DE19710296C1 - Received milk quantity measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mengenerfassung bei der Milchannahme mit einem mobilen oder stationären Annahmesystem, bei dem eine auf einem Überführungsweg aus einem ersten in einen zweiten Behälter zu überführende Milchmenge über ihr Volumen erfaßt und quantitativ bestimmt wird und eine Vor richtung zum Durchführen des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.The invention relates to a method for recording quantities during milk acceptance with a mobile or stationary acceptance system, where one on one Transfer path to be transferred from a first to a second container Milk quantity is recorded and quantified by its volume and a pre direction for performing the method according to the preamble of the claim 9.
Der Mengenerfassung bei der Milchannahme mit mobilen Annahmesystemen, sogenannten Milchsammelwagen, oder stationären Annahmesystemen liegt die Aufgabe zugrunde, Milchmengen aus einem ersten Behälter, beispielsweise ei nem Anlieferungsbehälter eines Lieferanten, anzunehmen und in einen zweiten Behälter, beispielsweise einen Sammeltank, zu überführen. Dabei wird bei Ver fahren der gattungsgemäßen Art die Menge der überführten Milch über ihr Volu men bestimmt und über die Dichte der entgasten Milch wird die Masse der über führten Milch berechnet. Damit aus dem Volumen der überführten Milchmenge deren Masse ermittelt werden kann, - die Milchgütererordnung sieht vor, daß dem Anlieferer die Milchmasse und nicht etwa das Volumen vergütet wird - ist der Flüssigkeitsvolumenstrom, der in die Meßanlage eintritt und dem gasförmige Be standteile, insbesondere Luft, beigemischt sein können, vollständig zu entgasen bzw. zu entlüften und erst danach volumetrisch zu bestimmen. Die abgetrennte Luft resultiert fast ausschließlich aus jener Luft, die bei der Milchannahme, insbe sondere der Milch zu Beginn der Milchübernahme und beim Ausschnorcheln zum Ende der Milchübernahme, in die Meßanlage gelangt und nur zu einem außeror dentlich geringen Teil aus Luft, die als kleine und kleinste Luftblasen in der Milch des Anlieferungsbehälters deponiert ist. Eine Desorption von in Luft gelöster Milch wird nicht angestrebt; sie läßt sich jedoch unter bestimmten verfahren stechnischen Bedingungen (Vakuumbetrieb) nicht verhindern. Quantity recording when receiving milk with mobile acceptance systems, so-called milk collection car, or stationary acceptance systems Task based on milk quantities from a first container, for example egg one delivery container from a supplier, and into a second one Containers, for example a collecting tank, to transfer. Ver drive the generic type, the amount of transferred milk over their volu men determined and the density of the degassed milk is the mass of the led milk charged. So from the volume of the transferred amount of milk the mass of which can be determined, - the dairy goods regulation provides that the The supplier is paid for the milk mass and not the volume - that is Liquid volume flow that enters the measuring system and the gaseous Be Components, especially air, may be added to completely degas or to vent and only then determine volumetrically. The severed Air results almost exclusively from that air, especially when milk is accepted especially the milk at the beginning of the milk takeover and when snorkeling out End of milk takeover, enters the measuring system and only to an extra A small portion of air that appears as small and tiny air bubbles in the milk of the delivery container is deposited. Desorption from air Milk is not sought; however, it can be operated under certain conditions technical conditions (vacuum operation) do not prevent.
Bekannte Meßanlagen sind mit einer Steuerung/Regelung ausgestattet, deren Aufgabe unter anderem darin besteht, neben einer "normalen" Milchübernahme auch Sonderfälle bzw. auch unvorschriftsmäßige Handhabungen des Systems zu beherrschen. Hierzu gehört beispielsweise willkürliches Luftschnorcheln während der Milchübernahme, beabsichtigtes oder unbeabsichtigtes zeitweises Verschlie ßen der Annahmeleitung am Ansaugstutzen und Ansaugen aus mehreren Be hältnissen eines Lieferanten mit unterschiedlich langen Pausen beim Wechsel vom einen zum anderen Behältnis. Darüber hinaus soll die Meßanlage steue rungs- und regelungstechnisch leicht an unterschiedliche Ansaugbedingungen (Ansaughöhe und/oder Schlauchlänge) anpaßbar sein und in jedem Falle ohne Instabilitäten zügig einen stabilen Betriebspunkt finden.Known measuring systems are equipped with a control system, the The task, among other things, consists of a "normal" milk takeover also special cases or improper handling of the system dominate. This includes, for example, arbitrary air snorkeling during milk takeover, intentional or unintentional temporary closure the intake pipe on the intake manifold and intake from several units a supplier with breaks of different lengths when changing from one container to another. In addition, the measuring system should control in terms of control and regulation technology easily to different suction conditions (Suction height and / or hose length) be adaptable and in any case without Instabilities quickly find a stable operating point.
