专利名称:一种蒸发液体用的容器的程序控制方法
本发明涉及到编制在一种容器的自动沸腾装置中断续地控制糖膏的稠度的程序的一种方法。
一种由图1中实例所示的真空沸腾装置包括-侧壁平行的容器1，该容器具有一排管式加热区2，用以沸腾的溶液F(例如糖浆)通过-溶液控制阀3输送到容器1的底部。加热蒸气S通过-控制阀4输送到加热区2由汽化作用来加热和浓缩该溶液，直到浓缩作用能使结晶产生为止就不再输送溶液了。然后由送料器5通过一阀6添加一种添加剂以形成适当的核状晶粒。为避免这种核状晶粒粘结在一起和形成不希望形成的核状晶粒(假晶粒)，可以在监视着该容器的内部情况的同时，在容器中补充水或者该溶液，这样溶液的浓缩和晶体的增长就可以是连续的了。如果晶体生长到某种程度，假晶粒就不大可能会形成了，这是由于晶体在一单位体积的糖膏(一种溶液和晶体的混合物)中占据了一定体积并且彼此相对紧密地排列着的缘故。溶液进一步浓缩以便于晶体生成。如果容器中的溶液体积添加到一定水平，且当获得了予先确定的晶体尺寸，糖膏7就会通过排放阀8排出。进而该糖膏由-离心分离器分离成晶体和溶液，该溶液则被重新循环沸腾。为了在沸腾过程中适当地控制糖膏的稠度，可以通过水控阀9或溶液控制阀3给容器1补充水W或溶液F。还可以通过观察窗10观察容器1的内部情况。蒸气由真空泵13从容器1中抽出，送入冷凝器11。该真空泵经过阀12连接到冷凝器11上，冷凝器11由通过阀14提供的冷却水W进行冷却。
虽然人们已提出各种各样的方法来控制该容器，但是迄今常见的还是按照一定程序使用断续沸腾的方法来增加糖膏的稠度并且由此实现稳定的工作过程。这些已公布在日本公开的专利申请第41248/1977号中。
一表示糖膏稠度的信号em由一稠度表15，如流变仪，传送给一个程序控制系统16的控制部分161。控制系统16还包括一程序调节器162，它用于向控制部分161送入一稠度给定值es;一根据控制部分161的输出量来打开或关闭溶液控制阀3或水控阀9的阀动器163。
一用于确定容器中糖膏7的液面的液位计、一用于保持容器中适当真空度的压力控制装置等等，虽然在图1中没有表明，但是也是需要的。
图7表明了该沸腾过程的传统的程序控制方法，(A)部分表示了被测值em和晶粒生长过程中一特定区域的稠度给定值es，在该晶粒生长过程中溶液处于沸腾状态。(B)部分表示了溶液控制阀3的工作过程。
在t1时刻被测值em已增加到给定值es的水平m1，此时补充溶液以稀释糖膏的稠度。下一个给定值es的水平m2比水平m1高△m，在t2时刻被测值em已增加到水平m2，此时再次补充溶液，同样情况在t3、t4……时刻依次重复。连接em的峰值获得的一条虚线C确定了稠度程序控制的理想极线曲线。如果糖膏的稠度按照曲线C来控制，就会用最短的时间来完成一个工作过程，同时保证高质量的晶体。
然而，只有在各个参数(这些参数包括容器中蒸气量、真空度、溶液的纯度)保持在适当水平时，才能维持这一理想曲线C。例如，如果容器中蒸气量S或其真空度变化很大的话，就很难保持任何理想的控制方式。
例如，如果蒸气量在t4时刻以后不正常地减少了，那么稠度测量值em就会花很长时间才能达到给定值m5;如果继续使用同一控制方式的话，稠度值就变成了em′。连接em′的峰值得到的曲线C′的斜率就比曲线C的斜率低而且从此大大地偏离下去了。在这些情况下如果沸腾继续下去的话，完成一个工作过程就会花很长的时间，同时也很难获得质量优良的晶体，因为有可能形成假晶粒。
如果蒸气量在t4时刻以后不正常地增加了，那么就会发生与上面所述相反的现象。稠度值变为em″，连接em″的峰值所得的曲线C″的斜率就会比曲线C的斜率高，而且同样从此大大地偏离下去了。这将不正常地加快完成一个工作过程，其结果是产生出包括大量假晶粒的次品。
按照稠度的程序控制，一般说来，把在没有假晶粒形成情况下能用最短时间完成整个工作过程的稠度的峰值连接起来就可以建立起一条理想的曲线(上限曲线)，同时，还可以把各种参数的任何可能的变化考虑进去建立起一条许可极限曲线(下限曲线)，该许可极限曲线比理想曲线的斜率要低。
