DE3231004C2 - - Google Patents
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- DE3231004C2 DE3231004C2 DE19823231004 DE3231004A DE3231004C2 DE 3231004 C2 DE3231004 C2 DE 3231004C2 DE 19823231004 DE19823231004 DE 19823231004 DE 3231004 A DE3231004 A DE 3231004A DE 3231004 C2 DE3231004 C2 DE 3231004C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Feuchtigkeitsmesser bestehend aus
einer Waage mit einer Waagschale, in der Meßgut durch einen
Energiestrahler während einer Trocknungszeit Energie zur
Verdampfung von Feuchtigkeit zugeführt wird, und einer
Auswerteschaltung, die ein Programm-, Rechen- und
Speicherwerk enthält und die eingangsseitig mit der Waage,
einer Eingabevorrichtung und einem Taktgenerator verbunden
ist und ausgangsseitig mit einer Anzeige und/oder einem
Druckwerk und einer Steuerschaltung verbunden ist, die den
effektiven Stromfluß zum Energiestrahler steuert, wobei die
Auswerteschaltung programmabhängig nach Eingabe eines
Startsignales das Gewichtsignal auswertet und ein
Anfangsgewicht ermittelt und speichert und dann das
Gewichtssignal fortlaufend zu Zeitpunkten in vorgegebenen
Zeitabständen, die kurz gegenüber der Trocknungszeit sind,
übernimmt und speichert und fortlaufend aus einer
festgestellten Gewichtsänderung einen Gewichtsgradienten
bestimmt und einen Grenzwertvergleich durchführt und bei
Grenzwertunterschreitung einen Trocknungsendzeitpunkt
bestimmt, zu dem sie ein Steuersignal zur Stromlossteuerung
des Energiestrahlers abgibt und ein dazugehöriges
Endgewicht bestimmt und die Differenz des Anfangs- und
Endgewichtes absolut oder relativ zum Anfangsgewicht als
Feuchtigkeitswert ausgibt.
Es ist aus der japanischen Patentanmeldung 50-61 218
bekannt, das Gewicht einer zu trocknenden Probe in
vorgegebenen Zeitabständen zu bestimmen und dann, wenn
keine meßbare Gewichtsabnahme zur vorhergehenden Messung
festgestellt wurde, die Zufuhr von Trocknungsenergie zu
beenden und den Wärmestrahler abzuschalten. Die Meßzeit und
Meßgenauigkeit werden dabei immer durch die Einheit der
letzten Stelle der Meßvorrichtung bestimmt. Bei sehr
genauen Waagen wird dies für eine verlangte geringere Genauigkeit
zu einer unnötig langen Meßzeit führen. Bei dem bekannten
Feuchtigkeitsmesser wird die Höhe der Energiezufuhr durch
Bediener für die einzelnen Proben für die gesamte Meßzeit
festgelegt. Um zu vergleichbaren Meßergebnissen bei
mehreren Messungen zu kommen, muß dabei einerseits
gewährleistet sein, daß das Meßgut weitestgehend getrocknet
ist, wenn das Endgewicht bestimmt wird, und andererseits
das Meßgut nicht überhitzt wird; andernfalls würde eine
Zersetzung und eventuell eine unzulässige Gewichtsabnahme
eintreten, bevor das Endgewicht bestimmt wird. Um beide
Bedingungen mit Sicherheit zu erfüllen, wird im allgemeinen
mit einer gegenüber der tatsächlich möglichen Energiezufuhr
geringeren Leistung gearbeitet und zum Ausgleich eine
entsprechend lange Trocknungszeit mit einem Sicherheitszuschlag
gewählt. Dieses Vorgehen hat den Nachteil, daß eine
ungünstige Auslastung des teuren Meßgerätes entsteht.
Weiterhin wird bei zu geringer Energiezufuhr eine vollständige
Trocknung relativ fest gebundener Feuchtigkeit
nicht erreicht.
Es ist weiterhin aus CH-PS 4 15 116 bekannt, bei einem durch
Heizung trocknenden Feuchtigkeitsmesser laufend den
zeitlichen Gewichtsverlauf zu registrieren und zeitlichen
Gewichtsgradienten laufend zu bestimmen und mit einem
oberen und einem unteren Grenzwert zu vergleichen, bei
deren Erreichen jeweils die Heizung vermindert bzw. erhöht
wird. Diese Anordnung ermöglicht zwar eine relativ schnelle
Trocknung bei schonender Probenbehandlung, die eine
Zersetzung der Probe, solange eine Gewichtsabnahme bei
ausreichendem Feuchtigkeitsgehalt stattfindet, verhindert,
sie erreicht aber keine Abschaltung der Vorrichtung nach
erreichtem Trockenzustand, sondern bewirkt eine ständige
Beaufschlagung mit höchster vorgegebener Heizleistung im
getrockneten Zustand, was eine unerwünschte Zersetzung
empfindlicher Meßgüter zur Folge haben kann.