Die bisher bekannt gewordenen Meßanlagen, die entweder als sogenannte Pum pensysteme (vgl. beispielsweise DE 24 37 306 A1; DE 34 40 310 A1) oder Vaku umsysteme (vgl. beispielsweise DE 25 10 966 A1; DE 40 07 914 A1) ausgeführt sind, arbeiten über die Zeitdauer der Milchannahme mit einer im wesentlichen konstanten Annahmeleistung, die durch die Auslegung des Pumpen- bzw. Vaku umsystems determiniert ist. Dabei ist festzustellen, daß die Annahmeleistungen in den letzten Jahren bis auf 30 000 l/h, in Einzelfällen sogar noch darüber hinaus, gesteigert wurden, wobei der sog. Luftabscheiderbehälter der Meßanlage ein de ren maximale Annahmeleistung limitierendes Bauteil darstellt. Die heute be kannten Luftabscheiderbehälter trennen die in der Milch enthaltenen Luftblasen von der Milch überwiegend durch Auftrieb und anschließende Abscheidung über die freie Flüssigkeitsoberfläche und nur zu einem geringen Teil durch Separie rung und Abscheidung der Luftblasen im Zentrifugalfeld einer rotierenden Milch strömung im Luftabscheiderbehälter. Daher wird bei der Auslegung bekannter Luftabscheiderbehälter dafür Sorge getragen, daß die Absenkgeschwindigkeit der Milch im Behälter im Vergleich zu der Aufsteiggeschwindigkeit der Luftblasen klein ist. Dies gelingt durch eine möglichst große Verweilzeit der Milch und damit der in ihr enthaltenen Luftblasen im Luftabscheiderbehälter, wobei die Verweilzeit bei vorgegebener Annahmeleistung durch das flüssigkeitserfüllte Volumen des Luftabscheiderbehälters bestimmt wird. Eine große Verweilzeit hat somit zwangsläufig einen großen Behälterquerschnitt zur Folge, da eine Behälterkonfi guration mit einer gegenüber dem Behälterdurchmesser großen Bauhöhe den Abscheideweg vergrößert und damit die Abscheideleistung ungünstig beeinflußt. Da das Raumangebot, insbesondere auf einem Milchsammelwagen, in allen Richtungen begrenzt ist, sind einer Vergrößerung der Abmessungen des Luftab scheiderbehälters natürliche Grenzen gesetzt. Damit findet auch die Steigerung der Annahmeleistung durch Vergrößerung des Luftabscheiderbehälters eine Be grenzung, will man nicht Gefahr laufen, daß das Meßergebnis hinsichtlich des bei der Milchannahme überführten Volumens durch Mitreißen von Luftblasen in und durch den Volumenzähler in unzulässiger Weise verfälscht wird. Bekannte Meß anlagen begrenzen die Annahmeleistung auf einen maximalen Wert, mit dem auch schwierige Ansaugverhältnisse (Luftsaugen bei Unterbrechung der Milchför derung) beherrscht werden können. Mit dieser zulässigen Annahmeleistung sind bei günstigen bzw. normalen Ansaugverhältnissen die Meßanlage und speziell der Luftabscheiderbehälter unterfordert, so daß unter diesen Ansaugbedingungen eine ungenutzte Leistungsreserve vorliegt.The measuring systems that have become known so far, either as so-called pum pen systems (see, for example, DE 24 37 306 A1; DE 34 40 310 A1) or vacuum surrounding systems (see, for example, DE 25 10 966 A1; DE 40 07 914 A1) are working with an essentially over the period of milk intake constant acceptance performance, which is determined by the design of the pump or vacuum environmental system is determined. It should be noted that the acceptance performance in in recent years up to 30,000 l / h, in some cases even more, were increased, the so-called air separator tank of the measuring system a de component that limits its maximum acceptance power. The be today Known air separator containers separate the air bubbles contained in the milk of the milk mainly through buoyancy and subsequent separation via the free liquid surface and only to a small extent by separation air bubbles in the centrifugal field of a rotating milk flow in the air separator tank. Therefore, it becomes better known when interpreting Air separator container ensured that the lowering speed of the Milk in the container compared to the ascent rate of the air bubbles is small. This is achieved through the longest possible dwell time of the milk and thus the air bubbles it contains in the air separator tank, the dwell time for a given acceptance performance by the liquid-filled volume of the Air separator tank is determined. So there is a large dwell time inevitably results in a large container cross section, since a container confi guration