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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer
Menge eines strömenden Mediums gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Detektieren
von Feststoffteilen in einer strömenden Flüssigkeit
während der Durchführung einer Durchflussmessung.
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In
verschiedenen Industriebereichen werden Durchflussmessgeräte
eingesetzt, um die Durchflussrate in einer Leitung zu bestimmen.
Eine Vielzahl solcher Durchflussmessgeräte wird von der
Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben. Mit Durchflussmessgeräten,
die das Coriolis-Prinzip anwenden, wird beispielsweise die Massedurchflussrate
bestimmt, während mit magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten
die Volumendurchflussrate bestimmt wird.
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Ein
Einsatzbereich von Durchflussmessgeräten ist in ventilgesteuerten
Abfüllanlagen, in denen vorbestimmte Mengen (vorbestimmte
Masse oder vorbestimmtes Volumen) an Flüssigkeiten in Behälter abzufüllen
sind. Dabei wird die Durchflussrate in einer Abfüllleitung,
die zu einem zu befüllenden Behälter führt,
mittels eines Durchflussmessgerätes gemessen. Anhand der
gemessenen Durchflussrate, die ab dem Zeitpunkt des Öffnens
eines der Abfüllleitung zugeordneten Ventils gemessen wird,
wird die bereits in den Behälter gefüllte Menge
bestimmt. Das der Abfüllleitung zugeordnete Ventil wird
dann derart in Abhängigkeit von der gemessenen Durchflussrate zum
Schließen angesteuert, dass die vorbestimmte Menge in den
Behälter abgefüllt wird. Dabei besteht die Anforderung,
dass bei jedem Abfüllvorgang die vorbestimmte Menge möglichst
genau und reproduzierbar erreicht wird.
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Bei
der Messung der Durchflussrate von Medien, die aus einer (oder mehreren)
Flüssigkeit(en) und darin enthaltenen Feststoffteilen bestehen,
wie beispielsweise Joghurt mit Fruchtstücken, tritt teilweise
das Problem auf, dass aufgrund der Feststoffteile Messfehler in
der Durchflussrate auftreten. Insbesondere treten bei dem Passieren
von Feststoffteilen durch das Durchflussmessgerät Interferenzen
beziehungsweise diskrete Messsignalabweichungen auf. Diese diskreten
Messsignalabweichungen umfassen teilweise sogar Messausfälle
von sehr kurzer Zeitdauer, wie beispielsweise von wenigen Millisekunden.
Die diskreten Messsignalabweichungen werden beispielsweise bei magnetisch-induktiven
Durchflussmessgeräten durch die unterschiedliche elektrische
Leitfähigkeit und/oder die unterschiedliche magnetische
Induktion der Feststoffteile ausgelöst. Ferner können
bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten kurzzeitige
elektrochemische Wechselwirkungen von Feststoffteilen, die in unmittelbarer Nähe
an der Messelektrode vorbeiströmen, die Messung stören.
Bei Coriolis-Durchflussmessgeräten treten in der Messung
Störungen unter anderem aufgrund der unterschiedlichen
Dichte der Feststoffteile im Vergleich zu der sie umgebenden Flüssigkeit(en) und
aufgrund von den viskosen Eigenschaften der mindestens einen umgebenden
Flüssigkeit auf. Bei Abfüllanlagen führt
dies dazu, dass die während des Abfüllvorganges
aus der Durchflussrate bestimmte Menge von der tatsächlich
abgefüllten Menge abweicht und somit keine ausreichend
hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit in der Abfüllmenge
erzielbar ist. Diese Problematik besteht insbesondere bei Coriolis-Durchflussmessgeräten
sowie bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten.
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Bei
Abfüllvorgängen von reinen Flüssigkeiten
besteht teilweise das Problem, dass unbeabsichtigt Verunreinigungen
in Form von Feststoffteilen in die Flüssigkeit gelangen
und darin mitgeführt werden. Dies kann beispielsweise auftreten,
falls Maschinenteile, die in Kontakt mit der Flüssigkeit
stehen, defekt sind. Die gleiche Problematik besteht allgemein bei
dem Transport von Flüssigkeiten durch Leitungen. Insbesondere
im Lebensmittel- und Pharmabereich ist erforderlich, dass in diesem
Fall der Abfüllvorgang der Flüssigkeit gestoppt
und die betreffenden Behälter aussortiert werden. Zum Teil sind
keine Mechanismen zur Detektion von Feststoffteilen vorgesehen,
so dass die Gefahr besteht, dass Feststoffteile unerkannt in der
Flüssigkeit mitgeführt werden. Werden separate
Sensoren zur Detektion von Feststoffteilen eingesetzt, so führt
dies zu zusätzlichen Kosten.
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Demgemäß besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, bei der Messung von
Durchflussmengen oder Durchflussraten von Medien, die aus einer
(oder mehreren) Flüssigkeit(en) und darin enthaltenen Feststoffteilen
gebildet werden, die Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der
Messung zu verbessern, so dass sie den hohen Anforderungen von industriellen
Anwendungen entspricht. Ferner soll durch die vorliegende Erfindung
das Detektieren von Feststoffteilen in strömenden Flüssigkeiten
auf einfache Weise ermöglicht werden.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Menge
eines strömenden Mediums, das aus mindestens einer Flüssigkeit
und darin enthaltenen Feststoffteilen gebildet wird, bereitgestellt.
Hierzu wird ein Durchflussmessgerät eingesetzt, durch welches
das Medium strömt und das ein Messsignal bereitstellt,
das der gemessenen Durchflussrate entspricht. Das Verfahren weist dabei
nachfolgende Schritte auf:
- A) Erfassen von
in dem Messsignal auftretenden diskreten Messsignalabweichungen
einer solchen Art, die bei dem Durchtritt von Feststoffteilen durch
das Durchflussmessgerät auftreten;
- B) Bestimmen eines Korrekturwertes basierend auf den erfassten
diskreten Messsignalabweichungen; und
- C) Korrigieren der aus der gemessenen Durchflussrate bestimmten
Menge durch den Korrekturwert.
