DE102004049641A1

DE102004049641A1 - System zur industriellen Qualitätskontrolle von Gütern

Info

Publication number: DE102004049641A1
Application number: DE200410049641
Authority: DE
Inventors: Harald Mannich
Original assignee: Sartorius Aachen GmbH and Co KG
Current assignee: Minebea Intec Aachen GmbH and Co KG
Priority date: 2004-10-11
Filing date: 2004-10-11
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2024-10-12
Also published as: DE102004049641B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur industriellen Qualitätskontrolle von Gütern, bestehend aus einer Fördereinrichtung (1) zum Transport der Güter in einem Güterstrom und einer Messeinrichtung (5), die mehrere Sensoren (12, 13) und eine Auswerteschaltung umfasst, wobei die Sensoren (12, 13) in einer mindestens zweidimensionalen, sich im Wesentlichen über die Breite des Güterstromes erstreckenden Anordnung vorliegen. In Transportrichtung (Z) gesehen vor der Sensoranordnung wird ein Magnetfeld erzeugt (6). Um die Detektionsleistung des Systems zu erhöhen, sind die Sensoren (12, 13) in Transportrichtung versetzt zueinander angeordnet. Weiterhin können die Sensoren (12, 13) in einer dreidimensionalen Anordnung vorliegen, um mittels einer geeigneten Auswerteschaltung magnetische Hintergrund- und Störquellen zu eliminieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur industriellen Qualitätskontrolle von Gütern, bestehend aus einer Fördereinrichtung zum Transport der Güter in einem Güterstrom und einer Messeinrichtung, die mehrere Sensoren und eine Auswerteschaltung umfasst, wobei die Sensoren in einer mindestens zweidimensionalen, sich im Wesentlichen über die Breite des Güterstromes erstreckenden Anordnung vorliegen.
Der Strom der zu kontrollierenden Güter kann dabei aus einzelnen Stücken, wie etwa verpackten Lebensmitteln oder anderen Einzelprodukten, bestehen, oder auch kontinuierlich sein, z.B. im Falle von körnigen, pastösen oder flüssigen Produkten.
Systeme dieser Art finden ihren Einsatz vornehmlich im Bereich der Lebensmittelproduktion, um eventuelle Verunreinigungen der Lebensmittel durch Fremdkörper detektieren zu können. Bei diesen Verunreinigungen handelt es sich meist um Metallpartikel, die beispielsweise von Maschinen aus dem Herstellungsprozess stammen können. Besondere Schwierigkeiten bei der Erkennung ergeben sich dann, wenn das Produkt sich in einer metallischen oder sonstigen elektrisch leitfähigen Verpackung, beispielsweise einem Aluminiumbeutel, befindet und darin andere Metallpartikel, beispielsweise aus Stahl, aufzufinden sind. Hier wirkt sich insbesondere das ungünstige Massenverhältnis zwischen den zu detektierenden Partikeln und der Umhüllung nachteilig aus.

Aus der DE 100 11 230 B4 ist ein System der eingangs genannten Art bekannt, bei dem ein Metallsuchgerät zur Überwachung eines Produktstromes auf unerwünschte Metallpartikel eingesetzt wird. In einem zu überwachenden Abschnitt des Produktstromes wird dabei mittels einer mehrere Sensoren umfassenden Sensorik und einer dieser zugeordneten Auswerteschaltung ein materialspezifisches Erkennungssignal generiert. Es ist sowohl der Einsatz von elektromagnetischen Sensoren (Spulen) als auch der von Magnetfeldsensoren (zum Beispiel Hallsonden) vorgesehen. Die Sensoren können dabei sowohl hintereinander entlang des Produktstroms als auch nebeneinander über die Breite des Produktstroms oder in einer Kombination von beidem angeordnet sein. Es ist offenbart, die Signale nebeneinander liegender Magnetfeldsensoren über eine vektorielle Additionsschaltung miteinander zu verknüpfen, um eine möglichst gleichmäßige Empfindlichkeit über die Breite des Güterstroms zu erreichen.

