DE102004010789B4

DE102004010789B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Menge eines diskontinuierlich fließenden, lufthaltigen Flüssigkeitsstroms, insbesondere eines Milchstroms

Info

Publication number: DE102004010789B4
Application number: DE102004010789A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Spillecke
Original assignee: ITEC ENTWICKLUNGS und VERTRIEB; ITEC ENTWICKLUNGS- und VERTRIEBSGESELLSCHAFT MBH ELSTERWERDA
Current assignee: ITEC ENTWICKLUNGS und VERTRIEB; ITEC ENTWICKLUNGS- und VERTRIEBSGESELLSCHAFT MBH ELSTERWERDA
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-03-06
Also published as: DE102004010789A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Menge eines diskontinuierlich fließenden, lufthaltigen Flüssigkeitsstroms, insbesondere eines Milchstroms, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messkammer (1) mit einem in die Milchleitung eingebundenen Zuflussrohr (2) und einem Abflussrohr (3) versehen ist sowie dass in der Richtung der Achse des Zuflussrohres (2) in einem Abstand vor dessen Öffnung, der dem 0,3- bis 5-fachen Durchmesser des Zuflussrohres (2) entspricht, ein Drucksensor (4) angeordnet ist, wobei die Sensorfläche des Drucksensors (4) so ausgerichtet ist, dass die Richtung ihrer maximalen Empfindlichkeit mit der Achse des Zuflussrohres (2) übereinstimmt, sowie dass in oder an der Messkammer (1) mindestens eine Messeinrichtung zur Anzeige des Milchzuflusses angeordnet ist, die bei Vorhandensein eines Milchzuflusses ein Signal abgibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Menge eines diskontinuierlich fließenden, lufthaltigen Flüssigkeitsstroms, insbesondere eines Milchstroms und ist geeignet, die Messgenauigkeit derartiger Vorrichtungen zu verbessern.
Für die Messung der Menge einer strömenden Flüssigkeit ist eine Anzahl von Messverfahren bekannt. Indem man die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes und die Zeitdauer bei einem konstanten Querschnitt misst, kann man bei einem kontinuierlichen Fluss rechnerisch sehr leicht die Menge ermitteln.
Wenn man jedoch in einer Melkanlage die beim Melkvorgang gewonnene Milch zeitnahe bestimmen möchte, um die Melkleistung der einzelnen Kuh beurteilen zu können, treten einige Schwierigkeiten auf.
Durch das im System pulsierende Vakuum und die mitangesaugte Luft kommt es zu einem diskontinuierlichen, mit Luftbläschen durchsetzten Flüssigkeitsstrom, der messtechnisch sehr schwer zu erfassen ist. In weiten Abschnitten der Milchleitung fließt die Milch als Flüssigkeitspfropfen, der durch größere Luftblasen vom vorhergehenden und nächsten getrennt ist.
Um hier die Menge des Milchanteiles in diesem Gemisch zu bestimmen, wurden bereits die verschiedenen Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen.

Ein Weg der hierbei gegangen wird ist, die Milch in Messkammern aufzufangen, in denen auf Grund der Schwerkraft die Luft abgeschieden wird um anschließend durch Ermittlung des jeweiligen Füllungsgrad und der Anzahl der Füllungen die Gesamtmenge zu bestimmen. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der EP 0 764 402 B1 dargestellt. Hierbei wird die Milch in einem Messbehälter aufgefangen und der Füllstand zu festgelegten Zeiten während, vor und nach dem Ablassen des Behälters gemessen die Gesamtmenge aus den einzelnen Messwerten berechnet. Derartige Messsysteme sind relativ genau, haben jedoch den Nachteil, dass sie sehr empfindlich gegen äußere Störeinflüsse sind, die in einem Melkstand, in dem lebende Tiere fixiert werden immer wieder auftreten. Auf Grund der notwendigen Ventile und Klappen sind solche Messsysteme außerdem nicht leicht zu reinigen.

Weniger anfällig sind hier Systeme, bei denen die Durchflussmenge an Hand der Zeitintervalle, in denen ein kalibriertes Rohr durchströmt wird, ermittelt werden.

