-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung, im Besonderen auf eine Messvorrichtung zur simultanen Detektion von Materialpegel und Temperatur.
-
2. Stand der Technik
-
Zur Verwaltung einer großen Materialmenge, die in einem Silo gelagert wird, ist eine Messvorrichtung zur Ermittlung des Materialpegels sehr wichtig. Der Materialpegel bezeichnet die Füllhöhe des Materials im Silo und der Materialpegel kann umgerechnet werden in die Menge an Material, die im Silo gelagert ist. Die Messvorrichtung kann in der petrochemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie, Futtermittelindustrie, Stahlindustrie, Zementindustrie, usw. eingesetzt werden. Materialien, die in einem Silo aufbewahrt werden, können fest, flüssig, oder Flüssig-Fest-Suspensionen sein. Beispielsweise kann das Material Rohöl, Kohle, Eisensand, Zement, Mehl, Rinderfett, usw. sein. Für jedes Material, das im Silo gelagert ist, wird die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und die Menge an gespeichertem Material die Qualität des Materials beeinflussen. In einigen bestimmten Industriezweigen kann ein trockenes und staubendes Material eine Staubexplosion auslösen, wenn die Temperatur des Materials im Silo nicht gründlich kontrolliert wird.
-
Eine herkömmliche Messvorrichtung kann nur die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder den Füllpegel des Materials messen. Wenn ein Anwender die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und den Füllpegel des Materials gleichzeitig messen möchte, muss der Anwender ein System aus mehreren Messvorrichtungen bauen, die jeweils die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder den Füllpegel des Materials im Silo messen. Nur so kann der Anwender die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und den Füllpegel des Materials im Silo überwachen.
-
Weiterhin kann die Messvorrichtung den Materialpegel durch Hochfrequenz(RF)-Admittanz messen. Die Messvorrichtung versorgt eine Elektrode der Messvorrichtung mit einer bestimmten Spannung und misst den Unterschied der Ströme zwischen der Elektrode und der Erde, welche durch die Kapazität des Materials verursacht werden. Danach kann die Messvorrichtung den Materialpegel durch die RF-Admittanz mittels einer bekannten Dielektrizitätskonstante des Materials und dem Stromunterschied zwischen Elektrode und der Erde berechnen.
-
Die Dielektrizitätskonstante des Materials wird sich mit der Temperatur des Materials ändern. Unterschiedliche Temperaturen des Materials entsprechen jeweils unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten. Die Dielektrizitätskonstante kann in die Materialkapazität umgerechnet werden. Die Materialkapazität ist ein wichtiger Parameter für die Berechnung des Materialpegels mittels RF-Admittanz. Wenn die Materialkapazität des Materials nicht richtig ist, wird die Berechnung des Materialpegels durch die RF-Admittanz fehlerhaft sein. Demzufolge muss die Messvorrichtung weiter verbessert werden.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messvorrichtung zur Detektion von Materialpegel und Temperatur bereitzustellen, Die Messvorrichtung kann die Temperatur und den Materialpegel eines Materials, welches in einem Silo gelagert wird, gleichzeitig messen. Die Messvorrichtung bestimmt eine Dielektrizitätskonstante und Materialkapazität und kalibriert darüber hinaus die Materialkapazität entsprechend der Temperatur des Materials. Die Messvorrichtung berechnet den Materialpegel anhand der RF-Admittanz.
-
Um die vorhergehende Aufgabe zu erfüllen, beinhaltet die Messvorrichtung ein Kabel, ein Füllhöhensensormodul, ein Temperatursensormodul, ein Auswertemodul und ein Leistungsmodul.
-
Das Kabel beinhaltet eine Elektrode und eine Vielzahl an Temperatursensoreinheiten. Die Temperatursensoreinheiten sind an dem Kabel angebracht und voneinander getrennt.
-
Das Füllhöhensensormodul ist elektronisch mit der Elektrode verbunden, sendet ein Wellensignal an die Elektrode aus, um die RF-Admittanz zu erzeugen, und gibt des Weiteren ein Füllhöhensignal aus.
-
Das Temperatursensormodul ist elektronisch mit jeder Temperatursensoreinheit verbunden und gibt ein Temperatursignal aus.
-
Das Auswertemodul umfasst einen Speicher und einen Prozessor. Die Speichereinheit ist elektronisch mit dem Prozessor verbunden und speichert eine Referenztabelle. Die Referenztabelle beinhaltet Temperaturen und Materialkapazitäten des Materials. Der Prozessor ist elektronisch mit dem Füllhöhensensormodul und dem Temperatursensormodul verbunden, um das Füllhöhensignal und das Temperatursignal zu empfangen. Der Prozessor lädt die Referenztabelle und sucht die Materialkapazität aus der Referenztabelle, die dem empfangenen Temperatursignal entspricht. Dann berechnet der Prozessor die Füllhöhe aus der RF-Admittanz.
