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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Füllmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
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In der Abfülltechnologie sind Füllmaschinen mit hoher Produktionsleistung, z. B. als Rundläufer, für die Abfüllung flüssiger oder pastöser Produkte in hohle Behälter bekannt. Rundläufer-Füllmaschinen befüllen gleichzeitig mehrere Behälter mittels mehrerer in Füllstationen eines Drehtisches angeordneter Füllventile in der kontinuierlichen Bewegung. Dabei werden unterschiedliche Abfüllverfahren ausgeführt, z. B. um jeweils die Menge des abgefüllten Produktes zu bestimmen. Ein bekanntes Abfüllverfahren ist ein Massen- bzw. Volumenabfüllverfahren (was bei konstanter Produktdichte äquivalent ist) und ist ein zweites Abfüllverfahren ein Füllhöhen-Abfüllverfahren. Nach dem Massen- oder Volumenabfüllverfahren arbeitende Füllmaschinen geben die abgefüllte Nennmenge auf unterschiedliche Arten vor. In einem Fall wird oberhalb des Füllventils in einer Vorkammer erst eine Dosierung entsprechend der Nennmenge vorgenommen, und dann das in der Vorkammer enthaltene Produkt in den Behälter abgefüllt. In einem anderen Fall misst ein Massen-Durchflussmesser im Füllventil im Produktstrom die Füllmenge, wobei das Füllventil bei Erreichen der definierten Nennmenge abgeschaltet wird. In einem weiteren Fall wiegt ein Wägemittel bei jeder Behälterposition am Drehtisch den Behälter während des Abfüllens, wobei das Füllventil bei Erreichen einer definierten Gewichtskraft entsprechend der Nennmenge abgeschaltet wird. Dies ist nur bei Behältern mit konstantem Gewicht zweckmäßig. Allerdings ist es bei variierenden Behälter-Leergewichten möglich, mittels des Wägemittels unterschiedliche Behältergewichte zu kompensieren. Das Massen- oder Volumenabfüllverfahren wird u. a. dann angewandt, wenn die konstante Nennmenge wichtiger ist als eine konstant bleibende Füllhöhe, oder bei Behältern mit größerer Volumenstreuung wie Glasflaschen oder beispielsweise extrusionsgeblasene HDPE-Behälter. Bei Füllhöhen-Abfüllverfahren ausführenden Füllmaschinen wird hingegen der Abfüllvorgang auf eine unter allen abgefüllten Behältern konstante Füllhöhe optimiert. Hier ist es bekannt, eine in das Produkt eintauchende Leitwertsonde zu benutzen, die bei Erreichen der Nenn-Füllhöhe die Abschaltung des Füllventils veranlasst. Das Füllhöhen-Abfüllverfahren wird im Allgemeinen bei niedrigpreisigen Massenprodukten angewandt, bei denen es nicht auf eine konstante Nennmenge ankommt.
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Allen erwähnten Füllmaschinen ist gemein, dass das Füllventil einen Großteil der Nennmenge mit maximal möglichem Volumenstrom abfüllt. Um jedoch eine möglichst genaue Dosierung zu ermöglichen, wird eine Restmenge mit reduziertem Volumenstrom abgefüllt, was im Falle einer produktberührenden Messsonde eine erheblich genauere Messung ermöglicht.
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In nach einem Füllhöhen-Abfüllverfahren arbeitenden Füllmaschinen zeigt sich als Nachteil, dass manche Produkte aufgrund der für das Verfahren notwendigen Füllventiltypen oder aus hygienischen Gründen wegen produktberührender Sonden nicht abgefüllt werden dürfen. Vielmehr müssen solche Produkte zwangsweise nach Volumen- oder Massenabfüllverfahren mit der definierten Nennmenge abgefüllt werden. Hierbei ist es jedoch, z. B. aus Marketing-Gründen unbedingt erforderlich, dass selbst bei Behältern mit größeren Volumenschwankungen eine konstante Füllhöhe erreicht wird, was jedoch verfahrensbedingt nicht mit hinreichender Genauigkeit möglich ist, da solche Volumenabweichungen bei konstant bleibender Nennmenge Füllhöhenschwankungen erzeugen, die durch die übliche Verjüngung von Flaschen oder Kanistern im Schulterbereich und Halsbereich noch verstärkt werden.