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Unter „Menge” wird
insbesondere ein Volumen oder eine Masse des Mediums verstanden.
Die „Menge” wird dabei aus der Durchflussrate
bestimmt, die über die Zeit durch das Durchflussmessgerät
gemessen wird. Hierzu wird beispielsweise das Messsignal über
die Zeit integriert oder Impulse eines Impulssignals, deren Frequenz
der gemessenen Durchflussrate entspricht, werden aufsummiert. Das
Aufsummieren wird beispielsweise durch einen Summenzähler
durchgeführt. Durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
ist beispielsweise die Volumendurchflussrate des Mediums bestimmbar, während
durch ein Coriolis-Durchflussmessgerät die Massedurchflussrate
bestimmbar ist.
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”Flüssigkeit” bedeutet
in diesem Zusammenhang, dass diese fließfähig
und damit zumindest in einem Coriolis- oder einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät
messbar ist. Dabei kann die Flüssigkeit eine hohe oder
auch eine niedrige Viskosität aufweisen. „Feststoffteile” bedeutet,
dass diese, insbesondere im Vergleich zu der sie umgebenden Flüssigkeit,
nicht fließfähig sind und separat vorliegen. Sie
werden demgemäß als einzelne „Teile” in der
Flüssigkeit mitgeführt. Es handelt sich also um ein
heterogenes Gemisch oder Gemenge, in dem die Feststoffteile erkennbar
separat von der Flüssigkeit vorliegen. Die Feststoffteile
können in der Konsistenz hart, wie beispielsweise Steine,
oder auch weich, wie beispielsweise Fruchtstücke, sein.
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”Diskrete
Messsignalabweichungen” bedeutet, dass die einzelnen Feststoffteile
beim Passieren des Durchflussmessgerätes nicht nur als
kontinuierliche Messsignalabweichung, sondern als diskrete, das
heißt zeitlich begrenzte oder zeitlich trennbare, Abweichung
oder Interferenz erfasst werden. Darunter wird insbesondere eine
zeitlich begrenzte Abweichung des Messwertes von dem umgebenden
Messsignalniveau verstanden, wobei das Messsignalniveau in vielen
Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei vollständig
geöffnetem Ventil (z. B. während eines Abfüllvorganges)
oder bei einer kontinuierlichen Strömung, als näherungsweise
konstant (bzw. alternativ sich mit einer konstanten Steigung ändernd)
betrachtet werden kann. Die Kriterien dafür, welche diskreten Messsignalabweichungen
typischerweise bei dem Durchtritt von Feststoffteilen durch das
Durchflussmessgerät auftreten, können aufgrund
von Erfahrungswerten angegeben oder im Experiment bestimmt werden.
Insbesondere können hierzu im Experiment eine Messsignalkurve
der mindestens einen Flüssigkeit (ohne Feststoffteile)
und eine Messsignalkurve des Mediums, das aus der mindestens einen
Flüssigkeit und darin enthaltenen Feststoffteilen gebildet
wird, analysiert und miteinander verglichen werden. Anhand dieses
Vergleichs können dann die Kriterien dafür festgelegt
werden, in welchen Fällen (typischerweise) eine diskrete
Messsignalabweichung einer solchen Art vorliegt, die bei dem Durchtritt
von Feststoffteilen durch das Durchflussmessgerät auftritt,
die also spezifisch dafür ist, dass ein oder mehrere Feststoffteile
das Durchflussmessgerät passiert/passieren. Dabei können
auch mehrere als nur ein Feststoffteil eine diskrete Messsignalabweichung auslösen,
insbesondere dann, wenn zwei oder mehrere Feststoffteile aneinanderhängen
oder das Durchflussmessgerät in unmittelbarer Nähe
zueinander passieren.
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Der
Schritt des Bestimmens eines Korrekturwertes und das anzuwendende
Fehler-Korrekturverfahren, d. h. wie der aus der Messung bestimmte Wert
der Menge durch den Korrekturwert zu korrigieren ist, können
je nach zu messendem Medium und je nach Anwendung variieren.
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Der
Schritt des Korrigierens (Schritt C)) kann zum einen derart ausgeführt
werden, dass die über eine bestimmte Zeitdauer durch das
Durchflussmessgerät geströmte Menge auf einen
höheren oder niedrigeren Wert korrigiert wird und diese
korrigierte Menge als Ausgabewert von dem Durchflussmessgerät
bereitgestellt wird. Als Ausgabewert kann zum Einen (zeitversetzt,
z. B. um wenige Millisekunden) eine korrigierte Durchflussrate (Masse-
oder Volumendurchflussrate) ausgegeben werden, oder es kann als
Wert die korrigierte Menge (z. B. Masse oder Volumen) ausgegeben
werden, die von einem Startzeitpunkt an (z. B. nach Öffnen
eines Ventils) durch das Durchflussmessgerät geströmt
ist. Falls beabsichtigt ist, eine vorbestimmte Menge abzufüllen,
die einem vorbestimmten Integralwert (Integral der Durchflussrate über
die Zeit) oder im Falle eines Impulssignals einer vorbestimmten
Impulsanzahl entspricht, so kann dieser vorbestimmte Integralwert oder
die vorbestimmte Impulsanzahl durch den Korrekturwert nach oben
oder nach unten korrigiert werden. Das Ventil wird dann derart geschlossen,
dass der korrigierte Integralwert bzw. die korrigierte Impulsanzahl
erreicht wird.
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Durch
die gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellte
Erfassung und Berücksichtigung der diskreten Messsignalabweichungen,
die durch einzelne Feststoffteile bei dem Durchtritt durch das Durchflussmessgerät
ausgelöst werden, können die damit verbundenen
Messfehler korrigiert werden. Dadurch wird bei der Mengen- bzw.
