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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung wärmetechnischer
Stoffwerte, insbesondere von Lebensmitteln durch Beheizung und Messungen an einer
Probe und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Heizplatte,
einem Probengefäß und mindestens einer Temperaturmeßstelle.
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Die Kenntnis wärmetechnischer Stoffwerte, insbesondere Wärmeleitfähigkeit
und spezifische Wärme, ist eine Vorrausetzung zur Auslegung aller Anlagen in denen
Stoffe wärmetechnischen Prozessen unterworfen werden. Es gibt deshalb umfangreiche
Sammlungen für viele Stoffe, die in großtechnischen Anlagen hergesellt, gewandelt
oder veredelt werden.
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Die Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung dieser Stoffwerte sind
ihrer großen wirtschaftlichen Bedeutung entsprechend teilweise genormt. So sind
z. B. aus der DIN 52 612 und DIN 52 613 Verfahren und Vorrichtungen vorbekannt,
die insbesondere der Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen dienen. Die
Messungen erfolgen an einer Probe, die einem stationärern Wärmefluß ausgesetzt wird.
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Nachteilig an den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist, daß die
Ermittlung der wärmetechnischen Stoffwerte sehr langwierig ist. Häufig sind auch
die ermittelten Werte nicht auf die realen Prozesse übertragbar, da in technischen
Prozessen der idealisierend stationäre Wärmefluß gar nicht vorhanden ist. Dies trifft
insbesondere auf die meisten Prozesse in der Lebensmitteltechnologie zu, deren Wärmeprozesse,
wie z.
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B. Garen, Backen oder Grillen, in möglichst kurzen Zeitspannen ablaufen
sollen und somit das Erreichen eines Stationären Zustandes gar nicht erwünscht ist.
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Darüberhinaus sind auch Lebensmittelproben zur Anwendung in bekannten
Vorrichtungen ungeeignet. Aus den genannten Gründen ist auch heute noch notwendig,
Anlagen ohne Kenntnis der wärmetechnischen Stoffwerte im Bewußtsein eines erhöhten
Planungsrisikos zu entwerfen und zu bauen.
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Insbesondere im Bereich der Lebensmitteltechnologie ist man meist
zu einer derartigen Vorgehensweise genötigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem zeitsparend
und wirklichkeitsnah die wärmetechnischen Stoffwerte ermittelt werden können.
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Außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben
werden, die einfach zu handhaben und auch zur Verarbeitung von Lebensmittelproben
geeignet ist. Die Ergebnisse sollen möglichst wirklichkeitsnah sein.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst,daß die Messungen während eines instationären
Zustandes der Probe erfolgen. Das Warten, bis der stationäre Zustand erreicht ist,
entfällt. Die Zeit zur Ermittlung der Stoffkennwerte verringert sich wesentlich.
Das Verfahren läßt sich vorteilhaft auch in Produktionsstätten anwenden, wo es kurzfridtig
zur Ermittlung von Referenzwerten dienen kann, um z. B. die Produktionsparameter
von Backstraßen einzustellen. Die Anfahrzeiten der Anlagen werden verkürzt. Der
Ausschuß verringert. Das Verfahren liefert Werte, die direkt auf den Produktionsprozeß
übertragbar sind.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Messungen bei
konstanter Wärmezufuhr erfolgen. Dieser Meßmodus liefert besonders wirklichkeitsnahe
Werte, insbesondere für die Verfahren der Lebensmitteltechnologie, da dort meist
mit ungeregelten konstanten Wärmequellen gearbeitet wird. Effekte die aus Phasenübergängen
der Stoffe während des Prozesses resultieren werden vorteilhaft mit erfasst.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Messungen
bei konstanter Heiztemperatur erfolgen.