Es stellt sich nun die Aufgabe, ohne eine besondere Schaltung zur Verknüpfung der einzelnen Sensorsignale eine möglichst hohe Mindestempfindlichkeit des Systems zu gewährleisten, so dass kein Partikel oberhalb einer definierten Größe bzw. Masse der Detektion entgeht.

Diese Aufgabe wird bei einem System der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass die Sensoren in Transportrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.

In jeder Anordnung von Sensoren ergibt sich in der Regel entlang einer Linie quer zur Transportrichtung eine ungleichmäßige Empfindlichkeit. Dies gilt aufgrund der endlichen Abstände zwischen den einzelnen Sensoren grundsätzlich auch in einer Sensorzeile. Durch eine versetzte Anordnung von in Transportrichtung hintereinander liegenden Sensoren kann für jede Bewegungslinie eines in einem Güterstrom bewegten Partikels gewährleistet werden, dass sie zumindest einmal einen Bereich zur Detektion ausreichender Empfindlichkeit, beispielsweise ein Empfindlichkeitsmaximum, durchläuft. Grundlage dafür ist die Annahme, dass ein Partikel seine Lage quer zur Transportrichtung, also den seitlichen Abstand vom Rand der Fördereinrichtung, während des Transports nicht oder nicht wesentlich verändert. Damit werden also auch solche Partikel mit Sicherheit erfasst, die nur in einem Bereich entsprechend hoher Empfindlichkeit der eingesetzten Sensoren detektierbar sind.

Dabei können die Sensoren in einem festen Raster, zum Beispiel in einem rechteckigen oder hexagonalen Raster, angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, ebenso wie die Sensoren in Zeilen und/oder Spalten angeordnet sein können, aber nicht zwingend sein müssen. Wesentlich ist nur, die Sensoren so anzuordnen, dass auf jeder beliebigen Bahn parallel zur Transportrichtung mindestens an einer Stelle die für die jeweilige Detektionsaufgabe erforderliche Mindestempfindlichkeit erreicht wird.

Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung kann beispielsweise aufgebaut werden, indem die Sensoren auf einer Leiterplatte, die sich über die Breite des Güterstroms und über eine gewisse Länge in Transportrichtung erstreckt, entsprechend den genannten Anforderungen angebracht werden. Auf dieser Leiterplatte können dann auch die erforderlichen Signal- und Versorgungsleitungen verlegt werden.

Auf diese einfache und effektive Weise können besondere Maßnahmen zum Erreichen einer möglichst gleichmäßig hohen Empfindlichkeit entlang einer Sensorzeile vermieden werden. Insbesondere müssen nicht, wie aus dem genannten Stand der Technik als Maßnahme zur Gewährleistung der erforderlichen Empfindlichkeit bekannt, die Signale benachbarter Sensoren direkt zusammengeführt werden. Damit stehen diese als Einzelsignale zur weiteren Auswertung, zum Beispiel zur Lokalisierung eines detektierten Partikels oder für eine im Folgenden beschriebene Weiterverarbeitung, zur Verfügung.

Eine wesentliche Schwierigkeit besonders beim Einsatz von Magnetfeldsensoren besteht darin, dass die von den zu detektierenden Partikeln erzeugten Nutzsignale im Allgemeinen um mehrere Größenordnungen (bis ca. 10⁶ mal) kleiner sind als aus der Umgebung stammende Hintergrund- oder Störsignale. Zu diesen zählen beispielsweise das natürliche Erdmagnetfeld, das durch massive metallische Einrichtungen, wie sie im industriellen Umfeld üblicherweise anzutreffen sind, noch zusätzlich verzerrt wird, sowie durch elektrische Maschinen in der Umgebung erzeugte Magnetfelder. Diese Faktoren limitieren letztlich die Empfindlichkeit des Systems, bestimmen also die Mindestgröße der detektierbaren Partikel. Besonders problematisch sind variable externe Störquellen, wie bewegte oder nur temporär in der Umgebung vorhandene massive Metallteile, z.B. Werkzeuge, oder Elektromotoren, z.B. von Arbeitsgeräten oder anderen Produktionseinrichtungen. Bei dem Stand der Technik entsprechenden Systemen muss daher eine geringere Empfindlichkeit in Kauf genommen werden, oder es muss eine aufwändige und kostspielige magnetische Abschirmung der Messeinrichtung vorgenommen werden. Die mögliche Lösung, keine variablen Störquellen in der Umgebung der Messeinrichtung zuzulassen, ist im industriellen Umfeld nicht realisierbar, da etwa durch starke Elektromotoren Störungen auch aus relativ großer Entfernung einstreuen können.

