WO2009138246A1

WO2009138246A1 - Verfahren zum in-line messen des erstarrungs-, kontraktions- sowie des wandablöseverhaltens von in der produktion in formen gegossener confectionary-/schokoladenprodukte und vorrichtung zum durchführen dieses verfahrens

Info

Publication number: WO2009138246A1
Application number: PCT/EP2009/003484
Authority: WO
Inventors: Erich J. Windhab; Yvonne Mehrle; Bruno Pfister
Original assignee: ETH Zürich
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2009-11-19
Also published as: EP2277038A1; EP2277038B1; US20110174077A1; DE102008024050A1; DE102008024050B4; US8522616B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren des Verfestigungsverhaltens von gießfähigen und erstarrenden bzw. zu verfestigenden Massen, insbesondere von Schokoladen, und deren Ablöseverhalten von diese Massen berührenden Begrenzungswänden, insbesondere Formen. Es werden Lösungen angeboten, wie eine Optimierung des Ausformzeitpunktes und der Produktoberflächenqualität unter Berücksichtigung der Prozessgrößen wie Kühltemperatur, Kühlgeschwindigkeit und Bandgeschwindigkeit realisiert werden können.

Description

Verfahren zum in-line Messen des Erstamings-, Kontraktions- sowie des

Wandablöseverhaltens von in der Produktion in Formen gegossener Confectionary-ZSchokoladenprodukte und Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum in-line Messen des Erstarrungs-, Kontraktions- sowie des Wandablöseverhaltens von in der Produktion in Formen gegossener Confectionary-/Schokoladenprodukte.

Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Bei der Produktion stückiger Confectionary-/Schokoladen Produkte wird die noch flüssige Schokolade oder Füllmasse in Formen gefüllt und im weiteren Prozessverlauf einer Kühlungsbehandlung unterzogen. Die gefüllten Formen wer- den in einer Kühlkammer (batchweise) oder einem Kühltunnel (kontinuierlich) abgekühlt. Dabei erfolgt durch die einsetzende Verfestigungskristallisation der Fettkomponente, welche in der Regel die kontinuierliche zunächst fluide Suspensionsphase bildet, eine Volumenkontraktion, die in ihrer Ausprägung von Fettgehalt (i), Fettart/Fettmischung (ii) sowie Art und Grad einer eventuellen Vorkris- tallisation (iii) abhängt und das Produkt dadurch von der umgebenden Gießform ablösen lässt. Für eine fehlerfreie und homogen glänzende Schokoladenproduktoberfläche ist es wichtig, dass sich die Schokolade vor dem Austafeln gleichmäßig und gänzlich von der Formenwand ablöst, um keine Haftflecken/Kühlflecken oder in der Form wandanhaftend verbleibende Produktteile entstehen zu lassen.

Bisher wird der Zeitpunkt ab dem ohne Qualitätseinbussen ein Produkt ausgeformt werden kann empirisch durch Probieren bestimmt. Dies führt zu langwieriger und Produktausschuss bedingende Einstellzeit des Kühlteils der Produktionsanlage. Änderungen von Produktrezeptur, Rohstoffen, Formengröße, Formenmaterial, RaurrWUmgebungstemperatur, Kühltemperatur, Kühlluftgeschwindigkeit und Ver- weilzeit in der Kühlstrecke sind Einflussgrößen, welche die Kinetik der Abküh- lungs-, Erstarrungs- und Wandablösevorgänge maßgeblich beeinflussen.

Mit der erfindungsgemäßen, innovativen in-line Messvorrichtung ist es nun erst- mals möglich, den Verlauf von Abkühlung (i), Erstarrung (ii) und Produktablösung von der Formenwand (iii) exakt und in-line zu ermitteln. Dies schafft erstmals die Möglichkeit eine optimierte Auslegung des Kühlprozesses unter Berücksichtigung aller vorab genannten Einflussparameter zielgerichtet vorzunehmen. Optimierungskriterien sind: (i) die exakte Festlegung des Ausformzeitpunktes aus der Gießform, (ii) dessen weitest gehende Verkürzung unter (iii) Gewährleistung einer optimalen, optisch homogenen, glänzenden Produktoberfläche, vorzunehmen. Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik, welcher eine in-line Detektion der Verfestig u ngs- und Formenwand-Ablöseverhaltens bislang nicht erlaubt bedeuten erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahren (a) eine Reduktion von Fehlproduk- tionen, (b) verbesserte Produktqualitätskonstanz und (c) verlängerte Lebensdauer der Gießformen, was deutliche Kostenreduktion und erweitertes Marktpotential realisieren lässt.

Literatur- und Patentrecherchen haben ergeben, dass bislang keine erfindungs- gemäß realisierte in-line Messvorrichtung zur Ermittlung des Erstarrungs-, Kontraktions- und Formenwandablöseverhaltens von Schokoladen oder schokoladenähnlichen Produkten beschrieben ist. In der Schokoladenindustrie werden z. T. optische Messgeräte eingesetzt, die nach erfolgter Ausformung Produkte aussortieren, welche den gewünschten Oberflächenqualitätskriterien nicht entsprechen. Aufgrund der Anzahl aussortierter Teile pro Zeiteinheit wird beispielsweise der Durchsatz über die Geschwindigkeit des Formentransportbandes verändert.