-
Das Leistungsmodul ist elektronisch mit dem Kabel, dem Füllhöhensensormodul, dem Temperatursensormodul und dem Auswertemodul verbunden, um die elektrische Leistung bereitzustellen.
-
Die Messvorrichtung kann Unterschiede in den Strömen zwischen der Elektrode und der Erde messen und den Materialpegel aus dem Unterschied und der RF-Admittanz berechnen. Die Temperatursensoreinheiten sind an dem Kabel angebracht und voneinander getrennt. Die Temperatursensoreinheiten messen die Temperaturen entlang des Kabels. Ein Anwender kann die Temperatur des Silos bestimmen und eine Temperatur entsprechend einer geeigneten Lagertemperatur für das Material kontrollieren.
-
Die Referenztabelle ist in einer Speichereinheit gespeichert. Die Referenztabelle protokolliert den Zusammenhang zwischen den Materialkapazitäten und den Temperaturen. Die Materialkapazität ist ein wichtiger Parameter bei der Berechnung des Materialpegels über die RF-Admittanz. Die Materialkapazität ändert sich mit der Temperatur des Materials. Demzufolge kalibriert der Prozessor die Materialkapazität entsprechend der Temperatur und der Referenztabelle. Danach berechnet der Prozessor den Materialpegel gemäß der kalibrierten Materialkapazität und der RF-Admittanz.
-
Weitere Ziele, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Zuhilfenahme der beiliegenden Darstellungen verdeutlicht.
-
IN DEN ZEICHNUNGEN
-
1 ist ein Blockdiagramm für eine Ausführungsform der Messvorrichtung zur Detektion eines Materialpegels und einer Temperatur;
-
2 ist eine Seitenansicht der Messvorrichtung gemäß 1;
-
3 ist ein schematisches Diagramm für Ausführungsformen der Messvorrichtung gemäß 2, welche an ein Silo angepasst sind;
-
4A ist ein schematisches Diagramm eines Silos mit der Messvorrichtung gemäß 1 und ohne im Silo gelagertes Material;
-
4B ist ein Liniendiagramm für die Temperaturen und Materialpegel für 4A;
-
5A ist ein schematisches Diagramm eines Silos mit der Messvorrichtung gemäß 1 und mit einer kleinen Menge an Material, die im Silo gelagert ist;
-
5B ist ein Liniendiagramm für die Temperaturen und Materialpegel für 5A;
-
6A ist ein schematisches Diagramm eines Silos mit der Messvorrichtung gemäß 1 und mit einer großen Menge an Material, die im Silo gelagert ist; und
-
6B ist ein Liniendiagramm für die Temperaturen und Materialpegel für 6A.
-
Gemäß 1 stellt die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zur Detektion eines Materialpegels und einer Temperatur bereit. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Messvorrichtung ein Kabel 10, ein Füllhöhensensormodul 20, ein Temperatursensormodul 30, ein Auswertemodul 40 und ein Leistungsmodul 50.
-
Das Kabel 10 umfasst eine Elektrode 11 und eine Vielzahl an Temperatursensoreinheiten 12. Die Temperatursensoreinheiten 12 sind an dem Kabel 10 angebracht und voneinander getrennt. In der Ausführungsform umfasst die Elektrode 11 Stahldrahtseile zur Signalübertragung. Die Stahldrahtseile können außerdem Schäden durch äußere Einwirkung verhindern.
-
Das Füllhöhensensormodul 20 umfasst einen Füllhöhensignalprozessor 21, einen ersten Analog-zu-Digital-Konverter (ADC) 22, und eine Wellenformerzeugungseinheit 23. Der Füllhöhensignalprozessor 21 ist elektronisch zwischen der Elektrode 11 und dem ersten ADC 22 eingebunden. Der Füllhöhensignalprozessor 21 empfängt ein Füllhöhenausgangssignal von der Elektrode 11, wandelt das Füllhöhensignal in ein analoges Füllhöhensignal um und überträgt das analoge Füllhöhensignal dann an den ersten ADC 22. Der erste ADC 22 wandelt das analoge Füllhöhensignal in ein digitales Füllhöhensignal um und gibt das digitale Füllhöhensignal aus.