Weiterhin ist aus DE-OS 29 00 782 ein Feuchtigkeitsmesser
bekannt, dessen Waage mit einem elektrischen Gewichtsabnehmer
ausgerüstet ist, dessen Signale ebenso wie ein Thermofühlsignal
über einen Analogdigitalwandler einem Prozessor
zugeführt werden. Dieser beaufschlagt mit seinem Ausgangssignal eine
Steuervorrichtung, die die Heizvorrichtung thermostatisch
regelt. Das Anfangsgewicht der Probe und ein
Endgewicht werden zur Feuchtigkeitsbestimmung ermittelt,
wobei das Endgewicht dann gegeben ist, wenn keine
Gewichtsveränderung mehr auftritt, eine optimale Anpassung
der Heizung an unterschiedliche Probenarten aus der
Gewichtsmessung erfolgt nicht. Ein zusätzlicher Thermofühler
ist erforderlich zur Heizungsregelung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Feuchtigkeitsmesser
zu offenbaren,
durch den bei schonender Probetrocknung in kürzester Zeit
Meßergebnisse vorgegebener, insbesondere auch sehr hoher,
Genauigkeit erreichbar sind.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Auswerteschaltung
eines Feuchtigkeitsmessers der eingangs genannten Art derart ausgebildet ist,
daß jeweils aus einer vorgegebenen Anzahl aufeinanderfolgend
gemessener Gewichte, ein Mittelwert bestimmt
wird und jeweils aus den beiden um die Anzahl versetzt
bestimmten Mittelwerten eine mittlere Gewichtsdifferenz bestimmt
wird und jeweils eine Summe aus einer geometrischen
Reihe gebildet wird, die mit einer vorgegebenen Grenzgröße
dem Grenzwertvergleich unterzogen wird und bei der
Grenzwertunterschreitung der Trocknungsendzeitpunkt bestimmt
wird, zu dem durch Extrapolation das Endgewicht aus dem
zuletzt ermittelten Gewicht vermindert und die genannte Summe
bestimmt und der Energiestrahler stromlos geschaltet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Da die Gewichtsabnahme abschnittsweise entsprechend einer
geometrischen Reihe verläuft, wird vorteilhaft ein
Korrekturwert für das Endgewicht durch Extrapolation
gewonnen, was trotz hoher Genauigkeit des Ergebnisses
einen vorzeitigen Abbruch der Messung erlaubt. Die
Beendigung erfolgt zweckmäßig, wenn der Korrekturwert eine
Grenzgröße unterschreitet.
Vorteilhaft wird die Meßtoleranz durch eine Mittelwertbildung
verringert. Parallel zur Mittelwertbildung werden
Streuungen ermittelt, die als Grenzwert zur Bestimmung der
Trockenzeit dienen. Sinkt die Gewichtsabnahme in einem
angemessenen Zeitabschnitt unter den Wert der Streuung, so
ist die erreichbare Meßgenauigkeit ausgeschöpft, und die
Trocknung wird beendet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung dient zur
Feuchtigkeitsmessung von Meßgut mit mehrfach gestufter
Bindung der Feuchtigkeit, wobei die Messungen der
Feuchtigkeitsanteile der verschiedenen Bindungsstufen
automatisch fortlaufend bis zum Erreichen einer
vorgegebenen Stufenzahl erfolgt.
Eine noch weitergehende Beschleunigung des Ablaufes des
Trocknungsvorganges, insbes. bei gestufter Bindung der
Feuchtigkeit, wird durch eine Steuerung der Energiezufuhr
in der Weise erreicht, daß, solange die Gewichtsabnahme
laufend fortschreitet, die Energiezufuhr schrittweise
weiter gesteigert wird und bei einem Nachlassen der
Gewichtsabnahme schrittweise die Energiezufuhr gedrosselt
wird, wodurch eine Überhitzung des Meßgutes verhindert
wird. Dieser Vorgang stellt eine positive Rückkopplung von
der Waage über den Trocknungsprozeß zur Energiequelle dar.
Um ein Überschwingen zu verhindern ist die Stellgröße für
die Energiezufuhr in beiden Richtungen begrenzt.
Die Grenzwerte für die Energiezufuhr wie auch zur Bestimmung
der Beendigung der Messung, werden vorteilhaft aus dem
Gewicht der Probe automatisch bestimmt. Somit wird die
Energiezufuhr bei größerem Probengewicht und bei höherer
Temperaturbeständigkeit des Meßgutes vergrößert.
