CN108968689A - 具有光学测量设备的饮料自动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在使用颗粒（5）的情况下制造饮料的饮料自动装置，其包括用于容纳颗粒（5）的容器（4）、用于将颗粒（5）填充到容器（4）中的填充单元（9）和饮料制备单元（3），其特征在于，饮料自动装置包括用于光学测距的设备（1），所述设备设计用于：基于光辐射（2）的行程以间距值的形式测量容器（4）中的填充水平。本发明此外涉及一种用于填充高度测量的相应的方法。

Description

具有光学测量设备的饮料自动装置

技术领域

本发明涉及一种用于在使用颗粒的情况下制造饮料的饮料自动装置，其具有用于容纳颗粒的容器、用于将颗粒填充到容器中的填充单元和饮料制备单元（3）。本发明此外还涉及一种用于运行饮料自动装置的相应的方法，其具有如下步骤：提供容器、填充容器和借助光学间距测量来测量容器中的填充水平。

背景技术

WO 2010 959 37 A1描述了咖啡制备装置，其具有单独的计量室。在咖啡豆到达煮室之前，咖啡豆被输送至计量室。在计量室中，咖啡豆的必需的量借助水平的和竖直的光辐射测量。

发明内容

本发明的任务在于提供一种用于在使用颗粒的情况下制造饮料的饮料自动装置和一种方法，饮料自动装置或方法能够实现颗粒的改进的填充量测量。

该任务通过根据独立权利要求的饮料自动装置解决和根据权利要求9的方法解决。

根据本发明的用于在使用颗粒的情况下制造饮料的饮料自动装置包括用于容纳颗粒的容器、用于将颗粒填充到容器中的填充单元和饮料制备单元。在此，饮料自动装置尤其是用于制造咖啡饮料的自动装置，优选是咖啡全自动装置（KVA），其中另外的饮料自动装置，例如蛋白质混合饮料自动装置根据应用同样是优选的。

如上面已经列举的那样，概念“颗粒”包括粒状的材料或制备物和粉状的材料，例如咖啡粉。颗粒的之前确定的根据饮料选择必要时改变的量在制备饮料之前被填充到容器中。颗粒不必强制性地以其为了饮料制备期望的形式存储在饮料自动装置中。颗粒能够从外部输送，或者也以更粗糙的形式存在，颗粒为了饮料制备而被捣碎。例如，在咖啡自动装置中为了味道而有利的是，咖啡以咖啡豆的形式存储，并且预设的量的豆只有在咖啡制备时才在研磨工具中研磨。研磨工具在此是填充单元的一部分，或者填充单元至少与研磨工具连接，用于将研磨材料输送到容器中。被研磨的咖啡粉到达容器，容器在制造热饮料时被称为煮锅。

制备饮料在饮料制备单元中进行，其在制造热饮料时被称为煮单元。为此，容器通常在填充后被带到饮料制备单元中。

本发明的特征在于，饮料自动装置包括用于光学间距测量的设备，其设计用于基于光辐射的行程以间距值的形式测量容器中的填充水平。这种用于光学间距测量的设备总是包括光源（尤其是激光二极管）和光电传感器，尤其是光电二极管或光电晶体管。设备以如下方式测量间距或距离：获知光辐射的行程的长度。光辐射的行程产生间距值。

为了光学间距测量通常使用激光辐射，因此，设备也被称为激光测距仪。为了简单起见，随后使用概念“测距仪”，其在此仅涉及光学测距仪。

间距值是从之前确定的出发点到反射用于测量的激光辐射的点的间距。用于测量的光辐射随后被称为“激光辐射”，而不会因此排除另外的可能的光辐射。

为了确定距离，通常必要时利用调制的激光辐射执行运行时间测量或相位测量。

关于间距值，在激光测距仪中总是明确地确定辐射的出发点的相对方位。通常，间距值是发射的和反射的光辐射的行程的一半。例如当在内部考虑到相对于容器底部或容器的上棱边的间距值时，间距值能够附加地增大或减小之前确定的常数。因此，所使用的测量方法原则上不同于基于另外的光学方法（例如借助光栅）的填充高度确定。

