DE102017102036A1

DE102017102036A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung der Abfüllung

Info

Publication number: DE102017102036A1
Application number: DE102017102036.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Drahm; Heinz Rufer; Ulrich Kaiser; Hartmut Breithaupt; Mike Touzin
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2018-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer Abfüllvorrichtung (7) bei der Abfüllung einer vorgegebenen Menge eines fließfähigen Mediums (1) in zumindest einen Behälter (2), aufweisend: eine außerhalb des Behälters (2) angeordnete Anrege-/Empfangseinheit (3), welche dazu ausgestaltet ist, den Behälter (2) und/oder den Inhalt des Behälters (2), insbesondere das Medium (1), zu Schwingungen anzuregen und die Schwingungen zu empfangen; und eine mit der Anrege-/Empfangseinheit (3) verbundene Regel-/Auswerteeinheit (4), welche dazu ausgestaltet ist, zumindest eine Kenngröße der empfangenen Schwingungen zu ermitteln und anhand der Kenngröße (KG) zumindest die Füllmenge des Mediums (1) in dem Behälter (2) zu bestimmen und/oder zu überwachen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Abfüllung einer vorgegebenen Menge eines fließfähigen Mediums in zumindest einen Behälter. Das fließfähige Medium ist beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch, insbesondere auch ein mehrphasiges Gemisch mit zumindest zwei getrennten Phasen, wie beispielsweise eine durch ein Schutzgas geschützte Flüssigkeit. Es kann sich aber auch um ein körniges, fließfähiges Medium wie beispielsweise ein Pulver handeln.
In industriellen Abfüllvorrichtungen soll eine vorgegebene Menge eines fließfähigen Mediums in einen Behälter gefüllt werden. Oftmals wird auch eine jeweils vorgegebene Menge des Mediums gleichzeitig in eine Vielzahl von im Wesentlichen gleich ausgestalteten Behältern gefüllt. Die Vielzahl der Behälter wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als ein Gebinde bezeichnet.
Dabei ist in industriellen Abfüllvorrichtungen oftmals eine Überwachung der Abfüllung erforderlich. Überwacht wird die Menge des in den Behälter oder das Gebinde abgefüllten Mediums; kurz: die Füllmenge. Die Füllmenge wird beispielsweise als ein Volumen oder eine Masse angegeben. Insbesondere soll oftmals die Veränderung der Füllmenge während des Abfüllvorgangs überwacht werden. Von besonderer Bedeutung ist dabei das Erreichen einer vorgegebenen, maximalen Füllmenge des Mediums in dem Behälter.
Zur Detektion des Erreichens einer solchen vorgegebenen, maximalen Füllmenge eines Mediums in einem Behälter werden aufgrund ihrer hohen Robustheit und Einfachheit oftmals vibronische Füllstands-Messgeräte verwendet. Vibronische Füllstands-Messgeräte umfassen eine in den Behälter eingebrachte und das Medium berührende mechanisch schwingfähige Einheit, beispielsweise einen schwingenden Einstab oder eine Schwinggabel, die mit einer Membran verbunden ist. Im einfachsten Fall ist die Membran selbst die mechanisch schwingfähige Einheit. Derartige Füllstands-Messgeräte sind im Stand der Technik in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben, beispielsweise der DE 10 2008 054 954 . Das Einsatzgebiet für derartige vibronische Messgeräte ist hierbei vorzugsweise die Überwachung bei der Abfüllung für Öl, Sand/Kies, Getreide, Wasser oder ähnliche Medien in entsprechend große Behälter.
Aufgrund der hygienischen Anforderungen in der kosmetischen, pharmazeutischen und auch insbesondere in der lebensmittel-verarbeitenden Industrie sind hier oftmals nicht medium-berührende bzw. berührungslos arbeitende Vorrichtungen erforderlich. In diesen Fällen ist eine Verwendung der oben genannten, medium-berührenden vibronischen Messgeräte ausgeschlossen. Oftmals kann ein vibronische Messgerät auch deshalb nicht eingesetzt werden, da das Anbringen des Messgerätes in dem Behälter aufgrund der geringen Behältergröße nicht möglich ist, beispielsweise bei Füllmengen, die kleiner als 100ml sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Wesentlichen berührungslos arbeitende Vorrichtung und ein im Wesentlichen berührungslos arbeitendes Verfahren zur Überwachung der Abfüllung einer vorgegebenen Menge eines fließfähigen Mediums in einen Behälter anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Überwachung einer Abfüllvorrichtung bei der Abfüllung einer vorgegebenen Menge eines fließfähigen Mediums in zumindest einen Behälter. Die Vorrichtung weist eine außerhalb des Behälters angeordnete Anrege-/Empfangseinheit auf, welche dazu ausgestaltet ist, den Behälter und/oder den Inhalt des Behälters, insbesondere das Medium, zu Schwingungen anzuregen und die Schwingungen zu empfangen. Die Vorrichtung weist eine mit der Anrege-/Empfangseinheit verbundene Regel-/Auswerteeinheit auf, die dazu ausgestaltet ist, zumindest eine Kenngröße der empfangenen Schwingungen zu ermitteln und anhand der Kenngröße zumindest die Füllmenge zu bestimmen und/oder zu überwachen.
Dadurch, dass die Anrege-/Empfangseinheit außerhalb des Behälters angeordnet ist, ist sie nicht medium-berührend. Die Erfindung eignet sich bevorzugt für starrwandige Behälter, ein Einsatz bei der Abfüllung des Mediums in flexible Behältnisse wie beutel- oder schlauchförmige Behältnisse ist aber selbstverständlich auch möglich.