-
Die Wellenformerzeugungseinheit 23 ist elektronisch zwischen der Elektrode 11 und dem Auswertemodul 40 eingebunden. Die Wellenformerzeugungseinheit 23 erzeugt ein Wellensignal mit einer bestimmten Frequenz, entsprechend eines Kontrollausgangssignals aus dem Auswertemodul 40, und übermittelt das Wellensignal an die Elektrode 11 zur Ermittlung des Materialpegels mittels RF-Admittanz.
-
Das Temperatursensormodul 30 umfasst einen Temperatursignalprozessor 31 und einen zweiten ADC 32. Der Temperatursignalprozessor 31 ist elektronisch zwischen den Temperatursensoreinheiten 12 und dem zweiten ADC 32 eingebunden.
-
Der Temperatursignalprozessor 31 empfängt ein Temperaturausgangssignal aus den Temperatursensoreinheiten 12 und wandelt die Temperatursignale in analoge Temperatursignale um. Der zweite ADC 32 wandelt die analogen Temperatursignale in digitale Temperatursignale um und gibt die digitalen Temperatursignale aus. In dieser Ausführungsform können die Temperatursensoreinheiten 12 eindrahtige digitale Thermometer, Widerstandsthermometer (RTDs) oder Thermopaare sein.
-
Das Auswertemodul 40 umfasst eine Speichereinheit 41 und einen Prozessor 42. Die Speichereinheit 41 ist elektronisch mit dem Prozessor 42 verbunden und speichert eine Referenztabelle. Die Referenztabelle speichert den Zusammenhang zwischen den Temperaturen und Materialkapazitäten. Der Prozessor 42 ist elektronisch mit der Wellenformerzeugungseinheit 23, dem ersten ADC 22 und dem zweiten ADC 32 verbunden, um das digitale Füllhöhensignal und die digitalen Temperatursignale zu empfangen. Der Prozessor 42 bestimmt die Materialkapazität entsprechend dem digitalen Füllhöhensignal. Dann bezieht sich der Prozessor 42 auf die Referenztabelle, um die Materialkapazität basierend auf den digitalen Temperatursignalen zu kalibrieren. Somit kann der Prozessor 42 den Materialpegel über die RF-Admittanz entsprechend der kalibrierten Materialkapazität und dem digitalen Füllhöhensignal berechnen. In der Ausführungsform ist der Prozessor 42 elektronisch mit den Temperatursensoreinheiten 12 mittels eines eindrahtigen Dateneingangs-/ausgangsschnittstellenkontakts über das Modbus-Protokoll verbunden.
-
Das Leistungsmodul 50 ist elektronisch mit dem Kabel 10, dem Füllhöhensensormodul 20, dem Temperatursensormodul 30 und dem Auswertemodul 40 verbunden und stellt die elektrische Leistung bereit.
-
Das Füllhöhensensormodul 20 beinhaltet des Weiteren einen isolierten Signalprozessor 24 und einen Analogsignalisolator 25. Der isolierte Signalprozessor 24 ist elektronisch zwischen dem Füllhöhensignalprozessor 21 und der Elektrode 11 eingebunden, um Rauschen aus den Füllhöhensignalen zu entfernen und einem Fehler vorzubeugen. Der Analogsignalisolator 25 ist elektronisch zwischen dem isolierten Signalprozessor 24 und dem Füllhöhensignalprozessor 21 eingebunden und ist darüber hinaus elektronisch mit der Wellenformerzeugungseinheit 23 verbunden, um einen Schaden durch Stoßspannung vorzubeugen.
-
Das Temperatursensormodul 30 beinhaltet des Weiteren einen Digitalsignalisolator 33 und eine Schalteinheit 34. Der Digitalsignalisolator 33 ist elektronisch zwischen dem zweiten ADC 32 und dem Prozessor 42 eingebunden, um einen durch eine Stoßspannung verursachten Schaden vorzubeugen. Die Schalteinheit 34 ist elektronisch zwischen den Temperatursensoreinheiten 12 und dem Digitalsignalisolator 33 eingebunden. Die Schalteinheit 34 empfängt ein Stellsignal und passt den Wertebereich für die Analog-zu-Digital-Umwandlung an. In der Ausführungsform können der Temperatursignalprozessor 31, der zweite ADC 32 und der Digitalsignalisolator 33 in einen Chip integriert werden, um die Herstellung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen und weiterhin das Volumen der vorliegenden Erfindung zu verkleinern.