Durch eine geeignete Verknüpfung der Sensorsignale in der Auswerteschaltung können derartige Hintergrund- oder Störsignale eliminiert werden. Räumlich und/oder zeitlich konstante Störsignale können z.B. im einfachsten Fall durch Differenzbildung der Signale benachbarter Sensoren oder der zu unterschiedlichen Zeitpunkten gewonnenen Signale eines Sensors weitgehend unterdrückt werden. Mit einer größeren Anzahl von Sensoren lassen sich auch komplexere und wirkungsvollere Verfahren zur Störsignalunterdrückung einführen, in denen z.B. auch die Signale nicht direkt benachbarter Sensoren verrechnet werden, oder die Signale mehrerer Sensoren, die z.B. ein Sensorfeld bilden, in einer Matrixoperation verknüpft werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dann, wenn die Sensoren nicht nur in einer Fläche über der Transporteinrichtung angeordnet sind, sondern in einer dreidimensionalen Anordnung vorliegen. Dadurch kann die Unterdrückung der Hintergrund- und Störsignale in einem geeigneten Rechenverfahren wie oben angeführt weiter verbessert werden. Insbesondere kann es damit ermöglicht werden, auch bewegte Störquellen außerhalb des Messraums zu eliminieren, ohne dass die Messeinrichtung von der Umgebung abgeschirmt sein muss.

Das erfindungsgemäße System kann auch so ausgebildet sein, dass mehrere Sensoren auf einem streifen- oder plattenförmigen Halteelement fixiert sind und mehrere derartiger Halteelemente im Wesentlichen parallel zueinander und mit ihrer Längsrichtung in einem Winkel zur Transportrichtung der Fördereinrichtung angebracht sind. Durch diese Anordnung in einem Winkel zur Transportrichtung kann eine versetzte Anordnung der Sensoren und damit eine vollständige Abdeckung des Messfeldes erzielt werden, auch wenn die einzelnen Halteelemente einen gewissen Abstand zueinander aufweisen.

Auf einem streifenförmigen Halteelement liegen die Sensoren in einer eindimensionalen, linearen Anordnung vor, vergleichbar mit einer bekannten CCD- Zeile, während ein plattenförmiges Halteelement, z.B. eine Leiterplatte, auch eine zweidimensionale Sensoranordnung tragen kann. Die einzelnen Halteelemente mit den darauf fixierten Sensoren können somit als Sensormodule betrachtet werden.

Die Verwendung von mehreren derartigen Sensormodulen ermöglicht es gegenüber der oben genannten Anordnung aller verwendeten Sensoren auf einer Leiterplatte, einzelne Module zu ersetzen oder hinzuzufügen und das System damit flexibler an unterschiedliche Einsatzorte oder Einsatzbedingungen anpassen zu können. Auch muss bei Ausfall eines einzelnen Sensors dann nicht die gesamte Anordnung ausgetauscht werden, sondern nur das jeweils betroffene Modul.

Werden bei einer zweidimensionalen Anordnung von Sensoren auf plattenförmigen Halteelementen, also etwa Leiterplatten, diese z.B. parallel nebeneinander gestellt, so wird damit auf einfache Weise eine dreidimensionale Sensoranordnung erzielt. Falls die Fördereinrichtung eine definierte Bezugsebene, wie etwa eine Transportebene oder eine Symmetrieebene aufweist, können die Leiterplatten beispielsweise senkrecht zu dieser ausgerichtet werden.