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Bei der Ermittlung von Werten für Prozesse, die mit geregelten Wärmequellen
arbeiten, ist dieser Meßmodus vorteilhaft anzuwenden. Die Temperatur, bei der die
Messung erfolgen soll, kann zuvor auf das Niveau des realen Prozesses eingestellt
werden. Die Ergebnisse lassen sich auch direkt für die Anlagenplanung nutzen und
mögliche Verfahrensoptima bestimmen. Die Leistung der Anlagen läßt sich somit erhöhen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß Temperaturmessungen
gleichzeitig im räumlichen Abstand erfolgen. Auch innerhalb oder an der Oberfläche
der Probe lassen sich örtlich zutreffende Vergleichswerte bestimmen, die ggf. gemittelt
werden können, sofern es für die Apparateauslegung erforderlich sein sollte.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß Temperaturmessungen
in festgelegten zeitlichen Abständen erfolgen. Auch zeitliche Veränderungen der
wärmetechnischen Vergleichswerte lassen sich dadurch ermitteln. Das reale Verhalten
der Probe läßt sich bereits im Vorstadium der Anlagenplanung weigehend objektiv
erfassen. Die Risiken der Anlagenplanung werden vorteilhaft reduziert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Zeitmessung
erfolgt. Die Zeit läßt sich besonders exakt und einfach ermitteln.
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Überraschenderweise läßt sich durch die gemessene Zeit eine weitere
Temperaturmeßstelle einsparen. Zwei, am gleichen Ort, jedoch zu unterschiedlichen
Zeiten gemessene Temperaturen, die verglichen werden, reichen bereits aus, um die
gewünschten Stoffwerte zu ermitteln.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Wärmestrommessung
erfolgt. Hierdurch läßt sich vorteilhaft die Messung noch weiter vereinfachen. Zur
vollständigen Ermittlung aller wärmetechnischen Stoffwerte ist nur noch eine einzige
Messung erforderlich. Das bereits kurze Meßverfahren wird damit weiter vorteilhaft
verkürzt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Messung
bei einer Heiztemperatur im Bereich zwischen 40 Grad Celsius und 250 Grad Celsius
erfolgt.
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Gerade für diesen Bereich liegen kaum verwendbare Werte vor. Die Erfindung
läßt sich besonders nutzbringend in diesem Bereich anwenden, da die bei Lebensmitteln
in diesem Bereich vorhandenen Phasenänderungen der Stoffe für das erfindungsgemäöße
Verfahren keine Schwierigkeiten bieten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Abstandsmessung
der Temperaturmeßstellen erfolgt, insbesondere als Dickenmessung der Probe. Es lassen
sich damit auch Meßwerte ermitteln, die für quasistationäre Zustände gelten und
dadurch direkt mit Werten vergleichbar sind, die mit bekannten Vorrichtungen nach
gebräuchlichen Verfahren ermittelt wurden. Die Übertragbarkeit bekannter Werte läßt
sich überprüfen und das neue Verfahren anhand bekannter Werte kalibrieren.
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Außerdem ergibt sich die Möglichkeit, in Verbindung mit dem bekannten
Querschnitt das Volumen der Probe ermitteln.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Ermittlung
des Probengewichts, insbesondere automatisch, erfolgt. Die Meßwerte lassen sich
direkt auf das Probengewicht beziehen. Die Übertragbarkeit der Werte, bzw. die Auswertung
der Meßergebnisse wird dadurch noch weiter vereinfacht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein wärmetechnischer
Vergleichswert ermittelt wird, der den Wärmeübergangskoeffizienten mit beinhaltet.
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Dieser, für die meisten Verfahren und zur Auslegung der dazu erforderlichen
Anlagenkennwerte ausreichende Wert, läßt sich besonders schnell und einfach nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren ermitteln.