-
Die Messvorrichtung beinhaltet außerdem eine Benutzerschnittstelle 60, ein Ausgabemodul 70 und ein Feuchtigkeitssensormodul 80. Die Benutzerschnittstelle 60 ist elektronisch mit dem Prozessor 42 verbunden und umfasst eine Displayeinheit 61 und einer Eingabeeinheit 62. Die Displayeinheit 61 dient zur Anzeige von Informationen, wie beispielsweise der Temperatur des Materials oder dem Materialpegel. Die Eingabeeinheit 62 wird einem Benutzer bereitgestellt, um die an der Displayeinheit 61 angezeigte Information auszuwählen. In der Ausführungsform kann die Displayeinheit 61 ein Berührungsbildschirm sein.
-
Das Ausgangsmodul 70 ist elektronisch mit dem Prozessor 42 verbunden, um Signale zu empfangen und die Signale an ein anderes elektronisches Gerät zu übermitteln. In der Ausführungsform kann das Ausgangsmodul 70 eine RS-232 oder eine USB-Schnittstelle sein.
-
Das Kabel 10 umfasst weiterhin eine Vielzahl an Feuchtigkeitssensoreinheiten 13. Die Feuchtigkeitssensoreinheiten 13 sind an dem Kabel 10 befestigt und voneinander getrennt und dienen zur Ermittlung der Feuchtigkeit des Materials. Das Feuchtigkeitssensormodul 80 umfasst einen Feuchtigkeitssignalprozessor 81 und einen dritten ADC 82. Der Feuchtigkeitssignalprozessor 81 ist elektronisch zwischen den Feuchtigkeitssensoreinheiten 13 und dem dritten ADC 82 eingebunden, um Feuchtigkeitsmesssignale zu empfangen. Der Feuchtigkeitssignalprozessor 81 wandelt die Feuchtigkeitssignale in analoge Feuchtigkeitssignale um. Der dritte ADC 82 ist elektronisch mit dem Prozessor 42 verbunden. Der dritte ADC 82 wandelt die analogen Feuchtigkeitssignale in digitale Feuchtigkeitssignale um und übermittelt die digitalen Feuchtigkeitssignale an den Prozessor 42.
-
Eine Vergleichstabelle ist ebenfalls in der Speichereinheit 41 gespeichert. Die Vergleichtabelle zeichnet Zusammenhänge zwischen den Feuchtigkeitsgraden und den Materialkapazitäten auf. Der Prozessor 42 ist außerdem elektronisch mit dem dritten ADC 82 verbunden, um die digitalen Feuchtigkeitssignale zu empfangen. Der Prozessor 42 lädt die Vergleichstabelle. Dann kalibriert der Prozessor 42 die Materialkapazität entsprechend den digitalen Feuchtigkeitssignalen und der Vergleichstabelle. Daraus kann der Prozessor 42 den Materialpegel aus der RF-Admittanz gemäß der kalibrierten Materialkapazität und dem digitalen Füllhöhensignal berechnen.
-
Gemäß 2 wird an einem Ende des Kabels eine Buchse 14 angebracht. Die Buchse 14 enthält eine gedruckte Schaltung (PCB) (nicht dargestellt in den Zeichnungen) und das PCB beinhaltet die vorab genannten Module. Gemäß 3 ist die Buchse 14 auf dem Dach eines Silos befestigt und das Kabel 10 wird in das Silo abgelassen, wobei das andere Ende des Kabels 10 am Boden des Silos befestigt wird. Somit kann das Kabel 10 den Materialpegel unabhängig von der Materialmenge bestimmen.
-
Gemäß 5A und 5B ermittelt der Prozessor 42 der Messvorrichtung darüber hinaus einen Temperaturunterschied zwischen zwei unterschiedlichen Stoffen. Anders ausgedrückt ist die von den Temperatursensoreinheiten 12, die außerhalb des Materials liegen, erfasste Temperatur von der erfassten Temperatur der Temperatursensoreinheiten 12, die vom Material umgeben sind, verschieden. Verschiedene Stoffe haben verschiedene Wärmeleitfähigkeiten. Demzufolge kann an einem Übergang zwischen zwei verschiedenen Stoffen ein Temperaturunterschied ermittelt werden.
-
Beispielsweise kann ein Temperaturunterschied an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser gemessen werden, da die beiden unterschiedlichen Stoffe unterschiedliche Koeffizienten für die Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
-
Ein ADC in einer herkömmlichen Messvorrichtung kann eine Analog-zu-Digital-Umwandlung für den gesamten Wertebereich ausführen. Beispielsweise kann ein 12-Bit ADC ein analoges Signal in ein digitales Signal umwandeln, das durch 4096 Kanäle dargestellt wird, und der komplette Wertebereich wird in 4096 verschiedene Kanäle umgewandelt. Wenn ein Benutzer die Auflösung der Analog-zu-Digital-Umwandlung erhöhen möchte, muss der Benutzer das ursprüngliche ADC durch ein hochauflösendes ADC ersetzen.
