[Zusammenfassung]: In diesem Beitrag wird eine elektronische Waage zur Feuchtigkeitsbestimmung vorgestellt. Sie integriert eine elektronische Waage mit einem Infrarot-Trockenofen und nutzt einen digitalen Signalprozessor (DSP) als Informationsverarbeitungseinheit. Das Gerät verfügt über zwei messtechnische Funktionen: Feuchtigkeitsbestimmung und Wägung. Zur Echtzeit-Temperaturregelung des Ofens wird eine Regelungsstrategie eingesetzt, die zeitoptimale Regelung und PID-Regelung kombiniert. Dadurch werden die Vorteile der zeitoptimalen Regelung (schnelle Beseitigung großer Abweichungen) und der PID-Regelung (hohe Präzision und geringes Überschwingen) genutzt. Dies führt zu idealen statischen und dynamischen Leistungskennzahlen bei gleichzeitig genauer und schneller Messung. Der Feuchtigkeitsgehalt ist ein fundamentaler Parameter für die Produktqualität und -prozesse; eine genaue Feuchtigkeitsbestimmung ist daher entscheidend für die Qualitätssicherung. Viele branchenübliche Methoden (Schiedskriterien) zur Feuchtigkeitsbestimmung basieren derzeit auf der Trocknungsverlustmethode. Dabei wird eine Probe mit dem Gewicht W1 bei einer festgelegten Zeit und Temperatur getrocknet, und der Gewichtsverlust nach der Trocknung wird als W∞ definiert. Der Feuchtigkeitsgehalt wird anschließend wie folgt berechnet: Diese Methode misst direkt die Menge der verdunsteten Feuchtigkeit und wird daher auch als direkte oder klassische Methode bezeichnet. Diese Methode erfordert eine Analysenwaage und einen elektrischen Trockenschrank, der umständlich zu bedienen ist. Zudem können die starken Temperaturschwankungen im Trockenschrank die Probe leicht beschädigen. In diesem Beitrag wird eine elektronische Waage mit einem Infrarot-Trockenschrank integriert, wobei ein digitaler Signalprozessor (DSP) als Informationsverarbeitungseinheit dient. Durch die Kombination von zeitoptimaler und PID-Regelung wird eine neuartige, DSP-basierte elektronische Waage zur Feuchtigkeitsbestimmung entwickelt. Die Regelungsstrategie, die zeitoptimale und PID-Regelung kombiniert, ermöglicht die Echtzeit-Temperaturregelung des Trockenschranks. Dadurch werden die Vorteile der zeitoptimalen Regelung zur schnellen Beseitigung großer Abweichungen genutzt, während gleichzeitig die hohe Genauigkeit und das geringe Überschwingen der PID-Regelung zum Einsatz kommen. 1. Testmechanismus und Strukturaufbau: In diesem Beitrag wird ein TMS320LF2407A DSP als Informationsverarbeitungseinheit verwendet, um eine neuartige, DSP-basierte elektronische Waage zur Feuchtigkeitsbestimmung zu entwickeln (siehe Abbildung 1). Der elektromagnetische Kraftmesssensor wandelt die gemessene Masse in ein elektrisches Signal um, das anschließend durch die Verstärkerschaltung zu einem 0-5-V-Gleichspannungssignal verstärkt wird. Dieses Signal wird anschließend von einem A/D-Wandler umgewandelt und zur Verarbeitung, Anzeige, zum Ausdrucken oder zur Sprachausgabe der Messergebnisse an den DSP gesendet. Der Thermistor im Infrarot-Trockenofen liefert dem DSP kontinuierlich Temperaturmessdaten über die Temperaturmessschaltung und den A/D-Wandler. Der DSP führt eine PWM-Steuerung basierend auf der über die Tastatur eingestellten Temperatur und der tatsächlich gemessenen Temperatur im Ofen durch, die über eine Thyristor-Leistungsregelungsschaltung erreicht wird. 1.1 Trocknungsmechanismus mit Infrarotstrahlung Der Trocknungsmechanismus