DE19815074A1 - Labor-Temperiergerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Labor-Temperiergerät, mit einem wenigstens einen Innenraum zur Aufnahme von Prüf- oder Beschickungsgut bildenden Gehäuse, mit einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung zum Aufheizen oder Abkühlen des Innenraumes und des dortigen Prüf- oder Beschickungsgutes, sowie mit wenigstens einem ersten fest im Innenraum vorgesehenen Temperatursensor, der an einen Regler eines Temperatur-Regelkreises angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Labor-Temperiergerät gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Aus der Laborpraxis, z. B. im biologischen und/oder chemischen Bereich sowie in elektrotechnischen und anderen Entwicklungs- und Prüflabors sind Geräte zur Temperierung bekannt. Dabei handelt es sich in der Regel um spezialisierte Geräte, wie z. B. Brutschränke, Trockenschränke oder Wasserbäder. Diese bekannten Geräte sind dabei entweder ausschließlich auf dem Bereich oberhalb der Raumtemperatur beschränkt, oder aber mit einer Kühlvorrichtung für den Betrieb bei Raumtemperatur oder darunter ausgestattet. Weiterhin temperieren die bekannten Geräte das in ihrem Innenvolumen oder Innenraum enthaltene Medium (flüssig oder gasförmig) grundsätzlich durch die Messung der Temperatur an nur einer festen für das gesamte Volumen repräsentativen Meßstelle und durch die Steuerung der Heiz- und Kühleinrichtung mit dem Meßwert dieser einzigen Meßstelle.

Die wesentlichen Nachteile dieser bekannten Temperiergeräte sind somit

• - die Gefahr der Veränderung der Gegebenheiten im Innenraum durch das Einbringen von Beschickungsgut, wodurch vielfach die gewünschte Temperaturgenauigkeit an dem zu temperierendem Bereich nicht eingehalten wird,
• - die Spezialisierung auf ein bestimmtes Temperiermedium (z. B. Wasser oder Luft),
• - die Steuerung der Temperierung in Bezug auf das das Innenvolumen des Gerätes ausfüllende Medium, obwohl es nur bei wenigen Temperaturtests auf die Temperierung dieses Mediums ankommt, vielmehr die genaue Temperierung eines bestimmten Beschickungsgutes in sehr vielen Fällen erforderlich und hierbei die Temperierung des das Beschickungsgut umgebenden Mediums vielfach nur von zweitrangiger Bedeutung ist.

Nachteilig ist bei bekannten Temperiergeräten aber auch deren große Baugröße. Die Anschaffung solcher Temperiergeräte mit einem Innenraumvolumen von 50 bis 100 Litern ist vielfach für kleine Labors zu teuer und auch zu raumaufwendig, was zu einer Vernachlässigung der erforderlichen Tests und zu hohen externen Kosten führt. Weiterhin ist bei den bekannten großvolumigen Temperiergeräten auch keine ausreichende Mobilität zur Integration in bestehenden Meß- und Prüfaufbauten gewährleistet. Aus diesem Grunde ist es dann vielfach notwendig, Prüfaufbauten oder Prüflinge zum Temperiergerät zu bringen, anstelle umgekehrt das Temperiergerät zu den Prüfaufbauten, was vielfach kostengünstiger wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Labor-Temperiergerät aufzuzeigen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Labor- Temperiergerät entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Labor-Temperiergerät besitzt wenigstens einen ersten Temperatursensor, der fest im Gehäuse installiert ist, sowie wenigstens einen zweiten, vom ersten beabstandeten Temperatursensor innerhalb des Innenraumes des Gehäuses, wobei der zweite Temperatursensor vorzugsweise frei positionierbar ist, und zwar z. B. an einer gewünschten Position im Beschickungsgut, an einem gewünschten Bereich eines Prüflings usw.

