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Einrichtung zur Uberwachung des Inhaltes von Behältern, insbesondere
von Getreidespeichern
Bei Behältern, insbesondere l>ei den großen Speichern zur
Aufnahme und oft jahrelangen Lagerung Voll Getreide. haben sich \7orrichtungen als
notwendig erwiesen. mit denen der Zustand des eingelagerten Gutes laufend überwacht
werden kann. So hat man z. B. versucht, durch einen hesonderen kleinen Entnahmeschacht
in jedem Speicher mechanisch l>rol>en zu entnehmen. Beispielsweise l) ei Getreidespeichern
entnimmt man durch einen Getreidebohrer in festgelegter Reihenfolge aus alleii Zellen
eines Silos Proben aus verschiedener Behälterhöhe. Dies ist ein sehr umständliches
Verfahren, da zu seiner Ausführung ein kleiner bohrtrupp erforderlich ist, dem außerdem
ein erfahrener Getreidekenner angehören muß, der in der Lage ist, nur auf Grund
des Geruches zu entscheiden. ob das untersuchte Getreide einwalldfrei otler gefallen
ist.
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Im Hinblick auf die angeführten Nachteile haben sich in großem Umfange
Temperaturmeßeinrichtungen durchgesetzt, bei denen je Zelle drei bis vier elektrische
Temperatureßstellen übereinander vorgesehen sind, deren Leitungen zu einer zentralen
Meßstelle geführt werden, wo ein Temperaturmeßgerät auf die verschiedenen Meßstellen
umgeschaltet wird. Jeder größere Befall von Getreide äußert sich in geringerer Temperaturerhöhung
an der nächsten Meßstelle. Steigt die Teml>eratur langsam weiter, so ist das
ein Zeichen dafür, daß der Befall um sich greift und daß es Zeit ist, den Behälterinhalt
durch Umfüllen oder durch Trocknen zu erhalten. Nun zeigt die praktische Erfahrung,
daß die aus wirtschaftlichen Gründen auf drei bis vier je Zelle beschränkte Zahl
der TemperaturmeSstellen nur eine grobe Überfachung ergibt und oft eine merkliche
Temperatur-
erhöhung erst auftritt, wenn schon beträchtliche Mengen
des eingelagerten Getreides Befall aufweisen. Deshalb ist man bei vielen Silos bei
der zwar umständlichen und teuren Überwachung durch den Bohrtrupp geblieben, da
durch die Geruchprobe eine frühere Erkennung beginnender Schäden gewährleistet ist.
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Gegenstand der Erfindung ist eine neuartige rein elektrische Überwachungseinrichtung,
bei der erstmalig die Messung der dielektrischen Verluste des Behälterinhaltes in
einem elektrischen Wechselfeld bzw. des dielektrischen Verlustwinkels herangezogen
wird. Bis jetzt hat man lediglich versucht, die Feuchtigkeit des inneren Getreidekernes
bei der Weizenvorbereitung durch Dämpfungsmessung in einer Kurzwellenmeßanordnung
vorwiegend in einem magnetischen Wechselfeld zu ermitteln. Im vorliegenden Falle
handelt es sich aber nicht um eine derartige Feuchtigkeitsmessung, sondern die im
elektrischen Wechselfeld auftretenden dielektrischen Verluste werden ols Maß für
den Gesamtzustand des Lagergutes genommen, wobei diese Verluste bzw. der sogenannte
Verlustwinkel klein sind, wenn das eingelagerte oder durchströmende Lagergut gesund
und lagerfähig ist, und wesentlich größer werden wenn das Lagergut krank zu werden
beginnt.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, daß man bei elektrischen
Isolierstoffen neben anderen elektrischen Größen, wie Durchgangswiderstand, Dielektrizitätskonstante
usw., die dielektrischen Verluste ermitteln kann, die infolge dielektrischer Hysterese
auftreten, wenn der betreffende Isolierstoff zwischen zwei Elektroden einem elektrischen
Wechselfeld ausgesetzt wird.
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Diese dielektrischen Verluste können direkt in \Vatt ermittelt werden.