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Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung'mit einer Heizplatte,
einem Probengefäß und mindestens einer Temperaturmeßstelle geeignet, wobei die Vorrichtung
ein digitales Auswertegerät aufweist. In dem digitalen Auswertegerät läßt sich vorteilhaft
ein Auswertealgorithmus speichern, der die von der Temperaturmeßstelle ermittelten
Temperaturen in ihrem zeitlichen Zusammenhang auswerten kann. Man kann vorteilhaft
auf einen stationäten Zustand der Probe verzichten. Mit dem digitalen Auswertegerät
lassen sich die wärmetechnischen Stoffwerte kurzfristig und bequem aus einem instationären
Zustand heraus ermitteln. Dies ist besonders wichtig bei Lebensmitteln, die während
der Garzeit noch ihre Struktur verändern.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, sie zusätzlich
eine Waage und/oder Regler und/oder Plotter und/oder Drucker aufweist. Mit Hilfe
der genannten wahlweise möglichen Peripheriegeräte des digitalen Auswertegerätes
wird die Handhabung der Meßvorrichtung weiter erleichtert. Die Waage ermittelt automatisch
das Gewicht der Probe, womit sich aus der bekannten Meßfläche und der Dicke mit
Hilfe des Gewichts automatisch die Dichte der Probe ermitteln läßt. Der Regler hält
je nach Art des gewählten Meßverfahrens entweder die Heiztemperatur oder die Heizleistung
konstant. Mit dem Plotter läßt sich optisch der Temperaturverlauf darstellen und
auch die intervallweise errechneten wärmetechnischen Stoffwerte aufzeichnen, aus
denen sich wesentliche Rückschlüsse auf Veränderungen der
Probenstruktur
während der Meßzeit ermitteln lassen. Dies ist für Lebensmittel von großer Wichtigkeit
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Probengefäß ein
handelsüblicher Kochtopf verwendet wird. Durch die Verwendung des Kochtopfes als
Probengefäß kann die Ermittlung vorteilhaft wirklichkeitsnah erfolgen. Auf eine
Isolation kann verzichtet werden, da erfindungsgemäß im instationären Zustand der
Probe gemessen wird. Die Messung gestaltet sich dadurch besonders einfach und schnell.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das digitales
Auswertegerät Wirkverbindungen zu einer Waage und/oder zu einer oder mehreren Temperaturmeßstellen
und/oder einer Heizplattensteuerung aufweist. Die Wirkverbindungen ermöglichen es,
direkt z.
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B. in Abhängigkeit von dem Gewicht der Probe die Sollwertvorgabe für
die Heizungssteuerung einzustellen.
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Das digitale Auswertegerät wertet die Meßsignale der Temperaturmeßstellen
aus und liefert, vorteilhaft unabhängig von der Geschicklichkeit des Auswertepersonals
die ermittelten wärmetechnischen Stoffwerte aus.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Heizplatte,
insbesondere der Boden eines Kochtopfes, eine induktive Beheizung aufweist. Besondere
Vorteile bietet eine induktive Beheizung der Heizplatte.
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Diese Heizweise, vorzugsweise über den Boden eines Kochtopfes, wirkt
fast trägheitslos. Außerdem ist sie elektronisch gut und sicher regelbar. Die Meßdauer
wird dadurch vorteilhaft verkürzt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Heizplatte
Widerstandsbeheizung aufweist. Eine Beheizung durch Widerstandswirkung läßt sich
kostengünstiger herstellen und ist für einfachere Fälle die probate Lösung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Heizplatte
eine Flüssigkeitsbeheizung durch ein Wärmeträgermedium aufweist. Konstante temperatur
wird vorteilhaft mit einer Heizplatte erzielt, die durch ein Wärmeträgermedium beheizt
wird. Derartige Heizplatten sind besonders träge und lassen sich auf einem vorteilhaft
konstanten Niveau halten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sie zur
Ermittlung der Temperaturleitzahl und/oder spezifischen Wärme und/oder Wärmeübergangszahl
und/oder des Wärmeleitkoeffizienten verwendet wird. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
läßt sich besonders schnell und einfach die Temperaturleitzahl bestimmen. Für viele
Prozesse reicht dieser Kennwert zur Auslegung aus. Sind jedoch Dichte und der Wärmefluß
bekannt, so lassen sich auch mit Hilfe dieser ermittelten bzw. bekannten Daten leicht
auf die spezifische Wärme rückschließen. Von Vorteil ist dabei aus praktischer Sicht,
daß durch die Einbeziehung des Wärmeübergangs und der ihn bestimmenden Wärmeübergangszahl
besonders realistische Kennwerte ermittelbar sind. Insgesamt stellt das Verfahren
ünd die Vorrichtung folglich eine neue Meßmöglichkeit zur Verfügung, mit der besonders
realistische Kennwerte für alle wärmetechnischen Prozesse in besonders kurzer Zeit
auf vorteilhaft einfache Weise ermittelbar sind.