In der Spritzgusstechnik wird an ein oder zwei Orten in der Gießform mittels Druckmessung festgestellt, wann sich das Bauteil an dieser Stelle von der Wand gelöst hat. Bei diesem Verfahren wird nur der Zeitpunkt des Ablösens an einer (bzw. zwei) Stelle(n) bestimmt. Des Weiteren besteht die Oberfläche des Druck- sensors aus einem anderen Material als die Gießform selbst, was bewirkt, dass der Ablöseprozess von der Druckaufnehmeroberfläche nicht repräsentativ für das Ablöseverhalten vom Formenwandmaterial ist. Für Confectionary Produkte ist es ferner unerwünscht, wenn anstelle einer einheitlich glänzenden Produktoberfläche, Abdrücke von Sensoreinbauten sichtbar würden.

Ultraschall wird als Basis für Messtechniken zur Ermittlung von Materialstrukturen in verschiedenen Industriebereichen verwendet. Beispielsweise wird das Ultraschallreflexionsverhalten an Materialien unterschiedlicher Dichte bzw. unterschiedlicher Schallgeschwindigkeiten genutzt, um Materialfehler u. a. in metalli- sehen Werkstoffen zu detektieren /1-3/. In der Bauindustrie kommt Ultraschallmesstechnik zum Einsatz, um Betonwände auf Lunker (eingeschlossene Lufthohlräume) zu untersuchen. In der Medizintechnik werden Gewebestrukturen unter- schiedlicher Dichte aus diagnostischen Gründen visualisiert /4/. Im Falle bewegter Medien/Objekte können Ultraschall-Doppler Verfahren Geschwindigkeitsfelder bzw. Volumenströme detektieren lassen 151. Die Kopplung von Ultraschall-Doppler und Druckmesstechnik ermöglicht in-line Messungen komplexer rheologischer Eigenschaften /6,7/.

Aus der FR 2 656 425 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Betonelementen vorbekannt, wobei es für die Prüfung von Spannbeton von wesentlicher Bedeutung ist, dass man die Festigkeit kennt, die der Beton im Zeitpunkt des Lösens der Bewehrungen nach dem Trocknungszyklus erreicht hat. Dies hat nämlich Einfluss auf die Haftung zwischen Stahl und Beton und damit auf die definitiven Eigenschaften des vorgespannten Elements. In der Gießform werden hierzu Ultraschallumformer eingesetzt, die an einer Wand der Gießform angeordnet werden, die einer anderen Wand gegenüberliegt, an der mindestens ein Umformer-Empfänger befestigt ist. Außerdem wird eine elektronische Einheit verwendet, die mit den einzelnen Umformern verbunden ist und dazu bestimmt ist, die Ausbreitungszeiten mindestens einer Welle festzustellen, die sich im Beton zwischen einem Umformersender und mindestens einem Umformerempfänger ausbreitet. Es ist außerdem ein programmierbarer Rechner vorhanden, der am Eingang mit der elektronischen Einheit und am Ausgang mit einer Anzeigevorrichtung verbunden und dazu bestimmt ist, die genannten Ausbreitungszeiten der Wellen zu verarbeiten, um kontinuierlich Daten bzgl. der Entwicklung mindestens eines Merkmals des Betonelements zu liefern. Die Vorrichtung selbst besteht aus einer Gießform, in die frischer Beton gegossen wird, der gerüttelt wird. Die Gießform ist mit den Ultraschallumformern ausgerüstet und weist mindestens einen Sender auf, der an einer der vertikalen Wände der Gießform befestigt ist, während mehrere Empfänger an der gegenüberliegenden Wand der Gießform angeordnet sind. Die Gießform selbst ist mit mehreren Wärmevorrichtungen verbunden, die den Beton erwärmen sollen, um dessen Härtung zu beschleunigen. Insgesamt sollen die Messwerte herangezogen werden, um die Trocknung von Beton während eines Trocknungszykluses zu analysieren und dadurch die Trocknungs- zyklen optimieren zu können. Es soll dadurch eine rasche hohe Aushärtung des Betons möglich werden.

Der Aufsatz von R. Saggin, et. al., „Measurement of solid fat content by Ultrasonic reflectance in model Systems and chocolate", Food Research International 35, (2002), S. 999-1005, betrifft die Kontrolle von Inhaltsstoffen bei der Herstellung von Schokoladenprodukten durch Messung des Fettgehalts (solid fat content - SFC). Durch die Messung des SFC-Gehalts lässt sich das Ausformverhalten von Confectionary-/Schokoladenprodukten nicht bestimmen.

