MX2007010897A

MX2007010897A - Indicacion de nivel de material de tipo capacitancia.

Info

Publication number: MX2007010897A
Application number: MX2007010897A
Authority: MX
Inventors: Orlando Alexi Erazo
Original assignee: Venture Measurement Company Ll
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-02-05
Also published as: EP1898188A1; CA2597374A1; CN101144735A; US20080060432A1

Abstract

Un método de indicación del nivel de material en un recipiente incluye la conexión de una sonda con el recipiente, de manera que la capacitancia en la sonda varía como una función del nivel de material en el recipiente. Una señal eléctrica periódica en una frecuencia fija es aplicada a la sonda, de manera que las características de operación de la señal varían como una función de la capacitancia en la sonda. El nivel de material es detectado como una función de las características de operación de la señal. Durante un modo de calibración de operación, la frecuencia fija de la señal eléctrica periódica es variada para optimizar la sensitividad en la sonda. En una modalidad preferida de la descripción, esta es efectuada mediante la aplicación de una señal eléctrica periódica en la sonda con respecto a un intervalo seleccionado de frecuencia durante el modo de calibración de operación y la identificación de una frecuencia dentro de este intervalo en el cual la sonda es más sensible a los cambios de capacitancia en la sonda. La frecuencia fija durante el modo de medición de la operación es posteriormente ajustada en esta frecuencia identificada.

Description

INDICACION DE NIVEL DE MATERIAL DE TIPO CAPACITANCIA Campo de la Invención La presente invención se refiere a la indicación del nivel de material en un recipiente de almacenamiento, o similares, como una función de la capacitancia del material dentro del recipiente, y de manera más particular, se refiere a la calibración de un sistema de indicación de nivel de material que optimiza la sensitividad del sistema a los cambios en el nivel del material. Antecedentes de la Invención La Patente de los Estados Unidos No. 5, 048,335 describe un sistema que indica el nivel de material en un recipiente como una función de la capacitancia del material . Una sonda es adaptada de manera que sea acoplada con el recipiente para que sea sensible a las variaciones de capacitancia en el recipiente como una función del nivel de material. Un circuito eléctrico es conectado con la sonda, de manera que las características de operación del circuito varían como una función de la capacitancia en la sonda. Un circuito de calibración varía las características de operación del circuito eléctrico durante un modo de calibración de la operación que detecta una característica predeterminada de operación, que corresponde con una condición predeterminada del nivel de material en el REF. 185401 recipiente, y que termina la operación de calibración cuando es obtenida esta característica predeterminada de operación. El conjunto de circuitos eléctricos es situado dentro de un alojamiento y un conmutador sensible al flujo es colocado dentro del alojamiento para iniciar el modo de calibración de operación desde el exterior del alojamiento y sin abrir el mismo. Aunque el sistema descrito en la patente observada ha disfrutado una aceptación y éxito comercial sustancial, permanecen deseables mejoras adicionales. Por ejemplo, pueden encontrarse dificultades cuando se intente detectar el nivel de materiales, tales como gránulos de plástico, que tienen muy bajas características dieléctricas. Un objetivo general de la presente descripción es proporcionar un método de calibración del sistema de indicación de nivel de material que optimiza la sensitividad en la sonda a los cambios en el nivel de material y para suministrar un aparato que sea adaptado de manera que sea calibrado a través de este método. En general, este objetivo es llevado a cabo durante el modo de calibración de operación cuando se varía la frecuencia eléctrica de la señal aplicada a la sonda y posteriormente la operación durante un modo de medición de la operación en una frecuencia que optimiza la sensitividad de la sonda y el sistema a los cambios en las propiedades dieléctricas en la sonda .

Breve descripción de la Invención La presente descripción incluye un número de aspectos que pueden ser implementados por separado o en combinación entre sí. Un método que indica el nivel de material en un recipiente, de acuerdo con un aspecto de la presente descripción, incluye el acoplamiento de una sonda con el recipiente, de manera que la capacitancia en la sonda varía como una función del nivel de material en el recipiente. Una señal eléctrica periódica en una frecuencia fija es aplicada en la sonda, de modo que las características de operación de la señal varían como una función de la capacitancia en la sonda. El nivel de material es detectado como una función de las características de operación de la señal. Durante el modo de calibración de la operación, la frecuencia fija de la señal eléctrica periódica es variada para optimizar la sensitividad en la sonda. En una modalidad preferida de la descripción, esto es efectuado aplicando la señal eléctrica periódica en la sonda con respecto a un intervalo seleccionado de frecuencia durante el modo de calibración de la operación e identificando la frecuencia dentro de este intervalo en el cual la sonda es más sensible a los cambios de capacitancia en la sonda. La frecuencia fija durante el modo de medición de la operación es posteriormente ajustada en esta frecuencia identificada.

