DK157951B - Fremgangsmaade til styring af koncentrationen af en gas i en vaeske - Google Patents

Description

i

DK 157951 B

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde.til overvågning af koncentrationen af en gas i en væske.

Opfindelsen er særlig egnet til måling og styring af indholdet af opløst gas, såsom carbondioxid og oxygen, 5 i øl eller andre forgærede drikke. Indholdet af CO^ i øl eller tilsvarende drikkevarer er betydningsfuld, fordi øllets kvalitet i nogen grad er bestemt af C^-indholdet, der varierer efter emballering af øllet.

F.eks. kræver øl på dåser eller flasker et højere CO2-10 indhold end fadøl, der er bestemt til aftapning fra fade.

Endvidere er den skadelige virkning af opløst oxygen på holdbarheden af dåse- eller flaskeøl et af de permanente problemer, som bryggeriindustrien er udsat for.

15 Oxygenindholdet i øl er sædvanligvis på det laveste niveau umiddelbart efter fermenteringen, idet koncentrationen på dette stadium i almindelighed ligger på ca. 500 dele pr. milliard. Denne værdi stiger sædvanligvis under den normale procedure, såsom omstikning, 20 tilsætning af pulveriseret filtermateriale, der er iblan det vandværksvand, og opbevaring i tanke, som er underkastet lufttryk, og stigningen forløber ofte til værdier, der næppe er acceptable, i afhængighed af om produktet er bestemt for lagring eller henstand i lang eller kort 25 tid. Koncentrationen kan også stige dramatisk til helt uacceptable niveauer som følge af fejlproduktioner, såsom ved utætte sugepumper, hvorved der kan suges store mængder luft ind, eller sammenbrud af udluftningsanlæg for væske i forbindelse med blandingsoperationer.

30 Der kendes systemer til måling af gasindholdet i øl, men de omfatter anvendelsen af gasanalyseapparater, som måler rumfangskoncentrationen af CO2 og oxygen i DK 157951 8 2 en prøve af øllet.

Sådanne systemer er temmelig upraktiske, fordi en forsinkelse nødvendigvis forekommer fra det tidspunkt, prøven udtages, til tidspunktet for at analyseresul-5 taterne foreligger, således at en passende indstilling af den mængde C0^f som skal bruges til korrektion af overskud af oxygen, mangler. Endvidere er gasanalyse-apparater kostbare anlæg, og det er ikke praktisk at forsyne hver produktionsenhed i et stort flaskefylde-10 anlæg med egne analyseapparater, således at der kan opstå en yderligere forsinkelse, før koncentrationen kan reguleres.

I EP-A1-43 229 er beskrevet en fremgangsmåde og et apparat til måling af indholdet af en enkelt gas, nemlig 15 CO,,, i øl og til at kontrollere mængden af indført gas som en funktion af måleresultatet. GB-A 1 494 441 angår en fremgangsmåde til detektering af opløst carbondioxid ved at lade carbondioxidet diffundere gennem en membran i et meget kort tidsrum. Ingen af disse metoder giver 20 anvisning på at løse problemet med at måle tilstede værelsen af en anden gas, der har en høj diffusionshastighed.

Den foreliggende opfindelse har til formål at overvinde eller mindske ulemperne og besværet med hidtil kendte 25 systemer samt at tilvejebringe forholdsvis økonomiske midler til styring af koncentrationen af oxygen i øl.

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til overvågning af gaskoncentrationen i en væske, hvilken fremgangsmåde er af den i kravets indledning angivne art. Fremgangs-30 måden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved det i kra vets kendetegnende delangivne.

DK 157951 B

3

Opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere ved hjælp af nogle eksempler og under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en skematisk udførelsesform af et apparat, 5 som egner sig til gennemførelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, fig. 2 er et tværsnit af en typisk trykmåleanordning af apparatet i fig. 1, tilsluttet et rør, fig. 3 viser den i fig. 2 illustrerede anordning, set 10 fra oven, og fig. 4 er et billede, set fra siden og delvis i snit af en forbedret udførelsesform for trykmåleanordningen til apparatet i fig. 1.

På tegningen er vist et apparat, som består af en tryk-15 måleanordning 10 i form af et hus 11, tilsluttet et rør 12, hvorigennem strømmer den væske, der skal måles.