由测距仪得到的间距值此外提供了如下认识：容器究竟是否在测量定位上存在，这是因为在其存在的情况下，与当没有容器位于该定位上时相比，被测量的间距值明显更小。

根据优选的实施方式，激光测距仪包括半导体激光器，尤其是激光二极管。通常，半导体激光器是边缘发射器或表面发射器，例如垂直腔面发射激光器（Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL）。与边缘发射器相比，表面发射器具有如下优点：制造成本是很小的，并且其具有比较小的电流消耗。此外，VCSEL是单模可用的，并且关于波长是可调整的，这对于间距测量的精确度来说是有利的。

根据本发明的另外的有利的设计方案，测距仪的光源和光电传感器以唯一的电子构件的形式存在。激光源和光电传感器在激光测距仪中尤其是在唯一的电子构件中实施，尤其是在半导体构件上实施。优选地，激光发射器装备有监测传感器。带有集成的监测二极管的激光二极管是特别优选的。关于VCSEL，纵向集成的监测传感器尤其是优选的，尤其是在后面的镜子的下方集成的光电二极管，或者横向集成的监测传感器是优选的，尤其是用于在半导体上相邻的表面发射器的光的谐振光电二极管是优选的。

带有相对于公知的光学测距系统的组合构件的实施方案的优点是产生被发送的光波和几乎在相同的地方探测或叠加由测量物体反射的光波。通过发送器和接收器的几乎完全的地方的一致性，在另外的工艺中由发送器和接收器的空间分离形成的几何挑战被系统性地回避。此外，仅一个光学路径，即从传感器到物体的路径必须保持为没有障碍物和干扰。

根据本发明的另外的有利的设计方案，用于光学测距的设备的光辐射为了获知间距值而借助光学元件转向。这具有如下优点：用于光学测距的设备不必强制性地定位在容器上方，而是安置地方的选择能够更自由地设计，例如在容器的侧面，或者在壳体中的几乎任意的自由的位置中。优选的光学转向元件是由镜子和棱镜构成的小组的元件。能够使用唯一的元件，或者必要时例如在光辐射的多次转向中也使用多个元件。

因为颗粒是松散的，所以容器通常在上侧是敞开的，从而颗粒遵循重力地能够从上侧填充。因此，在大多应用情况下进行光辐射从容器的上侧的射入。在容器相对于垂线翻转时，光辐射能够相应倾斜地落入容器中。

颗粒在填充被检测的容器后通常没有形成平坦的表面。一维的检测因此可能是不精确的。根据优选的实施方式，饮料自动装置因此包括运动单元，其设计用于使测距仪的辐射相对于容器运动，从而在测量间隔内能够测量与容器的不同的区域的多个间距值。在此，测距仪或使辐射转向的光学元件或容器能够运动。但其中这些元件中的两个或所有三个元件也能够同时运动，以便实现二维的检测。运动能够是测距仪或光学元件或容器的移动、翻转或枢转，或者这些元件的运动的组合。利用简单的例如单轴的枢转运动，颗粒表面的外形的线轮廓或截面图能够被检测，并且因此能够实现相对于检测单个或少量的单个值的更高的精确度。

辐射或相关的元件能够围绕垂直于辐射的发射方向的第一轴线翻转，或者平行于该轴线地移动。优选地，辐射或相关的元件围绕垂直于辐射的发射方向和第一轴线的第二轴线翻转，或者平行于该轴线地移动。填充高度确定的精确度能够以如下方式得到改进：另外的线轮廓沿与第一线轮廓的延伸正交的方向被检测。

利用激光辐射相对于容器的单轴的移动，“激光幕帘”，即“扇形激光”能够利用单轴的枢转产生，以便检测线轮廓。根据本发明的另外的有利的设计方案能够实现围绕两个彼此不同的轴线的运动，从而利用多轴的枢转能够检测“锥形激光”，并且在多轴的移动中能够检测“长方体激光”、三维的面轮廓或颗粒表面的整个或重要的区段的外形。它能够提供用于获知被检测的容器的填充体积的最精确的数据基础。

