AT511732A2 - Identifizierbare magnetische Marker - Google Patents

Abstract

Die Erfindung schlägt eine Methode und einen Behälter 21 wie Kapseln, Pads oder Tabs für die Zubereitung von Nahrungsmittel in Extraktionsmaschinen vor, wobei die Behälter mit speziellen magnetisierbaren Markern 20 ausgestattet sind um die Behälter 21 identifizieren zu können. Es wird eine Kombination von weichmagnetischen Legierungen 203 mit charakteristischen nicht linearen magnetischen Eigenschaften und hartmagnetischen Elementen 42a vorgeschlagen.

Description

Identifizierbare magnetische Marker B. Litzka, D. Suess

Die Erfindung betrifft Behälter, wie Kapseln, Pads oder Tabs für die Extraktion von Nahrungsmittel wie beispielsweise Kaffee, Tee oder Babynahrung in Extraktionsmaschinen, wobei der Behälter mindestens eine weichmagnetisches Element 203 und mindestens ein magnetisch härteres Element 42a beinhaltet welche zur Identifikation des Behälters genutzt werden. DE69210084 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Getränken mittels geschlossener Portionspackungen und Geräte zur Durchführung dieses Verfahrens. Eine Detektion oder Identifikation der Behälter wird nicht dargestellt. CA915780 beschreibt eine Methode und eine Maschine zur Detektion der Identität von Objekten in einer Prüfzone, um Diebstahl zu verhindern, indem ein ferromagnetisches Material an einem Objekt fixiert wird und dieses in einem pulsierenden Magnetfeld exponiert wird und die Detektion durch ein Frequenzband erfolgt. Eine detaillierte Analyse des, durch den Marker beeinflussten Signals zur Diskriminanz ist nicht offenbart. W09826378 beschreibt die Detektion von Banknoten, Reisepässen und ähnlichen Dokumenten mittels länglicher magnetischer Partikel mit einem Entmagnetisationsfaktor kleiner als 1/250 und einem Durchmesser kleiner als 30 Mikrometer und einem Sättigungsfeld größer als 100 A/m, wobei das, einem Magnetfeld ausgesetzte magnetische Partikel ein Signal verursacht, welches über die Analyse von Oberwellen eine Diskriminanz ermöglicht. DE102005062016 offenbart ein Verfahren zur automatischen Kontrolle von Flaschen und Pfandgut durch weichmagnetische Sensorstreifen und magnetisch halbharte Entwertersteifen.

I EP1515280 beschreibt eine Pfandmarkierung, ein Rücknahmegerät und eine Pfandkontrolle mittels eines ferromagnetischen Indikatorelements, welches nicht ganzheitlich bis zur Remanenz magnetisiert wird. Eine detaillierte Analyse des Signals zur Diskriminanz wird nicht offenbart. W02005044067 beschreibt die Identifikation von Behältern durch magnetische oder optische Methoden. Dabei wird für die offenbarte magnetische Methode ein rotierender Magnetfeldlesekopf vorgeschlagen. Die Information wird in hartmagnetischen Magnetbändern oder Ringen gespeichert. Die Längsrichtung des Magnetbandes ist senkrecht zur Rotationsachse des Behälters. WO2011000723, WO2011000724 sowie WO2011000725 schlagen vor, magnetische Marker, welche in Kapseln für Getränkemaschinen integriert sind, zu detektieren, indem der Marker mittels einer Sendespule durch eine Periode einer Sinusschwingung angeregt wird. Auf Grund von mindestens einem

Barkhausensprung des magnetischen Markers führt der Marker zu einem Spannungspeak in der induzierten Spannung in der Detektionsspule. Um diese Veränderung der induzierten Spannung zu untersuchen, wird vorgeschlagen die Spannungs-Zeit Kurve auf Sprünge zu untersuchen. Die Position der Sprünge dient dazu um den Marker zu identifizieren. Auf Grund von Störeinflüssen, wie beispielsweise magnetischen Feldern, die ebenfalls Spannungen in der Detektionsspule induzieren, ist eine verlässliche Detektion mit dieser Methode nicht möglich, da jene Sprünge, verursacht durch den Marker, nicht von dem zufälligen Rauschen zu unterscheiden sind. Ferner werden Barkhausensprünge durch Produktionsprozesse sowie mechanische Spannungen stark beeinflusst, was eine reproduzierbare und verlässliche Detektion in der praktischen Anwendung mit Standardherstellungsprozessen verhindert. In WO2011000723, WO2011000724 sowie WO2011000725 wird beschrieben, dass die bevorzugt Länge der magnetischen Elemente zwischen 5 und 20 mm ist, besonders bevorzugt zwischen 8 und 15 mm (Seite 7, WO 2011000725). Es ist jedoch aus der Literatur bekannt, dass Barkhausensprünge nur in langen Drähten auftreten. So wird von Atalay and Bayri („Low field magnetoimpedance in FeSiB and CoSiB amorphous wire", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Seite 1365, Volume, 272 - 276, 2004) beschrieben, dass für Drähte länger als 7 cm ein Barkhausensprung auftritt. Für Drähte zwischen 4 cm und 7 cm zwei Barkhausensprünge auftreten und für Drähte unter 4 cm keine Barkhausensprünge auftreten. Somit sind diese Drähte in der bevorzugten Länge nicht geeignet um in der in WO2011000723, WO2011000724 sowie WO2011000725 beschrieben Art als magnetische Marker zu dienen, da sie in der gewünschten Länge für den Einsatz beispielsweise in Kaffeekapseln keine geeigneten Barkhausensprünge zur Identifikation zeigen.

Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es, die oben genannten Probleme der Detektion von Markern zu lösen um eine vorteilhafte, industriell herstellbare Behälter-Marker Anordnung darzustellen und eine, auf diese Behälter-Marker Anordnung optimal gestaltete und verlässliche Detektionsmethode zur Diskriminanz von Behältern, wie Kapseln, Pads oder Tabs in Extraktionsmaschinen, welche robust gegen Störeinflüsse ist und problemlos Behälter mit verschiedenen Markern, die verschiedene magnetische Eigenschaften aufweisen, unterscheiden kann, vorzuschlagen. Im speziellen werden Marker vorgeschlagen, die zur Identifikation neben mindestens einem weichmagnetischen Elementen 203 auch mindestens ein hartmagnetisches Elemente 42a beinhaltet. Durch unterschiedliche Magnetisierungen des hartmagnetischen Elements kann die Zahl der unterscheidbaren Marker drastisch erhöht werden.

Im speziellen werden die magnetischen Marker durch zeitabhängige Magnetfelder magnetisiert. Die Anwesenheit der Marker beeinflusst diese Magnetfelder. Das detektierte Magnetfeld beinhaltet Beiträge der magnetischen Marker und durch eine Analyse des detektierten Signals können die Marker identifiziert werden.

Beispielsweise können die Marker durch eine Spektralanalyse effizient analysiert werden. Im speziellen werden die Phasen und Amplituden der Oberwellen analysiert. Weiters werden in erfindungsmäßigen Ausgestaltungen Marker verwendet, welche durch die Anbringung von elektrisch leitfähigen Schichten, welche beispielsweise den Marker umschließen, von hochfrequenten, elektromagnetischen Störungen der Umgebung abgeschirmt werden, was zu einer optimierten Detektionsrate führt.

Das periodische Detektorsignal UD(t) mit der Periode T, wobei die Periode T wie folgt mit der Frequenz f und der Kreisfrequenz o> wie folgt zusammenhängt, ω = 2nf = 2π / T, kann mittels einer Fourierreihe dargestellt werden: wobei die komplexen Koeffizienten cn wie folgt aus dem Detektorsignal (Λ>(ί) bestimmt werden können:

Für die Detektion der Marker kann somit sowohl die Amplitude der Oberschwingungen als auch die Phase genutzt werden. Im speziellen kann die Phase von Oberschwingungen zu der Phase des Erregersignals für die Detektion in Beziehung gesetzt werden. Das Erregersignal kann beispielsweise in der Anregespule gemessen werden oder in der Grundfrequenz des induzierten Signals.

Wird das Detektionssignal durch einen Analog-Digitalwandler transformiert, stehen diskrete Spannungswerte zur Verfügung. In diesem Fall wird die Fourieranalyse durch die diskrete Fourier Analyse oder schnelle Fourier Analyse (FFT) ersetzt. Die

Amplitude der Oberschwingung n ist durch An = +c_J gegeben.

Die vorgeschlagene Methode ist nicht auf Basisvektoren von ^"'"beschränkt, sondern schlägt vor eine harmonische Analyse auf lokalkompakte, topologische Gruppen anzuwenden, wobei das Spektrum wie folgt erlangt werden kann:

F{f):G->C F(f)^) = \f(xMx)dÄ(x)

t I

Neben der Analyse der Oberschwingungen, kann auch direkt das detektierte Signal analysiert werden. Peaks zu verschiedenen Zeiten können zur Identifikation der Marker dienen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den folgenden Zeichnungen dargestellt und näher erläutert. Es zeigt dabei

Abbildung 1: μ0Η - J Kurven von 3 verschiedenen Marker Materialien

Abbildung 2: μ0Η - J Kurven von magnetischen Marker Materialien mit Barkhausensprüngen

Abbildung 3: Induzierte Spannung in der Detektionsspule Abbildung 4: Spektrum für Marker Material 1 Abbildung 5: Spektrum für Marker Material 2 Abbildung 6: Spektrum für Marker Material 3 Abbildung 7: Marker mit hartmagnetischem Element

Abbildung 8: Amplitude der 2. harmonischen Schwingung für weichmagnetisches Element ohne Hartmagnet

Abbildung 9: Amplitude der 3. harmonischen Schwingung für weichmagnetisches Element ohne Hartmagnet

Abbildung 10: Amplitude der 2. harmonischen Schwingung für weichmagnetisches Element mit Hartmagnet

Abbildung 11: Amplitude der 3. harmonischen Schwingung für weichmagnetisches Element mit Hartmagnet

Abbildung 12: Anregungssignal mit 160 Hz, wobei drei verschiedene zeitlich konstante Felder überlagert sind

Abbildung 13: Anregungssignal mit 160 Hz, wobei ein linear veränderliches Feld überlagert ist.

Abbildung 14: Anregungssignal mit 160 Hz, wobei ein sinusförmiges Feld mit einer Frequenz von 16 Hz überlagert ist

Abbildung 15: Darstellung einer möglichen Anordnung eines iängsförmigen Markers in einer Kaffeekapsel an der Kapselwand

Abbildung 16: Einbringung mehrerer Marker rotationssymmetrisch in eine Kapsel (beispielhafter kreisrunder oder auch länglicher Kapselquerschnitt)

Abbildung 17: Querschnitt eines Kaffeepads mit einer möglichen radialen Anordnung eines gekrümmten Markers

Abbildung 18: Querschnitt eines Kaffeepads mit einer möglichen zentralen Anordnung eines längsförmigen Markers entlang oder parallel zur Drehachse des Pads.

Abbildung 19: Darstellung der diskriminierenden Detektionsvorichtung mit einer möglichen Anordnung von Spulen, bei der eine Kaffeekapsel mit einem « * erfindungsmäßigen Marker an der Kapselwand in einer geschlossenen Druckkammer einer Extraktionsmaschine positioniert ist.

Ein sinusförmiges Anregefeld mit der Frequenz fi, induziert ohne der Anwesenheit eines, in oder auf einem Behälter 21 positionierten Markers 20 eine sinusförmige induzierte Spannung UD, die in der praktischen Anwendung noch durch zufälliges Rauschen überlagert ist. Aufgrund der nicht Periodizität des Rauschens, trägt das Rauschen nicht zu den Amplituden der Frequenzanalyse bei und es entsteht ein klarer Peak in der Frequenzkurve bei f,. Bei einem sinusförmigen Signal ist nur die Amplitude Ai von Null unterschiedlich.

