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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Maßnahmen zur Ermittlung einer Ventilstellung von nicht-elektrisch betriebenen Füllventilen zur Steuerung von Fluidströmen, insbesondere in einer beweglichen Anordnung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Bestimmen einer Ventilstellung von Füllventilen einer Abfüllanlage.
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Technischer Hintergrund
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Automatisierte Abfüllanlagen, insbesondere zur Abfüllung von flüssigen Lebensmitteln, wie beispielsweise Getränken, weisen im Kern eine Vorrichtung mit einer rotierenden Trägeranordnung auf, an der umfänglich Füllventile angeordnet sind. Da eine zuverlässige elektrische Energieversorgung für die Füllventile aufgrund der Rotationsbewegung nur aufwändig zu realisieren ist, werden die Füllventile in der Regel nicht-elektrisch angesteuert, um eine bestimmte Menge Flüssigkeit in daran befindliche Behälter, wie beispielsweise Flaschen, einzubringen.
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Eine solche Vorrichtung wird zum Abfüllen einer abzufüllenden Flüssigkeit in die zu befüllenden Behälter oder zum Durchführen eines Reinigungszyklus durch Einfüllen einer Reinigungsflüssigkeit in mit den Füllventilen verbundene Behälter verwendet. Insbesondere für die Reinigung ist die Sicherstellung einer ausreichenden Zufuhr von Reinigungsflüssigkeit in die Behälter notwendig, um eine zuverlässige rückstandsfreie Reinigung der Behälter zu erreichen.
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Die Füllventile werden aufgrund des Fehlens einer elektrischen Verbindung in der Regel hydraulisch oder pneumatisch betätigt. Die Füllventile umfassen in der Regel einen Ventilkörper, in dessen Innerem ein Ventilstift beweglich angeordnet ist, um das Füllventil zu öffnen oder zu schließen. Der Ventilstift kann beispielsweise pneumatisch durch Beaufschlagung mit Druckluft angesteuert werden. Da der Ventilstift in der Regel von außen nicht zugänglich ist, ist die Anordnung einer Sensorik zur Erfassung der Ventilstellung möglichst unmittelbar an dem Ventilkörper oder dem Inneren des Ventils notwendig, was mit nicht-elektrischen Mitteln nur schwer zu realisieren ist.
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Zudem ist eine Signalisierung der Ventilfunktion der Füllventile somit auch nicht ohne weiteres möglich, da kein entsprechender elektrischer Rückmeldesignalpfad zur Verfügung steht. Elektrische Sensoren für die Überwachung einer Ventilfunktion können daher nicht in herkömmlicher Weise ausgelesen werden.
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Insbesondere während des Reinigungsvorgangs kann es durch Verschmutzungen in den Behältern zu Beeinträchtigungen der Ventilfunktion durch Blockierungen kommen. Daher ist eine Überwachung des ordnungsgemäßen Reinigungsvorgangs durch eine Überwachung der Ventilstellung unbedingt notwendig, da ansonsten aufgrund einer unzureichenden Reinigung Verunreinigungen in den Behältern zurückbleiben können, die eine anschließend eingefüllte Flüssigkeit kontaminieren und im Falle von Getränken ungenießbar machen oder vergiften können.