有必要做的一件事情就是确定结晶速度，溶质分子的成核与这一速度很有关系。因此，为了生成没有假晶粒形成的晶体，就离不开补充溶液或水，用来在新的假晶粒由晶核成长之前，恰当地破坏这样晶核。这就是断续沸腾的特征之一。
下面的公式给出了晶核的数目
其中nc单位时间内成核数目;
m溶质分子的质量;
π常数;
K常数;
T绝对温度;
Xc分子之间引力作用点C(峰值)之间的距离;
N每单位体积溶质分子数目;
V溶质与溶剂分子的平均运动速度;
A
(a)〔
(a)÷A，当a＜＜1时〕;
C速度上限，该速度时分子被晶体捕获;
Ec晶粒相互作用下距离Xc处的引力。
由此公式很明显看出，如果溶质分子(饱和状态)数目N给定后，单位时间内成核数目以及做为其结果的晶体的析出和成长是与N2成比例关系的。因此，具体到一特定种类的糖(取决于晶体大小的溶液情况)，如果存在着包括装置、溶液和蒸气量以及其他有用的因素在内的理想条件，那么就存在一结晶速度。
在理想条件下，如果使用一传感器(稠度计)来测量结晶比率以及测量表示溶液生成晶体的诸因素(其浓缩过程，超饱和现象等等)的话，晶体的生长速度可由稠度上限曲线表示。
然而，事实上很有必要根据溶液的饱和情况、蒸气量等的变化来调整沸腾时间，该调整可根据把给定数值保持在特定水平所采用的程序来实现。
在溶液处于亚饱和或蒸气量减少的情况下，应当把由稠度计测得的表示晶体生长的诸因素给定在较高的水平，这些数值确定了一稠度下限曲线。
如果把这些上限(理想)极限曲线和下限(许可)极限曲线的概念引入到稠度的程序控制中来，就很有可能妥善地处理由于外界条件或糖膏中晶体生长速度和其浓缩过程的相互关系的失调在极限曲线中所引起的各种变化，从而实现沸腾过程的稳定控制。
本发明的一个目的就是要解决传统的稠度逐步程序控制方法中的弊端，并且提供一种控制方法，该方法即使在外界条件发生任何失调的情况下也不会从理想的极限曲线产生任何实质性偏差。
该目的是通过这样的一种方法来实现的，该方法包括建立限定稠度允许范围上下限的曲线，这种曲线开始于每一个这样的点，在该点处稠度值与给定值相重合;沿着限定上限的曲线增加给定值，当给定值增加到一定程度或当经过一段特定时间时，使之保持不变，然后在一条表示给定值的直线与限定下限的曲线相交以后，沿着限定下限的曲线增加给定值。
本发明的另一个目的就是提供这样一种控制方法，该方法由切实可行的手段来大致上建立起限定稠度允许范围上下限的曲线。
这个目的是由这样一种方法来实现的，用这种方法，至少一条限定稠度允许范围下限的曲线大致上是一条直线，该直线的斜率由一非常简单的算法来确定。
图1是包括一结晶容器的一台沸腾装置的示意图;
图2是实施本发明的一种方法的图解表示;
图3是本发明的另一实施例的图解表示;
图4是本发明的第三个实施例的图解表示;
图5是本发明的第四个实施例的图解表示;
图6是本发明的第五个实施例的图解表示;
图7是沸腾过程的程序控制之传统方法的图解表示;
图2表示了应用本发明的一种方法，实例中所显示的稠度被测值em已达到t1时刻给定值es的m1水平，被测值em有一峰值P1。本发明的发明人由其实际操作经验得知，没有任何单一的曲线可以充分限定糖膏的稠度，但是却存在一特定的范围，在该范围中稠度的峰值从一点转变到另一点。这一范围由区域R表示，该区域R由两条曲线限定，且界于两条曲线之间，这两条曲线起于同一点P1，也就是说，一条曲线C1限定了该范围的上限(上限曲线)，而另一条曲线C2限定了该范围的下限(下限曲线)。我们已知，严格说来存在着起始于每一峰值的一对最佳上下限曲线。因此，是有可能在整个沸腾过程中通过读出一存储元件中起始于糖膏稠度给定值的一特定水平的两条程序曲线，来使稠度的被测值em保持在允许范围R之内，并且根据这些曲线把给定值变化到另一水平以使被测值em的另一峰值能保持在该范围R之内。