Breve Descripción de la Figura La descripción, junto con los objetivos, características y ventajas adicionales como los aspectos de los mismos, serán mejor entendidos a partir de la siguiente descripción, las reivindicaciones adjuntas y la figura 1 que la acompaña, la cual es un diagrama de bloque funcional de una modalidad de ejemplo de un sistema de indicación de nivel de material de tipo de capacitancia de acuerdo con la presente descripción. Descripción Detallada de la Invención La figura 1 ilustra un sistema 10 que detecta e indica el nivel de material 12 en un recipiente 14 de acuerdo con una modalidad de ejemplo de la presente descripción. El sistema 10 incluye una sonda 16 adaptada para ser acoplada con el recipiente 14 de manera que sea sensible a las variaciones de capacitancia en el recipiente como una función del nivel de material 12 en el recipiente. Un amplificador de excitación 18 es acoplado con la sonda 16 para aplicar una señal eléctrica periódica a la sonda. El excitador 18 recibe la entrada de un generador de frecuencia variable 20 que controla la frecuencia de la señal aplicada a la sonda. Un motor DSP 22 controla la operación del generador de frecuencia variable 20 y recibe la entrada del generador indicativa de la frecuencia de la señal que está siendo aplicada a la sonda. La sonda 16 también es conectada con un amplificador 24. De preferencia, el amplificador 24 convierte la retroalimentación de corriente que proviene de la sonda 16 a la señal de tensión y aplica esta señal de tensión en una ganancia variable controlada al motor DSP 22. La ganancia o ganancias del amplificador 24 son reguladas por el controlador 26, el cual se prefiere que tome la forma de un microprocesador programado. El motor DSP 22 recibe una entrada de control de frecuencia del controlador 26 y proporciona una salida al controlador 26 indicativa de la admitancia detectada en la sonda 16. Una impedancia de referencia 30, que podría ser un resistor, un inductor o de manera más preferible, un capacitor, puede ser conectado de manera selectiva en paralelo con la sonda 16 por medio de un conmutador 32 que es regulado por el controlador 26. De preferencia, el controlador 26 recibe la entrada de un botón pulsador 34 para iniciar el modo de calibración de la operación, y a partir de un conmutador 36 responde a un generador de flujo 38 a través de la pared del alojamiento 40 para iniciar un modo de calibración de la operación sin tener que abrir el alojamiento. El alojamiento 40 podría o no ser a prueba de explosión. El conmutador represivo de flujo 36 podría comprender un conmutador de lámina o conmutador de sala, por ejemplo, sensible al generador externo de flujo magnético 38, o podría comprender un fotoconmutador sensible a un fotogenerador externo de flujo 38, o podría comprender un fotoconmutador sensible a un fotogenerador externo de flujo 38. El controlador 26 también es conectado con las entradas/salidas 42 para recibir las entradas que provienen del conjunto distante de circuitos, de manera opcional, que incluyen una entrada para iniciar el modo de calibración de la operación y/o para proporcionar las salidas que podrían incluir relevadores internos o externos que indiquen el nivel de material en el recipiente, uno o más LEDs visibles a través del alojamiento 40 que indiquen el estado de operación del sistema 10, conexiones digitales y/o analógicas con el conjunto distante de circuitos de indicación, etcétera. En la modalidad de ejemplo de la descripción, el excitador 18 también es conectado a través de un amplificador 44 con una barrera de protección en la sonda 16, aunque el uso de la barrera de protección por ningún medio es esencial a la presente descripción. Durante un modo de medición de la operación, el excitador 18 aplica una señal periódica en una frecuencia fija a la sonda 16, de preferencia, una señal sinusoidal. La amplitud de esta señal varía como una función de las características de capacitancia en la sonda 16, la cual a su vez varía como una función del nivel de material 12 en el recipiente 14. Esta señal es alimentada a través del amplificador 24 al motor DSP 22, el cual determina la admitancia aparente en la sonda 16 y da salida a esta señal de admitancia al controlador 26. De preferencia, esta señal de admitancia es un valor absoluto de la combinación de los componentes reales e imaginarios de la señal regresada de la sonda 16, aunque los componentes reales e imaginarios podrían ser alimentados por separado al controlador 26. El controlador 26 monitorea la señal de admitancia que proviene del motor DSP 22 para determinar el nivel de material 12 dentro del