WO2006048080A1 - Trocknungswaage - Google Patents

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WO2006048080A1
WO2006048080A1 PCT/EP2005/010160 EP2005010160W WO2006048080A1 WO 2006048080 A1 WO2006048080 A1 WO 2006048080A1 EP 2005010160 W EP2005010160 W EP 2005010160W WO 2006048080 A1 WO2006048080 A1 WO 2006048080A1
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WO
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drying
drying balance
balance according
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Karin Diedrich
Horst Nagel
Wilfried Spannagel
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Sartorius AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B25/00—Details of general application not covered by group F26B21/00 or F26B23/00
    • F26B25/22—Controlling the drying process in dependence on liquid content of solid materials or objects
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    • G—PHYSICS
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    • G01G19/52—Weighing apparatus combined with other objects, e.g. furniture
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3554—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for determining moisture content

Definitions

  • the invention relates to a drying balance with a weighing pan, which is supported on a weighing system, and with a heating source for heating and drying a sample on the weighing pan.
  • the invention further relates to a method for operating this drying balance.
  • Drying scales of this type are generally known and described for example in DE 36 15 660 C2 or DE 199 56372 C2.
  • the object of the invention is therefore to develop a drying balance of the type mentioned so that with their help a simplified calibration of indirectly measuring moisture meters is possible.
  • this is achieved in that in addition to the weighing system for measuring the moisture-dependent weight of the sample, a sensor for simultaneously measuring the moisture-dependent absorption, transmission or reflection coefficient of the sample in at least one predetermined spectral range or a sensor for the simultaneous measurement of the moisture-dependent dielectric constant of the sample at least partially integrated into the drying balance.
  • the absorption, transmission or reflection coefficient or the dielectric constant can be determined continuously during the drying process; from the weight value of the sample, also determined continuously by the weighing system, the moisture content of the sample can be calculated at the end of the drying process; Thus, after the end of the drying process value pairs for the moisture content of the sample and for the associated absorption, transmission or reflection coefficient or the associated absorption
  • Dielectric constant available which directly give the calibration curve. If this measurement is carried out according to the method claim with a sample having a maximum moisture content, the entire calibration curve can be determined in a single drying process of a sample.
  • FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of the drying weigher
  • FIG. 2 is a block diagram of a second embodiment of the drying weigher
  • FIG. 3 is a block diagram of a third embodiment of the drying weigher
  • FIG. 5 is a block diagram of a fifth embodiment of the drying weigher
  • FIG. 6 is a perspective view of the first embodiment of FIG
  • a first embodiment of the drying balance 1 is shown in the form of a block diagram. It consists of a weighing system 2 with a weighing pan 3, on which a sample 4 is to be dried and whose moisture content is to be measured.
  • a heating source 5 for heating and drying of the sample an annular radiant heater is indicated, but it is also the use of any other known heating sources possible.
  • the power of the heating source 5 is controlled by an electronic control unit 6, wherein the desired size for the heating power is given by a central electronics 7.
  • the output signal of the weighing system 2 - ie the instantaneous mass of the sample 4 - is digitized by an analog / digital converter 8 and fed to the central electronics.
  • the instantaneous mass of the sample relative to the initial mass of the sample is displayed in a display 9; After completion of the drying process, the determined moisture content is displayed.
  • the previously described parts of the drying balance 1 are generally known in their structure and function, so that can be dispensed with a detailed description. A detailed description can be found for example in the already cited documents DE 36 15660 C2 and DE 199 56372 C2.
  • the drying balance 1 now additionally has a sensor 11 for measuring the absorption, transmission or reflection coefficient of the sample 4.
  • the measurement of the absorption, transmission or reflection coefficient is carried out, for example, in the near infrared.
  • the sensor 11 consists in the example shown of a radiation source 12 in the form of an infrared LED, one or more optical waveguide (s) 13, which transmit the radiation of the radiation source 12 to the sample.
  • the sample-side end of the optical waveguide 13 is fixed in a tubular end piece 14.
  • the sample 4 is thus illuminated by the infrared light of the radiation source 12.
  • the light reflected from the sample is collected by one or more optical waveguides 13 'whose ends are also fixed in the end piece 14, and to a radiation detector 15 in shape transmit an infrared photoelement.
  • the infrared spectral range in which the reflection measurement takes place is determined either by the radiation source (narrowband radiation source and broadband radiation detector) or by the radiation detector (broadband radiation source and narrowband radiation detector) or by interposed filters (broadband radiation source and broadband radiation detector and intermediate narrow-band filter ), wherein, for example, even the optical waveguides 13, 13 'can act as a narrow-band filter with the appropriate type of glass.
  • the radiation source narrowband radiation source and broadband radiation detector
  • the radiation detector broadband radiation source and narrowband radiation detector
  • interposed filters broadband radiation source and broadband radiation detector and intermediate narrow-band filter
  • two different spectral ranges can be used immediately after each other for the measurement, or the spectral range used can be shifted, for example, as a function of the temperature of the sample 4.