Durchflussratenmessung von Medien, die aus mindestens einer Flüssigkeit
und darin enthaltenen Feststoffteilen gebildet werden, eine höhere
Messgenauigkeit erzielt.
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Vorzugsweise
ist der Querschnitt des Messrohres des Durchflussmessgerätes
derart auf die Konzentration der Feststoffteile in der Flüssigkeit
abgestimmt, dass die Feststoffteile den Messabschnitt des Messrohres,
in dem die Durchflussmessung durchgeführt wird, in der
Regel einzeln passieren. Dadurch wird gewährleistet, dass
die einzelnen Feststoffteile jeweils als diskrete Messsignalabweichungen
erfassbar sind und nicht dem Messsignal kontinuierlich (beispielsweise über
die gesamte Messdauer) überlagert sind. Vorzugsweise werden
sämtliche Durchflussmessungen bei konstantem Druck und konstanter
Temperatur (des Mediums) durchgeführt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird im Voraus für die betreffende
Kombination aus Flüssigkeit und Feststoffteilen ermittelt,
welche Art von diskreten Messsignalabweichungen bei dem Durchtritt
von Feststoffteilen durch das Durchflussmessgerät auftreten.
Vorzugsweise wird diese Ermittlung experimentell durchgeführt.
Wie oberhalb erläutert, kann dies beispielsweise durch
einen Vergleich einer Durchflussmessung, die ausschließlich mit
der mindestens einen Flüssigkeit durchgeführt wird,
und einer Durchflussmessung mit dem Medium, das aus der mindestens
einen Flüssigkeit und darin enthaltenen Feststoffteilen
gebildet wird, erfolgen. Durch solch ein Experiment können
insbesondere nähere Informationen über die typische
Höhe, Zeitdauer und/oder Kurvenform der auftretenden diskreten
Messsignalabweichungen getroffen werden. Sind unterschiedliche Feststoffteile,
beispielsweise von unterschiedlichem Material, unterschiedlicher
Größe, etc., in der Flüssigkeit enthalten,
so können gezielt durch Untersuchung der einzelnen diskreten
Messsignalabweichungen Informationen darüber gewonnen werden,
anhand welcher Kriterien bei den erfassten diskreten Messsignalabweichungen
zwischen den unterschiedlichen Feststoffteilen unterschieden werden
kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird bei der Bestimmung des Korrekturwertes
für jede erfasste diskrete Messsignalabweichung ein Korrekturfaktor
eingesetzt und aus den eingesetzten Korrekturfaktoren wird der Korrekturwert
ermittelt. Dabei können gemäß einer Variante
die eingesetzten Korrekturfaktoren jeweils durch einen konstanten Wert
gebildet werden. Der Korrekturwert kann dann beispielsweise aus
dem Produkt der Anzahl der aufgetretenen diskreten Messsignalabweichungen
und dem Korrekturfaktor berechnet werden. Die Verwendung eines konstanten
Korrekturfaktors ermöglicht eine einfache Fehlerkorrektur
und die Anforderungen an die Prozessorleistung einer datenverarbeitenden Einheit
sind demgemäß relativ gering. Die Annahme eines
konstanten Korrekturfaktors führt insbesondere dann zu
einem genauen Ergebnis in der Mengenbestimmung, falls die Feststoffteile
von im Wesentlichen gleicher Größe und gleichem
Gewicht sind. Falls die einzelnen Korrekturfaktoren verschieden sind,
können sie beispielsweise aufsummiert und so der Korrekturwert
bestimmt werden; Je nach Korrekturverfahren kann der Korrekturwert
auch auf andere Weise aus den einzelnen Korrekturfaktoren ermittelt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Identifizierung
von Feststoffanteilen und deren Gewichtung für allfällige
Korrekturmaßnahmen durch anwenden eines geeigneten Korrelationsverfahrens
erfolgen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Korrekturfaktor
in Abhängigkeit von der Höhe, der Zeitdauer und/oder
der Kurvenform der erfassten diskreten Messsignalabweichung bestimmt.
Dadurch können genauere Rückschlüsse auf
das Ausmaß des durch ein Feststoffteil verursachten Fehlers
gewonnen werden, so dass eine bessere Fehlerkorrektur erzielbar
ist. Eine Auswertung der diskreten Messsignalabweichung nach einem
oder mehreren dieser Kriterien und eine Bestimmung des Korrekturfaktors
erfolgt hierbei vorzugsweise durch eine datenverarbeitende Einheit,
wie beispielsweise durch eine CPU. Es kann hierbei vorgesehen sein,
dass der Korrekturfaktor proportional zu der Höhe der erfassten
diskreten Messsignalabweichung ist oder anderweitig mit zunehmender Höhe
der erfassten diskreten Messsignalabweichung ansteigt oder abfällt.
