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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Füllhöhe eines flüssigen Nahrungsmittels,
bei der sich ein Rohr in einer Richtung mit vertikaler Komponente erstreckt und in das in einem
abgeschlossenen Raum gehaltene flüssige Nahrungsmittel eintaucht und ein Ultraschallwandler an
dem Rohr angebracht ist zum Aussenden und Empfangen von sich in der Flüssigkeit in dem Rohr
ausbreitenden Schallsignalen.
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Es ist bekannt, daß man bei vielen Anwendungen den Füllstand einer Flüssigkeit messen und
gegebenenfalls fortlaufend überwachen muß.
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So ist zum Beispiel die Messung von Flüssigkeitshöhen in Behältern bekannt, wobei die Flüssigkeit,
deren Höhe gemessen werden soll, störende Wirkungen auf die Messung hat, zum Beispiel die
Bewegung der Flüssigkeit und ihrer Oberfläche, Schaumbildung, Luftblasen in der Flüssigkeit,
unterschiedliche chemische und elektrische Eigenschaften usw. Neben mechanischen, elektrischen und
pneumatischen Meßmethoden hat man schon versucht, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zum Messen der Füllhöhe vorzusehen, bei welcher die vorstehend genannten und zum Teil die
Messung verfälschenden Wirkungen dadurch ausgeschaltet werden, daß das vertikal in die zu
messende Flüssigkeit eingetauchte Rohr unten vollständig geschlossen ist. Der Innenraum des Rohres
ist mit einem ausgesuchten, besonderen Fluid gefüllt, bei dem zum Beispiel die
Schallgeschwindigkeit bekannt ist. Der Ultraschallwandler ist bei der Meßvorrichtung am unteren Ende des Rohres und
außerhalb desselben sowie auch außerhalb des abgeschlossenen Raumes derart angebracht, daß
ausgesandte und empfangene Schallsignale vertikal in dem ausgesuchten Fluid wandern und aus
der Laufzeit die Bestimmung eines Abstandes erlauben, der zwischen dem Ultraschallwandler
einerseits und einem mittleren Permanentmagneten andererseits gegeben ist. Dieser mittlere
Permanentmagnet kann in dem ausgesuchten Fluid in dem Rohr vertikal auf- und abwandern. Er befindet
sich im Inneren eines zusätzlichen, ringförmig ausgebildeten Permanentmagneten, welcher in einem
ringförmigen Schwimmkörper angeordnet ist und das Rohr umgreift. Je nach der Höhe des
Flüssigkeitspegels in dem als Behälter ausgestalteten abgeschlossenen Raum bewegt sich der
Schwimmkörper nach oben oder unten und zieht damit den mittleren Permanentmagneten in dem Rohr
ebenfalls nach oben oder unten.
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Mit Nachteil bewegt sich der Schwimmkörper in der in dem abgeschlossenen Raum (Behälter)
enthaltenen Flüssigkeit, im Falle eines flüssigen Nahrungsmittels also in diesem. Es können sich außen
an dem Schwimmkörper Partikel oder aus dem Füllgut ausgeschiedene Feststoffteilchen ablagern.
Dies geschieht auch in dem Ringspalt zwischen dem Schwimmkörper und dem Rohr. Durch
Pumpentätigkeiten oder auch Temperaturschwankungen kann die Füllhöhe fortlaufend schwanken, so
daß der Schwimmkörper sich im Verhältnis zu dem stationären Rohr auf- und abbewegt. Auf der
äußeren Oberfläche des Rohres abgelagerte Produkte oder Partikel können den Schwimmer zum
Verklemmen bringen.
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Eine solche bekannte Meßvorrichtung kann auch nicht für den aseptischen Betrieb eingesetzt und
für aseptische Füllanlagen beispielsweise geeignet gemacht werden. Ein ringförmiger
Schwimmkörper mit eingebautem Permanentmagneten ist schwierig zu reinigen. Oft weisen solche
Vorrichtungen viele einzelne Bauteile auf, die erst auseinandergenommen und dann gründlich von Hand
gereinigt werden müssen.
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Zu flüssigen Nahrungsmitteln gehören bekanntlich neben Milch auch Sahne, Marmelade,
Tomatensaft, Tomatenmark und dergleichen. Häufig können sich aus solchen Nahrungsmitteln Bestandteile
absetzen, und es genügt schon ein Ausflocken, um die Funktion der Meßvorrichtung zu stören.