Somit ist ein optimaler Betrieb des Feuchtigkeitsmessers
bei beliebigen Materialien ohne detaillierte
Vorkenntnis möglich. Es können z. B. Proben von
Flüssigkeiten mit geringem Feststoffgehalt, Schlämme,
Früchte, Holz, Papier, anorganischer Baustoff usw.
auf ihren Feuchtigkeitsgehalt geprüft werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
besteht aus einem bekannten Feuchtemesser, dessen Waage
an einen Prozessor angeschlossen wird, der die
Gewichtsdaten laufend übernimmt und laufend auswertet.
Am Ausgang des Prozessors ist eine Steuervorrichtung
für die Energiezufuhr für die Trocknung angeschlossen.
Diese Steuervorrichtung steuert vorteilhaft die
Zufuhr des elektrischen Stromes zum Energiestrahler,
z. B. durch Phasenanschnitt, oder sie steuert über
eine Positioniervorrichtung den Abstand oder die
Öffnung einer Blende zwischen dem Energiestrahler und
dem Meßgut. Die Steuerung kann zu einer Regelung
vorteilhaft erweitert werden, wenn die vom Strahler
abgegebene Strahlung durch einen Strahlungssensor gemessen
und mit dem Sollwert verglichen wird.
In den Fig. 1 und 2 ist der Feuchtigkeitsmesser
beispielhaft dargestellt und in den Fig. 3, 4, 5
sind Trocknungsabläufe und zugehörig auftretende
Zwischengrößen in der Meßwertverarbeitung gezeigt.
Fig. 1 zeigt einen Feuchtigkeitsmesser, der aus einer
Waage 1 besteht, auf deren Waagschale 11 sich das
Meßgut 2 befindet. Auf ds Meßgut 2 ist ein
Energiestrahler 3, z. B. ein Infrarot- oder Mikrowellenstrahler,
gerichtet. Die Strahlungsintensität am
Meßgut wird durch eine Positioniervorrichtung Pv, die den
Abstand des Strahlers 3 von dem Meßgut bzw. der
Waagschale bestimmt, oder durch eine Steuerschaltung Ps
für den Versorungsstrom Jl des Strahlers 3 eingestellt.
Die Waage besitzt einen Digitalausgang, auf dem laufend
das aufliegende Gewicht ausgegeben und einer Auswerteschaltung
MP, vorzugsweise einem Mikroprozessor zugeführt
wird. Über eine Tastatur Ta oder eine Datenübertragungsleitung
Düe, an der z. B. ein Dateneingabegerät
angeschlossen ist, wird der Auswerteschaltung MP ein
Auswerte- und Steuerprogramm und die vorzugebenden
Werte eingegeben wie: Zeitabstände Dt, Grenzwert Grd,
Anzahl n, Grenzzahl Grf, Gradientengrenzwerte Gdxu,
Gdxo, maximale bzw. minimale Energiezufuhr Eo, Eu,
spezifische Angaben SDG, SDo für den Grenzwert
oder die Gradientengrenzwerte und/oder spezifische
Grenzwerte SEu, SEo für die Energiezufuhr. Außerdem ist
die Auswerteschaltung MP mit einem Taktgenerator oder
Zeitgeber Cl eingangsseitig verbunden. Seine Ausgänge
führen auf eine Anzeige Dp und/oder ein Druckwerk Pr
und/oder eine Datenübertragungsleitung Düa, über die
im Verfahren ermittelte Daten ausgegeben werden wie:
relative Feuchtigkeit, Anfangsgewicht Ga, Endgewicht Ge,
Trocknungszeit te, Meßwerte G 33, t 33 ; G 35, t 35, die
jeweils bei den relativ kleinsten Gewichtsgradienten
auftreten und/oder Einstellparameter zur Steuerung des
Energiestrahlers 3.
Vorzugsweise ist eine besondere Ausgangsleitung Js
vorgesehen, über die die im Verfahren ermittelte
Steuergröße an die Steuerschaltung PS oder die
Positionierschaltung Pv geliefert wird.
Der Speicher des Mikroprozessors MP ist so
dimensioniert, daß die vorgegebenen Daten, die Anfangs- und
Zwischenmeßwerte, die zu den Mittelwert- und Differenzbildungen
notwendig sind, und ein Zeitzählwert
zusätzlich zu dem Programm gespeichert werden können.
Weiterhin ist es vorteilhaft, Probenart und Vorgabedaten,
die praktisch ermittelt wurden, tabellarisch zu
speichern und entsprechend aufgrund der Probenart die
zugehörigen Vorgabedaten über eine einfache Zuordnung
in das Verfahren einzuführen, was die Eingabe
vereinfacht.