  • This shift of the used spectral range can, for example, be software-controlled by the central electronics 7.
  • the dependence of the reflection coefficient on the moisture content of the sample is particularly great, for example in the wavelength range around 1.4 ⁇ m and in the wavelength range around 1.9 ⁇ m, so that these spectral ranges are preferably used.
  • the radiation detector or the end of the associated optical waveguide
  • the absorption coefficient is generally determined indirectly via the known mathematical relationship between absorption, transmission and reflection coefficient.
  • Fig. 1 is further indicated by an arrow 16, that the end piece 14 of the optical waveguide is arranged vertically displaceable.
  • the tail 14 may be located just above the surface of the sample 4 during the measurement of the absorption, transmission or reflection coefficients in order to achieve a good radiation yield for the radiation detector; between the individual measurements, the end piece 14 may be higher, so that it does not generate shading of the sample for the radiation of the heat source 5 and thus does not deteriorate the uniformity of the heating of the sample.
  • the end piece 14 is drawn in a middle position. - When measuring the transmission coefficient, which depends on a given layer thickness of the sample., It is also conceivable to use the lower end position of the end piece 14 for setting the predetermined layer thickness.
  • the heating source 5 is a radiant heater which emits (heating) radiation in the same spectral range in which also the (measuring) radiation source 12 emits (measuring) radiation
  • the (measuring) radiation source can be produced in a known manner by a pulsed operation 12 a trouble-free measurement can be achieved (chopper operation).
  • the measured value for the absorption, transmission or reflection coefficients is to be measured averaged over a larger surface area of the sample 4, this is easily possible by means of a rotatable weighing pan with rotary drive and a somewhat outward arrangement of the end piece 14.
  • a second embodiment of the drying balance is shown as a block diagram.
  • the same parts as in Fig. 1 are denoted by the same reference numerals and will not be explained again.
  • the drying balance 1 'in Fig. 2 has instead of the optical waveguide optics a free-beam optics. Accordingly, the sensor 11 'for measuring the absorption, transmission or reflection coefficient from the radiation source 12, a focusing optics 21 and a deflection mirror 22. This causes the radiation of the radiation source 12 on the surface of the sample 4 is bundled and the radiation reflected from the surface of the sample is correspondingly focused onto the radiation detector 15.
  • the focusing optics 21 is only indicated very schematically, for example, the Umlenkspiegl 22 could be concave and take over the focus.
  • This free-jet optics shown in FIG. 2 operates in exactly the same way as the optical waveguide optics shown in FIG. 1 and permits all variants mentioned there.
  • a third embodiment of the drying balance is shown as a block diagram. This embodiment is similar to the embodiment of FIG. 2; The same parts as in Fig. 2 are denoted by the same reference numerals and will not be explained again.
  • the drying balance 1 "in Fig. 3 are the
  • Radiation source 32 and the radiation detector 35 are arranged separately and irradiate the sample 4 at 45 ° and measure the reflected infrared light also below 45 °. Otherwise, they work as well as the designs according to
  • a sensor 38 for measuring the temperature of the sample 4 is further indicated.
  • This sensor can work, for example, contactless.
  • the signal of the sensor 38 is evaluated in the associated transmitter 39 and fed to the central electronics 7.
  • the central electronics can then make any necessary temperature corrections to correct temperature dependencies of individual sensors or a temperature dependence of the absorption, transmission or reflection coefficient.
  • FIGS. 1 to 3 all operate in the infrared spectral range. Of course, the use of any other spectral range is possible.
  • a fourth embodiment of the drying balance is shown, in which the sensor 49 is designed for the microwave spectral range.
  • the same parts as in Figs. 1 to 3 are again denoted by the same reference numerals and will not be explained again.
  • the drying balance 41 according to FIG. 4 has as a radiation source 42 a microwave klystron with an advanced horn 43 for emitting the microwave radiation onto the sample 4.
  • the reflected microwave radiation is detected by a microwave antenna as the radiation detector 45.
  • the Operation is otherwise identical to the already described operation of the other embodiments.
  • microwave radiation source 42 it is, of course, possible to equip the microwave radiation source 42 with such a high transmission power that this microwave radiation source also serves as a heating source.
  • the separate heat source 5 is omitted in this case.
  • Microwave radiation is known to be particularly absorbed by water molecules and is therefore a very effective source of heat for wet samples.
  • FIGS. 1 to 3 it is also possible in the embodiments of FIGS. 1 to 3 to use a microwave heating source for heating and drying the sample and to measure the absorption, transmission or reflection coefficients in the infrared spectral range.
  • a fifth embodiment of the drying balance is shown.
  • the same parts as in Figures 1 to 4 are again denoted by the same reference numerals and will not be explained again.