Wird nun ein Behälter 21 mit einem Marker 20 in die Nähe der Sendespule 21 bzw. einem Magnetfeldsensor 11 der Extraktionsmaschine gebracht, wird ein weichmagnetisches Element 203 in einem Marker 20 durch das Anregefeld magnetisiert. Als Sendespule 12 bzw. Magnetfeldsensor 11 können beispielsweise Luftspulen oder auch Ferritspulen genutzt werden. Luftspulen haben den Vorteil, dass sie eine hervorragende lineare Charakteristik bezüglich der Frequenz zeigen und kostengünstige Standardelemente sind, die auch übereinen großen Feldbereich ersetzbar sind. Bei der Verwendung von Ferritspulen ist zu beachten, dass der Ferritkern eine lineare Magnetisierung als Funktion des Anregefeldes besitzt um nicht das Signal zu verfälschen.

Weitere Möglichkeiten das Magnetfeld des magnetischen Markers 20 zu detektieren sind GMR „Giant magnetoresistance“ Sensoren und auch TMR „Tunnel Magnetoresistance“, sowie AMR „Anisotrope Magnetoresistance“, sowie auch CMR Sensoren „Colossal Magneto Resistance“, bei denen der elektrische Widerstand als Funktion des Magnetfeldes gemessen werden kann. Für niedrige Operationsfrequenzen ist beispielsweise auch der Einsatz von Flux-Gate Sensoren möglich.

Abbildung 1 zeigt die magnetische Polarisation J (T) verschiedener Marker-Materialien 203 als Funktion des externen Feldes μ0Η (mT). In Abbildung 1 sind drei verschiedene Materialien dargestellt, wobei Material 3 die höchste Suszeptibilität aufweist. Die Suszeptibilität von Material 2 ist um einen Faktor 3 geringer. Die geringste Suszeptibilität weist Material 1 auf. Alle gezeigten Materialien zeigen eine stetige J - μ0Η Kurve. Das heißt, es treten keine signifikanten Sprünge in der 6 ♦ *«· · *·* ♦ ·

Magnetisierung bei einem bestimmten Feldwert auf. Im speziellen wird eine J - μ0Η Kurve als stetig bezeichnet, wenn die Magnetisierung als Funktion des externen Feldes, für keinen Feldwert eine Suszeptibilität aufweist die größer als 1x107 ist. Im Gegensatz zu stetigen J - μ0Η Kurven, wo keine Barkhausensprünge auftreten, sind in Abbildung 2 typische J - μ0Η Kurve gezeigt, die Barkhausensprünge aufweisen. Abbildung 2 (Marker Material 6) zeigt eine J - μ0Η Kurve mit einem Barkhausensprung von einem FeSiB Draht mit einer Länge von 10 cm und einem Durchmesser von 0.125 mm. Abbildung 2 (Marker Material 7) zeigt eine typische J -μ0Η Kurve, wenn zwei Drähte mit Barkhausensprüngen, in einem nahen Abstand zueinander gebracht werden, Auf Grund der Streufeldwechselwirkung entsteht die gezeigte Form der J - μ0Η Kurve.

Wird ein Behälter 21 mit einem Marker 20 mit einer geringen Suszeptibilität vom weichmagnetischen Material 203 in das Sendefeld der Extraktionsmaschine gebracht, wie beispielsweise Material 3, wird dieses Material nicht durch das Sendefeld gesättigt. Das heißt, das Sendefeld wird durch den Marker 20 linear verstärkt, Dieses Feld kann durch die Detektionsspule 11 detektiert werden und ist auf Grund des linearen J(B) Zusammenhang weiterhin sinusförmig, wie in Abbildung 3 zu sehen ist. Diese weiterhin sinusförmige Form der Spannungs-Zeit Kurve kann auch im Frequenzspektrum gesehen werden, da nur ein Peak bei der Grundfrequenz zu sehen ist ( Abbildung 4 ).

Wird hingegen ein magnetisches Material mit hoher Suszeptibilität in die Nähe der Sendespule 12 der Extraktionsmaschine gebracht kann das Sendefeld, das Material sättigen. Voraussetzung ist, dass das Sendefeld am Ort des Markers 20 ein Feld erzeugt, das das weichmagnetische Element 203 in den nicht linearen Teil der J - μοΗ treibt. Dies ist jedenfalls gewährleistet, wenn das Anregefeld größer als das Sättigungsfeld Bs ist. In Abbildung 1 ist das Sättigungsfeld ßsals das Feld definiert, bei dem sich die Suszeptibilität für Felder H >HC des magnetischen Markers 20 um mindestens einen Faktor 10 ändert.

Dadurch wird, solange das Anregefeld kleiner als Bs ist, dieses Feld signifikant verstärkt. Ist das weichmagnetische Element 203 hingegen schon gesättigt, wird dadurch das Anregefeld nicht mehr verändert. Dies führt in der Folge zu einer Veränderung der Form der induzierten Spannungs-Zeit Kurve wie in Abbildung 3 zu sehen ist. Diese veränderte Spannungs-Zeit Kurve führt zu der Ausbildung von 7

• «I

Oberschwingungen, die durch Peaks bei vielfachen der Grundfrequenz im Frequenzspektrum erfindungsmäßig klar zu identifizieren sind, wie in Abbildung 5 zu sehen ist. Die Amplituden von An werden nun auch von Null unterschiedlich für n> 1, wie in Abbildung 5 und Abbildung 6 zu sehen ist.

In Abbildung 4, Abbildung 5 und Abbildung 6 wurde ein Marker Material mit einem zu vernachlässigendem Koerzitivfeld verwendet. Wird ein weichmagnetisches Marker Material 203 mit einem Koerzitivfeld Hc verwendet, führt dies zu einer Phasenverschiebung zwischen dem Detektionssignal und dem Anregesignal. Diese Phasenverschiebung hängt direkt mit dem Koerzitivfeld zusammen. Somit können magnetische Marker Materialien mit unterschiedlichen Koerzitivfeldem unter anderem durch die Phasenverschiebung unterschieden werden. Unterschiedliche Koerzitivfelder können durch verschiedene Legierungen realisiert werden. Magnetische Marker mit unterschiedlichen Barkhausensprünge zeigen beispielsweise auch unterschiedliche Koerzitivfelder.

