DE10123101A1

DE10123101A1 - Trocknungswaage mit Regelung der Leistung der Heizquelle

Info

Publication number: DE10123101A1
Application number: DE2001123101
Authority: DE
Inventors: Karin Diedrich; Olaf Dudda; Alois Wissing; Wilfried Spannagel
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 2001-05-12
Filing date: 2001-05-12
Publication date: 2002-11-21

Abstract

Für eine Trocknungswaage mit einem Wägesystem (1) mit einer Waagschale, mit einer Heizquelle (11) zum Erwärmen und Trocknen der Probe auf der Waagschale, mit einem Temperaturfühler (4), der die Temperatur in der Nähe der Probe misst, mit einer Steuerelektronik (3), die die Leistung der Heizquelle in Abhängigkeit von der Temperatur des Temperaturfühlers und der eingestellten Solltemperatur regelt, und mit einer digitalen Auswerteelektronik (5), die die Gewichtsabnahme der Probe und den Feuchtegehalt der Probe errechnet, wird vorgeschlagen, dass die digitale Auswerteelektronik (5) auch die Gewichtsabnahme der Probe pro Zeiteinheit errechnet und dass die Steuerelektronik (3) aufgrund dieser Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit mindestens einen Parameter des Regelkreises für die Leistung der Heizquelle (11) verändert. DOLLAR A Dadurch lässt sich die Leistung der Heizquelle auch während der Aufheizphase der Probe gemäß den Vorgaben regeln und eine Überhitzung der Probe wird vermieden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Trocknungswaage mit einem Wägesystem, mit einer Waagschale, mit einer Heizquelle zum Erwärmen und Trocknen der Probe auf der Waagschale, mit einem Temperaturfühler, der die Temperatur in der Nähe der Probe misst, mit einer Steuerelektronik, die die Leistung der Heizquelle in Abhängigkeit von der Temperatur des Temperaturfühlers und der eingestellten Solltemperatur regelt, und mit einer digitalen Auswerteelektronik, die die Gewichtsabnahme der Probe und daraus den Feuchtegehalt der Probe errechnet.

Trocknungswaagen dieser Art sind allgemein bekannt und z. B. in der DE 37 06 609 C1 beschrieben. Nachteilig an diesen bekannten Trockungswaagen ist, dass der Temperaturfühler die Temperatur in der Nähe der Probe misst und nicht die Temperatur der Probe selbst. Ein Temperaturfühler direkt in der Probe erfordert jedoch Verbindungsleitungen zur Waagschale, wodurch die Messung des Probengewichtes leicht verfälscht wird. Zur Lösung dieser Problematik des Ortes des Temperaturfühlers schlägt die DE 37 06 609 vor, eine sogenannte Temperatureichscheibe zu benutzen und in einer Kalibriermessung die wirkliche Temperatur in der Probe und die vom Temperaturfühler in der Nähe der Probe gemessene Temperatur im stationären Zustand zu vergleichen und daraus einen Korrekturfaktor bzw. eine Korrekturkurve herzuleiten. Diese Vorgehensweise löst das Problem jedoch nur teilweise, da die Korrektur nur im stationären Zustand richtig ist. Während des Anstiegs der Temperatur ergeben sich jedoch zusätzliche dynamische Fehler, die nicht korrigiert werden. Beispielsweise führt ein Beschlagen des Temperaturfühlers aufgrund in der Probe verdampfenden Wassers zu deutlichen anderen Temperaturdifferenzen zwischen Fühler und Probe als im stationären Zustand.

Aufgabe der Erfindung ist es also, für eine Trocknungswaage der eingangs genannten Art eine weitere Verbesserung anzugeben und insbesondere die Leistung der Heizquelle auch während der Aufheizphase möglichst genau so zu regeln, wie es zur Erzielung einer gleichmäßigen Aufheizung notwendig ist.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass die digitale Auswerteelektronik auch die Gewichtsabnahme der Probe pro Zeiteinheit errechnet und dass die Steuerelektronik aufgrund dieser Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit mindestens einen Parameter des Regelkreises für die Leistung der Heizquelle verändert.

Die Ermittlung der Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit an sich ist bereits aus der DE 38 32 726 C2 bekannt und wird dort für die Berechnung des Endzeitpunktes des Trocknungsvorganges herangezogen. Eine Benutzung der Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit für die Regelung der Heizquelle ist in der DE 38 32 726 jedoch nicht vorgesehen. Erst die Erfinder haben erkannt, dass die Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit auch für den Eingriff in den Regelkreis für die Leistung der Heizquelle geeignet ist und die dynamischen Einflüsse optimal zu korrigieren gestattet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Trocknungswaage,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Regelkreises gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Regelkreises gemäß der Erfindung in einer ersten Ausgestaltung und

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Regelkreises gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausgestaltung.