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Speziell Milch und Milchprodukte, die nicht unter Überdruck oder Unterdruck sondern mit einem Freistrahl abgefüllt werden, und zwar oftmals in großvolumige Behälter von beispielsweise mindestens einer halben Gallone bis zu 10 Liter, wie auf dem US-Markt üblich, können erhebliche Probleme schaffen. Denn in diesem Fall kommen häufig extrusionsgeblasene Behälter, z. B. aus HDPE, PE oder PP zum Einsatz, die zwar in der Herstellung preiswert sind, aber herstellungsbedingt relativ große Volumenschwankungen zeigen, oder sich beim Abfüllen temperatur- und/oder druckabhängig unterschiedlich dehnen, so dass beim Abfüllen nach einem Volumen- oder Massen-Abfüllverfahren die abgefüllte Nennmenge zu deutlich sichtbar unterschiedlichen Füllhöhen führt. Der Endverbraucher, der Volumenschwankungen dieser Behälter nicht kennt, vermutet bei mehreren nebeneinander stehenden abgefüllten Behältern bei zu niedriger Füllhöhe eine zu geringe Füllmenge, obwohl die Nennmenge enthalten ist, und lässt solche Behälter stehen oder wird so verunsichert, dass sein Kaufverhalten negativ beeinflusst werden kann.
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Es ist zwar aus
DE 10 2009 035 605 A bekannt, beim Abfüllen von Getränken in Behälter zunächst die abgefüllte Menge über das Volumen und anschließend die Füllhöhe im gefüllten Behälter zu messen. Die hierfür eingesetzte Füllmaschine arbeitet ausschließlich nach einem Volumen- bzw. Massen-Abfüllverfahren, bei dem die Menge über das Volumen bestimmt wird. Das Volumen wird beispielsweise über einen Durchflussmesser im Füllventil gemessen. Die Füllhöhe wird mit bekannten Mess- oder Bestimmungseinrichtungen gemessen, kann aber beispielsweise auch über optische Mittel ohne Produktberührung, wie beispielsweise mit einer Kamera, festgestellt werden. Die von den Füllhöhen-Messeinrichtungen ermittelten Messwerte werden jedoch nicht zur Steuerung des Abfüllverfahrens herangezogen, sondern dienen ausschließlich zur Qualitätskontrolle, um hohe Qualitätsanforderungen zu erfüllen, die allein durch die Volumenmessung nicht erfüllbar sind. Die Messeinrichtung für die Füllhöhe dient lediglich zur zusätzlichen Sicherheit als Grobkontrolle, um beispielsweise Flaschen mit einem Riss, die beim Abfüllen Produkt verlieren, zu erkennen, um den befüllten Behälter auszusondern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Füllmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen nicht nur universell, sondern auch trotz Volumenschwankungen der Behälter bezüglich der Füllhöhe korrekt befüllte Behälter einer jeweiligen Sorte zu erzielen sind. Teil der Aufgabe ist es ferner, Milch oder Milchprodukte hygienisch einwandfrei auch in große Behälter mit größeren Volumenschwankungen innerhalb der jeweiligen Sorte, wie z. B. auf dem US-Markt üblich, so abzufüllen, dass dem Verbraucher im Regal suggeriert wird, alle Behälter enthielten nicht nur die Nennmenge sondern hätten auch exakt gleiche Volumina.
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Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 12 gelöst.
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Die verfahrensgemäße Kombinierbarkeit oder Kombination zweier unterschiedlicher Abfüllverfahren bietet den Vorteil mehrerer Wahlmöglichkeiten, die der Abfüller nach Bedarf nutzen kann. Bei hoher Qualität der Behälter, d. h. kleinen Volumenschwankungen innerhalb einer Sorte, wird nur durch Einfüllen beispielsweise der Nennmenge bzw. der Nennmasse sowohl die Forderung erfüllt, mindestens die Nennmenge oder Nennmasse abgefüllt zu haben, und weitestgehend auch konstante Füllhöhen zu erzielen. Bei Behältern mit großen Volumenschwankungen innerhalb der Sorte wird durch Kombination der Verfahren nicht nur mindestens die Nennmenge abgefüllt, sondern werden auch konstante Füllhöhen erzielt, was aus Marketing-Gründen wichtig ist. Ebenfalls bei Behältern mit deutlichen Volumenschwankungen innerhalb der Sorte kann die Nennmenge abgefüllt werden, und werden unterschiedliche Füllhöhen in Kauf genommen. Schließlich kann bei geringen Volumenschwankungen von Behältern hoher Volumenkonstanz eine konstante Füllhöhe erzielt werden, ohne Gefahr, die Nennmenge unterschritten zu haben. Die beiden unterschiedlichen Abfüllverfahren sind entweder nur für eine begrenzte Anzahl abzufüllender Behälter einer Sorte kombinierbar oder kombiniert, oder für alle abzufüllenden Behälter. Im erstgenannten Fall kann nach Feststellung eines Trends zu beispielsweise minimalen oder nicht feststellbaren Volumenschwankungen der Behälter nur mehr mit einem der beiden Abfüllverfahren weitergearbeitet werden, weil sich dadurch bestätigt hat, dass die Abfüllqualität gleichbleibend hoch ist, oder wird jeweils nur zeitweise stichprobenartig mit der Kombination der beiden unterschiedlichen Abfüllverfahren gearbeitet, um einen sich abzeichnenden Trend zu nachlassender Abfüllqualität feststellen und diesem gegensteuern zu können. Hingegen kann es auch zweckmäßig sein, eine permanent hohe Abfüllqualität dadurch sicherzustellen, dass für alle abzufüllenden Behälter einer Sorte die beiden unterschiedlichen Abfüllverfahren kombiniert werden.