Zur Messung und Detektion von Behältern 21 können daher sowohl die Amplituden der Oberschwingungen als auch die Phasen der Oberschwingungen für die Unterscheidung verschiedener Marker Materialien verwendet werden.

Das Sättigungsfeld der magnetischen Polarisation in Abbildung 1 ist nicht nur durch die intrinsischen Eigenschaften der magnetischen Legierung des Markers 20 bestimmt. Die Geometrie des Markers 20 beeinflusst wesentlich das benötigte Feld um die Probe zu sättigen. Das Feld //ö//vum eine Probe zu sättigen lässt sich bestimmen aus, aA - aA, + -λ·/,, wobei MA *das intrinsische Sättigungsfeld ist, das durch die weichmagnetische Eigenschaft des Marker Materials gegeben ist. Dieses Feld kann in einem geschlossenen Kreis, beispielsweise einer Ringprobe, bestimmt werden, wo keine Entmagnetisierung der Probe durch die Enden der Probe stattfindet. In diesen geschlossenen Kreisen kann auch die intrinsische Suszeptibilität bestimmt werden.

Bei nicht geschlossenen Magnetkreisen wird das Sättigungsfeld durch das

Entmagnetisierungsfeld α,Α, = A erhöht, wobei N der Entmagnetisierungsfaktor ist, der nur von der Markergeometrie abhängt. In Tabelle 1 ist der 8

Entmagnetisierungsfaktor für ein weichmagnetisches Element 203 als Funktion der Länge angegeben.

Tabelle Λ-.Entmagnetisierungsfaktor N für ein weichmagnetisches Element 203 mit den Dimensionen 0.3 cm x 0.005 cm und einer variablen Länge L in cm. L (cm) j Entmagnetisierungsfaktor N | I 4 I 1 0.0021 1 ... ...1 |3 0.0027 j ! 2 0.0041 1 0.008 | 0.5 i_ [ 0.015 1 j_i

Umso länger das weichmagnetisches Element 203 ist, umso geringer ist der Entmagnetisierungsfaktor und das weichmagnetisches Element 203 kann durch kleine Anregefelder gesättigt werden, was für die gegenständliche Methode bevorzugt ist.

Neben der intrinsischen Suszeptibilität kann auch die Geometrie, wie die Länge des weichmagnetischen Elements 203 zur Unterscheidung verschiedener Marker 20 und Behälter 21 eingesetzt werden. So ist das magnetische Material von Marker 2 und Marker 3 ident. Lediglich die Länge der Marker 20 ist unterschiedlich. Wird die Länge beispielsweise von 1 cm auf 3 cm erhöht, reduziert sich der Entmagnetisierungsfaktor um einen Faktor von 2.9. Dies entspricht dem Unterschied von Marker 2 und Marker 3.

In Abbildung 7 ist ein magnetischer Marker 20 gezeigt, der neben dem weichmagnetischen Elements 203 auch einen Hartmagnet oder einen semi-Hartmagnet 42a beinhaltet. Dieser Magnet 42a soll ein genügend großes Koerzitivfeld aufweisen, sodass die Remanenz des Magneten sich über einige Jahre kaum ändert. Das Element 42a kann in verschiedene Richtungen und mit verschiedenen Stärken magnetisiert werden. Beispielsweise kann 42a die folgenden Magnetisierungswerte in Längsrichtung annehmen. M-2 = -Mr, M-i = - 1 /2 Mr, M0 = o, Mi = 1 / 2 Mr, M2 = Mr., wobei Mr die Remanenz bezeichnet, wenn das Element 42a zuvor gesättigt wurde. Je nachdem in welchen Zustand das Element 42 a ist, sendet das weichmagnetische Element 20 unterschiedliche Antworten auf externe Felder 9 aus. Werden beispielsweise 7 unterschiedliche weichmagnetische Elemente verwendet die neben dem oben beschriebenen Hartmagneten angebracht sind, welche 5 Einstellungen der Magnetiesierung erlauben, können in Summe 35 verschiedene Marker unterschieden werden.

Diese hartmagnetischen oder semihartmagnetischen Marker Materialien können auch verwendet werden, um nach Gebrauch des Behälters 21 den magnetischen Zustand des Markers 20 durch Anlegen eines Magnetfeldes zu ändern. Das hartmagnetische Element kann beispielsweise entmagnetisiert werden, was einen bereits verwendeten Marker markiert. Ebenso kann natürlich ein Marker nach Verwendung in einen beliebigen anderen magnetisierten Zustand gebracht werden, der charakteristisch für verwendete Marker ist. Somit, ändert sich wieder das harmonische Spektrum und es kann detektiert werden, ob der Marker 20 bereits in der Maschine verwendet wurde. Somit kann vermieden werden, dass Marker 20 aus den Behältern 21 entfernt werden und in andere Behälter 21 angebracht wurden.

Es ist auch möglich für magnetische Marker 20 hartmagnetische oder semihartmagnetische Materialien 42a zu verwenden die eine Curietemperatur in jenem Temperaturbereich besitzen, die beim Einsatz in Extraktionsmaschinen während des Brühvorganges erreicht wird. Dadurch ändert sich das Streufeld des hartmagnetischen Sensor Materials irreversibel, wenn diese kritische Temperatur einmal überschritten wurde. Als Folge ändert sich das harmonische Spektrum des weichmagnetischen Marker Materials durch das Streufeld des Hartmagneten. Anstatt Sensor Materialien mit einer Curietemperatur können auch Materialien mit einem Phasen Übergang erster Ordnung verwendet werden, wie beispielsweise magnetokalorische Materialien oder Shape-Memory Legierungen.