根据本发明的另外的设计方案，不仅唯一的，而且还有多个容器原则上需要通过激光辐射来监控。为此，光学转向器件能够将激光辐射转向到饮料装置的几乎每个区域中，以便例如检测新鲜水容器、剩余水容器、残渣杯或牛奶容器和豆子容器。其详细的细节从同一申请人的带有申请号201604573的于同一天的申请中得到，该申请与此相关地也作为本申请的内容。

用于激光辐射相对于容器的必需的相对运动的运动单元优选包括压电运动元件。替选地或附加地，运动单元能够包括用于产生运动的机械机构或微型机械机构，尤其是微型机械的镜子调节装置。这些元件具有如下优点：运动单元由此需要仅很小的空间需求。

在空的容器的情况下，借助其测量能够得到关于其定位、底部形状、边缘高度以及其直径的信息。例如，在不正确地提供的容器的情况下（其中煮单元的部件的一部分被覆盖），被测量的大小与在正确定位的情况下预设的大小不同，并且因此识别出不正确的定位。

因为在饮料自动装置中使用的容器通常是围绕其垂直的高度轴线旋转对称的，所以在其定位在激光模块下方的情况下，在简化地假设恒定的填充高度的情况下，其填充体积V能够借助关系V=π×d×h（d=容器直径，h=被测量的填充高度）来估计。填充高度由（必要时预先确定的）与容器底部的距离减去测量的与颗粒表面的距离得到。但关于容器的几何形状的信息也能够通过使用测距仪得到，其方法是，在容器在垂直于测量方向的平面中运动期间，例如为了提供或为了导入饮料制备单元而测量间距值。

在颗粒表面的不均匀的高度轮廓的情况下，能够理解为测量定位的函数的填充高度h能够由例如由周期性的测量得到的各个间距值的平均值形成。替选地，当彼此相邻的部分体积配属于各个间距值，并且总体积计算为部分体积的总和时，体积能够近似由不均匀的高度轮廓的各个间距值确定。

在如下另外的假设下：被填充的颗粒（例如咖啡粉）的密度通常在相对小的区间内运动，能够通过关系m=ρ×V（m=颗粒质量，ρ=颗粒密度，V=填充体积）估计颗粒的当前在容器中的质量。

通过测距仪的比较短的测量时间（其能够远低于一秒，必要时低于一毫秒），获知填充高度能够几乎实时地实现。因此，颗粒自动装置优选能够包括控制设备，其控制多个间距测量的时间流程，并且设计用于周期性的测量运行。借助多个周期性的测量，在给容器填充颗粒期间原则上也能够在不同的时间点确定填充量。

容器中的相应当前的填充水平的实时测量能够被穿过测量区域下降的颗粒干扰。根据优选的实施方式，颗粒自动装置因此包括控制单元，其控制用于填充容器的填充单元的交替的运行，尤其是研磨工具的运行和测距仪。为此优选地，填充过程，尤其是研磨过程和距离测量在相对短的持续时间内相互排列。因此能够实现用于监控填充过程的相对高的测量分辨率。

填充和测量的组合是优选的，其中填充过程，尤其是研磨过程的第一部分，必要时更大的部分能够受时间控制地运行。因此，填充水平被获知，并且在填充水平测量得到过少的粉被填充到容器中的情况下，粉能够通过另外的短的填充过程必要时交替地利用另外的填充水平测量来消除。控制单元负责用于实施该控制。

因此，在填充过程期间变空的储备容器也能够被识别出，这是因为被输送的颗粒流的减小或其完全的消失在容器检测时能够被获知。用户于是能够例如通过显示器中的讯息被要求填充储备容器。

在咖啡机的示例中解释的是：如果储备容器包含不充足的咖啡豆，以便将必需量的咖啡粉研磨到容器中，那么在每个时间单元内从研磨工具落入容器中的咖啡粉的量首先快速减小，并且最后完全消失。填充过程因此在必需量的咖啡粉填充到容器中之前结束。从研磨工具到容器中的粉流的减小，至少其完全的消失能够直接在容器中的填充高度增加上识别出，其在期望的值以下，或者在空的容器中是零。必要时，识别该错误能够借助随后执行一个或多个短的研磨过程来确保。