Bevorzugt wird vom der Anrege-/Empfangseinheit das in den Behälter abgefüllte Medium oder der Behälter und das in den abgefüllte Medium zu Schwingungen angeregt. Die Regel-/Auswerteeinheit umfasst zur Reglung und/oder Auswertung, insbesondere der Schwingungen, zum Beispiel eine Elektronikeinheit mit elektronischen Komponenten wie etwa einen Microcontroller.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sie nicht auf die spezielle Dimension bzw. Form des Behälters abgestimmt werden muss, ganz im Gegensatz zu Vorrichtungen, die in oder an dem Behälter angebracht werden müssen. Damit ist die erfindungsgemäße Lösung für eine Vielzahl von unterschiedlichen Behältertypen, insbesondere auch Behältertypen unterschiedlicher Größe, einsetzbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Anrege-/Empfangseinheit ein Anrege- und Empfängerelement auf, das zur Anregung bzw. zum Empfang von mechanischen Schwingungen des Behälters oder des Behälters und des Mediums ausgestaltet ist. Insbesondere handelt es sich bei den mechanischen Schwingungen um mechanische Schwingungen des Behälters, oder um mechanische Schwingungen des Behälters und des sich darin befindlichen Mediums.
Die mechanischen Schwingungen können durch eine Schwingungsgleichung mit einer trägen, schwingenden Masse beschrieben werden. Die träge Masse hängt dabei von der Füllmenge in dem Behälter ab. Anhand der Kenngröße der mechanischen Schwingungen kann daher die Füllmenge bestimmt und/oder überwacht werden. Das Anregeelement und das Empfängerelement können dabei als zwei separate Elemente vorliegen. Alternativ kann auch ein kombiniertes Anrege-/Empfängerelement vorliegen. Das kombinierte Anrege-/Empfängerelement ist sowohl zur Anregung als auch zum Empfang von mechanischen Schwingungen des Behälters oder des Behälters und des Mediums ausgestaltet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Anrege-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet, mechanische Schwingungen derart anzuregen, dass der Behälter und das Medium im Wesentlichen in Phase schwingen. Dies bedeutet z.B., dass die Phasenverschiebung immer kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert für eine maximale Phasenverschiebung ist. Der vorgebbare Grenzwert beträgt z.B. 2°. Bei einer derartigen, sehr kleinen Phasenverschiebung können die mechanischen Schwingungen von Behälter und Medium vorteilhaft als die Schwingungen mit einer einzigen trägen Masse aufgefasst werden. Die Schwingungen werden also derart angeregt, dass die Schwingung von Medium und Behälter stark gekoppelt sind. Dadurch wird z.B. die Schwingung des Behälters nicht durch die Trägheit des Mediums gestört. Eine derartige starke Koppelung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Resonanzen aus einem bestimmten Frequenzbereich, beispielsweise einem Frequenzbereich mit sehr hohen Frequenzen, angeregt werden. Dabei ist die Anrege-/Empfangseinheit gegebenenfalls auf die spezielle Ausgestaltung des Behälters und/oder auf das abzufüllende Medium abgestimmt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Anrege-/Empfangseinheit einen Schallwellensender und einen Schallwellenempfänger auf. Der Schallwellensender ist dazu ausgestaltet, Schallwellen in den Innenraum des Behälters einzubringen. Die in den Innenraum eingebrachten Schallwellen werden von dem Inhalt des Behälters moduliert. Insbesondere werden die Schwingungen von dem Medium moduliert. Der Schallwellenempfänger ist dazu ausgestaltet, die modulierten Schallwellen zu empfangen.
Im Innenraum des Behälters ist sowohl das Medium als auch gegebenenfalls ein Umgebungsmedium (z.B. Luft) vorhanden. Je nach Ausgestaltung des Schallwellensenders, des Behälters und/oder des Mediums wird das abgefüllte Medium oder das Umgebungsmedium zu Schwingungen angeregt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung werden Resonanzen des Umgebungsmedium in einer Kavität des Behälters angeregt. Je größer das Volumen V_L des dem Innenraum des Behälters eingeschlossenen Umgebungsmediums, desto kleiner ist die Füllmenge. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Helmholtz-Resonators, bei dem das schwingende Umgebungsmedium die träge Masse in der Schwingungsgleichung ist. Die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonator ist dabei proportional zur bekannten Schallgeschwindigkeit c in dem Umgebungsmedium und dem Kehrwert der Wurzel des Volumens V_L: $ω r \sim c \sqrt{1 / V_{L}}$
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet, Schallwellen in das Medium einzubringen. Insbesondere handelt es sich um Ultraschallwellen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Anrege-/Empfangseinheit und/oder die Regel-/Auswerteeinheit zumindest ein Piezoelement auf. Bevorzugt dient das Piezoelement als Anrege- und Empfängerelement für die mechanischen Schwingungen. Weiterhin dient das Piezoelement oder ein weiteres Piezoelement als Schallwellenwandler, insbesondere als Ultraschallwellenwandler.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Anrege-/Empfangseinheit, insbesondere das Piezoelement, in ein Trägerelement integriert. Der Behälter ist auf dem Trägerelement angeordnet.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Abfüllvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung der Abfüllvorrichtung. Oftmals wird das Medium von der Abfüllvorrichtung in ein Gebinde von mehreren, im Wesentlichen identisch ausgestalteten Behältern abgefüllt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Abfüllvorrichtung ist die Abfüllvorrichtung daher dazu ausgestaltet, das Medium in ein Gebinde von im Wesentlichen identisch ausgestalteten Behälter abzufüllen. In diesem Fall wird in allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Behälter durch das Gebinde ersetzt.