JP2015094759A - 原料のレベル及び温度検出用測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料のレベル及び温度を検出するための測定装置を提供する【解決手段】原料のレベルと温度を検出するための測定装置はケーブル、レベル感知モジュール、温度感知モジュール、処理モジュール、及び電源モジュールを有する。測定装置はケーブルの電極とアースの間の電流の差を検出し、ＲＦアドミタンスによりサイロに貯蔵された原料のレベルを計算する。ケーブルは原料の温度を検出するための複数の温度感知ユニットからなる。測定装置はさらに不正確なパラメータに起因するエラーを避けるために温度とともに原料の静電容量を較正する。【選択図】図３

Description

本発明は測定装置に係り、特に原料のレベル及び温度を同時に検出するための測定装置に関する。

サイロに貯蔵されたバルク原料の管理のために、原料のレベルを検出するための測定装置は非常に重要である。原料のレベルはサイロの原料の高さを意味し、原料のレベルはサイロに貯蔵された原料の総量を得るために変換することができる。測定装置は石油化学産業、食品産業、飼料産業、鉄鋼産業、セメント産業等に適用することができる。サイロに貯蔵された原料は固体、液体、あるいは液体−固体混合物の場合がある。例えば、原料は石油、石炭、砂鉄、セメント、小麦粉、牛脂等の場合がある。それぞれの原料がサイロに貯蔵される場合、温度、湿度及び原料の総量が原料の品質に影響を及ぼす。いくつかの特定の産業においては、サイロに貯蔵された原料の温度が適切に制御されない場合、乾燥と塵状の原料が粉塵爆発を引き起こす場合がある。

従来の測定装置は単に原料の温度、湿度、若しくは原料のレベルを検出できるだけである。ユーザが温度、湿度及び原料のレベルを同時に検出したい場合、ユーザは温度、湿度及び原料のレベルをそれぞれ感知するための複数の測定装置のシステム構成を構築する必要がある。その時にユーザはサイロに貯蔵された原料の温度、湿度及び原料のレベルを監視することができる。

さらに、測定装置は無線周波数（ＲＦ）アドミタンスにより原料のレベルを検出することができる。測定装置は測定装置の電極に特定の電圧を与え、原料の静電容量に起因する電極とアースの間の電流の差を検出する。その際測定装置は既知の原料の誘電率と電極とアースの間の電流の差に応じたＲＦアドミタンスによって原料のレベルを計算することができる。

原料の誘電率は原料の温度とともに変化する。原料の種々の温度はそれぞれ種々の誘電率に相当する。誘電率は原料の静電容量に変換することができる。原料の静電容量はＲＦアドミタンスによって原料のレベルを計算する時の重要なパラメータである。原料の原料静電容量が正しくないとすると、ＲＦアドミタンスによる原料のレベルの計算はエラーが生じる。よって、測定装置はさらに改善される必要がある（例えば、特許文献１参照）。

ＵＳ ５６０９０５９ Ｂ

本発明の目的は原料のレベル及び温度を検出するための測定装置を提供することである。測定装置はサイロに貯蔵された原料の温度と原料のレベルを同時に測定することができる。測定装置は誘電率と原料の静電容量を決定し、さらに原料の温度により原料の静電容量を較正する。測定装置はＲＦアドミタンスにより原料のレベルを計算する。

前述の目的を達成するために、測定装置はケーブル、レベル感知モジュール、温度感知モジュール、処理モジュール、及び電源モジュールからなる。

ケーブルは電極と複数の温度感知ユニットとからなる。温度感知ユニットはケーブルに取り付けられており、互いに離隔されている。

レベル感知モジュールは電極と電子的に接続され、ＲＦアドミタンスを発生させるために電極に波信号を出力し、さらにレベル信号を出力する。

温度感知モジュールは各温度感知ユニットと電子的に接続され、温度信号を出力する。

処理モジュールは格納ユニットと処理ユニットとからなる。格納ユニットは処理ユニットと電子的に接続され、参照テーブルを格納している。参照テーブルは原料の温度及び原料の原料静電容量からなる。処理ユニットはレベル信号と温度信号を受信するためのレベル感知モジュールと温度感知モジュールとに電子的に接続されている。処理ユニットは参照テーブルで読み込み、受信した温度信号により参照テーブルから原料の静電容量を求める。その際、処理ユニットはＲＦアドミタンスにより原料のレベルを計算する。