  • the drying balance 51 has incorporated a sensor 52 for measuring the dielectric constant.
  • the sensor 52 consists of a metallic wire mesh as electrode 55, which is arranged above the weighing pan 53 parallel to this. Together with the earthed metallic weighing pan 53, the wire mesh of the electrode 55 forms a capacitor for measuring the dielectric constant of the sample 4.
  • the associated capacitance measuring electronics 56 is only schematically indicated, since it is well known.
  • a sample 4 with maximum moisture content is expediently used.
  • the signal from the sensor 11, 11% 11 ", 49 or 52 is recorded at short intervals and stored in the central electronic unit 7, and at the same time the instantaneous sample weight determined by the weighing system 2 is recorded practically simultaneously
  • the respective intermediate temperatures Sample weights can be converted to moisture contents (or to atro values).
  • the resulting value pairs for the sensor signal and the associated moisture content directly give the individual points of the calibration curve of the sensor.
  • Figures 1-5 are schematic block diagrams for explaining the operation, a real device is shown in a perspective view in Figure 6.
  • This device operates with a fiber optic optics in the infrared spectral range, ie according to the block diagram in Fig. 1.
  • the same parts as in the block diagram of Fig. 1 are designated by the same reference numerals, even if these parts are shown differently in Fig. 6.
  • a housing 61 From the drying balance 1 in Fig. 6 can be seen a housing 61, the display 9, the control keypad 10 and a dragonfly 62. From the weighing pan 3, only a small part under the sliding housing part 63 can be seen. For loading the weighing pan, the displaceable housing part 63 can be moved backwards under the housing part 64.
  • the heating source for heating the sample is mounted directly under the upper wall of the sliding housing part 63 and is moved together with this. From the sensor 11 for measuring the absorption, transmission or reflection coefficient of the sample can be seen, the tail 14 and the optical waveguides 13, 13 '.
  • the radiation source and the radiation detector are housed in the housing part 65 and therefore not visible.
  • the end piece 14 can be fixed in two different heights: in a lower measuring position and in a slightly higher waiting position, as has already been explained above in connection with FIG.
  • the end piece 14 can be taken out of the opening in the displaceable housing part 63 and converted into an opening 66 (parking position).
  • Housing part 63 can then be moved to the rear, and the weighing pan 3 is freely accessible for changing the sample. The switching off and on of the

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Abstract

Für eine Trocknungswaage (1) mit einer Waagschale (3), die sich auf einem Wägesystem (2) abstützt, und mit einer Heizquelle (5) zur Erwärmung und Trocknung einer Probe (4) auf der Waagschale, wird vorgeschlagen, dass zusätzlich zum Wägesystem (2) zur Messung des feuchteabhängigen Gewichtes der Probe (4) ein Sensor (11) zur gleichzeitigen Messung des Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten der Probe (4) in mindestens einem vorgegebenen Spektralbereich oder ein Sensor zur gleichzeitigen Messung der feuchteabhängigen Dielektrizitätskonstanten der Probe zu mindest teilweise in die Trocknungswaage (1) integriert ist. Dadurch lässt sich mit dieser Trocknungswaage in einem einzigen Trocknungsvorgang die gesamte Kalibrierkurve des Sensors (11) ermitteln.

Description

Trocknungswaage
Beschreibung:
Die Erfindung bezieht sich auf eine Trocknungswaage mit einer Waagschale, die sich auf einem Wägesystem abstützt, und mit einer Heizquelle zur Erwärmung und Trocknung einer Probe auf der Waagschale. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betrieb dieser Trocknungswaage.
Trocknungswaagen dieser Art sind allgemein bekannt und zum Beispiel in der DE 36 15 660 C2 oder der DE 199 56372 C2 beschrieben.
Diese Trocknungswaagen sind zwar relativ schnell im Vergleich zur Trockenschrankmethode, benötigen aber doch einige Minuten zur Bestimmung des Feuchtegehaltes der Probe. In der industriellen Fertigung, wo bei kontinuierlich ablaufenden Produktionsvorgängen eine
Materialfeuchtebestimmung mit einer Messzeit von höchstens einigen Sekunden erforderlich ist, sind Trocknungswaagen dieser Art deshalb nicht einsetzbar. In diesen Fällen werden häufig indirekte Messverfahren, wie zum Beispiel die Messung der optischen Absorption, eingesetzt. Die Kalibrierkurven dieser indirekt messenden Feuchtemessgeräte werden dann üblicherweise Punkt für Punkt aufgenommen, indem Proben mit verschiedenem Feuchtegehalt sowohl mit dem indirekt messenden Feuchtemess6erät als auch mit der bekannten Trocknungswaage gemessen werden und aus den so ermittelten Wertepaaren die Kalibrierkurve ermittelt wird. Diese Vorgehensweise erfordert aber die Herstellung einer Vielzahl von Proben und ist daher umständlich und zeitaufwändig.
