DE2755774A1

DE2755774A1 - Verfahren zur messung der konzentration eines fliessfaehigen mediums

Info

Publication number: DE2755774A1
Application number: DE19772755774
Authority: DE
Inventors: Rud Frik Madsen; Guenther Moeller; Peter Vestergaard
Original assignee: Danske Sukkerfabrikker AS
Current assignee: Danske Sukkerfabrikker AS
Priority date: 1976-12-30
Filing date: 1977-12-14
Publication date: 1978-07-06
Also published as: SE434999B; DK149870B; PL203541A1; IT1089737B; DD133367A5; YU315977A; JPS5387794A; US4196385A; IE46212L; NL186114B; BR7708722A; PL111804B1; FR2376411B1; AR216664A1; DE2755774C2; IE46212B1; AT377096B; YU43205B; ATA894977A; ES465505A1

Description

. ^jUer*·' ,....,„, ■ 14.Dezember 1977

Aktieselskabet De Danske Sukkerfabrikker, Langebrogade 5, DK-Kopenhagen K,

Dänemark.

Verfahren zur Messung der Konzentration eines fliessfähigen Mediums.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Konzentration eines fliessfähigen Mediums, wie einer Flüssigkeit, einer Emulsion, einer Suspension oder einer Aufschlämmung, insbesondere eines solchen, das als wesentlichen Bestandteil Wasser enthält.

In vielen Industrien ist es wünschenswert, während der Verarbeitung eines fliessfähigen Mediums dessen Konzentration kontinuierlich überwachen und regeln zu können. Eine solche kontinuierliche überwachung und Regelung erfolgt heutzutage häufig auf Grund verschiedener mittelbarer Messungen, wie Messung von spezifischem Gewicht, Refraktionsindex, Siedepunktserhohung, elektrischer Leitfähigkeit, Viskosität, Absorption von Licht oder von radioaktiver Strahlung. Jede dieser Messmethoden hat ihre Vorteile und ihre Begrenzungen.

Bei der Messung der für den Kristallisationzustand erforderlichen Konzentration in Vakuumvorrichtungen für die Kristallisation von Zucker haben die folgenden Messmethoden praktische Verwendung gefunden.

1. Elektrische Leitfähigkeit: Diese Messmethode wurde für Erzeugnisse mit einem Salzinhalt von über 1/2 1 des gesamten Trockenstoffinhaltes praktisch und gut verwendbar gefunden. Die Messung ist auf

809827S0684

der Leitfähigkeit des die Kristalle umschliessenden Sirups basiert, wird jedoch auch in einem gewissen Umfang vom Kristallprozent in der Kristall-Flüssigkeitsmischung beeinflusst. Dies wurde für den genannten Zweck sehr befriedigend gefunden. Die Messmethode versagt indessen bei niedrigem oder schwankendem Salz inhalt.

3. Siedepunktserhöhung und Refraktionsindex: Diese Messung hängt ausschliesslich von der Konzentration des Muttersirups ab. Da es gegen Ende einer Kristallisation, wo der Muttersirup eine gesättigte oder nur leicht übersättigte Zuckerlösung bildet, deren Konzentration sich praktisch nicht mehr ändert, notwendig ist, eine Messmethode zu verwenden, die auch vom Kristallprozent abhängt, können diese Messmethoden nicht für die gesarate Durchführung des Kristallisierungsverfahrens verwendet werden.

3. Viskositäts-(Konsistenz-)messung: Diese Messmethode wird heute mit Erfolg für die Steuerung des Kristallisationsvorganges benutzt. Die verwendete Apparatur ist indessen recht kompliziert, und die Methode ist etwas abhängiger vom Kristallprozent als wünschenswert.

Die anderen obengenannten Messmethoden werden im allgemeinen wegen praktischer Schwierigkeiten nicht für das Kristallisationsverfahren benutzt.

Es ist bekannt, dass die Dielektrizitätskonstante von vielen fliessfähigen Medien mit der Konzentration des Mediums variiert, und dass die Impedanz einer in einem solchen Medium angebrachten Antenne von der Dielektrizitätskonstante des Mediums abhängt. Diese Tatsachen wurden in verschiedenen Methoden für die Messung des Wasserinhaltes von Medien ausgewertet. So ist in der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 612 996 ein Messverfahren beschrieben, das auf Mikrowellenresonanz in einem fur den Zweck besonders ausgebildeten Hohlraum beruht, und aus der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 684 952 ist ein Verfahren bekannt, dass auf der von einer in eine Flüssigkeit eingetauchten Antenne verursachten Änderung der Resonanzfrequenz eines Oszillators beruht.

