DE4036042A1 - Vorrichtung zur feststellung der menge von gegenstaenden in einem raum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art werden radioakti­ ve, Ultraschall-, mechanische, kapazitive und Licht­ schranken-Meßprinzipien angewendet. Bei den radioaktiven Meßprinzipien bereitet die Abschirmung der radioaktiven Strahlung Schwierigkeiten und zusätzlichen Aufwand. Bei den Ultraschall- und kapazitiven Meßprinzipien besteht eine starke Abhängigkeit von der Art der Gegenstände und von vorübergehenden Änderungen in der Beschaffenheit der Gegenstände, z. B. von sich ändernder Feuchte. Bei den Ultraschall-, mechanischen und Lichtschranken-Meßprinzi­ pien können die strömenden Gegenstände fälschlicherweise bereits die Feststellung eines Füllstandes in dem Raum auslösen. Bei dem Lichtschranken-Meßprinzip ist die Notwendigkeit der exakten Ausrichtung der Lichtschranke von Nachteil. Bei dem mechanischen Meßprinzip besteht verhältnismäßig hoher Wartungsbedarf. Ferner müssen bauliche Veränderungen in dem Raum vorgenommen werden. Das mechanische Meßprinzip ist außerdem bei feinen und/oder leichten Gegenständen nur schwer mit der nöti­ gen Erkennungssicherheit einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feststel­ lung eines Füllstandes der Gegenstände in dem Raum zu verbessern.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Als normalerweise durch den Raum strömende Gegenstände kommen grundsätzlich Gegenstände aller Art und Größe in Betracht. Insbesondere kann es sich um Partikeln, wie Stäube, oder auch um Gegenstände größerer Abmessungen, wie z. B. Getreide, Sägespäne oder Holzspäne handeln. In allen Fällen ist es möglich, einen uner­ wünschten Füllstand in dem Raum schnell, sicher und mit geringem Aufwand festzustellen. Ein solcher Füllstand kann z. B. durch Zusammenbacken, Aufbauten oder Brücken­ bildung von Gegenständen in dem Raum geschehen. Der Füllstand führt z. B. zum nachfolgenden unerwünschten Füllen eines den Raum umschließenden Behälters oder Rohrleitungsteils. Dies wird erfindungsgemäß durch die schnelle und sichere Feststellung des Füllstandes unter­ bunden. Als Fotoempfänger kann z. B. eine Silizium- Fotodiode in PIN-Planartechnik Verwendung finden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Lage, den in unerwünschter Weise eingetretenen Füllstand sicher von allen sonstigen Zuständen in dem Raum zu unterscheiden. Dazu werden grundsätzlich drei unterschiedliche, von dem Lichtsender ausgehende Lichtanteile durch den Fotoempfän­ ger erfaßt. Dabei handelt es sich einerseits um direkt von dem Lichtsender aufgenommenes Licht, wenn z. B. keine oder nur wenige Gegenstände durch den Raum strömen. Ein weiterer Lichtanteil ist derjenige, der von der Wand des Raumes und/oder von durch den Raum strömenden Gegenstän­ den in den Fotoempfänger reflektiert wird. Der dritte Lichtanteil ist derjenige, der durch durchscheinende Gegenstände hindurch auf den Fotoempfänger gelangt. Alles aufgenommene Licht wird in der dem Fotoempfänger nachgeschalteten Auswerteschaltung ausgewertet und mit dem einstellbaren Schwellenwert verglichen. Sinkt die durch den Fotoempfänger festgestellte Lichtmenge unter jenen Schwellenwert, wird durch die Auswerteschaltung ein Füllstand der Gegenstände in dem Raum signalisiert, z. B. durch einen Alarm dem Bedienungspersonal zur Kennt­ nis gebracht. Das Bedienungspersonal kann dann unverzüg­ lich den unerwünschten Füllstand in dem Raum beseitigen und die gewünschten Strömungsverhältnisse der Gegenstän­ de in dem Raum wiederherstellen. Einsatzbereiche der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind z. B. Behälter und Rohrleitungen von Entstaubungs- und Trocknungsanlagen. Von besonderem Vorteil ist, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung weitestgehend unabhängig von der Art der geförderten Gegenstände einsetzbar ist. Es müssen auch keine umfangreichen Justagemaßnahmen von Lichtsender und Fotoempfänger getroffen werden.