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Die Erfindung wird in Zeichnungen beschrieben, wobei weitere vorteilhafte
Einzelheiten den Zeichnungen zu entnehmen sind.
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Die Zeichnung, Figur 1, zeigt einen schematischen Schnitt durch die
erfindungsgemäße Meßvorrichtung und die dazu gehörigen elektronischen Funktionseinheiten
als Blockschaubild darstellt.
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In Figur 1 bedeutet 1 den Probenbehälter, der als einfacher Kochtopf
ausgebildet ist. Mit 2 ist die Probe gekennzeichnet. wie sie z. B. Der Deckel 3
ist isolierend
ausgebildet. Beheizt wird der Boden 5 des Probenbehälters
1 durch einen Mikrowellensender 6. Der Boden 5 des Probenbehälters wirkt somit gleichzeitig
als Heizplatte.
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Direkt verbunden mit dem Boden 5 ist in diesem Fall eine die Wärmeströmung
messende Meßschicht 7 . Außerdem weist der Boden noch die Temperaturmeßstelle 8
auf. Wahlweise kann ein weiteres Temperaturmeßelement 9, strichpunktiert dargestellt
vorhanden sein. Der Regler 10 hält je nach Sollwertvorgabe , die durch Eingebe über
Tastatur 16'in das digitale Auswertegerät 11 erfolgt, die Temperatur auf ein vorher
bestimmtes Niveau konstant oder aber den Wärmestrom durch die Meßschicht 7. Das
digitale Auswertegerät 11 ist über weitere Wirkverbindungen mit dem Sichtgerät 12
und dem Drucker bzw. Plotter 13 verbunden. Über das Sichtgerät kann die ganze Messung
überwacht und geführt werden sowie wunschgemäß die Art der Auswertung über Tastatur
vorgegeben werden. Das Meßergebnis wird von dem Plotter bzw. dem Drucker 13 dokumentiert.
Weiter bestehen Wirkverbindungen zur Waage 15, die die Signale der Druckmeßdosen
14 in ein Gewichtssignal der Probe umwandelt.
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Das Meßverfahren gestaltet sich wie folgt: Der Probenbehälter 1, der
sich beispielsweise auf einer vorgewählten Temperatur befindet, wird mit der Probe
2 befüllt. Die Temperatur wandert durch die Probe, wird an ihrer Oberseite reflektiert
und wandert dann zurück. Die Zeit die sie dazu benötigt, entspricht dem Quadrat
der dabei zurückgelegten Wegstrecke dividiert durch das zwölffache der Wärmeleitzahl.
In Kenntnis der Probendicke sowie der benötigten Zeit läßt sich folglich die Temperaturleitzahl
aus dem genannten Algarithmus ermitteln.
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Weitehin ist bekannt, daß der Wärmestrom in Abhängigkeit der Zeit
dem Quotienten aus dem doppelten des Wärmeleitkoeffizienten multipliziert mit dem
Temperaturunterschied zwischen Probe und Heizfläche
dividiert durch
die Wurzel aus dem Produkt von der Kreiszahl mit der Temperaturleitzahl, wobei der
Quotient mit der Wurzel der dabei verstrichenen Zeit multiplziert wird. Mit Hilfe
des genannten Algorithmus läßt sich bei Kenntnis der Temperaturdifferenz, der Zeit
und der zuvor bestimmten Temperaturleitzahl auch der Wärmeleitkoeffizient bestimmen.
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Da die Temperaturleitzahl dem Quptienten des Wärmeleitkoeffizienten
dividiert durch das Produkt aus der Dichte und der Spezifischen Wärme der Probe
entspricht, läßt sich auch, nachdem, wie oben beschrieben, die Temperaturleitzahl,
der Wärmeleitkoeffizient und die Dichte bekannt sind, auch die Spezifische Wärme
der Probe errechnen.
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Mit dem beschriebenen Verfahren ist es also möglich, mit nur einer
Meßstelle und in einer bisher nicht gekannten Schnelligkeit, alle erforderlichen
wärmetechnischen Werte auch bei kritischen Proben auf besonders einfache Weise zu
ermitteln.