with a large overall height compared to the container diameter Separation path enlarged and thus adversely affects the separation performance. Because the space available, especially on a milk collection truck, in all Directions are limited are an increase in the dimensions of the air separator container set natural limits. This is also the increase the acceptance performance by enlarging the air separator tank limit, if you do not want to run the risk that the measurement result with regard to the the volume of milk transferred by entraining air bubbles in and is falsified by the volume counter in an impermissible manner. Known measuring systems limit the acceptance performance to a maximum value with which also difficult suction conditions (air suction when the milk is interrupted change) can be mastered. With this permissible acceptance performance with favorable or normal suction conditions the measuring system and especially the air separator container is under-challenged, so that under these suction conditions there is an unused power reserve.
Ein Luftabscheider, wie er beispielsweise aus der DE 24 37 306 A1 oder der DE 25 10 966 A1 bekannt ist, kann allenfalls den unteren Leistungsbereich heute geforderter Annahmeleistungen abdecken, und auch nur dann, wenn günstige Betriebsbedingungen vorliegen. Um höhere Annahmeleistungen zu beherrschen, hat es daher nicht an Versuchen gefehlt, die Luftabscheidung im Luftabscheider behälter, der mit Blick auf eine Steigerung der Annahmeleistung ein limitierendes Element darstellt, zu verbessern, ohne dabei zum konstruktiven Mittel einer weite ren Vergrößerung des Luftabscheiderbehälters zu greifen. Ein in der DE 41 11 280 A1 beschriebener Luftabscheiderbehälter versucht das Problem dadurch zu lösen, indem er die Strömungsgeschwindigkeit der in den Luftab scheiderbehälter einströmenden Milch unmittelbar vor dem Eintritt in denselben herabsetzt. Hierzu wird vorgeschlagen, daß dem Einlaufstutzen ein als Stopfen mit einer Vielzahl von parallelen Kanälen ausgebildeter Staukörper zusammen mit einem sich auf dessen Querschnitt erweiternden Trichter vorgeschaltet ist. Im Er gebnis soll mit dem bekannten Luftabscheiderbehälter erreicht werden, daß die Milchmeßanlage mit höherer Durchsatzleistung betrieben werden kann, ohne daß bei dieser höheren Leistung die Milch einen höheren Anteil an den Lufteinschlüs sen als in herkömmlichen Anlagen hat, oder daß sie bei gleicher Durchsatzlei stung einen geringeren Anteil an Lufteinschlüssen hat. Die vorstehend vorge schlagenen Maßnahmen sind problematisch, da hierdurch zusätzlich einerseits Strömungswiderstände und andererseits Reinigungsprobleme aufgrund der ex trem vergrößerten flüssigkeitsberührten Oberflächen geschaffen werden.An air separator, as for example from DE 24 37 306 A1 or DE 25 10 966 A1 is known, can at best the lower power range today cover the required acceptance performance, and only if cheap Operating conditions exist. In order to master higher acceptance performance, there has been no shortage of attempts, the air separation in the air separator container, which is a limiting factor in view of an increase in acceptance performance Element represents to improve without becoming a constructive means of a wide to enlarge the air separator tank. An Indian Air separator container described in DE 41 11 280 A1 tries the problem thereby solving the flow velocity of the air in the air milk flowing into the separator container immediately before entering it belittles. For this purpose, it is proposed that the inlet socket be a plug with a plurality of parallel channels formed bluff body together with is connected upstream of a funnel widening on its cross section. In the Er Result should be achieved with the known air separator tank that the Milk measuring system can be operated with a higher throughput without at this higher output the milk accounts for a higher proportion of the air inclusions sen than in conventional systems, or that they have the same throughput has a lower proportion of air pockets. The above The proposed measures are problematic because they also cause problems Flow resistance and on the other hand cleaning problems due to the ex tremendously enlarged surfaces in contact with liquid.