Die Ausbildung gemäß Anspruch 2 erfordert nur geringen Aufwand, ist leicht zu montieren und z. B. bis zu einer Temperatur von 70°C einsetzbar.

Bei höheren Temperaturen gestatten es die z. B. bis zu 350°C temperaturfesten Lichtwellenleiter, den Lichtsen­ der und den Fotoempfänger in einem ausreichenden Abstand von der Wand des Raumes anzuordnen.

Gemäß Anspruch 4 läßt sich die Lichtstärke der Abstrah­ lung der Leuchtdioden in an sich bekannter Weise durch eine Strombegrenzungsschaltung einstellen. Die Pulsung des Lichtes kann z. B. durch mittels eines IC gepulste Ansteuerung eines Transistors in der Stromversorgung der Leuchtdioden geschehen. Die Frequenz und das Tastverhält­ nis der Impulse am Ausgang des IC können einstellbar sein. Durch die Pulsung des Lichts läßt sich störendes Gleichlicht in dem Raum unwirksam machen. Die Frequenz kann z. B. 100 Impulse/s und das Tastverhältnis 5% betra­ gen.

Gemäß Anspruch 5 ist es möglich, den Lichtsender auf Funktionsstörungen hin zu überwachen, z. B. auf Kabel- oder Schaltungsdefekte. Normalerweise erhält die Überwa­ chungsschaltung Spannungsimpulse der gleichen Frequenz wie die Leuchtdioden und von einer bestimmten Amplitude. Bleiben diese Impulse am Eingang der Überwachungsschal­ tung aus oder sinken sie unter eine als Schwellenwert eingestellte Amplitude, erkennt und meldet die Überwa­ chungsschaltung diesen Zustand als Funktionsstörung. So kann verhindert werden, daß die erfindungsgemäße Vorrich­ tung beim Ausbleiben der Impulse oder bei Impulsen ungenügender Amplitude fälschlicherweise auf einen Füllstand in dem Raum schließt und falschen Alarm gibt.

Gemäß Anspruch 6 läßt sich die durch den Fotoempfänger aufgenommene Lichtmenge besonders flexibel und sicher auswerten. Der Schwellenwert ist über die Referenzspan­ nung und/oder über den Verstärkungsfaktor des Operations­ verstärkers einstellbar. So kann mit nur geringem Ein­ stellaufwand auf die konstruktiven und betrieblichen Besonderheiten der Wand und des Raumes sowie der in dem Raum strömenden Gegenstände eingegangen werden.

Durch die kapazitive Auskopplung gemäß Anspruch 7 läßt sich ein eventueller Gleichlichtanteil in der Meßstrecke unwirksam gestalten.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 steht eine einstell­ bare Zeitverzögerung zwischen Erkennung und Meldung desjenigen Zustands zur Verfügung, daß an dem Fotoempfän­ ger eine unter dem Schwellenwert liegende Lichtmenge festgestellt wurde. Durch die Zeitverzögerung will man verhindern, daß ein vermuteter Füllstand zu schnell gemeldet wird. Es kommt je nach den konstruktiven und praktischen Bedingungen häufiger oder weniger häufig vor, daß sich auftretende Füllstände nach kurzer Zeit­ dauer von selbst wieder auflösen, oder daß nur verhält­ nismäßig große Gegenstände vergleichsweise dicht an dem Fotoempfänger vorbeiwandern, also tatsächlich kein Füllstand vorliegt, sondern nach Entfernung des großen Gegenstands aus der Meßstrecke wieder die normalen Zustände eingetreten sind. In diesen Fällen wäre die Meldung eines Füllstandes falscher Alarm.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 9 läßt sich die Erken­ nungsempfindlichkeit der Vorrichtung steigern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Wand eines Raumes ohne diesen durchströmende Gegenstände, wobei an die Wand eine Vorrichtung angesetzt ist,

Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1 mit in dem Raum angeordneten Gegenständen,

Fig. 3 eine Darstellung gemäß den voraufgegangenen Figuren mit einem durchscheinenden Gegenstand,

Fig. 4 die Schnittansicht nach Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 die Schnittansicht gemäß Fig. 4, jedoch mit einem eingetretenen Füllstand der Gegenstände,

Fig. 6 ein Schaltbild eines Lichtsenders,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform mit von der Wand des Raumes entferntem Lichtsender und Fotoempfänger,

Fig. 8 ein Blockschaltbild für den Fotoempfänger und seine Auswerteschaltung und

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer ergänzten Auswerte­ schaltung.