现将详细描述给定值es的程度控制。如果被测值em在P1点达到沸腾过程一特定周期的给定值es1(稠度水平m1)，则如图2虚线所示确定出起始于P1点(时刻t1，稠度水平m1)的两条曲线C1和C2。沸腾过程的另一周期的稠度给定值由曲线es21限定，该曲线与C1曲线重合，在图中由一条点划线标出，表示随着时间的推移按比例所增加的量。当给定值从P1点已增加到一特定程度，如△m所示，或当经过一段特定时间，如图示△t所示，则在曲线es21上的点Q21以后就保持在一恒定的稠度水平m2，如水平线es22所示。随着时间的进一步推移，水平线es22与下限曲线C2在点Q22处相交，从此以后给定值由与曲线C2重合的曲线es23来限定，并且随着时间的推移按比例增加。△m和△t的数值(该值决定点Q21和Q22)是这样来选择的根据经验，被测值em希望达到另一峰值P2的一点可以落到界于两点Q21和Q22之间的水平线es22上。
实际上如上所述，建立程序的目的在于确定起始于被测值em的每一峰值的一对极限曲线，它使得程序控制所取得的成就可以与由根据任何传统的控制曲线取得的成就相匹敌，这是因为所有被测值em的峰值P1、P2……都位于区域R之内，除非在容器中支配沸腾过程的参数有什么失调。稠度峰值从P1到P2的移动，就相当于图7中从m1到m2的移动。
如果控制沸腾过程的参数出现任何失调的话，就有可能使得峰值P2比在Q21点过早地出现而没有落在水平线es22上，不过，这样编制程序是要使得稠度值沿着与曲线C1重合的曲线es21，按时间成比例增加，并且曲线es21所表示的值比m2要小。因此，被测值em以及峰值P2避免了上升到高于由曲线C1确定的上限值。
如果峰值P2没有落在水平线es22之上，而是出现在点Q22之后，则被测值em避免了上升到高于由Q22点以上的曲线C2所限定的上限值，并且峰值P2相应地提高了，这是由于稠度值是这样编制的程序，其结果稠度是沿着与曲线C2重合的曲线es23按时间成比例增加的，并且曲线es23所表示的值比在Q22点的m2要大。
就任意一项参数出现任何失调的情况来说，被测值em的峰值总是正确地落在水平线es22之上，至少如上所述是保持在上限或下限极限曲线上，这就有可能使稠度被测值em在沸腾过程的每一循环中保持在允许范围R之内，由此就大大地改善了沸腾时间内的任何严重变化以及迄今为止还不可避免的次品生产。
根据本发明，很有必要建立两条起始于被测值em的每一峰值的极限曲线，但是建立这样的曲线却需要一些稍微复杂的算法，因为这些曲线取决于峰值的位置。然而，如果使用一个包括计算机在内的控制装置，把曲线上的实验数据和一以峰值的移动为根据的修正算法结合起来，那么建立这样的曲线就相对容易一些了。
图3显示了可以简化算法的本发明的一个实施例，本方法既能有效地用于编制程序又不影响本发明的优点。整个沸腾区被适当地分成若干个区域，在一特定区域中糖膏稠度的最初值表示在m1点，其最终值在mn点。如果糖膏的稠度值在t1时刻达到m1值，就可以建立起两条起始于由t1和m1确定的峰值P1的直线D1和D2，在它们中间就限定了允许范围R。t1时刻以后的给定值由与上限曲线D1重合的一条双点划线es21给出，这一给定值一直增加△m，达到m2为止，沿es21线增加的给定值在点Q21处达到m2，此后给定值保持在m2，如图中一水平线es22所示。水平线es22在点Q22处与下限曲线D2相交，此后给定值由一与D2线重合的直线es23给出。
当被测值em的峰值P2在t2时刻落在es21线到es23线之间的任何一点时，下一个程序就建立起来了。一上限曲线D1′和一下限曲线D2′被建立起来，它们从由t2和m2确定的P2点开始延伸，分别平行于上限曲线D1和下限曲线D2。t2时刻以后的给定值由一与上限曲线D1′重合的双点划线es31给出，该给定值从m2开始，增加△m，到m3为止。给定值在点Q31处达到m3，并且保持在m3，如图中一水平线es32所示。水平线es32在点Q32处与下限曲线D2′相交，此后给定值由一与下限曲线D2′重合的es33线给出。无论何时当被测值em已达给定值时，上述过程就重复出现，结果被测值em的每一峰值就可以保持在区域R的范围之内，一直延续到糖膏的稠度达到水平值mn为止。在下一区域中确立两条稠度程序控制曲线由重复相同的过程来实现。
根据图3所示的方法，所有给定值es都根据直线(亦即起始于峰值而形成每一区域的两条极限曲线)来编制程序。因此，很有可能由一非常简单的算法在每一水平来编制稠度给定值的程序。