Die US 2006/0123914 A1 betrifft die Messung des Aushärteverhaltens von Kunststoffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum in-line Messen des Erstarrungs-, Kontraktions- sowie des Wandablöseverhaltens von in Formen gegossener Confectionary-/Schokoladenprodukte zu schaffen, um den Ausform- Zeitpunkt von in Gießformen gegossener, erstarrender Produkte aus diesen Stoffen optimal bestimmen zu können.

Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zur Durchführung des Verfahrens eine vorteilhafte Vorrichtung vorzuschlagen.

Die Aufgabe betreffend das Verfahren wird durch die in Patentanspruch 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Beim Abkühlen von in Formen gegossenen Confectionary/Schokoladeprodukten kann deren Verfestigungsvorgang sowie deren auf Grund produkttypischer Volumenkontraktion erfolgendes Ablösen von der Gießformenwand bislang nicht während des Abkühlvorganges in-line ermittelt werden. Die Konsequenz für Hersteller solcher Produkte sind entweder zu lange Verweilzeiten im Kühl-/ Erstarrungs- prozess mit resultierend nur teilgenutzter Produktionskapazität (i) oder zu kurze Verweilzeiten mit in der Folge resultierendem Teilanhaften von Produkt an der Formenwand und somit schlechtem Auslösen desselben aus der Gießform im Verbund mit Produktschädigung (Oberflächenfehler) und Formenverschmutzung (ii). Bei der Erfindung werden Erstarrungs- und Wandablösevorgänge während des Kühl-/Erstarrungsschrittes in der Produktion gegossener Confectionary/Schokoladenprodukte in-line gemessen, um eindeutige Kriterien für die optimierte Einstellung von Kühl-/ Erstarrungsprozessparametern wie z. B. Kühltemperatur, Kühlluftgeschwindigkeit, Verweilzeit in der Kühlstrecke (z. B. be- stimmt über Bandgeschwindigkeit) zu liefern. Derartige Informationen werden entweder telemetrisch an einen Steuer-/Regelrechner oder externen Computer übertragen oder nach Durchlauf einer mit entsprechender Messtechnik und Elektronik bestückten Gießform via Computer ausgelesen. Auf der Basis der erfindungsgemäßen in-line Messtechnik lässt sich die Produktqualität optimieren.

Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die nicht invasive Messung der Verfestigungseigenschaften und des Ablösezeitpunkts von in Formen gegossenen Massen, welche in einem geeigneten Prozess, z. B. einem Kühlprozess der Verfestigung/Erstarrung unterzogen werden. Aus dem charakteristischen Mess- kurvenverlauf werden Grad der Verfestigung und der Ablösung der erstarrten Masse von der Formenwand genau bestimmbar. Mittels Signalgenerator wird zum Beispiel der Ultraschallsender angeregt und aus gesandtem und vom Empfänger empfangenem Schwingungssignal die Amplitudendämpfung sowie die Phasenverschiebung der leeren Form bei Raumtempe- ratur ermittelt. Somit ist ein formenspezifisches Kalibriersignal gespeichert. Danach kann die Form im Gießprozess eingesetzt werden.

Die gesendeten Ultraschallwellen breiten sich im Gießformenmaterial und der gegebenenfalls eingegossenen Masse, zum Beispiel Schokolade, aus, und werden vom Empfänger detektiert. Dabei kommt es zu Energieverlusten in Folge von Energieabsorption, das heißt, dissipativen Umwandlung von Schwingungsenergie in molekulare Reibung und zur Schwingung mit angeregtem Material, was zur Abschwächung des Empfänger-Amplitudensignals und dessen Phasenverschiebung führt. Je viskoser das in Schwingung versetzte Material ist, umso stärker erfolgt die dissipative Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung. Je elastischer dasselbe ist, umso entsprechend weniger sind Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung ausgeprägt. Neben der Materialart der Gießform nimmt das mit in Schwingung versetzte, an der Formenwand anhaftende Material des in die Form eingegossenen Produktes Einfluss auf die dämpfungsbedingte Veränderung der Schwingung. Somit wird letztere auch von der Art des eingegossenen Materials, seiner Viskosität sowie der Temperatur und der Festigkeit des Haftverbundes zwischen Formen- und Gießmaterial abhängig. Liegt ein fester Haftverbund zwischen Formenwand- und Gießmaterial vor und besitzen diese beiden Materialien eine vergleichbare Schallgeschwindigkeit, so kann die Ultraschallwelle verlustarm von Formenwandmaterial ins Gießmaterial übertreten. Herrschen allerdings große Unterschiede in der Schallgeschwindigkeit zwischen benachbarten Materialphasen, wie dies beispielsweise bei Ausbildung eines, wenngleich sehr engen Luftspaltes zwischen der Gießformenwand und dem Gießmaterial nach dessen Wandablösung der Fall ist, so werden die Ultraschallwellen an der Phasengrenzfläche verstärkt reflektiert. Damit wird das Gießmaterial nur noch reduziert in die Schwingung mit einbezogen.