recipiente 16. Esta determinación del nivel puede ser una determinación del nivel de punto cuando el material 12 hace contacto con la sonda 16 o puede ser una determinación de nivel continuo, es decir, una determinación de nivel como una función continua del nivel del material con relación a la sonda. Obviamente, será apreciado que aunque el motor DSP 22 y el controlador 26 son ilustrados como componentes separados en la figura 1, estos componentes podrían ser combinados con rapidez. Un modo de calibración de operación puede ser iniciado por el botón pulsador 34 con la cubierta del alojamiento removida por un técnico, o similares, para ajustar o reparar el sistema 10, o puede ser iniciado al colocar el imán 38 en proximidad externa con el conmutador 36 sin tener que abrir el alojamiento. De preferencia, el modo de calibración de la operación es iniciado con el material 12 separado de la sonda 16, de modo que la sonda 16 sea expuesta, de manera efectiva, a un recipiente vacío. El modo de calibración de operación en la modalidad de ejemplo de la descripción involucra tres etapas: (1) el ajuste de las ganancias en el amplificador 24, (2) la determinación del intervalo de frecuencia de calibración del generador de frecuencia variable 20, y (3) la determinación de la frecuencia fija en la cual el generador 20 operará siguiendo el modo de calibración de operación. Las ganancias en el amplificador 24 son ajustadas o establecidas por el controlador 26 mediante la operación del generador 20 en una frecuencia predeterminada fija y la variación de las ganancias en el amplificador 24 para maximizar la admitancia aparente en la sonda. En la modalidad de ejemplo de la descripción, las ganancias en el amplificador 24 pueden ser ajustadas, por ejemplo, para maximizar la señal de admitancia en una frecuencia, por ejemplo, de 30KHz. Con las ganancias establecidas de este modo en la etapa 24, el generador 20 es entonces operado en dos frecuencias (o más) preseleccionadas para determinar la característica de admitancia contra la frecuencia en la sonda 16. Se ha encontrado que esta característica de admitancia contra la frecuencia en la sonda 16 es generalmente lineal, por ejemplo, al menos entre 15 y 20KHz. De esta manera, mediante la operación selectiva del generador 20 en estas dos frecuencias y el monitoreo de la señal de retorno de la sonda, los valores correspondientes de admitancia son empleados en el controlador 26 para establecer una relación lineal de admitancia contra la frecuencia. A continuación, el controlador 26 determina los valores superiores e inferiores del intervalo de la frecuencia de calibración como una función de esta relación lineal y los valores preseleccionados de admitancia. En una modalidad de ejemplo de la descripción, estos valores de admitancia son determinados en forma empírica. Én un ejemplo, estos valores de admitancia son de 8 y lOKmhos. Utilizando estos valores de admitancia determinados en forma empírica y la relación previamente determinada de la admitancia contra la frecuencia, los límites superiores e inferiores del intervalo de frecuencia de calibración son determinados. En una modalidad de ejemplo de la descripción, el intervalo disponible total de la frecuencia de calibración podría estar, por ejemplo, aproximadamente entre 30 y lOOKHz. Aplicando los valores preseleccionados de admitancia en la relación determinada de admitancia contra la frecuencia, podría ser identificado un intervalo de frecuencia de calibración, por ejemplo, de 35 a 45KHz. A continuación, el controlador de frecuencia variable 20 es regulado por el controlador 26 a través del motor DSP 22 para aplicar una señal eléctrica periódica a la sonda 16 a través del excitador 18 en frecuencias discretas dentro de este intervalo de frecuencia, tal como en etapas increméntales de ???? o 2KHz de 35 a 45KHz en este ejemplo. En cada etapa de frecuencia, la admitancia en la sonda 16 es determinada tanto con el conmutador 32 abierto y con el conmutador 32 cerrado para así conectar la impedancia de referencia 30 en paralelo con la sonda 16. La impedancia de referencia 30 podría tener un valor que corresponde con la sensitividad mínima deseada en la sonda, por ejemplo, de dos picofaradios . En una implementación de ejemplo de la descripción, este valor ha sido seleccionado que corresponde con el cambio de capacitancia en la sonda 16 cuando el material 12 que consiste de granulos ligeros de plástico alcance el nivel de la sonda. También podrían ser empleados otros valores de impedancia. Un número de impedancias 30 y conmutadores asociados 32 podrían ser empleados para la conexión controlada en