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Bezeichnung: Sauerstoffanalysengerät und Verfahren zur Be-
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stimmung des Sauerstoffanteils in gasdichten Verpackungen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Sauerstoffanalysengerät, insbesondere
für die Bestimmung des Restsauerstoffanteils in gasdicht verpackten, zum Beispiel
schutzgasverpackten oder evakuiert verpackten Lebensmitteln, mit einer vakuumdichten
Meßzelle, in der sich eine Vorrichtung zur Messung der magnetischen Suszeptibilität
befindet und die einerseits mit einer Absaugleitung verbunden ist, an die eine Vakuumpumpe
anschließbar ist und in die andererseits eine Meßleitung mündet, an die eingangsseitig
vorzugsweise eine Injektionsnadel angeschlossen ist sowie auf ein Verfahren zur
Bestimmung des Sauerstoffanteils in gasdichten Verpackungen, insbesondere schutzgasverpackten
und/oder evakuierten Verpackungen von Lebensmitteln, bei dem der Sauerstoffanteil
durch Messen der magnetischen Suszeptibilität bestimmt wird, indem zunächst eine
Meßkammer evakuiert wird, in diesem Zustand der Sauerstoffanteil in der Meßkammer
bestimmt wird und anschließend in diese Meßkammer eine aus der Verpackung entnommene
Gasprobe eingegeben wird und die hierdurch hervorgerufene Änderung des Sauerstoffanteils
ermittelt wird.
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Das Sauerstoffanalysengerät der eingangs genannten Art ist bekannt
aus dem Deutschen Gebrauchsmuster G 70 30 761.6,
die Benutzung dieses
vorbekannten Gerätes erfolgt nach dem eingangs genannten Verfahren.
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Eine Messung des Restsauerstoffanteils in gasdicht verpackten Lebensmitteln
ist für die Qualitätskontrolle unerläßlich. Je niedriger der Restsauerstoffgehalt
ist, um so länger ist die Haltbarkeit des Produktes. Die Restsauerstoffmessung beruht
auf dem relativ hohen Wert der magnetischen Suszeptibilität, auch Querempfindlichkeit
genannt, des Sauerstoffs. Verglichen mit Sauerstoff ist die Querempfindlichkeit
der meisten Gase gering, sie liegt bei einem Prozent oder darunter.
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Das vorbekannte Sauerstoffanalysengerät arbeitet nicht im Durchfluß
- sondern nach dem Chargenverfahren. Hierzu wird die ein möglichst kleines Volumen
aufweisende Meßkammer zunächst so weit wie möglich entleert und anschließend mit
einer aus der Lebensmittelverpackung entnommenen Gasprobe gefüllt. Die Entnahme
erfolgt vorzugsweise durch eine in die Verpackung eingestochene Injektionsnadel,
es kann aber auch mit einer gasdichten Injektionsspritze eine Gasprobe entnommen
und in die Meßzelle eingeleitet werden. Nach diesem Füllen der Meßkammer, die sich
dabei immer noch unter Unterdruck befindet, wird erneut die Querempfindlichkeit
gemessen und der erhaltene Meßwert über den bekannten Faktor für die magnetische
Suszeptibilität des Sauerstoffs in Sauerstoffanteil umgerechnet.
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Dieses Verfahren liefert dann zutreffende Meßwerte, wenn Sauerstoff
der überwiegende Anteil an der entnommenen Gasprobe ist. Es treten jedoch Probleme
auf, wenn neben Sauerstoff noch ein anderes Gas in der entnommenen Gasprobe enthalten
ist, insbesondere wenn dieses Gas in einer deutlich
größeren Menge
als der Sauerstoffanteil vorliegt. Bei Lebensmitteln, die vor der Verpackung mit
einem sauerstofffreien Schutzgas während des Verpackungsvorganges begast würden,
ist stets auch ein Anteil dieses Schutzgases in der Verpackung enthalten. Der Anteil
des Schutzgases kann, insbesondere bei geringen Drucken innerhalb der Verpackung,
zu einem merklichen Meßfehler bei der Bestimmung des Restsauerstoffgehaltes führen.
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Dieser Fehler durch andere Gase macht sich beispielsweise wie folgt
bemerkbar: Wird die Meßkammer bei Normaldruck ausschließlich mit CO2 oder ausschließlich
mit N2 gefüllt und in diesem Zustand die Anzeige auf Null eingestellt, sodann die
Meßkammer auf einen Druckwert von zwei Millibar evakuiert, so verschiebt sich die
Anzeige auf 0,58 % für CO2 bzw. auf 0,31 % für N2. Diese Werte sind zugleich die
Werte für den maximal möglichen Fehler auf Grund eines zusätzlichen Gases.
