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Verfahren und Anlage zum Messen der Zusammensetzung von Stoffen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Messverfahren, womit die Zusammensetzung
von Stoffen in einfachern Weise bestimmt werden kann. Auf Grund dieser Bestimmung
kann das Verfahren vorteilhaft in der Prozeasregelung für Anzeige, Regelung und
Aufzeichnung verwendet werden.
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Das Verfahren kann mit besonderen Vorteilen in der chemischon Industrie,
in der Lebensmittelindustrie und in der pharmakologischen Industrie angewandt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine sur Verwirklichung des Verfahrens gezeignete
Anlage.
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Bei fortlaufenden Technologien können Erzeugnisse guter Qualität
bloss durch automatische Steuerung hergestellt werden. Die Automatisierung der fortlaufenden
Technologien
(Lebensmittelindustrie, chemische Industrie, phaxmakologische Industrie usw.) erfordert,
dass während der Erzeugung möglichst vollständige Information von den in den einzelnen
Phasen des Arbeitsvorganges teilnehmenden Stoffen (Rohstoffen, halbfertige Waren,
Fertigwarsn) und ihrer Zusammensetzung, sowie Qualität oder Beschaffenheit gewonnen
werde.
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Die Qualität der Erzeugnisse kann eindeutig mit Hilfe ihrer gewichtsprozentualen
Komponenten, oder deren Hundertstel, d.h. Gewichtsbrüche, gekennzeichnet werden,
so dass die Qualitätsmessung auf eine Zusammensetzungsmessung zurückgeleitet werden
kann. Die Erfinder fühlen sich zur obigen Behauptung durch die Erkenntnis berechtigt,
dass die mit genügender Genauigkeit angegebene gewtchtsprozentuale Zusammensetzung
eines beliebigen Stoffes eindeutig sämtliche weitere (in den herkömmlichen Qualitätbegriff
mitinbegriffene) Kennwerte des Erzeugnisses bestimmt. In diesem Sinne bestimmt die
Zusammensetzung alle am Stoff messbaren physikalischen Kennwerte. Doch kann in der
Kenntnis eines einzigen gut messbaren physikalischen Kennwertes ein beliebiger der
Zusammensetzungskennwerte nur in dem Falle bestimmt werden, wenn der physikalischen
Kennwert bloss von dem in Frage stehenden Zusammensetzungskennwert abhängig ist,
d.h. bloss betreffs dieses Wertes selektiv ist.
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Doch kann eine genügende Anzahl von selektiven physikalischen Kennwerten
zur komplexen Beschreibung eines Erzeugnisses entweder auf Kosten von Schwierigkeiten
gefunden werden, oder ist das Messverfahren schwerfällig, ungenau, ev. ist die Messanlage
(z.B.
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Massenspektrograph, Gaschromatograph, usw.) kostspielig.
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Das erfindungsgemässe Messverfahren beruht auf der Erkenntnia, dass
zwischen den Zusammensetzungskennwerten und den physikalischen Kennwerten ein bestimmter
Zusammenhang besteht. Können daher aus
den physikalischen Kennwerten
eine entsprechende Anzahl von rasch, billig und genau messbare Kennwerte auserwählt
werden, so werden diese von den Zusammensetzungskennwerten eindeutig bestimmt. Sei
der Zusammenhang ein beliebig verwikkelter, seien die einzelnen physikalischen Kennwerte
nicht bloss von einem Zusammensetzungskennwert abhängig, sondern von sämtlichen,
müssen die physikalischen Kennwerte doch keine selektiven Bein.