In Fig. 1 ist ein Raum 1 durch eine Wand 2 begrenzt. In eine Öffnung 3 in der Wand 2 ist ein Lichtsender 4 eingesetzt, der in den Raum 1 mündet. Gegenüber dem Lichtsender 4 und auf diesen ausgerichtet, ist ein Fotoempfänger 5 in einer Öffnung 6 der Wand 2 angeordnet und mündet in den Raum 1. An den Fotoempfänger 5 ist eine Auswerteschaltung 7 mit einer Ausgangsleitung 8 angeschlossen.

Gemäß Fig. 1 befinden sich in dem Raum 1 keine Gegen­ stände, so daß ein Lichtstrahl 9 von dem Lichtsender 4 ungehindert zu dem Fotoempfänger 5 gelangen kann.

In allen Zeichnungsfiguren sind gleiche Teile mit glei­ chen Bezugszahlen versehen.

Im Normalfall wird der Raum 1 jedoch gemäß Fig. 2 von Gegenständen 10 durchströmt, die im Fall der Fig. 2 nicht durchscheinend sind. Bei den Gegenständen 10 kann es sich z. B. um Holzspäne oder Getreide handeln. Bei der Darstellung in Fig. 2 gelangt einerseits der Lichtstrahl 9 von dem Lichtsender 4 zum Fotoempfänger 5, weil in seiner Bahn sich zufällig kein Gegenstand 10 befindet. Andererseits handelt es sich aber bei dem Lichtsender 4 nicht um eine punktförmige Lichtquelle, sondern um eine Lichtquelle, die unter einem erheblichen Raumwinkel praktisch diffus abstrahlt. So wird ein Lichtstrahl 11 von der Wand 2 reflektiert und gelangt auf diesem Umweg auf den Fotoempfänger 5. Andere Lichtstrahlen 12 werden an vorbeiströmenden Gegenständen 10 reflektiert und gelangen erst dann auf den Fotoempfänger 5.

Eine andere Möglichkeit verdeutlicht Fig. 3. Dort befin­ det sich ein durchscheinender Gegenstand 10, z. B. ein Holzspan, in der Bahn des Lichtstrahls 9. Der Licht­ strahl 9 durchdringt den durchscheinenden Gegenstand 10 und gelangt mit verminderter Intensität auf den Fotoemp­ fänger 5.

In Fig. 4 ist eine Strömungsrichtung 13 der Gegenstände 10 durch den Raum 1 angedeutet. Die Wand 2 stellt z. B. den unteren Auslaufbereich eines Zyklonabscheiders dar. In Fig. 4 ist die Menge der strömenden Gegenstände 10 in dem Raum noch so gering, daß genügend Licht von dem Lichtsender 4 auf die in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen unterschiedlichen Weisen auf den Fotoempfänger 5 gerät, so daß durch die Auswerteschaltung 7 keine Störungsmel­ dung erfolgt.

Anders dagegen der Betriebszustand gemäß Fig. 5, wo, in diesem Fall durch Brückenbildung der Gegenstände 10, in unerwünschter Weise eine Verstopfung oder ein Füllstand in dem Raum 1 eingetreten ist. Jetzt kann entweder überhaupt kein Licht mehr oder nur noch zu wenig Licht von dem Lichtsender 4 auf den Fotoempfänger 5 gelangen. Die Folge ist, daß in später zu beschreibender Weise die Auswerteschaltung 7 diesen Zustand erkennt und Alarm gibt. Das Bedienungspersonal wird dadurch auf die Ver­ stopfung aufmerksam und kann Abhilfe schaffen.

