DE10123101A1 - Apparatus for measuring weight loss and moisture content of a sample during its heating has improved temperature control based on the measured heat loss per unit time - Google Patents
Apparatus for measuring weight loss and moisture content of a sample during its heating has improved temperature control based on the measured heat loss per unit timeInfo
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Abstract
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.The invention relates to a drying balance with a weighing system, with a weighing pan with a heating source for heating and drying the sample on the weighing pan, with a temperature sensor that measures the temperature in the Proximity of the sample measures using control electronics that measure the power of the heating source depending on the temperature of the temperature sensor and the set one Setpoint temperature controls, and with digital evaluation electronics that the Weight loss of the sample and the moisture content of the sample are calculated from this.
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.Drying scales of this type are generally known and z. B. in the DE 37 06 609 C1 described. A disadvantage of these known drying scales is that the temperature sensor measures the temperature near the sample and not the temperature of the sample itself. A temperature sensor directly in the sample however requires connecting cables to the weighing pan, which means that the measurement of the Sample weight is slightly falsified. To solve this problem of the place DE 37 06 609 proposes a temperature sensor, a so-called To use temperature calibration disc and the real one in a calibration measurement Temperature in the sample and that from the temperature sensor near the sample compare the measured temperature in the steady state and derive a To derive a correction factor or a correction curve. This procedure solves the problem, however, only partially, since the correction is only in the steady state correct is. However, additional ones arise as the temperature rises dynamic errors that are not corrected. For example, introduces Misting of the temperature sensor due to evaporation in the sample Water to significant other temperature differences between the sensor and Sample than in steady state.
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.The object of the invention is therefore, for a drying balance of the beginning mentioned type to provide a further improvement and in particular the The power of the heat source also as exactly as possible during the heating phase regulate how it is necessary to achieve a uniform heating.
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.According to the invention, this goal is achieved in that the digital Evaluation electronics also the weight loss of the sample per unit of time calculated and that the control electronics per this weight loss Unit of time at least one parameter of the control loop for the performance of the Heating source changed.
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.The determination of weight loss per unit of time is already from the DE 38 32 726 C2 is known and is used there for the calculation of the end time of the drying process. A use of weight loss per time unit for the control of the heating source is in DE 38 32 726, however not provided. Only the inventors realized that weight loss per Unit of time for the intervention in the control loop for the power of the heating source is suitable and allows the dynamic influences to be optimally corrected.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the invention result from the Dependent claims.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt:The invention is described below with reference to the figures. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Trocknungswaage, Fig. 1 is a schematic illustration of a drying balance,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des Regelkreises gemäß dem Stand der Technik, Fig. 2 is a block diagram of the control circuit according to the prior art,
Fig. 3 ein Blockschaltbild des Regelkreises gemäß der Erfindung in einer ersten Ausgestaltung und Fig. 3 is a block diagram of the control circuit according to the invention in a first embodiment and
Fig. 4 ein Blockschaltbild des Regelkreises gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausgestaltung. Fig. 4 is a block diagram of the control circuit according to the invention in a second embodiment.
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.In the schematic representation of the dry weighing machine in Fig. 1, a weighing system 1 with a weighing pan 7, and a sample 9 in the pan can be seen. An infrared lamp is indicated as the heating source 11 , but the heating source can alternatively be a quartz radiator, a halogen radiator or another known heating source. The output of the heating source 11 is regulated by control electronics 3 as a function of the temperature of the temperature sensor 4 and the set target temperature. The output signal of the weighing system 1 is fed to a digital evaluation electronics 5 via an analog / digital converter 6 . The moisture content of the sample calculated there is displayed in a display unit 2 . The drying weigher is operated via a keyboard 8 , which is used, among other things, to enter the target temperature for the sample. This desired setpoint temperature is passed on from the digital evaluation electronics 5 via the line 10 to the control electronics 3 for the heating source.