In Abbildung 8 sind die zweiten harmonischen Amplituden A2 von zwei verschiedenen weichmagnetischen Elements 203 als Funktion eines angelegten Magnetfeldes gegeben. Ein zusätzliches hartmagnetisches Element 42a ist in einem entmagnetisierten Zustand. Wenn kein zusätzliches statisches Magnetfeld angelegt ist (Biasfeld = 0), sind die positiven induzierten Spannungen in der Empfangsspule gleich gross wie die negativen induzierten Spannungen. Daraus folgt, dass die zweite harmonische Amplitude bei Biasfeld = 0 ebenfalls Null ist. Nun kann bei Biasfeld = 0 die dritte harmonische Schwingung analysiert werden um das Material VC7600F-14 von VC7600F-13 zu unterscheiden, wie in Abbildung 9 zu sehen ist. 10

Wird hingegen ein Marker verwendet bei dem hartmagnetisches Element 42a magnetisiert ist, kann der Magnetisierungzustand des Elements 42a detektiert werden, indem ein angelegtes Biasfeld durchgestimmt (Biasscan) wird und das Minimum der zweiten harmonischen Amplitude bestimmt wird. Aus dem Biasscan Abbildung 10 kann das Feld bestimmt werden, das von Element 42a auf das weichmagnetische Element wirkt. In dem gezeigten Fall ist das Feld 1 mT. Verschiedene Magnetisierungszustände von 42a können dadurch detektiert werden. Wird nun bei Biasfeld = 1 mT die dritte harmonische Schwingung analysiert, kann wieder das Material VC7600F-14 von VC7600F-13 unterschieden werden, wie in Abbildung 11 gezeigt ist.

Abbildung 12, Abbildung 13 und Abbildung 14 zeigen drei Beispiele für einen Biasscan. Abbildung 12 zeigt ein Anregungssignal mit 160 Hz, wobei jeweils nach 33 ms die Amplitude eines zusätzlich angelegten konstanten Feldes verändert wird. Abbildung 13 zeigt ein Anregungssignal mit 160 Hz, wobei ein linear veränderliches Feld überlagert ist. Ein linear überlagertes Feld wurde verwendet um die Biasscans von Abbildung 8 bis Abbildung 11 zu realisieren.

Abbildung 14 zeigtein Anregungssignal mit 160 Hz, wobei ein sinusförmiges Feld mit einer Frequenz von 16 Hz überlagert ist.

Die Verwendung von weichmagnetischen und hartmagnetischen Elementen ist nicht auf die Untersuchung der Signale mittels harmonischen Schwingungen beschränkt. Im Prinzip kann direkt die Spannungs-Zeit Kurve (Abbildung 3) detektiert und analysiert werden. Verschiebungen der Spannungs-Zeit Kurven zu positiven oder negativen Spannungen lassen wieder auf den Magnetisierungszustand von 42a schließen. Es wird betont, dass jedoch die Untersuchung mittels harmonischer Schwingungen bevorzugt ist, da Rauscheinflüsse effizient minimiert werden.

Als weichmagnetisches Element 203 können auch magnetische Materialien verwendet werden, die mindestens einen Barkhausensprung zeigen. Bei Anlegen eines Wechselfeldes, induzieren dieser Marker Sprünge in der Spannungs-Zeitkurve. Material 6 von Abbildung 2 zeigt beispielsweise einen Sprung bei 0.008 T. Materialien die bei verschiedenen Feldern Sprünge zeigen, können verwendet werden um verschiedene weichmagnetische Elemente (203) zu unterscheiden. Zusätzlich können wie oben beschrieben hartmagnetische Elemente neben dem weichmagnetischen Element angebracht werden um die Anzahl der unterscheidbaren Marker zu erhöhen.

Zur Unterscheidung verschiedener Marker 20 können verschiedene Messungen mit unterschiedlichen Amplituden der Wechselfelder und auch mit unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt werden. Da die Suszeptibilität von der Frequenz abhängt, zeigen Marker 20 bei verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Spektren der Oberwellen. Dies erzeugt zusätzliche Information um unterschiedliche Marker 20 zu unterscheiden.

Weiters wird zusätzliche Information zur Unterscheidung von Marker 20 erreicht, wenn beispielsweise in den Behälter 21 für die Extraktion von Nahrungsmittel 22 zwei Marker 20 mit unterschiedlichen Sättigungsfeldern (Bs.i und B5i2) angebracht werden. Wenn Bs1< Bs2 kann durch zwei Messungen mit verschiedener Amplitude des Wechselfeldes, zusätzliche Information extrahiert werden. Wird zuerst eine Messung durchgeführt mit Anregefelder Ba mit der maximalen Amplitude Bs.i< Ba< Bs 2 so wird der Marker 1 in Sättigung getrieben jedoch wird Marker 2 nicht gesättigt. Somit werden die gemessenen Oberwellen primär von Marker 1 generiert. Marker 2 hat einen geringen Einfluss auf das gemessene Oberwellen Spektrum, da dieser im linearen Bereich der ΒΉ Kurve betrieben wird.

Wird hingegen ein Feld angelegt mit Ba> Bs2wird sowohl Marker 1 als auch Marker 2 gesättigt und das summierte Oberwellen Spektrum beider Marker 20 gemessen. Beispielsweise können die beiden Oberwellenspektren subtrahiert werden um eine Näherung des Oberwellenspektrums von Marker 2 zu erhalten.

Diese beiden Messungen können erfindungsgemäß verwendet werden um die Anzahl der unterscheidbaren Marker 20 zu erhöhen.

Um hochfrequente Störeinflüsse zu minimieren ist es in einer gewählten, erfindungsgemäßen Anordnung Vorteilhaft den magnetischen Marker 20 als auch den Magnetfeldsensor 11, beispielsweise die Detektionsspule, in einen Faraday-Käfig einzubringen. Dieser Faraday Käfig kann so gestaltet werden, dass er als Tiefpassfilter wirkt und für das Messsignal durchgängig ist, jedoch nicht für hochfrequente Störeinflüsse durchgängig ist. Hochfrequente Störeinflüsse können beispielsweise von elektrischen Geräten in der Umgebung, wie Monitore, Funksender oder Leuchtstoffröhren verursacht werden und entweder direkt in der Detektionseinheit, wie der Spule, ein Störsignal generieren oder den magnetischen « * 4 • · • · * ·

Marker 20 im Behälter 21 magnetisieren und indirekt zu einem Störsignal und somit zu einer Fehlmessung führen.

