DE19710296C1

DE19710296C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Mengenerfassung bei der Milchannahme mit mobilen oder stationären Annahmesystemen

Info

Publication number: DE19710296C1
Application number: DE1997110296
Authority: DE
Inventors: Georg Dueckinghaus; Alfons Brueggemann
Original assignee: SCHWARTE WERK GmbH
Current assignee: GLAESER, JOACHIM, DIPL.-ING., 22767 HAMBURG, DE
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1997-03-13
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: WO1998040701A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mengenerfassung bei der Milchannahme mit einem mobilen oder stationären Annahmesystem, bei dem eine auf einem Überführungsweg aus einem ersten in einen zweiten Behälter zu überführende Milchmenge über ihr Volumen erfaßt und quantitativ bestimmt wird und eine Vor richtung zum Durchführen des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Der Mengenerfassung bei der Milchannahme mit mobilen Annahmesystemen, sogenannten Milchsammelwagen, oder stationären Annahmesystemen liegt die Aufgabe zugrunde, Milchmengen aus einem ersten Behälter, beispielsweise ei nem Anlieferungsbehälter eines Lieferanten, anzunehmen und in einen zweiten Behälter, beispielsweise einen Sammeltank, zu überführen. Dabei wird bei Ver fahren der gattungsgemäßen Art die Menge der überführten Milch über ihr Volu men bestimmt und über die Dichte der entgasten Milch wird die Masse der über führten Milch berechnet. Damit aus dem Volumen der überführten Milchmenge deren Masse ermittelt werden kann, - die Milchgütererordnung sieht vor, daß dem Anlieferer die Milchmasse und nicht etwa das Volumen vergütet wird - ist der Flüssigkeitsvolumenstrom, der in die Meßanlage eintritt und dem gasförmige Be standteile, insbesondere Luft, beigemischt sein können, vollständig zu entgasen bzw. zu entlüften und erst danach volumetrisch zu bestimmen. Die abgetrennte Luft resultiert fast ausschließlich aus jener Luft, die bei der Milchannahme, insbe sondere der Milch zu Beginn der Milchübernahme und beim Ausschnorcheln zum Ende der Milchübernahme, in die Meßanlage gelangt und nur zu einem außeror dentlich geringen Teil aus Luft, die als kleine und kleinste Luftblasen in der Milch des Anlieferungsbehälters deponiert ist. Eine Desorption von in Luft gelöster Milch wird nicht angestrebt; sie läßt sich jedoch unter bestimmten verfahren stechnischen Bedingungen (Vakuumbetrieb) nicht verhindern.

Bekannte Meßanlagen sind mit einer Steuerung/Regelung ausgestattet, deren Aufgabe unter anderem darin besteht, neben einer "normalen" Milchübernahme auch Sonderfälle bzw. auch unvorschriftsmäßige Handhabungen des Systems zu beherrschen. Hierzu gehört beispielsweise willkürliches Luftschnorcheln während der Milchübernahme, beabsichtigtes oder unbeabsichtigtes zeitweises Verschlie ßen der Annahmeleitung am Ansaugstutzen und Ansaugen aus mehreren Be hältnissen eines Lieferanten mit unterschiedlich langen Pausen beim Wechsel vom einen zum anderen Behältnis. Darüber hinaus soll die Meßanlage steue rungs- und regelungstechnisch leicht an unterschiedliche Ansaugbedingungen (Ansaughöhe und/oder Schlauchlänge) anpaßbar sein und in jedem Falle ohne Instabilitäten zügig einen stabilen Betriebspunkt finden.

Die bisher bekannt gewordenen Meßanlagen, die entweder als sogenannte Pum pensysteme (vgl. beispielsweise DE 24 37 306 A1; DE 34 40 310 A1) oder Vaku umsysteme (vgl. beispielsweise DE 25 10 966 A1; DE 40 07 914 A1) ausgeführt sind, arbeiten über die Zeitdauer der Milchannahme mit einer im wesentlichen konstanten Annahmeleistung, die durch die Auslegung des Pumpen- bzw. Vaku umsystems determiniert ist. Dabei ist festzustellen, daß die Annahmeleistungen in den letzten Jahren bis auf 30 000 l/h, in Einzelfällen sogar noch darüber hinaus, gesteigert wurden, wobei der sog. Luftabscheiderbehälter der Meßanlage ein de ren maximale Annahmeleistung limitierendes Bauteil darstellt. Die heute be kannten Luftabscheiderbehälter trennen die in der Milch enthaltenen Luftblasen von der Milch überwiegend durch Auftrieb und anschließende Abscheidung über die freie Flüssigkeitsoberfläche und nur zu einem geringen Teil durch Separie rung und Abscheidung der Luftblasen im Zentrifugalfeld einer rotierenden Milch strömung im Luftabscheiderbehälter. Daher wird bei der Auslegung bekannter Luftabscheiderbehälter dafür Sorge getragen, daß die Absenkgeschwindigkeit der Milch im Behälter im Vergleich zu der Aufsteiggeschwindigkeit der Luftblasen klein ist. Dies gelingt durch eine möglichst große Verweilzeit der Milch und damit der in ihr enthaltenen Luftblasen im Luftabscheiderbehälter, wobei die Verweilzeit bei vorgegebener Annahmeleistung durch das flüssigkeitserfüllte Volumen des Luftabscheiderbehälters bestimmt wird. Eine große Verweilzeit hat somit zwangsläufig einen großen Behälterquerschnitt zur Folge, da eine Behälterkonfi guration mit einer gegenüber dem Behälterdurchmesser großen Bauhöhe den Abscheideweg vergrößert und damit die Abscheideleistung ungünstig beeinflußt. Da das Raumangebot, insbesondere auf einem Milchsammelwagen, in allen Richtungen begrenzt ist, sind einer Vergrößerung der Abmessungen des Luftab scheiderbehälters natürliche Grenzen gesetzt. Damit findet auch die Steigerung der Annahmeleistung durch Vergrößerung des Luftabscheiderbehälters eine Be grenzung, will man nicht Gefahr laufen, daß das Meßergebnis hinsichtlich des bei der Milchannahme überführten Volumens durch Mitreißen von Luftblasen in und durch den Volumenzähler in unzulässiger Weise verfälscht wird. Bekannte Meß anlagen begrenzen die Annahmeleistung auf einen maximalen Wert, mit dem auch schwierige Ansaugverhältnisse (Luftsaugen bei Unterbrechung der Milchför derung) beherrscht werden können. Mit dieser zulässigen Annahmeleistung sind bei günstigen bzw. normalen Ansaugverhältnissen die Meßanlage und speziell der Luftabscheiderbehälter unterfordert, so daß unter diesen Ansaugbedingungen eine ungenutzte Leistungsreserve vorliegt.