Als „Höhe der Messsignalabweichung” wird
hierbei die maximale Differenz der diskreten Messsignalabweichung
von dem umgebenden Messsignalniveau verstanden. Alternativ kann auch
vorgesehen sein, dass ein konstanter Korrekturfaktor vorgesehen
ist, wobei bei Überschreiten einer vorbestimmten ersten
Höhe der erfassten diskreten Messsignalabweichung der doppelte
Wert des Korrekturfaktors herangezogen wird. Diese Variante ist
insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Feststoffteile von im Wesentlichen
gleicher Größe und Gewicht sind, so dass bei Übersteigen
eines bestimmten Wertes angenommen werden kann, dass zwei Feststoffteile
aneinander hängen oder in unmittelbarer Nähe das
Durchflussmessgerät passieren. Entsprechend kann bei Überschreiten
einer vorbestimmten zweiten Höhe der erfassten diskreten
Messsignalabweichung der dreifache Wert des Korrekturfaktors herangezogen
werden, usw.. In entsprechender Weise, wie dies bezüglich
der Höhe der erfassten diskreten Messsignalabweichung oberhalb
erläutert wird, kann zusätzlich oder alternativ
vorgesehen sein, dass der Korrekturfaktor proportional zu der Zeitdauer
der erfassten diskreten Messsignalabweichung ist oder anderweitig
mit der Zeitdauer ansteigt oder abfällt, oder dass in Abhängigkeit
von einem Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte der Zeitdauer
der doppelte Korrekturfaktor oder ein höheres Vielfaches
des Korrekturfaktors herangezogen wird. Wird der Korrekturfaktor
zusätzlich oder alternativ in Abhängigkeit von
der Kurvenform der erfassten diskreten Messsignalabweichung bestimmt,
so kann dabei je nach Kurvenform beispielsweise auch das Vorzeichen
des Korrekturfaktors variieren, was bedeutet, dass bei einer ersten
Kurvenform die durch das Durchflussmessgerät bestimmte
Menge auf einen kleineren Wert korrigiert wird, während
bei einer zweiten Kurvenform die durch das Durchflussmessgerät
bestimmte Menge auf einen größeren Wert korrigiert
wird. Neben den oberhalb angegebenen Kriterien, die sich aus dem
Messsignal ergeben, kann der Korrekturfaktor auch noch von weiteren
anwendungsspezifischen Kriterien, wie beispielsweise in Abhängigkeit
von der verwendeten Flüssigkeit, dem Material der Feststoffteile
und/oder der durchschnittlichen Größe der Feststoffteile,
festgelegt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung sind für verschiedene Höhen
von diskreten Messsignalabweichungen, für verschiedene
Zeitdauern von diskreten Messsignalabweichungen, für verschiedene
Kurvenformen von diskreten Messsignalabweichungen, für
verschiedene Flüssigkeiten, für verschiedene Materialien
von Feststoffteilen und/oder für verschiedene Größen
von Feststoffteilen, zugehörige Korrekturfaktoren in einem
Speicher hinterlegt. Dadurch können spezifische Korrekturfaktoren
für verschiedene Einsatzbereiche (insbesondere Art. der Flüssigkeit(en),
Material und/oder Größe der Feststoffteile) sowie
in Abhängigkeit von dem jeweiligen Messergebnis (insbesondere
der Höhe, der Zeitdauer und/oder der jeweiligen Kurvenform
der erfassten diskreten Messsignalabweichung) im Voraus bestimmt
werden. Vorzugsweise werden für eines oder mehrere der
oberhalb angegebenen Kriterien Toleranzbereiche festgelegt, innerhalb
derer ein bestimmter (konstanter) Korrekturwert eingesetzt wird. Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass sich der Korrekturwert kontinuierlich
mit einem oder mehreren der oben angegebenen Kriterien (nach einem
vorgegebenen Algorithmus) ändert, beispielsweise kontinuierlich
mit der Höhe der erfassten diskreten Messsignalabweichung
zunimmt oder abnimmt. Auf diese spezifischen Korrekturfaktoren kann
dann während der Durchführung der Messung zugegriffen
werden. Die Ablage in einem (elektronischen) Speicher nach Art einer
elektronischen Bibliothek hat den Vorteil, dass diese durch den
Anbieter des Durchflussmessgerätes im Voraus zusammengestellt
und durch Updates aktualisiert werden kann. Ferner kann vorgesehen
werden, dass auch der Anwender selbst weitere Korrekturfaktoren
ergänzt und die Kriterien, wann die betreffenden Korrekturfaktoren
bei der Berechnung des Korrekturwertes einzusetzen sind, festlegt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung werden bestimmte Messsignaländerungen
nicht als von Feststoffteilen ausgelöst betrachtet, so
dass bei diesen kein Korrekturwert bestimmt und auch die Menge nicht
korrigiert wird. Dies „bestimmten Messsignaländerungen” können
insbesondere Messsignaländerungen sein, deren Höhe
kleiner als eine vorbestimmte Messsignaländerung ist, Messsignaländerungen,
deren Zeitdauer größer als eine erste vorbestimmte
Zeitdauer ist oder deren Zeitdauer kleiner als eine zweite vorbestimmte
Zeitdauer ist, wobei die zweite vorbestimmte Zeitdauer kleiner als
die erste vorbestimmte Zeitdauer ist, und/oder Messsignaländerungen
mit einer bestimmten Kurvenform. Dadurch kann insbesondere vorgesehen
werden, dass nur kleine Abweichungen im Messsignal, die beispielsweise
durch Rauschen oder anderweitige äußere Einflüsse
ausgelöst werden und deren Höhe und/oder Zeitdauer
klein ist, nicht fälschlicherweise als durch ein Feststoffteil
ausgelöste diskrete Messsignalabweichungen erfasst und
korrigiert werden. Vorzugsweise wird ein entsprechendes Toleranzband
um das jeweilige Messsignalniveau herum definiert, wobei kleine Änderungen
in dem Messsignalniveau, die innerhalb dieses Toleranzbandes liegen, nicht
als durch ein Feststoffteil ausgelöste diskrete Messsignalabweichungen
betrachtet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch
ausgeschlossen werden, dass bestimmte Kurvenformen von Messsignaländerungen,
bei denen beispielsweise bekannt ist, dass deren Auftreten durch
andere Ursachen als durch Feststoffteile ausgelöst wird,
fälschlicherweise als durch ein Feststoffteil ausgelöste
diskrete Messsignalabweichungen erfasst und korrigiert werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird neben den einzelnen Korrekturfaktoren,
die pro diskreter Messsignalabweichung eingesetzt werden, ein weiterer
Korrekturparameter eingesetzt, dessen Wert unabhängig von
der Anzahl der erfassten diskreten Messsignalabweichungen ist. Der
Wert dieses Korrekturparameters ist vorzugsweise einstellbar, wobei
die Einstellung beispielsweise durch einen Anlagenbetreiber vorgenommen
werden kann. Durch den Korrekturparameter können insbesondere
solche Fehler in der Mengenmessung korrigiert werden, die nicht
mit der Anzahl der erfassten diskreten Messsignalabweichungen korrelieren.
