DK149870B - Fremgangsmaade til koncentrationsmaaling i et medium - Google Patents

Description

149870

Kontinuert regulering af koncentrationer er indenfor industrien meget ofte baseret på forskellige indirekte målemetoder, såsom vægtfylde, refraktivt index, kogepunktsforhøjelse, elektrisk ledningsevne, viskositet, absorption af lys eller absorption af radioaktiv stråling.

5 Hver af disse målemetoder har sine fordele og sine begrænsninger.

Ved måling af den for krystallisationstilstanden nødvendige koncentration i vakuumapparater til krystallisation af sukker har følgende målemetoder været i praktisk anvendelse: 1. Elektrisk ledningsevne: Denne målemetode har vist sig 10 praktisk og særdeles anvendelig for produkter med et saltindhold på over %% af samlet tørstofindhold, såfremt dette saltindhold ikke varierer væsentligt med tiden. Målingen er baseret pi ledningsevnen af den sirup, der omslutter krystallerne, men påvirkes til en vis grad også af krystalprocenten i krystal-væskeblandingen. Dette har i praksis 15 vist sig at være særdeles tilfredsstillende til nævnte formål. Målemetoden svigter imidlertid ved lave og ved varierende saltindhold.

2. Kogepunktsforhøjelse og refraktivt index: Denne måling er udelukkende afhængig af modersiruppens koncentration.

Da det med slutningen af en krystallisation, hvor modersi-20 ruppen udgør en mættet eller kun svagt overmættet sukkeropløsning, der næsten ikke skifter koncentration, er nødvendigt at anvende en målemetode, der også afhænger af krystalprocenten, kan disse målemetoder ikke anvendes til gennemførelse af hele krystallisationsprocessen.

3. Viskositet (konsistens) måling: Denne målemetode anven-25 des i dag med held til styring af krystallisationsprocessen. Det anvendte apparatur er imidlertid kompliceret, og målemetoden er i noget højere grad end ønskeligt afhængig af krystalprocenten.

Øvrige målemetoder anvendes normalt ikke til krystallisationsprocessen på grund af praktiske vanskeligheder.

30 Det er kendt, at dielektricitetskonstanten af mange flydende medier varierer med mediets koncentration, og at impedansen af en i et sådant medium anbragt antenne afhænger af dielektricitetskonstanten. Disse kendsgerninger har man udnyttet i forskellige metoder til måling af mediets vandindhold. Således er der i det amerikanske pa-35 tentskrift nr. 3.612.996 beskrevet en målemetode, der beror på mikrobølgeresonans i et til formålet særligt udformet hulrum og fra det amerikanske patentskrift nr. 3.684.952 kendes der en fremgangsmåde, som beror på den af en i en væske neddykket antenne forårsagede ændring af resonansfrekvensen af en oscillator.

149870 2

Opfindelsen går ud på at tilvejebringe en fremgangsmåde, der ligeledes beror på et mediums dielektricitetskonstant og dennes indvirkning på impedansen af en antenne, men som ikke er afhængig af resonansfænomener og derfor lettere lader sig installere til mange anven-5 deiser, navnlig i forbindelse med standardudstyr til forarbejdning af medier, hvis koncentration skal overvåges og reguleres under forarbejdningen.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at elektriske svingninger med konstant effekt og konstant frekvens fra en 10 kilde for sådanne svingninger påtrykkes en antenne, der er anbragt i en beholder for mediet indenfor afgrænsningen af et deri dannet, med medium fyldt Faraday's bur, og at den ved manglende tilpasning mellem antennens og kildens impedanser fra antennen reflekterede effekt måles, hvorhos der benyttes svingninger af så høj frekvens, at medi-15 ets elektriske ledningsevne er uden væsentlig indflydelse på måleresultatet. Som det vil ses, beror denne fremgangsmåde ikke på resonansfænomener, men på en måling af en tilpasning af impedanser. På grund af anbringelsen af antennen indenfor afgrænsningen af et med medium fyldt Faraday's bur er endvidere den egentlige forplantning af bølger 20 i mediet af mindre betydning, og de mekaniske dimensioner af forar-bejdningsapparatet har derfor ringe indflydelse på målingen. Tilpasningen af det til udførelse af fremgangsmåden anvendte apparat tii standardudstyr til forarbejdning af flydende medier er derfor simpel.