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Es hat sich auch gezeigt, daß die Anordnung des Ultraschallwandlers außerhalb des
abgeschlossenen Raumes nachteilig ist, weil die Ankoppelung an die zu messende Flüssigkeit Ungenauigkeiten
und Verzögerungen hervorruft.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Füllhöhe einer
Flüssigkeit derart weiterzuentwickeln, daß sie für aseptische Füllanlagen geeignet wird, weil sie
glatte, kleine Oberflächen bietet und ein schnelles Messen erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Rohr unten offen ist und der
Ultraschallwandler fest an der äußeren Oberfläche des Rohres derart angebracht ist, daß der
Ultraschallwandler und seine im wesentlichen parallel zum Rohr und an dessen Oberfläche verlaufende
Verkabelung in dem flüssigen Nahrungsmittel eingetaucht sind. Unter Beachtung dieser Lehre
gelingt es, die Füllhöhe eines flüssigen Nahrungsmittels auch unter aseptischen Bedingungen zu
messen. Auf diese Weise wird die Vorrichtung für aseptische Füllanlagen geeignet. Wichtig ist dabei vor
allem, daß der Ultraschallwandler mit dem Rohr, an welchem er außen befestigt ist, in die zu
messende Flüssigkeit eintaucht, vorzugsweise also in das flüssige Nahrungsmittel selbst eintaucht.
Man erreicht dadurch mit Vorteil eine gute Ankopplung der Schallwellen, weil diese direkt in dem
flüssigen Nahrungsmittel zu laufen beginnen, ohne zuvor Behälterböden oder dergleichen
durchdringen zu müssen. Außerdem lehrt die Erfindung das Messen aus dem Flüssigkeitskörper
nach oben bis zu dessen Füllhöhe oder Flüssigkeitspegel. Selbst über dem Flüssigkeitspegel etwa
vorhandener Schaum oder Gasbläschen beeinträchtigen die Meßgenauigkeit kaum im Vergleich zu
einer durch die Luft erfolgenden Messung aus einer Position oberhalb des Flüssigkeitspegels.
Dadurch erreicht man auch ein schnelleres Messen. Ein weiterer wichtiger Faktor für die
erfindungsgemäßen Vorteile ergibt sich aus der ortsfesten Anordnung des Ultraschallwandlers und
des in Rede stehenden Rohres. Durch das Fehlen von bewegten Teilen, wie man sie bei dem Stand
der Technik häufig findet, kann man die nachteilig beschriebene Wirkung sich absetzender Partikel
oder Niederschlagsteile vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist das Rohr unten offen. Insbesondere kann bei Einsatz der Meßvorrichtung in
einer aseptischen Füllanlage das Rohr als Füllrohr ausgebildet sein und ist dann unten offen, weil
durch diese untere Öffnung das gesamte Füllgut ausströmt, um in den abgeschlossenen Raum zu
kommen.
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Es gibt zwar schon Füllmeßvorrichtungen mit einem unten offenen Rohr, dort aber kann das Füllgut
nur durch Schlitze in ein sonst unten geschlossenes Rohr eintreten mit dem Nachteil, daß die
Schlitze schwierig zu reinigen sind und die insbesondere bei flüssigen Nahrungsmitteln erforderlichen
Hygieneanforderungen nicht erfüllt werden können. Erfindungsgemäß hingegen ist vorzugsweise
der gesamt Rohrquerschnitt unten offen, d. h. ohne Boden. Es versteht sich, daß die
Reinigungsbedingungen dann erheblich besser sind. Begünstigt werden die Hygienebedingungen ferner, wenn bei
der Erfindung die in das flüssige Nahrungsmittel eintauchenden Oberflächen, unter anderem auch
das Rohr und die äußere Oberfläche des Ultraschallwandlers, aus Edelstahl bestehen. Es können
dann sowohl niederviskose wie auch hochviskose flüssige Nahrungsmittel auf ihren Füllstand hin
gemessen werden.
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Die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung kann man auch bei den bekannten
Verpackungsmaschinen einsetzen, bei denen die Verpackungen aus einem beschichteten Papiertubus von zum Beispiel
100 mm Durchmesser hergestellt werden, welcher das Füllrohr im Abstand umgibt. Dann ist das hier
in Rede stehende Rohr das genannte Füllrohr. Dieses kann beispielsweise einen Durchmesser
zwischen 20 und 40 mm haben, und der Ultraschallwandler sitzt fest auf dem Rohr außen in
demjenigen Abschnitt, welcher in das flüssige Nahrungsmittel eingetaucht ist. Da von unterhalb des
Flüssigkeitspegels gemessen wird, kann auch bei einer gewissen Schaumbildung, wenn zum Beispiel Milch
abgefüllt wird, schnell und genau gemessen werden. Gerade bei Milch als Nahrungsmittel ergibt sich
bei bekannten Meßvorrichtungen, bei denen Teile der Vorrichtung auf und ab oder hin und her
bewegt werden, Verklemmung durch die oben beschriebenen Ablagerungen, die man bei Milch oder
Sahne mit "Buttereffekt" bezeichnet. Es werden häufig aber auch Säfte abgefüllt und gemessen,
sogar Säfte mit darin enthaltenem Fruchtfleisch. Dieser Inhalt der flüssigen Nahrungsmittel stört das
Meßergebnis der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht, weil sowohl das Rohr, insbesondere wenn
es ein Füllrohr ist, als auch der Ultraschallwandler und seine Verkabelung ortsfest sind.