Das erf indiinp.sgemässe Verfahren bezweckt, ein Messverfahren mit dazugehöriger Vorrichtung zu schaffen, das ebenfalls auf der Dielektrizitätskonstante eines Mediums und deren Einwirkung auf die Impedanz einer Antenne beruht, das aber nicht von Resonanzphänomenen abhangig ist und sich deshalb lür viele Verwendungen leichter einbauen lässt, insbesondere in Verbindung mit Standardausrüstung für die Verarbeitung von Medien, deren Konzentration während der Verarbeitung überwacht und geregelt werden soll.

-ie-

5 2 7 b b 'Ζ 7

Ferner bezweckt die Erfindung, ein Messverfahren mit zugehöriger Vorrichtung zu schaffen, das fur die überwachung und Regelung der Konzentration der Zuckersaft bzw. des Sirups in Vakuumvorrichtungen für die Kristallisation von Zucker wahrend des Vorschreitens der Krystallisation besonders geeignet ist.

Erfindungsgemäss ist ein Verfahren zur Messung der Konzentration eines fliessfähigen Mediums, dessen Dielektrizitätskonstante von der Konzentration abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Schwingungen konstanter Leistung und konstanter Frequenz von einer Quelle solcher Schwingungen einer Antenne aufgedrückt werden, die in einem Behälter für das Medium innerhalb der Begrenzung eines darin gebildeten, mit Medium gefüllten Faradayschen Käfigs angebracht ist, und die bei fehlender Angleichung der Impedanzen der Antenne und der Quelle von der Antenne zurückgeworfene Leistung gemessen wird, wobei die elektrischen Schwingungen eine so hohe Frequenz haben, dass die elektrische Leitfähigkeit des Mediums auf die Messung keinen wesentlichen Einfluss hat

Wie ersichtlich beruht dieses Verfahren nicht auf Resonanzphänomenen, sondern auf der Messung der Angleichung von Impedanzen. Wegen der Anbringung der Antenne innerhalb der Begrenzung eines mit Medium gefüllten Faradayschen Käfigs ist ferner die eigentliche Fortpflanzung von Wellen im Medium wenig bedeutungsvoll, und die mechanischen Abmessungen der Verarbeitungsvorrichtung haben deshalb auf die Messung wenig Einfluss. Die Anpassung der Messvorrichtung an Standardvorrichtungen für die Verarbeitung von fliessfähigen Medien ist deshalb einfach.

Ferner wurde gefunden, dass wenn das erfindungsgemässe Messverfahren mit zugehöriger Vorrichtung für die Überwachung und Regelung der Konzentration in einer Vakuumvorrichtung für die Kristallisation von Zucker benutzt wird, der ermittelte Konzentrationswert eine zweckmässige Abwägung zwischen der Konzentration des Sirups und des Kristallprozentes herbeiführt, so dass das Messverfahren für die Gesamtdauer des Krystallisationsvorganges ganz bis zum Abschluss des Vorganges benutzt werden kann.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung weiter beschrieben werden, die schematisch eine Ausführungsform einer Messvorrichtung gemäss der Erfindung in Verbindung mit einer Vakuumvorrichtung für die Verwendung bei der Kristallisation von Zucker zeigt.

Auf der Zeichnung bezeichnet 1 eine Vakuumvorrichtung für die Kristallisation von Zucker, wobei der untere Teil der Aussenwand der

Onnooi /nco/.

£ Z755774

Vakuumvorriehtiing weggenommen ist, um das übliche Rohrheizungssystem 2 und die Bodenkammer 3 der Vakuumvorrichtung sichtbar zu machen.

In den Boden der Vakuumvorrichtung ist eine Antenne C eingebaut, die über ein einstellbares Impedanzangleichungsglied (Impedanztransformator) B an einen VHF-Generator A angeschlossen ist, der als eine Quelle von elektrischen Schwingungen konstanter Leistung und konstanter Frequenz innerhalb des VHF-Bereiches bildet.

Im Versorgungsleiter vom Generator A zur Antenne C ist ein Richtungskoppler D mit eingebautem Detektor vorgesehen, welch letzterer mit einem Messinstrument E, wie z.B. einem Voltmeter, verbunden ist. Die Antenne C kann eine einfache Stabantenne sein, die gegen die kräftigen Flüssigkeitsströmungen, die in ihrer Umgebung vorkommen können, sehr widerstandsfähig ist.

Wie in der elektrischen Kreislaufstheorie bekannt, wird in einer Belastung die grösstmögliche Leistung abgesetzt, wenn die Impedanz der Belastung, vom Generator aus gesehen, der Impedanz des Generators gleich ist, oder mit anderen Worten wenn die beiden Impedanzen angeglichen sind. Dies gilt auch für die Ausstrahlung von elektromagnetischer Leistung von einer Antenne, d.h. die grösstmögliche Leistung wird in der Antenne für Ausstrahlung abgesetzt, wenn die Impedanz der Antenne und des Generators einander angeglichen sind.