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Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem zum Überwachen einer Ventilstellung eines beweglichen Füllventils, insbesondere in einer Abfüllvorrichtung, zur Verfügung zu stellen, die ohne eine drahtgebundene elektrische Versorgung auskommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Sensorsystem zum Detektieren einer Ventilstellung eines beweglichen Füllventils gemäß Anspruch 1 sowie eine Abfüllvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Sensorsystem zum Detektieren einer Ventilstellung eines Füllventils insbesondere in einer Abfüllanlage vorgesehen, umfassend:
- - eine Trägeranordnung zum Bewegen mindestens einer Einfülleinrichtung, wobei die mindestens eine Einfülleinrichtung ein Füllventil aufweist, um in gesteuerter Weise ein Medium einem zu füllenden Behälter zuzuführen;
- - ein Sensormodul an der mindestens einen Einfülleinrichtung mit einer Energieempfangseinrichtung, die ausgebildet ist, um Energie drahtlos zu empfangen und als elektrische Energie bereitzustellen, mit einem elektrischen Energiespeicher, um die bereitgestellte elektrische Energie zu speichern, und mit einem Stellungssensor, der ausgebildet ist, um mithilfe der bereitgestellten elektrischen Energie eine Stellung des Füllventils zu detektieren und eine entsprechende elektrische Sensorgröße bereitzustellen;
- - eine ortsfeste Ausleseeinrichtung, die ausgebildet ist, um bei einem Vorbeibewegen der mindestens einen Einfülleinrichtung ein von der elektrischen Sensorgröße abhängiges Messsignal zu erfassen und ein Detektionssignal abhängig von dem Messsignal bereitzustellen.
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In einer Abfüllanlage werden häufig Trägeranordnungen mit umfänglich angeordneten Einfülleinrichtungen verwendet. Im Betrieb wird ein abzufüllender Behälter an einer Aufnahmeposition von einer jeweiligen Einfülleinrichtung aufgenommen. Die Trägeranordnung dreht sich, während ein Füllventil der Einfülleinrichtung geöffnet, eine Flüssigkeit über die Einfülleinrichtung in die Behälter eingefüllt und das Füllventil wieder geschlossen wird. Anschließend wird der Behälter an einer Entnahmeposition entnommen und nachfolgenden Verarbeitungsschritten zugeführt.
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Dieser Prozess erfolgt kontinuierlich mit z.B. zirkulierenden bzw. rotierenden Einfülleinrichtungen. Dabei werden die Füllventile der Einfülleinrichtungen synchronisiert pneumatisch oder hydraulisch zum Öffnen oder zum Schließen angesteuert, da eine elektrische Versorgung auf der Trägereinrichtung in der Regel nicht zur Verfügung steht.
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Zur Überwachung der Ventilstellung der Füllventile ist es notwendig, einen Öffnungszustand des entsprechenden Füllventils bei einer bestimmten Position zu erkennen. Da die Stellung des Füllventils von außen nicht erkennbar ist, ist eine geeignete Sensorik zur Stellungsdetektion des Füllventils zweckmäßig.
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Dazu ist ein Sensorsystem mit mindestens einem Sensormodul und einer ortsfesten Ausleseeinrichtung vorgesehen. Dem mindestens einen Sensormodul wird in nicht draht- oder leitungsgebundener Weise Energie übertragen. Das Sensormodul ist mit einer Energieempfangseinrichtung versehen, so dass insbesondere bei einem Vorbeibewegen der an der Trägeranordnung angeordneten Einfülleinrichtungen an z.B. einem Energie-Emitter das jeweilige Sensormodul eine Energiemenge empfängt und diese als elektrische Energie bereitstellt. Die Energie kann dabei z.B. mithilfe eines elektrischen oder magnetischen Wechselfelds oder elektromagnetisch übertragen werden, so dass bei jedem Passieren des Sensormoduls eine Energiemenge zu dem Sensormodul drahtlos übertragen wird und als elektrische Energie bereitgestellt wird.
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Die elektrische Energie kann dabei kurzzeitig in einem elektrischen Energiespeicher des Sensormoduls gespeichert werden, der in Form einer Kapazität, insbesondere in Form eines Gold-Caps ausgebildet sein kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Sensormodul einen Resonanzkreis aufweist, der ausgebildet ist, um eine Schwingung mithilfe der bereitgestellten elektrischen Energie auszuführen, wobei der Stellungssensor ausgebildet ist, um die Schwingung abhängig von der Stellung des Füllventils zu beeinflussen. Die in dem Sensormodul gespeicherte Energie wird nun zum Detektieren der Ventilstellung verwendet, indem der Resonanzkreis so ausgebildet ist, dass eine Schwingungscharakteristik des Resonanzkreises von der Ventilstellung, insbesondere von einem Zustand des Stellungssensors, abhängig ist.