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung der Abfüllung einer vorgegebenen Menge eines fließfähigen Mediums in zumindest einen Behälter mit einer außerhalb des Behälters angeordneten Anrege-/Empfangseinheit und einer Regel-/Auswerteeinheit. Das Medium und/oder der Behälter werden von der Anrege-/Empfangseinheit zu Schwingungen angeregt, und die Schwingungen werden empfangen. Aus den empfangenen Schwingungen wird von der Regel-/Auswerteeinheit zumindest eine Kenngröße der empfangenen Schwingungen ermittelt. Anhand der ermittelten Kenngröße wird von der Regel-/Auswerteeinheit zumindest die Füllmenge bestimmt und/oder überwacht.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Kenngröße der empfangenen Schwingungen die Amplitude und/oder die Dämpfung der empfangenen Schwingungen verwendet. Die Dämpfung einer Schwingung ist dabei durch einen Dämpfungsgrad D (auch: Lehr'sche Dämpfung) charakterisiert. Der Dämpfungsgrad hängt bei einer resonanten Schwingung von der Eigenfrequenz ωe und der Resonanzfrequenz ωr wie folgt ab: $ω r =ω e \sqrt{1 - 2 D^{2}}$
Insbesondere kann es sich auch um ein Abklingen einer sich zeitlichen verändernden Amplitude handeln. Das Abklingen wird beispielsweise anhand einer Abklingkonstante τ beschriebe. Die Abklingkonstante beschreibt zum Beispiel eine Zeitdauer, insbesondere eine mittlere Zeitdauer, innerhalb der die sich zeitlich verändernde Amplitude auf einen bestimmten Bruchteil einer Anfangsamplitude abgefallen ist. Bei einer resonanten Schwingung kann die Abklingkonstante wiederum als ein Produkt aus dem Dämpfungsgrad und der Eigenfrequenz geschrieben werden.
Alternativ oder zusätzlich wird als Kenngröße der empfangenen Schwingungen die Phase der empfangenen Schwingungen in Bezug auf die anregenden Schwingungen verwendet.
Als weitere, alternative oder zusätzliche, Kenngröße wird die Resonanzfrequenz verwendet. In diesem Fall werden die Schwingungen, vorzugsweise von der Regel-/Auswerteeinheit, auf eine resonante Schwingung geregelt. In Kombination mit der in das Trägerelement integrierten Anrege-/Empfangseinheit wird in dieser Ausgestaltung des Verfahrens eine sogenannte Resonator-Waage gebildet. Die Resonanzfrequenz ωr der Resonator-Waage hängt dabei von der mechanisch schwingenden Masse m des Behälters und des abgefüllten Medium folgendermaßen ab: $ω r \sim \sqrt{1 / m} .$
In Kombination mit der resonanten Anregung kann auch als Kenngröße die Phase der empfangenen Schwingungen in Bezug auf die anregenden Schwingungen bei Schwingungen mit der Resonanzfrequenz verwendet werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Kenngröße eine Laufzeit der Schwingungen verwendet. Bei der Laufzeit handelt es sich zum Beispiel um die Laufzeit der Schallwellen im Innenraum des Behälters. Die Schallwellen werden durch das Medium moduliert. Bei den modulierten Schallwellen handelt es sich zum Beispiel um an der Oberfläche des Mediums in dem Behälter reflektierte oder gestreute Schallwellen. Bei den modulierten Schallwellen kann sich auch um Schallwellen handeln, welche durch das Medium transmittiert werden. In diesem Fall sind der Schallwellensender und der Schallwellenempfänger auf sich gegenüberliegenden Seiten des Behälters angeordnet. Insbesondere handelt es sich um Ultraschallwellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein erster Sollwert für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen hinterlegt. Der erste Sollwert für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen entspricht einem intakten, leeren Behälter. Vor der Abfüllung des Mediums in den Behälter wird der leere Behälter zu Schwingungen angeregt, und es wird ein Ist-Wert für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen ermittelt. Mittels eines Vergleichs des Ist-Wertes für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen mit dem ersten Sollwert wird eine Beschädigung des ungefüllten Behälters und/oder das Vorhandensein von Fremdkörpern in dem ungefüllten Behälter erkannt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest ein zweiter Sollwert für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen hinterlegt. Es werden Ist-Werte für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen während der Abfüllung des Mediums in den Behälter zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten während des Abfüllvorgangs wiederkehrend ermittelt. Die Ist-Werte für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen entsprechen jeweils einem mit einer vorgebbaren Füllmenge gefüllten Behälter. Mittels eines wiederkehrenden Vergleichs der Ist-Werte mit dem zumindest einen zweiten Sollwert wird das Erreichen der zumindest einen vorgebbaren Füllmenge während der Abfüllung des Mediums in den Behälter erkannt. Dabei liegen zumindest zwei Ist-Werte vor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird ein dritter Sollwert für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen hinterlegt, der der Kenngröße der empfangenen Schwingungen eines mit einer vorgegebenen Füllmenge gefüllten und verschlossenen Behälters entspricht. Nach der Abfüllung des Mediums in den Behälter wird der gefüllte und verschlossene Behälter zu Schwingungen angeregt, und ein Ist-Wert für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen wird ermittelt. Die Dichtigkeit des verschlossenen Behälters und/oder das Vorhandensein von Fremdkörpern in dem Medium wird mittels eines Vergleichs des Ist-Wertes für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen mit dem dritten Sollwert erkannt.