paralelo con la sonda 16 a través del controlador 26 para diferentes sensitividades, si se deseara. La sensitividad deseada podría ser entrada al controlador 26 a través de las entradas/salidas 42. En cada frecuencia incremental durante el modo de calibración de operación, la señal de retorno de admitancia es monitoreada por el motor DSP 22 y el controlador 26 tanto con cómo y sin conexión de la impedancia de referencia 30 en paralelo con la sonda. Una frecuencia de operaciones seleccionada, de preferencia, la frecuencia en la cual la diferencia de admitancia es la más grande con la impedancia de referencia 30 conectada y desconectada del circuito. Es decir, la frecuencia de operación del sistema es seleccionada durante el modo de calibración de la operación como la frecuencia de calibración en la cual la diferencia es la más grande entre la salida del amplificador 24 con la sonda 16 sola y la salida del amplificador 24 con la impedancia 30 conectada en paralelo con la sonda 16. El controlador 36 y el motor DSP 22 ajustan el generador de frecuencia variable 20 para operar en esta frecuencia hasta que sea iniciado el siguiente modo de calibración de la operación. De preferencia, la operación de calibración discutida con anterioridad es controlada a través de un software adecuado almacenado en el controlador 26. Si se deseara, la calibración puede ser monitoreada como se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 5, 088, 325. Como se muestra en la figura 1, el generador 20, el motor DSP 22 y el controlador 26 son referidos (conectados) con una conexión a tierra de circuito 46. De preferencia, el alojamiento 40 es montado sobre el recipiente 14 y es acoplado con una tierra física 48 a través del recipiente 14. De preferencia, la conexión a tierra de circuito 46 es aislada de la tierra física 48, y la salida del excitador 18 se prefiere que sea alimentada a la sonda 16 a través de la tierra física 48. Esta característica que es preferida aunque opcional, simplifica el diseño y el costo de la alimentación de energía eléctrica para el sistema. De esta manera, se ha descrito un método y sistema de indicación del nivel de material en un recipiente que satisface por completo todos los objetivos y metas previamente señalados. La descripción ha sido presentada en conjunto con una modalidad de ejemplo y un número de modificaciones y variaciones ha sido discutido. Otras modificaciones y variaciones serán sugeridas con facilidad por sí mismas a las personas de experiencia ordinaria en la técnica en vista de la descripción anterior. Se pretende que la descripción incluya todas las modificaciones y variaciones que caen dentro del espíritu y alcance amplio de las reivindicaciones adjuntas. Se hace constar que con relación a esta fecha el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un método de indicación del nivel de material en un recipiente, caracterizado porque incluye las etapas de: (a) acoplar una sonda con el recipiente, de manera que la capacitancia en la sonda varíe como una función del nivel de material en el recipiente, (b) aplicar una señal eléctrica periódica en una frecuencia fija a la sonda, de manera que las características de operación de la señal varían como una función de la capacitancia en la sonda, (c) detectar el nivel de material en el recipiente como una función de las características de operación de la señal, y (d) durante el modo de calibración de operación, se varía la frecuencia fija de la señal eléctrica periódica.
2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa (d) incluye: (di) iniciar un modo de calibración de operación, (d2) aplicar la señal eléctrica periódica a la sonda con respecto a un intervalo seleccionado de frecuencia, (d3) identificar una frecuencia dentro del intervalo en el cual la sonda es más sensible a los cambios de capacitancia en la sonda, y (d4) ajustar la frecuencia fija de la señal periódica en la etapa (b) en una frecuencia identificada en la etapa (d3 ) .
3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa (d3) incluye: (d3a) aplicar la señal eléctrica periódica en la etapa (d2) en una serie de frecuencias discretas dentro del intervalo , (d3b) en cada frecuencia dentro de la etapa (d3a) , cambiar la impedancia de referencia dentro y fuera de la conexión paralela con la sonda, y (d3c) identificar una frecuencia discreta dentro del intervalo en el cual las características de operación en la sonda son más afectadas por la etapa (d3b) .
4. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa (d) además incluye: (d5) aplicar la señal eléctrica periódica en la sonda en una primera y segunda frecuencias fijas preseleccionadas , y (d6) seleccionar el intervalo de frecuencia en la etapa (d2) como una función de las características de operación en la sonda en la primera y segunda frecuencias fijas preseleccionadas en la etapa (d5) .
5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la etapa (d6) incluye: (d6a) determinar una característica de la admitancia contra la frecuencia en la sonda en base a las características de operación de la sonda en la primera y segunda frecuencias seleccionadas en la etapa (d5) , y (d6b) determinar las frecuencias inferiores y superiores del intervalo seleccionado de frecuencia en la etapa (d2) como una función de la característica de admitancia contra la frecuencia determinada en la etapa (d6a) .
6. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque la etapa (d6b) comprende seleccionar las frecuencias inferiores y superiores como las frecuencias que corresponden con las admitancias preseleccionadas como la sonda .
7. Un sistema que indica el nivel de material en un recipiente como una función de la capacitancia de material, caracterizado porque comprende: una sonda adaptada de manera que sea acoplada con un recipiente que será sensible a las variaciones de capacitancia en el recipiente como una función de las variaciones en el nivel de material en el recipiente, un excitador acoplado con la sonda que aplica una señal eléctrica periódica a la sonda, un circuito eléctrico sensible a las características de operación en la sonda que indica el nivel de material con respecto a la sonda como una función de las características de operación eléctrica en la sonda, y un generador de frecuencia acoplado con el excitador que varía la frecuencia de la señal eléctrica periódica durante el modo de calibración de operación.
8. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el circuito eléctrico comprende: el medio que inicia el modo de calibración de operación, un controlador conectado con el generador de frecuencia para aplicar a la sonda una señal eléctrica periódica con respecto un intervalo seleccionado de frecuencia, y el medio que identifica una frecuencia dentro del intervalo en el cual la sonda es más sensible a los cambios de nivel del material en el recipiente.
9. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el medio que identifica una frecuencia incluye un capacitor de referencia y un conmutador sensible al controlador que conecta de manera selectiva el capacitor de referencia en paralelo con la sonda.
10. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el controlador opera el generador de frecuencia para aplicar la señal eléctrica periódica a la sonda en frecuencias discretas durante el modo de calibración de operación, y en donde el medio que identifica una frecuencia reconoce una de las frecuencias discretas en las cuales las características de operación en la sonda varían mediante la cantidad más grande con el capacitor de referencia conectado y desconectado en paralelo con la sonda.
11. El sistema de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el controlador incluye el medio que selecciona el intervalo de frecuencia como una función de las características de operación en la sonda en una primera y segunda frecuencias predeterminadas en el excitador.
12. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el circuito eléctrico y el generador de frecuencia son acoplados con una conexión a tierra de circuito, en donde la conexión a tierra de circuito es aislada de la tierra física, y en donde el excitador aplica la señal eléctrica en la sonda a través de la tierra física.
13. Un sistema que indique el nivel de material en un recipiente, caracterizado porque comprende: una sonda adaptada de manera que sea acoplada con un recipiente que será sensible a las variaciones en el nivel de material en el recipiente, un excitador conectado con la sonda que aplica una señal eléctrica periódica a la sonda, y un circuito eléctrico sensible a las características de operación en la sonda que indique el nivel de material en el recipiente con respecto a la sonda, el circuito eléctrico es acoplado con una conexión a tierra de circuito, la conexión a tierra de circuito es aislada de la tierra física, el excitador aplica la señal eléctrica a la sonda a través de la tierra física.
14. El sistema de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque comprende un alojamiento, en el cual son situados el excitador y el circuito eléctrico, acoplado con una tierra física.
15. El sistema de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el alojamiento es adaptado para que sea montado en el recipiente, el cual es acoplado con una tierra física.