Andere aus der DE 40 07 914 A1 bekannte Maßnahmen zielen darauf ab, das Untermischen von Luft beim Einfüllen in den Luftabscheider weiter zu reduzieren, um dadurch, in begrenztem Umfang, die Annahmeleistung weiter steigern zu kön nen. Dies soll dadurch erreicht werden, daß bei dem Luftabscheider mindestens ein weiterer gegenüber dem einen Einlauf höhenversetzter Einlauf vorgesehen ist, und daß sämtliche Einläufe mit Absperrventilen ausgestattet sind, die von ei ner auf das Milchniveau im Behälter ansprechenden Steuereinrichtung derart ge steuert werden, daß bei ansteigendem Niveau von dem unteren Einlauf auf den nächst höheren Einlauf usw. und bei fallendem Niveau umgekehrt umgeschaltet wird. Es liegt auf der Hand, daß die vorgeschlagenen Maßnahmen lediglich dazu geeignet sind, die durch das maximale Volumen des Luftabscheiderbehälters bestimmte maximale Verweilzeit so oft wie möglich optimal auszunutzen. Es ist nicht erkennbar, wie das bekannte System eine Steigerung der Annahmeleistung über seine maximale, durch die Verweilzeit bestimmte Annahmeleistung hinaus bewerkstelligen kann, wenn zusätzlich die Gefahr großer Lufteinbrüche gegeben ist.Other measures known from DE 40 07 914 A1 aim at the To further reduce air mixing when filling into the air separator, in order to be able to increase the acceptance performance to a limited extent nen. This should be achieved in that at least in the air separator another inlet that is offset in height from the one inlet is provided is, and that all inlets are equipped with shut-off valves by ei ner responsive to the milk level in the container control device such ge be controlled that with increasing level from the lower inlet to the next higher inlet etc. and reversed when the level falls becomes. It is obvious that the proposed measures are only intended to do so are suitable due to the maximum volume of the air separator tank make optimal use of certain maximum dwell times as often as possible. It is not recognizable like the known system an increase in acceptance performance beyond its maximum acceptance performance determined by the dwell time can accomplish if there is also the risk of large air ingress is.
Den bekannten Luftabscheiderbehältern sind, mit Blick auf die Separierung und Abtrennung von Gas- bzw. Luftbeimengungen, grundsätzliche strömungsphysika lische Grenzen gesetzt, die um so niedriger liegen und an die eine Annäherung um so schwieriger ist, je kälter und hochviskoser die Trägerflüssigkeit Milch für die Gasblasen ist und je feinverteilter die Gasbeimengungen vorliegen. Es wurde daher auch vorgeschlagen (vgl. beispielsweise DE 35 45 160 A1), die Mengener fassung, insbesondere von Milch, unmittelbar über die Milchmasse und nicht über das Volumen der überführten Milch durchzuführen. The well-known air separator tanks are, with a view to the separation and Separation of gas or air admixtures, basic flow physics set boundaries that are all the lower and closer to which The colder and more viscous the carrier liquid milk is, the more difficult it is is the gas bubbles and the more finely divided the gas admixtures are present. It was therefore also proposed (see, for example, DE 35 45 160 A1), the crowd version, especially of milk, directly via the milk mass and not via to carry out the volume of transferred milk.