Mittels der Sollwerte, nämlich des ersten Sollwertes, der/des zweiten Sollwerte/s und des dritten Sollwertes wird der gesamte Abfüllvorgang überwacht. Zu jedem Soll-Werte gehört dazu zum Beispiel ein Soll-Zeitpunkt. Der erste Soll-Wert gehört zu einem Zeitpunkt vor dem Beginn des Abfüllvorgangs. Die zweiten Soll-Werte gehören zu aufeinander folgenden Soll-Zeitpunkten während des Abfüllvorgangs, an denen jeweils verschiedenen Soll-Füllmengen des Mediums in dem Behälter vorliegen sollen. Der dritte Soll-Wert gehört zu einem Zeitpunkt nach dem Ende des Abfüllvorgangs. Mittels der Soll-Werte kann eine Diagnose über den gesamten Verlauf des Abfüllvorgangs erstellt werden. Bevorzugt wird die Diagnose während des Abfüllvorgangs erstellt und laufend aktualisiert. Bei der Erstellung der Diagnose kann zusätzlich eine Interpolation durchgeführt werden.
Daher wird in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens mittels einer Interpolation auf Basis zumindest zweier Sollwerte, insbesondere des ersten Sollwertes und zweier zweiter Sollwerte, eine Soll-Kurve für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen gebildet. Es werden Ist-Werte für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen während der Abfüllung des Mediums in den Behälter zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten während des Abfüllvorgangs wiederkehrend ermittelt. Anhand der Ist-Werte der Kenngröße der empfangenen Schwingungen wird eine Ist-Kurve erstellt, insbesondere mittels einer Interpolation. Die Ist-Kurve wird mit der Soll-Kurve verglichen. Anhand des Vergleichs der Ist-Kurve mit der Soll-Kurve wird die Abfüllung der vorgegebenen Menge des Mediums in den Behälter überwacht.
Die anhand der Interpolation erstellte Soll-Kurve (oder: Ist-Kurve) liegt dabei in Form einer Kenngröße/Abfüllzeitpunkt-Funktion vor. Bei der Interpolation zur Erstellung der Soll-Kurve (Ist-Kurve) wird im einfachsten Fall zwischen zwei Soll-Werten (Ist-Werten) linear interpoliert. Selbstverständlich kann bei der Interpolation auch ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen der Kenngröße und dem Abfüllzeitpunkt zugrunde gelegt werden. Hierfür kann zum Beispiel aufgrund berechneter Abhängigkeiten bekannt sein, wie die Kenngröße von dem Abfüllzeitpunkt prinzipiell abhängt. Diese Abhängigkeit wird dadurch ausgedrückt, dass die Kenngröße/Abfüllzeitpunkt-Funktion durch eine bestimmte parametrierbare Funktion wie ein bestimmtes Polynom, oder eine bestimmte irrationale oder hyperbolische Funktion beschrieben wird. Die Parameter der parametrierten Funktion werden dann durch die Soll-Werte (Ist-Werte) im Rahmen der Interpolation bestimmt. Beispielsweise kann für den Fall, dass es sich bei der Kenngröße um die Resonanzfrequenz handelt, die bekannte Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der trägen Masse $ω r \sim \sqrt{1 / m}$
bei der Interpolation zugrunde gelegt werden. Wenn gleichzeitig bekannt ist, dass die träge Masse von Behälter und Medium während der Abfüllung linear zunimmt, ist damit die parametrierbare Funktion für die Kenngröße/Abfüllzeitpunkt-Funktion festgelegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden für zumindest zwei verschiedene Medientypen und/oder Behältertypen mehrere Sollwerte für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen und/oder mehrere Soll-Kurven hinterlegt, jeweils in Abhängigkeit vom Medium- und/oder vom Behältertyp. Die mehreren Soll-Werte werden ausgewählt aus der Menge, die aus dem ersten Sollwert, den mehreren zweiten Sollwerten, und dem dritten Sollwert gebildet wird. Der erste Sollwert entspricht jeweils der Kenngröße der empfangenen Schwingungen eines leeren Behälters eines jeweiligen Behältertyps. Der zweite Sollwert entspricht jeweils der Kenngröße der empfangenen Schwingungen eines mit einem Medium eines jeweiligen Medientyps mit einer vorgebbaren Füllmenge gefüllten Behälter eines jeweiligen Behältertyps. Der dritte Sollwert entspricht jeweils der Kenngröße der empfangenen Schwingungen eines vollständig mit einer Soll-Füllmenge mit einem Medium eines jeweiligen Medientyps gefüllten und verschlossenen Behälter eines jeweiligen Behältertyps. Da in industriellen Abfüllanlagen oftmals eine Vielzahl unterschiedlicher Medium mit derselben Abfüllvorrichtung in eine Vielzahl unterschiedlicher Behälter abgefüllt wird, kann hiermit vorteilhaft überprüft werden, ob das gewünschte Medium in den gewünschten Behälter abgefüllt wird
Hierzu wird zum Beispiel in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens die Füllmenge gemessen, beispielsweise mittels einer weiteren, unabhängigen Füllmengen-Messvorrichtung. Ein Ist-Wert für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen wird einmalig ermittelt. Mittels der gemessenen Füllmenge, des Ist-Wertes der Kenngröße empfangenen Schwingungen und der hinterlegten Soll-Kurve wird dann der Medien- und/oder Behältertyp zugeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Ist-Wert für die Kenngröße der empfangenen Schwingungen während der Abfüllung des Mediums in den Behälter wiederkehrend ermittelt. Mit den wiederkehrend ermittelten Ist-Werten wird eine Ist-Kurve erstellt. Mittels eines Vergleichs der Ist-Kurve mit den Soll-Kurven wird der Medien- und/oder Behältertyp zugeordnet. Die Soll-Kurven sind beispielsweise in einer mit der Regel-/Auswerteeinheit verbundenen Datenbank abgespeichert. Anhand der Zuordnung der Ist-Kurve zu einer bestimmten Soll-Kurven ist damit auch für den Fall, dass keine weitere, unabhängige Füllmengen-Messvorrichtung vorhanden ist, der Medien- und/oder Behältertyp zuordenbar.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Medium im Wesentlichen gleichzeitig in ein Gebinde von mehreren, im Wesentlichen identisch ausgestalteten Behältern abgefüllt. Der erste Sollwert und/oder der/die zweite/n Sollwert/e und/oder der dritte Sollwert und/oder die Soll-Kurve/die Soll-Kurven werden/wird für das Gebinde hinterlegt. In dieser Ausgestaltung des Verfahrens werden alle Verfahrensschritte für das Gebinde d.h. die Vielzahl der im Wesentlichen identisch ausgestalteten Behälter ausgeführt.