Huset 11 bærer en semipermeabel membran i form af et diafragma 13 af silicon-elastomer. Membranmaterialet er i dette tilfælde en silicon-elastomer, som har en 20 permeationsfaktor over for CO2 på tilnærmelsesvis 28000 (enhederne er CC(STP)/cm^/MM/SEC/CM); materialet med den næst højeste faktor er kautsjuk, men faktoren er kun på 13000 til 14000. For at forhindre uhensigtsmæssig udspiling af diafragmaet 13 kan der mellem dette 25 og et låg eller dæksel 15 indsættes en for gas porøs støtteplade 14. Dækslet 15 definerer et kammer 16, hvori gassen fra den gennem røret 12 strømmende væske dif-funderer. Trykket i kammeret vil således være typisk for koncentrationen af gassen i væsken. Efterhånden 30 som koncentrationen af gassen forøges, vil partialtrykket af gassen i væsken stige, og mere gas vil diffun-

DK 157951 B

4 dere ind i kammeret 16, hvilket vil bevirke en forøgelse af trykket i kammeret. Efterhånden som koncentrationen af gassen formindskes, vil partialtrykket ligeledes formindskes, og gassen diffundere ud af kammeret ind 5 i væsken, og derved forårsage en formindskelse af tryk ket i kammeret. Trykket i kammeret 16 måles ved hjælp af en tryk-transducer 17, hvorved trykket overføres i et elektrisk signal (p) til en styre og viser-enhed 18. Et elektrisk signal (t), som repræsenterer en tem-10 peratur, stammer fra en temperatur føler 19 og ledes til styreenheden 18. Tryksignalet (p) korrigeres for temperatur, og værdien for gaskoncentrationen i væsken evalueres og udlæses. Fortrinsvis sammenlignes gaskoncentrationen med en forud fastsat værdi, og der skabes 15 et styresignal (c).

Hvis koncentrationen af gassen falder udenfor de forud fastsatte ønskede grænser, gennemføres en passende indstillig af gas-indblæsningssystemet 20. En sådan indstilling udføres automatisk ved hjælp af en indblæs-20 nings-styreenhed 20, der modtager styresignalet (c) fra styreenhedsanordningen 18.

Som følge af en strøm af gas gennem diafragmaet 13 ind og ud af kammeret 16 opretholdes ligevægt mellem gastrykket i kammeret 16 og partialtrykket af gassen i 25 væsken, hvilket partialtryk er et mål for gaskoncentra tionen i væsken.

For at undgå unøjagtige målinger bliver kammeret 16 evakueret ved starten ved hjælp af en vacuumpumpe 31 gennem en med en solenoide dreven udlufningsventil 30, 30 tilsluttet dækselet 15. I stedet kan gas, f.eks. C^, fra et reservoir indførés i kammeret 16 ved passende - drift af ventilen 30 og solenoide-styrede hjælpeventiler 34 og 35.

Silicon-elastomer er meget selektiv, men ikke udeluk-

DK 157951 B

5 kende gennemtrængelig for CC^. De andre to mest almindelige gasser, som findes i øl, og de eneste som findes i større mængde, er oxygen og nitrogen. Det har vist sig, at den selektive hastighed for diffu-5 sionen mellem disse gasser er 30/5/1 for C02/oxygen/ nitrogen. De relative mængder af C02* oxygen og nitrogen i øl, koblet med disse diffusionshastigheder ville ved første øjekast gøre metoden uegnet. Imidlertid er det tryk, som en opløst gas udøver i enhver væske, 10 omvendt proportional med opløseligheden i væsken. En mættet opløsning af luft og vand ved atmosfærisk tryk udøver et tryk på 101,4 kPa, hvilket sker, i afhængighed af temperaturen, ved oxygenkoncentrationer mellem 10 000 og 14 000 dele pr. milliard, hvilket 15 betyder, at der selv ved de forholdsvis lave koncentrationer af oxygen, som findes i øl, opstår en betydelig fejl ved måling af koncentrationen af CO2.

Som følge af de forskellige diffusionshastigheder mellem oxygen og CO2 på tilnærmelsesvis 1 til 6 er 20 det muligt at opretholde nøjagtigheden af C^-målingen ved periodisk at nulstille eller udlufte målecellen, hvilken operation gennemføres tilnærmelsesvis for hver 60 sekunder og derfor ikke forårsager nogen væsentlig afbrydelse af anlægget, og indblæsnings-25 hastigheden opretholdes på samme niveau som forud for udluftningsperioden. Udluftningsperioder påbegyndes normalt med 15 minutters intervaller, hvilke intervaller vælges fordi øl med omkring 1 500 PPB oxygen efter 15 minutter i afhængighed af temperaturen ville 30 forårsage en positiv fejl på 0,1 volumen for CO2-målingen. Effekten heraf i modtagetanken vil være, at koncentrationen af CO2 ville blive 0,05 rumfang over den ønskede værdi for instrumentet. For højere koncentrationer er opløst oxygen eller for større 35 nøjagtighed ville hyppigere udluftning være nødvendig.