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.The drying weigher was only briefly explained in the preceding, because of the structure and function are generally known. A more detailed representation of a possible construction can be found e.g. B. in the already cited DE 37 06 609, a newer design can be found in 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 UT 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 UT des Temperaturfühlers 4 die
Ist-Temperatur gemäß Gleichung (1) hergeleitet:
The structure of the control circuit for regulating the power of the heating source, which is essential for the invention, is shown in more detail in its structure according to the prior art in FIG. 2. The heat source 11 heats both the sample 9 and the temperature sensor 4 , the spatial proximity of the sample and the temperature sensor aiming for the best possible temperature equality of the two. The output signal U T of the temperature sensor 4 is fed to the setpoint / actual value comparator 32 via an adapter circuit 31 . The adapter circuit 31 contains z. B. a characteristic linearization if the temperature sensor 4 has a non-linear characteristic; further z. B. make a characteristic curve correction of the temperature sensor signal if a calibration of the temperature sensor was carried out by means of the so-called temperature calibration disk. In general, the actual temperature is derived in accordance with equation (1) in the adapter circuit 31 from the output signal U T of the temperature sensor 4 :
Tist = f(UT) (1)T is = 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.The setpoint / actual value comparator 32 receives the adjusted signal for the actual value of the temperature on the one hand and the setpoint for the temperature on the other hand via line 10 . The difference is fed to the controller 33 , which specifies the power for the heating source 11 from it and the programmed control characteristic (e.g. PID control behavior). - The controller 33 , the target / actual comparator 32 and the adapter circuit 31 together form the dashed-line control electronics 3 , as is also shown in FIG. 1. Next - 2 as the weight of the sample is detected by the weighing system 1 is shown in Figure 9 shown, is evaluated in the evaluation unit 6 and 5, and the result is displayed in the display 2.. A smoothing filter 12 and a display 13 for displaying the actual temperature are also shown.
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:
In Fig. 3 is now shown how the control circuit for the power of the heating source is expanded according to the invention: the weighing system 1 and the transmitter 6 and 5, a unit 35 downstream of the dt is the weight loss of the sample per unit time, so dm /, calculated. This signal is fed to the adapter circuit 31 'via the line 36 and there changes the transfer function of the adapter circuit 31 '. Instead of the normal transfer function according to equation (1), z. B. uses a changed transfer function according to equation (2):
Tist = f(UT) + a.dm/dt (2)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 Tist 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.In the steady state, i.e. with dm / dt = 0, equations (1) and (2) agree. However, if the weight of the sample changes over time, an increased temperature T ist is passed on to the target / actual value comparator 32 and the heating power of the heating source 11 is thereby reduced in accordance with the controller characteristic. The greater the value of dm / dt, the greater the intervention in the control loop. As a result, the power of the heating source 11 is throttled more at a larger dm / dt, that is to say when the sample 9 is more strongly evaporated, than at a small dm / dt. - In the above and the following, the absolute value of dm / dt was always assumed, in reality dm / dt is of course negative.
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:
The change provided in equation (2) proportional to the value of dm / dt is of course only one of many possibilities for influencing. For example, a quadratic dependence on dm / dt can also be provided, or the constant a can change with the mass m of the sample: with a small sample mass m, a is large, so there is a greater decrease in the power of the heating source, while with a large sample mass m the value for a is lower and thus the intervention in the control loop is less. In general, the following applies:
Tist = f(UT) + f2(UT, m, dm/dt) (3)
T is = f (U T ) + f 2 (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.The parts that are not explained in the block diagram of FIG. 3 are constructed in exactly the same way as the parts with the same designation in the block diagram of 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.Furthermore, it is indicated in broken lines in FIG. 3 that the unit 35 , which determines dm / dt, can be identical in hardware to the microprocessor of the digital evaluation circuit and comprises a specific program area in this microprocessor.
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.In FIG. 4, an alternative embodiment of the control circuit is shown in accordance with the invention. The same parts as in FIGS. 2 and 3 are again designated with the same reference numerals and will not be explained again. The signal dm / dt in FIG. 4 is fed directly to the controller 33 'via an adapter circuit 37 . By directly intervening in the controller 33 ', the control behavior described in the first embodiment can be simulated, and more extensive control algorithms can be implemented. For example, the controller 33 'in the small signal control behavior can be independent of the size of the signal dm / dt and only the maximum power of the heating source is changed depending on the size of the signal dm / dt. If the dm / dt is low, the maximum power for the heating source can advantageously be high, and if the dm / dt is larger, the maximum power is reduced.
Claims (6)
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| DE2001123101 DE10123101A1 (en) | 2001-05-12 | 2001-05-12 | Apparatus for measuring weight loss and moisture content of a sample during its heating has improved temperature control based on the measured heat loss per unit time |
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Publications (1)
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