Ein Luftabscheider, wie er beispielsweise aus der DE 24 37 306 A1 oder der DE 25 10 966 A1 bekannt ist, kann allenfalls den unteren Leistungsbereich heute geforderter Annahmeleistungen abdecken, und auch nur dann, wenn günstige Betriebsbedingungen vorliegen. Um höhere Annahmeleistungen zu beherrschen, hat es daher nicht an Versuchen gefehlt, die Luftabscheidung im Luftabscheider behälter, der mit Blick auf eine Steigerung der Annahmeleistung ein limitierendes Element darstellt, zu verbessern, ohne dabei zum konstruktiven Mittel einer weite ren Vergrößerung des Luftabscheiderbehälters zu greifen. Ein in der DE 41 11 280 A1 beschriebener Luftabscheiderbehälter versucht das Problem dadurch zu lösen, indem er die Strömungsgeschwindigkeit der in den Luftab scheiderbehälter einströmenden Milch unmittelbar vor dem Eintritt in denselben herabsetzt. Hierzu wird vorgeschlagen, daß dem Einlaufstutzen ein als Stopfen mit einer Vielzahl von parallelen Kanälen ausgebildeter Staukörper zusammen mit einem sich auf dessen Querschnitt erweiternden Trichter vorgeschaltet ist. Im Er gebnis soll mit dem bekannten Luftabscheiderbehälter erreicht werden, daß die Milchmeßanlage mit höherer Durchsatzleistung betrieben werden kann, ohne daß bei dieser höheren Leistung die Milch einen höheren Anteil an den Lufteinschlüs sen als in herkömmlichen Anlagen hat, oder daß sie bei gleicher Durchsatzlei stung einen geringeren Anteil an Lufteinschlüssen hat. Die vorstehend vorge schlagenen Maßnahmen sind problematisch, da hierdurch zusätzlich einerseits Strömungswiderstände und andererseits Reinigungsprobleme aufgrund der ex trem vergrößerten flüssigkeitsberührten Oberflächen geschaffen werden.

Andere aus der DE 40 07 914 A1 bekannte Maßnahmen zielen darauf ab, das Untermischen von Luft beim Einfüllen in den Luftabscheider weiter zu reduzieren, um dadurch, in begrenztem Umfang, die Annahmeleistung weiter steigern zu kön nen. Dies soll dadurch erreicht werden, daß bei dem Luftabscheider mindestens ein weiterer gegenüber dem einen Einlauf höhenversetzter Einlauf vorgesehen ist, und daß sämtliche Einläufe mit Absperrventilen ausgestattet sind, die von ei ner auf das Milchniveau im Behälter ansprechenden Steuereinrichtung derart ge steuert werden, daß bei ansteigendem Niveau von dem unteren Einlauf auf den nächst höheren Einlauf usw. und bei fallendem Niveau umgekehrt umgeschaltet wird. Es liegt auf der Hand, daß die vorgeschlagenen Maßnahmen lediglich dazu geeignet sind, die durch das maximale Volumen des Luftabscheiderbehälters bestimmte maximale Verweilzeit so oft wie möglich optimal auszunutzen. Es ist nicht erkennbar, wie das bekannte System eine Steigerung der Annahmeleistung über seine maximale, durch die Verweilzeit bestimmte Annahmeleistung hinaus bewerkstelligen kann, wenn zusätzlich die Gefahr großer Lufteinbrüche gegeben ist.

Den bekannten Luftabscheiderbehältern sind, mit Blick auf die Separierung und Abtrennung von Gas- bzw. Luftbeimengungen, grundsätzliche strömungsphysika lische Grenzen gesetzt, die um so niedriger liegen und an die eine Annäherung um so schwieriger ist, je kälter und hochviskoser die Trägerflüssigkeit Milch für die Gasblasen ist und je feinverteilter die Gasbeimengungen vorliegen. Es wurde daher auch vorgeschlagen (vgl. beispielsweise DE 35 45 160 A1), die Mengener fassung, insbesondere von Milch, unmittelbar über die Milchmasse und nicht über das Volumen der überführten Milch durchzuführen.

Dies gelingt dadurch, daß die zu überführende Milchmenge insgesamt oder Teile derselben nacheinander in einen Meßbehälter überführt wird bzw. werden und daß die Masse der in diesem Meßbehälter vorgelegten Milchmenge gravimetrisch bestimmt wird. Bei diesem Verfahren ist eine Entgasung bzw. Entlüftung der Milchmenge nicht erforderlich, da ggf. in der Milch gelöste Gas- bzw. Luftblasen aufgrund der Dichteunterschie de zwischen Gas und ihrer Trägerflüssigkeit um drei Größenordnungen praktisch keine Rolle spielen. Die vorgenannten sogenannten Wiegesysteme arbeiten, wenn die zu überführende Milchmenge relativ groß ist, in der Regel absatzweise und damit diskontinuierlich. Hohe Annahmeleistungen sind daher mit hinreichen der Genauigkeit nicht zu realisieren, weil eine Vergrößerung des Meßbehälters (Taramasse) zwangsläufig zu einer Vergrößerung des Meßfehlers führt. Darüber hinaus sind derartige Meßsysteme gegenüber den Verfahren und Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art kostenmäßig bislang nicht konkurrenzfähig.