Da die Impedanz von der Form und der Umgebung der Antenne abhängt, ist es erforderlich, zwischen der jeweils verwendeten Antenne und des Generators eine Impedanztransformation vorzusehen, um das Absetzen der grösstmöglichen Leistung in der Antenne zu erreichen. Diese Impedanztransformation ist in der elektrischen Kreislaufstheorie wohlbekannt .

Die Art der Impedanztransformation oder Impedanzangleichung hängt von der verwendeten Frequenz ab, wie es in der elektrischen Filtertheorie wohlbekannt ist.

Falls keine Impedanzangleichung erreicht wird, wird ein Teil der vom Generator gelieferten elektrischen Leistung durch die Belastung gegen den Generator zurückgeworfen. Dies kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden .

U - Z
Pr = P ' ^{G B}

^{G Z}G ^{+ Z}B

wo P_ = die vom Generator gelieferte Leistung,

Pr = die von der Belastung zurückgeworfene Leistung,

Z = die Impedanz des Generators,

Cr

Aus der Gleichung geht hervor, dass die zurückgeworfene Leistung Pr = 0 bei Z = Z , und dass eine Änderung von Z eine Änderung von Pr herbeiführen wird.

In den extremen Fallen wird die zurückgeworfene Leistung Pr = P_ bei Z_ = O (Kurzschluss) oder Z = « (Leerlauf).

Da die Impedanz der jeweils benutzten Antenne von ihrer Umgebung und von der Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums abhängt, ist ersichtlich, dass eine Änderung der Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums eine Änderung der zurückgeworfenen Leistung herbeiführen wird. Durch Einstellung einer optimalen Angleichung bei konstanter Frequenz kann man jetzt erreichen, dass der Vert Z-Z_n bei einer gewissen Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums praktisch gleich O ist, und danach wird jede Änderung der Dielektrizitätskonstante den Wert Z-Z verschieden von O machen.

ti B

Aus der Literatur ist bekannt, dass die Dielektrizitätskonstante

c eines zusammengesetzten Mediums als eine additive Funktion der Dielektrizitätskonstanten ε ε usw. der Bestandteile des Mediums wie folgt ausgedrückt werden kann:

^ε * ^εΐ · ^Φ1 ^{+ ε}2 ' ^Φ2«

wo φ und Φ- die Volumenkonzentrationen der Bestandteile bezeichnen. Dies bildet die Grundlage des Messverfahrens. In dem in einer Zuckerkristallisationsvorrichtung vorhandenen Medium wird demgemäss der Messwert der Dielektrizitätskonstante eine additive Funktion der Dielektrizitätskonstanten von Wasser, gelöstem Zucker und kristallisiertem Zucker sein.

Das Messen kann vorzugsweise in einer der folgenden Weisen durchgeführt werden.

1) Das Angleichungsglied B wird bei einer gegebenen Konzentrat ion auf Minimum der von der Antenne C zurückgeworfenen Leistung eingestellt. Dieses Minimum wird in der Praxis nicht genau O, sondern wie oben genannt praktisch O sein. Jede Änderung der Konzentration oder des Kristallisationszustandes der Flüssigkeit wird jetzt eine Änderung der Impedanz der Antenne herbeiführen, die mittels des Messinstrumentes E ermittelt werden kann.

Die Konstanz der vom Generator A atisgesandti*n Leistung ist nii-ht über-krit isc-h. Um die Wirkung kleiner Variationen der genannten leistung zu eliminieren, kann die vom Instrument E gemessene Leistung >;( wünsch» enf al 1 s auf die elektrische Leistung des Generators A bezogen werden, so dass die Messung in Prozent der .ius>»es;indt en Leistung ausge-(IrH. Y\ wird.

8θ^ομ?7 /mi Hh

2) Während einer kontinuierlichen Messung wird das Impedanzangleichungsglied B kontinuierlich auf Minimum der von der Antenne C zurückgeworfenen elektrischen Leistung eingestellt, und die jeweilige Einstellung des Angleichungsgliedes wird als ein Mass der Änderungen der Konzentration ausgewertet.

In diesem Falle wird die Einwirkung kleinerer Abweichungen der vom Generator A ausgesandten Leistung automatisch ausgeglichen.