So schlägt beispielsweise die DE 41 18 739 A1 ein Verfahren zur Messung strömender Flüssigkeiten vor, bei dem die Messstelle als senkrecht angeordnetes im Querschnitt verjüngtes Rohr ausgebildet ist, das mit Elektroden versehen ist. Durch intervallmäßige Messung der durch den Luftanteil unterschiedlichen Leitfähigkeiten und Aufsummieren der Messwerte unter Berücksichtigung einer empirisch ermittelten Funktion soll hiermit die durch das Rohr fließende Menge bestimmt werden. Bei diesem Verfahren wird jedoch nicht berücksichtigt, dass auf Grund verschiedenster äußerer Einflüsse Vakuumschwankungen und damit unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten auftreten können. Das Verfahren misst jedoch nur die in jedem Intervall zwischen den beiden Elektroden vorhandene Elektrolytmenge und damit den Füllungsgrad des Rohres. Nicht berücksichtigt wird, dass bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten auch unterschiedliche Mengen in diesem Intervall das Rohrstück passieren können.

Ein ähnliches Prinzip verwendet auch die DE 697 13 188 T2 . Auch hier wird der Flüssigkeitsstrom durch einen verengten Rohrabschnitt geleitet, an dessen Ein- und Ausgang jeweils eine Elektrode angeordnet ist. Durch die Wahl des Durchmessers des verengten Rohrabschnittes soll gewährleistet werden, dass während des Durchfließens der Flüssigkeit das Volumen der Messleitung vollständig gefüllt ist. Durch die Bestimmung der Leitfähigkeit sollen die Zeiten, in denen der Rohrabschnitt mit Flüssigkeit gefüllt ist, bestimmt werden. Aus dem Querschnitt des Leitungsabschnittes, der durchschnittlichen Geschwindigkeit und der Länge der Zeitabschnitte kann dann das Volumen der Flüssigkeit berechnet werden.

Nachteil der beiden Messmethoden ist, dass von einer empirisch ermittelten Durchschnittsgeschwindigkeit ausgegangen wird.

In der US 2002/0156589 A1 wird versucht diesen Mangel zu beheben, indem über zusätzliche Elektroden die Geschwindigkeit des Milchstromes gemessen wird. Dazu sind neben den Elektroden zur Messung der Leitfähigkeit zwei weitere ringförmige Elektrodenpaare in der Milchleitung in einem festgelegten Abstand hintereinander angeordnet. Durch die Bestimmung des Zeitraumes vom Leitfähigkeitsanstieg an der ersten Elektrode bis zu dem an der zweiten Elektrode soll die Geschwindigkeit des Milchstromes gemessen werden. Auch bei diesem Verfahren muss gewährleistet sein, dass der Milchpfropfen frei von Lufteinschlüssen ist. Bei dem kurzen Abstand der Elektroden besteht zudem die Gefahr, dass durch einzelne zurückgebliebene Tropfen die Messbrücke kurzgeschlossen wird und somit der Messwert verfälscht wird.

Einen völlig anderen Weg geht das in der DE 19710296 C1 vorgeschlagene Verfahren. Hier soll ein Teil des Milchstromes abgeteilt und von Luft getrennt werden. In diesem soll die aktuelle Schallgeschwindigkeit in der Milch bestimmt werden. Durch Bestimmung Schallgeschwindigkeit in der Milch bestimmt werden. Durch Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im restlichen Querschnitt soll dann der Füllungsgrad dieses Querschnittes ermittelt werden, in dem aus der Schallgeschwindigkeit in der Milch und der in der Luft das aktuelle Mischungsverhältnis für ein Zeitintervall ermittelt wird. Auch hier kann durch Aufsummieren der in den Zeitintervallen ermittelt Mengen die Gesamtmenge erfasst werden.

Dieses System erfordert eine Anzahl hoch sensibler Sensoren und ist dadurch relativ störanfällig.

Aus der DE 31 34 079 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Milchmengen bekannt, wobei die durch Umlenkung des Luft-Milch-Gemisches in einer gebogenen Umlenkrinne entstehende Kraft gemessen und ausgewertet wird.

Bei der aus der EP 0 657 022 B1 bekannten Vorrichtung und dem zugehörigem Verfahren zur Massenbestimmung insbesondere eines Milchstromes wird die Flüssigkeit durch eine Messkammer geleitet, deren Ausflussgeometrie so gestaltet ist, dass mit steigender Fließgeschwindigkeit der Füllstand der Messkammer linear ansteigt. Mittels eines Kraftsensors wird dabei das instantane Gewicht der Milch in einer Durchflusskammer gemessen.

Bei den beiden zuletzt genannten Erfindungen sind die zur Erfassung der Milchmenge eingesetzt Kraftsensoren auch äußeren Einflüssen unterworfen, so dass bei den rauen Umweltbedingungen eines Melkstandes Verfälschungen des Messwertes nicht ausgeschlossen werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Menge eines diskontinuierlich fließenden, lufthaltigen Flüssigkeitsstroms, insbesondere eines Milchstroms, vorzuschlagen, mit der die Messgenauigkeit von Systemen entscheidend verbessert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst.

Zur Bestimmung der Menge eines diskontinuierlich fließenden, lufthaltigen Flüssigkeitsstroms, wie er insbesondere in Melkanlagen vor der Sammelleitung zu finden ist, wird eine Messkammer (1) mit einem Zuflussrohr (2) und einem Abflussrohr (3) in die Milchleitung eingebunden. Im Inneren der Messkammer ist in der Richtung der Achse des Zuflussrohres (2) ein Drucksensor (4) eingebaut. Dieser Drucksensor (4) wird in einem Abstand vor dessen Öffnung, der dem 0,3- bis 5-fachen Durchmesser des Zuflussrohres (2) entspricht, angeordnet. Dabei ist die Sensorfläche des Drucksensors (4) so ausgerichtet, dass die Richtung ihrer maximalen Empfindlichkeit mit der Achse des Zuflussrohres (2) übereinstimmt.

Um Druckschwankungen an der Sensorfläche, die von einem Milchzufluss ausgelöst werden, von solchen zu unterscheiden, die aus Schwankungen des Vakuums resultieren, wird vorgeschlagen, weitere hierzu geeignete Sensoren in die Messkammer (1) zu integrieren.

Insbesondere wird bei einer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, als Messeinrichtung zwei in er Messkammer (1) angeordnete Elektroden (51 und 52) und eine dazugehörige Auswerteschaltungsanordnung einer Leitfähigkeitsmesseinrichtung zu verwenden. Vorteilhafterweise sollte mindestens eine Elektrode (51) zwischen der Öffnung des Zuflussrohres (2) und dem Drucksensor (4) angeordnet sein.

Des Weiteren wird bei einer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, als eine der Elektroden (52) die elektrisch leitende Oberfläche des Zuflussrohres (2) zu verwenden.

Indem eine Elektrode (51) auch durch die elektrisch leitende Oberfläche des Drucksensors (4) gebildet wird, kann die Anzahl der Einbauten verringert werden.

Um weitere Aussagen, beispielsweise über die Gesundheit gerade gemolkenen Tieres bereitzustellen wird bei einer Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, die Elektroden zusätzlich mit einer elektronischen Schaltung zu verbinden, die das Maximum der Leitfähigkeit des jeweiligen Milchpfropfens ermittelt und als Messwert bereitstellt.

An Stelle der Elektroden ist es natürlich auch im Sinne der Erfindung, wenn als Messeinrichtung zur Ausschaltung der Einflüsse von Vakuumschwankungen in der Messkammer (1) ein zweiter Drucksensor (4b) vorhanden ist, bei dem die Sensorfläche des Drucksensors (4) so angeordnet ist, dass die Richtung ihrer maximalen Empfindlichkeit rechtwinklig zum am Messort vorhandenen Flüssigkeitsstrom ausgerichtet ist, so dass er nicht von der durch das Zuflussrohr (2) einströmenden Milch getroffen wird.

Es ist natürlich ebenso im Sinne der Erfindung, wenn bei entsprechender Empfindlichkeit des Drucksensors (4) über eine elektronische Schaltung oder ein Rechenprogramm die Freguenz der Druckschwankungen am Drucksensor (4) ausgewertet und beim Vorliegen charakteristischer Frequenzen die Mengenerfassung vorgenommen wird.

Eine weitere Alternative für die Messeinrichtung zur Anzeige des Milchzuflusses in der Messkammer ist die Anordnung einer aus einem Sender (61) und einem Empfänger (62) bestehenden Lichtschranke im Zuflussrohr (2).

Zur Erfassung der gemolkenen Milchmenge mit Hilfe der zuvor beschriebenen Vorrichtung wird an einem Messpunkt der gesamte Volumenstrom des Flüssigkeits-Gas-Gemisches auf einen als Prallplatte ausgebildeten Drucksensor geleitet. Dabei wird der in einem Zeitintervall gemessene, gegenüber einem Grundwert ermittelte Druckanstieg als Messgröße für die in diesem Intervall den Messpunkt passierende Flüssigkeitsmenge erfasst und in ein jeweiliges Partialvolumen umgerechnet. Durch Summieren der Partialvolumina kann dann die Gesamtmenge des Flüssigkeitsvolumens errechnet werden. Für die Zeiträume, in denen die Luftblasen den Messpunkt passieren, bleiben auftretende Druckschwankungen unberücksichtigt. Der am Ende der Luftblase ermittelte Druck (Pe) wird als Grundwert für die Ermittlung der Druckanstiege registriert.