Die Nachteile, mit denen beispielsweise das vorstehend genannte Wiegesystem behaftet ist, werden vermieden, wenn ein anderes bekanntes Verfahren zur Be stimmung der Masse einer eine Durchflußleitung durchströmenden Milchmenge im Zuge der Milchannahme zur Anwendung kommt (DE 195 07 542 C1). Bei die sem Verfahren wird aus einem Gesamtstrom der zu überführenden Milchmenge ein mengenproportionaler Teilstrom zur Gewinnung einer für die zu überführende Milchmenge repräsentativen Probemenge abgezweigt und gesammelt. Nach Be endigung der Überführung der Milchmenge wird die Masse der aus dem Teilstrom resultierenden Teilmenge gravimetrisch bestimmt und über einen bekannten, das Verhältnis zwischen Teil- und Gesamtstrom bestimmenden anordnungsspezifi schen Proportionalitätsfaktor wird die Masse der insgesamt überführten Milch menge ermittelt. Dieses Verfahren steht und fällt mit der Repräsentativität der ge wonnenen Probemenge in Bezug auf die zu überführende gesamte Milchmenge und zwar sowohl hinsichtlich der Mengenproportionalität als auch hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Milch und Luftbeimengungen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein das Verhältnis zwischen Teil- und Gesamtstrom bestimmender konstanter Proportionalitätsfaktor über die gesamte Annahmezeit bei ggf. wechselnden Be triebs- und Annahmebedingungen sehr schwer zu realisieren ist.

Es ist darüber hinaus bekannt, die Dichte eines flüssigen Gärsubstrats im Gärbe hälter laufend außerhalb desselben in einer Bypass-Leitung zu erfassen (DE 44 29 809 A1), wobei die Dichte mittels einer Ultraschall-Dichtemessung er mittelt wird.

Des weiteren wird in der deutschen Zeitschrift "messen prüfen automatisieren", Dezember 1985. S. 676-681, beschrieben wie mittels der Ultraschall-Durch flußmeßtechnik (Laufzeitverfahren oder Dooplerverfahren) eine betriebliche Durchflußmessung von Flüssigkeiten in geschlossenen Rohrleitungen durchge führt werden kann. Die Durchflußmessung erfolgt dabei "berührungslos", d. h. oh ne zusätzliche störende Einbauten in der Strömung. Die Ultraschall-Durchfluß messung ermöglicht die Messung auch von nichtleitenden Flüssigkeiten. Störun gen des Strömungsprofils, welche die Messung beeinträchtigen könnten, werden durch Kompensationsverfahren - Mehrkanalmessung - weitgehend reduziert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Verfahren der gattungsge mäßen Art die Mengenerfassung ohne den limitierenden Einfluß eines Luftabscheiders zu gestalten.

Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand weiterer Un teransprüche. Eine Vorrichtung zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfah rens wird durch die Merkmale des Nebenanspruchs 9 verwirklicht, während vor teilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Vorrichtung Gegenstand weite rer Unteransprüche sind.

Beim vorgeschlagenen Verfahren wird darauf verzichtet, ggf. vorliegende Gas- bzw. Luftbeimengungen aus der zu überführenden Milchmenge zu entfernen. Statt dessen wird die Erkenntnis genutzt, daß die Schallgeschwindigkeit von Ultra schall-Impulsen, die sich als besonders aussagefähig erwiesen haben, in einem Luft/Milch-Gemisch eine andere ist als in entlüfteter Milch. Durch die Aufteilung der Strömung in einen Haupt- und einen Nebenstrom wird die Möglichkeit ge schaffen, den Nebenstrom, der so klein gehalten werden kann, daß eine Refe renzmessung in entlüfteter Milch noch möglich ist, von Luftbeimengungen zu be freien, so daß bei Durchschallung des Haupt- und des Nebenstromes ein signifi kantes Signal einerseits für ein ggf. vorliegendes Milch/Luft-Gemisch und ande rerseits ein Referenzsignal für entlüftete Milch vorliegt. Da die Schallgeschwin digkeit grundsätzlich temperaturabhängig ist, ist mindestens die Temperatur im Hauptstrom zu messen. Aus der jeweiligen Schallaufzeit im Hauptstrom und jener im Nebenstrom, dem Referenzstrom, sowie unter Heranziehung der Schallge schwindigkeit in Luft in Abhängigkeit von der Temperatur im Hauptstrom kann nunmehr bei entsprechender Zuordnung der gewonnenen Meßwerte fortlaufend eine aktueller Milchanteil ϕ(t) im Hauptstrom berechnet werden. In einer zur Überführung der gesamten Milchmenge erforderlichen Annahmezeit t_A wird dann aus den jeweils fortlaufend ermittelten Milchanteilen ϕ(t) und den diesen zuge ordneten Werten der die Strömung an der definierten Stelle ihres Überführungs weges kennzeichnenden strömungsphysikalischen Größe das die definierte Stelle des Überführungsweges insgesamt durchsetzende Milchvolumen V_M0 der über führten Milchmenge (reine flüssige Phase) ermittelt.