Ferner ist aus dem Gebrauchsmuster DE 88 02 378 Ul eine Trocknungswaage mit einem eingebauten Temperaturfühler zur Überwachung und Regelung der Leistung der Heizquelle bekannt, bei der eine Temperatureichscheibe mit einem weiteren Temperaturfühler anschließbar ist. Die Temperatureichscheibe erhält durch das Auftragen einer dünnen Schicht des Probenmaterials dessen Absorptionskoeffizienten. In einem Eichzyklus kann dann der in die Trocknungswaage eingebaute Temperaturfühler relativ zum weiteren Temperaturfühler in der Temperatureichscheibe kalibriert werden. Diese so erhaltene Kalibrierkurve wird dann in den nachfolgenden Messzyklen mit wirklichen Proben benutzt, um die Heizquelle so zu regeln, dass die vorgesehene Trocknungstemperatur der Probe eingehalten wird. - In der DE 88 02 378 Ul ist außerdem vorgesehen, eine einfacher handhabbare Temperatureichscheibe als Sekundärnormal zu benutzen, bei der der Absorptionskoeffizient des Probenmaterials durch stark und schwach absorbierende Flächen im richtigen Flächenverhältnis nachgebildet wird. Das richtige Flächenverhältnis muss dabei durch eine einmalige Messung relativ zur Temperatureichscheibe mit Probensubstanz ermittelt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Trocknungswaage der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit ihrer Hilfe eine vereinfachte Kalibrierung von indirekt messenden Feuchtemessgeräten möglich ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zusätzlich zum Wägesystem zur Messung des feuchteabhängigen Gewichtes der Probe ein Sensor zur gleichzeitigen Messung des feuchteabhängigen Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten der Probe in mindestens einem vorgegebenen Spektralbereich oder ein Sensor zur gleichzeitigen Messung der feuchteabhängigen Dielektrizitätskonstanten der Probe zumindest teilweise in die Trocknungswaage integriert ist. Durch die Integration des Sensors zur Messung des Absorptions-, Transmissions¬ oder Reflexionskoeffizienten oder der Dielektrizitätskonstanten in die Trocknungswaage kann während des Trocknungsvorganges kontinuierlich der Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizient beziehungsweise die Dielektrizitätskonstante bestimmt werden; aus dem ebenfalls kontinuierlich vom Wägesystem bestimmten Gewichtswert der Probe kann zum Abschluss des Trocknungsvorganges der Feuchtegehalt der Probe berechnet werden; damit stehen nach dem Ende des Trocknungsvorganges Wertepaare für den Feuchtegehalt der Probe und für den zugehörigen Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten beziehungsweise die zugehörige
Dielektrizitätskonstante zur Verfügung, die direkt die Kalibrierkurve ergeben. Wird diese Messung gemäß dem Verfahrensanspruch mit einer Probe mit maximalem Feuchtegehalt durchgeführt, so kann in einem einzigen Trocknungsvorgang einer Probe die gesamte Kalibrierkurve ermittelt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausgestaltung der Trocknungswaage, Fig.2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausgestaltung der Trocknungswaage, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausgestaltung der Trocknungswaage,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer vierten Ausgestaltung der Trocknungswaage, Fig. 5 ein Blockschaltbild einer fünften Ausgestaltung der Trocknungswaage und Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der ersten Ausgestaltung der
Trocknungswaage.
In Fig. 1 ist in Form eines Blockschaltbildes eine erste Ausgestaltung der Trocknungswaage 1 dargestellt. Sie besteht aus einem Wägesystem 2 mit einer Waagschale 3, auf der sich eine Probe 4 befindet, die getrocknet werden soll und deren Feuchtegehalt gemessen werden soll. Als Heizquelle 5 zur Erwärmung und Trocknung der Probe ist ein ringförmiger Heizstrahler angedeutet, es ist jedoch auch die Benutzung beliebiger anderer bekannter Heizquellen möglich. Die Leistung der Heizquelle 5 wird durch eine Steuerelektronik 6 gesteuert, wobei die Sollgröße für die Heizleistung durch eine zentrale Elektronik 7 vorgegeben wird. Das Ausgangssignal des Wägesystems 2 - also die momentane Masse der Probe 4 - wird durch einen Analog/Digital- Wandler 8 digitalisiert und der zentralen Elektronik zugeführt. Während des Trocknungsvorganges wird zum Beispiel die momentane Masse der Probe im Verhältnis zur Anfangsmasse der Probe in einer Anzeige 9 angezeigt; nach Abschluss des Trocknungsvorganges wird der ermittelte Feuchtegehalt angezeigt. Die Bedienung der Trocknungswaage erfolgt über eine Tastatur 10. - Die bisher beschriebenen Teile der Trocknungswaage 1 sind in ihrem Aufbau und ihrer Funktion allgemein bekannt, sodass hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann. Eine detaillierte Beschreibung findet man zum Beispiel in den schon zitierten Schriften DE 36 15660 C2 und DE 199 56372 C2.