Fig. 6 zeigt Einzelheiten des Lichtsenders 4 einschließ­ lich seiner Schaltungsanordnung. Die Versorgungsspannung gelangt über eine Leitung 14 einerseits an einen IC 15 und andererseits an einen Transistor 16. Der IC 15 sendet über eine Ausgangsleitung 17 Steuerimpulse 18 von z. B. 100 Hz zu dem Transistor 16. Die Frequenz der Steuerimpulse 18 kann durch einen Kondensator 19 geän­ dert werden, während das Tastverhältnis der Steuerimpul­ se 18 über das Verhältnis von Widerständen 20 und 21 an dem IC 15 eingestellt werden kann.

Der Ausgang des Transistors 16 ist mit vier in Reihe geschalteten Leuchtdioden 22 bis 25 verbunden und schal­ tet diese entsprechend der Frequenz und dem Tastverhält­ nis der Steuerimpulse 18 ein und aus. Das von den Leucht­ dioden 22 bis 25 ausgesandte Licht tritt durch ein Einlaßfenster 26 in der Öffnung 3 in den Raum 1 ein. Es könnten auch weniger oder mehr als vier Leuchtdioden verwendet werden.

Im Anschluß an die Kathode der Leuchtdiode 25 befindet sich eine an sich bekannte Strombegrenzungsschaltung 27. Zwischen der vorerwähnten Kathode und der Strombegren­ zungsschaltung 27 ist über eine Leitung 28 eine Überwa­ chungsschaltung 29 an sich bekannter Bauart angeschlos­ sen. Die Leitung 28 führt Impulse 30, deren Frequenz und Tastverhältnis den Lichtimpulsen der Leuchtdioden 22 bis 25 entsprechen. Die Amplitude der Impulse 30 liegt normalerweise oberhalb eines in der Überwachungsschal­ tung 29 einstellbaren Schwellenwerts. Erst wenn die Amplitude unter jenen Schwellenwert absinkt, z. B. durch Leitungs- oder andere Funktionsstörungen in dem Licht­ sender 4, wird dies durch die Überwachungsschaltung 29 festgestellt und Alarm gegeben damit nicht durch diese Funktionsstörung innerhalb des Lichtsenders 4 fälschli­ cherweise auf einen Füllstand in dem Raum 12 geschlossen wird.

Gemäß Fig. 7 herrschen in dem Raum 1 und an der Wand 2 hohe Temperaturen, beispielsweise über 70°C, daß diese die Funktion des Lichtsenders 4 und des Fotoemp­ fängers 5 und seine Auswerteschaltung 7 beeinträchtigen könnten. Der Lichtsender 4 und der Fotoempfänger 5 mit seiner Auswerteschaltung 7 sind daher gemäß Fig. 7 im Abstand von der Wand 2 angeordnet. Diese Abstände sind jeweils durch einen Lichtwellenleiter 31 und 32, z. B. Lichtleitfaserkabel, überbrückt.

Gemäß Fig. 7 ist nur eine Leuchtdiode 33 in dem Licht­ sender 4 verwendet worden. Die Leuchtdiode 33 ist ange­ paßt an ein Aufnahmestück 34 des Lichtwellenleiters 31. Ein Abgabestück 35 mündet in die Öffnung 3 der Wand 2 und strahlt das Licht in den Raum 1 ab. Ein Aufnahme­ stück 36 des Lichtwellenleiters 32 nimmt aus dem Raum 1 Licht auf, während ein Abgabestück 37 des Lichtwellen­ leiters 32 dieses Licht in guter mechanischer Anpassung an den Fotoempfänger 5 übergibt.

Gemäß Fig. 8 wandelt der Fotoempfänger 5 die durch ihn aufgenommene Lichtenergie in Fotostromimpulse 38, deren Frequenz und Tastverhältnis denen der Steuerimpulse 18 (Fig. 8) entsprechen. Die Fotostromimpulse 38 werden in einem Operationsverstärker 39 in Spannungsimpulse 40 gewandelt. Dabei ist das Verstärkungsverhältnis des Operationsverstärkers 39 durch einen in eine Rückkopp­ lungsschleife eingeschalteten, einstellbaren Widerstand 41 einstellbar.