图4表示了本发明的另一实施例，其特征在于具有更为简单的算法。整个沸腾区被适当地划分为若干区域，在一特定区域中糖膏稠度的最初值表示在m1点，其最终值在mn点，这一方法与图3所示的方法相同。如果稠度被测值在t1时刻达到m1，则起始于由t1和m1确定的峰值P1的一上限曲线，即直线D1就被建立起来。t1时刻以后的给定值由一与上限曲线即直线D1重合的双点划线es21确定，该给定值上升△m直到m2为止。在点Q21处给定值达到m2，此后一直保持在m2，如图中水平线es22所示。从P1到Q21所花时间为图中所示△t。
根据图4表示的本方法的第一特征，由水平线es22表示的恒定值持续了一段特定时间t0。因此，在点Q21以后经过一段时间t0出现在点Q22上时的时间表示为t1+△t+t0。
图4表示的本方法的第二特征存在于建立下限曲线D2、D2′……之过程当中。第一条下限曲线D2由一从P1点到Q22点延伸的直线确定，它的斜率表示为△m/(△t+t0)，es23线是由上面确定的直线延伸建立的。
工作过程下一循环的程序是这样编制的它起始于在t2时刻出现的峰值P2，在该时刻稠度被测值em落在es21线至es23线间一点处。对每一依次进行的循环之程序是根据上限和下限曲线编制的，这些曲线或者是基于高于峰值的一特定稠度增量△m，或者是基于峰值后经历的一段特定时间△t。
图4所示方法是基于一稠度上的特定增量△m。稠度值由m2到起始于峰值P2的上限曲线即直线D1上的点Q31，增加了△m达到m3。从D2延伸到Q31的直线es31确定了第二条上限曲线D1′，稠度值从P2增加到Q31所需的一段时间表示为△t′，点Q31以后的给定值稳定地持续了一沿水平线es32的一段时间t0，该持续时间为水平线es22所表示的持续时间相同。es32线在点Q32处与下限曲线D2′相交，该下限曲线由一从P2延伸到Q32的直线确定。一条es33线从点Q32开始延伸下去。
假如这种方法是以经历一段特定时间△t为基础，则在峰值P2以后随着经过一段时间△t，点Q31出现在上限曲线即D1线之上。在这种情况下，从m2到m3的稠度值的增量△m′比△m大，并且每一周期的上限曲线更加接近D1。因此，很有可能减少从结晶开始到结束的整个沸腾过程所划分的区域的个数。建立水平线及下限曲线的方法则与以△m为基础时建立的曲线的方法相同。
根据图4所示的方法，就象图3所示方法一样，很有可能通过一非常简单的算法建立上限和下限曲线。
图5表示了建立下限曲线的一种更为简单的方法，建立上限曲线D1可重复图4所示过程。图5所示方法的特征在于下限曲线由低于D1线延伸的一条直线D2确定，D1线与D2线相距一特定的差数m0。起始于P1点的线es21、es22和es23以及起始于P2点的线es31、es32和es33根据与图4中所示的完全相同的方法建立，仅仅上限曲线是起始于每一峰值，而下限曲线D2是不变的。
根据图5以及图4所示的方法，点Q31是上限曲线即D1线上的点，在该处获得稠度值m3，它比P2点处的稠度值m2高△m。无论如何，在P2点以后随着时间△t的推移，有可能在D1线上选择那么一点，在该点处达到m3。在这种情况下如果稠度值从m2到m3增加△m′，△m′比△m大，则上限曲线D1′就更接近D1。因此，很有可能减少从结晶开始到结束的整个沸腾过程所划分的区域的个数。建立水平线及下限曲线的方法则与图5中所示的方法相同。
根据图5所示的方法，最初确定的下限曲线D2也就是最后的下限曲线，并没发生任何变化。因此，该曲线可由一更简单的算法建立。
虽然图3至图5描述了一种制定稠度程序的方法，但是它们仅仅局限于沸腾过程的一特定部分，而图6则表示了遍及整个沸腾区的稠度的程序控制，整个沸腾区被划分为了几个区域T1、T2……和Tn。从图6中很明显就可以看到，各自对应于T1到Tn的上限曲线即Y1到Yn线，是由逐渐增加斜率的曲线即线段的组合确定的。