電源モジュールは電力を供給するためにケーブル、レベル感知モジュール、温度感知モジュール、及び処理モジュールと電子的に接続されている。

測定装置は電極とアースの間の電流の差を検出し、その差とＲＦアドミタンスにより原料のレベルを計算することができる。温度感知ユニットはケーブルに取り付けられており、互いに離隔されている。温度感知ユニットはケーブルに沿って並び温度を検出する。ユーザはサイロの温度を決定することができ、原料を貯蔵するための適切な温度で温度を制御することができる。

参照テーブルは格納ユニットに格納されている。参照テーブルは原料の静電容量と温度との間の関係を記録する。原料の静電容量はＲＦアドミタンスにより原料のレベルを計算する際の重要なパラメータである。原料の静電容量は原料の温度とともに変化する。よって、処理ユニットは温度と参照テーブルにより原料の静電容量を較正する。その際、処理ユニットは較正した原料の静電容量とＲＦアドミタンスにより原料のレベルを計算する。

発明の他の目的、効果及び新規な特徴は添付の図面と併せることにより以下の詳細な説明からより明らかとなるであろう。

原料のレベルと温度を検出するための測定装置の実施例のブロック図である。 図１の測定装置の側面図である。 サイロに適した図２の測定装置の実施例に対する概略図である。 図１の測定装置とサイロに貯蔵された原料のないサイロの概略図である。 図４の温度と原料のレベルに対する直線図である。 図１の測定装置とサイロに貯蔵された少量の原料についてのサイロの概略図である。 図５Ａの温度と原料のレベルに対する直線図である。 図１の測定装置とサイロに貯蔵された多量の原料についてのサイロの概略図である。 図６Ａの温度と原料のレベルに対する直線図である。

図１を参照すると、本発明は原料のレベルと温度を検出するための測定装置を提供する。本発明の実施例において、測定装置はケーブル１０、レベル感知モジュール２０、温度感知モジュール３０、処理モジュール４０及び電源モジュール５０からなる。

ケーブル１０は電極１１と複数の温度感知ユニット１２とからなる。温度感知ユニット１２はケーブル１０に取り付けられており、互いに離隔されている。実施例においては、電極１１は信号を伝送するための鋼性のワイヤーロープからなっている。鋼性のワイヤーロープはさらに衝撃に起因する損傷を回避することができる。

レベル感知モジュール２０はレベル信号処理ユニット２１、第１のアナログーデジタル変換器（ＡＤＣ）２２、及び波形生成ユニット２３からなる。レベル信号処理ユニット２１は電極１１と第１のＡＤＣ２２との間に電子的に接続されている。レベル信号処理ユニット２１は電極１１によってレベル信号出力を受信し、レベル信号をアナログレベル信号に変換し、その後アナログレベル信号を第１のＡＤＣ２２に伝送する。第１のＡＤＣ２２はアナログレベル信号をデジタルレベル信号に変換し、デジタルレベル信号を出力する。波形生成ユニット２３は電極１１と処理モジュール４０との間に電子的に接続されている。波形生成ユニット２３は処理モジュール４０による制御信号出力により固有振動数で波信号を生成し、ＲＦアドミタンスによって原料のレベルを検出するために波信号を電極１１に出力する。

温度感知モジュール３０は温度信号処理ユニット３１と第２のＡＤＣ３２とからなる。温度信号処理ユニット３１は温度感知ユニット１２と第２のＡＤＣ３２との間に電子的に接続されている。温度信号処理ユニット３１は温度感知ユニット１２によって温度信号出力を受信し、温度信号をアナログ温度信号に変換する。第２のＡＤＣ３２はアナログ温度信号をデジタル温度信号に変換し、デジタル温度信号を出力する。実施例においては、温度感知ユニット１２は１線式デジタル温度計、抵抗温度計（ＲＴＤｓ）、あるいは熱電対でもよい。

処理モジュール４０は格納ユニット４１と処理ユニット４２とからなる。格納ユニット４１は処理ユニット４２に電子的に接続されており、参照テーブルを格納する。参照テーブルは温度と原料の静電容量との間の関係を記録する。処理ユニット４２はデジタルレベル信号とデジタル温度信号を受信するために波形生成ユニット２３、第１のＡＤＣ２２及び第２のＡＤＣ３２に電子的に接続されている。処理ユニット４２はデジタルレベル信号により原料の静電容量を決定する。その際、処理ユニット４２はデジタル温度信号を基に原料の静電容量を較正するために参照テーブルを参照する。よって、処理ユニット４２は較正した原料の静電容量とデジタルレベル信号に応じてＲＦアドミタンスにより原料のレベルを計算することができる。実施例においては、処理ユニット４２はデータ入力／出力１線式インターフェースピンによりＭｏｄｂｕｓプロトコルを介して温度感知ユニット１２と電子的に接続されている。