Die die Strömung an der definierten Stelle kennzeichnende strömungsphysikali sche Größe kann beispielsweise die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in diesem Durchtrittsquerschnitt sein, die beispielsweise über einen Durchflußmesser auf einfache Weise fortlaufend ermittelt wird, wie dies bislang bei bekannten Verfah ren ebenfalls geschieht. Da der Durchtrittsquerschnitt A₀ an der definierten Stelle des Überführungsweges bekannt ist, ermittelt sich das in der Annahmezeit t_A durch diesen Durchtrittsquerschnitt durchgesetzte Milchvolumen V_M0 nach Glei chung (1) zu

Der aktuelle Milchanteil ϕ(t) (Herleitung s. weiter unten) errechnet sich nach Glei chung (2) zu

unter Verwendung der Abkürzungen

a = α_L1(T₁)/a_M1(T₁) = a_L1(T₁)√(T₂/T₁)/(d₂/t₂) (2a)

β = a_L1(T₁)/(d₁/t₁) (2b)

Wie Gleichung (2) zeigt ist für eine exakte Bestimmung des Milchanteil ϕ(t) die Messung der Temperaturen T₁ und T₂ der Milch in dem beschallten Haupt- und Nebenstrom erforderlich. Darüber hinaus ist die von der Temperatur T₁ im Haupt strom abhängige Schallgeschwindigkeit a_L1(T₁) jeweils bereitzustellen. Des weite ren sind für den bekannten Schallautweg d₁ im Hauptstrom (Milch/Luft-Gemisch) eine hierfür erforderliche Schallaufzeit t₁ und für einen ebenfalls bekannten Schallaufweg d₂ im Nebenstrom (entlüftete Milch) eine hierfür erforderliche Schallaufzeit t₂ fortlaufend zu messen. Falls die Temperaturen T₁ und T₂ gleich sind, was in der Regel in guter Näherung der Fall ist, verbleibt lediglich die Meß aufgabe, die Temperatur T₁ des Milch/Luft-Gemisches im Hauptstrom fortlaufend zu ermitteln.

Um gleiche Strömungsbedingungen hinsichtlich Turbulenz und damit vergleichba re Bedingungen für die Blasenverteilung, die Blasenbeschaffenheit und -größe zu erzielen, wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Reynoldszahl des Hauptstromes und jene der Strömung, aus der der Hauptstrom nach Aufteilung hervorgegangen ist, im wesentlichen gleich sind.

Da sich die Durchschallung auf einen diametralen Teilbereich des Hauptstromes beschränkt, ist nicht auszuschließen, daß das Meßergebnis für die Schallaufzeit im Hauptstrom durch zumindest theoretisch mögliche Separierungsbewegungen der Luftblasen in ihrer Trägerflüssigkeit beeinflußt wird (beispielsweise Konzen tration des Blasenschwarmes in bestimmten Bereichen). Daher wird der Vor schlag gemacht, daß die in einem Durchtrittsquerschnitt des Hauptstromes in letzterem enthaltenen Luftblasen über diesen Durchtrittsquerschnitt im wesentli chen gleichmäßig verteilt werden, wobei die Verteilung, in Strömungsrichtung ge sehen, vor der Durchschallung erfolgt.

Die Entlüftung des Nebenstromes gestaltet sich besonders effizient, wenn, wie dies weiterhin vorgesehen ist, diese durch die separierende Wirkung eines zentri fugalen Kraftfeldes erfolgt. Dies kann gemäß einem ersten Vorschlag dadurch erfolgen, daß die Energie zur Erzeugung des zentrifugalen Kraftfeldes aus der Strömungsenergie des Nebenstromes aufgebracht wird und gemäß einem zweiten Vorschlag durch Fremdenergie, die aus der Umgebung in den Nebenstrom einge leitet wird.

Mit Blick auf die Realisierung eines relativ einfachen Verfahrens ist weiterhin vor gesehen, daß an der Stelle der Aufteilung der Strömung in den Haupt- und Ne benstrom letzterer im vom Staudruck der Strömung an der Stelle der Aufteilung anhängiger Menge abgezweigt wird. Der Staudruck wird demnach einerseits ge nutzt, um die Mengenteilung zu bewerkstelligen, und andererseits dient er dazu, den Nebenstrom mit der zu seiner weiteren Behandlung notwendigen Strömungs energie zu versorgen.

Die Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung zum Durchführen des Verfah rens gemäß der Erfindung ist unabhängig davon, ob ein sog. Pumpen- oder Va kuumsystem vorliegt. Wesentlich ist lediglich, daß sich die Überführungsleitung hinter dem ersten Abschnitt, in dem sich eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der in der Überführungsleitung vorliegenden mittleren Strömungsgeschwindigkeit oder einer dieser proportionalen Größe befindet, in einen zweiten Abschnitt, eine Bypass-Leitung verzweigt. In dieser ist eine Trenneinrichtung zur Abtrennung von Gas aus ihrer Trägerflüssigkeit, im vorliegenden Falle von Luft aus einem Milch/Luft-Gemisch, vorgesehen. Sowohl im ersten Abschnitt als auch in der Bypass-Leitung ist, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Trenneinrichtung jeweils eine Ultraschall-Einrichtung angeordnet, die jeweils aus einem Sender und einem Empfänger besteht und die jeweils der Durchschallung eines charakteristi schen und bekannten Schallaufweges dient. Mit Temperaturmessungen im Haupt- und Nebenstrom, vorzugsweise in einer Ebene, in der auch der Schallaufweg liegt, ist zum einen die rechnerische Korrektur der von der Temperatur abhängi gen Schallgeschwindigkeiten im Hauptstrom (getrennt für Flüssigkeit und Luft) möglich, die ja nicht getrennt voneinander dort direkt gemessen werden können, und zum anderen kann ggf. die Referenzmessung im Nebenstrom in Abhängigkeit von der Temperatur korrigiert werden. Die temperaturabhängige Schallgeschwin digkeit a_L1(T₁) wird in einem Datenspeicher hinterlegt, der an eine Rechner- und Steuereinheit angeschlossen ist, in der sämtliche mit der vorgeschlagenen Vor richtung gewonnenen Meßwerte verarbeitet werden.