Die Trocknungswaage 1 weist nun zusätzlich einen Sensor 11 zur Messung des Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten der Probe 4 auf. Die Messung des Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten erfolgt dabei zum Beispiel im nahen Infrarot. Der Sensor 11 besteht im gezeichneten Beispiel aus einer Strahlungsquelle 12 in Form einer Infrarot-LED, einem oder mehreren Lichtwellenleiter(n) 13, die die Strahlung der Strahlungsquelle 12 zur Probe übertragen. Das probenseitige Ende der Lichtwellenleiter 13 ist dabei in einem rohrförmigen Endstück 14 fixiert. Die Probe 4 wird also durch das Infrarot- Licht der Strahlungsquelle 12 beleuchtet. Das von der Probe reflektierte Licht wird durch einen oder mehrere Lichtwellenleiter 13', deren Enden ebenfalls im Endstück 14 fixiert sind, aufgefangen und zu einem Strahlungsdetektor 15 in Form eines Infrarot-Fotoelementes übertragen. Der Infrarot-Spektralbereich, in dem die Reflexionsmessung erfolgt, wird dabei entweder durch die Strahlungsquelle bestimmt (schmalbandige Strahlungsquelle und breitbandiger Strahlungsdetektor) oder durch den Strahlungsdetektor (breitbandige Strahlungsquelle und schmalbandiger Strahlungsdetektor) oder durch zwischengeschaltete Filter (breitbandige Strahlungsquelle und breitbandiger Strahlungsdetektor und zwischengeschaltetes schmalbandiges Filter), wobei zum Beispiel schon die Lichtwellenleiter 13, 13' bei entsprechender Glasart als schmalbandiges Filter wirken können. In einer besonders flexiblen Ausgestaltung kann auch ein Spektrometer mit einem nachgeschalteten ortsempfindlichen Fotodetektor als spektralbereichbestimmendes Filterelement benutzt werden. In dieser Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, durch Auswerten verschiedener Bereiche des ortsempfindlichen Fotodetektors den vorgegebenen Spektralbereich zu variieren. Dadurch können zum Beispiel zwei verschiedene Spektralbereiche unmittelbar nacheinander zur Messung benutzt werden oder es kann der benutzte Spektralbereich zum Beispiel in Abhängigkeit von der Temperatur der Probe 4 verschoben werden. Diese Verschiebung des benutzten Spektralbereiches kann zum Beispiel softwaregesteuert durch die zentrale Elektronik 7 erfolgen. - Die Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten vom Feuchtegehalt der Probe ist zum Beispiel im Wellenlängenbereich um 1,4 μm und im Wellenlängenbereich um 1,9 μm besonders groß, sodass diese Spektralbereiche bevorzugt genutzt werden.
Im Vorstehenden ist davon ausgegangen, dass das an der Oberfläche der Probe 4 reflektierte Infrarot-Licht gemessen wird und damit also der Reflexionskoeffizient des Probenmaterials. Dies trifft auf stark absorbierende Probenmaterialen zu, bei denen die Eindringtiefe der Strahlung gering ist. Es gibt jedoch auch Materialien, die die Strahlung im vorgegebenen Spektralbereich nur gering absorbieren. Für diese Materialien ist die Eindringtiefe der Strahlung größer als die Schichtdicke der Probe 4. Gibt man dann der Waagschale 3 eine stark reflektierende (= spiegelnde) Oberfläche, so gelangt auch der nicht absorbierte Teil der Strahlung wieder in die Lichtwellenleiter 13' und wird gemessen. In diesem Fall kann man also in der Geometrie gemäß Fig. 1 bei vorgegebener Schichtdicke auch die Überlagerung des Reflexionskoeffizienten und des Transmissionskoeffizienten messen. Für die Messung des reinen Transmissionskoeffizienten ist selbstverständlich eine Geometrie notwendig, bei der der Strahlungsdetektor (beziehungsweise das Ende der zugehörigen Lichtwellenleiter) unterhalb der (strahlungsdurchlässigen) Waagschale mit der Probe angeordnet ist (nicht gezeichnet). Der Absorptionskoeffizient wird im Allgemeinen indirekt ermittelt über den bekannten mathematischen Zusammenhang zwischen Absorptions-, Transmissions- und Reflexionskoeffizient.