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Das Rohr ist von dem abgeschlossenen Raum umgeben, und beide sind mit dem flüssigen
Nahrungsmittel gefüllt. Der abgeschlossene Raum kann im Falle der zuvor erwähnten
Verpackungsmaschine der Papiertubus selbst sein, der bis zu bestimmter Höhe mit dem flüssigen Nahrungsmittel
gefüllt ist, in welches das Rohr eintaucht. Der Ultraschallwandler an dem Rohr soll sich unter dem
Flüssigkeitsspiegel des flüssigen Nahrungsmittels befinden. Von ihm werden Ultraschallsignale
ausgesendet, an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiert und von dem Ultraschallwandler danach
wieder aufgefangen. Daraus werden elektrische Signale erzeugt, die einen genauen Schluß auf die
Höhe der Flüssigkeit zulassen. Durch die stationären Gegebenheiten der Vorrichtungsteile und die
Messung aus der Flüssigkeit zu ihrem Grenzniveau nach oben sind schnelle Messungen erlaubt.
Diese benötigen weniger Zeit als andere Messungen, bei denen zum Beispiel erst Mittelungen aus
verschiedenen Messungen oder verschiedenen Signalen oder auch komplizierte Umrechnungen
erfolgen müssen.
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Vorteilhaft ist es gemäß der Erfindung ferner, wenn der Ultraschallwandler eine Piezokeramik
aufweist und zusammen mit seiner Verkabelung, vorzugsweise bis zum äußeren Ende des Rohres,
gekapselt ist. Das Rohr selbst hat durch seinen im allgemeinen kreisrunden Querschnitt eine
minimale äußere Oberfläche, und es versteht sich, daß auch ein Ultraschallwandler mit einem sehr
kleinen Gehäuse auskommen kann. Glatte und minimale Oberfläche erreicht man durch die erwähnte
Kapselung. Der Flüssigkeit werden möglichst kleine und glatte Oberflächen angeboten, die keine
Hinterschneidungen, Kanten und insbesondere keine toten Ecken haben. Hierfür werden
Kapselbleche unter Schutzgas "lunkerfrei" steril verschweißt. Durch die Kapselung können die
Hygieneanforderungen besonders gut eingehalten werden. In aseptischen Füllanlagen wird zum Teil wenigstens
einmal täglich gereinigt. Wenn auf ein anderes Füllgut umgestellt wird, muß die gesamte Anlage
vollständig gereinigt und sterilisiert werden. Dies geschieht in bekannter Weise durch eine Reinigung
mit einer Säure, wonach die inneren Oberflächen gespült werden. Danach erfolgt eine Entfettung
mittels Laugen, wonach wiederum gespült wird. Dann erfolgt die Sterilisierung durch heißen Dampf
von zum Beispiel 160°C, der bis 35%-iges Wasserstoffperoxid enthält. Dieser Dampf wird dann mit
160° heißer Luft getrocknet. Ein Ultraschallwandler mit Piezokeramik (einem Kristall) kann diesen
hohen Temperaturen ohne weiteres widerstehen. Aber auch nach der Reinigung wird die aseptische
Füllanlage während des Füllbetriebes von außen fortlaufend beheizt, um den Prozeßbereich
keimfrei zu halten. Auch für diesen Einfluß eignet sich der erfindungsgemäße Ultraschallwandler, ohne
Schaden zu nehmen.
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"Kleine" Oberflächen im Sinne der Erfindung sind weniger Oberflächen als bei vergleichsweisen
Vorrichtungen beim Stand der Technik. Zum Beispiel hat man sehr dünne und lange
Kapazitätsmeßsonden parallel zu dem Füllrohr in den abgeschlossenen Raum, zum Beispiel in den
Packungstubus einer Füllmaschine, eingeschoben. Der Durchmesser einer solchen Sonde beträgt S bis 1/10
des Durchmessers des Füllrohres, ist aber auch bis zu 2 m lang. Es versteht sich, daß eine solche
Kapazitätssonde schnell verbiegt und/oder reißt und daher zur Stabilisierung ummantelt wird.
Gleichwohl ist die dem flüssigen Nahrungsmittel angebotene Oberfläche groß im Vergleich zu der
äußeren Oberfläche des Ultraschallwandlers mit Verkabelung. Der erfindungsgemäße Aufbau mit
dem Ultraschallwandler ist damit verglichen zudem mechanisch erheblich viel robuster.