Beim Abkühlen von Schokolade bzw. schokoladenartigen Massen als Gießmaterial und typischen Kunststoffformen (Macrolon) als Wandmaterial erfolgt bei einsetzender Verfestigungskristallisation der Schokolade deren bis ca. 1-3%-ige Vo- lumenkontraktion. Diese führt schließlich zur Ablösung des Gießmaterials von der Formenwand. Dabei entsteht zwischen Formwand und Schokolade ein dünner Luftspalt, an dem die Ultraschall-Welle teil reflektiert wird, was eine Reduktion der Amplitudendämpfung nach sich zieht, d. h. für das empfangene Signal steigt die Amplitude in Folge reduzierter Dämpfung. Da die Ablösung von der Formenwand lokal beginnt und voranschreitet bis die vollständige Ablösung erfolgt, ist von einer mehr oder weniger stetigen Zunahme des empfangenen Amplitudensignals über diesen Zeitraum auszugehen. Die Schokolade durchläuft während des Abkühlprozesses verschiedene „Konsistenz-Stadien", von flüssig über pastös bis fest. Da - wie vorbeschrieben - die Dämpfung des Ultraschallsignals von Viskosität, Temperatur und Haftverbund Gießmaterial/Formmaterial abhängt, repräsentiert das empfangene Schallsignal eine Überlagerung aller dieser Abhängigkeiten. Wie jedoch überraschenderweise gefunden werden konnte, zeigt sich sobald die Schokolade von der Wand löst, dass der damit verbundene Reduktionseffekt der Amplitudendämpfung die anderen Einflüsse eindeutig dominiert. Damit kann aus dem Maximum des empfange- nen Amplitudensignals eindeutig der relevante Zeitpunkt der vollständigen Ablösung der Gießmasse von der Formenwand eingegrenzt werden. Dieser Zeitpunkt markiert die benötigte Kühldauer, um ein optimal glänzendes Oberflächenergebnis zu erzielen. Dies wurde mittels Austafeltests bestätigt, die zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt wurden.

Nach Überschreiten des derart ermittelten Amplitudenmaximums (= Dämpfungsminimums) bewirkt der weitergehende Abkühlvorgang des Formmaterials eine stetige Amplitudenreduktion. Im Falle des Auftretens von „Zwischenmaxima" während des fortschreitenden Ablösevorganges der Gießmasse von der Formenwand, ist die Stetigkeit des einem solchen Zwischenmaximum nachfolgenden Signals in aller Regel nicht gegeben, d. h. es folgt ein unstetiger Kurvenverlauf der Amplitu- denfunktion über der Zeit in Folge weiterschreitender Teilablösung von der Formenwand. Zeigt das Folgesignal nach Auftreten eines Maximums jedoch stetigen Verlaufscharakter, z. B. eine weiterschreitende stetige Abnahme in Folge weitergehender Abkühlung, dann ist dies - wie gezeigt werden konnte - ein hinreichen- des Maß dafür, dass das betreffende Amplitudenmaximum dem Punkt der vollständigen Ablösung entspricht.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt somit den Einbau einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in eine Form, verfolgt das Verfestigungs- /Erstarrungsverhalten der in die Form gegossenen Masse in-line während des Kühlprozesses und übermittelt die entsprechenden Daten an einen Prozessrechner. Damit wird der optimale Zeitpunkt für die Ausformung exakt ermittelt und minimale Prozesszeit sowie optimale Produktqualität über eine mit dem Prozessrechner gekoppelte Regelung, welche die Stellgrößen: Kühltemperatur, Kühlluft- geschwindigkeit und Bandgeschwindigkeit berücksichtigt, erzielt.

In den Patentansprüchen 2 bis 5 sind weitere vorteilhafte erfinderische Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die der Vorrichtung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 6 gelöst.

Diese Vorrichtung lässt sich mit einfachen Mitteln verwirklichen und erzielt ein zuverlässiges Messergebnis. Durch diese einfachen Mittel lassen sich die Investitionen für die sonst üblichen Fertigungslinien gegenüber dem Stand der Technik erheblich verringern und auch die Bauabmessungen wie Länge eines Kühltunnels usw. drastisch verkürzen.

Die Patentansprüche 7 bis 20 beschreiben erfindungsgemäße Ausgestaltungen der im Anspruch 6 gekennzeichneten Vorrichtung.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Formenwand von der Unterseite her gesehen; Fig. 2 ein Amplituden-Zeitdiagramm mit Ultraschall-Sendesignal und Ultraschall- Empfängersignal;

Fig. 3 ein Amplituden-Zeitdiagramm für Milchschokolade;

Fig. 4 ein Amplituden-Zeitdiagramm mit dem Temperaturverlauf in zu verfestigender Schokolade im Vergleich zum Amplitudenverlauf als Funktion der Zeit, und

Fig. 5 ein Amplituden-Zeitdiagramm mit verschiedenen Kühltemperaturen bei Milchschokolade.

a) Geometrie / Anordnung (Fig. 1)

Die Messvorrichtung besteht aus zwei Ultraschallsensoren (Sender 1 und Empfänger 2), welche mit der Wand der zu befüllenden Gießform 3 derart verbunden werden, dass kein direkter Sensorkontakt zum Gießmaterial entstehen kann. In der Regel bedeutet dies, dass eine wandrückseitige Installation erfolgt. Der Abstand der beiden Sender und Empfänger (Sensoren) wird bevorzugt so ge- wählt, dass eine möglichst lange von Gießmaterial überdeckte Strecke in einer Gießform dazwischen liegt.