Die Trenneinrichtung gestaltet sich dann besonders einfach und trenntechnisch besonders effizient, wenn sie als Zentrifugalabscheider mit tangentialem Ein- und Auslauf ausgebildet ist. Um die separierende Wirkung des zentrifugalen Kraftfel des zu verstärken, weil entweder die Energie des Nebenstromes nicht ausreicht oder weil eine Forcierung der Triebkräfte des Trennverfahrens gewünscht wird, wird weiterhin vorgeschlagen, den Zentrifugalabscheider zusätzlich mit einem Antrieb zur Unterstützung der Rotationsströmung auszustatten.

Es ist weiterhin vorgesehen, im zweiten Abschnitt der Überführungsleitung und, in Strömungsrichtung gesehen, vor der ersten Ultraschall-Einrichtung eine Misch einrichtung anzuordnen. Mit dieser Maßnahme wird sichergestellt, daß zufällige Entmischungen zwischen Milch und Luftblasen, beispielsweise durch Koagulation von Blasen, die zu Inhomogenitäten in der Ebene des durchschallten Durchtritts querschnittes für den Hauptstrom führen können, in nicht repräsentativer Weise als Zufallsergebnis im Schallaufweg erfaßt oder nicht erfaßt werden. Als beson ders wirksam und einfach haben sich in diesem Zusammenhang sog. statische Mischer erwiesen.

Die Aufteilung der Strömung in den Haupt- und Nebenstrom gestaltet sich beson ders einfach, wenn der Strömungseintritt in die Bypass-Leitung als Mengenteiler in Form eines Pitot-Rohres ausgebildet ist. Um die Repräsentativität der Neben strömung im Vergleich zur Hauptströmung zu erhöhen, ist weiterhin vorgesehen, daß der Mengenteiler auf den gesamten Durchtrittsquerschnitt des ersten Ab schnittes der Überführungsleitung zugreift.

Eine die Strömung an der definierten Stelle des Überführungsweges zuverlässig und genau kennzeichnende strömungsphysikalische Größe wird, wie dies eben falls vorgesehen ist, dadurch gewonnen, daß die Meßeinrichtung zu ihrer Be stimmung als Volumenzähler und/oder Durchflußmesser ausgebildet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfahrens ist in stark vereinfachter und schematischer Form in Fig. 1 darge stellt. Die Fig. 2 und 3, in denen der Schallaufweg im Milch/Luft-Gemisch (Hauptstrom) bzw. in entlüfteter Milch (Nebenstrom) dargestellt ist, dienen der Erläuterung der Berechnung des Milchanteiles ϕ(t).

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Überführungsleitung 3, in der linksseitig ein erster Abschnitt 3a, daran anschließend ein zweiter Abschnitt 3b und schließ lich ein dritter Abschnitt 3c dargestellt sind. Im ersten Abschnitt 3a ist eine Meßeinrichtung 6 zur Bestimmung einer die Strömung im ersten Abschnitt 3a kennzeichnenden strömungsphysikalischen Größe, beispielsweise die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, angeordnet. Der von der Meßeinrichtung 6 erfaßte Durchtrittsquerschnitt trägt das Bezugszeichen 0. Der darstellte Teil der Überfüh rungsleitung 3 wird von einem Eintritt E in Richtung eines Austrittes A durch strömt. Hinter dem ersten Abschnitt 3a, in Strömungsrichtung gesehen, verzweigt sich die Überführungsleitung 3 in den vorstehend erwähnten zweiten Abschnitt 3b und eine Bypass-Leitung 4. Eine vorgeordnete Bypass-Leitung 4b mündet tan gential in eine Trenneinrichtung 5 ein, während eine nachgeordnete Bypass- Leitung 4c tangential aus dieser ausmündet und in den zweiten Abschnitt 3b der Überführungsleitung 3 zurückgeführt wird. Der Strömungseintritt in die Bypass- Leitung 4 ist als Mengenteiler 4a in Form eines Pitotrohres ausgebildet. Der zweite Abschnitt 3b nimmt eine erste Ultraschall-Einrichtung 7 auf, die aus einem Sender 7a und einem diametral auf der anderen Seite des zweiten Abschnittes 3b angeordneten Empfänger 7b besteht. In gleicher Anordnung befindet sich in der Bypass-Leitung 4, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Trenneinrichtung 5 eine zweite Ultraschall-Einrichtung 8, ebenfalls bestehend aus einem Sender 8a und einem Empfänger 8b. Im zweiten Abschnitt 3b ist, in Strömungsrichtung ge sehen, vor der ersten Ultraschall-Einrichtung 7 eine Mischeinrichtung 9 angeord net, die vorzugsweise als statischer Mischer ausgebildet ist.

Die Ebene des Durchtrittsquerschnittes des zweiten Abschnittes 3b, in der die Durchschallung mit der ersten Ultraschall-Einrichtung 7 erfolgt, trägt das Bezugs zeichen 1. Die Ebene des Durchtrittsquerschnittes der nachgeordneten Bypass- Leitung 4c, in der die Durchschallung mit der zweiten Ultraschall-Einrichtung 8 vorgenommen wird, trägt das Bezugszeichen 2. Die in den Durchtrittsquerschnit ten 0, 1 und 2 gewonnenen Meßwerte und weitere den Durchtrittsquerschnitten zugeordneten Größen sind nachfolgend jeweils mit der entsprechenden Ebenen bezeichnung indiziert.

In der Querschnittsebene 1 und 2 ist jeweils eine Einrichtung zur Messung der Temperatur 12 bzw. 13 vorgesehen. Die Meßeinrichtung 6, die Ultraschall- Einrichtungen 7 und 8 sowie die Einrichtungen zur Messung der Temperaturen 12 und 13 sind mit einer Rechner- und Steuereinheit 10 verbunden, an der ein Da tenspeicher 11 zum Ein- und Auslesen von Daten angeschlossen ist, notwendi gerweise die von der Temperatur T₁ im Hauptstrom abhängige Schallgeschwin digkeit in Luft a_L1(T₁).