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Vorteilhaft ist es erfindungsgemäß ferner, wenn der Ultraschallwandler ringförmig ausgestaltet ist
und das Rohr außen umgreift. Der Ultraschallwandler kann zwar grundsätzlich unterschiedliche
Gestalt haben. Zweckmäßig ist die Verwendung zylinderförmiger Wandler, die mitsamt ihrer äußeren
Verkapselung nicht größer als die Faust eines Kleinkindes sind. Man kann diese zylinderförmigen
Wandler aber auch ringförmig nebeneinander "segmentiert" anordnen. Der Vorteil dieser Ringform
im Vergleich zu dem einzelnen zylinderförmigen Ultraschallwandler besteht unter anderem darin,
daß über die gesamte Ringsäule der Flüssigkeit von dem Wandler bis zu der oberen Grenzfläche
der Flüssigkeit Signale laufen, entsprechend beeinflußt und empfangen werden. Dadurch wird die
Meßgenauigkeit vergrößert. Günstig ist auch die geometrische Mittelung der Echosignale bei
Einsatz der Ringform. Es versteht sich, daß jeder Wandler elektrisch verkabelt sein muß, um ihn
anzusteuern und die empfangenen Signale auszuwerten. Wenn am Umfang verteilt und separat
voneinander mehrere Ultraschallwandler auf dem Rohr angebracht sind, müssen auch mehrere Kabelwege
zu der meist höher gelegenen Stelle der Halterung des Rohres geführt werden, oder aber man muß
einen aufwendigen Multiplexer verwenden. Dadurch wird der Aufbau der Meßvorrichtung
aufwendiger, und es ergeben sich auch größere Kapselflächen. Verwendet man hingegen einen ringförmig
ausgestalteten Ultraschallwandler, dann ist nur ein einziger Kabelweg für die gesamte, in dem Ring
zusammengefaßte Einheit erforderlich. Wieder ergibt sich der Vorteil einer guten Sterilisierbarkeit,
einer guten Reinigung und eines problemlosen längeren Betriebes, weil sich keine Partikel in Ritzen
oder Spalte am Rohr ansetzen können. Es können unterschiedliche Flüssigkeiten mit
unterschiedlichen spezifischen Eigenschaften eingesetzt werden. Es braucht lediglich eine Eichung mit der
Schallgeschwindigkeit bzw. Viskosität des jeweiligen Produktes vorgenommen zu werden.
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Bei weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Rohr mehrteilig aufgebaut, und es
weist an der jeweiligen Trennstelle eine induktive Kupplung auf. Wenn es bevorzugt ist, in einer
langen Flüssigkeitssäule zu messen, ist es zweckmäßig, das Rohr mehrteilig aufzubauen. Damit die
von dem Ultraschallwandler bis nach außen geführte Verkabelung über eine sich dann ergebende
Trennstelle geführt werden kann, ist erfindungsgemäß die induktive Kupplung vorgesehen. Diese
bietet eine Transformatorübermittlung der Signale von dem einen Rohrteil zum anderen. Eine solche
Kupplung kann man leicht lösen und leicht zusammensetzen. Jede Hälfte weist vorzugsweise eine
Ringspule auf, die einfach zu kapseln und dadurch hervorragend zu reinigen und auch zu
sterilisieren ist. Gerade beim Umstellen einer Füllanlage von einem Füllgut auf das andere läßt sich die
Reinigung und Sterilisierung mit wenigen Montagegriffen schnell und wirksam durchführen. Außerdem
kann man bei einer bevorzugten Ausführungsform das untere Füllrohrteil je nach Füllgut und
Anwendungsfall unterschiedlich ausgestalten und dann ein entsprechend ausgestaltetes Füllrohrteil
auswechseln. So ist leicht vorstellbar, daß für Milch an dem unteren Füllrohrteil der ringförmige
Ultraschallwandler an einer anderen und vielleicht weiter unten gelegenen Stelle anzubringen ist als bei
Tomatenmark, welches eine höhere Schalldämpfung hat, die im allgemeinen nur einen kürzeren
Meßweg erlaubt. Dann wird man ein Füllrohr mit einem höher gesetzten Wandler ansetzen.
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Vorteilhaft ist es gemäß der Erfindung weiterhin, wenn mehrere Ultraschallwandler im Abstand
voneinander auf dem Rohr befestigt sind. Dabei ist es bevorzugt, die Wandler immer unter Niveau der
Flüssigkeit anzuordnen, um die oben stehend genannten Vorteile zu erreichen und zu erhalten.
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Bei bekannten Packungsfüllmaschinen erstreckt sich das Rohr im wesentlichen vertikal von oben in
das Füllgut in dem Papiertubus nach unten. Entweder kann man ein oder zwei untere Füllrohrteile
mit entsprechenden Wandlern bestücken, oder man kann auch an einem einzigen längeren Füllrohr
zwei, drei oder mehr Ultraschallwandler im Abstand übereinander anbringen.
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Es gibt Füllprodukte größerer Viskosität und damit höherer Dämpfung, wie zum Beispiel
Tomatenmark. Wegen der gebotenen kürzeren Meßstrecke wird in diesem Falle ein weiter oben näher am
Flüssigkeitsspiegel gelegener Ultraschallwandler zur Messung verwendet.
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Mißt man bei dem gleichen Füllgut mit unterschiedlichen Wandlern, d. h. Wandlern, die in
unterschiedlicher Höhe am Rohr angebracht sind, dann ist es unter Umständen möglich, die
Produkteigenschaften zu quantifizieren.
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Liegt beispielsweise ein Produkt mit darin enthaltenen Partikeln vor und mißt man mit zwei oder drei
im Abstand voneinander am Füllrohr angebrachten Wandlern, dann kann mit dem oberen Wandler
eine genauere Messung des Niveaus erfolgen; mit dem unteren Wandler eine genauere Messung
der Produktqualität, zum Beispiel das Vorhandensein von Partikeln im Füllgut.