In der schematischen Darstellung der Trocknungswaage in Fig. 1 erkennt man ein Wägesystem 1 mit einer Waagschale 7 und einer Probe 9 in der Waagschale. Als Heizquelle 11 ist eine Infrarotlampe angedeutet, die Heizquelle kann jedoch alternativ ein Quarzstrahler, ein Halogenstrahler oder eine andere bekannte Heizquelle sein. Die Leistung der Heizquelle 11 wird durch eine Steuerelektronik 3 in Abhängigkeit von der Temperatur des Temperaturfühlers 4 und der eingestellten Solltemperatur geregelt. Das Ausgangssignal des Wägesystems 1 wird über einen Analog/Digital-Wandler 6 einer digitalen Auswerteelektronik 5 zugeführt. Der dort errechnete Feuchtegehalt der Probe wird in einer Anzeigeeinheit 2 angezeigt. Die Bedienung der Trockungswaage erfolgt über eine Tastatur 8, über die unter anderem auch die Solltemperatur für die Probe eingegeben wird. Diese gewünschte Solltemperatur wird von der digitalen Auswerteelektronik 5 über die Leitung 10 an die Steuerelektronik 3 für die Heizquelle weitergegeben.

Die Trocknungswaage wurde im Vorstehenden nur ganz kurz erläutert, da Aufbau und Funktion allgemein bekannt sind. Eine detailliertere Darstellung eines möglichen Aufbaus findet man z. B. in der schon zitierten DE 37 06 609, eine neuere Bauart findet man in dem DE-GM 299 20 306.

Der für die Erfindung wesentliche Aufbau des Regelkreises für die Regelung der Leistung der Heizquelle ist in seinem Aufbau gemäß dem Stand der Technik in Fig. 2 noch mal detaillierter dargestellt. Die Heizquelle 11 beheizt sowohl die Probe 9 als auch den Temperaturfühler 4, wobei durch die räumliche Nähe von Probe und Temperaturfühler eine möglichst gute Temperaturgleichheit beider angestrebt wird. Das Ausgangssignal U_T des Temperaturfühlers 4 wird über eine Anpasserschaltung 31 dem Soll/Ist-Wert-Vergleicher 32 zugeführt. Die Anpasserschaltung 31 enthält dabei z. B. eine Kennlinien-Linearisierung, falls der Temperaturfühler 4 eine nichtlineare Kennlinie aufweist; weiter kann er z. B. eine Kennlinienkorrektur des Temperaturfühler-Signals vornehmen, falls eine Kalibrierung des Temperaturfühlers mittels der erwähnten sogenannten Temperatureichscheibe durchgeführt wurde. Allgemein wird also in der Anpasserschaltung 31 aus dem Ausgangssignal U_T des Temperaturfühlers 4 die Ist-Temperatur gemäß Gleichung (1) hergeleitet:

T_ist = f(U_T) (1)

Der Soll/Ist-Wert-Vergleicher 32 erhält einmal das angepasste Signal für den Ist- Wert der Temperatur und zum anderen über die Leitung 10 den Sollwert für die Temperatur. Die Differenz wird dem Regler 33 zugeführt, der daraus und der einprogrammierten Regelkennlinie (z. B. PID-Regelverhalten) die Leistung für die Heizquelle 11 vorgibt. - Der Regler 33, der Soll/Ist-Vergleicher 32 und die Anpasserschaltung 31 bilden zusammen die gestrichelt umrandete Steuerelektronik 3, wie sie auch in Fig. 1 eingezeichnet ist. - Weiter ist in Fig. 2 dargestellt, wie das Gewicht der Probe 9 durch das Wägesystem 1 erfasst wird, in der Auswerteelektronik 6 und 5 ausgewertet wird und das Ergebnis in der Anzeige 2 angezeigt wird. Außerdem ist ein Glättungsfilter 12 und eine Anzeige 13 für die Anzeige der Ist-Temperatur dargestellt.