Um aber eine spezifische Materialgröße zu bekommen, die wie z. B. das spezifische
Gewicht von den jeweiligen Abmessungen des zu prüfenden Isoliermaterials unabhängig
ist, hat man den Tangens des sogenannteil elektrischen Verlustwinkels tg 6 eingeführt,
der atlas Verhältnis der dielektrischen Verluste in Watt zu der kapazitiven Blindleistung
in Voltampere des mit dem Isoliermaterial als Dielektrikum versehenen Kondensators
ausdrückt. Da im allgemeinen dieses Verhältnis eine sehr kleine Zahl in der Größenordnung
von einigen Promillen ist, ist der tg 6 sehr angenähert gleich dem Verlustwinkel
cS im Bogenmaß, so daß man meist einfach nur von der Größe des Verlustwinkels spricht.
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In Abb. I sind im Vektordiagramm die angelegte Wechselspannung U
bei der der Frequenz f entsprechenden Kreisfrequenz #, der der kapazitiven Blindleistung
entsprechende reine Ladestrom Je, der der Spannung U um go0 voreilt, und der den
dielektrischen Verlusten entsprechende Wirkstrom Jw dargestellt. Der tatsächliche
Strom J ist die vektorielle Summe von J@ und Jw ; Jw Jc = tgß = cS cp ist die iibliche
Phasenverschiebung zwischen U und J. Da 6 sehr klein, ist # praktisch fast 90°.
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Aus dem tg # errechnen sich die dielektrischen Verluste bei einer
Wechselspannung von U Volt effektiv, einerWechselstromfrequenz von f Perioden in
der Sekunde und einer gemessenen Kapazität C des Prüflings in Farad zu N# = 2#f
# U2 # C # tg # (in Watt) = U so daß bei konstanter Spannung, Frequenz und Kapazität
die dielektrischen Verluste in Watt dem Tangens des Verlustwinkels bzw. angenähert
dem Verlustwinkel direkt proportional sind.
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Da gesundes Getreide elektrisch einen guten Isolator mit ungleichförmigem
Stoffaufbau darstellt, werden diese ,dielektrischen Verluste erfindungsgemäß als
Maß für den inneren Zustand des Getreides benutzt.
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Bei den rneisten elektrischen Isolierstoffen ist die Größe des Verlustwinkels
6 sehr stark von der Temperatur abhängig, so daß auch bei Getreide, das im lagerfähigen
Zustand etwa die gleichen elektrischen Eigenschaften wie gepreßtes Papier hat, die
bisherige Temperaturüberwachung durch elektrische Thermometer in der Messung des
Verlustwinkels mit enthalten ist. Außer der Temperatur sind aber für die Größte
des Verlustwinkels noch eine Reihe innnerer Eigenschaften des Getreides ausschlaggebend,
da die dielektrischen Verluste von der sogenannten dielektrischen Nachwirkung oder
Hysterese erzeugt werden und diese von der Ungleichförmigkeit im Stoff herrühren.
Es kommt hierbei auf das Verhältnis der Dielektrizitätskonstante zur Leitfähigkeit
an; je mehr dieses Verhältnis innerhalb eines Körpers z. ß. durch Vorhandensein
von Befallnestern in einem Getreidespeicher oder innerhalb eines Körperteilchens,
z. B. innerhalb eines Getreidekornes. schxvankt. um so stärker tritt die Nachwirkung
hervor. Daß diese Ungleichförmigkeit bei gelagertem Getreide sehr groß sein kann,
wenn man den trockenen Normalzustand mit dem ersten Beginn des keimenden Zustandes
der Getreidekörner vergleicht, geht daraus hervor, daß bei verhältnismäßig geringer
Änderung der Dielektrizitätskonstante die Leitfähigkeit sich hierbei im Verhältnis
I : loo ooo ändert. Tatsächlich ergibt die erfindungsgemäße Verlustwinkelmessung
bei Getreide sehr starke Änderungen des Verlustwinkels auch dallll, wenn infolge
guter Vermengung einer kleiiieren Menge stark befallener Getreidekörner mit einer
größeren Ziege gesunder Getreidekörner infolge der B'ärmeabgabe der befallenen Körner
an die gesunden eine Temperaturerhöhung selbst mit empíindlichen elektrischen Thermometern
nicht mehr zu lieolachten ist.