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Bei Füllmaschinen großer Leistung kann man die Pumpen für die Zufuhr des Füllgutes mit den von
den Wandlern abgegebenen Meßsignalen regeln. Sind über eine größere Länge eines Füllrohres im
Abstand mehrere Wandler angebracht, dann läßt sich eine Zuführpumpe feiner ansteuern. Hätte
man bei einem anderen Beispiel hingegen im oberen Bereich nur einen einzigen Ultraschallwandler
an dem Füllrohr befestigt, dann würden hier für die Ansteuerung der Zuführpumpe erst dann
brauchbare Signale zur Verfügung stehen, wenn das Flüssigkeitsniveau durch Pumpen bis über den
Wandler nach oben gestiegen wäre. Die Ansteuerung einer Pumpe wäre in diesem Falle nicht fein
genug. Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung mit der Vielzahl der Ultraschallwandler kann
also eine Steuerung feiner ausgestaltet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen. In diesen
zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Anwendungsfalles mit einem im Verlaufe
der Herstellung von gefüllten Milchverpackungen in die Milch eingetauchten
Ultraschallwandler,
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Fig. 1a einen Ausschnitt aus Fig. 1 gemäß dem Oval in Fig. 1 zur Zeit t = 1,
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Fig. 1b den gleichen Ausschnitt wie Fig. 1a, zur Zeit t = 2,
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Fig. 1c wieder der gleiche Ausschnitt zur Zeit t = 3,
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Fig. 2 eine graphische Darstellung des an dem Ultraschallwandler abgegriffenen
Spannungssignals über der Zeit t,
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Fig. 3 die Außenansicht eines abgeschraubten Füllrohres mit oben angeordnetem Flansch und
unten angebrachtem Ultraschallwandler,
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Fig. 4 die perspektivische Darstellung des unteren Teils des einwandigen Füllrohres mit einer
anderen Ausführungsform mit vier Ultraschallwandlern unten,
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Fig. 5 eine ähnliche perspektivische Ansicht wie Fig. 4, jedoch leicht vergrößert und von einer
anderen Ausführungsform mit ringförmigem Ultraschallwandler,
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Fig. 6 eine Schnitt- und Draufsicht entlang der Linie VI-VI der Fig. 5, vergrößert,
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Fig. 7 eine Schnitt- und Ansicht auf die Ultraschallwandler gemäß der Linie VII-VII der Fig. 4,
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Fig. 8 eine weitere andere Ausführungsform mit verlängertem Füllrohr vor Anbringung der
Verlängerung,
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Fig. 9 eine Vertikalschnittansicht durch die Ausführungsform der Fig. 8, nachdem die
Verlängerung angesetzt worden ist,
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Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Verbindungsabschnittes X in Fig. 8,
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Fig. 11 eine vergrößerte Schnittdarstellung entsprechend dem mittleren Abschnitt der Fig. 9 an
der Verbindungsstelle XI, und
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Fig. 12 eine weitere andere Ausführungsform der Erfindung mit drei übereinander angeordneten
ringförmigen Ultraschallwandlern.
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Die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung kann bei herkömmlichen Systemen eingesetzt werden,
und ein solches System ist in Fig. 1 veranschaulicht. Ein Rohr 1, welches bei allen hier
dargestellten Ausführungsformen ein Füllrohr ist, erstreckt sich in vertikaler Richtung, also mit mehr oder
weniger rein vertikaler Komponente von einem abgebrochen dargestellten oberen Bereich bis nach
unten über zwei Schweißbacken 2, die einerseits in Richtung der Pfeile 3 horizontal nach rechts
und links und andererseits entsprechend der Pfeile 4 vertikal nach oben und unten bewegt werden
können. Im Abstand einer halben 1-Liter-Packung, in welche zum Beispiel Milch als flüssiges
Nahrungsmittel verpackt wird, endet bei 5 unten das Rohr 1. Die beiden gebogenen Pfeile 6
veranschaulichen die Fließrichtung des aus dem unten offenen Füllrohr 1 unten austretenden Füllgutes, d. h. der
Milch, die im Raum um das untere Ende 5 umgelenkt wird und nach oben strömen kann. Diese
Umlenkung gelingt durch Schaffung eines abgeschlossenen Raumes 7, welcher durch einen
flüssigkeitsdichten Schlauch einer Verpackungsmaterialbahn 8 gebildet wird. Ohne die
Ultraschallmeßvorrichtung gemäß der Erfindung ist eine solche Packungsherstellungsmaschine mit dem hier
gezeigten Verfahren an sich bekannt.