Der Korrekturparameter kann beispielsweise dadurch ermittelt werden,
dass Testmessungen mit unterschiedlichen Konzentrationen von Feststoffteilen
in der mindestens einen Flüssigkeit durchgeführt
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wertet eine datenverarbeitende Einheit
das Messsignal aus und bestimmt den Korrekturwert basierend auf
den erfassten diskreten Messsignalabweichungen. Dabei kann die datenverarbeitende
Einheit in einer Steuerungseinheit, wie beispielsweise einer SPS (Speicherprogrammierbare
Steuerung), vorgesehen sein, wobei das Messsignal von dem Durchflussmessgerät über
Signalleitungen (beispielsweise als Impulssignal, als Stromsignal,
etc.) an die Steuerungseinheit gegeben wird. Alternativ kann die
datenverarbeitende Einheit auch in dem Durchflussmessgerät
selbst vorgesehen sein, so dass die Schritte des Bestimmens des
Korrekturwertes und des Korrigierens der aus der Durchflussrate
bestimmten Menge direkt in dem Durchflussmessgerät durchgeführt werden.
Das Durchflussmessgerät, das vorzugsweise als Feldgerät
ausgebildet ist, gibt dann den korrigierten Wert der Menge, beispielsweise über
einen Feldbus (z. B. Profibus®,
HART®, Foundation® Fieldbus,
etc.), als Ausgabewert aus. Ferner besteht die Möglichkeit,
dass das Durchflussmessgerät das Messsignal direkt über
eine Signalleitung an ein Ventil sendet, wobei das Ventil die datenverarbeitende Einheit
aufweist und die Schritte des Bestimmens des Korrekturwertes und
des Korrigierens der aus der Durchflussrate bestimmten Menge durchführt. Das
Ventil kann dann direkt die Durchflussrate in Abhängigkeit
von dem korrigierten Wert der Menge einstellen.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, dass die datenverarbeitende Einheit
auch weitere der oberhalb in Bezug auf die Weiterbildungen erläuterten
Schritte ausführt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die
datenverarbeitende Einheit in Abhängigkeit von den erfassten
diskreten Messsignalabweichungen auf die in dem Speicher hinterlegten
Korrekturfaktoren zugreift.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird ein Korrekturfaktor, der pro erfasster
diskreter Messsignalabweichung einzusetzen ist, dadurch bestimmt,
dass eine Differenzmenge zwischen einer gemessenen Menge an Medium,
die aus einer Durchflussmessung mit dem Durchflussmessgerät über
eine vorbestimmte Zeitdauer ohne Durchführung des Schrittes
des Korrigierens (Schritt C)) bestimmt wird, und der tatsächlich
während dieser vorbestimmten Zeitdauer durch das Durchflussmessgerät
geströmten Menge an Medium bestimmt wird und diese Differenzmenge
durch die Anzahl der während dieser vorbestimmten Zeitdauer
in der Durchflussmessung erfassten diskreten Messsignalabweichungen
geteilt wird. Diese Art der Bestimmung eines Korrekturfaktors ist
einfach durchführbar und ist insbesondere dann geeignet,
falls die Feststoffteile von im Wesentlichen gleicher Größe
und im Wesentlichen gleichem Gewicht sind. Vorzugsweise werden bei
der Bestimmung solche Messsignaländerungen, die nicht als
von Feststoffteilen ausgelöst betrachtet werden (siehe
oben), nicht berücksichtigt. Ferner kann bei der Bestimmung
zusätzlich ein konstanter Korrekturparameter (siehe oben)
eingesetzt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist das Durchflussmessgerät
ein Coriolis-Durchflussmessgerät oder ein magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät.
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Coriolis-Durchflussmessgeräte
werden vielfach in der Prozessautomatisierungstechnik zur Bestimmung
der Massedurchflussrate von Fluiden bzw. Messmedien in einem Rohrleitungsabschnitt
eingesetzt. Es wird dabei mindestens ein Messrohr, durch welches
das zu messende Fluid strömt, in Schwingung versetzt. Bei
den Messrohren werden unterschiedliche Formen, wie beispielsweise
eine U-, eine V- oder eine Ω-Form eingesetzt. Durch das
strömende Fluid wird die Schwingungsbewegung des mindestens
einen Messrohrs beeinflusst. Die Schwingungsbewegung des Messrohres
wird in der Regel durch zwei Schwingungssensoren, die entlang der Strömungsrichtung
voneinander beabstandet sind, erfasst. Die beiden Sensorsignale
weisen die gleiche Frequenz wie die Rohrschwingung des Messrohrs auf,
sie sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Die Phasenverschiebung
ist dabei ein Maß für den Massedurchfluss des
Fluids durch das Messrohr. Die Auswertung der Sensorsignale und
die Bestimmung der Phasenverschiebung erfolgt in der Regel in einer
Mess- und Betriebsschaltung.
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Magnetisch-induktive
Durchflussmessgeräte werden ebenfalls häufig in
der Prozessautomatisierungstechnik eingesetzt, wobei durch diese
die Volumendurchflussrate eines Fluids bzw. Messmediums, das ein
Messrohr durchströmt, bestimmt wird. Bei diesen Messgeräten
wird der Effekt angewendet, dass senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte
Ladungsträger des Fluids in im Wesentlichen senkrecht zur
Strömungsrichtung und dem Magnetfeld angeordneten Messelektroden
eine Spannung induzieren. Diese induzierte Spannung ist proportional
zu der Volumendurchflussrate des Fluids. In magnetisch-induktiven
Durchflussmessgeräten ist in der Regel eine Spulenanordnung
vorgesehen, die ein Magnetfeld erzeugt, welches das Messrohr durch setzt,
quer zur Messrohrachse verläuft und sich periodisch in
der Richtung ändert. In dem Bereich des Messrohres ist in
der Regel mindestens eine, mit dem Fluid gekoppelte Messelektrode
angeordnet. Ferner ist eine Mess- und Betriebsschaltung vorgesehen,
die anhand der in der mindestens einen Messelektrode induzierten
Spannung Informationen über den Volumenstrom des Fluids
liefert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung misst das Durchflussmessgerät
bei der Durchführung eines Abfüllvorganges, bei
dem eine vorbestimmte Abfüllmenge des Mediums über
eine Abfüllleitung abzufüllen ist, die Durchflussrate
des Mediums in der Abfüllleitung. Ein der Abfüllleitung
zugeordnetes Ventil wird dabei derart geschlossen, dass die durch
die Durchflussmessung des Durchflussmessgerätes bestimmte
und korrigierte Menge der vorbestimmten Abfüllmenge entspricht.