Zusätzlich oder alternativ können die Halteelemente auch in unterschiedlichen Abständen vom Güterstrom angebracht sein, um eine dreidimensionale Anordnung der Sensoren zu erzielen, oder das von den Sensoren eingenommene Volumen zu vergrößern.

Entsprechend einer weiteren Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Systems werden die Halteelemente, also die Sensormodule, mindestens einen Teilbereich des Güterstroms umfassend angeordnet. Damit ergibt sich besonders dann eine vorteilhafte Sensoranordnung, wenn die Fördereinrichtung z.B. einen kreisförmigen Querschnitt hat, indem die Sensormodule beispielsweise in radialer Ausrichtung rund um den Querschnitt der Fördereinrichtung oder einen Teilbereich davon, z.B. eine Hälfte des Querschnitts, angebracht werden. Es kann so auf einfache Weise gewährleistet werden, dass ein aus Gründen der Empfindlichkeit einzuhaltender Maximalabstand der Sensormodule vom Güterstrom nicht überschritten wird. Eine derartige Anordnung lässt sich besonders vorteilhaft beispielsweise an einer Rohrleitung, die auch metallisch sein kann, einsetzen.

Als Sensoren können für alle genannten Ausbildungsformen elektromagnetische Spulen oder Magnetfeldsensoren verwendet werden.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es sinnvoll oder erforderlich sein, in Transportrichtung gesehen vor der Messeinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorzusehen. Es kann sich dabei um einen Permanentmagneten oder um einen Elektromagneten oder auch um eine andere Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, etwa eine Spule, handeln, wobei das Magnetfeld z.B. im Falle eines Elektromagneten oder einer Spule auch ein Wechselmagnetfeld sein kann. Die Verwendung eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten mit Gleichstromanregung kann insbesondere beim Einsatz von Magnetfeldsensoren sinnvoll sein, ein Elektromagnet oder eine Spule mit Wechselstromanregung bietet sich insbesondere beim Einsatz von Spulen als Sensoren an.