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Zur Wiederholung sei hier kurz der dargestellte Abschnitt des Betriebes erläutert. Um das Füllrohr 1
herum bewegt sich das schlauchförmige Verpackungsmaterial 8 vertikal nach unten in Richtung der
Pfeile 9 bis über den Verschweißbereich zwischen den beiden Schweißbacken 2 hinaus. Fahren
diese in Richtung der Pfeile 3 horizontal so aufeinander zu, daß sie einander berühren, dann erfolgt
an der Berührungsstelle die Verschweißung des schlauchförmigen Verpackungsmaterials 8 unter
Abschließen derart, daß nun Milch von oben durch das Füllrohr 1 nach unten strömen und den
abgeschlossenen Raum 7 füllen kann. Die Milch strömt in dem Rohr 1 nach unten und außerhalb
desselben aber innerhalb des Verpackungsmaterials 8 nach oben, bis die Füllstandshöhe 10 erreicht ist.
Nach einer ausreichenden Zeit fahren die beiden Schweißbacken 2 in zu den Pfeilen 3 in
entgegengesetzter Richtung horizontal nach außen, so daß die Schweißnaht frei wird, ohne daß diese
aufbricht. Zuvor hatten sich die Schweißbacken 2 in Richtung der Pfeile 4 vertikal nach unten bewegt
und mit ihrer Klemmwirkung den Schlauch des Verpackungsmaterials 8 vertikal um eine
Packungslänge nach unten gezogen. Danach kehren die Schweißbacken in vertikaler Bewegung nach oben
entgegen der Richtung der Pfeile 4 in die in Fig. 1 gezeigte Position, ohne daß dort schon eine
weitere Siegelnaht gefertigt wäre. Die beiden Siegelbacken 2 bewegen sich dann durch den
gefüllten Schlauch des Verpackungsmaterials 8 wieder in Richtung der Pfeile 3, um die nächste
Siegelnaht zu fertigen, wodurch dann die darunter befindliche Flüssigkeitspackung (Milchpackung) allseitig
verschlossen ist und nur noch separiert/vereinzelt zu werden braucht.
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Im laufenden Betrieb wird das Verpackungsmaterial 8 intermittierend durch die sich vertikal
bewegenden Schweißbacken 2 vertikal nach unten bewegt, und durch das Rohr 1 wird Milch
portionsweise immer so zugegeben, daß etwa die Füllstandshöhe 10 gehalten werden kann. Zum Einhalten
dieser Füllstandshöhe 10 wird die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet.
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Hierbei handelt es sich um einen Ultraschallwandler 11. Bei einer ersten Ausführungsform handelt es
sich um einen ringförmigen Ultraschallwandler 11, wie er in den Fig. 3, 5, 6, 8, 9 und 12 gezeigt
ist. Mit Hilfe dieser Figuren kann man sich auch für die Fig. 1-1c vorstellen, daß der
Ultraschallwandler 11 mit seiner Ringform das Rohr 1 außen umgreift.
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Der Abstand zwischen dem Ultraschallwandler 11 und der darüber angeordneten Füllstandshöhe 10
ist mit s bezeichnet. Er läßt sich aus der Formel berechnen
s = cl × dt/2,
wobei cl die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und dt die Zeitdifferenz ist zwischen dem
Beginn des Aussendens und des Empfangs eines elektrischen Signals, d. h. die Zeit zwischen t = 0 und
t = 3.
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Legt man die in Fig. 2 über der Zeit t aufgetragene Spannung U zur Zeit t = 0 (Fig. 1) an den
Ultraschallwandler, welcher zum Beispiel eine Piezokeramik aufweist, dann emittiert der
Ultraschallwandler 11 eine Ultraschallwelle 12, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Nach Durchlaufen des Abstandes s
stößt die Ultraschallwelle 12a an die Füllstandshöhe 10 zur Zeit t = 1, wie in Fig. 1a gezeigt ist.
Dort wird die Ultraschallwelle reflektiert und kehrt als Welle 12b in der Flüssigkeit in dem
abgeschlossenen Raum wieder um und breitet sich auf ihrem vertikalen Weg nach unten aus. Der Beginn
dieses Vorgangs zur Zeit t = 2 ist in Fig. 1b gezeigt. Zur Zeit t = 3 gemäß Fig. 1c hat die jetzt mit
12c bezeichnete Ultraschallwelle gerade wieder den Ultraschallwandler 11 erreicht. Dort erzeugt sie
ein Spannungssignal, wie es zur Zeit t = 3 gemäß Fig. 2, d. h. nach der Zeit dt, beginnt. Man kann
die Wellengeschwindigkeit in dem Füllgut cl feststellen und kann dann aus der gemessenen Zeit dt
den Abstand s zwischen dem Ultraschallwandler und der Füllstandshöhe 10 bestimmen. Die Pumpe
für die Zufuhr des Füllgutes, zum Beispiel der Milch, kann so eingestellt werden, daß die
Füllstandshöhe 10 recht genau eingehalten werden kann.