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Darüber. hinaus hat aber die Verlustxvinkelmessung mit zwei Elektroden,
die entweder aus einem in der Mitte des Behälters gespannten isolierten Draht und
aus der Behälterwand, wenn diese leitend ist (Stahlbehwlter. Eisenbeton, Abb. z)
oder aus zwei voneinander isolierten gespannten Drähten bei beliebiger Behälterwand
bestehen (Abb. 3), den großen Vorteil, daß nicht wie bei der reillen Temperaturmessung
und wie bei der Bohrprobe eine punktförmige Überwachung, sondern eine summarische
Überwachung des gesamten Behälterinhaltes vorgenommen wird. Während also
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der Temperaturmessung ein Befailnest nur rechtzeitig angezeigt wird, wenn es um
eine oder ganz in der Nähe einer Meßstelle auftritt, ergibt die erfindungsgemäße
Verlustwinkelmessung die gleiche Anzeige. gleichgültig ob ein Krankheitsnest lei
lang lagerndem Getreide auftritt oder ob die gleiche Anzahl kranker Körner gleichmäßig
über den übrigen Inhalt verteilt ist. Die sich bei der Verlustwinkelmessung ergebende
wesentlich empfindlichere Anzeige für erst entstehende Schäden kann jederzeit mit
einfachen elektrischen Mitteln in eine unempfindliche anzeige für bereits vorhandene
starke Schäden. z. B. bei der Kontrolle des angelieferten Getreides, geändert werden.
Ist eine Messung der dielektrischen Verluste überhaupt nicht mehr möglich. so ist
das Getreide so verdorben, daß es keinen Sinn mehr hat, den Grad dieser Verderbnis
noch festzustellen. Das ist der Prall. wenn der Durchgangswiderstand etwa den olenerwähnteii
loo ooosten Teil des Wertes bei einwandfreiem Getreide ergibt.
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Im allgemeinen wird gemäß Abb. 2 bei leitender l3ehälterwand Io die
Anbringung eines Drahtes II, der bei I2 und 13 isoliert befestigt ist, genügen,
oder es können gemäß Abb. 3 bei nichtleitender Behälterwand 10 zwei Drähte 14 und
15 vorgesehen werden. Das zwischen den Drähten 11 bzw.
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14 und 15 und der Behälterwand 10 sich ausbreitende elektrische Wechselfeld
erfaßt mit seinen Kraftlinien alle Teile des Behälterinhaltes (Ahb. 4a und 4b).
Läßt man ferner z. B. einen befallenen Behälter unter steter Beobachtung des Verlustwinkels
auslaufen, so kann man bei Rückgang des Verlustwinkels feststellen, daß die Befallnester
ausgelaufen sind, und kann dann den Speicherauslauf fernbetätigt schließen. In besonderen
Fällen kann aber auch gemäß Al)l>. 5 jede Elektrode in Abschnitte í6, 17 und
iX unterteilt werden, um z. B. in einem hohen Behälter ähnlich wie bei der reinen
Temperaturmessung den Inhalt schichtweise untersuchen zu können. Die Elektrodenabschnitte
I6, I7 und 18 sind dabei durch die Isolatoren 19 und 20 gegenüber der Behälterwand
und durch Isolatoren 21 uild 22 gegeneinander isoliert. 23 stellt die l'eiden nach
oben herausragenden elektrischen Anschlüsse dar. Nian kann auch mehr als zwei Elektropen
eiiil>auen. z. 13. gemäß Abb. 6 zwei Gruppen von parallel geschalteten Drähten
oder gemäß .\bb. 7 kreisförmig um eine Innenelektrode angeordnete parallel geschaltete
Drähte, um eine für genauere Messungen besonders gleichmäßige Erfassung des nicht
leitenden Behälterinhaltes zu gevährleisten. l)er Verlustwinkel selbst kann nach
jeder der vielen für die Isolierstoffprüfung in der Elektrotechnik bekanntgewordenen
Meßverfahren z. B. durch eine Verlustwinkelmeßbrücke für eine Meßfrequenz voll etwa
1 NIHz = Io6 Hz quantitativ oder qualitativ l>ei der gleichen Größenanordnung
der Frequenz durch einen einfachen Vergleich mit einem Festkondensator geringster
Verluste (Luft-oder Calitkondensator) gemessen werden. Dabei fällt in jedem Fall
gleichzeitig mit der Verlustwinkelmessung die Messung der elektrischen Kapazität
des mit Verlusten behafteten Kondensators, im vorliegenden Falle also erfindungsgemäß
die elektrische Kapazität des mit Getreide bis zur Höhe H gefüllten Behälters an.