Bei dieser Anwendung kann eine genaue Einstellung einer gewünschten
Abfüllmenge erzielt werden. Insbesondere im Lebensmittelbereich,
wie beispielsweise beim Abfüllen von Joghurt mit Fruchtstücken,
ist diese Anwendung sinnvoll. Dabei wird vorzugsweise auch eine
Vorlaufmenge, das heißt, eine während des Öffnungsvorganges des
Ventils abgefüllte Menge, und eine Nachlaufmenge, das heißt,
eine während des Schließvorganges abgefüllte
Menge, berücksichtigt. Die Vorlauf- und die Nachlaufmenge
kann anhand von Erfahrungswerten oder im Experiment bestimmt werden. Ein
Verfahren hierzu ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 101 49 473 A1 beschrieben.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Detektieren
von Feststoffteilen in einer strömenden Flüssigkeit
während der Durchführung einer Durchflussmessung
bereitgestellt, wobei das Verfahren nachfolgende Schritte aufweist:
- A) Messen der Durchflussrate der strömenden Flüssigkeit
unter Verwendung eines Durchflussmessgerätes und Bereitstellen
eines Messsignals, das der gemessenen Durchflussrate entspricht;
- B) Prüfen, ob das Messsignal diskrete Messsignalabweichungen
einer solchen Art aufweist, die bei dem Durchtritt von Feststoffteilen
durch das Durchflussmessgerät auftreten.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
dabei auf einfache Weise, während einer Durchflussmessung
einer Flüssigkeit gleichzeitig zu überprüfen,
ob unerwünschte Feststoffteile in der Flüssigkeit
mitgeführt werden. Dadurch können Feststoffteile
auf einfache und zuverlässige Weise in der transportierten
Flüssigkeit erfasst werden, ohne dass hierfür
ein separater Sensor vorgesehen werden muss.
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Die
oberhalb in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren
zum Bestimmen einer Menge eines strömenden Mediums erläuterten
Weiterbildungen können bei dem vorliegenden Verfahren,
soweit anwendbar, gleichermaßen realisiert werden, wobei
dabei die oberhalb angegebenen Vorteile erzielt werden.
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Falls
bei dem Schritt des Prüfens (Schritt B)) festgestellt wird,
dass das Messsignal solche, für das Passieren von einem
oder mehreren Feststoffteilen typische diskrete Messsignalabweichungen
aufweist, kann beispielsweise ein Alarmsignal oder eine Fehlermeldung
ausgegeben werden und es können weitere erforderliche Handlungen
vorgenommen werden. Insbesondere kann gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung bei der Durchführung eines
Abfüllvorganges, bei dem eine vorbestimmte Abfüllmenge
der Flüssigkeit über eine Abfüllleitung
abzufüllen ist, das Durchflussmessgerät die Durchflussrate
der Flüssigkeit in der Abfüllleitung messen. Ferner
kann ein der Abfüllleitung zugeordnetes Ventil, das vorzugsweise direkt
in der Abfüllleitung angeordnet ist, geschlossen werden,
falls der Schritt des Prüfens ergibt, dass das Messsignal
diskrete Messsignalabweichungen einer solchen Art aufweist, die
bei dem Durchtritt von Feststoffteilen durch das Durchflussmessgerät
auftreten. So kann verhindert werden, dass ein Abfüllvorgang
fortgesetzt wird, wenn unerwünschte Feststoffteile in der
abzufüllenden Flüssigkeit enthalten sind. Ferner
können die Behälter, die während der Zeit
befüllt wurden, in der die diskrete Messsignalabweichung(en)
erfasst wurde(n), aussortiert werden.
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Weitere
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben
sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Von den Figuren
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer einfachen Abfüllanlage;
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2:
eine schematische Darstellung einer Messsignalkurve eines Durchflussmessgerätes
während der Durchführung eines Abfüllvorganges
einer Flüssigkeit;
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3:
eine schematische Darstellung einer Messsignalkurve eines Durchflussmessgerätes
während der Durchführung eines Abfüllvorganges
eines Mediums, das aus mindestens einer Flüssigkeit und darin
enthaltenen Feststoffteilen gebildet wird;
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4:
eine vergrößerte Darstellung einer diskreten Messsignalabweichung;
und
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5:
eine schematische Darstellung einer Messsignalkurve eines Durchflussmessgerätes
während der Durchführung eines Abfüllvorganges
eines Mediums, das aus mindestens einer Flüssigkeit und darin
enthaltenen Feststoffteilen gebildet wird, wobei das erfindungsgemäße
Verfahren veranschaulicht wird.
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In 1 ist
eine einfache Abfüllanlage schematisch dargestellt. In
einem Vorratsbehälter 2 ist das abzufüllende
Medium, das aus einer Flüssigkeit und darin enthaltenen
Feststoffteilen gebildet wird, enthalten. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist
das abzufüllende Medium Joghurt mit darin enthaltenen Fruchtstücken.