Ein Faraday-Käfig kann beispielsweise durch eine elektrisch leitende Hülle des Markers 20 erreicht werden. Die Hülle kann in unmittelbarem Kontakt zu dem Marker angebracht sein oder den Marker 20 direkt ummanteln. Vorteilhaft ist es die Hülle des Behälters 21 selbst aus einem elektrisch leitenden Material zu fertigen.

Die Eindringtiefe von elektro-magnetischen Feldern in Leitern kann durch den Skin Effekt beschrieben werden. So, nimmt beispielsweise das Magnetfeld Hf im Inneren eines leidenden Zylinders wie folgt mit dem Abstand r von der Oberfläche ab, /'//; ('-) = H0 exp(-i- / S) V./w'

Wobei hier H0 das angelegte homogene Magnetfeld bezeichnet, welches eine Frequenz f besitzt. Der spezifische Widerstand des Leiters ist Pund die relative Permeabilität ist M. Für einen nichtmagnetischen Leiter wie Aluminium oder Kupfer gilt μ = \. Im folgendem wird beispielsweise die abschirmende Wirkung von hochfrequenten Wechselfeldern durch einen Aluminiumzylinder mit der Wandstärke von 0.1mm und p = 2.82χ 10“KQm gezeigt.

Auf Grund des Skin Effekts sind die Frequenzen die beispielsweise in eine Aluminiumkapsel eindringen können auf Frequenzen im niedrigen kHz Bereich limitiert. Dies macht die Verwendung von RFID (Radio Frequency Identification) Tags, die für günstige Transponder im MHz bis GhZ Bereich (e.g 13.56 MHz, 915 MHz and 2.45 GHz) arbeiten, für eine kostengünstige Identifikation unmöglich.

Tabelle 2:Verhältnis H/H0 als Funktion der Frequenz für eine Aluminiumwandstärke von 0.1 mm. | f(Hz) Η,/Ηο | 512 0.97 [Ti ooo 0.88 22000 0.83

Im Folgenden werden experimentelle, erfindungsmäßige Anwendungsbeispiele gebracht, wo ein magnetischer Marker 20 in zwei verschiedene Hüllen 21 eingebracht ist. Die erste Hülle hat eine Wandstärke von 0.1 mm und ist aus Aluminium gefertigt. Die zweite Hülle ist aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff gefertigt. Tabelle 3 zeigt hintereinander durchgeführte Messungen der der Amplitude A3 bei zwei verschiedenen Frequenzen. Es zeigt sich, dass A3.11000 (Messwert bei f=11000 Herz) bei der Aluminiumhülle um einen Faktor 2 kleiner ist, als für die Kunststoffhülle. Somit werden Messsignale in diesem Frequenzbereich durch die Aluminiumhülle näherungsweise mit einem Faktor 2 abgeschwächt.

Unabhängig von der abschirmenden Wirkung leitender Markerhüllen, kann durch Messungen des Oberwellenspektrums bei verschiedenen Frequenzen auf die Leitfähigkeit des Hüllenmaterials geschlossen werden. Beispielsweise zeigen Messungen bei niedrigen Frequenzen (f = 513 Hz) unabhängig von Kunststoffhülle oder Aluminiumhülle eine annähernd konstante Stärke der zweiten ungeraden harmonischen Schwingung von Α?,?ι3 (Αχ.,^,λΙιιΙ]ΙΙΙίηιαι = 8e-3 j ^3.5 LVKimsisiofl' 7.8 e-3), da Felder in diesem Frequenzbereich kaum abgeschwächt werden.

Wird hingegen die Frequenz auf f=11000 Hz erhöht werden die hochfrequenten Felder durch die Aluminiumhülle abgeschirmt aber nicht so von der Kunststoffhülle. Die Stärke der dritten harmonischen Schwingung ist dadurch in der Aluminiumhülie deutlich kleiner als in der Kunststoffhülle (A311000.Aluminium = 3.89e-4, A3..513Kunststoff- 7.4 e-4). Somit kann unterschieden werden ob beispielsweise ein magnetischer Marker 20 in einer Aluminiumhülle oder in einer Kunststoffhülle eingebracht ist. Diese erfindungsmäßige Unterscheidung ist praktisch nutzbar, um beispielsweise Kaffeekapseln 21 mit Undefinierten oder auch unbekannten Inhalten 22 zu identifizieren um in Folge Fehlsteuerungen der Zubereitungsparameter 24 der Extraktionsmaschine 23 zu vermeiden.

Tabelle Z:Verhältnisse der dritten harmonischen Amplituden bei zwei verschiedenen Frequenzen. A3luooo bezeichnet die dritte harmonische Amplitude für die Anrege frequenz f = 11000 Hz und A 3.513 für f= 513 Hz. 14 m φ φ · ·»··»«·· * * * • » · II · *♦ * » • «* * · * * * · 4 • * * » · » ·*· f(Hz) A3.I | ()(H)/Λ.1 J 1 (Hin Aluminium 0.048 Kunststoff 0.95 Für die weichmagnetischen Elemente 203 sind Materialien bevorzugt die ein Koerzitivfeld kleiner als 5 Militesla aufweisen, was durch eine Vielzahl amorpher Legierungen realisiert werden kann.

Legierungszusammensetzungen können beispielsweise aus CoaNibFecSidBe bestehen, wobei der Boranteil kleiner als 20 Atomprozent ist.