Im Folgenden wird anhand der 1 und 2 eine beispielhafte Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Systems erläutert. Dabei zeigt
1 eine Gesamtansicht des Systems, vorbereitet für den industriellen Einsatz,
2 den Aufbau der Messeinrichtung.
1 zeigt eine schematische Gesamtansicht einer Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Systems zur industriellen Qualitätskontrolle. Eine Fördereinrichtung 1 besteht dabei aus einem Transportband 2, das von einem Elektromotor 3 mittels einer Transportwalze 4 in Richtung Z angetrieben wird und somit geeignet ist, zu überwachende Güter über eine Messeinrichtung 5 hinweg zu transportieren. In Transportrichtung gesehen vor der Messeinrichtung 5 befindet sich ein Permanentmagnet 6, der zu detektierende Verunreinigungen, zum Beispiel Stahlpartikel, vormagnetisiert. Die Messeinrichtung 5 erzeugt im Betrieb ein Detektionssignal, das an eine Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 7 übertragen wird.
Letztere dient neben der Weiterverarbeitung des von der Messeinrichtung 5 stammenden Detektionssignals zur Alarmierung oder zur Ansteuerung von selbsttätigen Abscheidevorrichtungen auch zur Einstellung der Überwachungsparameter, zum Beispiel der Empfindlichkeit, der Transportgeschwindigkeit etc. und zur Kontrolle des Überwachungsprozesses. Wird auf Grund des Detektionssignals ein Fremdpartikel in einer Produktpackung erkannt, kann ein Ausstoßer 8 aktiviert werden, der die jeweilige Packung aus der Produktionslinie entfernt.
2 zeigt den inneren Aufbau der Messeinrichtung 5. Leiterplatten 11 mit darauf angeordneten Magnetfeldsensoren 12 und 13 werden mittels Klemmen 14 fixiert und sind so angeordnet, dass sie einen kleinen Winkel zur Transportrichtung Z aufweisen. Sie sind über Kabel (nicht dargestellt) mit einer Hauptplatine 15 verbunden, die eine Auswerteschaltung enthält. Von der Auswerteschaltung wird das Detektionssignal über ein CAN-Bus-Interface (nicht dargestellt) an die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 7 weitergeleitet.
Ein Transportband 2 als Fördereinrichtung, wie in 1 gezeigt, eignet sich vornehmlich zur Beförderung von Stückgut, also von bereits verpackten Waren. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung 5 kann selbstverständlich auch mit einer anderen Art des Warentransports kombiniert werden, zum Beispiel mit einer Rutsche, Transportwanne, Rohrleitung oder anderen Vorrichtungen, um auch Schüttgut oder pastöse oder flüssige Lebensmittelströme zu überwachen. Abhängig von der Art der Transporteinrichtung und/oder der Konsistenz der zu überwachenden Güter ist auch die Ausscheidevorrichtung zu gestalten. Statt des in 1 gezeigten Ausstoßers 8 könnten zum Beispiel auch Schwenkklappen, Einschwenktrichter oder Ausblasvorrichtungen zum Einsatz kommen.
Generell kann die Messvorrichtung 5, gegebenenfalls kombiniert mit einer geeigneten Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit, an beliebiger Stelle eingesetzt werden, ohne direkt mit einer Fördereinrichtung gekoppelt zu sein. So kann sie z.B. auch an einer schon vorhandenen Fördereinrichtung angebracht werden, oder zu prüfende Güter können manuell an ihr vorbei geführt werden.
Ebenso ist es nicht unbedingt erforderlich, dass die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 7 in unmittelbarer Nähe der Messeinrichtung 5 und damit des Produktstromes angebracht ist. Abhängig von eventuell geforderten Umgebungsbedingungen kann diese Einheit auch abgesetzt von der Messeinrichtung 5, zum Beispiel in einem Nebenraum, betrieben werden. Dies wird durch die Anbindung per CAN-Bus ermöglicht.
Schließlich kann das erfindungsgemäße System nicht nur zur Detektion von Metallpartikeln in Lebensmitteln eingesetzt werden. Es kann jede Veränderung eines beliebigen zu prüfenden Gutes gegenüber einem Sollzustand, die geeignet ist, ein Magnetfeld oder ein elektromagnetisches Feld zu beeinflussen oder dadurch beeinflusst zu werden, erkannt werden.

1: Fördereinrichtung
2: Transportband
3: Elektromotor
4: Transportwalze
5: Messeinrichtung
6: Permanentmagnet
7: Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit
8: Ausstoßer
11: Leiterplatten
12, 13: Magnetfeldsensoren
14: Leiterplattenklemmen
15: Hauptplatine

Claims

System zur industriellen Qualitätskontrolle von Gütern, bestehend aus einer Fördereinrichtung (1) zum Transport der Güter in einem Güterstrom und einer Messeinrichtung (5), die mehrere Sensoren (12, 13) und eine Auswerteschaltung umfasst, wobei die Sensoren (12, 13) in einer mindestens zweidimensionalen, sich im Wesentlichen über die Breite des Güterstromes erstreckenden Anordnung vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (12, 13) in Transportrichtung (Z) versetzt zueinander angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (12, 13) in einer dreidimensionalen Anordnung vorliegen.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Sensoren (12, 13) auf einem streifen- oder plattenförmigen Halteelement (11) fixiert sind und mehrere derartige Halteelemente (11) im Wesentlichen parallel zueinander und mit ihrer Längsrichtung in einem Winkel zur Transportrichtung (Z) angebracht sind.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (12, 13) jeweils in einer zweidimensionalen Anordnung auf einem plattenförmigen Halteelement (11) angebracht sind.
System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (11) in unterschiedlichen Abständen zum Güterstrom angebracht sind.
System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (11) mindestens einen Teilbereich des Güterstroms umfassend angeordnet sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (12, 13) elektromagnetische Spulen sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (12, 13) Magnetfeldsensoren sind.