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Die Füllmaschine bietet dem Abfüller die Wahlmöglichkeit, nach dem einen oder dem anderen Abfüllverfahren zu arbeiten oder beide Abfüllverfahren zu kombinieren, und zwar abhängig entweder von der Wertigkeit des Produktes, der gewünschten Akzeptanz beim Endverbraucher oder der Qualität der Behälter einer Sorte hinsichtlich der Volumenkonstanz oder beträchtlicher Volumenschwankungen. Das Verfahren wie auch die Füllmaschine sind besonders zweckmäßig zum Abfüllen von Milch und Milchprodukten auch in großvolumige Behälter, wie auf dem US-Markt üblich.
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Zweckmäßig wird beim Abfüllzyklus ein Massen- oder Volumen-Abfüllverfahren entweder in zeitlicher Abfolge oder mit zeitlicher Teilüberlappung mit einem abschließenden Füllhöhen-Abfüllverfahren kombiniert, oder sind diese Verfahren bedarfsabhängig kombinierbar. Hierbei wird einerseits das Abfüllen zumindest der Nennmenge gewährleistet, aber auch unabhängig von Volumenschwankungen der Behälter konstante Füllhöhe erzielt. Dies ist besonders zweckmäßig beim Abfüllen von Milch oder Milchprodukten in großvolumige Behälter, um eine Verunsicherung der späteren Käufer auszuschließen.
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Zweckmäßig wird bei dem Massen- oder Volumen-Abfüllverfahren die Nennmenge oder ein Großteil der Nennmenge vor dem Abfüllen vordosiert oder beim Abfüllen anhand einer Volumenstrommessung oder Gewichtskraftmessung oder Zeitmessung definiert, so dass zunächst zügig und präzise abgefüllt werden kann. Hingegen wird bei dem Füllhöhen-Abfüllverfahren entweder anhand wenigstens einer Ist-Füllhöhenmessung eine zum Erreichen einer Nennfüllhöhe erforderliche Restmenge ermittelt und abgefüllt, und/oder wird der Abfüllzyklus gleich anhand einer bestätigenden Nenn-Füllenhöhenmessung beendet. Die Kombinierbarkeit der beiden unterschiedlichen Abfüllverfahren ermöglicht es darüber hinaus, beispielsweise im Falle hoher Volumenkonstanz der Behälter und bei stabilen Behältern nur eines der beiden unterschiedlichen Abfüllverfahren anzuwenden, weil damit nicht nur das Erreichen der Nennmenge sichergestellt ist, sondern auch eine konstante Füllhöhe, und zwar im Fall der Weglassung des Füllhöhen-Abfüllverfahrens oder des Massen- oder Volumen-Abfüllverfahrens. Beispielsweise die Weglassung des Volumen- oder Massen-Abfüllverfahrens führte zu einer erheblich einfacheren und kostengünstigeren Füllmaschinenkonstruktion. Hierbei kann es jedoch zweckmäßig sein, zusätzlich zum Füllhöhen-Abfüllverfahren eine Sicherheitsabschaltung nach einer maximal festgelegten Füllzeit (oder einem festgelegten Fülldrehwinkel eines Rundläufers) vorzunehmen.
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Insbesondere bei der Abfüllung von Milch oder Milchprodukten sollen beide unterschiedliche Abfüllverfahren als Freistrahl-Abfüllverfahren ausgeführt werden, weil dies der Qualität des abgefüllten Produktes dienlich ist.
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Zweckmäßig, insbesondere auch beim Abfüllen von Milch oder Milchprodukten, wird beim Abfüllzyklus zeitweise zumindest weitgehend mit dem Füllventil maximal möglichem Volumenstrom und erst gegen Ende des Abfüllzyklus nur mehr mit reduziertem Volumenstrom abgefüllt. Dies ist im Hinblick auf die Aufschäumneigung bestimmter Produkte sehr zweckmäßig. Der Abfüllzyklus kann dabei im Übrigen ebenfalls mit reduziertem Volumenstrom aus dem Füllventil eingeleitet werden.