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Weiterhin kann der Stellungssensor einen Magnetfeldsensor, insbesondere einen Hall-Sensor oder einen GMR-Sensor, umfassen, der für eine Magnetfeldänderung durch ein bewegliches Ventilelement des Füllventils empfindlich ist, wobei der Magnetfeldsensor in dem Resonanzkreis so eingesetzt ist, dass die Schwingung abhängig von der Stellung des Ventilelements gedämpft wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Ausleseeinrichtung ausgebildet sein, um die Schwingung des Resonanzkreises während des Vorbeibewegens der Einfülleinrichtung mit dem Sensormodul induktiv zu erfassen und über einen Schwellwertvergleich der Schwingungsamplitude und/oder der Schwingungsfrequenz die Stellung des Füllventils zu detektieren. Abhängig von dem Betrieb des Resonanzkreises kann somit mithilfe einer induktiven Ausleseeinrichtung die Ventilstellung des betreffenden Füllventils detektiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, ohne draht- bzw. leitungsgebundene Zufuhr elektrischer Energie die Ventilstellung eines Füllventils durch die Sensormodule zu detektieren.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein ortsfester Energie-Emitter an der Trägeranordnung so angeordnet sein, um Energie induktiv oder als elektromagnetische Strahlung zu übertragen. Das obige Sensorsystem ermöglicht es so, auf einen elektrischen Energieverteiler auf der Trägeranordnung zu verzichten, der aufgrund der rotierenden Bewegung der Trägeranordnung fehleranfällig wäre.
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Eine Idee des obigen Sensorsystems besteht darin, die Energie zum Betreiben des Sensormoduls an das jeder zu überwachenden Einfülleinrichtung zugeordnete Sensormodul drahtlos zu übertragen. Die entsprechende Ventilstellung wird durch das Sensormodul detektiert, indem eine Resonanz des Resonanzkreises abhängig von der Ventilstellung beeinflusst wird. Die Schwingung des Resonanzkreises kann dann mithilfe der Ausleseeinrichtung z.B. induktiv ausgelesen werden. Dabei ist eine elektrische Versorgung lediglich für den Energie-Emitter und die Ausleseeinrichtung erforderlich, die beide stationär außerhalb der Trägeranordnung der Einfülleinrichtungen angeordnet sind.
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Gemäß alternativer Ausführungsformen kann die Energieübertragung von dem Energie-Emitter zu dem Sensormodul auf verschiedene drahtgebundene Arten erfolgen, insbesondere mithilfe elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise Mikrowellen oder sichtbares Licht, durch mechanische Schwingungen, durch ein elektrisches oder magnetisches Wechselfeld (basierend auf Induktion) oder dergleichen erfolgen.
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Gemäß einem Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben des obigen Sensorsystems, mit folgenden Schritten:
- - Bewegen der mindestens einen Einfülleinrichtung vorbei an dem Sensormodul an der mindestens einen Einfülleinrichtung, so dass Energie drahtlos empfangen wird und als elektrische Energie bereitgestellt wird,
- - Speichern der elektrischen Energie in einem elektrischen Energiespeicher;
- - Detektieren einer Stellung des Füllventils mit dem Stellungssensor mithilfe der bereitgestellten elektrischen Energie und Bereitstellen einer entsprechenden elektrischen Sensorgröße;
- - Erfassen des von der elektrischen Sensorgröße abhängigen Messsignals bei einem Vorbeibewegen der mindestens einen Einfülleinrichtung an der ortsfesten Ausleseeinrichtung;
- - Bereitstellen des Detektionssignals abhängig von dem Messsignal in der Ausleseeinrichtung.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Abfüllanlage mit einer rotierenden Trägeranordnung mit Einfülleinrichtungen und einem Sensorsystem zum Detektieren einer Ventilstellung von Füllventilen der Einfülleinrichtungen;
- 2 eine schematische Darstellung einer Einfülleinrichtung an jedem der Ventile der Einfülleinrichtungen; und
- 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Sensorsystems.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels einer Abfüllanlage eine Anordnung und ein Verfahren beschrieben, mit der eine Ventilstellung von jeweils einer Vielzahl von Füllventilen von Einfülleinrichtungen auf einer beweglichen Trägeranordnung beschrieben wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen, sondern lässt sich auf sich bewegende Füllventile einer Vielzahl von Anlagen ohne drahtgebundene elektrische Energieversorgung der Einfülleinrichtungen anwenden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Abfüllanlage 1, bei der unbefüllte Behälter 2, insbesondere Flaschen, einer Füllvorrichtung 3 zugeführt werden, insbesondere entlang einer Förderstraße F. Die Füllvorrichtung 3 weist eine rotierbare Trägeranordnung 4 auf, an der in Umfangsrichtung Einfülleinrichtungen 5 angeordnet sind. Die Einfülleinrichtungen 5 sind im Wesentlichen äquidistant an der Trägeranordnung 3 in Umfangsrichtung angeordnet, so dass diese sich bei Rotation der Trägeranordnung 3 kreisförmig bewegen.
