem Zel lenstrom ist. Nach dem Ohmschen Gesetz ist
dieser Spannungsabfall gleich dem Widerstand der Lösung multipliziert
mit dem Zellenstrom. Offensichtlich reduziert dieser Spannungsabfall
die Spannung, die an die Arbeitselektrode angelegt wird, und das
Ausmaß dieser
Reduzierung hängt
von der Größe des Zellenstroms
ab. Wie oben beschrieben, wird der Fehler in der angelegten Spannung
in einen Fehler im Zellenstrom umgesetzt, und infolgedessen tritt
ein Fehler in dem Rückmeldesignal
auf, das an die Steuereinrichtung für die Chemikalien-Zufuhrvorrichtung
gesendet wird.
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In
einer zweiten Ausführungsform
wird die in 3 gezeigte Drei-Elektroden-Schaltung
zum Erzeugen eines Rückmeldesignals
in einem Steuersystem bereitgestellt. In dieser Messschaltung, (die
auch als ein Potenziostat bezeichnet wird), wird eine externe Spannung
zwischen einer Gegenelektrode und einer Arbeitselektrode angelegt,
die in 3 in die Lösung
eingetaucht dargestellt sind. Diese externe Spannung wird automatisch
so korrigiert, dass die Spannung an der Oberfläche der Arbeitselektrode, gemessen
im Vergleich mit der Bezugselektrodenspannung, gleich einem gewünschten
Wert ist. Der Strom, der durch die Arbeitselektrode fließt, wird
gemessen und wird als der Zellenstrom bezeichnet. Wie oben beschrieben,
ist der Zellenstrom direkt proportional zu der Konzentration der
Substanz, die an der Oberfläche
der Arbeitselektrode oxidiert oder reduziert wird. Die Messung der
Spannung an der Oberfläche
der Arbeitselektrode wird unter Verwendung einer hochohmigen Spannungsmessschaltung
vorgenommen, so dass ein Strom von einem Mikro-Ampere (10–6 Ampere)
oder weniger durch die Bezugselektrode fließen kann. Obwohl es nicht notwendig
ist, den extrem hohen Eingangswiderstand der Schaltung zu verwenden,
der bei potenziometrischen Messungen eingesetzt wird, ist der Eingangswiderstand immer
noch hoch genug, um beträchtliche Änderungen
in der Beschaffenheit der Bezugselektrode zu verhindern und den
Spannungsabfall in der Lösung vernachlässigbar
zu machen. Diese Verbesserungen in der Genauigkeit, mit der die
angelegte Spannung gesteuert wird, rechtfertigt die Erhöhung der
Komplexität
der Messschaltung.
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Die
in 3 gezeigte Schaltung vergleicht die Spannungsdifferenz
zwischen den Bezugs- und Arbeitselektroden, die durch den hochohmigen Spannungsfolger
U2 gepuffert werden, mit einer gewünschten angelegten Spannung
und korrigiert die Spannung, die an die Gegenelektrode, die an Anschluss
J1 angeschlossen ist, angelegt wird, so dass die gewünschte angelegte
Spannung zwischen der an Anschluss J3 angeschlossenen Arbeitselektrode und
der Bezugselektrode auftritt. Die Spannung der Arbeitselektrode
im Vergleich zur Bezugselektrode wird von der gewünschten
angelegten Spannung subtrahiert, indem die durch den Widerstand
R3 zugeführte
gewünschte
angelegte Spannung zu der Spannung der Bezugselektrode hinzugefügt wird,
die unter Bezugnahme auf die auf Massespannung (ground potential)
gehaltene Arbeitselektrode gemessen und durch den Widerstand R4
zugeführt wird.
Dieses Differenzsignal am invertierenden Eingang von U1 wird mit
der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang verglichen, der über den
Widerstand R5 geerdet ist, und das sich daraus ergebende Fehlersignal
wird durch die Leerlauf-Spannungsverstärkung von U1 verstärkt, um
der Gegenelektrode die entsprechende Spannung zuzuführen. Die
Größe der gewünschten
angelegten Spannung wird durch den Spannungsteiler R1 und R2 festgelegt,
und die Polarität
wird durch den Schalter S1 gewählt.
Der Kondensator C3 wird benötigt,
um eine Schwingung des Operationsverstärkers U1 zu verhindern, da
dieser Verstärker
ohne eine Rückmeldeschleife
verwendet wird.