Soll das Labor-Temperiergerät für den alternativen Betrieb mit Luft oder einer Flüssigkeit, z. B. Wasser geeignet sein, so sind die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften dieser Medien von zentraler Bedeutung. Bei der Temperaturregelung sind daher die folgenden physikalischen Grundwerte zu beachten:

Aus der vorstehenden Tabelle ergibt sich, daß für die Temperierung von Wasser eine erheblich höhere Heiz- oder Kühlleistung notwendig ist als für die Temperierung von Luft. Die höhere, für die Temperierung von Wasser benötigte Leistung würde daher bei Verwendung von Luft als Medium dazu führen, daß die entsprechenden Heizelemente bereits überhitzen, bevor der Wärmeübergang von diesen Heizelementen an die Luft erfolgt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Temperatur-Regelkreises mit dem wenigstens einen ersten Temperatursensor und mit dem wenigstens einen zweiten Temperatursensor wird dieser Nachteil vermieden. Der erste Temperatursensor ist unmittelbar am Heiz- oder Kühlelement plaziert und kann somit das Überschreiten von vorgegebenen Maximalwerten in der Temperatur oder im Temperaturanstieg (Temperaturgradient) durch entsprechende Einwirkung auf die Regelung verhindern. Der wenigstens eine zweite Temperatursensor befindet sich dann in bzw. am zu temperierenden Medium, am Prüfling usw.

Aus der Abweichung des von dem ersten Temperatursensor gemessenen Temperaturverlaufs bei beschicktem Gerät von einem Norm-Temperaturverlauf, den dieser Temperatursensor bei leerem Gerät mißt, und/oder aus der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Temperatursensor kann auf die physikalischen Größen des Mediums im Gerät geschlossen bzw. die Temperatur-Regelung unter Berücksichtigung der physikalischen Größen des Mediums und/oder Prüflings im Sinne eines möglichst optimalen Regelverhaltens mit möglichst asymptotischer Annäherung an die gewünschte Solltemperatur und ohne Temperaturüberschwinger erfolgen, und zwar durch Steuerung der Heiz- oder Kühlleistung in Abhängigkeit von dieser Temperaturdifferenz.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung ist somit auch ein sicheres Anfahren, Erreichen und Halten einer gewünschten Temperatur an einer bestimmten Stelle des Temperiergutes oder Prüflings möglich. Bei der Erfindung wird die Temperatur nicht an einer festen Stelle im zu temperierendem Raum gemessen, sondern bei der Erfindung ist es möglich, die Temperatur mit Hilfe des frei plazierbaren Temperatursensors tatsächlich dort zu messen, wo diese Temperatur interessiert.

Bei der Erfindung ist es möglich, eine Temperierung nach dem frei positionierbaren Fühler vorzunehmen, ohne daß dabei die Gefahr besteht, daß Temperatur- oder Betriebsgrenzen überschritten werden und/oder die Regelung instabil wird. Der Regler wertet kontinuierlich, d. h. in vorgegebenen Zeitabständen getaktet jeweils die Meßergebnisse sämtlicher Temperatursensoren aus und ermittelt hieraus die erforderlichen Stellgrößen für die Heiz- und Kühlelemente. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, daß der Regler Zeit-Temperaturverläufe steuert und dabei insbesondere sollwertabhängige Schritte in Abhängigkeit des frei positionierbaren Temperatursensors durchführt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter schematischer Block- bzw. Funktionsdarstellung ein Temperiergerät gemäß der Erfindung;

Fig. 2 als Beispiel ein Temperatur-Zeit-Diagramm mit drei mit "Normalverlauf I", "IST-Verlauf I" und "IST-Verlauf II" bezeichnete Temperaturkurven, die den zeitlichen Verlauf der Temperatur an den Temperaturfühlern des Temperiergerätes wiedergeben.

Das in der Fig. 1 dargestellte Temperiergerät besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 1, welches bei der dargestellten Ausführungsform wannenartig, d. h. an der Oberseite offen und am Umfang sowie am Boden geschlossen ausgebildet ist und dessen Innenraum 2 den Raum zur Aufnahme des Tests- oder Beschickungsgutes bildet. Dieses Beschickungsgut ist beispielsweise Luft, Gas oder Flüssigkeit. In dem Innenraum 2 und/oder in dem dortigen Beschickungsgut kann auch ein fester Gegenstand 3, z. B. ein zu testendes Gerät oder ein Prüfling angeordnet sein. Das Beschickungsgut füllt den Innenraum 2 zumindest teilweise aus, beispielsweise bis zu dem Niveau 4.