電源モジュール５０は電力を供給するためにケーブル１０、レベル感知モジュール２０、温度感知モジュール３０及び処理モジュール４０と電子的に接続されている。

レベル感知モジュール２０はさらに絶縁型信号処理部２４とアナログ信号アイソレータ２５とからなる。絶縁型信号処理部２４はエラーを防止するようにレベル信号からノイズを除去するためにレベル信号処理ユニット２１と電極１１との間に電子的に接続されている。アナログ信号アイソレータ２５は絶縁型信号処理部２４とレベル信号処理ユニット２１との間に電子的に接続されており、さらにサージ電圧に起因する損傷を防止するために波形生成ユニット２３に電子的に接続されている。

温度感知モジュール３０はさらにデジタル信号アイソレータ３３と切換ユニット３４とからなる。デジタル信号アイソレータ３３はサージ電圧に起因する損傷を防止するために第２のＡＤＣ３２と処理ユニット４２との間に電子的に接続されている。切換ユニット３４は温度感知ユニット１２とデジタル信号アイソレータ３３との間に電子的に接続されている。切換ユニット３４は調整信号を受信し、アナログ−デジタル変換の範囲を調整する。実施例において、温度信号処理ユニット３１、第２のＡＤＣ３２、デジタル信号アイソレータ３３は本発明の作製をより容易にするために、またさらに本発明の体積を低減するために一つのチップに集積することができる。

測定装置はさらにユーザ・インターフェース６０、出力モジュール７０及び湿度感知モジュール８０からなる。ユーザ・インターフェース６０は処理ユニット４２に電子的に接続されており、入力ユニット６１と表示ユニット６２とからなる。表示ユニット６２は原料の温度や原料のレベルなどの情報を表示する。入力ユニット６１は表示ユニット６２に表示される情報を選択するためにユーザに提供される。実施例において、表示ユニット６２はタッチパネルであってもよい。

出力モジュール７０は信号を受信するために処理ユニット４２に電子的に接続されており、他の電子装置に信号を出力する。実施例において、出力モジュール７０はＵＳＢインターフェースのＲＳ−２３２であってもよい。

ケーブル１０はさらに複数の湿度感知ユニット１３からなる。湿度感知ユニット１３はケーブル１０に取り付けられており、原料の湿度を検出するために互いに離隔されている。湿度感知モジュール８０は湿度信号処理ユニット８１と第３のＡＤＣ８２とからなる。湿度信号処理ユニット８１は湿度信号を受信するために湿度感知ユニット１３と第３のＡＤＣ８２との間に電子的に接続されている。湿度信号処理ユニット８１は湿度信号をアナログ湿度信号に変換する。第３のＡＤＣ８２は処理ユニット４２に電子的に接続されている。第３のＡＤＣ８２はアナログ湿度信号をデジタル湿度信号に変換し、その後デジタル湿度信号を処理ユニット４２に出力する。

比較テーブルはまた格納ユニット４１に格納される。比較テーブルは湿度と原料の静電容量との間の関係を記録する。処理ユニット４２はさらにデジタル湿度信号を受信するために第３のＡＤＣ８２に電子的に接続されている。処理ユニット４２は比較テーブルで読み込む。その際、処理ユニット４２はデジタル湿度信号と比較テーブルにより原料の静電容量を較正する。それから処理ユニット４２は較正した原料の静電容量とデジタルレベル信号に応じてＲＦアドミタンスにより原料のレベルを計算することができる。

図２を参照すると、ボックス１４がケーブルの終端に取り付けられている。ボックス１４はプリント基板（ＰＣＢ）からなり（図示されていない）、ＰＣＢは前述のモジュールからなっている。図３を参照すると、ボックス１４はサイロの屋根に取り付けられており、ケーブル１０はサイロの底部に固定されたケーブル１０の他の終端とともにサイロの中に落とし込まれている。よって、ケーブル１０は原料の量にかかわらず原料のレベルを検出することができる。