Die Konstanz der Frequenz des Generators A ist auch nicht überkritisch, indem es vor allem darauf ankommt, dass die Impedanz der Antenne C auf die genannte Frequenz keine wesentliche Rückwirkung hat. Für die einwandfreie Wirkung der Messvorrichtung ist es erforderlich, dass die Antenne so angebracht ist, dass die umgebenden Wände einen wirksamen und gleichmässigen Faradayschen Käfig bilden, der mit Medium gefüllt sein muss. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Antenne C wie gezeigt am Boden der Vakuumvorrichtung angebracht ist, wo die oberhalb der Antenne befindliche metallische Oberfläche des Rohrheizungssystems die erforderliche Abschirmung, auch gegen Schwankungen des Oberflächenstandes des Mediums herbeiführt.

Für die Messung kann grundsätzlich eine beliebige Frequenz im VHF-Bereich benutzt werden. Je höher die Frequenz ist, je unabhängiger wird die Messung vom Salzinhalt der Flüssigkeit. Der bevorzugte Frequenzbereich ist zwischen 30 MHz und 1 GHz.

Bei der Durchführung einer portionenweisen Kristallisation von Zucker in einer Vakuumvorrichtung wird aunächst eine vorbestimmte Menge von untergesättigtem Sirup in die Vorrichtung eingelassen und durch Sieden unter Vakuum bis zu geringer Obersättigung eingedampft. Danach wird eine vorbestimmte Menge Impfmaterial, z.B. in der Form von Zuckerstaub oder Zuckerstaubsuspension, zugeführt, und während des Vorschreitens der Kristallisation wird der Vorrichtung zusätzlicher Sirup zugeführt. Die zusätzliche Zuführung von Sirup wird während des ganzen Verlaufes der Kristallisation so geregelt, dass die Konzentration in Übereinstimmung mit einem vorbestemmten, durch Experimente und Erfahrung festgelegten Programm langsam variiert. Es wurde gefunden, dass wenn ein solcher Programm für eine bestimmte Vorrichtung und für ein bestimmtes Verfahren festgelegt worden ist, das erfindungsgemässe Messverfahren für die programmierte Regelung der Zufuhr von Sirup durch an sich bekannte Programmierungsverfahren für die ganze Dauer des Kristallisationsvorganges benutzt werden kann, indem der vom Instrument E ermittelte Messwert als Ist-Wert benutzt wird.

Wenn nötig kann die Messung für Temperatur kompensiert werden.

Claims

275577A Patentansprüche:

1.!Verfahren zur Messung der Konzentration eines fliessfähigen Mediums, dessen Dielektrizitätskonstante von der Konzentration abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Schwingungen konstanter Leistung und konstanter Frequenz von einer Quelle solcher Schwingungen einer Antenne aufgedruckt werden, die in einem Behälter für das Medium innerhalb der Begrenzung eines darin gebildeten, mit Medium gefüllten Faradayschen Käfigs angebracht ist, und die bei fehlender Angleichung der Impedanzen der Antenne und der Quelle von der Antenne zurückgeworfene Leistung gemessen wird, wobei die elektrischen Schwingungen eine so hohe Frequenz haben, dass die elektrische Leitfähigkeit des Mediums auf die Messung keinen wesentlichen Einfluss hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der elektrischen Schwingungen im Bereich 30 MHz - 1 GHz liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gegebenen Konzentration ein zwischen die Quelle und die Antenne eingeschaltetes einstellbares Impedanzangleichungsglied auf Minimum der von der Antenne zurückgeworfenen Leistung eingestellt wird, und dass Abweichungen von diesem Miniraum als ein Mass der Änderungen der Konzentration ausgewertet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei kontinuierlicher Messung ein zwischen der Quelle und der Antenne liegendes Impedanzangleichungsglied laufend auf Minimum der von der Antenne zurückgeworfenen Leistung eingestellt wird, und die jeweilige Einstellung des Angleichungsgliedes als ein Mass der Änderungen der Konzentration ausgewertet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert für die automatische, gemäss einem vorbestimmten Programm programmierte Regelung der Zufuhr von Sirup bei einem Kristallisierverfahren al» Istwert benutzt wird.

6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Messung der Konzentration eines fliessfähigen Mediums, dessen Dielektrizitätskonstante von der Konzentration abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quelle von elektrischen Schwingungen konstanter Leistung und konstanter Frequenz über ein einstellbares Impedanzangleichungsglied mit einer Antenne verbunden ist,

• 09827/068« <~unsp_Ect_Ed

die in einem Behälter für das Medium innerhalb der Begrenzung eines darin gebildeten, mit Medium gefüllten Faradayschen Käfigs angebracht ist, wobei Mittel für die Messung der von der Antenne zurückgeworfenen Leistung vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Messung aus einem in die Zufuhrleitung von der Quelle zur Antenne eingeschalteten Richtungskoppler in Verbindung mit einem Detektor und einem Messinstrument besteht.

809827/0684