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Zweckmäßig wird zur Ist- und/oder Nenn-Füllhöhenmessung entweder wenigstens eine produktberührende Messsonde, vorzugsweise eine Leitwert-Messsonde oder ein Gasrohr verwendet, oder wenigstens ein nicht produktberührender Messsensor, vorzugsweise eine Kamera, um hohen hygienischen Standard zu erzielen, ein Pyrometer, ein Ultraschallsensor, ein Lasersensor, ein Röntgensensor, ein Infrarotsensor, ein kapazitiver Sensor oder dgl.. Eine produktberührende Füllhöhen-Messsonde bewegt sich zweckmäßig mit dem Behälter beim Abfüllzyklus mit. Ein nicht produktberührender Messsensor ist hingegen zweckmäßig stationär platziert, was den baulichen Aufwand in der Füllmaschine erheblich vermindert. Alternativ können die nicht produktberührenden Messsensoren aber auch mit den Behältern umlaufend eingesetzt werden. Unabhängig davon ist die Sonde bzw. der Messsensor mit der Steuerung zumindest der Füllventile kommunizierend verbunden, vorzugsweise über eine Echtzeit-Kommunikationsverbindung, beispielsweise über entsprechende Schnittstellen am Messsensor und der Steuerung. Hierbei bietet sich beispielsweise ein CAN-Bussystem oder ähnliches an.
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Die erhebliche bauliche Vereinfachung bei Einsatz eines nicht produktberührenden Messsensors für die Füllhöhe, insbesondere einer Kamera, die stationär platziert ist, bedingt, dass jeder Behälter beim Abfüllzyklus relativ zum Messsensor und an diesem vorbei transportiert wird, so dass dieser die Steuerung entsprechend informieren kann, um den Abfüllzyklus zu Ende zu führen. Dabei wird, zweckmäßig der unvermeidbare Nachlauf einkalkuliert.
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Besonders zweckmäßig wird die über den Füllhöhen-Messsensor durchgeführte Restmengenermittlung mehrerer aktuell abzufüllender Behälter zu einer Qualitätsanpassung bei der Herstellung zukünftig abzufüllender Behälter ausgewertet und kommuniziert. Wenn die Füllmaschine beispielsweise mit einer Streckblasmaschine oder einer Extrusionsblasmaschine zum Herstellen der zu befüllenden Behälter funktionell verknüpft ist, kann anhand der Auswertung der Restmengenermittlung für mehrere Behälter eine entsprechende Umstellung in der Herstellungsmaschine vorgenommen werden, entweder manuell oder automatisch, um beispielsweise die Volumenschwankungen zu minimieren. Alternativ kann bei Verwendung fremd hergestellter Behälter der Hersteller informiert werden, um die Qualität zu liefernder Behälter zu steigern.
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Bei einer zweckmäßigen Verfahrensvariante wird als Füllmaschine ein einen Drehtisch mit Füllstationen aufweisender Rundläufer mit einer Vielzahl Füllventilen zum kontinuierlichen Abfüllen, d. h. zum Abfüllen in jeweils einen Behälter aus einem Füllventil, verwendet, füllt jedes Füllventil mit zumindest weitgehend maximalem Volumenstrom bis zu einem festgelegten ersten Drehtisch-Drehwinkel ab, dessen Erreichen die Nennmenge abzüglich einer vorbestimmten Restfüllmenge repräsentiert, wird das jeweilige Füllventil ab Überschreiten des ersten Drehtisch-Drehwinkels auf reduzierten Volumenstrom umgeschaltet, misst anschließend ein Messsensor, vorzugsweise stationärer Messsensor, die in jeder jeweiligen Füllstation bis dahin erreichte Ist-Füllhöhe und übermittelt er den Messwert oder die daraus bestimmte Restmenge an die Steuerung, und füllt die Steuerung über das Füllventil die Restmenge bis zum Erreichen der Nenn-Füllhöhe ab. Dies kann, vorzugsweise, durch Bestimmen eines individuellen messwert- und/oder restmengenabhängigen zweiten Tischdrehwinkels oder Tischdrehwinkelsektors bis zum Abschalten des bis dahin mit reduziertem, aber konstantem Volumenstrom abfüllenden Füllventils gesteuert werden. Natürlich wird der unvermeidbare Nachlauf aus dem Füllventil miteingerechnet. Nur durch die Einwirkung des Messsensors wird einerseits das Abfüllen mindestens der Nennmenge sichergestellt, und andererseits eine konstante Füllhöhe auch bei Behältern mit deutlichen Volumenschwankungen innerhalb der Sorte. Dabei ist bei konstantem Volumenstrom und konstanter Tischdrehgeschwindigkeit eine außerordentlich präzise Definition der jeweiligen Restmenge möglich, was steuerungstechnische Vorteile bietet.
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Alternativ wird die anhand der Ist-Füllhöhenmessung ermittelte Restmenge in eine Gewichtskraft gewandelt und unter Kontrolle einer bei dem abzufüllenden Behälter platzierten, mit der Steuerung kommunizierenden, Wägezelle abgefüllt. Hierbei wird also über die Steuerung nicht ein bestimmter, abhängig von der ermittelten Restmenge individueller Drehtisch-Drehwinkel berücksichtigt, sondern füllt die Steuerung bis zum Erreichen der Nenn-Füllhöhe unter Kontrolle des Gewichts oder der Gewichtskraft aus.