図５Ａと５Ｂを参照すると、測定装置の処理ユニット４２はさらに２つの異なる物質の間の温度差を決定する。換言すれば、原料に曝された温度感知ユニット１２によって感知された温度は原料中に沈められた温度感知ユニット１２によって感知された温度と異なる。異なる物質は異なる熱伝導率を有している。よって、温度差は２つの異なる物質間の接合部で検出することができる。

例えば、温度差は２つの異なる物質間の異なる熱伝導率係数のために空気及び水の間の接合部で検出することができる。

従来の測定装置のＡＤＣはアナログ−デジタル変換を全範囲で行うことができる。例えば、１２ビットＡＤＣはアナログ信号を４０９６の異なるレベルによって表されるデジタル信号に変換することができ、全範囲は４０９６の異なるレベルに変換される。ユーザがアナログ−デジタル変換の分解能を上げたい場合、ユーザは元のＡＤＣを高分解能ＡＤＣに代える必要がある。

測定装置のＡＤＣはアナログ−デジタル変換に対して測定装置のいかなる範囲も選択することができる。２つの異なる物質の接合部は温度差が検出された際に決定することができる。接合部に最も近い２つの温度感知ユニット１２を決定することができる。ＡＤＣは、最初と最後の温度感知ユニット１２の間の範囲を処理することに代えて、任意の２つの指定した温度感知ユニット１２の間の範囲のみを処理することができる。一方、ＡＤＣによって処理される範囲が減少し、アナログ−デジタル変換の精度はＡＤＣの分解能を上げることなく高めることができる。

図４Ａと４Ｂを参照すると、例えば、第１のＡＤＣ２２は第１の温度感知ユニット１２１と第２の温度感知ユニット１２２の間の範囲を選択することができる。第１のＡＤＣ２２の分解能は１６ビットである。第１のＡＤＣ２２は６５５３６の異なるレベルで範囲を一つに符号化することができる。第１の温度感知ユニット１２１によって感知された第１の静電容量は８７０ｐｆであり、第２の温度感知ユニット１２２によって感知された第２の静電容量は５００ｐｆである。このアナログ−デジタル変換の精度は（８７０−５００）／２^１６である。

図５Ａ、５Ｂ、６Ａ及び６Ｂを参照すると、測定装置の第１のＡＤＣ２２は温度差に応じて新しい範囲を選択する。新しい範囲は第３の温度感知ユニット１２３と第４の温度感知ユニット１２４の間にある。第３の温度感知ユニット１２３と第４の温度感知ユニット１２４は２つの異なる物質の接合部に最も近い。第１のＡＤＣ２２の分解能は変えていない。第１のＡＤＣ２２は６５５３６の異なるレベルで新しい範囲のみを一つに符号化することができる。第３の温度感知ユニット１２３によって感知された第３の静電容量は７５０ｐｆであり、第４の温度感知ユニット１２４によって感知された第４の静電容量は５５０ｐｆである。このアナログ−デジタル変換の精度は（７５０−５５０）／２^１６である。このアナログ−デジタル変換の精度は向上している。一方、本発明の測定装置は高分解能ＡＤＣによって提供されるような高精度を得るために元のＡＤＣを用いることができる。

原料の静電容量はＲＦアドミタンスによって原料のレベルを計算する際に重要なパラメータである。原料の静電容量は原料の温度や湿度とともに変化する。よって、本発明の測定装置は原料の温度と湿度により原料の静電容量を較正することができる。その際、処理ユニット４２は較正した原料の静電容量とＲＦアドミタンスにより原料のレベルを計算する。

原料の静電容量と原料の温度あるいは湿度との間の関係は正の相関の場合も負の相関の場合もある。正の相関は原料の温度や湿度が増加する場合に原料の静電容量もまた増加することを示している。負の相関は原料の温度や湿度が減少する場合に原料の静電容量が減少することを示している。原料の静電容量と原料の温度あるいは湿度との間の関係は線形の場合も非線形の場合もある。

本発明の測定装置においては、測定装置のＡＤＣが温度差に応じてアナログ−デジタル変換に対して範囲を選択することができる。よって、元のＡＤＣを高分解能ＡＤＣに代えることなくＡＤＣの精度を高めることができる。