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Das erfindungsgemässe Messverfahren ist wesentlich das folgende:
Eine Untersuchung wird veranstaltet zur Ermittlung der physikalischen Kennwerte,
welche am in Rede stehenden Stoff, dessen Zusammensetzung bestimmt werden soll,
mit einfachen Anlagen rasch und genau bestimmt werden können. 80dann wird auf Grund
von Messungen der physikalischen Kennwerte, welche an Mustern bekannter Zusammensetzung
desselben Stoffes vorgenommen wurden, der Zusammenhang zwischen den Zusammensetzungskennwerten
und den physikalischen Kennwerten ermittelt. Dieser Zusammenhang wird besondern
in der Umgebung der gewünschten Zusammensetzung ermittelt. Da bei Prozessregelungen
sich die Zusammensetzung der einzelnen Erzeugnisse wesentlich in der geringen Umgebung
des Arbeitspunktes ändert, ist es zugelassen die Zusammenhänge in der Umgebung der
Arbeitspunktzusammensetzung zu linearisieren.
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Die linearen Zusammenhänge zwischen den Zusammensetzungskennwerten
und den physikalischen Kennwerten werden invertiert. Werden die Muster bekannter
Zusammensetzung in einer entsprechenden Weise auserwählt, so kann die Inversion
in einem jeden Falle durchgeführt werden. Damit stehen lineare Zusammenhänge zur
Verfügung, mit deren Hilfe in der Kenntnis der physikalischen Kennwerte nun die
Zusammensetzungskennwerte
bestimmt werden können. Die Zusammenhänge
sind für den gegebenen Stoff in einem weiteren Bereich gültig, doch kann eine hohe
Genauigkeit bloss in einer bestimmten Umgebung des Arbeitspunktes erzielt werden.
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Sodann kann nach einer Messung der physikalischen Kennwerte am Stoff
unbekannter Zusammensetzung mit Hilfe der transformierenden Beziehungen die Zusammensetzung
bestimmt werden. Das Verfahren eignet sich nicht zur Bestimmung der universalen
Zusammensetzung und taugt bloss für Stoffe, deren physikalische Kennwerte für Muster
bekannter Zusammensetzung zur Verfügung stehen.
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Die Transformierung der physikalischen Kennwerte zu Zusammensetzungskennwerten
kann mit Hilfe der erfindungsgemässen Zusammensetzungsmessanlage auch automatisch
durchgeführt werden. Die Anlage soll über Eingangs- und Ausgangszeichen verfügen,
welche den physikalischen Kennwerten,bezw. Zusammense tzungske nnwerten entsprechen
zwischen welchen die für den zu prüfenden Stoff charakteristischen transformierenden
Beziehungen gültig sind. Die Anlage kann eine eleWronische sein, wenn die gemessenen
Werte der physikalischen Parameter in der Form von aus einem Fernsender eintreffenden
Ströme zur Verfügung. In diesem Falle werden die Zusammensetzungskennwerte als die
Summe von entsprechend erzeugten Spannungen erhalten. Zur Verwirklichung des e rfindungsgemäs
sen Verfahrens eignet sich eine auf Grund eines beliebigen physikalischen (z.3.
mechanischen, pneumatischen usw.) Prinzips arbeitende Anlage. Was wesentlich ist,
ist dass die Anlage die Eingangs- und Ausgangszeichen mit Hilfe des Jeweiligen linearen
algebraischen Gleichungssystems verbindet.
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Ausser den Zusammensetzungskennwerten werden auf die gemess nen physikalischen
Kennwerte noch andere Kennwerte (z.B. Temperatur, Druck, relativer Feuchtigkeitsinhalt
usw.)
störend auswirken. Doch kann auch die Wirkung dieser störenden Kennwerte mit Hilfe
von linearischen Beziehungen in Betracht genommen werden und somit auf dem Stoff
unbekannter Zusammensetzung durch Messung des störenden Kennwertes die Störung ausgeglichen
werden. Auf Grund der Linearisierung kann der Ausgleich in die transformierende
Anlage ein gebaut werden und somit s.B. eine automatische komplexe ausgeglichene
Messung verwirklicht werden.
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Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich nicht bloss zur Zusammensetzungsmessung.
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann eine beliebige Gruppe von Kennwerten eines stofflichen
Systems durch Messung einer anderen Gruppe von Kennwerten gemessen werden.