In Fig. 1 ist weiter durch einen Pfeil 16 angedeutet, dass das Endstück 14 der Lichtwellenleiter vertikal verschiebbar angeordnet ist. Dadurch kann sich das Endstück 14 während der Messung des Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten dicht oberhalb der Oberfläche der Probe 4 befinden, um eine gute Strahlungsausbeute für den Strahlungsdetektor zu erreichen; zwischen den einzelnen Messungen kann sich das Endstück 14 höher befinden, damit es keine Abschattung der Probe für die Strahlung der Heizquelle 5 erzeugt und damit die Gleichmäßigkeit der Heizung der Probe nicht verschlechtert. In Fig. 1 ist das Endstück 14 in einer mittleren Stellung gezeichnet. - Bei der Messung des Transmissionskoeffizienten, bei dem es auf eine vorgegebene Schichtdicke der Probe ankommt., ist es auch denkbar, die untere Endstellung des Endstückes 14 zur Einstellung der vorgegebenen Schichtdicke zu benutzen.
Ist die Heizquelle 5 eine Strahlungsheizung, die im selben Spektralbereich (Heiz-)Strahlung aussendet, in dem auch die (Mess-)Strahlungsquelle 12 (Mess-)Strahlung aussendet, so kann in bekannter Weise durch einen getakteten Betrieb der (Mess-)Strahlungsquelle 12 eine störungsfreie Messung erreicht werden (Chopper-Betrieb).
Soll der Messwert für den Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten über einen größeren Flächenbereich der Probe 4 gemittelt gemessen werden, so ist dies leicht durch eine drehbare Waagschale mit Drehantrieb und eine etwas ausmittige Anordnung des Endstückes 14 möglich.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausgestaltung der Trocknungswaage als Blockschaltbild gezeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert. Die Trocknungswaage 1' in Fig. 2 besitzt statt der Lichtwellenleiter-Optik eine Freistrahl-Optik. Dementsprechend besteht der Sensor 11' zur Messung des Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten aus der Strahlungsquelle 12, einer Fokussieroptik 21 und einem Umlenkspiegel 22. Dadurch wird die Strahlung der Strahlungsquelle 12 auf die Oberfläche der Probe 4 gebündelt und die von der Oberfläche der Probe reflektierte Strahlung in entsprechender Weise auf den Strahlungsdetektor 15 gebündelt. Die Fokussieroptik 21 ist selbstverständlich nur ganz schematisch angedeutet, beispielsweise könnte auch der Umlenkspiegl 22 konkav ausgebildet sein und die Fokussierung übernehmen. Diese in Fig. 2 gezeigte Freistrahl-Optik arbeitet genauso wie die in Fig. 1 gezeigte Lichtwellenleiter-Optik und erlaubt alle dort erwähnten Varianten.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausgestaltung der Trocknungswaage als Blockschaltbild gezeigt. Diese Ausgestaltung ähnelt der Ausgestaltung aus Fig. 2; gleiche Teile wie in Fig. 2 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert. Bei der Trocknungswaage 1" in Fig. 3 sind die
Strahlungsquelle 32 und der Strahlungsdetektor 35 getrennt angeordnet und bestrahlen die Probe 4 unter 45° und messen das reflektierte Infrarot-Licht ebenfalls unter 45°. Ansonsten arbeiten sie genauso wie die Ausgestaltungen gemäß
Fig. 1 und 2.
In Fig. 3 ist weiterhin ein Sensor 38 zur Messung der Temperatur der Probe 4 angedeutet. Dieser Sensor kann zum Beispiel berührungslos arbeiten. Das Signal des Sensors 38 wird in der zugehörigen Auswerteelektronik 39 ausgewertet und der zentralen Elektronik 7 zugeführt. Die zentrale Elektronik kann dann eventuell notwendige Temperaturkorrekturen vornehmen, um Temperaturabhängigkeiten einzelner Sensoren beziehungsweise eine Temperaturabhängigkeit der Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten zu korrigieren.
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausgestaltungen arbeiten alle im Infrarot- Spektralbereich. Selbstverständlich ist auch die Benutzung jedes anderen Spektralbereiches möglich. In Fig. 4 ist dazu eine vierte Ausgestaltung der Trocknungswaage gezeigt, bei der der Sensor 49 für den Mikrowellen- Spektralbereich ausgelegt ist. Gleiche Teile wie in den Fig. 1 bis 3 sind wieder mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert. Die Trocknungswaage 41 gemäß Fig. 4 besitzt als Strahlungsquelle 42 ein Mikrowellen-Klystron mit vorgesetztem Hornstrahler 43 zum Abstrahlen der Mikrowellenstrahlung auf die Probe 4. Die reflektierte Mikrowellenstrahlung wird durch eine Mikrowellenantenne als Strahlungsdetektor 45 nachgewiesen. Die Arbeitsweise ist ansonsten identisch mit der schon beschriebenen Arbeitsweise der anderen Ausgestaltungen.