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Für den Fall, dass ein Behälter deutlich untervolumig sein sollte, kann, um sicherzustellen, dass die Nennmenge beim Abfüllen erreicht wird, sogar bis über die eigentliche Nenn-Füllhöhe hinaus abgefüllt werden, vorausgesetzt der Halsbereich des Behälters lässt dies zu.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Füllmaschine weist diese als erste Produktmesseinrichtung zum Ausführen eines Massen- oder Volumen-Abfüllverfahrens in jeder Füllstation eine Vorkammer zur Dosierung oder einen Durchflussmesser im Füllventil oder ein Wägemittel oder ein Abfüll-Zeitschaltglied zur Definition der Nennmenge für jeden Abfüllzyklus auf, und als zweite Produktmesseinrichtung zum Ausführen eines Füllhöhen-Abfüllverfahrens mindestens einen Ist- oder Nenn-Füllhöhenmesser auf.
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Dieser kann entweder mitlaufend in jeder Füllstation, oder, besonders vorteilhaft, stationär neben dem Bewegungsweg der Behälter platziert werden.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Füllmaschine kann das Wägemittel in jeder Füllstation des Drehtisches eine eine Behälter-Aufstandsfläche definierende, elektronische Wägezelle sein, vorzugsweise zum Ermitteln auch des Behälter-Leergewichts, und ist der stationäre Ist- oder Nenn-Füllhöhenmesser eine außerhalb des Drehtisches positionierte elektronische Kamera, die, vorzugsweise, in den Behälter-Durchgangsweg gerichtet ist und getimt jeweils mit einer seitlichen Versetzung gegenüber einem Abfüllstrahl aus dem Füllventil misst. Die Wägezelle kann alternativ auch über dem Behälter angeordnet sein. Eine seitliche Anbringung der Wägezelle neben dem Behälter ist z. B. möglich, bei Verknüpfung der Wägezelle mit einem Flaschengreifer, wie einem Halsgreifer.
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Um die Abfüllqualität zu steigern, ist es möglich, in Drehtisch-Drehrichtung mehrere stationäre Kameras hintereinander anzuordnen.
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Nicht nur zum Abfüllen von Milch oder Milchprodukten können die Füllventile Freistrahl-Füllventile und zwischen einem zumindest weitgehend für das Füllventil maximalen Volumenstrom und wenigstens einem reduzierten aber konstanten Volumenstrom umschaltbar sein. Auf diese Weise lässt sich eine optimal kurze Zykluszeit für jeden Abfüllzyklus erzielen. Beispielsweise arbeitet die Füllmaschine mit einem Ausstoß von bis zu 72.000 Behältern pro Stunde bei Behältervolumen zwischen 0,1 bis 10,0 Liter und Behälterhöhen zwischen etwa 100 mm und 400 mm.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist, vorzugsweise der stationären Kamera oder der Steuerung zugeordnet, eine elektronische Messwert-Auswerte- und Restmengen-Berechnungs-Sektion vorgesehen, mit der zur Definition der Restmenge entweder ein Drehwinkelwert der Drehbewegung des Drehtisches oder ein Gewichtskraft-Grenzwert voraus berechenbar ist, an welchem das Füllventil zum Beendigen des Abfüllzyklus abgeschaltet wird. Dieser Sektion können beispielsweise bei einem Sortenwechsel entsprechende Parameter eingegeben werden. Die stationär platzierte Kamera ist zweckmäßig beispielsweise exakt auf die jeweilige Behältersorte einjustierbar, z. B. auf- und/oder abwärts.
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Schließlich ist es zweckmäßig, wenn die Behälter Flaschen oder Kanister aus streckgeblasenem Kunststoff wie PET oder extrusionsgeblasenem Kunststoff wie HDPE, PE oder PP sind, die einen sich nach oben verjüngenden Schulterbereich und einen daran anschließenden Halsbereich mit offener Mündung aufweisen, wobei die Kamera zumindest auf den Schulter- und den Halsbereich ausgerichtet wird.
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Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schemadraufsicht auf eine Füllmaschine, die beispielsweise als Rundläufer ausgebildet ist, und
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2 eine schematische Seitenansicht eines in der Füllmaschine abzufüllenden Behälters, unterteilt durch eine vertikale Mittellinie zur Erläuterung eines Abfüllverfahrens bei unterschiedlichen Behältervolumina.
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1 zeigt in einer Schemadraufsicht als Beispiel eine Füllmaschine F einer Rundläufer-Konstruktion mit einem um eine vertikale Drehachse drehantreibbaren Drehtisch 1 (Karussell), in dessen Umfangsbereich in regelmäßigen Abständen Füllstationen 2 vorgesehen sind. In jeder Füllstation 2 ist ein Füllventil 3 angeordnet, das mit dem Drehtisch 1 rotiert und beispielsweise als Freistrahl-Füllventil ausgebildet sein kann. Die Füllmaschine F dient zum Abfüllen flüssiger oder pastöser Produkte, beispielsweise zum Abfüllen von Milch oder Milchprodukten, in Kunststoffbehälter B, die in einer jeweiligen Sorte relativ große Volumina haben können, beispielsweise zwischen etwa einer halben Gallone und etwa 10,0 Liter. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern die Füllmaschine F kann allgemein in Behälter mit einem Volumen zwischen etwa 0,1 Liter bis zu etwa 10,0 Liter flüssige oder pastöse Produkte abfüllen, zweckmäßig nach einem Freistrahl-Abfüllverfahren.