Alle Soll-Werte und/oder Soll-Kurven für das Gebinde oder den Behälter, können dabei zum Beispiel mit der Abfüllvorrichtung sowie mit der Vorrichtung zur Überwachung der Abfüllvorrichtung erstellt werden. Dies geschieht beispielsweise bei der Inbetriebnahme und/oder in regelmäßigen Abständen. Alternativ oder zusätzlich sind die Soll-Werte und/oder Soll-Kurven zumindest teilweise in der Medium- und Behälter- bzw. Gebinde-Datenbank hinterlegt. In einer derartigen Datenbank ist zum Beispiel die oben erwähnte parametrierbare Funktion hinterlegt, welcher bei den oben genannten Interpolationen zugrunde gelegt wird. Die Datenbank ist dabei mit der Regel-/Auswerteeinheit derart verbunden, dass die Regel-/Auswerteeinheit die in der Datenbank hinterlegten Werte aus der Datenbank auslesen kann.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen; wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet. Es zeigt:

1: Eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2a,b: Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3: Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1a ist eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung der Abfüllvorrichtung 7 gezeigt. Bei einem Abfüllvorgang wird das Medium 1 mittels der Abfüllvorrichtung 7 in einen hier als starrwandig ausgestalteten Behälter 2 abgefüllt.
Die Anrege-/Empfangseinheit 3 umfasst einen Schallwellensender WS und einen Schallwellenempfänger WE, die an der Abfüllvorrichtung 7 und damit außerhalb des Behälters angeordnet sind. Schallwellensender WS und - empfänger WE sind mit der Regel-/Auswerteeinheit 4 verbunden und werden von ihr derart geregelt, dass eine resonante Schwingung angeregt wird. Bei den Schwingungen handelt es sich insbesondere um eine resonante Schwingung des das Medium 1 abdeckenden Umgebungsmediums im Inneren des Behälters 2. Anhand der resonanten Schwingung, insbesondere anhand der als Kenngröße KG dienenden Resonanzfrequenz cor, wird das von dem Umgebungsmedium eingenommene Luftvolumen V_L bestimmt (Helmholtz-Resonator-Prinzip). Unter Kenntnis des Gesamtvolumens des Behälters 2 wird damit die Füllmenge des Mediums 1 in dem Behälter 2 bestimmt und/oder überwacht.
Alternativ kann die Anrege-/Empfangseinheit 3 dazu ausgestaltet sein, Schallwellen in das Medium 1 einzubringen und beispielsweise anhand der Laufzeit der Schallwellen in dem Medium 1 und/oder anhand der Laufzeit von an der Oberfläche des Mediums 1 reflektieren Schallwellen die Füllmenge zu bestimmen.
In den in den 2a,2b gezeigten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden mechanische Schwingungen des Behälters 2 und des Mediums 1 angeregt. Dafür ist eine Anrege-/Empfangseinheit 3 vorgesehen, welche ein als kombinierte Anrege-/Empfangselement ausgestaltetes Piezoelement 5 umfasst. Vorteilhaft ist das Piezoelement 5 dabei in ein Trägerelement 6 integriert, auf dem der Behälter 2 angeordnet ist.
Das Piezoelement 5 dient als Wandler eines elektronischen Signals in ein mechanisches Signal und ist dazu ausgestaltet, mechanische Schwingungen des Behälters 2 und des darin befindlichen Mediums 1 oder des Behälters 2 anzuregen. Die mechanischen Schwingungen werden von der mit dem Piezoelement 4 verbundenen Regel-/Auswerteeinheit 4 geregelt und/oder ausgewertet. Somit wird von der Regel-/Auswerteeinheit 4 die Füllmenge des Mediums 1 in dem Behälter 2 bestimmt und/oder überwacht.