An den Umfangsseiten ist das Gehäuse 1 mit wenigstens einem Kühlelement 5 versehen, welches zum Kühlen des Innenraums 2 bzw. des dortigen Beschickungsgutes dient. Das Kühlelement 5 kann die unterschiedlichste Ausbildung aufweisen, beispielsweise in Form eines Wärmetauschers, eines von einem Kühlmediums durchströmten Kühlers, eines Verdampfers einer Kältemaschine usw. Weiterhin ist am Gehäuse 1, d. h. bei der dargestellten Ausführungsform am Boden des Gehäuses eine elektrische Heizeinrichtung 6 vorgesehen. Das Kühlelement 5 und die Heizeinrichtung 6 befinden sich jeweils an der Außenfläche der betreffenden Gehäusewandung. Das Gehäuse 1 ist selbstverständlich mit einer nicht dargestellten Wärmeisolierung versehen, die auch das wenigstens eine Kühlelement 5 und Heizelement 6 nach außen hin abdeckt. An der Oberseite ist das Gehäuse 1 durch einen nicht dargestellten Deckel aus wärmeisolierendem Material verschließbar.

Mit 7 ist ein erster Temperaturfühler 1 bezeichnet, der fest am Gehäuse 1 montiert ist und damit eine vorgegebene Zuordnung zu den Aktoren (Kühlelement 5 und Heizelement 6) aufweist. Mit 8 ist ein beweglicher bzw. frei positionierbarer Temperatursensor II bezeichnet, der vom Benutzer an der jeweils gewünschten Stelle im Innenraum 2 positioniert werden kann, beispielsweise auch an einem bestimmten Bereich des Beschickungsgutes. Beide Temperatursensoren 7 und 8 sind über elektrische Signalleitungen an eine einen Mikroprozessor enthaltende Meß- und Regelelektronik 9 angeschlossen, der u. a. ein Daten- und Programmspeicher 10, ein Anzeigedisplay oder einen Bildschirm 11 sowie eine Eingabe 12 zugeordnet sind und die über eine Leistungsstufe 13 die Leistung des wenigstens einen Kühlelementes 5 oder des Heizelementes 6 steuert, und zwar in Abhängigkeit von den Signalen der Temperatursensoren 7 und 8 und in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise derart, daß eine über die Eingabe 12 eingegebene Endtemperatur oder ein über die Eingabe 12 eingegebener Zeit-Temperaturverlauf des Beschickungsgutes bzw. am Temperatursensor 8 möglichst optimal und insbesondere auch in einem asymptotischen Regelverlauf ohne Überschwingen und ohne Überschreitung von vorgegebenen Betriebs- Grenzwerten erreicht wird.

Da der Temperatursensor 7 fest im Innenraum 2 und in unmittelbarer Nähe sowohl des Kühlelementes 5, als auch des Heizelementes 6 montiert ist, können mit diesem Temperatursensor 7 Temperatur-Grenzwerte und Temperaturgradienten überwacht werden, die auf keinen Fall überschritten werden dürfen, um eine Beschädigung des Temperiergerätes zu vermeiden.

Aufgrund der festen Anordnung des Temperatursensors 7 und aufgrund seiner festen Zuordnung zum Kühlelement 5 und zum Heizelement 6 ist es weiterhin auch möglich, daß die Regelelektronik beispielsweise beim Anheizen mit einer vorgegebenen konstanten Heizleistung 9 aus den unterschiedlichen Temperaturverläufen bei nicht beschickter Vorrichtung (Kurve "Normalverlauf I" der Fig. 2) und bei beschickter Vorrichtung ("nachhinkenden" Temperaturverlauf - Kurve "IST-Verlauf I" der Fig. 2) Regelparameter bestimmt und bei der Temperaturregelung berücksichtigt, die den physikalischen Eigenschaften des Beschickungsgutes, wie z. B. Wärmekapazität des Beschickungsgutes, Wärmeübergang auf dieses Beschickungsgut Rechnung tragen. Dies kann beispielsweise durch Auswahl und Verwendung von Regel-Parametern erfolgen, die für bestimmte Abweichungen vom "Normalverlauf I" durch empirische Untersuchungen für eine optimale Regelung ermittelt und in Tabellenform im Speicher 10 hinterlegt sind.

In der Fig. 2 ist mit "IST-Verlauf II" der am frei positionierbaren Temperatursensor 8 ermittelte Temperaturverlauf wiedergegeben, der dem Temperaturverlauf "IST-Verlauf I" nacheilt, und zwar in Abhängigkeit u. a. von der Anordnung des frei positionierbaren Temperatursensors 8, von dem Wärmeübergang im Beschickungsgut bzw. auf das Beschickungsgut sowie von der Wärmeleitfähigkeit des Beschickungsgutes, an bzw. in dem der Temperatursensor 8 angeordnet ist.