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Die
Trimmerwiderstände
R6, R7 und R9 werden verwendet, um die Eingangs-Offset-Spannungen für die Verstärker U1,
U2 und U3 jeweils auf Null zu setzen. Die Widerstände R10
und R11 begrenzen den Stromfluss durch die Eingangs-Offset-Korrekturschaltungen
jeweils für
die Verstärker
U3 und U1. Die Kondensatoren C1, C2, C4, C5, C6 und C7 werden verwendet,
um Stromversorgungs-Rauschen und Schwingung zu verhondern.
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Voltamperemetrische
Messungen im Fall von Wasserbehandlungs- oder Abwasserbehandlungssystemen
können
unter Verwendung der oben beschriebenen Zwei-Elektroden- oder Drei-Elektroden-Techniken
vorgenommen werden. Die Arbeits- und Gegenelektroden sollten aus
chemisch-trägen, elektrisch-leitfähigen Materialien
bestehen. Der Oberflächenbereich
der Gegenelektrode sollte viel größer sein als bei der Arbeitselektrode,
so dass der Zellenstrom auf jeden Fall durch die Reaktion an der Arbeitselektrode
und nicht die Reaktion an der Gegenelektrode begrenzt wird. Normalerweise
werden Platin, Gold oder irgendeine Form von Kohlenstoff, wie beispielsweise
glasähnlicher
Kohlenstoff oder pyrolytisches Graphit verwendet. Ein Nickel- oder
Graphitstab kann als eine Gegenelektrode verwendet werden. Voltamperemetrische
Bestimmungen von organischen Verbindungen, wie beispielsweise Dithiocarbamat-Salzen,
die Schwefel in reduzierter Form enthalten, sollten unter Verwendung
einer Kohlstoffelektrode als der Ar beitselektrode vorgenommen werden,
da diese Verbindungen oft mit der Oberfläche von metallischen Elektroden
reagieren und sie beschichten.
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In
einer dritten Ausführungsform
der Erfindung können
metallische oder Kohlenstoff-Arbeitselektroden
in der Schaltung der ersten und zweiten Ausführungsformen in situ durch
Elektrolyse gereinigt werden. Ein Beispiel einer Schaltung, die
zum Reinigen dieser Elektrode verwendet werden kann, ist in 4 gezeigt.
In dieser Schaltung schaltet ein Zeitschaltwerk T1 die Messelektroden
zwischen der Messschaltung und der Reinigungsschaltung um, wodurch
während
des Reinigungszeitraums ungefähr
150 Milli-Ampere durch die Arbeits- und Gegenelektroden gezwungen
werden. Die Arbeitselektrode ist an Anschluss 14 als der
Anode angeschlossen, und die Oxidation von Wasser zum Erzeugen von Sauerstoffbläschen kocht
Ablagerungen von ihrer Oberfläche
ab, wodurch die Oberfläche
effektiv gereinigt wird.
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Die
in 4 gezeigte Schaltung wird verwendet, um die Arbeitselektrode
und die Gegenelektrode, (die an Anschluss 16 angeschlossen
ist), von einer voltamperemetrischen Zelle zwischen der Messschaltung
und einer Gleichstromquelle umzuschalten, die das Wasser an der
Oberfläche
der Elektroden elektrolysiert. Die zum Umschalten der Elektroden
verwendeten Relais müssen
einen extrem hohen Isolationswiderstand (1011–1012 Ohm oder höher) aufweisen, um zu verhindern,
dass Streukriechstrom (stray leakage current) von der Gleichstromversorgung
in die Messschaltung gelangt und Fehler verursacht. Die Relais K1
und K4 verbinden jeweils die Gegen- und Arbeitselektroden mit der
Messschaltung, wenn Relais K5 abgeschaltet wird, und die Relais
K2 und K3 verbinden jeweils die Gegen- und Arbeitselektroden mit
der Gleichstromquelle zur Reinigung, wenn Relais K5 mit Strom versorgt
wird. Die Spule von Relais K5 wird während des Reinigungszeitraums
durch das Zeitschaltwerk T1, wie beispielsweise Omron H5LA, das
ein Intervall-Zeitschaltwerk ist, welches einen variablen Arbeitszyklus
und eine variable Zykluszeit aufweist, mit Strom versorgt. Der Transistor
Q1 und die Widerstände
R1 und R2 bilden die Gleichstromquelle, die mehrere hundert Milli-Ampere
durch die Elektroden zwingen kann, um den gewünschten Reinigungsvorgang zu
erzeugen.