In der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 ist es selbstverständlich möglich, die Mikrowellen-Strahlungsquelle 42 mit einer so hohen Sendeleistung auszustatten, dass diese Mikrowellen-Strahlungsquelle gleichzeitig als Heizquelle dient. Die gesonderte Heizquelle 5 entfällt in diesem Fall. Mikrowellenstrahlung wird bekanntermaßen besonders von Wassermolekülen absorbiert und ist deshalb eine sehr effektive Heizquelle für feuchte Proben.
Selbstverständlich ist es auch in den Ausgestaltungen der Fig. 1 bis 3 möglich, eine Mikrowellen-Heizquelle zur Erwärmung und Trocknung der Probe einzusetzen und die Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten im infraroten Spektralbereich zu messen.
In Fig. 5 ist eine fünfte Ausgestaltung der Trocknungswaage gezeigt. Gleiche Teile wie in den Figuren 1 bis 4 sind wieder mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht noch einmal erläutert. Die Trocknungswaage 51 hat einen Sensor 52 zur Messung der Dielektrizitätskonstanten eingebaut. Der Sensor 52 besteht aus einem metallischen Drahtnetz als Elektrode 55, das oberhalb der Waagschale 53 parallel zu dieser angeordnet ist. Zusammen mit der geerdeten metallischen Waagschale 53 bildet das Drahtnetz der Elektrode 55 einen Kondensator zur Messung der Dielektrizitätskonstanten der Probe 4. Die zugehörige Kapazitätsmesselektronik 56 ist nur schematisch angedeutet, da sie allgemein bekannt ist.
Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Trocknungswaage in einer der Ausgestaltungen wird zweckmäßigerweise eine Probe 4 mit maximalem Feuchtegehalt benutzt. Während des Trocknungsvorganges wird in kurzen Zeitabständen zum einen das Signal des Sensors 11, 11% 11", 49 oder 52 aufgenommen und in der zentralen Elektronik 7 gespeichert; zum anderen wird jeweils praktisch gleichzeitig das vom Wägesystem 2 ermittelte momentane Probengewicht aufgenommen und ebenfalls in der zentralen Elektronik 7 gespeichert. Es entstehen dort also Wertepaare für das Sensorsignal und das Probengewicht. Nach Abschluss des Trocknungsvorganges und dem damit bekannten Trockengewicht können dann die jeweiligen zwischenzeitlichen Probengewichte auf Feuchtegehalte (oder auch auf Atro-Werte) umgerechnet werden. Die daraus dann errechenbaren Wertepaare für das Sensorsignal und den zugehörigen Feuchtegehalt ergeben direkt die einzelnen Punkte der Kalibrierkurve des Sensors. Mit einem einzigen Trocknungsvorgang kann dadurch die komplette Kalibrierkurve des jeweiligen Sensors für die jeweilige Probenart ermittelt werden.
Während die Figuren 1-5 schematische Blockschaltbilder zur Erläuterung der Funktionsweise sind, ist in Fig. 6 ein wirkliches Gerät in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Dieses Gerät arbeitet mit einer Glasfaser-Optik im infraroten Spektralbereich, also gemäß dem Blockschaltbild in Fig. 1. Gleiche Teile wie im Blockschaltbild von Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, auch wenn diese Teile in Fig. 6 zeichnerisch anders dargestellt sind.
Von der Trocknungswaage 1 in Fig. 6 erkennt man ein Gehäuse 61, die Anzeige 9, die Bedienungstastatur 10 und eine Libelle 62. Von der Waagschale 3 ist nur ein kleiner Teil unter dem verschiebbaren Gehäuseteil 63 erkennbar. Zum Beschicken der Waagschale kann das verschiebbare Gehäuseteil 63 nach hinten unter das Gehäuseteil 64 verschoben werden. Die Heizquelle zur Erwärmung der Probe ist direkt unter der oberen Wand des verschiebbaren Gehäuseteiles 63 befestigt und wird mit diesem zusammen verschoben. Vom Sensor 11 zur Messung des Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten der Probe erkennt man das Endstück 14 und die Lichtwellenleiter 13, 13'. Die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor sind im Gehäuseteil 65 untergebracht und daher nicht erkennbar. Das Endstück 14 kann in zwei verschiedenen Höhen fixiert werden: in einer tieferen Messstellung und in einer etwas höheren Wartestellung, wie es weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits erläutert wurde.