En særlig vigtig anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfin-25 delsen er til automatisk programstyret regulering af en sukkerkrystal -lisationsproces. Man har fundet, at ved anvendelse af denne fremgangsmåde til overvågning og regulering af koncentrationen i et vakuumapparat til krystallisation af sukker udgør den fundne koncentration s værdi en hensigtsmæssig afvejning mellem koncentrationen af siruppen og ' 30 krysta I procenten, så at fremgangsmåden kan benyttes under hele forløbet af krystallisationen helt til afslutningen af denne.

Opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 skematisk viser et kogeapparat til anvendelse ved 35 krystallisation af sukker med påbygget og tilslut tet udstyr til udførelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen og fig. 2 et diagram til illustration af målingen ved forløbet af en krystallisationsproces af sukker.

149870 3

En generator A til frembringelse af elektriske svingninger i radiofrekvensområdet er gennem et impedanstilpasningsled B tilsluttet en antenne C.

Antennen C er placeret inde i det medium M, hvis egenskaber 5 skal miles, helt omsluttet af det apparat K, i hvilket krystallisationen sker.

En retningsbestemt effektmåler D med tilhørende instrument E er indskudt i signalledningen mellem generatoren A og impedanstilpasningsleddet B.

10 Det er kendt fra almen elektrisk kredsløbsteori, at den størst mulige elektriske effekt afsættes i en belastning, når belastningsimpedansen er lig generatorimpedansen (impedanstilpasning).

Det samme gælder ved udstråling af elektrisk effekt fra en antenne, den størst mulige effekt fra signalgeneratoren afgives til an-15 tennen ved impedanstilpasning mellem antenne og generator.

Da en antennes impedans afhænger af antennens udformning og omgivelser, er det nødvendigt at foretage en impedanstransformering mellem en aktuel antenne og en generator for derved at opnå størst mulig effektafgivelse til antennen. Denne impedanstransformering 20 er kendt teknisk i elektrisk kredsløbsteori.

Udformningen af en impedanstransformering (impedanstilpasning) er forskellig afhængigt af ved hvilken frekvens man arbejder (elektrisk filterteori).

Såfremt en impedanstilpasning ikke opnås, vil en del af den 25 fra generatoren udsendte effekt blive reflekteret fra belastningen tilbage mod generatoren.

Dette udtrykkes ved formlen:

ZG“ZB

Pr = PG · -

30 ZG ♦ ZB

hvor PG = effekten udsendt fra generator,

Pr = effekten reflekteret fra belastning, ZG = generatorens impedans,

Zg = belastningens impedans.

35 Af udtrykket ses, at den reflekterede effekt Pr = 0 for ZG=Zg, samt at en ændring af Zg vil medføre en ændring af Pr.

Specielt ses, at Pr = Pg, såfremt Zg = 0 (kortslutning) eller Zg = » (tomgang).

149870 4

Da en givet antennes impedans er afhængig af dens omgivet* ser og det omgivende medies dielektricitetskonstant, ses, at en ændring i det omgivende medies dielektricitetskonstant vil give sig udtryk i en ændring af den reflekterede effekt.

5 Ved at foretage en passende afstemning ved en aktuel fast holdt frekvens kan det nu opnås, at størrelsen | Zq - Zg|= 0 ved en bestemt mediedielektricitetskonstant, hvorefter enhver ændring i dielektricitetskonstanten til gøre størrelsen |zG - Ζβ| Φ 0.