Da ein üblicher Mikroprozessor mit der Verarbeitung
der relativ selten, z. B. alle 10 ms, anfallenden
Daten nur gering belastet ist, kann es vorteilhaft
vorgesehen werden, daß mehrere Feuchtigkeitsmesser mit
einem Mikroprozessor verbunden werden und diese bei
entsprechend vervielfachtem Speicherraum im
Multiplexbetrieb quasi simultan unabhängig voneinander
bedient werden.
Die Steuerung der Energiezufuhr kann entweder über
einen Digital-Analogwandler D/A erfolgen, dessen
Ausgangssignal einem Verstärker V für die Bestimmung des
Stromflusses zum Energiestrahler zugeführt wird.
Eine weitere Lösung besteht darin, daß mit dem
Ausgangssignal des Digital-Analogwandlers D/A statt
eines Verstärkers V eine Phasenanschnittsteuerung
gesteuert wird; dann kann zur Speisung des Verbrauchers
Wechselstrom verwendet werden, und ein Gleichrichter
für hohe Leistungen entfällt.
Eine Phasenanschnittsteuerung kann nach Fig. 2
zweckmäßig aufgebaut werden. Der Digital-Analogwandler
ist durch einen Zähler Z gebildet, der jeweils mit dem
Nulldurchgangssignal N der Versorgungsspannung U∼
des Phasenanschnittschalters Th auf den von dem
Mikroprozessor MP über Leitung Js vorgegebenen Wert
eingestellt wird und mit dem Taktsignal Cl am Eingang Zl
beaufschlagt wird. Sobald jeweils der Zähler seinen
Endstand erreicht hat, entsteht an dessen Ausgang ein
Übertragssignal Ü, das den Phasenanschnittschalter Th
triggert. Durch den vorgegebenen Zählerstand wird
somit die Größe des Anschnitts bestimmt und dadurch der
effektive Stromfluß Jl im Energiestrahler vorgegeben.
Eine andere Alternative der Beeinflussung der
Energiezufuhr besteht in der Steuerung des Abstandes des
Strahlers 3 von dem Meßgut 2. Dieser kann z. B. durch
einen bekannten Schrittmotor mit Spindelgetriebe oder
einem Servomotor in seiner Position verändert werden.
Ein Schrittmotor kann vorteilhaft direkt durch
Schrittimpulse für die eine oder andere Richtung vom
Mikroprozessor gesteuert werden. Ein Digital-Analogwandler
ist dann nicht erforderlich.
Die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen der Phasenanschnittzeit
und dem Strom Jl sowie dem Strom Jl und
der Strahlungsleistung bzw. dem Abstand der Strahlungsquelle
und der vom Meßgut 2 aufgenommenen Strahlung
werden zweckmäßig bei der Bestimmung der Vorgabegröße
Js bzw. der Abstandeinstellung durch eine vorherige
Umrechnung berücksichtigt; ein zwingendes Erfordernis
dazu besteht aber nicht.
Statt einer rechnerischen Linearisierung der
Steuerungscharakteristik der Energiezufuhr wird vorteilhaft in
anderer Ausführung eine Regelung der Strahlungsintensität
auf einen Sollwert vorgenommen, indem in der Ebene des
Meßgutes ein Strahlungssensor Ph angeordnet wird, dessen
Ausgangssignal in einem Soll-Istvergleicher Vg
mit dem in einen Analogwert umgesetzten Sollwert Js
verglichen wird, wobei dessen Ausgangssignal den Strom
Jl oder den Positioniermotor Pv steuert.
Die verschiedenen Alternativen sind in Fig. 1 in
verschiedenen Stricharten dargestellt.
Eine alternative Möglichkeit besteht auch darin, den
Ausgang des Strahlungssensors Ph einem Meßeingang der
Auswerteschaltung zuzuführen und in dieser den
Vergleich rechnerisch durchzuführen.
Der zeitliche Verlauf des Trocknungsprozesses in Form
des Temperatur- und Gewichtsverlaufs ist für ein
übliches Meßgut in Fig. 3 gezeigt. Durch die
Energiezufuhr steigt die Temperatur T(t) anfangs an, bis
sie die Verdampfungstemperatur T 22 von ca. 100°C
für Wasser erreicht. Das Gewicht G(t) fällt dann
vom Anfangsgewicht Ga 1 etwa linear ab, sofern die
Energiezufuhr konstant bleibt. Mit zunehmender
Trocknung zur Zeit t 13 steigt die mittlere Temperatur
weiter an und die Gewichtsabnahme verlangsamt
sich, bis eine Endtemperatur T 24 durch Strahlungs-
und Konvektionsverluste erreicht ist und das Gewicht
nicht weiter abnimmt. Das zur Zeit te 1 erreichte
Endgewicht Ge 1 wird bei weiteren Messungen mit einer
gewissen Schwankungsbreite; die durch die Toleranzen der
Waage und thermische Turbulenzen an der Waagschale
und dem Meßgut entstehen, erneut gemessen.
Eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit ist nicht
möglich. Im allgemeinen genügt es, die Bestimmung
des Feuchtegehalts mit einer größeren Tolerenz
vorzunehmen. Deshalb wird jeweils ein Zeitabschnitt Dt
von z. B. 1 sec und die erwartete Mindeständerung in
diesem als Grenzwert Grd von z. B. 100 µg vorgegeben
und, sofern diese nicht mehr erreicht wird, da der
Trocknungsvorgang weit genug fortgeschritten ist, die
Messung abgeschlossen.
Eine Erhöhung der Genauigkeit der Messung kann durch
mehrfache Messung Mittelwertbildung erreicht
werden, wodurch die Ungenauigkeiten, die durch Turbulenzen
und Waagetoleranzen entstehen, weitgehend ausgemittelt
werden. Der Zeitabschnitt, über den gemittelt wird,
muß dabei groß gegenüber den Perioden der Turbulenzen
aber klein gegenüber der Trockenzeit sein. Es kann
z. B. eine Anzahl n = 100 Messungen mit einem Zeitabstand
Dt = 10 ms jeweils gemittelt werden. Für jeden
weiteren Meßwert wird jeweils der älteste herausgenommen
und eine neue Mittelung vorgenommen. So ergibt
sich nach einer Sekunde Vorlauf jede 10 ms ein neuer
Mittelwert. Im Speicher des Mikroprozessors werden
jeweils die letzten 100 Messungen und mindestens der
letzte Mittelwert, vorzugsweise aber n Mittelwerte,
gespeichert. Die Differenz des letzten früheren und
des neu errechneten Mittelwertes wird dann jeweils mit
dem vorgegebenen Grenzwert Grd verglichen und daraus
die Beendigung der Messung bestimmt.
Zweckmäßig werden die letzten n = 100 Mittelwerte
gespeichert und die mittlere Gewichtsdifferenz MGmx″
zwischen dem um n Messungen zurückliegend bestimmten
Mittelwert GM(x-n)′ und dem jüngst bestimmten Mittelwert
Gmx′ gebildet und diese mit einem geeigneten
Grenzwert Grd verglichen.
Dieser Grenzwert Grd kann entweder direkt vorgegeben
werden oder zur Erleichterung der Bedienung als Relativwert
Rgr zum Gewicht des Meßgutes angegeben werden.
Aus diesem und dem jeweiligen Gewicht Gx bzw. Mittelwert
Gmx′ wird dann der zugehörige Grenzwert vom
Mirkoprozessor errechnet.
Eine weitere Vereinfachung der Bedienung ergibt sich,
wenn die maximal mögliche Genauigkeit erreicht werden
soll und aus der Streuung der Meßwerte automatisch ein
Grenzwert gebildet wird. Dabei wird jeweils parallel
zum Mittelwert aus jeweils den n Meßwerten eine
Streuung Gsx′ bestimmt und gespeichert.
Es sind jeweils die Größen, die sich auf die Mitte des
Bereiches von n Messungen beziehen, mit einem Hochkomma
versehen. Die Werte, die sich auf den Anfang des
Bereiches beziehen, tragen zwei Hochkommata. Der Wert
der Streuung, der sich auf den Anfang des Bereiches
bezieht, also um die halbe Zahl n früher ermittelt
wurde, ist somit mit Gsx″ bezeichnet. Dieser wird nun
mit der entsprechenden mittleren Gewichtsdifferenz MGmx″
verglichen. Ist die Gewichtsdifferenz größer als die
Streuung, so wird die Trocknung fortgesetzt, ist sie
kleiner, so wird der Vorgang beendet, da eine Verbesserung
des Ergebnisses nicht zu erwarten ist.
Soweit eine größere Toleranz zugelassen ist und das
Verhalten des Meßgutes bekannt ist, kann die
Genauigkeit des Ergebnisses im Verhältnis zur Dauer der
Meßzeit noch verbessert werden, indem bei Abbruch der
Messung eine Extrapolation auf den Endwert aufgrund
der Zeitkonstanten der Gewichtsabnahme vorgenommen wird.