Auf der Rückseite der „Mess-Gießform" sind des weiteren ein Mikrocompu- ter/Mikroprozessor 6 in wasserfestem Gehäuse sowie eine diesen mit Spannung versorgende Batterie-Spannungsquelle 5 mit der Form fest verbunden, angeordnet. Zur Messung der Massetemperatur an der Formenwand ist zusätzlich die Integration von Thermoelementen 4, montiert von der Formenrückseite, gegebenenfalls mit Gießmassekontakt, vorgesehen.

b) Funktionsweise (Fig. 2, 3)

Mittels Signalgenerator wird der Ultraschallsender 1 angeregt und aus gesandtem und vom Empfänger 2 empfangenem Schwingungssignal die Amplitudendämp- fung sowie die Phasenverschiebung der leeren Form bei Raumtemperatur ermittelt. Somit ist ein formenspezifisches Kalibriersignal gespeichert. Danach kann die Form im Gießprozess eingesetzt werden.

Die gesendeten Ultraschallwellen 7 breiten sich im Gießformenmaterial und der gegebenenfalls eingegossenen Masse (z. B. Schokolade) aus und werden vom Empfänger 2 detektiert. Dabei kommt es zu Energieverlusten in Folge Energieabsorption, d. h. dissipativen Umwandlung von Schwingungsenergie in molekulare Reibung im zur Schwingung mit angeregten Material, was zur Abschwächung des Empfänger-Amplitudensignals 8, 9 (Amplitudendämpfung 10, 11) und dessen Phasenverschiebung 12 führt. Je viskoser das in Schwingung versetzte Material ist, umso stärker erfolgt die dissipative Amplitudendämpfung und Phasenverschie- bung. Je elastischer dasselbe ist, umso entsprechend weniger sind Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung ausgeprägt. Neben der Materialart der Gießform nimmt das mit in Schwingung versetzte, an der Formenwand anhaftende Material des in die Form eingegossenen Produktes Einfluss auf die dämpfungsbedingte Veränderung der Schwingung. Somit wird letztere auch von der Art des eingegossenen Materials, seiner Viskosität sowie der Temperatur und der Festigkeit des Haftverbundes zwischen Formen- und Gießmaterial abhängig. Liegt ein fester Haftverbund zwischen Formenwand- und Gießmaterial vor, und besitzen diese beiden Materialien eine vergleichbare Schallgeschwindigkeit so kann die Ultraschallwelle verlustarm von Formenwandmaterial ins Gießmaterial übertreten. Herrschen allerdings große Unterschiede in der Schallgeschwindigkeit zwischen benachbarten Materialphasen, wie dies beispielsweise bei Ausbildungen eines, wenngleich sehr engen Luftspaltes zwischen der Gießformenwand und dem Gießmaterial nach dessen Wandablösung der Fall ist, so werden die Ultraschallwellen an der Phasengrenzfläche verstärkt reflektiert. Damit wird das Gießmaterial nur noch reduziert in die Schwingung mit einbezogen. Beim Abkühlen von Schokolade bzw. schokoladenartigen Massen als Gießmaterial und typischen Kunststoffformen (Macrolon) als Wandmaterial erfolgt bei einsetzender Verfestigungskristallisation der Schokolade deren bis ca. 1-3%-ige Volumenkontraktion. Diese führt schließlich zur Ablösung des Gießmaterials von der Formenwand. Dabei entsteht zwischen Formwand und Schokolade ein dünner Luftspalt, an dem die Ultraschall-Welle teilreflektiert wird, was eine Reduktion der Amplitudendämpfung nach sich zieht, d. h. für das empfangene Signal steigt die Amplitude in Folge reduzierter Dämpfung. Da die Ablösung von der Formenwand lokal beginnt und voranschreitet bis die vollständige Ablösung erfolgt, ist von einer mehr oder weniger stetigen Zunahme des empfangenen Amplitudensignals über diesen Zeitraum auszugehen.