Am Eintritt E tritt, falls bei der Milchannahme Luft angesaugt wird, ein Milch/Luft- Gemisch ein, das im ersten Abschnitt 3a eine Strömung ausbildet, von der eine diese kennzeichnende strömungsphysikalische Größe mittels der Meßeinrichtung 6 fortlaufend erfaßt wird. Letztere wird vorzugsweise als Volumenzähler und/oder Durchflußmesser ausgebildet; aus der jeweiligen Meßgröße kann dann beispiels weise fortlaufend die aktuelle mittlere Strömungsgeschwindigkeit V_mittel0 im Durch trittsquerschnitt A₀ bestimmt werden. Ein Volumenstrom des Milch/Luft-Gemisches Q_M/L0 wird hinter der Meßeinrichtung 6 in einen Hauptstrom Q_M/L1 und einen Ne benstrom Q_M/L2 aufgeteilt. Letzterer wird, vor der Trenneinrichtung 5 noch in Form eines Milch/Luft-Gemisches, in der Trenneinrichtung 5 dann von Luftbeimengun gen befreit und gelangt als Milchstrom Q_M2 in die nachgeordnete Bypass-Leitung 4c. Der Hauptstrom Q_M/L1 (Milch/Luft-Gemisch) wird in der ersten Ultraschall- Einrichtung 7 fortlaufend mit Ultraschall-Impulsen beaufschlagt und durchschallt und die für den vorliegenden Schallaufweg d₁ jeweils erforderliche Schallaufzeit t₁ wird gemessen. Eine vergleichbare Durchschallung erfährt der Milchstrom Q_M2 über die zweite Ultraschall-Einrichtung 8. Hier ist ein Schallaufweg d₂ vorgese hen, und die hierfür erforderliche Schallaufzeit t₂ wird ebenfalls gemessen. Sämt liche Meßwerte (die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v_mittel0, die Schallaufzeiten t₁ und t₂ sowie die Temperaturen T₁ und T₂) werden in der Steuer- und Rech nereinheit 10 zusammengeführt und zusammen mit der Schallgeschwindigkeit a_L1(T) im Hauptstrom zum in der Annahmezeit t_A den Durchtrittsquerschnitt A₀ durchsetzenden Milchvolumen V_M0 der überführten Milchmenge (reine flüssige Phase) nach Gleichung (1) zu

verarbeitet.

Dabei wird vorausgesetzt bzw. angestrebt, daß die jeweilige Blasenverteilung in den Durchtrittsquerschnitten A₀ und A₁ jeweils homogen ist und einander ent sprechen und somit die Milchanteile ϕ(t) in diesen Durchtrittsquerschnitten gleich sind. Das nach Gleichung (1) ermittelte Volumen V_M0 repräsentiert das Volumen der luftfreien Milch, das den Durchtrittsquerschnitt A₀ in der Annahmezeit t_A in Form eines Milch/Luft-Gemisches durchströmt. In Gleichung (1) ist der nach Glei chung (2) bestimmte Milchanteil ϕ(t) eine im allgemeinen Fall zeitabhängige Grö ße, da er von dem in der Regel zeitveränderlichen Luftgehalt der Milch und der in Grenzen zeitveränderlichen Temperatur T₁ im Hauptstrom bestimmt ist. Seine Herleitung wird nachfolgend kurz skizziert. Die in den Gleichungen (1) und (2) verwendeten Formelzeichen sowie die zur Herleitung heranzuziehenden Größen haben die aus der nachfolgenden Liste ersichtliche Bedeutung:

Formelzeichen physikalische Größe
d Schallaufweg/Rohrdurchmesser/ charakteristische Querschnittsabmessung
s gesamter Schallweg
s_M in Milch
s_L in Luft
A gesamter Durchtrittsquerschnitt
A_M Milchquerschnitt (Summe)
A_L Blasenquerschnitt (Summe)
T Temperatur
ϕ Milchanteil (Volumen der luftfreien Milch bezogen auf das Volumen des Milch/Luft-Gemisches im betrachte ten Strömungsbereich:
ϕ₀ = ϕ₁ = ϕ = V_M0/V_M/L0 = V_M1/V_M/L1
ψ eindimensional gemessener Milchanteil ψ = s_M1/d₁
V_mittel mittlere Strömungsgeschwindigkeit
Q Volumenstrom
Q_M/L Milch/Luft-Gemisch
V Volumen
V_M/L Milch/Luft-Gemisch
V_M entlüftete Milch
t Signallaufzeit
t_A Annahmezeit
a Schallgeschwindigkeit a = f(T)
a_M in Milch
a_L in Luft
a_M/L im Milch/Luft-Gemisch
0, 1, 2 Indices für die Stellen 0, 1, 2.

Die mittlere Geschwindigkeit v_mittel0 (t) wird von der Meßeinrichtung 6 in Durch trittsquerschnitt A₀ generiert. Bei d₁ handelt es sich um den gesamten Schallauf weg im Durchtrittsquerschnitt A₁, und t₁ ist die Schallaufzeit für diesen Schallauf weg. Der Wert d₁/t₁ repräsentiert somit die mittlere Schallgeschwindigkeit im Milch/Luft-Gemisch im Durchtrittsquerschnitt A₁.

Da die Schallgeschwindigkeit für Milch a_M1 im Durchtrittsquerschnitt A₁ dort über eine Laufzeitmessung nicht ermittelt werden kann, da der Milch Luft beigemischt ist, wird zeitnah eine Referenzmessung für diese Schallgeschwindigkeit a_M1 im Durchtrittsquerschnitt A₂ der Bypass-Leitung 4 vorgenommen. Es gilt (s. Fig. 3)

a_ref = a_M2 = s_M2/t₂ = d₂/t₂ (3).

Für gleiche Temperaturen T₂ = T₁ in den Durchtrittsquerschnitten A₁ und A₂ kann

a_M1 = a_M2 (4)

gesetzt werden.