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Zumindest für die Füllventile 3 ist eine Steuerung CU vorgesehen, um die Füllventile zu öffnen und zu schließen und, zweckmäßig, zwischen einem maximalen Volumenstrom beim Abfüllen und einem reduzierten Volumenstrom umzuschalten (angedeutet durch größere Kreise und kleinere Kreise an den Positionen 11, 12 der Füllventile 3).
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Die Füllmaschine F verfügt über mindestens zwei Produktmesseinrichtungen M1, M2. Die Produktmesseinrichtung M1 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Wägezelle 4 in jeder Füllstation 2. Die Wägezelle 4 (2) bildet eine Aufstandsfläche für den stehend durch die Füllmaschine F geförderten Behälter B und steht mit der Steuerung CU in Kommunikationsverbindung. Die zweite Produktmesseinrichtung M2 ist beispielsweise eine stationär außerhalb des Drehtisches 1 platzierte Kamera 5, die mit der Steuerung CU in Kommunikationsverbindung ist, vorzugsweise eine Echtzeit-Kommunikationsverbindung K aufweist. Gegebenenfalls ist, der Steuerung CU oder der Kamera 5 zugeordnet, eine elektronische Messwert-Auswerte- und Restmengen-Berechnungs-Sektion 13 vorgesehen. Die Kamera 5 ist in den Bewegungsweg der passierenden Behälter B in einer Abtastebene 6 ausgerichtet und kann bei der jeweiligen Messung einer Ist-Füllhöhe H1, H2 (2) gegenüber einem Abfüllstrahl S aus dem jeweiligen Füllventil 3 um ein Maß x gegenüber der Radialebene 7 des Abfüllstrahls S versetzt messen. Leere Behälter B werden über einen Zuführstern 8 in die Füllstationen 2 geliefert. Bis zu einer konstanten vorbestimmten Nenn-Füllhöhe NH abgefüllte Behälter B werden über einen Abführstern 9 aus den Füllstationen 2 abgefördert. Eine gestrichelte Linie 10 verdeutlicht beispielsweise einen Bereich des Drehtisches 1, an der (optional) bei dessen Drehung das Leergewicht jedes Behälters ermittelt und an die Steuerung CU übermittelt werden kann. An den angedeuteten Positionen 11 füllt jedes Füllventil mit reduziertem Volumenstrom ab, an den angedeutete Stellen 12 hingegen mit für das Füllventil 3 maximalem Volumenstrom. Zwischen beispielsweise dem Bereich 10 und einem Drehtisch-Drehwinkelgrenzwert des Drehwinkels β wird in der Füllmaschine F ein Volumen- oder Massen-Abfüllverfahren VM ausgeführt, hingegen anschließend ein Füllhöhen-Abfüllverfahren FM, wobei diese beiden unterschiedlichen und durch die Produktmesseinrichtungen M1, M2 jeweils geführten Abfüllverfahren entweder zeitlich aufeinanderfolgen oder einander zumindest teilweise überlappen können.
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Die zweite Produktmesseinrichtung M2 könnte eine das Produkt berührende, mitbewegte Sonde (nicht gezeigt) oder einen das Produkt nicht berührenden Messsensor umfassen, der entweder mitbewegt wird und getimt misst, oder, zweckmäßig stationär angeordnet wird. Im letztgenannten Fall sind Laser-, Röntgen-, Ultraschall-, Infrarot-, Kapazitiv-Sensoren oder ähnliche zweckmäßig. Z. B. ein Ultraschall- oder Lasersensor könnte oberhalb des Behälters beim Füllventil 3 so platziert sein, dass er die Füllhöhe in etwa in Füllstrahlrichtung in den Behälter hinein misst (nicht gezeigt).
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Bei dem Abfüllverfahren VM wird über den Winkelbereich β oder bis zu einer das Ende des Winkelbereiches β repräsentierenden Position des Drehtisches 1 eine Nennmenge NM abzüglich einer definierten Restfüllmenge erreicht. An der darauffolgenden Position 11 ist das Füllventil 3 auf niedrigen Volumenstrom umgeschaltet, wie durch den kleineren Kreis angedeutet. An der durch die Ebene 6 definierten Position des Drehtisches 1 misst die Kamera 5 die bis dahin erreichte Ist-Füllhöhe (H1, H2, 2) in jeder jeweiligen Füllstation 2 und übermittelt den Messwert beispielsweise über die Echtzeit-Kommunikationsverbindung K an die Steuerung CU der Füllventile 3 bzw. an die Sektion 13, so dass die Steuerung CU jeweils die Restmenge (R1, R2, 2) zum Erreichen der Nenn-Füllhöhe NH erfährt oder errechnet und bis zum Erreichen der Nenn-Füllhöhe NH weiter abfüllen kann.