根据优选的实施方式，饮料自动装置能够包括计算单元，其处理距离测量的结果，并且出现的与目标值的偏差，尤其是导致饮料制造流程中的错误的偏差在显示器上输出。例如，在来自咖啡机的之前的煮沸的没有扔出或没有完全扔出的残渣的情况下，用户能够通过显示器中的讯息被要求清洁煮单元。在容器的过度填充的情况下，或者在针对填充过程的有缺陷的定位的情况下，其也能够在显示器上通知。显示器能够是饮料自动装置的一部分，或者也能够在移动装置上存在，其中在第二情况下，必需的信息尤其是无线地传送到该装置上。随后的饮料制造的开始能够一直被禁止。

根据本发明的用于运行饮料自动装置的或者用于在饮料自动装置、尤其是根据本发明的饮料自动装置中进行颗粒容器的填充水平测量的方法包括如下步骤：

a）将容器提供在常规的运行定位上或运行定位中，

b）填充容器，

c）基于光辐射的行程借助光学间距测量，尤其是借助根据本发明的用于光学测距的设备来测量容器中的填充水平。

该方法的特征在于，第一测量在步骤a）中提供容器期间或提供容器之后进行。第一测量能够实现检验容器的正确的定位和其运行准备状态。如果测量结果不同于在工厂侧检测的和在装置侧存储的间距值，那么能够得出干扰，由此，例如容器没有正确定位，或者在之前的制备过程后没有完全排空。

根据该方法的有利的改进方案，容器能够在步骤b）中仅被部分地填充，这意味着部分填充。测量填充水平，即根据步骤c）的填充水平测量和根据步骤b）的对容器的部分填充能够交替地进行，其中在根据步骤b）的每次填充水平测量后，填充水平测量的测量结果在另外的步骤d）中分别与目标值比较。在达到目标值之前进行根据步骤b）的另外的部分填充，直到根据步骤c）的最后的填充水平测量在步骤d）中导致达到目标值。此外，不再进行另外的填充，而是开始饮料制备。用于作为步骤a）的填充容器，作为步骤b）的测量等等的方法步骤的名称意味着方法步骤没有强制性的顺序。因此，甚至在例如不均匀的填充过程中也能够填充总是相同的颗粒量，其方法是：首先进行带有预先确定的量的部分填充，该量相应于理论的最少量，获知填充水平高度，并且将其与目标值比较。如果填充水平高度在目标值以下，那么替选地再填充另外的预先确定的但比较小的颗粒量，获知填充水平高度并且将其重新与目标值比较，直到达到目标值。以该方式能够确保非常精确的和可重复的颗粒量，其在在其他方面不变的边界条件下能够导致不变的味道结果。

优选地，在测量间隔内测量与容器的不同的区域的多个间距值。这能够尤其是借助测距仪的激光辐射与容器之间的相对运动实现，如上面详细描述的那样。

根据本发明的饮料自动装置相对于用于粉量的公知的识别系统的优点是减少了机械部件的份额和由此得到的改进的可靠性和机械坚固性。与用于识别粉量的机械系统不同地，在此不可能出现机械功能干扰，如例如由装置中的咖啡粉残渣导致的阻塞。

本发明能够实现对颗粒量的直接控制，并且因此调校已制成的饮料的味道。此外，过度填充或填充不足或来自之前的饮料制造的没有扔出或没有完全扔出的残渣能够可靠地被识别出，并且由此得到的问题，如装置内部的污染、过程中断或对饮料质量的负面影响能够可靠地得到避免。

附加地，本发明提供了用于容器的出现和定位识别的可能性。该功能尤其是鉴于没有视觉接触的通过用户例如借助“家庭互联”实现的可能的远程操作而是有利的。在可能的实施方式中，用户能够在这种情况下通过饮料自动装置或远程控制的显示器上的显示被要求正确地使用煮单元。