Zur Ermittlung des Zeitraumes, in dem der Pfropfen aus dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch den Messpunkt passiert, wird die Leitfähigkeit eines zwischen dem Zuflussrohr (2) und dem Drucksensor (4) befindlichen Volumens gemessen.

Es ist jedoch auch möglich, zur Bestimmung dieses Zeitraumes die Frequenz der Druckschwankungen am Drucksensor (4) auszuwerten. Auch hierbei muss der Grundwert für die Ermittlung des durch die den Volumenstrom auftretenden Druckanstieges während der Passage der Luftblase ermittelt und für die Dauer des Vorbeiströmens des Milchpfropfens als Grundwert gespeichert werden. Eine weitere Verbesserung erfährt das erfinderische Verfahren, wenn der zur Ermittlung des Differenzdruckes benötigte Grundwert über einen zweiten Drucksensor (4b), der in der Messkammer (1) angeordnet ist und nicht vom Volumenstrom beaufschlagt wird, überwacht wird.

Die Erfindung soll im Folgenden an Hand der Zeichnungen 1 bis 6 in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen
1 bis 6 Schnittdarstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit unterschiedlichen Messeinrichtungen zur Anzeige des Milchzuflusses in der Messkammer,
7a bis d die Ermittlung der Milchmenge als Diagramm.
In 1, 2 und 4 ist eine Messkammer gezeigt, in der der Milchzufluss über zwei Elektroden ermittelt wird. In allen drei Fällen wird als eine Elektrode 52 jeweils die elektrisch leitende Oberfläche des Zuflussrohres 2 verwendet. Dabei ist in der Darstellung 1 zu erkennen, dass die zweite Elektrode 51 seitlich in die Messkammer hinein ragt und mit ihrer Messspitze vor der Öffnung des Zuflussrohres 2 angeordnet ist.
Die Verwendung der Oberfläche des Drucksensors 4 als zweite Elektrode ist in der 2 dargestellt. Diese Lösung hat den Vorteil, dass weniger Einbauten in der Messkammer 1 angeordnet sind, die eine Reinigung behindern. Allerdings ist die Gefahr größer, dass durch Kriechströme entlang der Wandung der Messkammer 1 das Signal, das den Milchzufluss anzeigen soll, verfälscht wird.
Die Gefahr von Kriechströmen kann ganz ausgeschlossen werden, wenn wie in 3 und 5 zu erkennen, ein zweiter Drucksensor 4b in der Messkammer 1 angeordnet wird. Für die Ausbildung eines Milchpfropfens ist es vorteilhaft, wenn Zuflussrohr 2 und Abflussrohr 3 senkrecht und parallel zueinander in die Messkammer 1 hinein ragen, wie das in 1 bis 3 und 6 zu erkennen ist. Für den Fall, dass die Messkammer in waagerechte Leitungen eingesetzt werden soll, ist es jedoch ebenso im Rahmen der Erfindung, wenn Zuflussrohr 2 und Abflussrohr 3 an verschiedenen Wänden der Messkammer 1 eingeleitet werden, wie das in 4 und 5 dargestellt wird. Die 6 zeigt letztlich die Anordnung einer aus einem Sender 61 und einem Empfänger 62 bestehenden Lichtschranke zur Erfassung des Milchzuflusses.
Zur Messung der Milchmenge wird der vom Milchsammelstück kommende, mit Luftblasen durchsetzte Milchstrom über das Zuflussrohr 2 in die Messkammer 1 geleitet. Dort trifft er auf den Drucksensor 4. Dass dabei entstehende Messsignal ist in 7a dargestellt. Durch die Milchpfropfen wird dabei jedes Mal eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden 51 und 52 hergestellt. Das hieraus entstehende Signal ist in 7b abgedruckt. 7c zeigt wie durch Überlagerung der Messkurven 7a und 7b der zur Ermittlung des Differenzdruckes benötigte Grundwert Pe festgestellt wird. Unter Berücksichtigung dieses Grundwert des Pe können dann die in 7d schraffiert dargestellten Messwertanteile errechnet werden, die ein äquivalent für die jeweils in den Milchpfropfen enthaltenen Milchmengen sind.