-
Die ADCs der Messvorrichtung können jeden Wertebereich der Messvorrichtung für die Analog-zu-Digital-Umwandlung auswählen. Ein Übergang zwischen zwei verschiedenen Stoffen kann ermittelt werden, indem ein Temperaturunterschied gemessen wird. Die beiden Temperatursensoreinheiten 12, welche dem Übergang am nächsten liegen, können bestimmt werden. Die ADCs können auch nur den Wertebereich zwischen zwei beliebig ausgewählten Temperatursensoreinheiten 12 verarbeiten, anstatt den Wertebereich zwischen der ersten und der letzten Temperatursensoreinheit 12 zu verarbeiten. Andererseits kann der Wertebereich, welcher durch die ADCs verarbeitet wird, reduziert werden, sodass die Genauigkeit der Analog-zu-Digital-Umwandlungen erhöht werden kann, ohne die Auflösung der ADCs zu erhöhen.
-
Gemäß 4A und 4B kann das erste ADC 22 beispielsweise einen Wertebereich zwischen einer ersten Temperatursensoreinheit 121 und einer zweiten Temperatursensoreinheit 122 auswählen. Die Auflösung des ersten ADC 22 ist 16-Bit. Der erste ADC 22 kann den Wertebereich in einen von 65536 unterschiedlichen Kanälen kodieren. Eine erste Kapazität, die durch die erste Temperatursensoreinheit 121 ermittelt wird, beträgt 870 pf, und eine zweite Kapazität, die durch die zweite Temperatursensoreinheit 122 ermittelt wird, beträgt 500 pf. Die Genauigkeit dieser Analog-zu-Digital-Umwandlung beträgt (870–550)/216.
-
Gemäß 5A, 5B, 6A und 6B wählt der erste ADC 22 der Messvorrichtung einen neuen Wertebereich entsprechend dem Temperaturunterschied aus. Der neue Wertebereich liegt zwischen einer dritten Temperatursensoreinheit 123 und einer vierten Temperatursensoreinheit 124. Die dritte Temperatursensoreinheit 123 und die vierte Temperatursensoreinheit 124 liegen am nächsten am Übergang zwischen den zwei verschiedenen Stoffen. Die Auflösung des ersten ADC 22 ist unverändert. Der erste ADC 22 kann nur den neuen Wertebereich in einen von 65536 verschiedenen Kanälen kodieren. Eine dritte Kapazität, welche durch die dritte Temperatursensoreinheit 123 ermittelt wird, beträgt 750 pf, und eine vierte Kapazität, die durch die vierte Temperatursensoreinheit 124 ermittelt wird, beträgt 550 pf. Die Genauigkeit dieser Analog-zu-Digital-Umwandlung beträgt (750–550)/216. Die Genauigkeit ist in dieser Analog-zu-Digital-Umwandlung höher. Andererseits kann die Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung das ursprüngliche ADC nutzen, um eine ebenso hohe Genauigkeit zu erreichen, wie durch ein hochauflösendes ADC bereitgestellt werden kann.
-
Die Materialkapazität ist ein wichtiger Parameter bei der Berechnung des Materialpegels über die RF-Admittanz. Die Materialkapazität ändert sich abhängig von der Temperatur oder dem Feuchtigkeitsgrad des Materials. Daher kann die Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung die Materialkapazität entsprechend der Temperatur und Feuchtigkeit des Materials kalibrieren. Danach berechnet der Prozessor 42 den Materialpegel gemäß der kalibrierten Materialkapazität und der RF-Admittanz.
-
Ein Zusammenhang zwischen der Materialkapazität und der Temperatur oder dem Feuchtigkeitsgrad des Materials kann eine positive oder negative Korrelation sein. Die positive Korrelation zeigt an, dass mit einer höheren Temperatur oder Feuchtigkeit des Materials auch die Materialkapazität ansteigt. Die negative Korrelation zeigt an, dass mit einer höheren Temperatur oder Feuchtigkeit des Materials die Materialkapazität abnimmt. Der Zusammenhang zwischen der Materialkapazität und der Temperatur oder der Feuchtigkeit des Materials kann linear oder nichtlinear sein.
-
In der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung können die ADCs der Messvorrichtung einen Wertebereich für die Analog-zu-Digital-Umwandlung gemäß dem Temperaturunterschied auswählen. Somit kann die Genauigkeit des ADC erhöht werden ohne den ursprünglichen ADC durch einen hochauflösenden ADC zu ersetzen.