附图说明

本发明的原理随后借助附图示例性地详细阐述。附图在此仅理解为最重要的元件的示意图。其中：

图1示出了饮料自动装置的第一实施方式；

图2示出了饮料自动装置的第二实施方式；

图3示出了带有运动的测距仪的第三实施方式；

图4示出了带有运动的辐射转向器的第四实施方式；

图5示出了运行方法的方框图。

具体实施方式

图1示出了作为饮料自动装置的咖啡全自动装置的实施方式。激光测距仪由两个在空间上分离的部件，即激光二极管1a和光电传感器1b构成，并且借助由激光二极管1a发送的、在被填充以咖啡粉5的煮锅4上反射的并且撞击到光电传感器1b上的激光辐射2测量与填充煮锅4的不均匀的表面的距离。激光辐射2的走向以箭头8示出。激光辐射2导致激光二极管1a、咖啡粉5的表面与光电二极管1b之间的唯一的间距值。测量因此可表示为一维的。

在图2中，在一个单元中，即在一个电子构件中实现激光测距仪1的光源（参见根据图1的激光二极管1a）和光电传感器。激光测距仪1在此也借助由激光测距仪发送的激光辐射2测量与填充煮锅4的表面的距离。激光辐射2的来回路径在此在其方位方面和其长度方面在很大程度上是一样的。

煮锅4通过研磨工具9被填充以咖啡粉5，并且在填充后移入煮单元3中。在那里，咖啡被煮沸并且输出给用户。

利用激光测距仪1的测量能够已经在给煮锅4填充以咖啡粉5之前就进行，其中激光辐射2在空的煮锅4的底部上的反射产生与没有煮锅4的测量不同的间距值。因此能够确保的是：煮锅4制备好用于填充。

通常，在给煮锅4填充以咖啡粉5之后进行利用激光测距仪1的测量。在此，激光辐射2在被填充的咖啡粉5的表面上的反射产生间距值，借助该间距值，在公知的与煮锅4的底部的间距值中通过减法能够获知填充高度。与煮锅4的底部的间距值是存储的值，这是因为煮锅4基本上总是位于相同的定位上。但该间距值也能够通过之前描述的测量来总是重新地被获知或检验。

间距测量也能够在填充煮锅4期间发生。如果落入的咖啡粉与激光辐射2的路径相交，并且歪曲了测量结果，那么填充能够在测量期间中断，并且随后又开始。在部分填充后，通过激光辐射2在被填充的咖啡粉5的表面上的反射获知间距值，借助该间距值，在公知的与煮锅4的底部的间距值中通过减法能够获知相应当前的填充高度。如果该填充高度与目标值一致，那么不进行进一步的填充，如果该填充高度位于目标值以下，那么就进行进一步的部分填充。

图3示出了另外的实施方式，该实施方式的用于填充高度测量的功能原理和在图2中是一样的。不同的是，激光测距仪1现在运动，从而在激光测距仪1的不同的定向的情况下的多个间距值被记录。

激光测距仪1围绕旋转轴线7翻转，旋转轴线与激光辐射2的发射方向正交地延伸。激光辐射2现在描述了在容器填充的表面或者容器底部的上方的线并且形成形式为角部段的“扇形激光”。在此检测到多个单个间距值，从间距值能够建立线轮廓。就此而言涉及二维的检测。现在，针对每个被记录的间距值，在测量间距值期间了解到激光测距仪1的取向的情况下，并且在关于空的煮锅4的公知的间距值中，在激光测距仪1的相应的取向的情况下通过减法获知各自的测量点上的相应当前的填充高度，从全部测量点建立填充轮廓，并且由此计算出颗粒量。

图4示出了带有运动的激光辐射2的另外的实施方式。激光测距仪1借助镜子6转向到煮锅4中。箭头8表明了从激光测距仪1到镜子6的激光辐射走向8。通过镜子6围绕旋转轴线7的翻转，“扇形激光”相应于图3地张开，并且测量根据对图3的与此相关的描述进行，旋转轴线与激光辐射2的发射方向正交。

图5描述了用于运行饮料自动装置的方法的方框图，在第一步骤a）中，容器被提供到运行定位上或运行定位中。如果容器是煮室，那么有利的方式的运行定位是煮室的填充定位和测量定位。