Es werden dazu z. B. die mittleren Gewichtsdifferenzen
MGmx″ zweier Messungen, die um n Messungen versetzt
ermittelt wurden, ins Verhältnis V gesetzt. So ergibt
sich der noch zu erwartende Betrag der Gewichtsabnahme
als Ergebnis der Summe einer geometrischen Reihe in
bekannter Weise:
S = MGmx″: (1-V), wobei V = MGmx″: MGm(x-n)″.
Das Endgewicht Ge beträgt also: Gm(x-n)′-S.
Zweckmäßig wird die Messung beendet, wenn die Korrekturgröße,
die sich aus der Extrapolation als Summe S
ergibt, kleiner als eine vorgegebene Grenzgröße GR 1 ist.
Diese Grenzgröße wird vorteilhaft aus einer
Relativangabe R Gr 1 und dem Gewicht Gx ermittelt, wodurch
sich unabhängig von der Probengröße jeweils die gleiche
relative Genauigkeit vorgeben läßt.
Fig. 3 zeigt die Trocknungskurven von Temperatur
und Gewichtsverlauf für solche Meßgüter, die in Stufen
trocknen, d. h., unterschiedlich fest gebundene Feuchtigkeit
bei verschiedenen Temperaturen abgeben.
Beispielsweise enthält ein Schlamm freies, praktisch
ungebundenes Wasser, für dessen Freisetzung eine
Temperatur von weit über 100° C erforderlich ist. In dem
gezeigten Beispiel sind drei Temperaturstufen t 32, t 34
und t 36 ermittelt, bei denen eine Gewichtsabnahme
erfolgt. Nach der ersten Stufe wurde das Gewicht G 33
erreicht, wie aus dem Wendepunkt der Kurve zu ersehen
ist. Entsprechend ergibt sich nach der zweiten Stufe
ein Gewicht G 35 und am Ende das Endgewicht Ge 3. Bei
einer weiteren Erhitzung der Probe würde sie sich
zersetzen oder teilweise verbrennen, was zu weiterem
unerwünschtem, des Meßergebnis verfälschenden Gewichtsverlust
führen würde.
Für die Analyse des Meßgutes ist in vielen Fällen
außer der Bestimmung des gesamten Feuchtigkeitsgehalts
auch die Kenntnis der verschieden gebundenen Teilfeuchtigkeiten
von Interesse. Die fortlaufende Analyse
der Meßwerte erlaubt aus der Bildung der Doppeldifferenzen
D 2 Gmx′ aus der
Doppeldifferenz D 2 Gmx′ aus der Differenz der
Gewichtsgradienten DGmx′, DGm(x-1)′ die Bestimmung der Lage
der Wendepunkte und somit die Ausgabe der zugehörigen
Gewichts- und Zeitwerte GM(x-1) tm(x-1).
Um die Fehler für die Bestimmung möglichst gering zu
halten, werden als Ausgangswerte zweckmäßig die Mittelwerte
Gmx′usw. verwendet, da diese geringere Schwankungen
aufweisen als die Meßwerte selbst.
Damit die Verringerung der Verdampfungsgeschwindigkeit
im Zeitraum um t 33, t 35 nicht zum Abbruch der Messungen
führt, wird zweckmäßig bei bekannter Probenart die
Zahl der zu erwartenden Stufen dem Prozessor vorgegeben,
damit erst nach Erreichen der letzten Stufe etwa
zur Zeit t 37 die Prüfung auf das Unterschreiten des
Grenzwertes der Gewichtsabnahme erfolgt und dadurch andererseits
eine weitere unnötige Aufheizung unterbunden
wird.
Die ermittelten Gewichtsgradienten DGmx′ werden zur
Steuerung der Energiezufuhr ausgewertet. Dazu erfolgt
jeweils ein Vergleich mit einem oberen und unteren
Gradientengrenzwert Gdxu, Gdxo, bei deren Unter- oder
Überschreitung die Energiezufuhr, also der Strom J 1,
vergrößert oder verkleinert wird bzw. der Abstand
des Strahlers zum Meßgut verkleinert oder vergrößert
wird. Die Veränderung erfolgt zweckmäßig in kleinen
Schritten, bezogen auf die Gesamtenergie, damit ein
Überschwingen der Regelung in bekannter Weise vermieden
wird. Hierbei ist die thermische Trägheit der
aufzuheizenden Probe und der Waagschale zu berücksichtigen.
Es ist deshalb vorteilhaft vorgesehen, daß
die Gradientengrenzwerte Gdxu, Gdxo aus für die Probe
spezifischen Angaben SDu, Sdo und dem Gewicht Gx
der Probe bestimmt werden.
Außerdem ist zur Vermeidung von Regelschwingungen
und daraus etwa folgender Überhitzung oder vorzeitiger
Beendigung der Messung eine obere und untere Grenze
Eo, Eu für die zugeführte Energiemenge vorgegeben.