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In
einer vierten Ausführungsform
der Erfindung wird eine ähnliche
Schaltung zum Reinigen von Elektroden bereitgestellt, die ebenfalls
für Redoxpotenzial-(ORP)
Messungen verwendet werden. Ein Beispiel für diese Schaltung ist in 5 gezeigt.
In dieser An wendung müssen
die Relais K1–K4,
die zum Umschalten der Elektroden zwischen den Mess- und Reinigungsschaltungen
verwendet werden, einen sehr hohen Isolationswiderstand (mindestens 1012 Ohm) aufweisen. Relais dieses Typs sind
von Coto Wabash, Inc. in Providence, Rhode Island erhältlich.
Da die Bezugselektrode in vielen ORP-Überwachungseinrichtungen und
-Steuereinrichtungen geerdet ist, ist es wichtig, ein Relais zum
Abschalten der Bezugselektrode während
des Reinigungszeitraums zu verwenden, um zu verhndern, dass schädlicher
Strom durch sie hindurchfließt.
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Die
in 5 gezeigte Schaltung wird verwendet, um eine Redoxpotenzial-(ORP)
Elektrode, (die an Anschluss 18 angeschlossen ist), und
eine Bezugselektrode, (die an Anschluss 20 angeschlossen
ist), in einer potenziometrischen Zelle zwischen der hochohmigen
Messschaltung und einer Gleichstromquelle umzuschalten, die das
Wasser an der Oberfläche
der Elektroden elektrolysiert. Die zum Umschalten der Elektroden
verwendeten Relais K1–K4
müssen
einen extrem hohen Isolationswiderstand (1011–1012 Ohm oder höher) aufweisen, um zu verhindern,
dass Streukriechstrom von der Gleichstromversorgung in die Messschaltung
gelangt und Fehler verursacht. Ebenso sollten sich die Elektroden-Signalpfade
nicht auf der Oberfläche
der gedruckten Schaltung befinden, sondern zwischen Kontakten, die
auf PTFE-Abstandsvorrichtungen befestigt sind, Punkt-zu-Punkt-verdrahtet
sein. Die Relais K1 und K4 verbinden jeweils die Bezugs- und ORP-Elektroden
mit der Messschaltung, wenn Relais K5 abgeschaltet wird, und die
Relais K2 und K3 verbinden jeweils die Gegen- und ORP-Elektroden
mit der Gleichstromquelle zur Reinigung, wenn Relais K5 mit Strom
versorgt wird. Die Spule von Relais K5 wird während des Reinigungszeitraums
durch das Zeitschaltwerk T1, das ein Intervall-Zeitschaltwerk ist,
das einen variablen Arbeitszyklus und eine variable Zykluszeit aufweist,
mit Strom versorgt. Der Transistor Q1 und die Widerstände R1 und
R2 bilden die Gleichstromquelle, die mehrere hundert Milli-Ampere
durch die Elektroden zwingen kann, um den gewünschten Reinigungsvorgang zu
erzeugen.
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Obwohl
es oft möglich
ist, Interferenzen in voltamperemetrischen Messungen durch Korrektur der
angelegten Spannung so zu minimieren, dass störend beeinflussende Substanzen
nicht oxidiert oder reduziert werden, können störende Hintergrund-Einflüsse des
Weiteren reduziert werden, indem das Hintergrundsignal gemessen
wird, bevor die Chemikalie zur Wasserbehandlung eingeleitet wird, und
indem dieses Hintergrundsignal von dem Signal subtrahiert wird,
das erhalten wird, nachdem die Behandlungschemikalie hinzugefügt worden
ist. In Durchflusssystemen wird das Hintergrundsignal von einer
Gruppe von voltamperemetrischen Elektroden an dem Einlass zu dem
Behandlungstank erhalten, und eine zweite Gruppe von Elektroden
an dem Auslass des Tanks kann verwendet werden, um das Gesamtsignal
zu messen, das sich aus Hintergrund und hinzugefügter Behandlungschemikalie
ergibt. Der Unterschied zwischen diesen Signalen ist direkt proportional
zu dem Anteil der gewünschten
Behandlungschemikalie, und dieses Differenzsignal kann als ein Rückmeldesignal
zum Steuern der Geschwindigkeit verwendet werden, mit der die Behandlungschemikalie
hinzugefügt
wird. Das Differenzsignal wird unter Verwendung eines Differenzialmessverstärkers (differential
instrumentation amplifier), wie beispielsweise AD524, hergestellt
von Analog Devices, Inc. in Norwood, Massachusetts, erhalten. Ein
Beispiel einer Schaltung, die zum Erzeugen einer hintergrundkorrigierten
(background-corrected) voltamperemetrischen Messung verwendet werden
kann, die als ein Rückmeldesignal
für eine
Steuereinrichtung verwendet werden kann, ist in 6 gezeigt.