Falls Temperaturgleichheit nicht gegeben ist (T₂ ≠ T₁), wird a_M1 aus a_M2 und dem Temperaturverhältnis √ (T₁/T₂) berechnet und der Auswertung über

a_M1 = a_M2√(T₁/T₂) (5)

zugrunde gelegt:
Die Schallgeschwindigkeit a_L1 in Luft ist ebenfalls temperaturabhängig (a_L1 = f(T)). Sie ist in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur T₁ oder T₂ in dem Daten speicher 11 zu hinterlegen, aus dem sie jeweils auszulesen ist.

Es sind somit die beiden Schallaufzeiten t₁ und t₂ (Ultraschall-Einrichtungen 7 und 8), wenigstens eine der Temperaturen T₁ oder T₂ (Meßeinrichtungen 12 und 13) sowie die mittlere Geschwindigkeit v_mittel0 (Meßeinrichtung 6) zu messen.

Mit Blick auf Fig. 2 errechnet sich die Schallaufzeit t₁ in Durchtrittsquerschnitt A₁ zu

t₁ = s_M1/a_M1 + s_L1/a_L1 (2.1).

Der Rechnung liegt die Annahme zugrunde, daß der eindimensional durchschallte Bereich des Hauptstromes repräsentativ für den gesamten Durchtrittsquerschnitt A₁ ist. Im Zweifelsfalle kann die vorgeschlagene Mischeinrichtung 9. angeordnet vor der Durchschallung des Durchtrittsquerschnittes A₁, die vorstehende Annah me hinreichend sicherstellen. Der gesamte Schallaufweg d₁ setzt sich damit ge mäß Gleichung (2.2) zusammen aus den Weglängen s_M1 in Milch und s_L1 in Luft

d₁ = s_M1 + s_L1 (2.2)

und mit der Strömungsgeschwindigkeit

v_mittelM1 = v_mittelL1 = v_mittel1 (2.3)

ergeben sich auch die Volumenströme und damit die Volumina von Milch und Luft im Durchtrittsquerschnitt A₁. Da die Strömungs- und Blasenverteilungsverhältnis se in den Durchtrittsquerschnitten A₁ und A₀ in guter Näherung identisch sind, kann aus der Situation im Durchtrittsquerschnitt A₁ auf die Volumenströme und damit die Volumina von Milch und Luft im Durchtrittsquerschnitt A₀ der Überfüh rungsleitung 3 rückgeschlossen werden.

Mit

A_M1 + A_L1 = A₁ (2.4)

und

k d₁² = A₁ = k(s_M1 + S_L1)² (mit k als Proportionalitätsfaktor) (2.5)

wobei sich aus Gleichung (2.5) nach Umformung Gleichung (2.5a) ergibt

1 - (s_L1/d₁)² = (s_M1/d₁)² + 2 s_M1 s_L1/d₁² (25a)

sowie mit dem eindimensionalen Milchanteil ϕ(t), gemessen über die erste Ultra schall-Einrichtung 7 im Durchtrittsquerschnitt A₁,

ψ = s_M1/d₁ (2.6)

ergibt sich Gleichung (2.1) zu

t₁=d₁[ψ/a_M1 + (1 - ψ/a_L1] (2.1a)

Mit der Definition des Milchanteiles ϕ(t) gemäß Gleichung (2.7)

ϕ(t) = A_M1/A₁

erhält man unter Berücksichtigung der Gleichungen (2.4) und (2.5a) für den Milchanteil ψ(t) nach Gleichung (2.7a)

ϕ(t) = A_M1/A₁ = 1 - A_L1/A₁ = 1 - (S_L1/d₁)² = (s_M1/d₁)² + 2 s_M1 s_L1/d₁² = (s_M1/d₁)² + 2 s_M1/d₁ (1 - s_M1/d₁) (27a)

und damit zwischen dem Milchanteil ϕ(t) und dem eindimensionalen Milchanteil ψ(t) gemäß Gleichung (2.6) den Zusammenhang gemäß Gleichung (2.8)

ϕ(t) = 2ψ(t) - [ψ(t)]² (2.8)

Der Milchanteil ϕ(t) ergibt sich schließlich unter Berücksichtigung der Gleichun gen (2.1) bis (2.8) sowie der Gleichungen (3) und (5) nach Gleichung (2) zu

unter Verwendung der Abkürzungen

α = a_L1(T₁)/a_M1(T₁) = a_L1(T₁)√(T₂/T₁)/(d₂/t₂) (2a)

β = a_L1(T₁)/(d₁/t₁) (2b)