Auch diese wird vorteilhaft aus für das Material der
Probe spezifische Grenzwerte SEo, SEu und dem Gewicht
des Meßgutes Gx jeweils vom Prozessor bestimmt, was
eine weitere Vereinfachung der Bedienung und optimale
Nutzung des Feuchtemessers ermöglicht.
Eine weitere Ausführungsform des Feuchtemessers, die noch
zusätzlich eine Verkürzung des Trocknungsablaufes
auch bei Proben mit mehrstufigem Verhalten erlaubt,
ist dadurch gegeben, daß abhängig von der Doppeldifferenz
DzGmx′, d. h., von der Zunahme oder Abnahme
des Gewichtsgradienten DGmx′, jeweils vorzugsweise
schrittweise die Energiezufuhr erhöht bzw. erniedrigt
wird. Sofern die Verdampfung noch mit zunehmender
Energiezufuhr gesteigert werden kann, wird diese weiter
erhöht. Umgekehrt wird bei Verringerung der Verdampfungsgeschwindigkeit
die Energiezufuhr gedrosselt, so daß
keine Überhitzung erfolgt. Es handelt sich bei dieser
Regelung um eine positive, d. h. den Prozeßablauf beschleunigende,
Rückkoppelung.
Zur Vermeidung von Regelschwingungen wird eine Begrenzung
der Steigerung der Energiezufuhr vorgenommen und/
oder eine absolute Begrenzung der Energiezufuhr vorgenommen
bzw. umgekehrt, wenn ein vorgegebener Gradientengrenzwert
Gdxo bzw. Gdxu oder eine maximale bzw. minimale
vorgegebene Energiezufuhr Eo, Eu erreicht bzw.
über- oder unterschritten ist.
Claims (8)
1. Feuchtigkeitsmesser bestehend aus einer Waage (1) mit einer
Waagschale (11), in der Meßgut (2) durch einen Energiestrahler
(3 ) während einer Trocknungszeit Energie zur Verdampfung
von Feuchtigkeit zugeführt wird, und einer Auswerteschaltung
(MP), die ein Programm-, Rechen- und Speicherwerk enthält
und die eingangsseitig mit der Waage (1), einer Eingabevorrichtung
(Ta) und einem Taktgenerator (CI) verbunden ist und
ausgangsseitig mit einer Anzeige (Dp) und/oder einem
Druckwerk (Pr) und einer Steuerschaltung (PS) verbunden ist,
die den effektiven Stromfluß zum Energiestrahler (3)
steuert, wobei die Auswertschaltung (MP) programmabhängig
nach Eingabe eines Startsignales das Gewichtsignal (G(t))
auswertet und ein Anfangsgewicht (Ga 1) ermittelt und
speichert und dann das Gewichtssignal (G(t)) fortlaufend zu
Zeitpunkten (x) in vorgegebenen Zeitabständen (Dt), die kurz
gegenüber der Trocknungszeit sind, übernimmt und speichert
und fortlaufend aus einer festgestellten Gewichtsänderung
(Gx-G(x-1)) einen Gewichtsgradienten (DGx) bestimmt und
einen Grenzwertvergleich durchführt und bei einer Grenzwert-
Unterschreitung einen Trocknungsendzeitpunkt (te) bestimmt,
zu dem sie ein Steuersignal zu einer Stromlossteuerung des
Einergiestrahlers (3) abgibt und ein dazugehöriges
Endgewicht (Ge 1) bestimmt und die Differenz des Anfangs- und
Endgewichtes (Ga 1-Ge 1) absolut oder relativ zum
Anfangsgewicht (Ga 1) als Feuchtigkeitswert ausgibt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung
(MP) derart ausgebildet ist, daß jeweils aus einer vorgegebenen Anzahl (n)
aufeinanderfolgend gemessener Gewichte (G(x-n), G(x-n+1),....Gx), ein
Mittelwert (Gmx′) bestimmt wird und jeweils aus den beiden
um die Anzahl (n) versetzt bestimmten Mittelwerten
(Gm(x-n)′, Gmx′) eine mittlere Gewichtsdifferenz (MGmx″)
bestimmt wird und jeweils eine Summe (S) aus einer
geometrischen Reihe gebildet wird, die mit einer
vorgegebenen Grenzgröße (Gr 1) dem Grenzwertvergleich
unterzogen wird und bei der Grenzwertunterschreitung der
Trocknungsendzeitpunkt (te) bestimmt wird, zu dem durch
Extrapolation das Endgewicht (Ge) aus dem zuletzt
ermittelten Gewicht vermindert um die Summe (S) bestimmt und
der Energiestrahler (3) stromlos geschaltet wird.
2. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswertschaltung (MP) weiterhin derart ausgebildet ist, daß
aus den aufeinanderfolgenden Mittelwerten (Gm(x-1 )′, Gmx′) fortlaufend ein
mittlerer Gewichtsgradient (DGmx′) gebildet wird und dieser
fortlaufend mit dem vorhergehenden betragsmäßig verglichen
wird und so eine Doppeldifferenz (D 2 mx′) gebildet wird und
in Fällen, in denen der Betrag nach vorheriger Abnahme
wieder zunimmt, jeweils die zum betragsmäßig kleinsten
Gewichtsgradienten (DGm(x- 1)′) gehörigen Meßwerte (Gm(x- 1)′,
tm(x- 1)) gespeichert und/oder ausgegeben werden und die Zahl
(F) dieser Fälle gezählt wird und das Erreichen einer vorgegebenen
Grenzzahl (Grf) für die Zahl (F) geprüft wird, nach
deren Erreichung der Grenzwertvergleich zur Ermittlung des
Endzeitpunktes (te) laufend vorgenommen wird.
3. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß mitteles der Auswerteschaltung (MP) jeweils aus
der aus der vorgegebenen Anzahl (n) aufeinanderfolgend
gemesserner Gewichte (G(x-n), G(x-n+1), ...Gx) eine Streuung
(Gsx′) bestimmbar ist, die als Grenzgröße (Gr 1) für den
Grenzwertvergleich benutzt wird.
4. Feuchtigkeitsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Auswerteschaltung
(MP) fortlaufend ermittelbar ist, ob der Gewichtsgradient
(DGmx′) betragsmäßig größer oder kleiner als der vorher
ermittelte Gewichtsgradient (DGm(x- 1)′) ist und abhängig von
einer Zunahme oder Abnahme des Gewichtsgradienten jeweils
die Steuerschaltung (PS) derart beaufschlagt wird, daß die
Energiezufuhr schrittweise in den Grenzen eines vorgegebenen
oberen und unteren Gradientengrenzwertes (Gdxu, Gdxo) und
einer maximalen und minimalen vorgegebene Energiezufuhr (Eo, Euk)
erhöht bzw. erniedrigt wird.
5. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß mittels der Auswerteschaltung (MP) aus dem Gewicht (Gx),
vorzugsweise durch Produktbildung mit spezifischen Angaben
(Sdu, Ddo) und spezifischen Grenzwerten (SEo, SEu) jeweils
entsprechend die Gradientengrenzwerte (Gdxu, Gdxo) bzw. die
maximale und minimale Energiezufuhr (Eo, Eu) bestimmbar ist.
6. Feuchtigkeitsmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (PS) eine
Phasenanschnittsteuerung mit einem Digital-Analogwandler
(D/A) enthält und dieser vorzugsweise ein voreinstellbarer
Zähler (Z) ist, der jeweils mit einem Nulldurchgangssignal
(N) der Versorgungsspannung des Energiestrahlers (3) auf
einen von der Auswerteschaltung (MP) zu der Stromsteuerung
vorgegebenen Wert voreingestellt wird und der mit Impulsen
von dem Taktgeber (CI) am Zähleingang (ZI) beaufschlagt wird
und dessen Überlaufsignal (Ü) eine Phasenanschnittschalter
(Th) einschaltend steuert.
7. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Bereich des Meßgutes (2) ein Strahlungssensor
(Ph) angeordnet ist, dessen Ausgangssignal der Auswerteschaltung
(MP) oder der Steuerschaltung (PS) zugeführt wird
und dort mit der Steuergröße in einem Vergleicher (Vg)
verknüpft wird, dessen Ausgangssignal dem Energiestrahler
(3) regelnd zugeführt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteschaltung (MP) mit mehreren Feuchtigkeitsmessern
(1, 11, 3) und mehreren Steuerschaltungen (PS)
verbunden ist und sein Programm- und Rechenwerk im Multiplexbetrieb
mit mehreren, den verschiedenen Feuchtigkeitsmessern
zugeordneten, Abschnitten des Speicherwerkes unabhängig voneinander
die Auswertung der Gewichtssignale (G(+)) vornimmt
und die Energiezufuhren zu den einzelnen Energiestrahlern
durch entsprechende Beaufschlagung der Steuerschaltungen
(PS) steuert und die einzelnen Feuchtigkeitswerte ermittelt
und zugeordnet ausgibt.
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DE19823231004 DE3231004A1 (de) | 1982-08-20 | 1982-08-20 | Feuchtigkeitsmesser mit steuerbarer trocknungsvorrichtung und fortlaufender messwertverarbeitung |
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