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In der Verpackungsindustrie ist man bestrebt, den Sauerstoffgehalt
in Packungen unter ein Vol.-Prozent O2 zu drücken. Berücksichtigt man die oben angegebenen
Maximalwerte, so können Meßfehler bis über fünfzig Prozent des tatsächlichen Restsauerstoffwertes
auftreten. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des
bekannten Sauerstoffanalysengerätes und des mit diesem durchgeführten Verfahrens
zur Bestimmung des Sauerstoffanteils in gasdichten Verpackungen zu vermeiden und
einerseits das bekannte Sauerstoffanalysengerät dahingehend zu verbessern, daß die
Anzeige weitgehend unabhängig ist von dem Beitrag anderer Gase und insbesondere
vom Restdruck
in Vakuumverpackungen. Sowie das Verfahren dahingehend
weiterzuentwickeln, daß eine präzisere Messung des tatsächlich vorhandenen Sauerstoffrestgasanteils
auch dann möglich ist, wenn andere Gase (Schutzgase) in der Packung vorhanden sind.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von dem vorbekannten Sauerstoffanalysengerät
dadurch gelöst, daß der Meßzelle ein Drucksensor für eine Absolutdruckmessung zugeordnet
ist.
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Mit diesem Absolutdruck-Sensor wird der Druckunterschied zwischen
dem Meßdruck in der Meßkammer und Vakuum ermittelt. Da der Hauptbestandteil des
in einer gasdichten Packung enthaltenen Restgases praktisch stets bekannt ist, er
besteht aus dem Schutzgas, kann über den Drucksensor mit ausreichender Genauigkeit
der Restdruck an Schutzgas gemessen und aus diesem Meßwert unter Berücksichtigung
der Querempfindlichkeit des Schutzgases ein Korrekturwert erhalten werden. Der oben
erwähnte Meßfehler kann auf diese Weise deutlich reduziert werden, je besser der
Typ des Restgases bekannt ist, um so genauer kann die Angabe des Restsauerstoffgehaltes
erfolgen.
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Verfahrensmäßig wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß nach
Einleiten der Gasprobe zugleich der absolute Gasdruck in der Meßkammer gemessen
wird und aus dem so ermittelten Gasdruck und der magnetischen Suszeptibilität des
in der Gasprobe enthaltenen Gases ein Korrekturwert für die gemessene magnetische
Änderung des Sauerstoffanteils ermittelt wird, so daß der Einfluß eines anderen
Gases als Sauerstoff, insbesondere eines Schutzgases, in der Meßkammer auf die gemessene
magnetische Suszeptibilität der Gasprobe kompensiert wird.
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Die Vorteile dieses erfindungsgemäßen Sauerstoffanalysengerätes und
des genannten Verfahrens liegen darin, daß man nunmehr in der Lage ist, Vakuumpackungen
von kleiner zwanzig mbar bis Normaldruck ohne Nullpunktsfehler auf ihren Restsauerstoffgehalt
zu analysieren. Wenn, wie es derzeit üblich ist, evakuierte Folienpackungen vor
der Messung bis zum Normaldruck begast wurden, kann es einerseits passieren, daß
die Packung so weit begast wird, daß sie ihr Volumen vergrößert ("weich" wird).
Dies führt zwangsläufig zu einer Verdünnung der Sauerstoffkonzentration und damit
zu einem Meßfehler, falls eine Sauerstoffanalyse nach dem Stand der Technik durchgeführt
wird. Erfindungsgemäß wird dieser Fehler ausgeschlossen. Andererseits tritt häufig
eine schlechte Vermischung beim Begasen auf, an unterschiedlichen Punkten der Packung
erhält man bei Messungen unterschiedliche Meßergebnisse. Auch dieser Nachteil wird
erfindungsgemäß vermieden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung hat das Sauerstoffanalysengerät
entweder einen Umschalter für unterschiedliche Arten von Schutzgasen oder eine kontinuierliche
Verstellung, zum Beispiel ein Potentiometer, für die Einstellung des Wertes der
magnetischen Suszeptibilität der übrigen Restgase. Als Drucksensor wird vorteilhafterweise
ein piezo-resistiv arbeitender Druckaufnehmer mit einer Halbleiter-Widerstandsmembran
benutzt, da er eine proportionale und zudem elektrische Anzeige ermöglicht und praktisch
wartungsfrei ist. Zudem ist das von ihm beanspruchte Meßvolumen, was zu einerVergrößerungder
Meßkammer führt, vorteilhaft klein.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen
Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung
eines nicht einschränkend
zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, das unter Bezugnahme auf die
Zeichnung erläutert wird. In dieser zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines
Sauerstoffanalysengerätes mit einer zu prüfenden Packung und einer angeschlossenen
Vakuumpumpe, und Fig. 2 ein Blockschaltbild des Sauerstoffanalysengerätes.
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Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, hat das erfindungsgemäße Sauerstoffanalysengerät
eine möglichst mit kleinem Volumen ausgeführte, vakuumdichte Meßkammer, in der sich
eine in Figur 1 lediglich skizziert dargestellte Vorrichtung 22 zur Messung der
magnetischen Suszeptibilität befindet.
