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Verfahren zur Regelung von Zustandsgrößen von Flüssigkeiten, wie beispielsweise
Salzgehalt, pH-Wert, Trübung Regelungen einer Zustandsgröße von Flüssigkeiten durch
Mischen aus zwei Komponenten sind bisher in der Weise vorgenommen worden, daß man
die Regelung von. einem diese Zustandsgröße erfassenden Meßgerät aus steuerte, welches
in eine der zu regelnden oder in die geregelte Flüssigkeit eintaucht. Bei Änderung
des Meßwertes wird dann das Mengenverhältnis beider Komponenten geändert, indem
z. B. die Menge der einen Komponenten mehr oder weniger gedrosselt wird. Bei starken
Änderungen des Durchflusses der strömenden Flüssigkeit wird die Regelung so vorgenommen,
daß bei gleichbleibenden Werten der Zustandsgröße das Mengenverhältnis auf einen
konstanten Wert geregelt und dieses Verhältnis bei Änderung der Zustandsgröße durch
den Meßwert entsprechend verändert wird. Für Regelungen, bei denen an die Genauigkeit
der Dosierung Genauigkeitsansprüche von nur r bis 5 % gestellt werden, bei denen
also z. B. bei Änderung der Menge der einen Komponente die andere mit dieser Genauigkeit
zuzufügen ist, arbeiten die genannten Verfahren befriedigend. Brei solchen Regelungen
jedoch, bei denen die Zustandsgröße starken Änderungen unterworfen und bei denen
die Abweichung vom Sollwert groß ist, kann die die Zustandsgrößte ändernde Stoffmenge
oft nicht mehr mit der erforderlichen Genauigkeit bei den bisher verwendeten Reglern
zugeführt werden. Unmöglich wird eine einigermaßen befriedigende Regelung in der
bekannten Weise, wenn sich die Zustandsgröß,e um mehrere Zehnerpotenzen ändern kann.
Das ist aber besonders dann der Fall, wenn eine logarithmische bzw. exponentielle
Abhängigkeit
zwischen meßbarer und zu messender Größe besteht. .
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So kann man beispielsweise den pH-Wert einer zu regelnden Flüssigkeit
nichtgenügend! genau regeln, wenn bei selbst einigermaßen konstanter Durchfl:ußmen;ge
.der pH-Sollwert der Endlösung von; dem pH-Wert der strömenden Flüssigkeit sich.
üxri mehr als 2 bis 3 Einheiten unterscheidet. Schwankt auch noch die sekundliche
Durchflußmenge, so werden die Verhältnisse noch ungünstiger. Dies liegt nicht nur
daran, daß man die Zusatzflüssigkeit, z. B. bei Neütralisationsvörgängen, sehr konzentriert
gegenüber der- zu messenden Lösung wählen, wird, um die Gesamtflüssigkeits.menge
nur unwesentlich zu vergrößern, sondern vor allem daran, daß bei der pH-Messung
die pH- Empfindlichkeit der Lösung, z: B. mit Annäherung an den Neutralisätionspunkt
bei Zu-gable sehr kleiner Zusatzmengen, außerordentlich groß ist. Das ergibt sich
ohne weiteres aus der logarithmischen Beziehung zwischen p,1-Wert und der Wasserstoffionenkonzentration.
Will man z. B. mit einer Genauigkeit von o; i pi eine Lösung neutralisieren, und
hat die Ausgangslösung einen Abstand vom Neutralpunkt von i pH, so beträgt die erforderliche
Genauigkeit der Dosierung bei gleicher Normalität der Zusatzlösung gegenüber der
zu regelnden Flüssigkeit ro'°/o, bei einem Abstand von 3 pH-Werten 0,11 1/0, bei
einem Abstand' von 5 pjIi sogar o,ooi °/o usw.
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Ist die Normalität der Zusatzlösung größer als die der zufließenden
Flüssigkeit, wie das meistens der Fall ist, so ist eine noch. wesentlich größere
Genauigkeit erforderlich.