mit Infrarotstrahlung basiert weiterhin auf der klassischen Methode mit einem Widerstandsofen. Die Verdunstung der Feuchtigkeit in der Probe beruht hauptsächlich auf Wärmeleitung, was zu einem langsamen Wasserverlust und einer geringen Messeffizienz führt. Im Gegensatz dazu können Infrarot- und Mikrowellenverfahren das Material direkt von innen erwärmen und die Trocknungszeit deutlich verkürzen. Sie bieten außerdem Vorteile wie Sauberkeit, den Verzicht auf Anbauteile und eine einfache Installation und finden daher breite Anwendung im Bereich der Trocknung und Erwärmung. Da Mikrowellenheizung im Allgemeinen eine hohe Leistung aufweist, schwer zu kontrollieren ist und zu Strahlungsverlusten führen kann, nutzt die in dieser Arbeit vorgestellte neuartige elektronische Waage zur schnellen Feuchtigkeitsbestimmung Infrarotstrahlung, um die Probentrocknung zu beschleunigen. 1.2 Wägeprinzip Die elektronische Waage zur Feuchtigkeitsbestimmung hat einen Wägebereich von 0–300 g und eine Empfindlichkeit von 0,001 g. Vor dem Wiegen ist der Hebel ausbalanciert und die Lichtabschirmplatte befindet sich in Nullstellung. Nach dem Auflegen des Wägeobjekts gerät der Hebel aus dem Gleichgewicht, wodurch die Lichtabschirmplatte von der Nullstellung abweicht. Das vom Differenzial-Fotodioden-Ausgangssignal ist ungleich Null. Dieses Signal wird verstärkt und an den PID-Regler gesendet. Das PID-Regelsignal wird an die Ansteuerschaltung der Drehspule gesendet, wodurch der Strom in der Drehspule geändert wird und sich der Hebel in Richtung des Gleichgewichts bewegt. Gleichzeitig sinkt das Ausgangssignal der Differenzfotodiode. Aufgrund des PID-Reglers steigt das Steuersignal jedoch so lange an, bis der Hebel in die Gleichgewichtsposition und die Lichtabschirmplatte in die Nullstellung zurückkehrt. Das Massenmesssignal wird verstärkt, gefiltert und A/D-gewandelt, bevor es zur weiteren Verarbeitung an die DSP-Informationsverarbeitungseinheit gesendet wird. 2 Temperaturerfassung und -regelung des Infrarot-Trockenofens 2.1 Funktionsprinzip der Temperaturregelung Dieses System verwendet den seriellen Analog-Digital-Wandler MAX6675 vom Typ K mit integrierter Temperaturkompensation von MAXIM als Messschaltung und einen bidirektionalen Thyristor als Steuerelement. Die Temperaturregelung basiert auf dem DSP-Chip TMS320LF2407. Die Hauptschaltung wird von einem bidirektionalen Thyristor BCR50GM mit einem Schaltstrom von 50 A gesteuert. Die Parameter der Regelschaltung wurden durch praktisches Debugging ermittelt (siehe Abbildung 2). Der MAX6675 wandelt das mV-Ausgangssignal des Thermoelements direkt in ein digitales Signal um und sendet es an den DSP. Der MAX6675 kann die Kaltstellentemperatur kompensieren. Der DSP sendet ein PWM-Steuersignal, um den Optokoppler MOC3061 anzusteuern. Dieser steuert das Leiten und Abschalten des Thyristors BCR50GM und gewährleistet so eine stabile Temperatur im Widerstandsofen nahe dem Sollwert. Durch Vergleich der gemessenen mit der Solltemperatur wird das Tastverhältnis des DSP-Ausgangsimpulses angepasst, um die mittlere Leitleistung der Halogen-Infrarotlampe weiter zu regeln und somit die Temperaturregelung zu realisieren. 