Da der größere Teil dieser Kapazität bei erfahrungsgemäß ziemlich konstant bleibender
Dielektrizitätskonstante e = 3 bis 4 für alle Getreidesorten proportional der Behälterstandhöhe
H ist, denn der leer gewordene Teil des Behälters ist wegen e = I für Luft nur mit
einem kleineren Teil an der elektrischen Gesamtkapazität beteiligt, ergibt sich
also aus der Messung der elektrischen Behälterkapazität eine einfache Behälterstandsanzeige.
Das ist eine sehr wichtige Neuerung für die Praxis des Speicherbetriebes, weil alle
bis jetzt versuchten Behälterstandsanzeigen bei körnigem Inhalt große Nachteile
aufweisen bzw. sehr grob sind, wie z. B. die abschnittsweise Ermittlung mittels
iI1 die Behälterwand eingebauter Druckmeßdosen, bei der durch schichtweise Festsetzung
des Körnergutes große Anzeigefehler vorkommen können. Selbstverständlich kann diese
Kapazitätsmessung für die Behälterstandsanzeige H auch getrennt von der Verlustwinkelmessung
mit'jeder üblichen Kapazitätsmeßanordnung vorgenommen werden.
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Die obenerwähnte Meßanordnung für Verlustwinkel und Behälterkapazität
kann sowohl als tragbares Gerät zum jeweiligen Aufstecken auf zwei Steckanschlüsse
(Abb. 2 und 3) auf der unteren oder oberen Seite der einzelnen Zellen als auch als
zentral aufgestelltes MeBgerät zur Anwendung gebracht werden, wobei im letzten Fall
die Zuleitungeu zu den einzelnen Zellen eines Getreidespeichers als kapazitätsarme
Leitungen etwa in der Form der kapazitätsarmen konzentrischen Leitungen bei abgeschirmten
Antennen verlegt werden und möglichst nicht länger als max. 100 bis 200 m sein dürfen.
Die benötigte Wechselstromfrequenz in der Größenordnung von I MHz wird am zweckmäßigsten
durch einen kleinen Röhrengenerator erzeugt und der Verlustwinkel durch ein einfaches
Röhrenvoltmeter angezeigt, wobei zweckmäßig beim tragbaren Gerät die Heizung der
beiden Röhren durch einen kleinen Akkumulator und die Anodenspannung durch eine
normale Anodenbatterie erzeugt wird, während im Falle eines zentralen Meßgerätes
die Heiz- und Anodenspannungen durch den hierbei üblichen Netzanschluß gewonnen
werden.
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Wahrscheinlich wird sich in der Praxis der Gebrauch beider Arten von
Meßgeräten durchsetzen, wobei das tragbare Gerät zur Kontrolle und Eichung des zentralen
Gerätes und für lokale Überwachungen besonderer Art, z. B. beim gesonderten Ein-
oder Ausfüllen einer Zelle oder bei deren gesonderter Überwachung, benötigt wird.
Ferner ist-in der Meßzentrale, in der unter Umständen bei ganz großen Speichern
bis zu 100 Meßleitungen zusammenlaufen, unter Umständen mit mehreren Meßgeräten
gleichzeitig zu arbeiten, von denen das erste z. B. die laufende Überwachung, das
zweite die Füllung, das dritte die Leerung evtl. als reine
Kapazitätsmessung
zur laufenden Ermittlung des Behälterstandes und das vierte die Umfüllung und Trocknung
befallenen Getreides überwacht.