Nach Abschluss des Trocknungs- und Kalibriervorganges kann das Endstück 14 aus der Öffnung im verschiebbaren Gehäuseteil 63 herausgenommen werden und in eine Öffnung 66 umgesetzt werden (Parkstellung). Das verschiebbare
Gehäuseteil 63 kann dann nach hinten verschoben werden, und die Waagschale 3 ist zum Wechsel der Probe frei zugänglich. Das Aus- und Einschalten der
Heizquelle erfolgt synchron mit dem Zurückfahren beziehungsweise Vorfahren des verschiebbaren Gehäuseteiles 63. Bezugszeichenhste
MM" Trocknungswaage
2 Wägesystem
3 Waagschale
4 Probe
5 Heizquelle
6 Steuerelektronik
7 Elektronik
8 Analog/Digital-Wandler
9 Anzeige
10 Tastatur
11, 11', 11" Sensor
12 Strahlungsquelle
13, 13' Lichtwellenleiter
14 Endstück
15 Strahlungsdetektor
16 Pfeil für Verschiebbarkeit
21 Fokussieroptik
22 Umlenkspiegel
32 Strahlungsquelle
35 Strahlungsdetektor
38 Sensor zur Messung der Temperatur
39 Auswerteelektronik
41 Trocknungswaage
42 Strahlungsquelle
43 Hornstrahler
45 Strahlungsdetektor
49 Sensor
51 Trocknungswaage
52 Sensor zur Messung der Dielektrizitätskonstanten
53 Waagschale
55 Elektrode
56 Kapazitätsmesselektronik Gehäuse
Libelle
Verschiebbares Gehäuseteil
Gehäuseteil
Gehäuseteil
Öffnung

Claims

Ansprüche:
1. Trocknungswaage mit einer Waagschale (3, 53), die sich auf einem Wägesystem (2) abstützt, und mit einer Heizquelle (5) zur Erwärmung und Trocknung einer Probe (4) auf der Waagschale, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Wägesystem (2) zur Messung des feuchteabhängigen Gewichtes der Probe (4) ein Sensor (11, 11', 11", 49) zur gleichzeitigen Messung des feuchteabhängigen Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten der Probe (4) in mindestens einem vorgegebenen Spektralbereich oder ein Sensor (52) zur gleichzeitigen Messung der feuchteabhängigen Dielektrizitätskonstanten der Probe zumindest teilweise in die Trocknungswaage (1, 1', 1", 41, 51) integriert ist.
2. Trocknungswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (11, 11', 11", 49) zur Messung des Absorptions-, Transmissions¬ oder Reflexionskoeffizienten aus einer Strahlungsquelle (12, 32, 42), die die Probe (4) mit elektromagnetischer Strahlung, die zumindest den vorgegebenen Spektralbereich umfasst, bestrahlt, und aus einem
Strahlungsdetektor (15, 35, 45), der die von der Probe reflektierte oder durchgelassene Strahlung im vorgegebenen Spektralbereich detektiert, besteht.
3. Trocknungswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Spektralbereich den Wellenlängenbereich um 1,4 μm umfasst.
4. Trocknungswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralbereich den Wellenlängenbereich um 1,9 μm umfasst.
5. Trocknungswaage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralbereich den Frequenzbereich um 2,45 GHz umfasst.
6. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Spektralbereich durch in den
Strahlengang eingebrachte Filterelemente vorgegeben ist.
7. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Spektralbereich durch die Strahlungsquelle (12, 32, 42) vorgegeben ist.
8. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralbereich durch den Strahlungsdetektor (15, 35, 45) vorgegeben ist.
9. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Spektrometer umfasst und dass der vorgegebene Spektralbereich softwaremäßig vorgegeben ist.
10. Trocknungswaage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralbereich temperaturabhängig vorgegeben ist.
11. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (12) und/ oder der Strahlungsdetektor (15) über Lichtwellenleiter (13, 13') angekoppelt sind/ ist.
12. Trocknungswaage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das der Probe (4) zugewandte Ende der Lichtwellenleiter (13, 13') vertikal verschiebbar ist.
13. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle und/ oder der Strahlungsdetektor vertikal verschiebbar sind/ ist.
14. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle getaktet ist.
15. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Waagschale (3) im vorgegebenen Spektralbereich eine stark reflektierende Oberfläche aufweist.
16. Trocknungswaage nach einem der Anspruch 2 bis 15, daduch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle gleichzeitig Heizquelle ist.
17. Trocknungswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (52) zur Messung der Dielektrizitätskonstanten der Probe aus mindestens einer Elektrode (55) besteht.
18. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Waagschale (3, 53) drehbar gelagert ist.
19. Trocknungswaage nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Sensor (38) zur Messung der Temperatur der Probe (4) vorhanden ist und in der Elektronik (7) der Trocknungswaage Auswertealgorithmen vorhanden sind, die die Daten des Sensors (H") zur Messung des Absorptions-, Transmissions- oder
Reflexionskoeffizienten der Probe beziehungsweise die Daten des Sensors zur Messung der Dielektrizitätskonstanten der Probe temperaturabhängig korrigieren.
20. Verfahren zum Betrieb einer Trocknungswaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Probe (4) mit maximalem Feuchtegehalt benutzt wird und von dieser Probe während des Trocknungsvorganges eine Vielzahl von Wertepaaren für den feuchteabhängigen Absorptions-, Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten oder die feuchteabhängige
Dielektrizitätskonstante und für das zugehörige Probengewicht aufgenommen werden.
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