Die Schokolade durchläuft während des Abkühlprozesses verschiedene „Konsistenz-Stadien", von flüssig über pastös bis fest. Da - wie vorbeschrieben - die Dämpfung des Ultraschallsignals von Viskosität, Temperatur und Haftverbund Gießmaterial/Formmaterial abhängt, repräsentiert das empfangene Schallsignal eine Überlagerung aller dieser Abhängigkeiten. Wie jedoch überraschenderweise gefunden werden konnte, zeigt sich sobald die Schokolade von der Wand löst, dass der damit verbundene Reduktionseffekt der Amplitudendämpfung die ande- ren Einflüsse eindeutig dominiert. Damit kann aus dem Maximum des empfangenen Amplitudensignals (Fig. 3, 18) eindeutig der relevante Zeitpunkt der vollständigen Ablösung der Gießmasse von der Formenwand eingegrenzt werden. Dieser Zeitpunkt markiert die benötigte Kühldauer, um ein optimal glänzendes Oberflächenergebnis zu erzielen. Dies wurde mittels Austafeltests bestätigt, die zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt wurden.

Nach Überschreiten des derart ermittelten Amplitudenmaximums (= Dämpfungsminimums) bewirkt der weitergehende Abkühlvorgang des Formmaterials eine stetige Amplitudenreduktion (Fig. 3, 19). Im Falle Auftreten von „Zwischenmaxima" (Fig. 3, 17) während des fortschreitenden Ablösevorganges der Gießmasse von der Formenwand, ist die Stetigkeit des einem solchen Zwischenmaximum nach- folgenden Signals in aller Regel nicht gegeben, d. h. es folgt ein unstetiger Kurvenverlauf der Amplitudenfunktion über der Zeit in Folge weiterschreitender Teilablösung von der Formenwand. Zeigt das Folgesignal nach Auftreten eines Maximums jedoch stetigen Verlaufscharakter, z. B. eine weiterschreitende stetige Abnahme in Folge weitergehender Abkühlung, dann ist dies - wie gezeigt werden konnte - ein hinreichendes Maß dafür, dass das betreffende Amplitudenmaximum dem Punkt der vollständigen Ablösung entspricht.

c) Messergebnisse (Fig.3, 4, 5)

Die Fig. 3 bis 5 zeigen zeitliche Amplitudenverläufe (Empfänger) als Funktion der Prozesszeit für in Macrolon Tafelformen nach Vorkristallisation (Temperierung) ausgegossene Milchschokolade (YM-2.1). In Fig. 4 ist der Temperaturverlauf in der Gießmasse zusätzlich integriert. Fig. 5 demonstriert den Einfluss verschiedener Kühltemperaturen (Kühlluftstrom).

Für die leere Gießform unter Raumtemperaturbedingungen zeigt sich eine Empfänger-Amplitude von ca. 20 mV (Fig. 3, 13), welche während des Einfüllvorganges der Milchschokoladenmasse bei ca. 28°C bis zur vollständigen Füllung der Form auf ca. 1.7 mV abnimmt (Fig. 3, 15). Die danach einsetzende Kühlung (in Fig. 3 mit 10⁰C Kühltemperatur) bewirkt ein Voranschreiten der Verfestigungskristallisation und damit eine Erhöhung der Masseviskosität mit in der Folge wei- tergehend verstärkter Amplitudendämpfung (bis ca. 0.023 mV Amplitudensignal). Nach ca. 380 Sekunden ab Kühlbeginn ist die Masse in der Gießform weitgehend erstarrt, und in Folge der damit verbundenen Massekontraktion beginnt die Ablösung von der Formenwand. Dies bewirkt die fortschreitende in der Regel nicht gleichmäßig voranschreitende Luftspaltausbildung zwischen Formwand und Masse und somit nicht eine stetig abnehmende Amplitudendämpfung (Fig. 3, 17). Ein Maximum der Amplitude bei ca. 550 s mit nachfolgend deutlich verbessert stetig fortschreitende Abnahme entspricht der vollständigen Masseablösung von der Formenwand (Fig. 3, 18) und damit den idealen Ausformungszeitpunkt. Die Amplitudenabnahme nach Durchschreiten dieses Maximums im Amplitudenverlauf kann der weiteren Abkühlung des Systems zugeschrieben werden. Dies wird in Fig. 4 durch den zusätzlich synchron zum Amplitudenverlauf dargestellten zeitlichen Temperaturverlauf in der abkühlenden Masse (Fig. 4, 20) demonstriert. Die entsprechende Temperaturmessung erfolgte in der Masse mittels integriertem Thermoelement (vgl. Fig. 1 , 4).

Fig. 5 zeigt eindrücklich auf, dass eine auf breiter Skala variierte Kühltemperatur (hier zwischen 0 und 1O⁰C) einen in der charakteristischen Form gleichartigen zeitlichen Amplitudenverlauf resultieren lässt, aus dessen jeweiligen Maximum nach Kühlbeginn die optimalen Ausform-/Austafelungszeiten bei entsprechender Kühltemperatur eindeutig zu entnehmen sind (Fig. 5, 22, 23, 24, siehe auch Tabelle in Fig. 5). Die zeitlichen Verläufe der Amplituden- und Temperaturfunktio- nen können mittels drahtloser Verbindung (wireless) aus dem Prozess praktisch verzögerungsfrei direkt an einen Prozessrechner oder externen Computer übertragen werden. Alternativ kann eine Zwischenspeicherung auf einem elektronischen Baustein erfolgen und nach Entnahme der Mess-Gießform aus dem Prozess (nach Ausformung) via Kabelverbindung ein Auslesen der Daten mittels Computer erfolgen.