Selbstverständlich sind auch andere Arten der Anregung der mechanischen Schwingungen des Behälters 2 und des darin befindlichen Mediums 1 oder des Behälters möglich. Beispielsweise kann das Trägerelement 6 z.B. elektrodynamisch zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Die Schwingungen werden dann von dem Trägerelement 6 auf den Behälter 2 und das darin befindliche Mediums 1 oder den Behälter übertragen. Auf diese Art wird der Behälter 2 und das darin befindliche Mediums 1 oder der Behälter 2 indirekt d.h. über das Trägerelement 6 zu den mechanischen Schwingungen angeregt, wobei hier vorzugsweise das Trägerelement 6, der Behälter 2 und ggf. das darin befindliche Medium 1 im Wesentlichen in Phase schwingen, so dass die mechanischen Schwingungen als die Schwingungen mit einer trägen Masse (d.h. Masse von Trägerelement 6, Behälter 2 und das ggf. darin befindliche Medium 1) aufgefasst werden können. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um die vorstehend erwähnte Resonator-Waage, welche zur Überwachung der Abfüllung eingesetzt wird.
Auch in den Ausführungsbeispielen in 2a, 2b wird die Schwingung von der Regel-/Auswerteeinheit 4 auf eine resonante Schwingung geregelt. Insbesondere wird eine resonante Schwingung derart angeregt, dass Behälter 2 und Medium 1 im Wesentlichen in Phase schwingen. Anhand der Phase φ und/oder der Resonanzfrequenz ωr der resonanten Schwingungen wird die Füllmenge des Mediums bestimmt und/oder überwacht.
Dabei ist es wie in 2b gezeigt auch möglich, ein Gebinde 8 von im Wesentlichen gleich ausgestalteten Behältern 2 anzuregen. Das Gebinde 8 umfasst dafür beispielsweise einen Behälterträger, in welchem die Behälter 2 arretiert sind. Dadurch werden alle Behälter 2 zu einer gemeinsamen Schwingung angeregt d.h. schwingen alle im Wesentlichen in Phase. Damit wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Abfüllung in eine Vielzahl von Behältern 2 gleichzeitig überwacht; selbstverständlich ist die Erfindung dabei nicht auf eine bestimmte Anzahl an Behältern 2 beschränkt.
Mittels der Kenngröße kann die Abfüllung in den Behälter 2 oder das Gebinde 8 überwacht werden. Dies ist in 3 exemplarisch an einem Beispiel dargestellt. In der Regel-/Auswerteeinheit sind für zwei verschiedene Medien- und Behältertypen M1 ,M2,B1 ,B2 jeweils Soll-Kurven SLK hinterlegt.
Die unterste Sollkurve SKL für den zweiten Behälter- und Medientyp BT2, MT2 ist dabei durch mehrere Sollwerte SW1,SW2a,SW2b, SW2c, SW3 für die Kenngröße KG der empfangenen Schwingungen charakterisiert (ungefüllte Kreise) charakterisiert. Die mehreren Sollwerte SW1,SW2a,SW2b, SW2c, SW3 umfassen einen ersten Sollwert SW1, drei zweite Sollwerte SW2a,SW2b,SW2b und einen dritten Sollwert SW3. Die Sollwerte SW1,SW2a,SW2b, SW2c, SW3 sind in der Regel-/Auswerteeinheit 4 hinterlegt und werden hierzu beispielsweise bei Inbetriebnahme aufgenommen werden. Alternativ werden die Sollwerte SW1,SW2a,SW2b, SW2c, SW3 aus einer Behälter- oder Gebinde-Datenbank entnommen, die mit der Regel-/Auswerteeinheit 4 verbindbar ist.
Bei der Bildung der Soll-Kurven SKL (gepunktete Kurven) wird zudem eine bestimmte parametrierbare Funktion zur Interpolation zwischen den Sollwerten SW1,SW2a,SW2b, SW2c, SW3 zugrunde gelegt. Auch die parametrierbare Funktion für die Kenngröße/Abfüllzeitpunkt-Funktion ist in der Regel-/Auswerteeinheit 4 hinterlegt, oder wird alternativ Regel-/Auswerteeinheit 4 aus der Behälter- oder Gebinde-Datenbank entnommen.
Der erste Sollwert SW1 soll dabei einem zu einem ersten Zeitpunkt t0 vor Beginn der Abfüllung vorliegen. Mittels des ersten Sollwertes wird vor der Abfüllung überprüft, ob der Behälter 2 oder das Gebinde 8 intakt ist und/oder ob keine Fremdkörper in dem Behälter 2 oder dem Gebinde 8 vorliegen.
Die zweiten Soll-Werte SW2a;SW2b;SW2c gehören dabei jeweils zu den Zeitpunkten ta;tb; tc während der Abfüllung. Zu diesen Zeitpunkten ta;tb; tc während der Abfüllung soll der Behälter 2 oder das Gebinde 8 mit einer bestimmten Füllmenge gefüllt sein. Daher soll auch die Kenngröße KG, hier die Resonanzfrequenz ωr, jeweils zu dem jeweiligen Zeitpunkt ta;tb; tc den entsprechenden Soll-Wert SW2a;SW2b;SW2c aufweisen. Der Soll-Wert SW2c entspricht dabei einem vollständig d.h. mit einer Soll-Füllmenge gefüllten Behälter 2 (bzw. Gebinde 8).
Zusätzlich ist ein dritter Soll-Wert SW3 hinterlegt, welcher zu einen Zeitpunkt tf nach Ende der Abfüllung vorliegen soll. Der dritte Sollwert SW3 entspricht einem vollständig mit der Soll-Füllmenge gefüllten und mit einem Deckel verschlossenen Behälter 2 (bzw. Gebinde 8). Anhand des dritten Soll-Wertes SW3 kann überprüft werden, ob der Behälter 2 (bzw. Gebinde 8) korrekt verschlossen ist und/oder ob Fremdkörper in dem verschlossenen Behälter 2 (bzw. Gebinde 8) vorliegen.