Die in der Fig. 2 wiedergegebenen Temperaturverläufe gelten sinngemäß auch bei einem Abkühlen.

Die jeweils zu bestimmten Zeitpunkten T ermittelte Temperaturdifferenz zwischen dem "IST-Verlauf I" und dem "IST-Verlauf II" kann beispielsweise ebenfalls zur Regelung der Heiz- oder Kühlleistung und zur Erzielung einer möglichst optimalen Annäherung an einen eingestellten Temperaturendwert verwendet werden, und zwar dadurch, daß mit der Regelung Temperaturdifferenzen eingehalten werden, die bei empirischen Untersuchungen für eine optimale Temperaturänderung bzw. für eine optimale Aufheizung oder Abkühlung auf die jeweils gewünschte Endtemperatur als sinnvoll ermittelt und in Tabellenform im Datenspeicher 10 hinterlegt sind.

Im einfachsten Fall erfolgt die Regelung beispielsweise in der Form, daß der Temperatursensor 7 im wesentlichen nur Überwachungsfunktion hat, d. h. ein mögliches Überschreiten von maximalen Betriebs-Grenzwerten überwacht und in diesen Fällen die Heiz- oder Kühlleistung drosselt bzw. abschaltet, während die eigentliche Temperaturregelung über den frei positionierbaren Temperatursensor 8 erfolgt. Der Regelalgorithmus auf der Regelelektronik 9 enthält dann eine Art Plausibilitätsprüfung, d. h. wird nach einer bestimmten oder frei wählbaren Zeitperiode Tc nach dem An heizen eine Temperaturänderung am Temperatursensor nicht festgestellt, so wird dies als Kriterium für einen Defekt des Temperatursensors 8 oder als Kriterium dafür genommen, daß dieser Sensor sich außerhalb des Gerätes befindet.

Die Temperaturregelung kann also beispielsweise auch nach folgendem Schema erfolgen: Zunächst erfolgt ein Anheizen gemäß voreingestellter und/oder ermittelter Parameter anhand der Rückmeldung des Temperatursensors 8 und aufgrund eines klassischen Regelalgorythmus, z. B. "PID".

Zugleich mit dem Beginn des Anheizens wird ein Zeitglied eingeschaltet und mit diesem Zeitglied werden dann die folgenden Kriterien überwacht:

• (a) Ist die aktuelle Zeit t kleiner als die Kontrollzeit Tc?
• (b) Ist die Regelabweichung, d. h. die Differenz zwischen der gewünschten Endtemperatur und der tatsächlichen Temperatur an dem Temperatursensor 8 unter einen bestimmten Schwellwert gesunken? Dieser Schwellwert ist dann entweder fest eingestellt ist oder aber ein Prozentsatz des jeweiligen Endwertes und wird damit von der Regelelektronik 9 anhand des eingestellten Temperaturendwertes errechnet.
• (c) Wird die zulässige Höchsttemperatur am Temperatursensor 7 überschritten und/oder werden andere Maximalwerte, beispielsweise ein maximaler Temperaturgradient am Temperatursensor 7 oder 8 überschritten?

Treten Überschreitungen gemäß vorstehender Ziffer (c) ein, so erfolgt eine Reduzierung oder ein Abschalten der Heizleistung. Sind die Regelabweichungen am Sensor 8 gemäß vorstehender Ziffer (b) bei Erreichen der Kontrollzeit Tc nicht unter den Schwellwert gesunken, so wird dies als Kriterium für den Defekt des Temperatursensors 8 oder als Kriterium dafür genommen, daß dieser Temperatursensor nicht ordnungsgemäß positioniert ist. Andernfalls dient die Zeit Tc nur zum zyklischen Ausführen von Überprüfungsroutinen (z. B. Fuzzy-Logic) sowie eventuell als Zeitpunkt zum Anpassen der Regelparameter.

Der Defekt des Temperatursensors 8 wird dann beispielsweise optisch und/oder akustisch angezeigt. Die Kontrollzeit Tc ist z. B. entweder fest im Regler hinterlegt oder sie wird aus dem Vergleich "Normalverlauf I" und "IST-Verlauf I" ermittelt.