Weitere Zusammensetzungen können aus CoaFeöMocSidBe sein. Andere Ausprägungen können durch Legierungen von CoaFecSidBe, FeaCUbNbcSidBe, erzielt werden. Es sind auch Co freie Legierungen möglich wie beispielsweise FeaNibSicBd. So können beispielsweise mit 20 < a < 30, 40 < b < 70, 0 < c < 5, 1 < d < 20, oder speziell Fe24Ni58.5Si-1.5B1e lebensmittelverträgliche Legierungen verwendet werden, die typischerweise ein Anisotropiefeld Hk kleiner als 0.2 Militesla besitzen und eine Remanenz von 0.7 Tesla aufweisen.

Spezielle Wärmebehandlungen und Feldbehandlungen können dazu verwendet werden um unterschiedliche Marker Materialien mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften zu realisieren.

Die meisten amorphen Legierungen besitzen Bohr um die amorphe Phase zu bilden. Es ist auch praktisch möglich anstatt Bohr vorteilhafter Weise Kohlenstoff zu verwenden.

Es können auch magnetische Drähte wie Beispielsweise FeSiB and CoSiB verwendet werden, die Barkhausensprünge aufweisen.

Tabelle 4'.Kenngrößen typischer weichmagnetischer amorpher Materialien. 1 poHc (mT) Suszeptibilität I Bs (T) | MagnetostricitonX (ppm) 1 Eisen basiert < 0.01 45 000 - 600 1.56 Γ27 j amorph 000 j 1 Kobalt <0.02 290 000 - 600 | 0.77 < 0.5 basiert 0 0 0 | 15

amorph i Nickel Eisen <0.05 | 50 000 - 800 0.88 12 basiert 000 i

Als Marker Material können amorphe Legierungen gewählt werden, wie beispielsweise Legierungen die Fe, Co, Ni, Tb, Cu, Dy, Pd, B, C oder Gd enthalten. Es ist auch möglich nanokristalline Materialien als Marker Material zu verwenden, die Korngrößen zwischen 1 Nanometer und 1 Mikrometer aulweisen und die Tb, Dy, Fe, Co, Ni, B, P, C, Gd, Si, B, Nb oder Mo enthalten. Auch Lebensmittel unbedenkliche Standardmaterialien wie Stahl, Eisen, Eisenoxid oder Mü-Metal, Permalloy und andere Ni-Fe Legierungen können verwendet werden. Weiters können Marker Materialien verwendet werden die neben der beanspruchten Methode auch Barkhausensprünge aufweisen können.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird anstatt des zusätzlichen weichmagnetischen Elements 203, direkt der Behälter 21, die Kapsel oder das Pad aus einer magnetischen Legierung erzeugt. So kann beispielsweise eine NiFe Legierung für den Behälter 21 oder als Behälterbeschichtung verwendet werden. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden nichtmagnetische Materialien, wie beispielsweise der ganze Behälter 21 oder auch nur Teile sowie einzelne Segmente oder Inhalte des Behälters 21 mit magnetischen Materialien beispielsweise durch Pulverbeschichtung oder elektro-chemisch beschichtet. In anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen können in nichtmagnetische Werkstoffe, beispielsweise des Behälters 21, magnetische Partikel eingebracht werden. So können beispielsweise kunststoffgebundene Weichmagnete verwendet werden. Für das Element 42a, welches als Hartmagnet oder semi Hartmagnet dient können verschiedenste Standardmaterialien verwendet werden, wie beispielsweise Ferritmagnete, Alnico Magnete, Legierungen auf der Basis von Fe-Oxid, Barium/Strontium-Carbonate, Ticonal, Verbindungen, die Sm, Ni, Co, Nd, Fe bzw. B enthalten. Um nach Verwendung des Markers diesen Entmagnetisieren zu können sind Koerzitivfelder kleiner als 0.1 T bevorzugt. 16

Abbildung 15 stellt eine mögliche Positionierung eines längsförmigen Markers 20 an der Behälterwand einer Kaffeekapsel 21 dar, welche vollständig oder teilweise mit Feststoff 22 zur Extraktion befüllt ist. Der Feststoff kann beispielsweise Kaffeepulver, Tee, Kakao, Milchpulver oder Babynahrungspulver darstellen. Der Marker 20 ist innerhalb oder außerhalb der Kaffeekapsel 21 befestigt. Eine Annäherung der Längsachse des Markers 20 an die Drehachse der Kapsel 21 wird bevorzugt.

Abbildung 16 zeigt zwei mögliche, erfindungsgemäße Anordnungen von mehreren Markern 20. Dies ist bevorzugt, da in der Anwendung nicht ein rotationssymmetrisches Feld garantiert werden kann. So können durch magnetische Teile in der Maschine oder durch magnetische Teile in der Umgebung die Magnetfelder der Sendespule 12 ungleichmäßig abgelenkt werden. Um möglichst unabhängige Messergebnisse zu erhalten, die von der zufälligen Rotation beim Einlegen der Behälters 21 in die Extraktionsmaschine 23 unabhängig sind, ist es vorteilhaft mehr als einen Marker in eine kreisrunde Kapsel 21, wie in Abbildung 16 ersichtlich, zu positionieren. Mit steigender Anzahl der Marker 20 wird die Rotationssymmetrie verbessert. Bei nicht rotationssymmetrischen Behältern 21, wie auch in Abbildung 16 dargestellt, kann ein einziger Sensor 20 jedoch ausreichen. Es ist auch denkbar den Marker in das Zentrum der Kapsel 21 zu positionieren, sodass keine Abhängigkeit von der Rotation der Kapsel 21 entsteht und somit auch nur ein Marker 20 erforderlich ist.

Abbildung 17 und Abbildung 18 stellen mögliche radiale oder entlang der Drehachse des Kaffeepads 21 zentrierte Ausrichtungen eines Markers 20 an der Außenwand eines Kaffeepads 21 oder innerhalb des Feststoffes 22 dar. Bei beiden Anordnungen wird der Marker 20 derart in dem Kaffeepad 21 positioniert, dass er nicht durch das Einstechen der äußeren Hülle vor der Extraktion beschädigt wird.

