DE19728660A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen der Füllhöhe von Füllgut in einem Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Füllhöhe von Füllgut in einem Behälter, wobei die elektromagnetische Strahlung untersucht wird, die von dem Be­ hälter abgegeben oder durchgelassen wird.

Die Füllhöhe flüssiger oder fester Füllgüter in durchsichtigen Behältern, z. B. Glasflaschen oder Konservengläsern, wird bis­ her mittels Lichtschranken oder CCD-Kameras ermittelt. Hierbei wird die Unterbrechung oder Bedeckung eines Lichtstrahls durch das Füllgut mittels eines Fotoempfängers oder einer CCD-Kamera erfaßt. Bei durchsichtigen und bei nichtmetallenen Behältern können auch kapazitive Sensoren verwendet werden, wenn das Füllgut leitfähig ist oder eine hohe Dielektrizitätskonstante hat. Für die Erkennung von Füllständen in Metall-Behältern, z. B. Getränke- oder Konservendosen, wurden bisher ausschließ­ lich sogenannte Gammastrahl- oder Röntgengeräte eingesetzt, die auf Messung der Absorption eines Röntgenstrahls im 60 K Elektronenvoltbereich beruhen. Außerdem werden für kleine Leistungen auch Wägesysteme eingesetzt. Hierbei sind in der Praxis jedoch erhebliche Aufwendungen zur Sicherstellung des Betriebes vonnöten.

Es ist ferner bekannt bei einem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art mit elektromagnetischer Strahlung im nahen Infra­ rotbereich von etwa 910 bis 950 nm Wellenlänge zu arbeiten, um die Füllstandshöhe von Wasser in einem Glas- oder Kunststoff­ behälter zu bestimmen. Die meisten Kunststoffe und Glas sind ebenso wie Wasser in diesem Wellenlängenbereich durchsichtig. Die Strahlung im nahen Infrarotbereich wurde dabei völlig analog sichtbarem Licht eingesetzt, wobei zur Füllhöhenbe­ stimmung die Brechung der Strahlung an der Wasseroberfläche ausgenutzt wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erfassung der Füllhöhe von Füllgut in Behältern auf möglichst einfache und zuverlässige Weise durchzuführen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich von 1 µm bis 1 mm liegt.

Durch die Verwendung von Infrarotstrahlung kann z. B. die Füll­ höhe einer Flüssigkeit in einer Glas- oder Kunststoffflasche sehr zuverlässig bestimmt werden, da im Infrarotbereich über 1 µm Wellenlänge die meisten Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, absorbieren, während Glas oder Kunststoff durchlässig sind.

Für die Untersuchung der Strahlung im Infrarotbereich über 1 µm Wellenlänge, die nachfolgend als Wärmestrahlung bezeichnet wird, kann ein Thermokamerasystem verwendet werden, das eine Optik sowie ein matrixartig angeordnetes, gekühltes Dioden- Feld oder ein einzeiliges, gekühltes Dioden-Array mit einer Empfindlichkeit im Wellenlängenbereich von 1 bis 6 µm auf­ weist. Bei langsam transportierten Behältern sind auch un­ gekühlte pyroelektrische Sensoren verwendbar, z. B. Bleisulfid- Sensoren, die im Bereich von 8 bis 12 µm Wellenlänge empfind­ lich sind. Aufgrund ihrer größeren Abmessungen werden pyro­ elektrische Sensoren im allgemeinen nicht senkrecht ange­ ordnet, sondern leicht schräg gestellt, um eine bessere Auf­ lösung in der Senkrechten zu erhalten.

Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt daher die unterschiedlichen Absorptionswerte des Be­ hältermaterials und des Füllguts. Die Behälter bestehen aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material. Glas und die meisten Kunststoffe sind für Wärmestrahlung durchlässig. Das Füllgut absorbiert dagegen die Wärmestrahlung, was für praktisch alle Füllgüter im Nahrungsmittelbereich zutrifft, da diese immer einen gewissen Wasseranteil haben. Die Behälter werden bei dieser Ausführungsform des Verfahrens zwischen einer Wärmestrahlungsquelle und einer Wärmebildkamera hin­ durchgeführt. Die Wärmebildkamera liefert ein Graustufenbild, wobei der Grauwert ein Maß für die Temperatur ist. Dieses Wärmebild wird nach Standard-Bildauswerteverfahren verarbei­ tet. Auf dem Wärmebild ist der gefüllte untere Bereich des Behälters an der geringeren Strahlungsintensität erkennbar. Dies setzt voraus, daß der Behälterinhalt eine niedrigere Temperatur als die Wärmequelle hat, vor der der Behälter vorbeigeführt wird.