Trykket i målecellen, umiddelbart forud for den første

DK 157951 B

6 udluftningscyklus, er CC^-trykket plus oxygentrykket, og er umiddelbart derefter i hovedsagen det samme som CO^-trykket på grund af permeationshastighedsforskellene. Forskellene er derfor et mål for opløst oxygen, som 5 nu kan udlæses som en virkelig måleværdi i de valgte enheder, og yderligere målinger af CC^-koncentrationen kan udlæses med langt større nøjagtighed på basis af dette kendskab. Diffusionen af nitrogen, hvor forskellen i diffusionshastigheden for CO^ er fra 1 til 30, kan 10 uden fejl ignoreres, måske bortset fra det tilfælde, hvor øl med ophobning af nitrogen ikke er målt på tidspunktet for udlæsningen. Hvis oxygenkoncentrationen er steget til nær mæthedspunktet, kræves ikke særlige forholdsregler for at bestemme betingelserne, fordi 15 den tilsyneladende C02-koncentration stiger til en let målelig og usandsynlig værdi.

Instrumentet kan derfor forhindre, at der aftappes en stor mængde øl efter et ikke opdaget sammenbrud, f.eks. i et anlæg til afluftning af væske, som føres til blan-20 dingsstedet.

Med henvisning til fig. 4 er der illustreret en forbedret udførelsesform for apparatet ifølge opfindelsen.

Der ses en trykanordning 100 som har en bundplade 110 med en cirkulær åbning 111 til indføring af et hovedlegeme 25 150. Dette fastholdes i åbningen 111 ved hjælp af skruer 113. Den opståede cylindriske kombination er vist fastgjort til et forgreningsrør 120 ved hjælp af en omløber eller ringformet møtrik 121, der er skruet fast på røret 120 ved hjælp af gevind 122. Der er indsat en egnet 30 pakning 123, og røret 120 står i forbindelse med et hovedrør, gennem hvilket væsken strømmer og måles.

DK 157951 B

7

En semipermeabel membran i form af et diafragma 130 af silicon-elastomer fastholdes mellem den perifere kant af den nedre flade af legemet 150 og en cirkulær reces eller rille 114 i huset 110.

5 På denne måde er defineret et kammer 160 mellem den nedre flade af legemet og den øvre flade af diafragmaet 130. Et trådnet 140 i kammeret 160 er anbragt mellem disse to flader og tjener til at undgå en deformering af dette diafragma.

10 Den anvendte diafragma er således understøttet, at det kan modstå høje tryk og tillade fri adgang for den diffunderede gas ind i det lukkede kammer, således at det målte tryk svarer til ligevægtstrykket.

Dette opnås ved anvendelse af det fine trådnet af 15 rustfrit stål, der sidder bag membranen og er tætnet med den i forbindelse hermed istøbte 0-ring. Det er vigtigt, at rumfanget af det lukkede kammer holdes på et absolut praktisk minimum, hvilket kræver en meget fin tolerance af de nævnte dele, samt at der 20 benyttes en trykføler af egnet type med et yderst lille død-rumfang, hvilket kan opnås med en føler, der har et Piezo-element. Membran-støtteelementet er konstrueret af rustfrit stål og således udformet, at det kan passe ind i et T-stykkemed afkortede ben, 25 og det hele fastholdes af en omløber. Benet af T-et skal være kort, ikke blot af hygiejniske grunde, men for at opnå kort respons-tid, fordi opløst €0^ i et standard-T ikke nødvendigvis er karakteristisk for øllet i hovedstrømmen.

30 Hovedlegemet 150 er udstyret med en første gennem-. gående dyse 151, hvori der er indført en tryk-transducer 170, som står i forbindelse med kammeret 160 over en sintret bronze-indsats 141. Et tryk-afhængigt signal fra transduceren 170 fører til en 35 styreenhed gennem ledningen 171 til en kontakt 180.

DK 157951 B

8

Ed anden gennemgående dyse 152 tjener til at forbinde kammeret 160 med den ene åbning af en med en solenoide styret ventil 300. Ventilen 300 virker ved hjælp af ledningen 310, forbundet til kontakten 180. Den 5 anden åbning af ventilen 300 forbinder sideåbninger 153, som er boret i huset 150, der på sin side forbinder røret 190. Dette rør 190 er forbundet med en vacuumpumpe og en tilførselsgas, f.eks. hvorved kammeret 160 kan evakueres, afluftes til atmosfæren 10 eller forsynes med gas for at forøge nøjagtigheden af apparatets måling.