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Gelangen die zu befüllenden Behälter 2 in den Bereich der Füllvorrichtung 3 werden diese dort jeweils an einer Aufnahmeposition A durch eine der Einfülleinrichtungen 5 aufgenommen, die an der Öffnung des Behälters 2 angreift. Durch die Einfülleinrichtung 5 wird der Behälter 2 so gehalten, dass dieser mithilfe eines Flüssigkeitszuführungssystems 6 mit einer einzufüllenden Flüssigkeit befüllt werden kann.
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Nach der Aufnahme des Behälters 2 durch die jeweilige Einfülleinrichtung 5 wird der Behälter 2 befüllt, während dieser durch die Rotation der Trägeranordnung 3 bewegt wird. Die Behälter 2 werden an einer Entnahmeposition E von der Einfülleinrichtung 5 gelöst. Die freigegebenen Behälter 2 werden anschließend entlang der Förderstraße F zu einem nächsten Bearbeitungsprozess, wie beispielsweise Etikettierung oder dergleichen, transportiert.
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Während des Umlaufens der von den Einfülleinrichtungen 5 gehaltenen Behälter 2 wird über das Flüssigkeitszuführungssystem 6 Flüssigkeit in die Behälter 2 eingefüllt. Dazu wird ein Füllventil der Einfülleinrichtung 5 nach der Aufnahme des jeweiligen Behälters 2 geöffnet, um Flüssigkeit in den Behälter 2 einzulassen und dieses vor der Entnahme an der Entnahmeposition E wieder geschlossen.
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Eine ähnliche Vorrichtung wird verwendet, um die Behälter 2 mit Reinigungsflüssigkeit zum Reinigen der Behälter zu befüllen.
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Eine einzelne Fülleinrichtung 5 ist in 2 in einer Querschnittsansicht deutlicher dargestellt. Man erkennt eine Kopplungseinrichtung 7, mit der der jeweilige Behälter 2 mit der Einfülleinrichtung 5 an der Aufnahmeposition A verbunden wird. Dies ermöglicht ein Befüllen des Behälters 2 mit Flüssigkeit, die über das Flüssigkeitszuführungssystem 6 zugeführt wird.
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Die Steuerung der Flüssigkeitszufuhr erfolgt über ein Füllventil 8, das einen nicht-elektrisch ansteuerbaren Ventilstift 9 aufweist. Dieser wird insbesondere durch mechanische, pneumatische oder hydraulische Aktuierung gestellt, um so die Zufuhr der Flüssigkeit in den Behälter 2 zu steuern.
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Das Füllventil 8 der 2 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel den Ventilstift 9, der pneumatisch durch Druckluft aus einer Druckluftleitung 10 gesteuert wird. Der Ventilstift 9 ist im Inneren eines Ventilkörpers 11 angeordnet, so dass eine Erkennung einer Stellung des Ventilstiftes 9, d. h. einer Ventilstellung, von außen nicht ohne weiteres möglich ist.