In dieser Schaltung sind zwei Drei-Elektroden-Potenziostaten vorhanden,
einer für
den Einlass des Behandlungstanks und einer für den Auslass, und die Ausgänge der
Strom-Spannungs-Wandler in diesen Potenziostaten werden in einen
Differenzialmessverstärker eingespeist,
dessen Ausgang wiederum als ein Rückmeldesignal verwendet wird.
In vielen Fällen muss
dieses Rückmeldesignal
in ein Signal von 4–20 Milli-Ampere
umgewandelt werden, damit es zu der Steuereinrichtung übertragen
werden kann, und diese Umwandlung kann unter Verwendung der integrierten
Schaltung AD694 von Analog Devices ausgeführt werden. Diese Schaltung
kann zur Verwendung in Chronoamperometrie-Messungen modifiziert werden,
indem (1) eine Folge von an Anschluss J7 angelegten Spannungsimpulsen,
die an die Einlasszelle über
R21 und an die Auslasszelle über
R24 angelegt werden, und (2) Abtast- und Haltekreise zwischen den
Ausgängen
der Strom-Spannungs-Wandler (die Anschlüsse 6 der Verstärker U3
und U6) und den +/–-Eingängen des
Messverstärkers
(die Anschlüsse 1 und 2 des
Verstärkers
U7) hinzugefügt werden.
Diese Abtast- und Haltekreise können
unter Verwendung der integrierten Schaltungen AD7569 von Analog
Devices implementiert werden. Das Lese-/Halte-Steuersignal für die Abtast-
und Haltekreise wird mit der angelegten Spannungsimpulsfolge synchronisiert.
Der Arbeitszyklus der angelegten Spannungsimpulsfolge wird ausreichend
niedrig gehalten, damit die Lösung
an der Oberfläche
der Elektroden zwischen den Spannungsimpulsen wieder ins Gleichgewicht
gebracht werden kann.
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Die
in 6 gezeigte Schaltung wird zum Bestimmen der Differenz
zwischen den voltamperemetrischen Signalen verwendet, die in einem
Prozess oder Abwasserstrom gemessen werden, bevor eine Behandlungschemikalie
hinzugefügt
wurde, und nachdem sie hinzugefügt
wurde. Die Differenz in den Messsignalen ist allein auf das Vorhandensein
der Behandlungschemikalie zurückzuführen, und
Signale, die auf störend
einwirkende Substanzen zurückzuführen sind,
die in dem Strom vor dem Hinzufügen der
Behandlungschemikalie vorhanden sind, werden ignoriert.
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Für die voltamperemetrische
Zelle an dem Einlass oder der stromaufwärts liegenden Seite des Punkts,
an dem die Behandlungschemikalie hinzugefügt wird, wird die Spannungsdifferenz
zwischen der an Anschluss J2 angeschlossenen Bezugselektrode und
der an Anschluss J3 angeschlossenen Arbeitselektrode, die durch
den hochohmigen Spannungsfolger U2 gepuffert werden, mit der gewünschten
angelegten Spannung verglichen, und die Spannung, welche an die
an Anschluss J1 angeschlossene Gegenelektrode angelegt wird, wird
so korrigiert, dass die gewünschte
angelegte Spannung zwischen der Arbeitselektrode an Anschluss J3
und der Bezugselektrode an Anschluss J2 auftritt. Die Spannung der
Arbeitselektrode und der Bezugselektrode wird von der gewünschten
angelegten Spannung subtrahiert, indem die durch R3 zugeführte gewünschte angelegte Spannung
zu der Spannung der Bezugselektrode an Anschluss J2 hinzugefügt wird,
die unter Bezugnahme auf die auf Massespannung gehaltene Arbeitselektrode
gemessen und durch den Widerstand R4 zugeführt wird. Dieses Differenzsignal
am invertierenden Eingang von Verstärker U1 wird mit der Spannung
an dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers U1 verglichen, der über R5 geerdet
ist, und das sich daraus ergebende Fehlersignal wird durch die Leerlauf-Spannungsverstärkung von
Verstärker U1
verstärkt,
um der Gegenelektrode an Anschluss J1 die entsprechende Spannung
zuzuführen.