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Hierbei sind zwei unterschiedliche Vorgangsweisen denkbar, wobei 1 andeutet, dass die jeweils erforderliche Restmenge R1, R2 von 2 durch einen Drehtisch-Drehwinkel oder -Winkelsektor α1, α2 definiert wird, dessen Größe abhängt von der an der Position 6 ermittelten Ist-Füllhöhe H1, H2.
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Im Falle eines abzufüllenden Behälters B mit kleinem Volumen (B1, linke Hälfte in 2) ist auch die zum Erreichen der Nenn-Füllhöhe NH erforderliche Restmenge R1 kleiner, so dass zum Erreichen der Nenn-Füllhöhe NH ein kleinerer Drehwinkelbereich oder -Sektor α1 ausreicht, an dessen Ende das Füllventil 3 abgeschaltet wird. Hingegen benötigt ein Behälter B mit deutlich größerem Volumen (B2, rechte Hälfte in 2) eine größere Restmenge R2 zum Erreichen der Nenn-Füllhöhe NH, so dass dann über einen größeren Winkelbereich oder Winkelsektor α2 weiterhin abgefüllt wird.
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Bei einer nicht gezeigten Variante kann der Messwert zur Ist-Füllhöhe H1, H2 an der Position 6 ausgewertet und stellvertretend zur Restmenge R1, R2 zum Erreichen der Nenn-Füllhöhe NH in eine Gewichtskraft gewandelt werden, die die Steuerung CU über die jeweilige Wägezelle 4 bis zum Abschalten des Füllventils 3 kontrolliert.
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Unabhängig von der im Detail praktizierten Vorgangsweise werden die zwei unterschiedlichen Abfüllverfahren VM und FM bei einem Abfüllzyklus komplementär kombiniert.
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Um die Abfüllqualität zu steigern, können in Drehtisch-Drehrichtung auch mehr als nur eine Kamera 5 stationär platziert sein und mit der Steuerung CU kommunizieren.
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Es wäre auch möglich, beispielsweise mittels mehrerer stationär platzierter Kameras 5 erst dann die Steuerung CU zum Abschalten des jeweiligen Füllventils 3 anzusteuern, wenn die Nenn-Füllhöhe NH erreicht worden ist, und Messungen zu ignorieren, bei denen die Nenn-Füllhöhe NH noch nicht festgestellt werden konnte.
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Im Übrigen sind in 1 die Behälter B generell gezeigt, und erst ab der Position 6 ein Behälter B1 mit kleinerem Volumen und ein Behälter B2 mit deutlich größerem Volumen (wie in 2 gezeigt) angedeutet, die jedoch unabhängig von den Volumenschwankungen bis zur innerhalb der Sorte konstanten Nenn-Füllhöhe NH befüllt werden.
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2 zeigt den Behälter B, in der linken Hälfte als einen Behälter B1 mit kleinerem Volumen und in der rechten Hälfte (Trennlinie Y) als einen Behälter B2 mit deutlich größerem Volumen.
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Der Behälter besteht beispielsweise aus Kunststoff wie PET oder HDPE und ist entweder streckgeblasen oder extrusionsgeblasen. Er hat die Form einer Flasche oder eines Kanisters 14 mit einem Boden 15, mit dem er auf der Wägezelle 4 in der Füllstation 2 steht, und diese mit einer Gewichtskraft G belastet. Der Behälter B1 mit dem kleineren Volumen hat beispielsweise ein Leergewicht G1, das verschieden ist von dem Leergewicht G2 des Behälters B2 mit dem deutlich größeren Volumen, wobei das jeweilige Leergewicht beispielsweise an der Position 10 in 1 gemessen und an die Steuerung CU übermittelt wird, damit diese Unterschiede im Leergewicht zur Bestimmung der Nennmenge NM des Produktes zu kompensieren vermag (Option). Der Behälter B weist ferner einen sich nach oben verjüngenden Schulterbereich 16 auf, an den sich ein Halsbereich 17 anschließt, der zu einer oben offenen Mündung 18 führt, auf die das Füllventil 3 (Freistrahl-Füllventil) ausgerichtet ist und bei einem Abfüllzyklus einen Abfüllstrahl S einbringt, der, zumindest bei dem reduzierten Volumenstrom, im Durchmesser deutlich schmaler sein kann als die Mündung 18.