Vorteilhaft liegen dabei derartige Soll-Kurven SKL für eine Vielzahl von Typen von Behältern 2 (bzw. Gebinden 8) und Medien 1 vor. In dem hin 3 gezeigten Beispiel liegen insgesamt 4 Soll-Kurven SKL vor, wobei in der Erfindung selbstverständlich keine Beschränkung an die Anzahl der Soll-Kurven SKL herrscht. Hierbei kann zum Einen mittels eines Vergleichs einer Ist-Kurve IKL (gefüllte Kreise) mit der Menge der Soll-Kurven SKL eine Zuordnung zu Behälter 2 (bzw. Gebinde 8) und/oder Medium 1 erfolgen. Die Soll-Kurven SKL dienen in diesem Beispiel also als Kennlinien, da mit einer Kennlinie der Soll-Kurve erkannt wird, um welchen Behältertyp BT1,BT2 (bzw. Gebinde 8) und/oder Medientyp MT1 ,MT2 es sich handelt.
Alternativ kann auch einmalig die Füllmenge zu einem Testzeitpunkt während der Abfüllung gemessen werden, beispielsweise mit einer weiteren unabhängigen Füllmengen-Messvorrichtung. Der Ist-Wert für die Resonanzfrequenz ωr wird gleichzeitig zu dem Testzeitpunkt einmalig gemessen. Durch die einmalige Messung an dem Testzeitpunkt kann eine Zuordnung zu der jeweiligen Soll-Kurve SKL und damit eine Zuordnung zu dem Medien-und/oder Behältertyp MT1,MT2, BT1, BT2 erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Medium
2: Behälter
3: Anrege/Empfangseinheit
4: Regel-/Auswerteeinheit
5: Piezoelement
6: Trägerelement
7: Abfüllvorrichtung
8: Gebinde
KG: Kenngröße
D: Dämpfungsgrad
ωr: Resonanzfrequenz
ωe: Eigenfrequenz
τ: Abklingkonstante
φ: Phase
SW: Schallwellensender
SE: Schallwellenempfänger
V_L: Luftvolumen
MT1,MT2,...: Medientyp
BT1, BT2,...: Behältertyp
SW1: erster Sollwert
SW2a,SW2b,...: zweite Sollwerte
SW3: dritter Sollwert
IWa, IWb, IWc ...: Ist-Werte
SKL: Soll-Kurven
IKL: Ist-Kurven

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008054954 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Überwachung einer Abfüllvorrichtung (7) bei der Abfüllung einer vorgegebenen Menge eines fließfähigen Mediums (1) in zumindest einen Behälter (2), aufweisend: - eine außerhalb des Behälters (2) angeordnete Anrege-/Empfangseinheit (3), welche dazu ausgestaltet ist, den Behälter (2) und/oder den Inhalt des Behälters (2), insbesondere das Medium (1), zu Schwingungen anzuregen und die Schwingungen zu empfangen; und - eine mit der Anrege-/Empfangseinheit (3) verbundene Regel-/Auswerteeinheit (4), welche dazu ausgestaltet ist, zumindest eine Kenngröße der empfangenen Schwingungen zu ermitteln und anhand der Kenngröße (KG) zumindest die Füllmenge des Mediums (1) in dem Behälter (2) zu bestimmen und/oder zu überwachen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anrege-/Empfangseinheit (3) ein Anrege- und Empfängerelement aufweist, das zur Anregung bzw. zum Empfang von mechanischen Schwingungen des Behälters (2) oder des Behälters (2) und des Mediums (1) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Anrege-/Empfangseinheit (3) einen Schallwellensender (WS) und einen Schallwellenempfänger (WE) aufweist, wobei der Schallwellensender (WS) dazu ausgestaltet ist, Schallwellen in den Innenraum des Behälters einzubringen, die von dem Inhalt des Behälters, insbesondere von dem Medium, moduliert werden, und wobei der Schallwellenempfänger (WE) dazu ausgestaltet, die modulierten Schallwellen zu empfangen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anrege-/Empfangseinheit (3) und/oder die Regel-/Auswerteeinheit (4) zumindest ein Piezoelement (5) aufweist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anrege-/Empfangseinheit (3) in ein Trägerelement (6) integriert ist, und wobei der zumindest eine Behälter (2) auf dem Trägerelement (6) angeordnet ist.
Abfüllvorrichtung (7) zur Abfüllung einer vorgegebenen Menge eines fließfähigen Mediums (1) in zumindest einen Behälter (2), mit einer Vorrichtung zur Überwachung der Abfüllvorrichtung (7) nach zumindest nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche.
Abfüllvorrichtung (7) nach Anspruch 6, wobei die Abfüllvorrichtung (7) dazu ausgestaltet ist, das Medium (1) in ein Gebinde (8) von mehreren, im Wesentlichen identisch ausgestalteten Behältern (2) abzufüllen.