Abbildung 19 stellt eine praktische Anordnung der diskriminierenden Detektion dar, wobei Anregespule 12 sowie kompensierte Detektionsspule 11 der Extraktionsmaschine 23 in einer definierten, beispielsweise konzentrischen Ausrichtung zum Behälter 21 positioniert sind. Der Behälter 21, in diesem Anwendungsbeispiel eine Kaffeekapsel, enthält Feststoff 22 und den Marker 20, welcher an der Behälterwand fixiert, beispielsweise aufgeklebt oder versiegelt ist. In Folge der störungsfreien Detektion und Diskriminanz des Markers 20 durch die erfindungsmäßige Anordnung und Methode werden Behälter 21 und somit auch 17 • « * · ····♦**· · I » »···· · ·♦ * * • · · · · · · * · «s φ « φ * · · · φ • · · · ·· * I · · deren FeststoffbefüHungen 22 klar unterschieden und Zubereitungsparameter 24, wie beispielsweise Wasserdruck, Wassermenge, Temperatur, Durchflussgeschwindigkeit oder die prinzipielle Akzeptanz der Kapsel der Extraktionsmaschine 23 gesteuert. In Abhängigkeit der Varianz der Zubereitungsparameter 24 können unterschiedliche Extrakte 25, wie beispielsweise verschiedene Kaffeesorten, Tees oder Babynahrungen hergestellt werden sowie auch eine Erkennung der prinzipiellen Eignung des Behälters 21 für die Extraktionsmaschine 23 geprüft werden. 18

Claims (20)

1. I ·*·. Patentansprüche: 1. Behälter 21 für die Extraktion von Nahrungsmittel 22 in Extraktionsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter 21 einen magnetischen Marker 20 beinhaltet und der magnetische Marker zur Identifikation des Behälters 21 genutzt wird und, dass der magnetische Marker 20 mindestens ein weichmagnetisches Element 203 mit einem Koerzitivfeld μ0 Hcs, und mindestens ein härteres magnetisches Material 42a mit μΕ Hc h. wobei μ0 Hc h > > 2 μ0 Hch beinhaltet.
2. 2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Marker 20 mindestens ein weich magnetisches Element 203 mit einem Koerzitivfeld μ0 Hcs, und mindestens ein härteres magnetisches Material 42a mit μ0 Hc h wobei μ0 Hc.h >> 20 μ0 H^.h. beinhaltet.
3. 3. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weichmagnetisches Material 203 des Markers 20 ein Koerzitivfeld von μ0 Hcs < 5 mT besitzt und der Marker 20 mindestens ein härter magnetisches Material 42a beinhaltet mit HCl6 >10 mT.
4. 4. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter 21 zumindest in einem Segment eine Rotationssymmetrie aufweist, mit Rotationsachse c1 und dass der Entmagnetisierungsfaktor des weichmagnetischen Elements 203 in die Richtung von c1 kleiner als 0.05 ist.
5. 5. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Element 203 eine stetige nicht-lineare μ0Η - J Kurve aufweist.
6. 6. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Element 203 mindestens einen Barkhausensprung zeigt.
7. 7. Behälter 21 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Marker 20 von einem elektrisch leitenden Material umgeben ist. 20 ·· ·· »**···«· · ** ·»··· · * · * « • * · * · * · · · »* I · « I · ··* • 4·· ♦ · * ·*· »» · · ··* · * · 4 * »*
8. 8. Behälter 21 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Element 203 als dünnes Plättchen ausgestaltet ist, mit einer Schichtstärke dünner als 70 Mikrometer.
9. 9. Behälter 21 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Element 203 als dünner Draht ausgestaltet, mit einem Durchmesser kleiner als 0.5 mm.
10. 10. Behälter 21 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material 42a ein ferritmagnetisches Material ist.
11. 11. Behälter 21 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die intrinsische Suszeptibilität des weichmagnetischen Elements 203 größer als 2.000 ist.
12. 12. Behälter 21 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die intrinsische Suszeptibilität des weichmagnetischen Elements 203 größer als 10.000 ist.
13. 13. Behälter 21 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element 42a eine Curietemperatur kleiner als 150°C besitzt.
14. 14. Behälter 21 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element 42a einen Phasenübergang erster Ordnung im Temperaturbereich zwischen 0°C und 150°C besitzt.
15. 15. Methode zur Detektion von magnetischen Markern 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sendespule ein oszillierendes Wechselfeld mit Amplitude A1 aussendet und zu diesem Wechselfeld in einem zeitlichem Abstand, mindestens zwei Gleichfelder mit verschiedenen Amplituden G1 überlagert werden, wobei mindestens eine Amplitude G1 größer als 1/3 * A1 ist, und das durch den Marker 20 veränderte Magnetfeld, welches durch mindestens einen Magnetfeldsenor detektiert wird, zur Diskriminanz der Marker 20 dient.
16. 16. Methode zur Detektion von magnetischen Markern 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sendespule ein oszillierendes Wechselfeld mit Amplitude A1 und Grundfrequenz f1 aussendet und zu diesem Wechselfeld ein zeitlich veränderliches Magnetfeld mit Amplitude A2 und einer Grundfrequenz f2 überlagert wird, wobei A2 > A1 ist, und das durch den Marker 20 veränderte Magnetfeld, welches durch mindestens einen Magnetfeldsenor detektiert wird, zur Diskriminanz der Marker 20 dient. 21
17. 17. Methode nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass f1 > f2 ist,
18. 18. Methode nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesendete Magnetfeld auf einen magnetische Marker 20 wirkt, der mindestens ein weichmagnetisches Element 203 beinhaltet mit einem Koerzitivfeld μ0 Hcs, und mindestens ein härteres magnetisches Material 42a mit μ0 Hc h wobei μ0 HCih > > 2 μ0 Hc h ist
19. 19. Methode nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Marker 20 auf einen Behälter 21 angebracht ist, der für die Extraktion von Nahrungsmittel 22 in Extraktionsmaschinen dient.
20. 20. Methode nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselfeldimpuls ausgesendet wird, der die Magnetisierung des Elements 42a verändert und somit den Marker 20 entwertet. 22