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Die unabhängig vom Behältervolumen zu erreichende Nenn-Füllhöhe NH ist das oberste gestrichelt gezeigte Niveau in 2, das (optional) innerhalb des Messbereiches der Kamera 5 bei der Messung an der Position 6 liegen kann. Der Messbereich umfasst in jedem Fall jedoch einen Höhenabschnitt, innerhalb dessen bei Erreichen der Nennmenge NM im Behälter B (oder eines Großteils der Nennmenge NM abzüglich einer vorbestimmten, konstanten Restfüllmenge) die Ist-Füllhöhen H1, H2 zu messen sind, deren Niveaus den Behältervolumina abhängen. Die jeweils erreichte Ist-Füllhöhe H1 oder H2 wird dann von der Kamera 5 gemessen. Der Messwert wird ausgewertet und in die jeweils zum Erreichen der Nenn-Füllhöhe NH erforderliche Restmenge R1 oder R2 umgerechnet (Drehwinkelbereich α1, α2 oder Gewichtskraft G), beispielsweise in der Sektion 13, wonach über die Steuerung CU abgefüllt wird, bis tatsächlich die Nenn-Füllhöhe NH erreicht ist. Dann wird das Füllventil 3 abgeschaltet und ist der Behälter B ordnungsgemäß befüllt, und zwar unabhängig davon, ob es sich um Behälter B weitestgehend gleicher Volumina oder um die Behälter B1, B2 mit unterschiedlichen Volumina innerhalb derselben Sorte handelt.
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In der gezeigten Ausführungsform in 1 (in Verbindung mit 2 zu sehen) ist die Füllmaschine F beispielsweise eine Wägefüllmaschine zum Abfüllen von Milch oder Milchprodukten mit Freistrahl-Füllventilen 3, beispielsweise in Halbgallonen- oder Gallonenbehälter, die aus extrusionsgeblasenem HDPE hergestellt sein können. Diese Behälter werden als billige Massenartikel und aus Gründen der Ressourcenschonung dünnwandig ausgeführt, wobei relativ große Volumenschwankungen innerhalb einer Sorte auftreten können, auch zum Teil abhängig von verschiedenen Parametern beim Herstellungsverfahren oder bei der Abfüllung. Trotzdem soll innerhalb einer Sorte befüllter Behälter im Verkaufsregal die Nenn-Füllhöhe konstant sein, um dem Verbraucher gleiche Behältervolumina zu suggerieren.
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Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform könnte die Füllmaschine ohne Wägetechnik ausgebildet sein, und wird der Abfüllzyklus nur über die wenigstens eine stationär platzierte Kamera 5 gesteuert, was zu einer erheblich einfacheren und kostengünstigen Füllmaschinenkonstruktion führte. Sicherheitshalber kann hier eine maximale Füllzeit oder ein maximaler Fülldrehwinkel berücksichtigt werden, falls die wenigstens eine Kamera 5 und/oder die Sektion 13 und/oder die Steuerung CU einer Störung unterliegen sollte.
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Ein aus zwei unterschiedlichen, kombinierten Abfüllverfahren bestehendes Verfahren könnte auch in einer Füllmaschine (nicht gezeigt) durchgeführt werden, dessen Füllventile 3 keine Freistrahl-Füllventile sind.
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Ferner könnten die beiden unterschiedlichen Abfüllverfahren nur für jeweils eine bestimmte Anzahl an Behältern, gegebenenfalls auch stichprobenartig, kombiniert werden. Bei Behältern mit deutlichen Volumenschwankungen werden zweckmäßig stets, d. h. für alle Behälter B, beide unterschiedlichen Abfüllverfahren kombiniert.
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Die Auswertung der Ist-Füllhöhen H1, H2 bei mehreren Behältern kann auch dazu verwendet werden, beispielsweise eine der Füllmaschine F vorgeschaltete Streckblasmaschine oder Extrusionsblasmaschine zwecks Anpassung der Herstellungsqualität bzw. Minimierung von Volumenschwankungen umzustellen, beispielsweise durch einen Bediener, der über einen negativen Trend informiert wird, oder automatisch. Alternativ könnte bei fremdgelieferten Behältern der Behälterhersteller aufgrund der Auswertung der Ist-Füllhöhen H1, H2 bei mehreren Behältern entsprechend informiert werden, um die Herstellungsqualität zukünftig gelieferter Behälter B zu verbessern.
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Für den Fall, dass, beispielsweise PET-Behälter B kaum merkliche Volumenschwankungen zeigen, und die Abfüllung der Nennmenge NM zu im Wesentlichen gleichen konstanten Nenn-Füllhöhen NH führt, könnte die zweite Produktmesseinrichtung M2 passiviert und nur nach dem Volumen- oder Massen-Abfüllverfahren MV gearbeitet werden.
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Grundsätzlich wird ein Abfüllzyklus trotz Umschaltungen des Füllventils 3 zwischen unterschiedlichen Volumenströmen nicht unterbrochen, sondern wird kontinuierlich abgefüllt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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