１０・・・ケーブル
１１・・・電極
１２・・・温度感知ユニット
１３・・・湿度感知ユニット
２０・・・レベル感知モジュール
２１・・・レベル信号処理ユニット
２２・・・第１のアナログ−デジタル変換器
２３・・・波形生成ユニット
２４・・・絶縁型信号処理部
２５・・・アナログ信号アイソレータ
３０・・・温度感知モジュール
３１・・・温度信号処理ユニット
３２・・・第２のアナログ−デジタル変換器
３３・・・デジタル信号アイソレータ
３４・・・切換ユニット
４０・・・処理モジュール
４１・・・格納ユニット
４２・・・処理ユニット
５０・・・電源モジュール
６０・・・ユーザ・インターフェース
６１・・・入力ユニット
６２・・・表示ユニット
７０・・・出力モジュール
８０・・・湿度感知モジュール
８１・・・湿度信号処理ユニット
８２・・・第３のアナログ−デジタル変換器

Claims (12)

1. 原料のレベル及び温度を検出するための測定装置であって、
   電極と、ケーブルに取り付けられ互いに離隔されている複数の温度感知ユニットを有するケーブルと、
   電極と電子的に接続され、無線周波数（ＲＦ）アドミタンスを発生するために電極に波信号を出力し、レベル信号を出力するレベル感知モジュールと、
   温度感知ユニットと電子的に接続され、温度信号を出力する温度感知モジュールと、
   格納ユニットおよび処理ユニットを有し、格納ユニットは処理ユニットと電子的に接続され、参照テーブルを格納し、参照テーブルは温度及び原料の静電容量とからなる処理モジュールとからなり、
   処理ユニットはレベル信号と温度信号を受信するためのレベル感知モジュールと温度感知モジュールと電子的に接続され、温度信号により参照テーブルから原料の静電容量を求め、ＲＦアドミタンスにより原料のレベルを計算するものであり、さらに
   ケーブル、レベル感知モジュール、温度感知モジュール、及び処理モジュールと電子的に接続された電源モジュールとからなることを特徴とする測定装置。
2. レベル感知モジュールはさらにレベル信号処理ユニット、第１のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、及び波形生成ユニットを有し、
   レベル信号処理ユニットは電極と第１のＡＤＣとの間に電子的に接続され、
   第１のＡＤＣは処理ユニットと電子的に接続され、
   波形生成ユニットは電極と処理ユニットとの間に電子的に接続され、波信号を生成することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 温度感知モジュールは温度信号処理ユニットと第２のＡＤＣを有し、
   第２のＡＤＣは処理ユニットと電子的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
4. さらに湿度信号処理ユニットと第３のＡＤＣを有する湿度感知モジュールからなり、
   ケーブルはさらに複数の湿度感知ユニットを有し、湿度感知ユニットはケーブルに取り付けられ、互いに離隔されており、
   湿度信号処理ユニットは湿度感知ユニット及び第３のＡＤＣと電子的に接続され、第３のＡＤＣは処理ユニットと電子的に接続されていることを特徴とする請求項１、２または３のいずれかの請求項に記載の測定装置。
5. 格納ユニットはさらに比較テーブルを格納し、
   比較テーブルは湿度及び原料の静電容量からなることを特徴とする請求項４記載の測定装置。
6. ケーブルは鋼性のワイヤーロープであることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
7. 温度感知ユニットは１線式デジタル温度計、抵抗温度計、あるいは熱電対であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
8. レベル感知モジュールはさらに絶縁型信号処理部とアナログ信号アイソレータを有し、
   絶縁型信号処理部は電極とアナログ信号アイソレータとの間に電子的に接続され、
   アナログ信号アイソレータはレベル信号処理ユニット及び波形生成ユニットと電子的に接続されていることを特徴とする請求項２記載の測定装置。
9. 温度感知モジュールはさらにデジタル信号アイソレータを有し、デジタル信号アイソレータは第２のＡＤＣと処理ユニットの間に電子的に接続されていることを特徴とする請求項３記載の測定装置。
10. 温度感知モジュールはさらに切換ユニットを有し、切換ユニットは温度感知ユニット及びデジタル信号アイソレータと電子的に接続されていることを特徴とする請求項９記載の測定装置。
11. さらに出力モジュールからなり、出力モジュールは処理ユニットと電子的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
12. 処理ユニットはさらに２つの異なる物質の間の温度差を決定し、第１のＡＤＣはアナログ−デジタル変換器の精度を高めるために温度差に応じて範囲を選択することを特徴とする請求項２記載の測定装置。

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