Von dem Vorratsbehälter 2 führt eine
Abfüllleitung 4, die durch ein Rohr gebildet wird,
zu einem zu befüllenden Behälter 6. In
der Abfüllleitung 4 ist ein Durchflussmessgerät 8 angeordnet,
durch welches, je nach Ausbildung des Durchflussmessgerätes 8,
die Volumendurchflussrate oder die Massedurchflussrate, bestimmt
wird. Ferner ist in der Abfüllleitung 4 ein Ventil 10 angeordnet,
wobei durch Schließen des Ventils 10 der Durchfluss
in der Abfüllleitung 4 unterbrochen werden kann.
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Anhand
der von dem Durchflussmessgerät 8 bestimmten Durchflussrate
wird in Zusammenwirkung mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) 12 und
dem Ventil 10 eine exakte Dosierung der Abfüllmenge
realisiert. Hierzu ist das Durchflussmessgerät 8 über
eine Signalleitung 14 mit der speicherprogrammierbaren
Steuerung 12 verbunden. Das Durchflussmessgerät 8 gibt über
die Signalleitung 14 ein Impulssignal an die speicherprogrammierbare
Steuerung 12, wobei eine Frequenz des Impulssignals in
bekannter Weise einer Durchflussrate des Mediums in der Abfüllleitung 4 entspricht.
In der speicherprogrammierbaren Steuerung 12 ist eine Summenzählerfunktion
implementiert, durch welche die empfangenen Impulssignale seit Öffnen
des Ventils 10 aufsummiert werden. Die Summe der Impulse ist
ein Maß für die in den Behälter 6 eingefüllte
Menge. Stellt die speicherprogrammierbare Steuerung 12 anhand
der ermittelten Summe fest, dass unter Berücksichtigung
einer Nachlaufmenge die Abfüllmenge erreicht ist, so gibt
es über eine weitere Signalleitung 16 ein Steuerungssignal
an das Ventil 10, so dass dieses wieder geschlossen wird.
Sobald ein nachfolgender Behälter unter das Auslassende
der Abfüllleitung 4 positioniert ist, wird das
Ventil 10 wieder geöffnet und der beschriebene
Ablauf wird erneut durchlaufen.
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Zur
Ermittlung, welche Art von diskreten Messsignalabweichungen bei
dem Durchtritt von Feststoffteilen durch das Durchflussmessgerät 8 auftreten,
wird zunächst eine erste Messung ausschließlich
mit der Flüssigkeit, das heißt im vorliegenden
Fall mit Joghurt ohne Fruchtstücken, durchgeführt.
Eine schematische Darstellung der erhaltenen Messsignalkurve, bei
der die Durchflussrate über die Zeit aufgetragen ist, ist
in 2 dargestellt. Zu Beginn des Abfüllvorganges
ist das Ventil 10 geschlossen und die Durchflussrate ist
Null. Zum Zeitpunkt T1 wird das Ventil 10 geöffnet
und die Durchflussrate steigt an. Zum Zeitpunkt T2 ist das Ventil 10 vollständig
geöffnet. Wie in 2 dargestellt
ist, steigt die Durchflussrate noch etwas weiter an, durchläuft
ein Maximum und nimmt anschließend einen nahezu konstanten Wert
ein, der geringfügig unterhalb der maximal erreichten Durchflussrate
liegt. Durch die Summenzählerfunktion in der speicherprogrammierbaren
Steuerung 12 werden seit dem Zeitpunkt T1 die Impulse aufsummiert
und anhand dessen wird unter Berücksichtigung der Nachlaufmenge
bestimmt, zu welchem Zeitpunkt der Schließvorgang des Ventils 10 gestartet
werden muss. Dies erfolgt in der Darstellung der 2 zu
dem Zeitpunkt T3. Daraufhin nimmt die Durchflussrate ab und nimmt
zu dem Zeitpunkt T4, zu dem das Ventil 10 vollständig
geschlossen ist, den Wert Null ein. Die nachfolgenden Schwankungen in
dem Messsignal sind durch Schwingungen der Flüssigkeit
in dem Messrohr bedingt und sind für die genaue Einstellung
der Abfüllmenge gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht von Bedeutung. Die anhand der Durchflussmessung
ermittelte Abfüllmenge entspricht der Fläche unter
der Messsignalkurve zwischen den Zeitpunkten T1 und T4, was im vorliegenden
Ausführungsbeispiel der Summe der Impulse, die während
dieses Zeitraums ausgegeben wurden, entspricht.
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Anschließend
wird eine Durchflussmessung mit dem Medium, das aus der mindestens
einen Flüssigkeit und darin enthaltenen Feststoffteilen,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel also aus dem Joghurt mit
Fruchtstücken, gebildet wird, durchgeführt.
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Eine
schematische Darstellung der erhaltenen Messsignalkurve ist in 3 dargestellt.
Die Grundform der Messsignalkurve in 3 entspricht dabei
weitgehend der Grundform, wie sie oberhalb unter Bezugnahme auf 2 erläutert
wurde. In dem Bereich zwischen den Zeitpunkten T2 und T3, in dem das
Messsignal in 2 annähernd konstant
ist, treten bei der Messsignalkurve in 3 drei diskrete Messsignalabweichungen
oder Interferenzen 18 auf. Diese Messsignalabweichungen 18 treten
bei dem Durchtritt von einzelnen Feststoffteilen durch das Durchflussmessgerät 8 auf.
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Durch
eine Analyse dieser drei diskreten Messsignalabweichungen 18 können
nähere Informationen über die typische Höhe,
Zeitdauer und/oder Kurvenform derselben erhalten werden. Aus der
vergrößerten Ansicht der diskreten Messsignalabweichung
in 4 ist ersichtlich, dass ausgehend von dem normalen
Kurvenverlauf 20 (vgl. 2) bei der diskreten
Messsignalabweichung 18 das Messsignal zunächst
unterhalb des umgebenden Messsignalniveaus abfällt und
ein Minimum durchläuft. Anschließend steigt das
Messsignal wieder stark an, durchläuft das umgebende Messsignalniveau
und steigt weiter darüber hinaus an. Nach Durchlaufen eines Maximums
pendelt sich das Messsignal wieder im Wesentlichen auf das umgebende
Messsignalniveau ein. Der beschriebene Kurvenverlauf ist dabei in
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel typisch für
den Durchtritt eines Fruchtstückes durch das Durchflussmessgerät 8.