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Ein praktisches Bleispiel, wie es in der Technik vorkommt, möge die
aufgezeigten Verhältnisse näher erläutern. Der pH-Wert einer strömenden Flüssigkeit
soll auf 7 mit einer Genauigkeit von ± o, r pi konstant gehalten, werden. Die Ausgangslösung-
habe einen pH-Wert von beispielsweise 3. Die berechnete Menge des: -erforderlichen
Laugenzusatzes möge für eine gegebene Menge iöo 1 betragen. Um eine Genauigkeit
von ± o;i pil einzuhalten, müßte diese Menge mit einer Genauigkeit von ± i o cm3
zugegeben. werden. Sogar ein geeichtes ioo-l-Gefäß hat einen wesentlich höheren
Fehler. Bei selbsttätigen Zügabevorrichtungen kann-man-'höch,stens: mit-einer Genauigkeit
von. 2 bis 3°/o, das ist also in unserem Falle von, 21 bis 3 1, rechnen. Schwankt
nun außerdem noch. der pH-Wert der Ausgangslösung beispielsweise um i pH, so erhöhen
sich die Anforderungen an die Zugabegenaüigkeit nochmals um eine. Zehnerpotenz.
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Die vorliegende schwiergeRegelaufgabe ist auch nicht durch eine andere
bekannte Regeleinrichtung gelöst, die zur selbsttätigen Einregelung eines. strömenden
Mediums in Abhängigkeit von: einer kon-
stant zu haltenden Zustandsgröße dient,
obgleich diese Einrichtung mit einer Hilf s- und einer Hauptregelung arbeitet. Dies
wird sofort klar, wenn man die Arbeitsweisedieser Einrichtung näher betrachtet.
Bei einem vom Sollwert abweichenden Istwert sendet der Istwertgeber :einen Impuls
aus, der eine vorübergehende Verstellung z. B. eines Hilfsventils bewirkt. Wird
dadurch der gewünschte Erfolg nicht erzielt, so wiederholen sich die Impulse, bis
nach Erreichen eines bestimmten Summenwertes der Einzelimpulse ein Hauptventil in
einem Schritt um einen bestimmten festen Betrag verstellt wird. Wird dadurch der
Sollwert noch nicht erreicht, so sendet der Istnvertgeber weitere Impulse aus, bis
beim Erreichen des erforderlichen Summenwertes wieder das Hauptventil in Tätigkeit
tritt, und so fort.
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Aus der beschilderten Arbeitsweise ist zu trsehen, daß der Regler
unruhig arbeitet. Treten beispielsweise in längeren zeitlichen Abständen nur vorübergehende
Abweichungen des Istwertes vom Sollwert auf, die jeweils- durch drei Impulse ganz
ausgeglichen worden sein mögen, so wird dennoch bei der vierten Abweichung das Hauptregelglied
betätigt, falls dazu io Impulse erforderlich sind, obgleich auch diese vierte Abweichung
allein durch 3 Impulse hätte' aus:geregelt werden können, eine Verstellung des Hauptregelgliedes
also gar nicht erforderlich war. Sie ist in dem angenommenen Fall vielmehr geradezu
schädlich, da nunmehr der Regler wieder in gegenläufigem Sinne eingreifen muß.
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Aus vorstehendem erhellt, daß auch ein solcher Regler für den vorliegenden
Zweckungeeignet ist. Erst -durch die Erfindung ist ein Verfahren geschaffen worden,
das den gestellten Anforderungen genügt und durch das die Genauigkeit der Regelung
selbst bei ungünstigsten Bedingungen beliebig weit gesteigert werden kann. Dies
Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß-einem ersten Regelungskreis ein oder mehrere
selbständige Regelungskreise nachgeschaltet sind, deren Zugabevorrichtungen dem
Regelbereich .des jeweiligen Regelungskreises anigepaßt sind, so daß das -durch
den ersten Regelungskreis erhaltene Regelergebnis, d. h. der Grad der Annäherung
des Istwertes an .den Sollwert, in den folgenden Regelungskreisen vorn Kreis zu
Kreis verbessert wird.
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Dieses Verfahren ist jedoch nicht mit einem aus der Temperaturregelung
bekanntgewordenen Verfahren zu verwechseln. Es werden dort zwar ebenfalls zwei voneinander
unabhängige Regelkreise verwendet, doch sind diese im Gegensatz zu der Erfindung
nicht einander nach-, sondern parallel geschaltet. Der eine Regelkreis wird nämlich
von der Oberflächentemperatur, der andere von der Innentemperatur dies auf den Sollwert
zu regelnden Körpers, etwa .einer Schmelze, gesteuert, was einer Parallelschaltung
entspricht. Der Zweck ,dieser Maßnahme ist in einer Beschleunigung der Regelung
und nicht, wie beim Erfindungsgegenstand, in einer Erhöhung der Genauigkeit zu sehen.