Dies gelingt dadurch, daß die zu überführende Milchmenge insgesamt oder Teile derselben nacheinander in einen Meßbehälter überführt wird bzw. werden und daß die Masse der in diesem Meßbehälter vorgelegten Milchmenge gravimetrisch bestimmt wird. Bei diesem Verfahren ist eine Entgasung bzw. Entlüftung der Milchmenge nicht erforderlich, da ggf. in der Milch gelöste Gas- bzw. Luftblasen aufgrund der Dichteunterschie de zwischen Gas und ihrer Trägerflüssigkeit um drei Größenordnungen praktisch keine Rolle spielen. Die vorgenannten sogenannten Wiegesysteme arbeiten, wenn die zu überführende Milchmenge relativ groß ist, in der Regel absatzweise und damit diskontinuierlich. Hohe Annahmeleistungen sind daher mit hinreichen der Genauigkeit nicht zu realisieren, weil eine Vergrößerung des Meßbehälters (Taramasse) zwangsläufig zu einer Vergrößerung des Meßfehlers führt. Darüber hinaus sind derartige Meßsysteme gegenüber den Verfahren und Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art kostenmäßig bislang nicht konkurrenzfähig.This is achieved in that the total amount of milk to be transferred or parts thereof in succession a measuring container is or will be transferred and that the mass of this Measuring container submitted milk quantity is determined gravimetrically. With this The process does not require degassing or venting the milk volume, because any gas or air bubbles dissolved in the milk due to the difference in density de practically three orders of magnitude between gas and its carrier liquid does not matter. The aforementioned so-called weighing systems work if the amount of milk to be transferred is relatively large, usually in batches and therefore discontinuous. High acceptance performances are therefore sufficient the accuracy cannot be realized because the measuring container is enlarged (Taramasse) inevitably leads to an increase in the measurement error. About that In addition, such measuring systems are compared to the methods and devices the generic type so far not cost competitive.
Die Nachteile, mit denen beispielsweise das vorstehend genannte Wiegesystem behaftet ist, werden vermieden, wenn ein anderes bekanntes Verfahren zur Be stimmung der Masse einer eine Durchflußleitung durchströmenden Milchmenge im Zuge der Milchannahme zur Anwendung kommt (DE 195 07 542 C1). Bei die sem Verfahren wird aus einem Gesamtstrom der zu überführenden Milchmenge ein mengenproportionaler Teilstrom zur Gewinnung einer für die zu überführende Milchmenge repräsentativen Probemenge abgezweigt und gesammelt. Nach Be endigung der Überführung der Milchmenge wird die Masse der aus dem Teilstrom resultierenden Teilmenge gravimetrisch bestimmt und über einen bekannten, das Verhältnis zwischen Teil- und Gesamtstrom bestimmenden anordnungsspezifi schen Proportionalitätsfaktor wird die Masse der insgesamt überführten Milch menge ermittelt. Dieses Verfahren steht und fällt mit der Repräsentativität der ge wonnenen Probemenge in Bezug auf die zu überführende gesamte Milchmenge und zwar sowohl hinsichtlich der Mengenproportionalität als auch hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Milch und Luftbeimengungen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein das Verhältnis zwischen Teil- und Gesamtstrom bestimmender konstanter Proportionalitätsfaktor über die gesamte Annahmezeit bei ggf. wechselnden Be triebs- und Annahmebedingungen sehr schwer zu realisieren ist.The disadvantages with which, for example, the above-mentioned weighing system is avoided if another known method for loading the mass of a quantity of milk flowing through a flow line used in the course of milk acceptance (DE 195 07 542 C1). At the This process is based on a total flow of the amount of milk to be transferred a partial flow proportional to the quantity to obtain one for the to be transferred Milk amount representative sample amount branched off and collected. According to Be At the end of the transfer of the amount of milk, the mass of the partial flow resulting subset determined gravimetrically and over a known, the Relationship between partial and total current determining arrangement-specific The proportionality factor is the mass of the total transferred milk quantity determined. This procedure depends on the representativity of the ge won sample amount in relation to the total amount of milk to be transferred both in terms of quantity proportionality and in terms of Relationship between milk and air admixtures. Experience has shown that a constant determining the relationship between partial and total flow Proportionality factor over the entire acceptance period if the loading changes drive and acceptance conditions is very difficult to implement.
Es ist darüber hinaus bekannt, die Dichte eines flüssigen Gärsubstrats im Gärbe hälter laufend außerhalb desselben in einer Bypass-Leitung zu erfassen (DE 44 29 809 A1), wobei die Dichte mittels einer Ultraschall-Dichtemessung er mittelt wird.It is also known the density of a liquid fermentation substrate in the fermentation container continuously outside of it in a bypass line (DE 44 29 809 A1), the density using an ultrasound density measurement is averaged.