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Wie aus den obigen Ausführungen ersichtlich, übertreffen dieses grundsätzlich
neues Verfahren und diese grundsätzlich neue Anlage was Genauigkeit, Zuverlässigkeit,
Einfachkeit, Erzeugungskosten usw. die bisherigen Anlagen ähnlichen Zweckes und
stellen somit einen 4ualitativen technischen Fortschritt dar.
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Das erfindungagemässe Verfahren wird im folgenden auf Grund einiger
Beispiele und Figuren erläutert.
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Beispiel 1. Kontinuierliche Likörerzeugung Es soll durch Mischung
und Homogenisierung eine Lösung zubereitet werden, welche wesentlich eine Mischung
von drei Komponenten in einem vorgeschriebenen Verhälts ißt. Die eine Komponente
ist Wasser, die andere Zucker, die dritte irgendein Aroma und Farbstoffe enthaltender
Alkohol. Auf Grund der Fig. 1 ißt der Fertigungsgang der folgende: Das Wasser, die
Zuckerlösung und der die Farbstoffe enthaltende Alkohol werden in drei Behältern
1, 2 und 3 aufbewahrt. Die drei "Grundstoffe" gelangen über die mit den Ventilen
(Einmengungßorganen) 4, 5 und 6 versehenen Rohrleitungen 6, 8 und
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in das Nisch- und Homogenisiergefäss 10, von wo aus die fertige Mischung in Richtung
des Pfeils 11 zur Füllmaschine fliesst. Die Dosierung der drei Grundstoffe in einem
entsprechenden Verhältnis erfolgt durch die Verstellen des Ventilhubes. Bei fraktionierter
Erzeugung konnte "die vorgeschriebene Zusammensetzung" der Mischun bloss mit chemischen
Methoden kontrolliert werden. Infolge der itangsanikeit des chemischen Verfahrens
(mehr als ein Tag wird zur Lieferung der Ergebnisse der Analyse benötigt) konnte
es nicht die Grundlage einer automatischen Steuerung bilden. Bei fortlaufender Erzeugung
ist Jedoch eine automatische Steuerung unerlässlich.
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Die Bestimmung der Gewichtsprozente der Komponenten, d.h. der Zusammensetzungskennwerte,
kann mit hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens, d.i. eines Alterationsverfahrens
rasch und genau durchgeführt werden. Zur Bestimmung der drei Bestandteile müssen
zwei physikalische Parameter gemessen werden. Das Instrument transformiert die physikalischen
Kennwerte zu den gesuchten Zusammensetzungskennwerten. Es liefert von den Zusammensetzungskennwerten
ein fortlaufendes Zeichen, welches somit eine Grundlage zur Verwirklichung der automatischen
Steuerung bietet. Eine beispielsweise Schaltung des zur Verwirklichung der mit Hilfe
des Messalterationsverfahrens verwirklichten automatischen Vorgangsteuerung laut
Fig. 1 dienenden transformierenden Instruments ist auf Fig. 2 dargestellt.
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Laut Fig. 1 wird das spezifische Gewicht γ und der Refraktionsindex
# des Likörs unmittelbar nach dem Mischungs- und Homogenisierungsgefäss 10 gemessen.
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Die Grössen des spezifischen Gewichts und des Refraktionsindices wird
von den Messverstärkern (Fernsendern) 12 und 13 in einen mit der Grösse des spezifischen
Gewichts
γ und der Grösse des Refraktionsindices # verhaltnisgleichen elektrischen
Strom von bezw. i2 (#), z.B. in ein UKW-Zeichen von O bis 5 mA umgewandelt. Das
"transformierende Instrument" 14 ändert die beiden an seinen Eingang geschalteten
Stromzeichen im Laufe von algebraischen Operationen um und wird am Ausgang in der
Form von Spannungszeichen die Grössen der Gewichtsprozente 5c des Zuckers und Sa
des Alkohols abgeben. Mit diesen Zeichen werden sodann mit Hilfe der im geschaftlichen
Verkehr erhaltbaren Reglern R1 und R2, sowie der Vollziehungsorganen 15 und 16 die
die Zucker- bezw.