For at beskytte transduceren 170 er ventilen 300 og røret 190 udstyret med en hul cylindrisk kappe 200, understøttet af søjler 210, der er fastgjort til bundpladen 150.

15 Den i fig. 4 viste anordning virker på følgende måde.

Når væsken strømmer fra hovedrøret til forgrenings-røret 120, vil den i væsken indeholdte gas diffundere gennem diafragmaet 130 ind- og ud af kammeret 160.

20 Efterhånden som koncentrationen af gassen i væsken ændrer sig, vil partieltrykket for gassen i væsken forandres proportionalt. Denne forandring resulterer i en trykdifference tværs over diafragmaet 160, og gassen strømmer ind- eller ud af kammeret, indtil der 25 er opnået ligevægt. Således vil trykket i kammeret, som bestemt af transduceren 170, være et mål for koncentrationen af gassen i væsken.

Hidtil har man foretaget målinger baseret på diffusions-hastigheden, hvilket har været en relativ måling. Med 30 apparatet ifølge den foreliggende opfindelsen vil diffusionshastigheden kun påvirke respons-tiden, og da trykket af de opløste gasser altid nærmer sig ligevægten, vil instrumentet give en absolut måling af trykket af de opløste gasser.

DK 157951 B

9

Signalet fra transduceren 170 kan således anvendes til styring af mængden af indblæst gas i væsken, og derfor kan der opnås et ønsket niveau for koncentrationen.

Den omhandlede fremgangsmåde egner sig derfor til s t y -5 ring af koncentration af gas i en væske. Det ved fremgangsmåden benyttede apparat kan være direkte indbygget i procesanlægget til måling af gas i væsken.

Det ved hjælp af transduceren målte tryk er ligevægtstrykket for den i væsken opløste gas, og 10 temperaturen måles ved hjælp af et modstandstermometer, og disse to parametre føres ind i en mikrocomputer, som beregner den totale mængde opløste gas i rumfang/rumfang.

Solenoide-ventilen 300, som er indbygget i måle-15 hovedet, gør det muligt at forbinde det lukkede kammer til en vacuum-udluftningsenhed. Hovedfunktionen af denne enhed er at udlufte cellen ved starten og fjerne eventuel tilstedeværende luft, som ville give fejludlæsning. Computeren udvirker også 20 de grundliggende styre-algorytmer, proportionalt og integralt, og producerer et korrektivt analogt udlæsningssignal, der modulerer indsprøjtningshastigheden for CO2 til opnåelse af den ønskede værdi, som er fastlagt ved indstilling af drejeknapper på frontpa^ 25 nelet.

Opfindelsen kan modificeres på forskellige måder.

F.eks. kan der benyttes to måleceller, hvilket tillader kontinuerlig styring af oxygen i modsætning til periodisk alarmsignal. Selv om instrumentet 30 hovedsageligt, er bestemt til anvendelse i bryggeri-' industrien, kan den også benyttes til andre kulsyreholdige drikke.

Claims (1)

1. DK 157951 B Fremgangsmåde til overvågning af gaskoncentrationen i en væske, hvorved væsken føres over en semipermeabel membran, så den i væsken indeholdte gas kan diffundere 5 gennem membranen og ind i et kammer, omfattende føl gende trin: at man måler trykket i nævnte kammer efter en forud bestemt første periode til opnåelse af en første tryk-aflæsning, idet den nævnte første periode er således 10 valgt, at gassen kan diffundere gennem membranen, indtil der er opnået trykligevægt for gassen på begge sider af membranen, og at man evakuerer nævnte kammer, kendetegnet ved, at man regulerer koncentrationen af en første gas 15 og en anden gas, hvilken første gas har en højere perme abilitet gennem membranen end den anden gas, hvorved den nævnte første periode er således afpasset, at den første gas og den anden gas kan diffundere gennem membranen, indtil der er opnået ligevægtstryk for begge 20 gasser, at man måler trykket i kammeret efter en anden, , forholdsvis kortere periode, som er tilstrækkelig til indstilling af ligevægt alene for den første gas, og at man subtraherer den anden trykaflæsning fra den første trykaflæsning til opnåelse af en måleværdi, der 25 angiver koncentrationen af den nævnte anden gas i væsken.