In Fig. 3 ist nun dargestellt, wie der Regelkreis für die Leistung der Heizquelle gemäß der Erfindung erweitert ist: Dem Wägesystem 1 und der Auswerteelektronik 6 und 5 ist eine Einheit 35 nachgeschaltet, die die Gewichtsabnahme der Probe pro Zeiteinheit, also dm/dt, errechnet. Dieses Signal wird über die Leitung 36 der Anpasserschaltung 31' zugeführt und verändert dort die Transferfunktion der Anpasserschaltung 31'. Statt der normalen Transferfunktion gemäß Gleichung (1) wird dabei z. B. eine geänderte Transferfunktion gemäß Gleichung (2) benutzt:

T_ist = f(U_T) + a.dm/dt (2)

Im stationären Zustand, also bei dm/dt = 0, stimmen Gleichung (1) und (2) überein. Verändert sich aber das Gewicht der Probe mit der Zeit, so wird eine erhöhte Temperatur T_ist an den Soll/Ist-Wert-Vergleicher 32 weitergeleitet und dadurch entsprechend der Regler-Kennlinie die Heizleistung der Heizquelle 11 gedrosselt. Je größer der Wert von dm/dt ist, desto größer ist der Eingriff in den Regelkreis. Dadurch wird bei größerem dm/dt, also bei stärkerer Abdampfung von der Probe 9, die Leistung der Heizquelle 11 stärker gedrosselt als bei kleinem dm/dt. - Im Vorstehenden und Folgenden ist immer vom Absolutwert von dm/dt ausgegangen, dm/dt ist in Wirklichkeit natürlich negativ.

Die in Gleichung (2) vorgesehene Veränderung proportional zum Wert von dm/dt ist selbstverständlich nur eine von vielen Möglichkeiten der Beeinflussung. Beispielsweise kann auch eine quadratische Abhängigkeit von dm/dt vorgesehen sein, oder die Konstante a kann sich mit der Masse m der Probe ändern: Bei kleiner Probenmasse m ist a groß, es erfolgt also ein stärkeres Zurückfahren der Leistung der Heizquelle, während bei großer Probenmasse m der Wert für a geringer ist und damit auch der Eingriff in den Regelkreis geringer. Allgemein gilt also:

T_ist = f(U_T) + f₂(U_T, m, dm/dt) (3)

Die nicht erläuterten Teile im Blockschaltbild der Fig. 3 sind genauso aufgebaut wie die gleich bezeichneten Teile im Blockschaltbild der Fig. 2.

Weiter ist in Fig. 3 gestrichelt angedeutet, dass die Einheit 35, die dm/dt ermittelt, hardwaremäßig mit dem Mikroprozessor der digitalen Auswerteschaltung identisch sein kann und in diesem Mikroprozessor einen bestimmten Programmbereich umfasst.

In Fig. 4 ist eine alternative Ausgestaltung des Regelkreises gemäß der Erfindung dargestellt. Gleiche Teile wie in den Fig. 2 und 3 sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht noch mal erläutert. Das Signal dm/dt wird in Fig. 4 über eine Anpasserschaltung 37 direkt dem Regler 33' zugeführt. Durch den direkten Eingriff in den Regler 33' kann sowohl das in der ersten Ausgestaltung beschriebene Regelverhalten nachgebildet werden, als auch weitergehende Regelalgorithmen verwirklicht werden. Z. B. kann der Regler 33' im Kleinsignal-Regelverhalten unabhängig von der Größe des Signals dm/dt sein und nur die maximale Leistung der Heizquelle wird in Abhängigkeit von der Größe des Signals dm/dt verändert. Bei geringem dm/dt kann die maximale Leistung für die Heizquelle dann vorteilhafter Weise hoch liegen und bei größeren Werten von dm/dt wird die maximale Leistung abgesenkt.

Claims

1. Trocknungswaage mit einem Wägesystem (1), mit einer Waagschale (7), mit einer Heizquelle (11) zum Erwärmen und Trocknen der Probe (9) auf der Waagschale, mit einem Temperaturfühler (4), der die Temperatur in der Nähe der Probe misst, mit einer Steuerelektronik (3), die die Leistung der Heizquelle in Abhängigkeit von der Temperatur des Temperaturfühlers und der eingestellten Solltemperatur regelt, und mit einer digitalen Auswerteelektronik (5), die die Gewichtsabnahme der Probe und den Feuchtegehalt der Probe errechnet, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Auswerteelektronik (5) auch die Gewichtsabnahme der Probe (9) pro Zeiteinheit errechnet und dass die Steuerelektronik (3) aufgrund dieser Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit mindestens einen Parameter des Regelkreises für die Leistung der Heizquelle (11) verändert.

2. Trocknungswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (3) die Maximalleistung der Heizquelle (11) in Abhängigkeit von der Größe der Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit begrenzt.

3. Trocknungswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (3) die Maximalleistung der Heizquelle (11) bei großer Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit absenkt.

4. Trocknungswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (3) das Temperatursignal des Temperaturfühlers (4) in Abhängigkeit von der Größe der Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit verändert.

5. Trocknungswaage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (3) das Temperatursignal des Temperaturfühlers (4) um einen zur Gewichtsabnahme pro Zeiteinheit proportionalen Wert erhöht.

6. Trocknungswaage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor von der Probenmasse abhängig ist.