Der Erfindung liegt somit auch eine abweichende Aufgäbe zugrunde.
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Es ist .einleuchtend, daß beim Arbeiten nach dem neuen Verfahren all
die geschilderten Schwierigkeiten nicht auftreten und daß sich hier die Genauigkeit
der Regelung durch Erhöhen .der Zahl der Regelkreise bis an die Grenze der Genauigkeit,
mit der die Zustandsgröße gemessen werden kann,
treiben läßt: Man
wird .dann beispielsweise das Zusatzmedium in derii zweiten und in den folgenden
Regelungskreisen den neuen Verhältnissen anpassen, indem man z. B. die Konzentration
des zuzusetzenden Mediums entsprechend herabsetzt, bei der pH-Regelung also eine
verdünntere Lösung zusetzt, damit bei der Mischung eine feinere Anpassung an den
Sollwert erreicht wird, ohne daß die Gesamtmenge zu groß wird. Bei Zumischung von
Gasen zu der Flüssigkeit ist .es zweckmäßig, diese Wirkung durch feinere Abmessungsorgane
herbeizuführen.
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Werden die Regelkreise so eingestellt, daß der Sollwert, vom Zustand
der strömenden Flüssigkeit aus gerechnet, überschritten wird, ist es erforderlich,
als Zusatzmedien zwei im entgegengesetzten Sinne auf die Zustandsgröße einwirkende
Medien zu verwenden, wovon jeweils die eine oder die andere zugesetzt wird, je nachdem,
ob der Wert den Sollwert in dem ersten Regelkreis. noch nicht erreicht oder ihn
überschritten 'hat. Dabei kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung als
ein zuzusetzendes Medium die zu regelnde Flüssigkeit selbst oder bei den folgenden
Kreisen auch eine der bereits vorgeregelten Flüssigkeiten dienen. Wird die Annäherung
an den Sollwert in mehreren Regelkreisen so vorgenommen, daß zunächst nicht auf
den Sollwert, sondern auf einen diesen nur annähernd erreichenden Wert eingestellt
wird, z. B. bei der pH-Regelung statt auf den Sollwert 7 pii zunächst auf 5 pH,
so daß ein Überschreiten des Sollwertes nicht zu befürchten ist, dann ist nur
je ein Zusatzmedium erforderlich.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann in an sich bekannter
Weise der Mengenanteil des Zusatzmediums außer von dem Meßwert der Zustandsgröße
auch von der sekundlichen Durchflußinenge der zu regelnden Flüssigkeit .abhängig
gemacht werden. Dies: 'hat insbesondere dann Bedeutung, wenn die zufließende Flüssigkeit
mengenmäßig starken Schwankungen unterworfen ist.
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Es soll betont werden, daß das Verfahren zur Regelung unabhängig von
dem Aggregatzustand der Zusatzmedien angewandt werden kann und daß deshalb auch
.die Mischung von Flüssigkeiten mit festen Stoffen oder Gasen, z. B. bei der pH-
oder Leitfähigkeitsregelung, von saturierten Zuckersäften usw. erfolgen kann.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele für Regelanlagen,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten, wiedergegeben. In Fig. z ist
mit r eine Leitung bezeichnet, durch die in Pfeilrichtung eine strömende Flüssigkeit
hindurchtritt. In diese Leitung mündet eine Zweigleitung 2, durch die der strömenden
Flüssigkeit das Zusatzmedium zugeführt wird; 3 ist eine die Zustandsgröße erfassende
Sonde, beispielsweise eine Elektrodenanordnung zur Leitfähigkeits:messung, ein pH-Wertmesser
ad. dgl. Der von der Sonde erhalterte Meßwert wirkt auf einen beliebigen, schematisch
dargestellten und' mit q. bezeichneten Regeler ein, der in Abhängigkeit von diesem
Meßwert ein in der Zweigleitung 2 befindliches Ventil 5 verstellt und so das Mengenverhültnis
von strömender Flüssigkeit und Zusatzmedium dem Meßwert der Sonde entsprechend steuert.
Um eine sichere Vermischung der Flüssigkeiten zu erzielen, ist noch ein kührer 6
vorgesehen: Statt dessen kann auch ein Mischbehälter vorgesehen werden.