Fra litteraturen er det kendt, at et sammensat medies dielek-10 tricitetskonstant ε kan udtrykkes ved en additiv funktion af de indgående komponenters dielektricitetskonstanter og ε^, o.s.v.

ε = ♦ Φ-j + * ^2 hvor og Φ£ er komponenternes rumfangskoncentration. I det i et sukkerkrystallisationsapparat forhåndenværende medium vil måleværdi-15 en for dielektricitetskonstanten derfor udgøre en additiv funktion af dielektricitetskonstanterne af vand, opløst sukker og krystalliseret sukker.

Målingen foretages bedst på en af følgende måder: 1) Tilpasningsleddet B afstemmes ved en karakteristisk kry-20 stallisationstilstand (koncentration) til et minimum af re tureffekt fra antennen C. En ændring i krystallisations-tilstanden, der er ensbetydende med en ændring af antennens impedans, vil herefter kunne registreres som en ændring i størrelsen af retureffekten fra antennen.

25 2) Målingen foretages som i det ovenfor beskrevne tilfælde, men i stedet for at afstemme tilpasningen B ved en enkelt krystallisationstilstand foretages kontinuert en afstemning af leddet B ved de forskellige krystallisationstilstande, idet stillingen af tilpasningsleddet anven-30 des som mål for koncentrationen og dermed for krystal lisationstilstanden.

For at de beskrevne målemetoder skal fungere effektivt, er det nødvendigt, at antennen er placeret således, at de omgivende beholdervægge udgør et effektivt og ensartet Faraday-bur og sådan, at 35 dette er fyldt med medium. Dette er tilfældet ved placering af antennen i bunden af vakuumapparater til krystallisation af sukker, hvor den ovenover beliggende rørhedeflade, dampkammeret, giver den nødvendige skærmning, også mod varierende medieniveau.

5 149870

Til målingen kan principielt anvendes enhver frekvens i radiobølgeområdet og med mindre modifikationer også frekvenser i mikrobølgeområdet. Jo højere frekvens der anvendes, desto mere uafhængig bliver målingen af saltindholdet i mediet. Som bedst egnet frekvensom-5 råde anses ca. 30 MHz - ca. 1 GHz.

Til praktisk anvendelse ved sukkerkrystallisationsprocesser har frekvenser i VHF området vist sig velegnede.

Fig. 2 viser et eksempel på målingen optaget under forløbet af en krystallisationsproces af sukker. Kurven A viser en retningsbe-10 stemt måling af den reflekterede effekt optaget med et wattmeter monteret som D,E på fig. 1. Kurven B viser den tilhørende traditionelle ledningsevnemåling.

Målingen anvendes til regulering af tilførslen af ny sukkersaft under hele krystal I isationsprocessens forløb. Krystallisationspro-15 cessen startes med indtræk af en mængde undermættet sirup (punkt 1); denne sirup inddampes til en vis overmætning. Ved punkt 2 tilsættes podemateriale i form af en afmålt mængde sukkerstøv eller sukker-støvsuspension, hvorefter processen programstyres automatisk, indtil krystallisationsapparatet er fyldt op. Det er ved forsøg konstateret, at 20 denne regulering og programstyring kan foretages automatisk efter begge målemetoder, men medens ledningsevnen, kurve B, parallelforskydes kraftigt ved svingende saltindhold, sker der kun betydningsløse ændringer af kurve A, højfrekvensmålingen. Den afbildede kurve A er optaget ved en frekvens på ca. 150 MHz og en generatoreffekt 25 på ca. 8 watt.

Den beskrevne anvendelse af målingen til automatisk programstyret regulering af en sukkerkrystallisationsproces anses for en særligt vigtig anvendelse af opfindelsen, men målemetoden kan desuden anvendes til måling af koncentrationerne i forskellige andre medier, 30 hvor dielektricitetskonstanten ændres med koncentrationen, f.eks. suspensioner og sukkersirupper.

Målingen kan om fornødent temperaturkompenseres.

35