Die Wärmestrahlungsquelle kann auch aus einer rechtwinklig zur Bewegungsrichtung angeordneten Reihe von punktförmigen Wärme­ quellen bestehen, die jeweils mit einer wärmestrahlungs­ empfindlichen Fotozelle zusammen eine Wärmestrahlungslicht­ schranke bilden, so daß aus der Anzahl der unterbrochenen Lichtschranken die Füllhöhe im Behälter abgeleitet werden kann.

Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich auch für Behältermaterial, das für die Wärme­ strahlung nicht durchlässig ist, vorausgesetzt, das Füllgut hat eine hohe Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfähigkeit, wie es im allgemeinen auf flüssiges Füllgut zutrifft. Bei pulver­ förmigem Füllgut mit schlechter Wärmeleitfähigkeit ist dieses Verfahren weniger geeignet. Voraussetzung ist ferner eine ge­ wisse Wärmeleitfähigkeit des Behältermaterials, wie es bei Blechdosen, Glas oder dünnwandigen Kunststoffbehältern der Fall ist. Diese Ausführungsform macht sich den Umstand zu Nutze, daß das Füllgut beim Einfüllen in den Behälter im all­ gemeinen eine andere Temperatur besitzt als der Behälter selbst, so daß nach dem Einfüllen an der Füllhöhe ein Kalt/Warm-Übergang an dem Behälter vorhanden ist und von außen meßbar ist. Der Kalt/Warm-Übergang kann mit einer Thermokamera unmittelbar nach dem Einfüllen des Füllguts erfaßt und aus­ gewertet werden. Eine separate Quelle für die Wärmestrahlung ist bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens nicht vorhanden, vielmehr wird die von der Außenwand des Behälters abgegebene Wärmestrahlung zur Erfassung der Füllhöhe untersucht. Die Einrichtung zum Empfang der Wärme­ strahlung kann, wie erwähnt, sowohl aus einer zweidimensiona­ len Matrix-Thermokamera bestehen als auch aus einem Line- Scanner, der die vorbei laufenden Behälter senkrecht zur Trans­ portrichtung abtastet und somit letztlich ebenfalls ein zwei­ dimensionales Bild erzeugt. Wenn nur eine Über- oder Unter­ füllungszone erfaßt werden soll, so sind auch einzelne wär­ meempfindliche Sensoren ausreichend.

Der Kalt/Warm-Übergang ist unmittelbar nach dem Einfüllen des Füllgutes am ausgeprägtesten. Der Temperaturunterschied inner­ halb der Behälterwand verflacht jedoch relativ rasch, und zwar umso schneller, je höher die Wärmeleitfähigkeit des Behälter­ materials ist.

Bei einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kalt/Warm-Übergang an der Füllstandshöhe künstlich erzeugt, indem der Behälter von außen kurzzeitig aufgeheizt wird, z. B. durch einen Infrarot­ strahler, eine Induktionsheizeinrichtung, heiße Luft, heißes Wasser, usw., oder durch kalte Luft oder kaltes Wasser abge­ kühlt wird. Dadurch, daß das Füllgut eine andere und im all­ gemeinen höhere Wärmekapazität als die relativ dünne Behälter­ wand hat, erfolgt die Temperaturänderung im gefüllten unteren Bereich des Behälters wesentlich träger als oberhalb der Füll­ standshöhe, wo nur die Behälterwand ohne das an ihr anliegende Füllgut erwärmt bzw. abgekühlt wird.

Der Wärmeübergang kann wiederum mittels einer Matrix-Thermoka­ mera, einem Line-Scanner oder einzelnen wärmeempfindlichen Sen­ soren abgetastet werden.

Bei Behältern, z. B. Fässern, die langsam transportiert werden, kann der Temperatursprung auch durch Kontaktthermometer detek­ tiert werden.

Bei der Verwendung von Thermokameras und Scannern kann durch Interpolation des Wärmeübergangsbereichs die Erfassung der Füllhöhe noch weiter präzisiert werden.

Versuche haben ergeben, daß je nach der Art und Stärke des Be­ hältermaterials an der Außenseite des Behälters Temperatur­ unterschiede von einigen Zehntel bis einigen Grad innerhalb eines Übergangsbereichs von bis zu 10 mm vorhanden sein kön­ nen. Der Kalt/Warm-Übergang bleibt nach dem Aufheizen oder Ab­ kühlen der Außenseite des Behälters nur für die Zeit von einigen Sekundenbruchteilen bis einigen Sekunden je nach der Wärmeleitfähigkeit des Behältermaterials erhalten, so daß die Erfassungseinrichtung (Matrix-Thermokamera, Line-Scanner, ein­ zelne Wärmesensoren) der Aufheiz- oder Abkühleinrichtung un­ mittelbar nachgeschaltet sein soll.