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Die in diesem ersten Regelkreis erzielte Annäherung des Istwertes
an den Sollwert wird im zweiten. Kreis verbessert. Hier ist wieder eine weitere
Sonde 7 vorgesehen, die über den Regler 8 das in der Zweigleitung 9 liegende Ventil
steuert. Zur innigen Mischung der strömenden Flüssigkeit mit dem aus der Leitung
kommenden Medium ist hier das Endstück der Leitung 9 in der dargestellten. Weise
düsenartig ausgebildet. Ferner ist die Konzentration der Zusatzflüssigkeit in 9
kleiner als die in 2.
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Ist der gewünschte Sollwert noch nicht mit der erforderlichen Genauigkeit
erreicht, so kann in einem oder' mehreren nachfolgenden Kreisen die Annäherung an
ihn weitergetrieben werden, wie es in der Figur angedeutet ist.
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In :der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für den. Fall wiedergegeben,
daß der genaue Sollwert in nur zwei Kreisen erreicht werden muß. In der Leitung
r fließt wieder in Pfeilrichtung die strömende Flüssigkeit, der .durch die Zweigleitung
r r ein auf die Zustandsgröße stark einwirkendes Medium zugesetzt wird. @12 ist
eine die Zustandsgröße erfassende Sonde, beispielsweise ein pH-Wertmesser, der über
den Regler 13 das in der Zweigleitung 1r liegende Ventil 1q. steuert. 1,5
ist wieder ein Rührer.
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Da die Annäherung des Istwertes an den Sollwert sehr weit :getrieben
ist, kann, wie bereits: betont, der Fall eintreten, daß die Flüssigkeit im Bereich
16 einen Istwert aufweist, der den Sollwert schon überschritten hat. Man muß also
die Möglichkeit haben, dieser Flüssigkeit zwei im entgegengesetzten Sinn auf die
Zustandsgröße .einwirkende Medien zuzusetzen. In .diesem Ausführungsbeispiel ist
dies einmal -das Medium, das durch die Leitung 17, :das andere Mal die strömende
Flüssigkeit, die durch die Zweigleitung 18 zufließt. z9 ist wieder eine die Zustandsgröße
erfassende Sonde, die über den Regler 2o die Ventile 21 und z2, die in den Leitungen
17 bzw. 18 liegen, steuert. Ist beispielsweise der Sollwert bei 16 bereits
überschritten, so wird der Regler das Ventil 21 absperren und dafür das Ventil 22
öffnen. Ist der Sollwert dagegen. noch nicht erreicht, so werden die Ventile im
entgegengesetzten Sinn verstellt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitet, ist in Fig. 3 wiedergegeben. Es ist hier angenommen, daß die
durch die Leitung 23 strömende Flüssigkeit bezüglich ihrer Menge starken Schwankungen
unterworfen ist. Es wird daher gemäß der Erfindung zunächst eine an sich bekannte
Mengenregelung vorgenommen, die das Mengenverhältnis von strömender Flüssigkeit
und Zusatzmedium annähernd konstant hält, wobei dieses Mengenverhältnis seinerseits
durch den Meßwert der Zustandsgröße beeinflußt wird. Die Gemischregelung
ist
schematisch durch die beiden Flüssigkeitszähler 2¢ und 25 angedeutet, -die in,der
Leitung 23 und in der das Zusatzmedium führenden Leitung 26 liegen und, die auf
den Regler 27 einwirken. Es kann beispielsweise ein bekannter Differentialgemischregler
oder ein .elektrischer Brückenregler oder ein anderer beliebig wirkender, auch absatzweise
arbeitender bekannter Mengenregler sein. Das Übersetzungsverhältnis dieses Reglers
wird durch den Meßwert, den die Sonde 28 liefert, beeinflußt. Die vom Regler ausgehenden
Impulse steuern ein in der Leitung 26 liegendes Ventil z9.
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Strömende Flüssigkeit und Zusatzmedium vermengen sich irr .diesem
Ausführungsbeispiel in einem Sammelbehälter 30, in dem wieder ein Rührer 31L zur
innigen Vermischung vorgesehen ist und in .dem auch die Sonde 2$ sich- befindet.