Des weiteren wird in der deutschen Zeitschrift "messen prüfen automatisieren", Dezember 1985. S. 676-681, beschrieben wie mittels der Ultraschall-Durch flußmeßtechnik (Laufzeitverfahren oder Dooplerverfahren) eine betriebliche Durchflußmessung von Flüssigkeiten in geschlossenen Rohrleitungen durchge führt werden kann. Die Durchflußmessung erfolgt dabei "berührungslos", d. h. oh ne zusätzliche störende Einbauten in der Strömung. Die Ultraschall-Durchfluß messung ermöglicht die Messung auch von nichtleitenden Flüssigkeiten. Störun gen des Strömungsprofils, welche die Messung beeinträchtigen könnten, werden durch Kompensationsverfahren - Mehrkanalmessung - weitgehend reduziert.Furthermore, "measure, test, automate" in the German magazine, December 1985. pp. 676-681, described as by means of ultrasound flow measurement technology (runtime method or Doopler method) an operational Flow measurement of liquids in closed pipes can be led. The flow measurement takes place "contactless", i. H. oh ne additional disturbing installations in the flow. The ultrasound flow measurement also enables the measurement of non-conductive liquids. Malfunction against the flow profile, which could affect the measurement largely reduced by compensation method - multi-channel measurement.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Verfahren der gattungsge mäßen Art die Mengenerfassung ohne den limitierenden Einfluß eines Luftabscheiders zu gestalten.It is an object of the present invention in a method of the genus quantity acquisition without the limiting influence of a To design air separator.
Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand weiterer Un teransprüche. Eine Vorrichtung zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfah rens wird durch die Merkmale des Nebenanspruchs 9 verwirklicht, während vor teilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen Vorrichtung Gegenstand weite rer Unteransprüche sind. The task is procedurally solved by the features of claim 1 ge. Advantageous embodiments of the method are the subject of further Un claims. A device for carrying out the proposed procedural method is realized by the features of the independent claim 9 , while partial embodiments of the proposed device are the subject of further subclaims.
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird darauf verzichtet, ggf. vorliegende Gas- bzw. Luftbeimengungen aus der zu überführenden Milchmenge zu entfernen. Statt dessen wird die Erkenntnis genutzt, daß die Schallgeschwindigkeit von Ultra schall-Impulsen, die sich als besonders aussagefähig erwiesen haben, in einem Luft/Milch-Gemisch eine andere ist als in entlüfteter Milch. Durch die Aufteilung der Strömung in einen Haupt- und einen Nebenstrom wird die Möglichkeit ge schaffen, den Nebenstrom, der so klein gehalten werden kann, daß eine Refe renzmessung in entlüfteter Milch noch möglich ist, von Luftbeimengungen zu be freien, so daß bei Durchschallung des Haupt- und des Nebenstromes ein signifi kantes Signal einerseits für ein ggf. vorliegendes Milch/Luft-Gemisch und ande rerseits ein Referenzsignal für entlüftete Milch vorliegt. Da die Schallgeschwin digkeit grundsätzlich temperaturabhängig ist, ist mindestens die Temperatur im Hauptstrom zu messen. Aus der jeweiligen Schallaufzeit im Hauptstrom und jener im Nebenstrom, dem Referenzstrom, sowie unter Heranziehung der Schallge schwindigkeit in Luft in Abhängigkeit von der Temperatur im Hauptstrom kann nunmehr bei entsprechender Zuordnung der gewonnenen Meßwerte fortlaufend eine aktueller Milchanteil ϕ(t) im Hauptstrom berechnet werden. In einer zur Überführung der gesamten Milchmenge erforderlichen Annahmezeit tA wird dann aus den jeweils fortlaufend ermittelten Milchanteilen ϕ(t) und den diesen zuge ordneten Werten der die Strömung an der definierten Stelle ihres Überführungs weges kennzeichnenden strömungsphysikalischen Größe das die definierte Stelle des Überführungsweges insgesamt durchsetzende Milchvolumen VM0 der über führten Milchmenge (reine flüssige Phase) ermittelt.The proposed method does not remove any gas or air admixtures that may be present from the amount of milk to be transferred. Instead, the knowledge is used that the speed of sound of ultrasound impulses, which have proven to be particularly meaningful, is different in an air / milk mixture than in deaerated milk. By dividing the flow into a main and a sidestream, the possibility will be created to free the sidestream from air admixtures, so that when sonication is present, the sidestream, which can be kept so small that a reference measurement in deaerated milk is still possible Main and the secondary flow a signifi ed signal on the one hand for a possibly present milk / air mixture and on the other hand a reference signal for deaerated milk is present. Since the speed of sound is fundamentally temperature-dependent, at least the temperature in the main stream must be measured. From the respective sound propagation time in the main flow and that in the secondary flow, the reference flow, and using the speed of sound in air as a function of the temperature in the main flow, a current milk fraction ϕ (t) in the main flow can now be calculated continuously with a corresponding assignment of the measured values obtained. In an acceptance time t A required for the transfer of the total amount of milk, the continuously determined milk fractions ϕ (t) and the assigned values of the flow-physical quantity characterizing the flow at the defined point of its transfer path then become the overall point of the transfer path that asserts the defined position Milk volume V M0 of the amount of milk (pure liquid phase) determined.