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In Fig. 3 ist ein Füllrohr insgesamt dargestellt. Oben erkennt man einen sich vertikal erstreckenden
Flansch 13, der an eine Füllmaschine angebracht wird, zum Beispiel an das Gehäuse in einer
Sterilkammer, falls eine sterile Abfüllung gewünscht ist. Ein nicht dargestellter Produktzulauf ist an dem
Flansch 13 angebracht und setzt sich in den Krümmer 14 fort, der mit dem vertikal nach unten
folgenden Teil das eigentliche Rohr, hier das einwandige Innenrohr 1 bildet. Im oberen Bereich unter
dem Krümmer 14 ist ein äußeres Rohr 15 zu sehen, welches zusammen mit dem inneren Rohr 1 ein
doppelwandiges Isolationsrohr bildet. Dieses dient dem Schutz vor Kondensation. Geht man zum
Beispiel wieder von einer sterilen Abfüllung aus, dann ist bekannt, daß in der nicht gezeigten
Sterilkammer bis zu 90°C herrschen können. Mit dieser Temperatur kommt das äußere Rohr 15 in
Berührung. Diese hohe Außentemperatur wird von dem äußeren Rohr 15 nicht an das innere Rohr
abgegeben, denn beide sind getrennt voneinander. Durch das innere Rohr 1 strömt das Füllgut bei einer
Temperatur von zum Beispiel 3 bis 5°C, wenn es sich um Frischmilch oder normale H-Milch handelt.
Die Problematik ändert sich auch nicht, wenn die Temperatur des Füllgutes sogar bis zu 20° steigt.
Das Problem der Kondensation bleibt nämlich nach wie vor. Durch das doppelwandige Rohr,
insbesondere das äußere Rohr 15, ist die Kondensation ausgeschaltet, und es kann nicht passieren, daß
Kondenswasser an dem inneren Rohr 1 herunterlaufen kann.
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Der Abschluß des äußeren Rohres 15 nach unten hin ist perspektivisch in verschiedenen
Zeichnungen dargestellt (Fig. 4, 5, 8, 12) und im Schnitt in Fig. 9 oben gezeigt. Am unteren Ende des
äußeren Rohres 15 schließt sich eine kegelstumpfartige Erweiterung 16 an. Der das innere Rohr 1
umgebende Raum wird am unteren Ende durch einen Anschlußflansch 17 in Form einer
ringförmigen Platte abgeschlossen. Hier ist ein Durchgang oder eine Schnittstelle für elektrische Leitungen zu
denken, die in den Zeichnungen nicht dargestellt sind und die Verbindung zwischen dem
Ultraschallwandler 11 und der nicht dargestellten elektrischen Steuerung darstellen. Entsprechend der
Darstellung der Fig. 3 verläuft der elektrische Anschluß in Form von Kabeln, Steck- und
Lötverbindungen von dem Ultraschallwandler 11 unten durch die halbschalenförmige Kabelabschirmung 18,
durch den Anschlußflansch 17, innerhalb des äußeren Rohres 15 entlang der Außenwand des
inneren Rohres 1 und folgt dem Krümmer 14 nach oben bis durch den Befestigungsflansch 13 nach
rechts außen in die Maschine. Dadurch hat der Ultraschallwandler 11 eine einwandfreie Anbindung
an sein in der Maschine befindliches Steuergerät.
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Damit das Rohr 1 im unteren Bereich, der daran befestigte Ultraschallwandler 11 und die an der
Oberfläche des Rohres 1 in der Kabelabschirmung 18 verlaufende Verkabelung in das flüssige
Nahrungsmittel eingetaucht werden können und nicht nur bei den kritischen sterilen Bedingungen,
sondern auch bei den Temperaturunterschieden einwandfrei arbeiten können, ist auf die Ausgestaltung
der Kabelabschirmung 18 große Sorgfalt für eine gute und beständige Ausführungsform gelegt.
Auch ist dafür gesorgt, daß die gesamte Verkabelung bis zum äußeren Ende des Rohres 1, zum
Beispiel bis zum oberen Ende des äußeren Rohres 15, verkapselt ist.
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Der ringförmig ausgestaltete Ultraschallwandler 11 ist rundum verschlossen. Bei den hier gezeigten
Ausführungsformen ist Edelstahl für das Gehäuse verwendet worden. Die Kabelabschirmung 18 der
Fig. 5 ist im Querschnitt in Fig. 6 zu sehen. Außen am Rohr 1 ist die halbschalenförmige
Kabelabschirmung 18 angesetzt und über die gesamte Strecke von dem Ultraschallwandler 11 bis zum
Anschlußflansch 17 an der Kante bei 19 längs verschweißt (Schweißnaht). Die in den Fig. 6 und
7 im Querschnitt dargestellten Kabel 20, die zum Beispiel bei der Darstellung der Fig. 9 und 11
nicht mehr gezeigt sind, sind im Inneren der halbschalenförmigen Kabelabschirmung 18 vollständig
mit einer Vergußmasse ausgegossen. Selbst bei etwa auftretenden Haarrissen kann eintretende
Flüssigkeit daher mit den Kabeln nicht in Kontakt kommen.