Ein Ausgang 42 des Operationsverstärkers 39 ist über einen Kondensator 43 mit einem ersten Eingang 44 eines Komparators 45 verbunden. An einem zweiten Eingang 46 des Komparators 45 liegt eine Referenzspannung U_ref wählbarer Größe. In eine Ausgangsleitung 47 des Kompara­ tors 45 ist zur besseren Signalübertragung ein Zeitglied 48 eingeschaltet.

Gemäß Fig. 9 ist in die Ausgangsleitung 47 ferner ein nachtriggerbares Zeitglied 49 eingeschaltet, das nach dem Ausbleiben von Impulsen auf der Ausgangsleitung 47 ein Ausgangssignal auf seiner Ausgangsleitung 50 erst nach einer einstellbaren Zeitverzögerung abgibt. Tritt schließlich auf der Ausgangsleitung 50 ein Signal auf, wird über einen Transistor 51 ein Relais 52 angesteuert und ein Schalter 53 geschlossen Dadurch kann z. B. ein Stromkreis einer Warnlampe geschlossen werden. Die Warnlampe zeigt dem Bedienungsmann an, daß in dem Raum 1 (Fig. 5) ein unerwünschter Füllstand der Gegenstände 10 eingetreten ist.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Feststellung der Menge von Gegenstän­ den (10) in einem durch eine Wand (2) begrenzten Raum (1), der im Normalzustand von einem Strom der Gegen­ stände (10) durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß von einem Lichtsender (4) der Vorrichtung ausgehendes Licht in den Raum (1) einleitbar ist,
daß dem Lichtsender (4) ein Fotoempfänger (5) der Vorrichtung in einem Abstand derart zugeordnet ist, daß der Fotoempfänger (5) aus dem Raum (1) Licht des Lichtsenders (4) auch durch den Strom der Gegenstände (10) hindurch empfangen kann, und
daß der Fotoempfänger (5) mit einer Auswerte­ schaltung (7) verbunden ist, die dann eine Störung meldet, wenn nach Reduzierung der durch den Fotoemp­ fänger (5) aufgenommenen Lichtmenge unter einen an der Auswerteschaltung (7) einstellbaren Schwellenwert ein Füllstand (Fig. 5) der Gegenstände (10) in dem Raum (1) eingetreten ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (4) und der Fotoempfänger (5) jeweils durch eine Öffnung (3; 6) in der Wand (2) in den Raum (1) münden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (4) und der Fotoempfänger (5) jeweils außerhalb und im Abstand von der Wand (2) angeordnet sind, daß der jeweilige Abstand durch einen Lichtwellenleiter (31; 32) überbrückt ist, und daß jeder Lichtwellenleiter (31; 32) durch eine Öff­ nung (3; 6) in der Wand (2) in den Raum (1) mündet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (4) eine Senderschaltung mit wenigstens einer Leuchtdiode (22 bis 25; 33) aufweist, und daß die wenigstens eine Leuchtdiode (22 bis 25; 33) aufgrund gepulster Strom­ beaufschlagung durch die Senderschaltung entsprechend gepulstes Licht aussendet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kathode der einzigen Leuchtdiode (33) oder an die Kathode der letzten von mehreren in Reihe geschalteten Leuchtdioden (22 bis 25) eine die be­ stimmungsgemäße Funktion des Lichtsenders (4) über­ wachende Überwachungsschaltung (29) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (7) einen dem Fotoempfänger (5) nachgeschalteten Operationsver­ stärker (39) als Strom/Spannnungswandler aufweist, daß ein Ausgang (42) des Operationsverstärkers (39) mit einem ersten Eingang (44) eines Komparators (45) verbunden ist, und daß an einen zweiten Eingang (46) des Komparators (45) eine Referenzspannung (U_ref) wählbarer Größe anlegbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Operationsverstärker (39) und den ersten Eingang (44) des Komparators (45) ein Konden­ sator (43) eingeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen einen Ausgang des Komparators (45) und einen Ausgang (8) der Auswerteschaltung (7) ein nachtriggerbares Zeitglied (49) eingeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des von dem Lichtsender (4) ausgestrahlten Lichts und die Wellen­ länge der maximalen Fotoempfindlichkeit des Fotoemp­ fängers (5) aneinander angepaßt sind.