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Weiterhin ist ein Drucksensor 24 in Form eines Absolutdruckmessers
an der Meßkammer 20 befestigt. Sein Kernstück ist eine dünngeätzte Siliziummembrane
mit Halbleiterwiderstandsstrukturen. Eine Durchbiegung der Membrane führt zu Widerstandsänderungen,
die druck-proportional, reversiebel und elektronisch auswertbar sind. Andere Drucksensoren,
zum Beispiel Piranimanometer oder dergleichen können ebenfalls eingesetzt werden.
Grundsätzlich ist auch eine Messung des Relativdrucks erfindungsgemäß möglich, in
diesem Fall wird nicht die Druckdifferenz zu einem (möglichst guten) Vakuum, sondern
dem Normaldruck gemessen.
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Die Meßkammer 20 ist weiterhin vakuumdicht einerseits mit einer Absaugleitung
26 möglichst geringen Querschnitts verbunden, die ihrerseits über ein Magnetventil
28 an eine Vakuumpumpe 30 angeschlossen ist. Andererseits ist die Meßkammer 20 mit
einer Meßleitung 32 in Form einer flexiblen Kapillare vakuumdicht verbunden, die
an ihrem freien Ende
in eine Injektionsnadel 34 übergeht. Bis auf
den Drucksensor 24 ist diese Einrichtung aus dem genannten Gebrauchsmuster 70 30
361 bekannt.
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Links ist eine gasdichte Packung 36 dargestellt, auf die ein Gummistück
38 zum Zwecke der Sauerstoffrestgasmessung aufgeklebt ist. Beim Betrieb nach dem
Chargenverfahren wird die Injektionsnadel 34 zunächst nur soweit in das Gummistück
eingeschoben, daß ihre frontseitige Öffnung verschlossen ist. In diesem Zustand
kann über die Vakuumpumpe 30 die Meßkammer 20 evakuiert werden. In diesem Zustand
wird das Magnetventil geschlossen. Dann wird die Injektionsnadel 34 ganz durch das
Gummistück 38 in die Packung 36 hineingedrückt. Durch die Nadel 34 strömt Restgas
der Packung 36 in die Meßkammer 20, die so entnommene Gasmenge wird als Gasprobe
bezeichnet. Sie wird einerseits durch die Vorrichtung 22 hinsichtlich ihrer magnetischen
Suszeptibilität gemessen, andererseits wird ihr Absolutdruck, der sich in der Meßkammer
20 einstellt, durch den Drucksensor 24 angefragt.
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Anhand des Blockschemas nach Figur 2 wird nun erläutert, wie die erhaltenen
Meßwerte verarbeitet werden: In dieser Figur ist die Meßkammer 20 gestrichelt angedeutet,
in ihr befinden sich die Vorrichtung 22 und der Drucksensor 24.
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Die Vorrichtung 22 zur Messung der magnetischen Suszeptibilität arbeitet
mit einer (angedeuteten) Drehwaage in einem stark inhomogenen Magnetfeld. Die gemessene
magnetische Suszeptibilität wird über einen Kompensationsstrom I ermittelt, die
Vorrichtung 22 setzt somit (hauptsächlich) den O,-Wert in einen Strom I um. Der
Drucksensor 24 setzt L einen Gesamtdruck p in einen Spannungswert U um. Dieser Spannungswert
U wird in einer Stufe 40 (Spannungs-Strom-
Wandler) in einen Stromwert
umgewandelt und in einer nachgeschalteten Stufe 42 proportional zur Querempfindlichkeit
der entnommenen Gasprobe verändert. Hierzu ist in der Stufe 42 entweder ein Schalter
(zum Beispiel mit den Schaltstellungen Schutzgas N2 oder CO2) oder ein Potentiometer
vorgesehen, das stufenlos auf beliebige Querempfindlichkeiten eingestellt werden
kann. Dabei sind die Werte der typischen Schutzgase zur leichteren Einstellung markiert.
Die Stufen 40 und 42 können in ihrer Reihenfolge auch vertauscht sein.
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Der so über die drei Stufen 24, 40 und 42 erhaltene Stromwert des
Absolutdruckes wird im Punkt 44 in die Ausgangsleitung der Vorrichtung 22 eingespeist
und die erhaltene Summe einem Strom/Spannungswandler 46 zugeleitet. Der erhaltene
Spannungswert wird über eine Leitung 48 einer Stufe 50 zugeführt, diese erhält ebenfalls
über eine Leitung 52 das Ausgangssignal des Drucksensors 24. Das Ausgangssignal
der Stufe 50 wird in der Stufe 54 in einen Stromwert umgewandelt und in einer an
sich bekannten Anzeigevorrichtung 56 analog oder digital angezeigt. Dabei kann entweder
nur der Meßwert der Vorrichtung 22, oder der Meßwertausschließlich des Drucksensors
24 oder der erfindungsgemäß korrigierte Meßwert für den Restsauerstoffanteil ausgegeben
und angezeigt werden.
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