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Da der Verlustwinkel als spezifische Materialgröße ganz bestimmte
Werte für die verschiedenen Getreidesorten hat. die außerdem in Abhängigkeit von
der angelegten Wechselspannung oder -frequenz. verschieden verlaufen, ist mittels
des Verlustwinkels und seines Verlaufes in Abhängigkeit von der Spannung doer der
Frequenz oder von beiden zusammen sogar eine Unterscheidung der eingelagerteil Getreidesorten
möglich, wodurch eine weitere wertvolle Bereicherung der bereits beschriebenen vielseitigen
Anwendungen der Erfindung gegehen ist. Aus dem gleichen Grunde sind auch genaue
Werte des Verlustwinkels für die verschiedenen Getreidesorten festlegbar, unterhalb
deren das betreffende Getreide noch als gesund und oberhalb deren es als befallen
zu bezeichnen ist, so daß zur Überwachung angelernte Personen verwendet werden können.
Ferner sind durch zeitliche Auftragung steigende oder fallende Tendenzen im Verlustwinkel
vorzeitig'klar erkennbar, z.B. in Abhängigkeit von Lufttemperatur und -feuchtigkeit,
und man kann dadurch Erfahrungen für den Betrieb sammeln, z. B. über rechtzeitiges
Öffnen und Schließen der Luftklappen. Selbstverständlich können diese zeitlichen
Aufzeichnungell automatisch durch schreibende elektrische Meßgeräte vorgenommen
werden.
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Da die Erfassung dieser vielseitigen Materialgröße tg b überall dort
möglich ist, wo die Kraftlinien des elektrischen Wechselfeldes hinreichen (Abb.
4a, 4b, 6, 7), ist die Form der Zelle, ob rund, sechs- oder achteckig, quadratisch
oder rechteckig, gleichgültig. Auch für die zur Behälterstandsanzeige benutzte Kapazitätsmessung
ist die 13ehälterform gleichgültig. Bei sehr stark abweichenden Behälterformen,
wie sie z. B. zur Ausnutzung der Resträume zwischen den Hauptzellen vorkommen können,
kann durch entsprechende Anbringung der als Elektroden benutzten Drähte trotzdem
eine gute Erfassung des ganzen Behälterinhaltes vorgenommen werden, z. B. sechs
Drähte in einer schmalen rechteckigen Zelle in Abl>. 6. Da ferner nur mit Niederspannung
gearbeitet wird, also mit Spannungen unter 250 V gegen Erde, brauchen die in die
Behälter eingehängten Seile nur schwach isoliert zu sein. Dadurch läßt sich die
Erfindung mit einfachen Mitteln praktisch verwirklichen. Der Durchmesser des einfachen
Seiles und die Festigkeit der Isolatoren ist nur durch die beim Auslaufen des Getreides
auftretenden großen Reibungskräfte bestimmt, während bei der reinen Temperaturmessung
ein komplizierterer Aufbau des Tragseiles für die Meßstellen mit ihren elektrischen
Leistungen erforderlich ist. zusammenfassend ist festzustellen, daß die Erfindung
bahnbrechend ist für die völlige Automatisierung des Speicherbetriebes, die bisher
z. B. bei den Bandschaltwarten der Großspeicher nur teilweise bei der Überwachung
und Schaltung der Getreidetransportwege des Lagergutes bestand.
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Die Erfindung ergibt erstmalig mit der völligen zentralen Überwachung
des Lagergutzustandes und der Behälterstandsanzeige sozusagen das STervensystem
eines großen Speichers utid damit die Voraussetzung für die zentrale Steuerung aller
Vorgänge ähnlich, wie es bereits in größtem Umfang in den elektrischen Schaltwarten
der Kraftwerke der Fall ist, wo auch nur auf Grund genauer Messung die Fernsteuerung
aller Schaltmanöver möglich war. Sie ist darüber hinaus wegen der allgemeinen Gültigkeit
des Verlustwinkels als spezifische Materialgröße für alle materialien auch für Flüssigkeiten,
z. 13. für Öle und Benzin. oder für feste. halbflüssige und flüssige Zwischenprodukte
einer Fabrikation mehr oder weniger gut geeignet und deshalb über die hier vorwiegend
geschilderte Anwendung auf Getreidespeicher hinaus fiir ein viel größeres Anwendungsgebiet
brauchbar.
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PATENTANSP PR CC@ F.
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1. Einrichtung zur Überwachung des Inhaltes von Behältern, insbesondere
von Getreide speichern, dadurch gekennzeichnet. daß die dielektrischen Verluste
bzw. der dielektrische Verlustwinkel des Behälterinhaltes gemessen werden.