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Alkoholkonzentration abändernden Ventile 5, bezw. 6 eingestellt. Mit
dem Hub des in die Leitung 7 des Wasserbehälters 1 eingefügten Ventils 4 wird die
Fertigungsleistung eingestellt.
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In Fig. 2 wird die Schaltung des "transformierenden Instrument" 14
laut Fig. 1 dargestellt. Da die Grössen der beiden physikalischen Kennwerte γ
und 2 sowohl vom Zuckergehalt, wie auch vom Alkoholgehalt abhängig sind- was auch
in umgekehrtem Sinne zutrifft - spielt bei der Bestimmung der Zusammensetzungskennwerte
die Grbsse beider physikalischen Kennwerte eine Rolle. Diese Beziehung wird.von
den folgenden Gleichungen beschrieben (lineare Annäherung): 5a =A t + B # + C (für
Alkohol) =D γ + E # + F (für Zucker) wo A, B, C, D, E und F transformierende
Matrixelemente sind und für Je einen Stoff einen konstanten Wort besitzen.
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D.h. das Instrument vollzieht die Transformation (Abbildung) laut
der Gleichungen. Der dem spezifischen Gewicht γ verhältnisgleiche Strom i1
wird durch einen dem Wert von A entsprechenden Widerstand RA fliessend
einen
mit dem Produkt Aγ verhältnisgleichen Spannung abfall verursachen. Mit diesem
in Reihe ist die mit dem Produkt BV verhältnisgleiche Spannung geschaltet, welche
über den mit dem Wert von B verhältnisgleichen Widerstand auf Einwirkung des dem
Refraktionsindex p verhältnisgleichen Stromes i2 abfällt. Schliesslich zu diesem
kommt die über den dem letzten Glied der ersten Gleichung der Konstante C, entsprechenden
Widerstand RC abfallende Spannung. In der Schaltung können auch die Vorzeichen der
in den Gleichungen vorkommenden Koeffizienten beachtet werden. Im Falle von Likör
ist z.B. der Koeffizient A negativ. Dies wurde in der Schaltung durch die entgegengesetzte
Reibenschaltung der über den Widerstand RA abfallende Spannung in Betracht genommen.
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Beispiel 2. Fortlaufende Buttererzeugung Bei kontinuierliche Buttererzeugung
wird durch Buttern oder Wärmebehandlung eine Emulsion bereitet, in welcher wesentlich
durch automatische Steuerung von der vorgeschriebenen Gewichtsprozentsatz der drei
Komponenten gesorgt werden muss. Die eine Komponente ist das Butterfett, die zweite
das Wasser, (Buttermilch), die dritte die Luft. Eine Bedingung der automatischen
Steuerung ist, dass über den Wert des Gewichtsprozentes der drei Komponenten fortlaufend
Informationen zur Verfügung stehen. Sowohl die Verwendung der Methode der Messalteration
zum Aufbau der automatischen Steuerung, wie auch die Schaltung des Instruments gleichen
vollauf derjenigen des vorangehenden Beispiels. Zwei physikalische Kennwerte müssen
zur Bestimmung der drei Zusajnrnensetzungskennwerte gemessen werden. Bei der Butter
ist der eine physikalische Kennwert die Kernabsorptiont . Die Bestimmung des
spezifischen
Gewichts ist an der Dichtigkeit der Butter entsprechenden Stoffen äusserst umständlich.