Verfahren zur Überwachung einer Abfüllvorrichtung (7) bei der Abfüllung einer vorgegebenen Menge eines fließfähigen Mediums (1) in zumindest einen Behälter (2), mit einer außerhalb des Behälters (2) angeordneten (2) Anrege-/Empfangseinheit (3) und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (4) wobei - von der Anrege-/Empfangseinheit (3) der Behälter (2) und/oder der Inhalt des Behälters (2), insbesondere das Medium (1), zu Schwingungen angeregt werden und die Schwingungen empfangen werden; - von der Regel-/Auswerteeinheit (4) aus den empfangenen Schwingungen zumindest eine Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen ermittelt wird; und - von der Regel-/Auswerteeinheit (4) anhand der Kenngröße zumindest die Füllmenge des Mediums (1) in dem Behälter (2) bestimmt und/oder überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei als Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen - die Amplitude (A) und/oder die Dämpfung (D) der empfangenen Schwingungen und/oder - die Phase (φ) der empfangenen Schwingungen in Bezug auf die anregenden Schwingungen und/oder - die Resonanzfrequenz (cor), wobei die Schwingungen auf eine resonante Schwingung geregelt werden, und/oder - eine Laufzeit der Schwingungen verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei ein erster Sollwert (SW1) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen hinterlegt wird, wobei der erste Sollwert (SW1) der Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen eines intakten, leeren Behälter (2) entspricht, wobei vor der Abfüllung des Mediums (1) in den Behälter (2) der leere Behälter (2) zu Schwingungen angeregt wird und ein Ist-Wert (IWa) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen ermittelt wird, und wobei mittels eines Vergleichs des Ist-Wertes (IWa) der Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen mit dem ersten Sollwert (SW1) eine Beschädigung des ungefüllten Behälters (2) und/oder das Vorhandensein von Fremdkörpern in dem ungefüllten Behälter (2) erkannt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei zumindest ein zweiter Sollwert (SW2a;SWb;SWc;...) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen hinterlegt wird, der der Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen eines auf zumindest eine vorgebbare Füllmenge gefüllten Behälters (2) entspricht, wobei Ist-Werte (IWa;IWb;IWc;...) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen während der Abfüllung des Mediums (1) in den Behälter (2) zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten wiederkehrend ermittelt werden, und wobei mittels eines Vergleichs der Ist-Werte (IWa;IWb,IWc;...) mit dem zumindest einen zweiten Sollwert (SW2a;SWb;SWc;...) das Erreichen der zumindest einen vorgebbaren Füllmenge während der Abfüllung des Mediums (1) in den Behälter (2) erkannt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei ein dritter Sollwert (SW3) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen hinterlegt wird, wobei der dritte Sollwert (SW3) der Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen eines mit dem Medium (1) mit einer vorgegebenen Füllmenge gefüllten und verschlossenen Behälters (2) entspricht, wobei nach der Abfüllung des Mediums (1) in den Behälter (2) der gefüllte und verschlossene Behälter (2) zu Schwingungen angeregt wird, wobei der Ist-Wert (IWc) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen ermittelt wird, und wobei die Dichtigkeit des verschlossenen Behälters (2) und/oder das Vorhandensein von Fremdkörpern in dem Medium (1) erkannt wird, mittels eines Vergleichs eines Ist-Wertes (IWc) der Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen mit dem dritten Sollwert (SW3).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei mittels einer Interpolation auf Basis zumindest zweier Sollwerte (SW1,SW2a,SW2b,SW3..), insbesondere auf Basis des ersten Sollwertes (SW1) und zweier zweiter Sollwerte (SW1,SW2a,SW2b), eine Soll-Kurve (SKL) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen gebildet wird, wobei Ist-Werte (IWa,IWb,IWc..) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen während der Abfüllung des Mediums (1) in den Behälter (2) zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt werden und mit den wiederkehrend ermittelten Ist-Werten (IWa,IWb,IWc..) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen eine Ist-Kurve (IKL) erstellt wird, insbesondere mittels einer Interpolation, und wobei anhand des Vergleichs der Ist-Kurve (IKL) mit der Soll-Kurve (SKL) die Abfüllung der vorgegebenen Menge des Mediums (1) in den Behälter (2) überwacht wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei für zumindest zwei verschiedene Medientypen (MT1,MT2) und/oder Behältertypen (BT1.BT2) mehrere Sollwerte (SW1,SW2a,SW2b,SW3..) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen und/oder mehrere Soll-Kurven (SKL) hinterlegt werden, jeweils in Abhängigkeit des Medien- und/oder Behältertyps (MT1,MT2,BT1,BT2).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Füllmenge gemessen wird, wobei ein Ist-Wert (IWa) für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen einmalig ermittelt wird, und wobei mittels der gemessenen Füllmenge, des Ist-Wertes (IWa) für die einmalig ermittelte Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen und der hinterlegten Soll-Kurve (SKL) der Medien- und/oder Behältertyp (MT1; MT2; BT1; BT2;...) zugeordnet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei ein Ist-Wert für die Kenngröße (KG) der empfangenen Schwingungen während der Abfüllung des Mediums (1) in den Behälter wiederkehrend ermittelt und mit den wiederkehrenden ermittelten Ist-Werten (IWa,IWb,..) eine Ist-Kurve (IKL) erstellt wird, und wobei mittels eines Vergleichs der Ist-Kurve (IKL) mit der Soll-Kurve (SKL) der Medien- und/oder Behältertyp (MT1,MT2,BT1,BT2) zugeordnet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei das Medium (1) von der Abfüllvorrichtung (7) im Wesentlichen gleichzeitig in ein Gebinde (8) von mehreren, im Wesentlichen identisch ausgestalteten Behältern (2) abgefüllt wird, und wobei der erste Sollwert (SW1) und/oder der/die zweite/n Sollwert/e (SW2a;SW2b; SW2c;..) und/oder der dritte Sollwert (SW3) und/oder die Soll-Kurve/die Soll-Kurven (SKL) für das Gebinde (8) hinterlegt werden/wird.