如上所述，很明显本发明的方法具有下列优点(1)该方法能够大大地减小在沸腾时间上不正常的变化以及由于其它方面大的偏差所导致的不合格产品的生产的可能性。这种大的偏差来于极限曲线，也就是连接糖膏稠度的峰值的曲线，在这种情况下，某种变化已经发生在任一参数之中，如容器中蒸气或压力的量值或溶液的饱和情况。
如果在任何这样的参数中发生失调现象，常常不可避免地完成一带有不合格产品生产的特定的工作过程，因为即便是一个很有经验的操作者也常常发现很难把稠度的给定值从自动调节转到人工调节，以恢复正确的极限曲线。然而根据本发明的方法，限定稠度给定值的曲线会被自动地纠正过来以至于落入防止任何次品出现的允许范围之内，除非这种在参数上的失调是致命的。因此，本发明的方法即使对一不熟练的操作者来说也是很容易掌握的，并且该方法也大大地减轻了迄今为止监视容器工作强加给一个甚至非常熟练的操作者身上的脑力负担。
(2)本发明的方法能够通过使用一如图3到图5所示的简化的方法来实施。只要每一特定区域是由两条线确定一程序，工作过程的稳定性就有保障。由于不需要编制复杂的程序，本发明的方法可以由一不昂贵的装置来执行。
权利要求
1.一种编制在容器自动沸腾过程中的糖膏稠度的程序的方法，包括建立两条各自限定稠度允许范围的上限和下限的曲线，这两条曲线起始于每一这样的点即所述稠度值已达一给定值的一点；同时向该容器中补充水或溶液以降低所述稠度值，根据限定所述上限的所述曲线增加所述给定值，当所述给定值已增加到一特定程度或当经历一段特定时间时，使所述给定值保持不变，然后在表示所述保持值的直线已与限定所述下限的所述曲线相交后，根据限定的所述下限的所述曲线增加所述给定值，因此，所述给定值是以一给定程序的方式变化的。
2.根据权利要求
1所述的方法，其中每一条上述曲线大致上由一直线确定。
3.根据权利要求
1所述的方法，其中任意一条所述曲线是由通过实验所得到的、根据所述曲线和所述稠度值的峰值的变化而修改的曲线之算法所确定。
4.一种编制在容器自动沸腾过程中的糖膏稠度的程序的方法，包括建立一条限定稠度允许范围的上限的曲线，这条曲线起始于每一这样的点即所述稠度值已达-给定值的一点;同时向该容器中补充水或溶液以降低所述稠度值;根据所述曲线增加所述给定值;当所述给定值已增加到-特定程度或当经历一段特定时间时，使所述给定值保持不变;在所述给定值已保持了一恒定时期以后，建立一条限定所述范围的下限的线;根据所述线增加所述给定值，因此，所述给定值是以一给定程序的方式变化的。
5.根据权利要求
4所述方法，其中所述线由从所述点开始延伸到经过一段所述恒定时间的那一点的一条直线确定。
6.一种编制在容器自动沸腾过程中的糖膏稠度的程序的方法，包括建立两条各自限定稠度允许范围的上限和下限的曲线，当所述稠度值已达一给定值时，这时向该容器中补充水或溶液以降低所述稠度值，限定所述上限的所述曲线起始于这样一点即所述稠度值已达所述给定值的一点;而限定所述下限的所述曲线在限定所述上限的所述曲线之下延伸，并且表示为一稠度值上的特定差数;根据限定所述上限的所述曲线增加所述给定值，当所述给定值已增加到一特定程度或经历一段特定时间时，使所述给定值保持不变;然后在一表示所述保持值已与限定所述下限的所述曲线相交后，根据限定所述下限的所述曲线增加所述给定值，因此，所述给定值是以一给定程序的方式变化的。
7.根据权利要求
6所述的方法，其中每一条上述曲线大致上由一直线确定。
专利摘要
在根据一程序控制稠度之容器的自动沸腾领域中，断续沸腾法是用于改进沸腾时间和沸腾产品质量的有效方法，其方式是每当稠度值已达一给定值时，向该容器中补充适量的水或溶液以降低该稠度值。本发明为建立稠度的程序值提供了一个引入到该过程中的新的概念，这个概念包括两条各自限定稠度允许范围上下限的曲线，糖膏的稠度保持在该范围之内，由此在一最短的时间内就保证获得了高质量的产品。
文档编号C13B25/06GK85105730SQ85105730
公开日1987年1月28日 申请日期1985年7月27日
发明者千種豪彦, 桥本仁, 河村恒德, 福岛一宪, 黑川清海, 宫崎正胜 申请人:横河电机株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan