DE102011051602A1

DE102011051602A1 - Füllstandsmesssystem für heterogene, empfindliche und nicht pumpfähige Lebensmittel mit geringem Flüssigkeitsanteil

Info

Publication number: DE102011051602A1
Application number: DE201110051602
Authority: DE
Inventors: Eric Kerschbaumer
Original assignee: Leonhardt Maschf GmbH; MASCHINENFABRIK LEONHARDT GmbH
Current assignee: Leonhardt Maschf GmbH; MASCHINENFABRIK LEONHARDT GmbH
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2013004758A1

Abstract

Es wird ein Füllstandsmesssystem für heterogene, empfindliche und nicht pumpfähige Lebensmittel mit geringem Flüssigkeitsanteil beschrieben, welches über einen Einfülltrichter (1) in ein Beschickungsrohr (2) beschickt wird und das Lebensmittel mittels einer optischen Sensoreinheit (6) in vertikaler Messrichtung vermessen wird. Zwischen der optischen Sensoreinheit (6) und dem Messobjekt besteht aus hygienischen Gründen kein direkter Kontakt und die optische Sensoreinheit (6) arbeitet auf der Basis einer Lichtlaufzeitmessung. Diese optische Sensoreinheit (6) enthält einen PMD – Sensor, welcher durch einen Lichtstrahl im IR – Bereich und dessen Reflexion am Messobjekt durch die Laufzeit des Lichtstrahls den Füllstand im Beschickungsrohr (2) ermittelt und die jeweiligen Messergebnisse an eine Datenverarbeitungsanlage weitergibt. Diese Datenverarbeitungsanlage regelt die Beschickung des Beschickungsrohrs (2) entsprechend der Messergebnisse der optischen Sensoreinheit (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmesssystem für heterogene, empfindliche und nicht pumpfähige Medien mit geringem Flüssigkeitsanteil, bei welchen es sich bevorzugt um Lebensmittel für den Fertiggebrauch handelt.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Füllstände von Flüssigkeitsbehältnissen mittels kapazitiver Füllstandsmessgeräte ( DE 10 2005 053 330 A1 ) gemessen werden können, indem Messsonden in das Messobjekt eingebracht werden und über eine zweite Messsonde, welche sich meist in der Wandung des Behältnisses befindet, ein Dielektrikum bildet und somit eine Kapazität definiert. Über diese Kapazität kann man auf den jeweiligen Füllstand der Flüssigkeit Rückschlüsse ziehen.
Der Stand der Technik offenbart ebenfalls eine Methodik zum Messen von Füllständen, welche sich auf das Prinzip der Ultraschall – Messtechnik stützt. Mit dieser Methodik wird ebenfalls eine Tauchsonde in das Messobjekt eingebracht ( DE 10 2004 036 645 A1 ).
Eine sehr einfache Füllstandsmessung kann nach dem Stand der Technik ebenfalls über einen geeigneten Schwimmer geschehen, welcher über eine entsprechende Mechanik an eine Welle gekoppelt ist und aufgrund einer nachgeführten einfachen elektronischen Schaltung den jeweiligen Standort des Schwimmers ausgibt ( DDR – Patentschrift 140 177 ).
Die Problematik der aus dem Stand der Technik bekannten Füllstandsmessverfahren ist insofern gegeben, weil jeweils ein direkter Kontakt mit dem zu messenden Messobjekt erforderlich ist.
Überdies resultiert aus dem Aufbau der jeweiligen Messvorrichtung ein relativ träges System, welches die gewonnenen Daten zuerst vorverarbeiten muss, um diese dann entsprechend auszugeben. Des Weiteren kann es zu zusätzlichen Fehlerquellen kommen, wenn die Daten überdies noch zur Weiterverarbeitung an den jeweiligen Regelkreis angepasst werden müssen und möglicherweise noch nicht in einer entsprechenden Form vorliegen.
Ein weiterer Nachteil der angeführten Füllstandsmessung ist, dass die Messungen primär auf homogene Flüssigkeiten wie beispielsweise Wasser, Bier, Wein oder Limonaden ausgelegt sind, welche die Problemstellung bei heterogene, empfindliche und nicht pumpfähige Messobjekten mit geringem Flüssigkeitsanteil nicht in Betracht ziehen. Im konkreten Fall würde eine kapazitive Messung aufgrund der Beschaffenheit eines Messobjekts, welches nicht durchgängig homogen ist, zu Messungenauigkeiten führen.
Die Aufgabenstellung ist nun, ein Füllstandsmesssystem zu etablieren, welches sowohl bei homogenen, als auch bei inhomogenen Messobjekten valide und gleichbleibend gute Messergebnisse liefert. Aus hygienischen Gründen sollten die Komponenten des Füllstandmesssystems idealerweise nicht mit dem Messobjekt in Berührung kommen und auch entsprechend den hygienischen Standards ausgeführt werden.
Die Aufgabenstellung wird durch die Erfindung gelöst, indem eine optische Sensoreinheit 6, welche eine optische Verbindung zu dem vertikalen Beschickungsrohr 2 aufweist, das jeweilige heterogene, empfindliche und nicht pumpfähige Lebensmittel mit geringem Flüssigkeitsanteil, beispielsweise Gemüsesalate, Pastasalate, asiatische Nudel- und Reisgerichte mit entsprechender Sauce benetzt oder saucenbenetzte Teigwaren, kontinuierlich mit dieser optischen Sensoreinheit 6 vermisst, den aktuellen Füllstand an eine Datenverarbeitungsanlage übermittelt und gegebenenfalls ein Nachfüllen des Lebensmittels veranlasst. Da es sich bei einem solchen Füllstandsmesssystem um eine qualitätssichernde Maßnahme handelt, ist es natürlich auch zu präferieren, dass die Messeinrichtung im laufenden Betrieb störunempfindlich ist und bei sämtlichen möglichen Arten von heterogenen, empfindlichen und nicht pumpfähigen Lebensmitteln unabhängig vom Messobjekt eine gültige Messung durchführbar ist. Im Idealfall sollten die Messwerte möglichst einfach in ein Regelungssystem übergeführt werden, welches an eine Fördervorrichtung für entsprechende Lebensmittel gekoppelt ist. Darüber hinaus wäre für dieses Regelungssystem eine kontinuierliche Messung zu präferieren, da somit die kostspieligen Stehzeiten der Anlage minimiert werden. Eine kontinuierliche Messung wäre insofern auch zu bevorzugen, weil durch ein ständiges Abgleichen der Ist- und Soll-Werte des Füllstandes eine Tendenzen zu erkennen sind und auf Änderungen des Füllstands rasch reagiert werden kann.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und zeigt:
1a eine Zusammenstellung des erfindungsgemäßen Füllstandmesssystems;
1b eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Füllstandmesssystems.
Das erfindungsgemäße Füllstandsmesssystem dient zum Messen des Füllstandes eines Beschickungsrohres 2, welches über einen Einfülltrichter 1 beschickt wird.
In der Praxis ist es üblich, das Beschickungsrohr 2 aus transparentem Kunststoff wie beispielsweise aus Polymethylmethacrylat (PMMA) auszuführen, um die Möglichkeit der Verwendung von Lichtschranken zur Mindestfüllstandsmessung zu gewährleisten.
Durch die Beschickung von verschiedenen Lebensmitteln, welche im Regelfall auch verschiedene Farben bzw. Konsistenzen haben, ist die Ausführung mittels eines transparenten PMMA – Beschickungsrohrs 2 nicht sehr vorteilhaft. Es kann vorkommen, dass die Transparenz des Kunststoffbeschickungsrohrs 2 durch die Verwendung von entsprechenden Lebensmitteln so in Mitleidenschaft gezogen wird, dass eine valide Messung der Lichtschranken nicht mehr möglich ist, da die Sensoren der Lichtschranke dauerhaft keine optische Verbindung zueinander haben. In diesem Fall würde also trotz des fehlenden Beschickungsguts, keine Beschickung des Einfülltrichter 1 und somit in das Beschickungsrohr 2 stattfinden. Daraus würde ein Stillstand der Gesamtanlage resultieren, welcher mit einem kostspieligen Produktionsausfall und einer entsprechenden Fehlersuche einhergehen würde.
Des weiteren ergibt sich hier die Problemstellung, dass bei heterogenen, empfindlichen und nicht pumpfähigen Lebensmitteln mit geringem Flüssigkeitsanteil wie beispielsweise Gemüsesalaten oder Asia- und Baminudeln die optische Verbindung zwischen den Lichtschranken durch Ingredienzien des Lebensmittels temporär verdeckt werden kann und somit eine falsche Information über den Füllstand des Beschickungsrohrs 2 vorliegt. Auch in diesem Fall würde die Gesamtanlage nicht die vorgesehenen Prozesse ausführen.
Die Lichtschranken, welche bauelementspezifisch aus einem Sender und einem Empfänger bestehen, benötigen zueinander eine optische Verbindung und falls diese Verbindung unterbrochen wird, wird ein elektrisches Signal ausgegeben. In diesem speziellen Fall würde eine Unterbrechung des Lichtstrahls bedeuten, dass sich genug Fördermedium im Beschickungsrohr 2 befindet und keine neuen Lebensmittel nachbeschickt werden müssen.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird statt der Lichtschranken, welche bauteilspezifisch nur mit einem transparenten Beschickungsrohr 2 und horizontal montiert funktionieren, eine vertikal montierte optische Sensoreinheit 6 auf dem Prinzip eines Photomischdetektors (PMD – Sensor) verwendet.
Diese optische Sensoreinheit 6 funktioniert auf der Basis des „Time-of-Flight“ Prinzips, bei welchem grundsätzlich die Lichtlaufzeit einer Lichtquelle gemessen wird und daraus auf die zurückgelegte Länge des Lichts rückgeschlossen werden kann.
Weil sich Licht im Vakuum bzw. in einem Medium wie Luft, nur mit einer endlichen Geschwindigkeit c ausbreiten kann, benötigt es eine bestimmt Zeit t um die Strecke l, vom Sender zum Messobjekt und zum Empfänger zurückzulegen und kann sehr vereinfacht und allgemein mit: l = c· t / 2 bzw. l = c / ω· t / 2·Δø beschrieben werden. Somit kann von der Laufzeit des Signals und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts, die bei ca. 2,998·10⁸ m/s liegt, sehr einfach auf den Abstand des Sensors zum Messobjekt rückgeschlossen werden. Bei einem PMD – Sensor wird die hierzu beispielsweise amplitudenmoduliertes Infrarotlicht verwendet. Jedes Pixel des PMD – Sensors besitzt einen Mixer, welcher die Phasendifferenz zwischen dem abgestrahlten und dem empfangenen Licht, welches vom Messobjekt zurückgeworfen wird, detektiert. Daraus kann für jedes Einzelpixel die jeweilige Lichtlaufzeit t errechnet werden, wobei die Kreisfrequenz der Modulation ω und die Phasendifferenz ∆φ zwischen Referenzstrahl und rückgestreutem Strahl in die Berechnung mit einbezogen werden. Das volle Potential der PMD – Technologie wird freilich hier nicht ausgenutzt, da zur Distanzmessung zwischen 2 Punkten ein stark vereinfachtes PMD – Sensorsystem völlig ausreichend ist.
Da nun bei dieser Art der Füllstandsmessung im Gegensatz zur Bestimmung mittels Lichtschranken, keine optische Verbindung zwischen den Sendern und Empfängern der horizontal montierten Lichtschranken gegeben sein muss, besteht kein Grund, das Beschickungsrohr 2 aus einem Material zu fertigen, welches nur bedingt den hygienischen Ansprüchen einer lebensmittelverarbeitenden Maschine entspricht.
Durch die Distanzmessung mittels vertikal montierter optischer PMD – Sensoreinheit 6 kann das Beschickungsrohr 2 nun ebenfalls aus leicht zu reinigendem und stabilem rostfreiem Edelstahl gefertigt werden. Dies hat zum Vorteil, dass für diese Bauteil bei der täglichen bzw. produktionsabhängigen Reinigung und Wartung der Anlage keine spezielle Behandlung benötigt wird und es haltbarer ist.