2.2 Temperaturregelungsverfahren: Die PID-Regelung ist ein ausgereiftes und weit verbreitetes Regelungsverfahren. Sie zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau, eine komfortable Parametereinstellung und eine gute Regelwirkung für die meisten Prozesse aus. Daher verwendet dieses System den PID-Algorithmus zur Temperaturregelung der Heizkammer. Für die Temperaturregelung mittels Spannungs- und Leistungsregelung sollte die PID-Formel die Positionsformel verwenden, d. h.: u(k) = u(k-1) + Δu(k) (2). Dabei ist: u(k) der Eingangswert zum Zeitpunkt k; u(k-1) der Eingangswert zum Zeitpunkt k-1; Δu(k) die Eingangsregelung; Kp, K1 und KD sind der Proportional-, Integral- bzw. Differenzialkoeffizient; e(k) ist die Differenz zwischen der aktuellen Temperatur und dem Sollwert; e(k-1) ist die Differenz zwischen der Temperatur und dem Sollwert zum letzten Abtastzeitpunkt; e(k-2) ist die Differenz davor. Temperaturänderungen verlaufen langsam. Bei alleiniger Verwendung eines PID-Reglers ist der Temperaturüberschwingen groß und die Einstellzeit lang. Es dauert mindestens 20 Minuten vom Einschalten bis zum Erreichen einer konstanten Temperatur. Die Regeleffizienz ist gering, der Energieverbrauch hoch und die Ausfallrate der Anlage hoch. Die zeitoptimale Regelung minimiert die Übergangszeit des Systems von einem Anfangszustand in einen anderen. Dieses optimale Schaltsystem wird auch als Bang-Bang-Schaltsystem bezeichnet. Dabei wird ein Schwellenwert ε definiert. Ist die Abweichung größer als ε, kommt die zeitoptimale Regelung zum Einsatz; liegt sie unterhalb des Schwellenwerts, wird die PID-Regelung angewendet. So lassen sich die Vorteile der Bang-Bang-Regelung hinsichtlich der schnellen Beseitigung großer Abweichungen sowie die Vorteile der PID-Regelung hinsichtlich hoher Genauigkeit und geringem Überschwingen nutzen. Dadurch werden die statischen und dynamischen Leistungskennzahlen des Temperaturregelungsprozesses optimiert. 2.3 Parameteroptimierung: Da die Temperaturänderungsrate gering ist, wurde die Abtastzeit TS dieses Systems auf 5 ms festgelegt. Die übrigen Einstellparameter wurden experimentell anhand einer PID-Simulation und unter Berücksichtigung der Zegler-Nichelle-Methode ermittelt. Da die kritische Spannung des Ausgangsimpulssignals des Steuerschaltkreises 1,66 V beträgt und der digitalen Größe AAH (Dezimalzahl 170) entspricht, wird dieser Spannungswert als u(k-1)-Wert verwendet, wenn das System in den Regelprozess eintritt. 3. Leistungsprüfung Nach wiederholten Temperaturregelungstests und Zuverlässigkeitsprüfungen im Dauerbetrieb wurden die Parameter des PID-Algorithmus schließlich bestimmt. Bei einer Temperaturerhöhung des Systems beträgt die maximale dynamische Überschwingung im Bereich von 20 bis 80 °C weniger als ±2 °C und der stationäre Fehler weniger als ±0,2 °C, was auf einen einwandfreien Betrieb des Systems hinweist. Die typische Antwortkurve ist in Abbildung 3 dargestellt. 4. Schlussfolgerung In diesem Beitrag wird eine zeitoptimale, temperaturgeregelte elektronische PID-Waage zur Feuchtebestimmung vorgestellt. Sie vermeidet effektiv die Wiederholbarkeitsprobleme klassischer Feuchtebestimmungsmethoden, verbessert die Messgeschwindigkeit erheblich und eröffnet neue Wege für die Entwicklung von Standardmethoden zur Feuchtebestimmung. Diese neuartige, multifunktionale Waage vereinfacht die Feuchtigkeitsbestimmung und Massenwägung, was die Effizienz von Laboranalysen und -tests steigert, Investitionskosten senkt und daher ein breites Anwendungsspektrum eröffnet. Quelle: China Instrument and Control Technology Co., Ltd.