Die die Strömung an der definierten Stelle kennzeichnende strömungsphysikali sche Größe kann beispielsweise die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in diesem Durchtrittsquerschnitt sein, die beispielsweise über einen Durchflußmesser auf einfache Weise fortlaufend ermittelt wird, wie dies bislang bei bekannten Verfah ren ebenfalls geschieht. Da der Durchtrittsquerschnitt A₀ an der definierten Stelle des Überführungsweges bekannt ist, ermittelt sich das in der Annahmezeit tA durch diesen Durchtrittsquerschnitt durchgesetzte Milchvolumen VM0 nach Glei chung (1) zuThe characteristic of the flow at the defined point in the flow physics can be, for example, the mean flow velocity in this passage cross section, which is continuously determined, for example, using a flow meter, as has also hitherto been done in known processes. Since the passage cross section A₀ is known at the defined point of the transfer path, the milk volume V M0 which is passed through this passage cross section in the acceptance time t A is determined according to equation (1)
Der aktuelle Milchanteil ϕ(t) (Herleitung s. weiter unten) errechnet sich nach Glei chung (2) zuThe current milk fraction ϕ (t) (derivation see below) is calculated according to Glei chung (2)
unter Verwendung der Abkürzungenusing the abbreviations
a = αL1(T₁)/aM1(T₁) = aL1(T₁)√(T₂/T₁)/(d₂/t₂) (2a)a = α L1 (T₁) / a M1 (T₁) = a L1 (T₁) √ (T₂ / T₁) / (d₂ / t₂) (2a)
β = aL1(T₁)/(d₁/t₁) (2b)β = a L1 (T₁) / (d₁ / t₁) (2b)
Wie Gleichung (2) zeigt ist für eine exakte Bestimmung des Milchanteil ϕ(t) die Messung der Temperaturen T₁ und T₂ der Milch in dem beschallten Haupt- und Nebenstrom erforderlich. Darüber hinaus ist die von der Temperatur T₁ im Haupt strom abhängige Schallgeschwindigkeit aL1(T₁) jeweils bereitzustellen. Des weite ren sind für den bekannten Schallautweg d₁ im Hauptstrom (Milch/Luft-Gemisch) eine hierfür erforderliche Schallaufzeit t₁ und für einen ebenfalls bekannten Schallaufweg d₂ im Nebenstrom (entlüftete Milch) eine hierfür erforderliche Schallaufzeit t₂ fortlaufend zu messen. Falls die Temperaturen T₁ und T₂ gleich sind, was in der Regel in guter Näherung der Fall ist, verbleibt lediglich die Meß aufgabe, die Temperatur T₁ des Milch/Luft-Gemisches im Hauptstrom fortlaufend zu ermitteln.As equation (2) shows, the measurement of the temperatures T 1 and T 2 of the milk in the sonicated main and secondary flow is required for an exact determination of the milk fraction ϕ (t). In addition, the temperature dependent T₁ in the main current speed of sound a L1 (T₁) must be provided. The far ren are for the known sound path d 1 in the main stream (milk / air mixture) a sound time t 1 required for this and for a likewise known sound path d 2 in the secondary flow (deaerated milk) a sound run time t 2 required for this is continuously measured. If the temperatures T₁ and T₂ are the same, which is usually the case, the measurement task remains to determine the temperature T₁ of the milk / air mixture in the main stream continuously.