Die Ausführung des Beschickungsrohrs 2 aus rostfreiem Edelstahl wird über eine entsprechende lebensmittelgerechte Flanschverschraubung 5 mit einer Basisplatte verschraubt. Um grundsätzlich bei der Wahl des Beschickungsrohrdurchmessers flexibel zu sein, wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Beschickungsrohr 2 mittels Füllrohradapter 3 und entsprechender Verschraubungsdichtung 4 so ausgeführt, dass ein Anpassen des Beschickungsrohrdurchmessers an die Fördermenge durch das Beschickungsrohr 2 und der damit verbundenen Beschickungsmenge der Lebensmittel kein Problem darstellt. Die grundsätzliche Ausführung der Komponenten ist so zu wählen, dass nach Möglichkeit keine Klein- und Kleinstteile verwendet werden, die unter Umständen bei der Wartung und Reinigung spezielles Werkzeug und speziell geschultes Fachpersonal benötigt. Vielmehr macht es Sinn, die einzelnen Bauteile so auszufertigen, dass ein Fehlen eines Bauteils von dem Anwender bemerkt werden würde und dieser zur täglichen Wartung und Reinigung kein Werkzeug verwenden muss, da alle Verbindungen mit entsprechend einfachen Verschraubungen und Verschlüssen ausgeführt sind.
Die optische Sensoreinheit 6 selbst, welche in vertikaler Messrichtung montiert ist, hat zu keinem Zeitpunkt physischen Kontakt mit dem Messobjekt, also ohne Berührung des Lebensmittels und führt die Messung nur mittels optischen Abtastens der Lebensmitteloberfläche durch.
Aufgrund des prinzipiellen Aufbaus der optischen Sensoreinheit 6, hat der Sensor überdies die Eigenschaft, aktiv Fremdlicht zu unterdrücken. Die Korrelationseigenschaften des Sensors können nicht korrelierende Teile des Lichts von korrelierenden Teilen mittels einer in der optischen Sensoreinheit befindlichen, elektronischen Schaltung subtrahieren und so auf das aktive Signal der optischen Sensoreinheit 6 reduziert. Dies hat zur Folge, dass jedwede Sonneneinstrahlung grundsätzlich kein Problem für die Qualität der Messung darstellt, da diese nicht in die Messung eingeht und dieser mögliche Messfehler minimiert wird.
Üblicherweise werden mit Distanz- bzw. Füllstandsmesssystemen so genannte „Thresholds“ überwacht, also Schwellenwerte, welche bei einer Unter- oder Überschreitung zu einem entsprechenden Signal am Sensorausgang resultieren und dieses Signal gegebenenfalls über eine Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeiten.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Betriebsmodus möglich, bei welchem ein minimaler und ein maximaler Schwellenwert einstellbar ist, welcher in der Praxis an die Länge des Beschickungsrohres 2 angepasst werden kann. Die zwei Extremwerte, welche von der optischen Sensoreinheit 6 überprüft werden, entsprechen jeweils dem Zeitpunkt, an dem Fördermedium nachbeschickt werden muss und dem Zeitpunkt an dem das Beschickungsrohr 2 gefüllt ist und keine Beschickung mehr zu erfolgen hat.
Die dabei ausgegebenen Signale der optischen Sensoreinheit 6 werden über eine Datenverarbeitungsanlage verarbeitet und an eine entsprechende Fördereinrichtung weitergegeben. Die Verarbeitung der Daten kann mit einer üblichen „Speicher Programmierbaren Steuerung“ (SPS) erfolgen, welche je nach Fördervorrichtung den Anlauf eines Antriebs oder mehrerer Antriebe entsprechend der ausgegebenen Sensorsignale regelt.