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Menge eines diskontinuierlich fließenden, lufthaltigen Flüssigkeitsstroms, insbesondere eines Milchstroms, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messkammer (1) mit einem in die Milchleitung eingebundenen Zuflussrohr (2) und einem Abflussrohr (3) versehen ist sowie dass in der Richtung der Achse des Zuflussrohres (2) in einem Abstand vor dessen Öffnung, der dem 0,3- bis 5-fachen Durchmesser des Zuflussrohres (2) entspricht, ein Drucksensor (4) angeordnet ist, wobei die Sensorfläche des Drucksensors (4) so ausgerichtet ist, dass die Richtung ihrer maximalen Empfindlichkeit mit der Achse des Zuflussrohres (2) übereinstimmt, sowie dass in oder an der Messkammer (1) mindestens eine Messeinrichtung zur Anzeige des Milchzuflusses angeordnet ist, die bei Vorhandensein eines Milchzuflusses ein Signal abgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zur Anzeige des Milchzuflusses aus zwei in der Messkammer (1) angeordneten Elektroden (51 und 52) und einer dazugehörigen Auswerteschaltungsanordnung einer Leitfähigkeitsmesseinrichtung besteht, von denen mindestens eine Elektrode (51) zwischen der Öffnung des Zuflussrohres (2) und dem Drucksensor (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden (52) durch die elektrisch leitende Oberfläche des Zuflussrohres (2) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (51) durch die elektrisch leitende Oberfläche des Drucksensors (4) gebildet ist.
Vorrichtung nach einer der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden zusätzlich mit einer elektronischen Schaltung verbunden sind, die das Maximum der Leitfähigkeit des jeweiligen Milchpfropfens ermittelt und als Messwert bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinrichtung zur Anzeige des Milchzuflusses in der Messkammer (1) ein zweiter Drucksensor (4b) vorhanden ist, bei dem die Sensorfläche des Drucksensors (4) so angeordnet ist, dass die Richtung ihrer maximalen Empfindlichkeit rechtwinklig zum am Messort vorhandenen Flüssigkeitsstrom ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Messeinrichtung zur Anzeige des Milchzuflusses in der Messkammer eine aus einem Sender (61) und einem Empfänger (62) bestehende Lichtschranke angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinrichtung eine elektronische Schaltung vorhanden ist, die die Frequenz der Druckschwankungen am Drucksensor (4) auswertet und beim Vorliegen charakteristischer Frequenzen die Mengenerfassung vornimmt.
Verfahren zur Ermittlung der Menge des flüssigen Anteils eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches in einer diskontinuierlich durchströmten Rohrleitung, insbesondere einer Milchleitung, bei dem die zu messende Flüssigkeit die Leitung in Form von gashaltigen Pfropfen, die von Gasblasen begrenzt sind, durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass 9.1. an einem Messpunkt der gesamte Volumenstrom des Flüssigkeits-Gas-Gemisches auf einen als Prallplatte ausgebildeten Drucksensor geleitet wird, 9.2. durch eine Messeinrichtung die Intervalle ermittelt werden, in denen die Gasblasen den Messpunkt passieren, 9.2.1. in den Zeitintervallen, in denen keine Gasblasen den Messpunkt passieren, der gegenüber einem Grundwert ermittelte Druckanstieg als Messgröße für die in diesem Intervall den Messpunkt passierende Flüssigkeitsmenge erfasst und in ein jeweiliges Partialvolumen umgerechnet wird, 9.2.2. in den Zeitintervallen in denen Gasblasen den Messpunkt passieren, dabei auftretende Druckschwankungen unberücksichtigt bleiben, 9.3. wobei der am Ende der Gasblase ermittelte Druck als Grundwert für die Ermittlung der als Mengenmaß dienenden Druckanstiege registriert wird und 9.4. die während der gesamten Messung ermittelten Partialvolumina zur Gesamtmenge des Flüssigkeitsvolumens kumuliert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Zeitraumes, in dem der Pfropfen aus dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch den Messpunkt passiert, die Leitfähigkeit eines zwischen dem Zuflussrohr (2) und dem Drucksensor (4) befindlichen Volumens gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Zeitraumes, in dem der Pfropfen aus dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch den Messpunkt passiert, die Frequenz der Druckschwankungen am Drucksensor (4) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Ermittlung des Druckanstieges benötigte Grundwert über einen zweiten Drucksensor (4b), der in der Messkammer (1) angeordnet ist und nicht vom Volumenstrom beaufschlagt wird, überwacht wird.