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