Der Abstand zwischen den Durchflussraten im Maximum und im Minimum
der diskreten Messsignalabweichung wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel
als ein Maß für die Höhe der diskreten Messsignalabweichung
verwendet. Der Abstand zwischen dem Zeitpunkt T5, in dem das Messsignal
von dem umgebenden Messsignalniveau in Richtung Minimum abfällt,
und dem Zeitpunkt T6, in dem das Messsignal von dem Maximum kommend
das umgebende Messsignalniveau erreicht, wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel
als ein Maß für die Zeitdauer der diskreten Messsignalabweichung
verwendet.
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Es
wird nun ein Korrekturfaktor, der pro erfasster diskreter Messsignalabweichung
einzusetzen ist, bestimmt. Dabei wird die Annahme zugrunde gelegt,
dass die einzelnen Joghurtstücke von im Wesentlichen gleicher
Größe und gleichem Gewicht sind. Es wird hierzu
eine erste Summe der Impulse zwischen den Zeitpunkten T1 und T4
der Messung in 3 gebildet. Ferner wird die
tatsächlich in dem Zeitraum von T1 bis T4 abgefüllte
Menge bestimmt und eine entsprechende zweite Impulsanzahl berechnet.
Aus der ersten Summe der Impulse und der zweiten Impulsanzahl wird
die Differenz gebildet. Diese Differenz wird dann durch die Anzahl
der erfassten diskreten Messsignalabweichungen 18, im vorliegenden
Fall also durch drei, geteilt. Der erhaltene Wert entspricht dem
Korrekturfaktor, der pro erfasster diskreter Messsignalabweichung
einzusetzen ist. Wird die Abfüllmenge nicht anhand der
Summe des ausgegebenen Impulssignals sondern anhand des Integrals
unter der Messsignalkurve gebildet, so kann in entsprechender Weise
mit den Integralwerten vorgegangen werden.
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Wird
bei Testmessungen von Joghurt mit unterschiedlichen Dichten an Fruchtstücken
festgestellt, dass auch ein Fehler auftritt, der unabhängig von
der Anzahl der erfassten diskreten Messsignalabweichungen ist, so
kann zusätzlich ein Korrekturparameter eingesetzt werden,
dessen Wert geeignet gewählt wird und der unabhängig
von der Anzahl der erfassten diskreten Messsignalabweichungen eingesetzt
wird.
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Ferner
ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen,
dass Messsignaländerungen, deren Höhe (hier: Abstand
zwischen Maximum und Minimum) kleiner als eine erste vorbestimmte
Höhe H1 ist und deren Zeitdauer (hier: Abstand zwischen T5
und T6) kleiner als eine erste vorbestimmte Zeitdauer ΔT1
ist, nicht als von Feststoffteilen ausgelöst betrachtet
werden. Dies ist in 4 schematisch durch die erste
Box 22 dargestellt. Ferner ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
vorgesehen, dass diskrete Messsignalabweichungen, deren Höhe (hier:
Abstand zwischen Maximum und Minimum) größer als
eine zweite vorbestimmte Höhe H2 ist und deren Zeitdauer
(hier: Abstand zwischen T5 und T6) größer als
eine zweite vorbestimmte Zeitdauer ΔT2 ist, als von zwei
Feststoffteilen ausgelöst betrachtet werden. Demgemäß ist
für solch eine Messsignalabweichung der doppelte Korrekturfaktor
einzusetzen. Dies ist in 4 schematisch durch die zweite
Box 24 dargestellt. In entsprechender Weise können
auch noch weitere Höhen und/oder Zeitdauern definiert werden,
bei deren Überschreiten noch höhere Vielfache
des Korrekturfaktors einzusetzen sind.
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In 5 ist
schematisch eine Messsignalkurve des Durchflussmessgerätes 8 während
der Durchführung eines Abfüllvorganges von Joghurt
mit Fruchtstücken darge stellt, wobei während der
Messung das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird.
Es wird im Folgenden vorwiegend auf die Unterschiede gegenüber
den Messsignalkurven der 2 und 3 eingegangen.
Nach Erfassen von drei diskreten Messsignalabweichungen 18 wird
der dreifache Wert des Korrekturfaktors, der wie oberhalb erläutert
im Voraus ermittelt wurde, eingesetzt. Dieser dreifache Wert des
Korrekturfaktors entspricht folglich dem Korrekturwert. Würde
das Ventil 10 entsprechend der aus der gemessenen Durchflussrate
bestimmten Menge angesteuert werden, das heißt ohne Ausführen
des Schrittes des Korrigierens (Schritt C)), so hätte das
Messsignal einen Kurvenverlauf, wie es in 5 durch
die gestrichelte Linie dargestellt ist. Bei Berücksichtigung
des ermittelten Korrekturwertes ergibt sich jedoch, dass die korrekte Abfüllmenge
dann erhalten wird, wenn das Ventil 10 um eine Anzahl von
Impulsen, die dem Korrekturwert entspricht, später geschlossen
wird. Der entsprechende Zeitpunkt ist der Zeitpunkt T3'. Zu dem
Zeitpunkt T4' ist das Ventil 10 dann vollständig
geschlossen. Der entsprechende Kurvenverlauf ist in 5 durch
die durchgezogene Linie dargestellt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die in den Figuren erläuterten
Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere
können die in den Figuren dargestellten diskreten Messsignalabweichungen
und die Grundform der Messsignalkurve während des Abfüllvorganges je
nach Anwendung auch eine andere Kurvenform aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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