此后，在步骤a）中进行第一测量，在第一测量中检验容器的正确的提供。因为与容器底部的常规的距离是公知的，所以与容器底部的之前公知的间距相比被测量的间距值能够检验容器的正确的定位和正确的状态。如果在该部位上被测量的间距是过大的，那么没有容器位于被测量的定位上，并且容器没有被正确定位。如果被测量的间距是过小的，那么先前的制备过程的残渣估计位于容器中，或者容器被移动。

在随后的步骤b）中给容器填充或必要时部分填充以颗粒。

随后进行另外的测量步骤c），用该另外的测量步骤检验填充量。如果填充量是正确的，这能够通过比较间距值或由此计算出的体积与之前公知的目标值在步骤d）中获知，那么在随后的步骤e）中开始饮料制造。

如果填充是不正确的，那么优选以比在初始填充中更小的量进行另外的部分填充b）。随后进行另外的测量c）来检验。在以步骤e）开始饮料制造之前，带有在步骤b）中的填充、在步骤c）中的测量和根据步骤d）比较测量结果与目标值的回路发生重复，直到确定正确的填充。

因为之前的详细描述的实施方式涉及若干实施例，所以其能够以常见的方式由本领域技术人员在广泛的范围内修改，而不会离开本发明的保护范围。实施方式的具体的设计方案尤其是也能够以与在此描述的设计方案不同的形式实现。辐射走向同样能够以不同的形式设计，当这由于空间原因或设计原因是必需的时。此外，不定冠词“一个”或“一种”的使用不排除相关的特征也能够多次或多重地存在。

附图标记列表：

1激光测距仪

1a激光二极管

1b光电传感器

2激光辐射/扇形激光

3煮单元

4煮锅

5咖啡粉

6镜子

7旋转轴线

8激光辐射走向

9研磨工具

a)...e)方法步骤。

Claims (10)

1.一种用于在使用颗粒（5）的情况下制造饮料的饮料自动装置，其包括用于容纳颗粒（5）的容器（4）、用于将颗粒（5）填充到容器（4）中的填充单元（9）和饮料制备单元（3），其特征在于，所述饮料自动装置包括用于光学测距的设备（1），所述设备设计用于：基于光辐射（2）的行程以间距值的形式测量容器（4）中的填充水平。

2.根据权利要求1所述的饮料自动装置，其特征在于，用于光学测距的设备（1）借助发射的光辐射（2）的运行时间测量和/或相位测量确定间距值。

3.根据前述权利要求中任一项所述的饮料自动装置，其特征在于，用于光学测距的设备（1）包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的饮料自动装置，其特征在于，光源（1a）和光电传感器（1b）尤其是作为激光二极管（1a）和光电半导体元件（1b）在唯一的电子构件中存在。

5.根据前述权利要求中任一项所述的饮料自动装置，其特征在于光学元件（6），所述光学元件用于使用于光学测距的设备（1）的光辐射（2）转向，以获知间距值。

6.根据前述权利要求中任一项所述的饮料自动装置，其特征在于运动单元，所述运动单元设计用于使用于光学测距的设备（1）的光辐射（2）相对于容器（4）如此运动，从而在测量间隔内能够测量与容器（4）的不同的区域的多个间距值。

7.根据权利要求6所述的饮料自动装置，其特征在于，所述运动单元包括压电元件和/或机械机构。

8.根据前述权利要求中任一项所述的饮料自动装置，其特征在于控制单元，所述控制单元控制用于填充容器（4）的填充单元（9）和用于光学测距的设备（1）的交替的运行。

9.用于运行饮料自动装置的方法，其包括如下步骤：

a）将容器（4）提供在运行定位上或运行定位中，

b）填充容器（4），

c）基于光辐射（2）的行程借助光学间距测量（1）来测量容器（4）中的填充水平，

其特征在于，第一测量在步骤a）中提供容器（4）期间或之后进行。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述容器（4）在步骤b）中仅部分被填充（部分填充），并且根据步骤c）测量填充水平（填充水平测量）和根据步骤b）部分填充容器（4）交替地进行，其中在根据步骤b）的每次填充水平测量后，填充水平测量的测量结果在步骤d）中分别与目标值比较，并且在达到目标值之前进行根据步骤b）的另外的部分填充。