Durch den Betriebsmodus, welcher eine kontinuierliche Messung vorsieht, ist ebenfalls eine Regelung mittels einer Hysteresekurve möglich. Hierbei wird der Schaltzustand am Ausgang der optischen Sensoreinheit 6 solange stabil gehalten, solange der Messwert um einen bestimmten Schaltpunkt herum schwankt. Dieser Modus hat den massiven Vorteil, dass die Sensoreinheit 6 bei einem spezifisch, einstellbaren Schaltzeitpunkt bzw. Füllstand ein Ausgangssignal am Ausgang ausgibt und dieses solange hält, bis der gemessene Wert die Hysteresekurve verlassen hat. Somit ist ein Bereich abgedeckt, in dem der reibungslose und kontinuierliche Betrieb der Anlage gewährleistet ist und von der SPS gesteuert werden kann. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass beim Unterschreiten der Hysteresekurve eine Abschaltung der Anlage aus Sicherheitsgründen erfolgt, bzw. beim Überschreiten der Hysteresekurve ein temporärer Wartezustand der Fördervorrichtung hervorgerufen wird, bis die Hysteresekurve wieder erreicht ist und der reguläre Betrieb wieder aufgenommen werden kann.
Ein weiterer Aspekt der PMD – Sensortechnik ist die Tatsache, dass die optische Sensoreinheit 6 im Gegensatz zu den zum Stand der Technik gehörigen, kapazitiven Messverfahren auch bei heterogenen Messobjekten wie beispielsweise saucenbenetzten Reis- und Nudelfertiggerichten, gekochtem Reis, Gemüsesalate und ähnlichem, gültige Messungen durchführt und aufgrund der Konsistenz oder der Zusammensetzung der Lebensmittel keine Messabweichungen hinsichtlich des Füllstands auftreten.
Bezugszeichenliste

1: Einfülltrichter
2: Beschickungsrohr
3: Füllrohradapter
4: Verschraubungsdichtung
5: Befestigungsflansch auf Basisplatte
6: Optische Sensoreinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005053330 A1 [0002]
DE 102004036645 A1 [0003]
DD 140177 [0004]

Claims

Vorrichtung, zur Messung und Verarbeitung des Füllstandes von heterogenen, empfindlichen und nicht pumpfähigen Lebensmitteln mit geringem Flüssigkeitsanteil beinhaltet zumindest: – einen oder mehrere optische Sensoreinheiten (6), – eine oder mehrere vertikale Befestigungsmöglichkeiten der Sensoreinheit (6), dass eine direkte optische Verbindung zwischen dem Messobjekt im Beschickungsrohr (2) und der optischen Sensoreinheit (6) gegeben ist, – eine oder mehreren Beschickungsrohre (2), – eine Datenverarbeitungsanlage.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Messungen der optischen Sensoreinheit (2) eine Laufzeitmessung als Grundlage dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jegliche Messungen durch die optische Sensoreinheit (6) berührungslos erfolgen und die optische Sensoreinheit (6) nicht mit dem Messobjekt in direkten physischen Kontakt kommt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Sensoreinheit (6) so ausgeführt ist, dass die Sensoreinheit (6) Störgrößenunterdrückungseigenschaften besitzt und auftretende Messabweichung minimiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale, welche von der optischen Sensoreinheit (6) abgegeben werden, an eine Datenverarbeitungsanlage übermittelt und dort verarbeitet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Datenverarbeitungsanlage eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) beinhaltet, über ein geeignetes Regelsystem die eingehenden Daten verarbeitet und die entsprechenden Fördervorrichtungen zum Beschicken des Beschickungsrohres (2) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Sensoreinheit (6) bei spezifischen Schwellwerten ein Signal ausgibt, welches zu sofortigen Abschaltung bzw. zum temporären Stillstand der Anlage führt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfülltrichter (1) und das Beschickungsrohr (2) so ausgeführt sind, dass den geltenden Hygienevorschriften in lebensmittelverarbeitenden Betrieben entsprochen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jegliche Verbindungen, so ausgeführt sind, dass eine einfache Reinigung ohne zusätzliches Spezialwerkzeug sichergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sämtlich Verbindungsstücke mit entsprechenden Sicherungs- und Abdichtungsmaßnahmen ausgeführt sind, um einen sicheren und einwandfreien Betrieb der Förderanlage zu gewährleisten.