Die Größe der gewünschten
angelegten Spannung wird durch den Spannungsteiler R1 und R2 festgelegt, und
die Polarität
wird durch Schalter S1 gewählt.
Der Kondensator C3 wird benötigt,
um eine Schwingung des Operationsverstärkers U1 zu verhindern, da
dieser Verstärker
ohne eine Rückmeldeschleife
verwendet wird.
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Für die voltamperemetrische
Zelle an dem Auslass oder der stromabwärts liegenden Seite des Punkts,
an dem die Behandlungschemikalie hinzugefügt wird, wird die Spannungsdifferenz
zwischen der Bezugselektrode an Anschluss J5 und der Arbeitselektrode an
Anschluss J6, die durch den hochohmigen Spannungsfolger U5 gepuffert
werden, mit der gewünschten
angelegten Spannung verglichen, und die Spannung, die an die Gegenelektrode
an Anschluss J4 angelegt wird, wird so korrigiert, dass die gewünschte angelegte
Spannung zwischen der Arbeitselektrode an Anschluss J6 und der Bezugselektrode
an Anschluss J5 auftritt. Die Spannung der Arbeitselektrode und
der Bezugselektrode wird von der gewünschten angelegten Spannung
subtrahiert, indem die durch R18 zugeführte gewünschte angelegte Spannung zu
der Spannung der Bezugselektrode an Anschluss J5 hinzugefügt wird,
die unter Bezugnahme auf die auf Massespannung gehaltene Arbeitselektrode
an Anschluss J6 gemessen und durch den Widerstand R17 zugeführt wird.
Dieses Differenzsignal am invertierenden Eingang von Verstärker U4 wird
mit der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang verglichen,
der über
R23 geerdet ist, und das sich daraus ergebende Fehlersignal wird
durch die Leerlauf-Spannungsverstärkung von
Verstärker U4
verstärkt,
um der Gegenelektrode an Anschluss J4 die entsprechende Spannung
zuzuführen.
Der Kondensator C16 wird benötigt,
um eine Schwingung des Operationsverstärkers U4 zu verhindern, da
dieser Verstärker
ohne eine Rückmeldeschleife
verwendet wird.
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Die
Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Strom-Spannungs-Wandler
für die
voltamperemetrischen Eingangs- und Ausgangszellen (jeweils Verstärker U3
und U6) wird durch einen Messverstärker U7 mit einem Verstärkungsgrad
von 1:1 (unity-gain) bestimmt, und die Ausgangsspannung von diesem
Verstärker
an Anschluss J8 kann als Rückmeldesignal
für eine
Steuereinrichtung verwendet werden.
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Die
Trimmerwiderstände
R6, R7 und R9 werden verwendet, um die Eingangs-Offset-Spannungen für die Verstärker U1,
U2 und U3 jeweils auf Null zu setzen, und die Trimmerwiderstände R19,
R22 und R12 werden verwendet, um die Eingangs-Offset-Spannungen
für die
Verstärker
U4, U5 und U6 jeweils auf Null zu setzen. Die Widerstände R10
und R11 begrenzen den Stromfluss durch die Eingangs-Offset-Korrekturschaltungen
jeweils für
die Verstärker
U3 und U1. Die Widerstände
R13 und R20 begrenzen den Stromfluss durch die Eingangs-Offset-Korrekturschaltungen
jeweils für
die Verstärker U6
und U4. Die Trimmerwiderstände
R15 und R16 werden verwendet, um die Offset-Spannungen für den Messverstärker U7
auf Null zu setzen. Die Kondensatoren C1–C2 und C4–C15 werden verwendet, um Stromversorgungs-Rauschen
und Schwingung zu verhindern.
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Für den Fachmann
ist es offensichtlich, dass verschiedene Modifizierungen und Variationen
an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Es ist daher vorgesehen, dass
die vorliegende Erfindung die Modifizierung und Variationen dieser
Erfindung abdeckt, vorausgesetzt, sie befinden sich innerhalb des
Umfangs der Ansprüche
im Anhang und deren Entsprechungen.