Die in der Zusammenfassung, in den Patentansprüchen und in der Beschreibung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Bezugszeichen

1 Ultraschall-Sender

2 Ultraschall-Empfänger

3 Einzel-Giessform

4 Thermoelement (Temperaturmessung)

5 Energiequelle (Batterie oder Akku) 6 Mikroprozessor, Signalverarbeitung, Speicher, (Funk-) Wireless/Telemethe Verbindung

7 Ultraschall Sendesignal

8 Ultraschall Empfängersignal

9 Sinuskurven-Fit für Empfängersignal 10 Ultraschall Sendesignal - Amplitude

11 Ultraschall Empfängersignal - Amplitude

12 Phasenverschiebung zwischen Sender- und Empfängersignal

13 Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude (leere Form, Raumtemperatur)

14 Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude (bei Formfüllen) 15 Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude (gefüllte Form, Kühlbeginn)

16 Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude (Viskositätserhöhung durch Kristallisation) 17 Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude (Teilablösung von Formenwand)

18 Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude (vollständige Ablösung von Formenwand)

19 Ultraschall-Empfängersignal-Amplitude (Leeren der Form, Austafeln) 20 Temperaturverlauf in der verfestigenden Masse (hier Schokolade) als Funktion der Zeit

21 Amplitudenverlauf als Funktion der Zeit

22 Amplitudenverlauf als Funktion der Zeit bei 0⁰C Kühltemperatur

23 Amplitudenverlauf als Funktion der Zeit bei 5°C Kühltemperatur 24 Amplitudenverlauf als Funktion der Zeit bei 10⁰C Kühltemperatur

Literaturverzeichnis

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121 Teodoru, G.: Zerstörungsfreie Betonprüfung: insbesondere Anwendung von Ultraschall; kritische Betrachtungen. Düsseldorf: Beton-Verl., 1989.

/3/ Popovics, J. S., Rose, J. L.: A survey of developments in Ultrasonic NDE of concrete. IEEE Trans, on Ultras., Ferroelectr. and Freq. Contr. 41 (1994), Nr. 1 , S. 140-143.

IAI Berger, R. (2000). Moderne bildgebende Verfahren der medizinischen Diagnostik - ein Weg zu interessanterem Physikunterricht. Diss. Universität München. Berlin: Logos Verlag /5/ Baker D. W. et al. (1978)Doppler principles and techniques; Ed. Fry, FT., Amsterdam, 219-254.

/6/ Ouriev, B., and Windhab, E. (2003). "Transient Flow of Highly Concentrated Suspensions Investigated Using the Ultrasound Velocity Profiler-Pressure Difference Method." Measurement Science & Technology, 14(11), 1963-1972.

/7/ Birkhofer, B., Jeelani, S. A. K., Ouriev, B., and Windhab, E. J. (2006). "Inline characterization and rheometry of concentrated suspensions using ultra- sound." Ultrasound 06, Leeds, UK₁ February 8-10.

/8/ FR 2 656 425 A1

/9/ R. Saggin, et.al., „Measurement of solid fat content by Ultrasonic reflectance in model Systems and chocolate", Food Research International 35 (2002), S.999-1005

/10/ US 2006/0123914 A1

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum in-line-Messen des Erstarrungs-, Kontraktions- sowie des Wandablöseverhaltens von in der Produktion in Formen gegossener Confec- tionary-/Schokoladenprodukte unter Verwendung mehrerer Ultraschallsensoren - Sender und Empfänger -, wobei kein direkter Sensorkontakt zum Gießmaterial besteht und aus gesandtem und von dem betreffenden Empfänger empfangenen Schwingungssignal die Amplitudendämpfung sowie die Phasenverschiebung der leeren Form bei Raumtemperatur ermittelt wird und ein formenspezifisches Kalibriersignal in einem Rechner gespeichert wird, woraufhin die betreffende Gießform für den Gießprozess von Confectionary-/Schokoladenprodukte eingesetzt wird und die vom Sender über das Gießformmaterial und die eingegossenen Confectionary-