Claims

1. Verfahren zur Mengenerfassung bei der Milchannahme mit einem mobilen oder stationären Annahmesystem, bei dem eine auf einem Überführungsweg aus einem ersten in einen zweiten Behälter zu überführende Milchmenge über ihr Volumen erfaßt und quantitativ bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Milchmenge an einer definierten Stelle ihres Überführungsweges eine Strömung ausbildet, von der dort die mittlere Strömungsgeschwindig keit oder eine dieser proportionale Größe (Volumenstrom Q oder im Zeitin tervall überführtes Volumen V) fortlaufend gemessen wird,
- daß die Strömung anschließend aufgeteilt wird in eine Haupt- und einen Nebenstrom,
- daß der Nebenstrom von Luftbeimengungen befreit wird,
- daß der Haupt- und der entlüftete Nebenstrom jeweils fortlaufend mit Ultra schall-Impulsen beaufschlagt und durchschallt und die jeweilige Schallauf zeit und wenigstens die Temperatur im Hauptstrom gemessen werden,
- daß aus der Schallaufzeit im Hauptstrom die jeweilige aktuelle mittlere Schallgeschwindigkeit des dort strömenden Milch/Luft-Gemisches und aus der zuzuordnenden Schallaufzeit im Nebenstrom die jeweilige aktuelle mittlere Schallgeschwindigkeit der dort strömenden entlüfteten Milch ermit telt werden,
- daß aus diesen beiden Schallgeschwindigkeiten sowie der Schallge schwindigkeit in Luft bei der zugeordneten Temperatur des Hauptstromes jeweils ein aktueller Milchantell ϕ(t) im Hauptstrom berechnet wird,
- und daß in einer zur Überführung der gesamten Milchmenge erforderlichen Annahmezeit t_A aus den jeweiligen Milchanteilen ϕ(t) und der diesen je weils zugeordneten, an der definierten Stelle des Überführungsweges vor liegenden mittleren Strömungsgeschwindigkeit oder einer dieser proportio nalen Größe das die definierte Stelle des Überführungsweges insgesamt durchsetzende Milchvolumen V_M0 der überführten Milchmenge ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die definierte Stelle des Überführungsweges in der Annahmezeit t_A durchsetzen de Milchvolumen V_M0 nach Gleichung (1) ermittelt wird, wobei sich der aktuelle Milchanteil ϕ(t) nach Gleichung (2) unter Verwendung der Abkürzungenα = a_L1(T₁)/a_M1(T₁) = a_L1(T₁)√(T₂/T₁)/(d₂/t₂) (2a)β = a_L1(T₁)/(d₁/t₁t) (2b)berechnet, mit

- einem Durchtrittsquerschnitt A₀ an der definierten Stelle des Überfüh rungsweges,
- einer fortlaufend gemessenen mittleren Strömungsgeschwindigkeit v_mittel0 an der definierten Stelle des Überführungsweges,
- einem Schallaufweg d₁ im Hauptstrom und einer hierfür fortlaufend gemes senen erforderlichen Schallaufzeit t₁,
- einem Schallaufweg d₂ im Nebenstrom und einer hierfür fortlaufend ge messenen erforderlichen Schallaufzeit t₂,
- fortlaufend gemessenen Temperaturen T₁ und T₂ im Haupt- bzw. Neben strom,
- mit der von der Temperatur T₁ im Hauptstrom abhängigen Schallge schwindigkeit in Luft a_L1(T₁) und
- mit der von der Temperatur T₁ im Hauptstrom abhängigen Schallge schwindigkeit in Milch a_M1(T₁).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reynoldszahl des Hauptstromes und jene der Strömung, aus der der Haupt strom nach Aufteilung hervorgegangen ist, im wesentlichen gleich sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem Durchtrittsquerschnitt des Hauptstromes in letzterem enthalte nen Luftblasen über diesen Durchtrittsquerschnitt im wesentlichen gleich mäßig verteilt werden, wobei die Verteilung, in Strömungsrichtung gesehen, vor der Durchschallung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entluftung des Nebenstromes durch die separierende Wirkung eines zentrifugalen Kraftfeldes erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zur Erzeugung des zentrifugalen Kraftfeldes aus der Strömungsenergie des Ne benstromes aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zur Erzeugung des zentrifugalen Kraftfeldes durch Fremdenergie, die aus der Umgebung in den Nebenstrom eingeleitet wird, aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle der Aufteilung der Strömung in den Haupt- und Neben strom letzterer im vom Staudruck der Strömung an der Stelle der Aufteilung anhängiger Menge abgezweigt wird.

9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer von einem ersten zu einem zweiten Behälter führenden Überführungsleitung, in der eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der in der Überführungsleitung vorliegenden mittleren Strömungsgeschwin digkeit oder einer dieser proportionalen Größe angeordnet ist, dadurch ge kennzeichnet,

- daß die Meßeinrichtung (6) in einem ersten Abschnitt (3a) der Überfüh rungsleitung (3) angeordnet ist
- daß sich, in Strömungsrichtung gesehen, die Überführungsleitung (3) hin ter dem ersten Abschnitt (3a) in einen zweiten Abschnitt (3b) und eine Bypass-Leitung (4) verzweigt
- daß in der Bypass-Leitung (4) eine Trenneinrichtung (5) zur Abtrennung von Luft aus einem Milch/Luft-Gemisch vorgesehen ist,
- daß im zweiten Abschnitt (3b) eine erste Ultraschall-Einrichtung (7) und in der Bypass-Leitung (4), in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Trenneinrichtung (5) eine zweite Ultraschall-Einrichtung (8) angeordnet sind, jeweils bestehend aus einem Sender und einem Empfänger (7a, 7b bzw. 8a, 8b) und jeweils zur Durchschallung eines charakteristischen und bekannten Schallaufweges (d₁, d₂),
- daß wenigstens im zweiten Abschnitt (3b) eine Einrichtung zur Messung der Temperatur (12) vorgesehen ist,
- und daß die Meßeinrichtung (6), die Ultraschall-Einrichtungen (7 und 8) sowie die Einrichtungen zur Messung der Temperaturen (12 und 13) mit einer Rechner- und Steuereinheit (8) verbunden sind, an der ein Daten speicher (11) zum Ein- und Auslesen von Daten angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn einrichtung (5) als Zentrifugalabscheider mit tangentialem Ein- und Auslauf ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrifu galabscheider (5) zusätzlich mit einem Antrieb zur Unterstützung der Rotati onsströmung ausgestattet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurchgekennzeichnet, daß im zweiten Abschnitt (3b) der Überführungsleitung (3) und, in Strö mungsrichtung gesehen, vor der ersten Ultraschall-Einrichtung (7) eine Mi scheinrichtung (9) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Misch einrichtung (9) als statischer Mischer ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurchgekennzeichnet, daß der Strömungseintritt in die Bypass-Leitung (4) als Mengenteiler (4a) in Form eines Pitot-Rohres ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengen teiler (4a) auf den gesamten Durchtrittsquerschnitt des ersten Abschnittes (3a) zugreift.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (6) als Volumenzähler und/oder Durchflußmesser ausgebildet ist.