Der besondere Vorteil dieses Verfahrens gegenüber der voraus­ gehend genannten zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß es zeitlich und räumlich unabhängig vom Vorgang des Füllens des Behälters ist. So ist es dadurch z. B. möglich, nach der Fülleinrichtung, bei der das Füllgut kalt eingefüllt wird, eine Aufheizeinrichtung vorzusehen und dann den Warm/Kalt-Übergang zwischen dem warmen, leeren, oberen Bereich des Behälters und dem kalten, unteren, gefüllten Bereich des Behälters zu detektieren. Umgekehrt kann nach dem Pasteurisie­ ren des Füllgutes eine Kühleinrichtung vorgesehen werden, bei der z. B. mittels einer Kaltwasser-Sprühdüse die Außenseite des Behälters gekühlt wird. Der obere Bereich des Behälters, der nicht mit dem heißen Füllgut in Berührung steht, kühlt dabei wesentlich schneller ab, als der untere Bereich, in dem sich das Füllgut befindet. An der Grenze zwischen beiden ent­ steht wiederum ein Kalt/Warm-Übergang, der in der oben be­ schriebenen Weise detektiert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, wobei die einzige Figur die wesentli­ chen Komponenten einer Vorrichtung zum Erfassen der Füllhöhe von Füllgut in einem Behälter von schräg oben zeigt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden auf einem Transporteur 10 Behälter 20 mit einer vorgegebenen Geschwin­ digkeit transportiert. Die Behälter sind Weißblech-Konserven­ dosen mit etwa 0,5 mm Wandstärke, die für diesen Fall zu etwa 80% mit Wasser gefüllt sind. Seitlich neben dem Transporteur 10 ist eine Erkennungseinrichtung 30 angeordnet, deren optische Achse einen Winkel von 90° zur Transportrichtung hat. Die Erkennungseinrichtung 30 ist ein Thermokamerasystem mit einer Linse 31, einem einzeiligen, gekühlten Dioden-Array 32, dessen Empfindlichkeit im Bereich von 1 bis 6 µm Wellenlänge liegt, einem Verstärker 33, der die von dem Dioden-Array 32 erzeugten Signale verstärkt, sowie eine Auswerteinrichtung 34, die die verstärkten Signale des Dioden-Arrays 32 ausliest. Durch den Vorschub der Behälter 20 in Transportrichtung wird durch die Auswerteinrichtung 34 ein zweidimensionales Bild der Behälter erzeugt. Durch einen Taktgeber 50 wird die Trans­ portgeschwindigkeit des Transporteurs 10 ermittelt, so daß das Wärmebild zeilengerecht aus den einzelnen vertikalen Zeilen zusammengesetzt werden kann. Das erhaltene zweidimensionale Bild wird nach bekanntem Standardverfahren auf das Vorhanden­ sein von Graustufen untersucht, wobei die Graustufen Tempera­ turübergängen entsprechen. Die Breite derartiger Übergangs­ bereiche liegt etwa in der Größenordnung von 5 mm. Zur Verbesserung der Auflösung werden die Werte in diesem Bereich interpoliert. Bei einer Anzahl von 256 Bildelementen (= Anzahl der Dioden) innerhalb eines Bildausschnittes, der in einem Bereich von 2 cm Höhe der Behälterwand entspricht, kann dadurch eine Meßgenauigkeit von unter 1 mm erreicht werden.