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Es ist nun an jeder der Einfülleinrichtungen 5 ein Sensormodul 15 vorgesehen, das in der Lage ist, die Stellung des Ventilstiftes 9 zu detektieren und eine entsprechende Angabe nach außen zu signalisieren. Insbesondere weist das Sensormodul 15 einen Magnetfeldsensor 16 auf, wie z. B. einen Hall-Sensors oder einen GMR-Sensor, der Teil eines Resonanzkreises 17 ist. Der Resonanzkreis 17 ist in dem elektronischen Ersatzschaltbild des Sensormoduls 15 schematisch in einer detaillierteren Darstellung der 3 dargestellt.
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Wie aus dem Ersatzschaltbild der 3 für das vorliegende Ausführungsbeispiel entnehmbar, ist ein Magnetfeldsensor 16 als Schalter in Serie mit einem ohmschen Widerstand R vorgesehen. Diese Serienschaltung liegt parallel zu einem LC Schwingkreis mit einer Induktivität L und einer Kapazität C, so dass diese einen RLC-Schwingkreis ausbilden. Beispielsweise kann der Magnetfeldsensor 16 ggfs. gemeinsam mit einem Permanentmagneten 18 nahe des Ventilstiftes 9 angeordnet sein, um eine Magnetfeldänderung aufgrund einer Bewegung des Ventilstiftes 9 zu detektieren. Dazu ist der Ventilstift 9 vorzugsweise aus hartmagnetischem oder weichmagnetischem Material ausgebildet. Ist der Ventilstift 9 aus weichmagnetischem Material ausgebildet, so kann der Permanentmagnet 18 nahe des Ventilstiftes 9 angeordnet sein, so dass durch den Magnetfeldsensor 16 eine Magnetfeldänderung aufgrund einer Umlenkung von Magnetfeldlinien abhängig von der Position des Ventilstifts 9 detektiert werden kann. In einer alternativen Ausführungsform kann der Ventilstift 9 direkt mit dem Permanentmagneten versehen oder mit diesem gekoppelt sein.
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Der Resonanzkreis 17 wird vorzugsweise durch Übertragen von Energie von einem Energieemitter 20 angeregt. Der Energie-Emitter kann außerhalb der Einfülleinrichtung 5 angeordnet sein und während des Vorbeibewegens der Einfülleinrichtung mit dem Sensormodul 15 an dem Energie-Emitter 20 drahtlos Energie an eine Energieempfangseinrichtung 30 übertragen.
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Der Energie-Emitter 20 kann ausgebildet sein, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, indem eine Wechselspannungsquelle 21 mit einer Sendespule 22 gekoppelt ist.
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Die Energieempfangseinrichtung 30 ist Teil des Sensormoduls 15 und ausgebildet, um induktiv Energie aus dem Wechselmagnetfeld zu beziehen und diese zwischenzuspeichern. Die Energieempfangseinrichtung 30 umfasst dazu eine Empfangsspule 31, die so angeordnet ist, um bei Vorbeibewegen des Sensormoduls an dem Energieemitter 20 eine Induktionsspannung zu generieren. Die Induktionsspannung wird mit einem Gleichrichter, insbesondere einem Diodengleichrichter 32 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Induktionsspannung dient zum Aufladen eines Energiespeichers 33, der z.B. als Kapazität, insbesondere mit einem sogenannten Gold-Cap ausgebildet ist. Diese wird bei einem Vorbeibewegen des Sensormoduls an dem Energie-Emitter 20 aufgeladen und stellt im Anschluss elektrische Energie einer Anregungseinheit 40 zur Verfügung.
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Die Anregungseinheit 40 nutzt die gespeicherte elektrische Energie, um den RLC-Resonanzkreis 17 zum Schwingen anzuregen.
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Der Resonanzkreis 17 des Sensormoduls 15 schwingt angeregt durch die Anregungseinheit 40 und ist in der Lage elektrische Energie in der Oszillation zu speichern.