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Ähnlich wie bei den Fig. 5 und 6 mit einer einzigen Kabelabschirmung 18 handelt es sich bei der
Ausführungsform nach den Fig. 4 und 7 im Prinzip um einen gleichen Aufbau. Es ist am unteren
Ende 5 des Rohres 1 allerdings bei dieser zweiten Ausführungsform nach den Fig. 4 und 7 nicht
ein einziger, sondern es sind am Umfang gleichmäßig verteilt vier Ultraschallwandler 11' jeweils in
einem Edelstahlgehäuse 21 angebracht. Das Edelstahlgehäuse 21 ist hermetisch verschweißt und
poliert, und der Ultraschallwandler 11' ist mit einer Edelstahlmembran verschlossen, so daß sich
wiederum eine sterile Ausführungsform ergibt, damit die innen in den Kabelabschirmungen 18 und
auch im Ultraschallwandler 11, 11' befindlichen Kabel nicht mit dem Lebensmittelbereich in
Berührung kommen können.
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Bei der dritten Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 11 ist das gesamte Füllrohr 1 mehrteilig
aufgebaut. An der in den Fig. 8 und 9 mit X bzw. XI bezeichneten Höhe ist die insgesamt mit 22
bezeichnete Trennstelle angeordnet. Mit ihrer Hilfe kann der obere Teil des Rohres unter dem
Anschlußflansch 17 mit dem unteren Teil des Rohres mit dem Ultraschallwandler 11 verbunden
werden. Die Verbindung erfolgt über eine induktive Kupplung, welche einen zweiteiligen Transformator
aufweist. Um Steckverbindungen zu vermeiden, erfolgt die Verbindung der elektrischen Leitungen
des unteren Rohrteiles mit dem oberen über diese induktive Kupplung. Insbesondere anhand der
vergrößerten Darstellung der Fig. 10 und 11 erkennt man gut die Ringform des Oberteils 23 der
induktiven Kupplung für die Aufnahme einer nicht näher dargestellten Primärspule. Desgleichen
erkennt man getrennt davon das am oberen Ende des unteren Rohres 1 angebrachte Unterteil 24
der induktiven Kupplung zur Aufnahme einer ebenfalls ringförmigen Sekundärspule. Es versteht
sich, daß die Sekundärspule mit den Kabeln des unteren Rohrstückes 1 verbunden ist, während die
Kabel aus dem Oberteil 23 durch die gezeigte (aber leer gezeichnete) Kabelabschirmung 18 und
durch den Anschlußflansch 17 hindurchgeführt sind und die Verbindung mit dem Kontrollgerät oben
schaffen. Die Kabel selbst und die Ausgestaltung der Transformatorspulen sind nicht gezeigt.
Wichtig ist erfindungsgemäß der Aufbau der induktiven Kupplung.
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Am unteren Ende des oberen Füllrohres, nämlich unter dem Oberteil 23, ist ein Paßstück 25 mit
einer Kerbe 26 angebracht. Diese Kerbe entspricht der Form einer nach außen offenen
Ausnehmung 27 am Unterteil 24 der induktiven Kupplung. Schiebt man nämlich das untere Rohr 1 vertikal
nach oben auf das bei der Montage schon stationäre obere Rohr mit dem nach unten
herausragenden Paßstück 25 auf dieses auf, dann gelangt die Kerbe 26 in den Grund der Ausnehmung 27, und
man kann in an sich bekannter Weise einen Bolzen einstecken, um die Teile formschlüssig
miteinander zu verbinden. Eine Dichtung 28 am unteren Ende des Paßstückes 25 schafft eine Dichtstelle
zwischen Paßstück 25 und Unterteil 24, so daß auch in dem gesamten Rohr 1 befindliche
Flüssigkeit nicht aus der induktiven Kupplung 23, 24 nach außen austreten kann.
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Eine weitere vierte Ausführungsform ist in Fig. 12 gezeigt und veranschaulicht drei ringförmige
Ultraschallwandler 11, die im Abstand übereinander auf dem Rohr 1 befestigt sind. Die Verkabelung
aller Ultraschallwandler 11 erfolgt über die Kabelabschirmung 18.
Bezugszeichenliste
1 Rohr
2 Schweißbacken
3, 4 Bewegungsrichtung der Schweißbacken
5 unteres Ende des Rohres 1
6 gebogene Pfeile, Fließrichtung des Füllgutes
7 abgeschlossener Raum
8 Verpackungsmaterial
9 Bewegungsrichtung des Verpackungsmaterials
10 Füllstandshöhe
11, 11' Ultraschallwandler
12a, b, c Ultraschallwelle
13 Flansch am Rohr 1
14 Krümmer
15 äußeres Rohr
16 kegelstumpfartige Erweiterung des äußeren Rohrs
17 Anschlußflansch
18 Kabelabschirmung
19 Schweißnaht
20 Kabel
21 Edelstahlgehäuse
22 Trennstelle
23 Oberteil der induktiven Kupplung
24 Unterteil der induktiven Kupplung
25 Paßstück
26 Kerbe
27 Ausnehmung
28 Dichtung
s Abstand zwischen Ultraschallwandler 11 und Füllstandshöhe 10