Ein Abflußrohr 312 führt dass Flüssigkeitsgemisch in einen weiteren Sammelbehälter
33, in dem wieder. eine Sonde 34 vorgesehen ist und: in. den eine weitere ein. Zusatzmedium
führende Leitung 35 mündet. Die Sonde 34 becinflüßt über einen Regler 36 wieder
das in der Leitung 35 liegende Ventil 37. Das aus dem Sammelbehälter 33 führende
Ableitungsrohr 38. geht, wenn der Sollwert noch nicht genügend genau erreicht ist,
zu einem weiteren Regelkreis.
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Im allgemeinen wird man aber, wenn in dem ersten Kreis eine Verhältnisregelung
der Mengen mit durchgeführt wird, diese auch für die folgenden Kreise mit versehen
und z. B. in die Leitung 35 und das Abflußrohr 32 Flüssigkeitszähler legen, .d'i'e
wie in dem ersten Kreis zur Mengenregelung dienen. Statt des Flüssigkeitszählers
in der Leitung 32 kann aber auch der Zähler 24 in der Leitung 23 oder umgekehrt
.gemeinsam für mehrere oder alle Kreise verwendet werden, indem dieser in an sich
belkannter Weise auf mehrere Verhältnisregeleinrichtungen geschaltet wird. Das geschieht
beispielsweise bei elektrischer Verhältnisregelung in Brückenschaltung dadurch,
.daß durch den Mengenregler an einer der Häüptflußleitungen mehrere Widerstände
!gleichzeitig verstellt werden, die jeder für sich in den .entsprechenden Brückenanordnungen
liegen, in die ,dann jeweilig die Meßwerte der Sonden eingreifen. Ähnlich kann man
bei mnechanischenRegeleinrichtungen; z. B. einem Differentialgemischregler, die
Anordnung treffen oder bei Einrichtungen, bei denen. die Zusatzflüssigkeit absatzweise
zugegeben wird, wobei deren Menge von dem Meßwert verstellt wird oder wobei an einen
Hauptzähler mehrere Impulssummationsmelais mit Beeinflussung,durch den. Meßwert
der Sondre angeschlossen werden: In den angeführten Beispielen sind für jeden M.eßwert
der Sonden. in den verschiedenen Kreisen gesonderte Regler vorgesehen. Man kann
nun, eine. erhebliche Zahl von Reglern einsparen, wenn man für mehrere oder alle
Kreise einen gemeinsamen Regler verwendet, der zeitlich hintereinander auf die einzelnenKreise
geschaltet wird. Bei gleichzeitiger Anwendung der Mengenregelung kann gußerdem auch
noch ein gemeinsamer Regler für die Übertragung der Regelimpulse auf die Regelanordnung
verwendet werden,' der zugleich auf die einzelnen Kreise eingeschaltet wird. Während
der Zeit, während der der betreffende Kreis nicht an den Regler angeschlossen ist,
werden die Ventile an der Gemischstelle durch bekannte mechanische oder elektrische
Vorrichtungen, die ebenfalls von der Umschalteeinrichtung mit betätigt werden, in
ihrer Stellung festgehalten.
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Regelt man in den verschiedenen Kreisen nicht auf den Sollwert, sondern
auf Werte, die von Kreis zu Kreis dem Sollwert näher liegen, so läßt sich die Umschaltung
ebenfalls durchführen, wenn. man gleichzeitig -durch bekannte Mittel, z. B. Verstellung
eines Kompensations- bzw. Brückenwiderstandes im Meßkreis eines. pH-Wertes, .eine
derartige Verschiebung des Reglers herbeiführt, daß er z: B. bei gleichbleibender
Stellung des Zeigers bzw. Rotentiometerwiderstandes bei elektrischen Regelungen
den- Wert des jeweiligen zu regelnden. Kreises einregelt.
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Als Meßorgane kännen je nach der zu regelnden Zustandsgröße alle bekannten,
diese erfassenden Meßgeräte verwendet werden, bei Leitfähigkeits-und Salzgehaltsmessungen
Elektrodenanordnungen, bei pH- und anderen elektrometrischen Messungen galvanische
Elemente usw.
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Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, daß die Regelung auf den
Endwert sowohl von der Zustandsgrößen der geregelten Mischungen als auch von denen
der zuströmenden Flüssigkeit aus je nach Odem speziellen Amvendungsfall ausgehen
kann. Auch ist .es nicht erforderlich, däß die Zustandsgröße in allen Stufen nach
der gleichen Methode bestimmt wird. So kann z. B. bei pH-Wertregelung in der einen
Stufe der pH-Wert elektrometrisch, in einer anderenStufekolorimetrischbestimmtwerden.