Der andere physikalische Kennwert ist die dielektrische Konstante # Zwar ist der
Wert; der Elemente des Transformationsmatrices (A, B, C, D, E, B) ein anderer, wie
im Falle von Likör, ist die Schaltung des Instrunsents dieselbe. Bloss die Werte
von RA, RB, RC, RD, RE und RF müssen anders eingestellt werden. Weiters zeigt sich
ein Unterschied im Vergleiche zur automatischen Steuerung der Likörerzeugung darin,
dass bei der Buttererzeugung die Einstellung der Zusammensetzungskennwerte nicht
mit Hilfe der Ventile erfolgt, sondern durch abänderung der Umdrehungszahl der Buttermaschine,
der Temperatur der Fertigungsmaschine und der Leistung der Bertigungsmaschine.
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Beispiel 3. Kontinuierliche Erzeugung von Aufgussaft Der Aufgussaft
ist eine zur Konservierung von C;urJcen, Paprika, Kraut usw. benötigt Lösung. Die
Erzeugung von Aufgussaft ist der Likörerzeugung sehr ähnlich. Hier wird die Lösung
auch durch Mischung und Homogenisierung zubereitet. Die Lösung selbst ist eine Mischung
von mehreren Komponenten in einem vorgeschriebenen Verhältnis. Der Unterschied ist,
dass hier nicht drei, sondern vier Komponenten vorkommen. Die eine Komponente ist
das Wasser, die andere das Salz, die dritte der Zukker, die vierte der Essig. Zur
Bestimmung der vier Komponenten sollen drei physikalischen Kennwerte gemessen werden
und zwar das spezifische Gewicht γ, die Leitungsfähigkeit # und der Refraktionsindex
p . (Auch kann statt des Refraktionsindices die Drehfähigkeit α und statt
des spezifischen Gewichts der pH-Faktor). Im Falle eines Aufgussaftes von vier Komponenten
wJrd der Zusammenhang zwischen den Susammensetzungs- und physikalischen Kennwerten
von dem
folgenden Gleichungssystem beschrieben: Ss = A γ
+ B # + C # + D (für Salz) Sc = E γ + F # + G # + H (für Zucker) Se = J γ
+ K # + L # + M (für Essig) Die Anzahl der Elemente des Tran£ormationsmatrices (die
Koeffizienten deo Gleichungssystems) ist 12.
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Dementsprechend müssen im "transformlerenden Instrument" zwölf Widerstandswerte
eingestellt werden und auch soll eine Möglichkeit zur Beachtungs des Vorzeichens
geboten werden. Werden die physikalischen Kennwerte mit dem Strom, die Koeffizienten
mit dem Widerstand in Zusammenhang gebracht, so werden die Zusammensetzungskennwerte
in der Form von Spannung erhalten.
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Beispiel 4. Fleischpasteerzeugung Bei Fleischpasteerzeugung muss
durch Zerstükkeln, Mischen und Homogenisieren eine Masse zubereitet werden, welche
Wesentlich eine Mischung von vier Komponenten im vorgeschriebenen Verhältnis ist.
Die vier Komponenten .sind Eiweiss (Fleisch), Pett (Speck), Salz und Wasser.
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Die dosierten Grundstoffe sind das Wasser und Fett enthaltende zerhackte
Fleisch, der Wasser und Eiweiss enthaltende Speck, das Salz und das Wasser. Hier
kann die messtechnische Aufgabe durch die Methode der "Messalteration" gut gelöst
werden. Zur Bestimmung von vier Komponenten müssen drei physikalische Kennwerte
gemessen werden und zwar: die Kernabsorption µ, die Leitungsfähigkeit #, die dielektrische
Konstante #. Statt des letzteren Wertes kann auch der relative Gleichgewichts-Feuchtigkeitsgehalt
erp oder die Kernreflektion (Neutronstreuung) gemessen werden. Schaltung des Instruments
und Aufbau der automatischen Steuerung entsprechen vollast den vorangehend beschriebenen.
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Es sei hier bemerkt, dasß durch Ersparung von wertvollen, nützlichen
Stoffen (wie z.B. Alkohol, Fett, Eiweiss, Zucker) an den einzelnen Fertigungslinien
bei