Unmittelbar vor der Erkennungseinrichtung 30 befindet sich eine tunnelförmige Aufheizeinrichtung 40, in der die Behälter 20 dadurch aufgeheizt werden, daß kurzzeitig Heißluft auf die Außenseite der Behälter 20 gerichtet wird. Der Abstand zwi­ schen dem Ende der Aufheizeinrichtung 40 und der Stelle längs des Transporteurs 10, an der die Außenseite der Behälter 10 durch die Erkennungseinrichtung 30 untersucht wird, wird so gewählt, daß an dieser Stelle und zu dem betreffenden Zeit­ punkt ein möglichst deutlicher Temperaturunterschied zwischen dem unteren, mit Wasser gefüllten Bereich und dem oberen, leeren Bereich des Behälters besteht. Am Ende der Aufheiz­ strecke 40 ist der Temperaturunterschied zwischen dem oberen und unteren Bereich des Behälters noch nicht sehr ausgeprägt. Der untere Teil kühlt jedoch nach Verlassen der Aufheizstrecke 40 wesentlich schneller ab, da ihm durch das Wasser Wärme ent­ zogen wird, das an der Innenseite des Behälters anliegt. Der obere Teil des Behälters kühlt dagegen wesentlich langsamer ab, da er nur durch Wärmeleitung innerhalb des Behälterma­ terials in vertikaler Richtung, durch Abstrahlung, Konvektion, usw. seine Temperatur verändert. Bei üblichen Weißblech-Kon­ servendosen ist dieser Temperaturunterschied etwa bis 1 Sekunde nach dem Verlassen der Aufheizstrecke 40 deutlich ausgeprägt. Bei einer Transportgeschwindigkeit von 1 m/sek kann daher der Abstand zwischen der Stelle, an der die Füllhöhe erfaßt wird, und der Aufheizstrecke 40 bis zu 1 m betragen.

Bei der Beförderung der Behälter 20 auf dem Transporteur 10 schwappt flüssiges Füllgut innerhalb des Behälters 20 hin und her, wodurch die Auswertung des Wärmebildes der Behälterober­ fläche erschwert wird. Durch eine möglichst ruhige Führung des Transporteurs 10 sollen diese Schwappeffekte möglichst un­ terbunden werden. Bei der Auswertung des Wärmebildes der Be­ hälteroberfläche führen diese Schwappeffekte dazu, daß der Kalt/Warm-Übergang wellenförmig und weniger ausgeprägt ist, so daß eine hohe Temperatur-Auflösung notwendig ist. In dem Aus­ führungsbeispiel wurde eine Auflösung von 0,2°C erreicht, wo­ bei der maximale Temperaturunterschied innerhalb der Behälter­ oberfläche 10°C betrug. Die Wellenförmigkeit des Kalt/Warm- Übergangs kann dadurch eliminiert werden, daß über den Durchmesser des Behälters gemittelt wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erfassen der Füllhöhe von Füllgut in einem Behälter, wobei elektromagnetische Strahlung untersucht wird, die von dem Behälter ausgeht oder von ihm durchge­ lassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge im Infrarotbereich von 1 µm bis 1 mm hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwi­ schen 1 und 12 µm untersucht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung von einer separaten Strahlungsquelle erzeugt wird und eine Wellenlänge auf­ weist, für die das Material des Behälters im wesentlichen durchlässig ist, während es von dem Füllgut absorbiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Behälter ausgehende Wärmestrahlung unter­ sucht wird, wobei der obere, kein Füllgut enthaltende Teil des Behälters eine andere Temperatur aufweist als der un­ tere, Füllgut enthaltende Teil des Behälters.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturunterschied zwischen oberem und unterem Teil des Behälters dadurch erreicht wird, daß das Füllgut beim Ein­ füllen eine Temperatur aufweist, die von der des Behälters abweicht.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturunterschied dadurch erzielt wird, daß der Behäl­ ter nach dem Einfüllen von außen erwärmt oder abgekühlt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Infrarotstrahlung durch eine Matrix- Thermokamera, einen Line-Scanner oder eine Anzahl für In­ frarotstrahlung empfindlicher Fotodetektoren aufgenommen wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Einrichtung zur Beförde­ rung der Gegenstände zwischen einer festangeordneten Strahlungsquelle und einer Empfangseinrichtung für die Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungs­ quelle Wärmestrahlung aus sendet und die Empfangsein­ richtung diese Wärmestrahlung empfängt.

9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach An­ spruch 5, mit einer Transporteinrichtung für die Behälter, mit einer Einrichtung zum Füllen der Behälter und mit einer Einrichtung zum Empfangen von Strahlung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung unmittelbar in Bewegungsrichtung nach der Fülleinrichtung angeordnet ist und zum Empfang von Wärmestrahlung eingerichtet ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach An­ spruch 6 mit einer Transporteinrichtung (10) für die Behälter (20) und mit einer Empfangseinrichtung (30) für die Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ein­ richtung (40) zum Erwärmen oder Abkühlen der gefüllten Behälter (20) vorgesehen ist und die Empfangseinrichtung (30) unmittelbar in Bewegungsrichtung nach der Einrichtung (40) zum Abkühlen oder Wärmen der Behälter vorgesehen ist und daß die Empfangseinrichtung (30) zum Empfang von Wärmestrahlung eingerichtet ist.