Die vorbeschriebene einfache Regelung kann aber auch kombiniert werden mit weiteren Maßnahmen, beispielsweise damit, daß die Heizleistung in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem "IST-Verlauf I" und dem "IST-Verlauf II" nach den oben bereits erwähnten, tabellarisch für die unterschiedlichen Medien abgelegten Werten oder Parametern gesteuert sind.

Soweit vorstehend auf die Temperaturregelung beim Aufheizen Bezug genommen wurde, gilt dies sinngemäß auch für die Temperaturregelung beim Kühlen. Die Verwendung von zwei Temperatursensoren 7 und 8 ermöglicht eine sehr genaue Temperierung des Beschickungsgutes bei direkter Beheizung oder Kühlung der Wände des Gehäuses 1, ohne daß unzulässig hohe oder tiefe Temperaturen an den Wänden auftreten. Durch die direkte Kühlung und Heizung an den Wänden des Gehäuses 1 und durch die Verteilung der Temperatur im Innenraum 2 allein durch Konvektion innerhalb der dort vorhandenen Luft bzw. des dort vorhandenen Beschickungsgutes ist es möglich, die Abmessungen des Temperiergerätes klein zu halten und damit ein raumsparendes, kostengünstiges Temperiergerät zu schaffen, welches auch mobil einsetzbar ist und damit ohne Probleme an den jeweiligen Verwendungsort transportiert werden kann. Das erfindungsgemäße Temperiergerät benötigt insbesondere auch keine das Bauvolumen vergrößernde Vorkammern zum Temperieren oder Kühlen von Luft oder Flüssigkeit sowie auch keine aufwendigen und das Bauvolumen vergrößernden Umwälzeinrichtungen für Luft, Gas oder Flüssigkeiten innerhalb des Innenraumes des Temperiergerätes. Durch die Ausbildung des Gehäuses 1 als Wanne ist das erfindungsgemäße Temperiergerät in gleicher Weise für Luft, Gase, aber auch für Flüssigkeiten geeignet.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Gehäuseinnenraum

3

Prüfling

4

Niveau

5

Kühlelement

6

Heizelement

7

,

8

Temperatursensor

9

Regelelektronik

10

Daten- und Programmspeicher

11

Anzeige

12

Eingabe

13

Leistungsstufe

Claims (10)

1. Labor-Temperiergerät, mit einem wenigstens einen Innenraum (2) zur Aufnahme von Prüf- oder Beschickungsgut bildenden Gehäuse (1), mit einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung (5, 6) zum Aufheizen oder Abkühlen des Innenraumes (2) und des dortigen Prüf- oder Beschickungsgutes, sowie mit wenigstens einem ersten fest im Innenraum (2) vorgesehenen Temperatursensor (7), der an einen Regler (9) eines Temperatur-Regelkreises angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) wenigstens einen zweiten Temperatursensor (8) aufweist, der im Abstand vom ersten Temperatursensor (7) positioniert oder positionierbar ist.

2. Labor-Temperiergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine zweite Temperatursensor (8) frei positionierbar ist.

3. Labor-Temperiergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensoren (7, 8) vom Regler (9) jeweils zu vorgegebenen Zeitpunkten (T) getaktet abgefragt werden.

4. Labor-Temperiergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine erste Temperatursensor (7) in unmittelbarer Nähe des Heiz- oder Kühlelementes (5, 6) angeordnet ist.

5. Labor-Temperiergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wannenartig ausgebildet ist.

6. Labor-Temperiergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse schrankartig ausgebildet ist.

7. Labor-Temperiergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (6) und/oder die Kühleinrichtung (5) unmittelbar an einer Gehäusewandung vorgesehen sind.

8. Labor-Temperiergerät, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung ein vorzugsweise miniaturisiertes Kompressor-Kühlaggregat umfaßt.

9. Labor-Temperiergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Regler (9) anhand eines unterschiedlichen Temperaturverlaufs am ersten und zweiten Temperatursensor die Art und/oder das Verhalten der Temperatur-Regel-Strecke bestimmt bzw. diese Strecke derart anpaßt werden, daß ein vorgegebener oder eingestellter Temperaturverlauf ohne Überschreitung von Grenzwerten und/oder ohne unerwünschte Temperaturüberschwinger erhalten wird.

10. Labor-Temperiergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler die Heiz- oder Kühlleistung aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem wenigstens einem ersten Temperatursensor (7) und dem wenigstens einem zweiten Temperatursensor (8) nach tabellarisch für diese Temperaturdifferenzen abgelegten Werten steuert.