/Schokoladenprodukte sich ausbreitenden Ultraschallwellen von dem betreffenden Empfänger detektiert werden und aus der dissipativen Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung aus dem Maximum des empfangenen Amplitudensignals der relevante Zeitpunkt der vollständigen Ablösung der Gießmasse von der Formenwand eingegrenzt werden mit nachfolgend deutlich verbessert stetig fortschreitender Abnahme der Amplitude auf eine voll- ständige Masseablösung von der Formenwand und damit der Zeitpunkt der Ausformung der Confectionary/Schokoladenprodukte bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Maxi- mum des empfangenen Amplitudensignals mit nachfolgend stetiger Abnahme der Amplitude der relevante Zeitpunkt der vollständigen Ablösung der Gießmasse von der Formwand bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Verläufe der Amplituden- und Temperaturfunktionen mittels drahtloser Verbindung aus dem Prozess praktisch verzögerungsfrei direkt an einen Prozessrechner oder externen Computer übertragen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischen- speicherung der zeitlichen Verläufe der Amplituden- und Temperaturfunktionen aus dem Prozess auf einen elektronischen Baustein erfolgen und nach Entnahme der Mess-Gießform aus dem Prozess - nach Ausformung - über eine Kabelverbindung ein Auslesen der Daten mittels Computer erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauf folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in-line ermittelten Daten zum Erstarrungs- /Verfestigungsverhalten der Confectionary-/Schokoladenmassen, das Wand- ablöseverhalten und der Zeitpunkt der vollständigen Wandablösung zur Steuerung oder Regelung der den Verfestigungsprozess beeinflussenden Prozessparameter wie Kühltemperatur, Kühlluftgeschwindigkeit und Bandgeschwindigkeit zur Erzielung minimaler Verweilzeit in dem Prozess und/oder zur Qualitätsoptimierung der Produkteigenschaften genutzt werden.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der darauf folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der die erstarrende Masse begrenzenden Wand, deren Schwingungsverhalten ge- messen wird, mindestens ein Ultraschallsender zur Schwingungsanregung und wenigstens ein Ultraschallempfänger zum Empfang der durch Wandmaterial und berührende Confectionary-/Schokoladenmassen teilweise gedämpften Schwingung, angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die anregende Schwingungsfrequenz des betreffenden Ultraschallsenders auf die Resonanzfrequenz der die erstarrende Confectionary- /Schokoladenmasse begrenzenden Wand abgestimmt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem betreffenden Ultraschallsender und dem zugeordneten Empfänger zwischen einem und einhundert Zentimetern beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder einem der darauf folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der begrenzenden Wand aufgeprägte mechanische Schwingung im Frequenzbereich 100 Hz bis 100 kHz, bevorzugt im Bereich 10 - 7OkHz, in Form eines bevorzugt periodischen, sinusförmigen Signals aufgeprägt wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Formenwand aufgeprägten Schwingungen in Frequenz und Amplitude einstellbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Formenwand aufgeprägten Schwingungsimpulse hinsichtlich Impulslänge, Impulsfrequenz sowie Impulsdauer einstellbar oder fixierbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mechanischer Schwingungserzeuger und Schwingungsempfänger mit der Wand, zum Beispiel einer Giessformen- bzw. Giessunterlagenrückseite und somit nicht produktberührend, verbunden sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Schwingungsgeber und Schwingungssensor in einem Abstand zueinander angeordnet sind, welche einer charakteristischen Längenerstreckung eines gegossenen Produktteiles entspricht.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufzeichnung/Abspeicherung des zeitlichen Verlaufes der betreffenden detektierten Schwingungsantwort erfolgt, wobei diese Aufzeichnung in einer elektronischen Speichereinheit vornehmbar ist und aus der Analyse des zeitlichen Amplitudenverlaufs mit Ermittlung des Amplitudenmaximums mit nachfolgend stetiger Abnahme des Amplitudensignals der Zeitpunkt der Ausformung der Confectionary/Schokoladenprodukte bestimmbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Thermoelementen eine Temperaturmessung an verschiedenen Stellen der Giessformen bzw. Giessunterlagenoberfläche erfolgt und diese Temperaturdaten ebenfalls als Funktion der Zeit mittels Speichereinheit aufzeichenbar sind.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die, die zeitlichen Verläufe von Schwingungsantwort und Temperatur aufzeichnenden Elektronikeinheit mit der Wand, zum Beispiel einer Giessform bzw. Giessunterlage, rückseitig verbunden ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Verläufe von Schwingungsantwort und Temperaturverlauf aus dem elektronischen Speicherbaustein mittels Computer (Laptop) auslesbar oder bestimmbar sind .

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Verläufe von Schwingungsantwort und Temperaturverlauf aus dem elektronischen Speicherbaustein mittels Funkübertragung - drahtlos - während des Verfestigungsprozessablaufes auf einen Prozessrechner oder einen externen Computer (Laptop) übertragbar sind.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der zeitlichen Verläufe von Schwingungsantwort und Temperaturverlauf, welche in-line detektiert und berührungslos via Funkmodul übertragbar sind, die automatische Ermittlung eines Amplitudenmaximums der Schwingungsantwort nach Erstarrungsbeginn mit nachfolgend stetigem, zeitlichen Amplitudenverlauf erfolgt.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wandunterseite, zum Beispiel der Giessformrückseite Ultraschallsender, Ultraschallempfänger,

Thermoelemente, Mikroprozessor, Energiequelle (Batterie) und elektronische Einheit für die drahtlose Datenübertragung oder Datenspeicherung installiert sind.