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Alternativ kann die Energieempfangseinrichtung 30 auch andere Formen von Energie aufnehmen/wandeln und diese als elektrische Energie zwischenspeichern. Beispielsweise kann die bereitgestellte Energie in Form von mechanischer Energie, wie beispielsweise Schwingungen, oder in Form elektromagnetischer Strahlung vorliegen. Insbesondere kann ein Energie-Emitter 20 vorgesehen sein, um elektromagnetische Strahlung z. B. in Form einer Mikrowellenstrahlung, auf die Energieempfangseinrichtung 30 des Sensormoduls 15 zu richten, um dort elektrische Energie bereitzustellen. Alternativ kann die Energie auch mithilfe von Licht- oder Laserstrahlung bereitgestellt werden und mit einem Photovoltaikelement an einer Oberfläche des Sensormoduls 15 aufgenommen und in elektrische Energie gewandelt werden.
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Die in dem elektrischen Energiespeicher 33 gespeicherte elektrische Energie kann zum Betreiben des Resonanzkreises 17 verwendet werden, der als Schaltsensor eine Ventilstellung detektiert. So kann ein geöffnetes oder geschlossenes Füllventil 8 erkannt werden, in dem durch den Magnetfeldsensor 16 ein Resonanzverhalten des Resonanzkreises 17 geändert wird.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird bei niederohmigem Magnetfeldsensor 16 der Widerstand R parallel zu einem LC-Resonanzkreis geschaltet und dessen Oszillation damit stark gedämpft. Bei einem hochohmigen Magnetfeldsensor 16 wird die Oszillation des Resonanzkreises 17 entsprechend schwach gedämpft. Bei einem Magnetfeldsensor mit einer Schaltschwelle kann der Resonanzkreis 17 entsprechend unterbrochen oder geschlossen werden. Der Widerstandswert des Magnetfeldsensors kann als eine elektrisches Sensorgröße S angesehen werden.
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Mithilfe einer Ausleseeinheit 50, die eine Detektionsspule 51 und eine damit verbundene Detektionseinheit 52 aufweist, kann die Oszillation in der Spule L des Resonanzkreises detektiert werden. Eine Amplitude der Schwingung des Resonanzkreises 17 hängt von dem Zustand des Magnetfeldsensors 16 ab, so dass über die Stärke eines Messsignals M, das über die Detektionsspule 51 in der Detektionseinheit 52 erkannt wird, auf die Ventilstellung des Füllventils 8 geschlossen werden kann.
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Die Ausleseeinheit 50 kann z. B. in Form eines induktiven Näherungssensors oder dergleichen ausgebildet sein, womit in besonders einfacher Weise ein Resonanzkreis 17 mit geringer Dämpfung von einem Resonanzkreis 17 mit höherer Dämpfung unterschieden werden. Die Detektionseinheit 52 stellt entsprechend des Messsignals M ein Detektionssignal D zur Verfügung, das die Ventilstellung des betreffenden Füllventils 8 angibt. Insbesondere kann dazu das Messsignal M, das eine Amplitude eines in der Detektionsspule 51 empfangenen Schwingungssignals angibt, mithilfe eines Schwellenwertvergleichs ausgewertet werden, um die Ventilstellung als geöffnet oder geschlossen zu detektieren.
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Ein solches Sensorsystem kann verwendet werden, um die Ventilstellung einer Abfüllanlage zu überwachen, insbesondere beim Reinigen von Behältern durch Einspritzen einer Reinigungsflüssigkeit. Das Sensorsystem ermöglicht durch das Aufsetzen des Sensormoduls auf die Einfülleinrichtung eine einfache Nachrüstung bestehender Anlagen, da lediglich ventilnah Sensormodule 15 angebracht und die Energie-Emitter 20 und die Ausleseeinheit 50 stationär nahe den sich vorbei bewegenden Einfülleinrichtungen 5 angeordnet werden müssen. Eine Stromversorgung der Sensormodule 15 muss daher nicht vorgesehen werden.