Um gleiche Strömungsbedingungen hinsichtlich Turbulenz und damit vergleichba re Bedingungen für die Blasenverteilung, die Blasenbeschaffenheit und -größe zu erzielen, wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Reynoldszahl des Hauptstromes und jene der Strömung, aus der der Hauptstrom nach Aufteilung hervorgegangen ist, im wesentlichen gleich sind.To have the same flow conditions with regard to turbulence and thus comparable conditions for bladder distribution, bladder quality and size achieve, it is further proposed that the Reynolds number of the main stream and that of the flow from which the main flow emerged after division is essentially the same.
Da sich die Durchschallung auf einen diametralen Teilbereich des Hauptstromes beschränkt, ist nicht auszuschließen, daß das Meßergebnis für die Schallaufzeit im Hauptstrom durch zumindest theoretisch mögliche Separierungsbewegungen der Luftblasen in ihrer Trägerflüssigkeit beeinflußt wird (beispielsweise Konzen tration des Blasenschwarmes in bestimmten Bereichen). Daher wird der Vor schlag gemacht, daß die in einem Durchtrittsquerschnitt des Hauptstromes in letzterem enthaltenen Luftblasen über diesen Durchtrittsquerschnitt im wesentli chen gleichmäßig verteilt werden, wobei die Verteilung, in Strömungsrichtung ge sehen, vor der Durchschallung erfolgt. Because the sonication covers a diametrical section of the main flow limited, it cannot be excluded that the measurement result for the sound propagation time in the main stream due to separation movements that are at least theoretically possible the air bubbles in their carrier liquid is affected (for example, conc tration of the bladder swarm in certain areas). Therefore, the before made impact that in a cross section of the main flow in the latter contained air bubbles over this passage cross section in essence Chen be evenly distributed, the distribution, ge in the direction of flow see before the sonication is done.
Die Entlüftung des Nebenstromes gestaltet sich besonders effizient, wenn, wie dies weiterhin vorgesehen ist, diese durch die separierende Wirkung eines zentri fugalen Kraftfeldes erfolgt. Dies kann gemäß einem ersten Vorschlag dadurch erfolgen, daß die Energie zur Erzeugung des zentrifugalen Kraftfeldes aus der Strömungsenergie des Nebenstromes aufgebracht wird und gemäß einem zweiten Vorschlag durch Fremdenergie, die aus der Umgebung in den Nebenstrom einge leitet wird.The venting of the bypass is particularly efficient if, how this is also provided by the separating effect of a centri fugal force field. This can be done according to a first proposal take place that the energy for generating the centrifugal force field from the Flow energy of the side stream is applied and according to a second Proposal by external energy that is turned into the bypass from the environment is leading.
Mit Blick auf die Realisierung eines relativ einfachen Verfahrens ist weiterhin vor gesehen, daß an der Stelle der Aufteilung der Strömung in den Haupt- und Ne benstrom letzterer im vom Staudruck der Strömung an der Stelle der Aufteilung anhängiger Menge abgezweigt wird. Der Staudruck wird demnach einerseits ge nutzt, um die Mengenteilung zu bewerkstelligen, und andererseits dient er dazu, den Nebenstrom mit der zu seiner weiteren Behandlung notwendigen Strömungs energie zu versorgen.With a view to realizing a relatively simple process is still ahead seen that at the point of dividing the flow into the main and Ne benstrom the latter in the back pressure of the flow at the point of division pending quantity is branched off. The back pressure is accordingly on the one hand ge uses to achieve the division of quantity, and on the other hand it serves to the secondary flow with the flow necessary for its further treatment to supply energy.
Die Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung zum Durchführen des Verfah rens gemäß der Erfindung ist unabhängig davon, ob ein sog. Pumpen- oder Va kuumsystem vorliegt. Wesentlich ist lediglich, daß sich die Überführungsleitung hinter dem ersten Abschnitt, in dem sich eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der in der Überführungsleitung vorliegenden mittleren Strömungsgeschwindigkeit oder einer dieser proportionalen Größe befindet, in einen zweiten Abschnitt, eine Bypass-Leitung verzweigt. In dieser ist eine Trenneinrichtung zur Abtrennung von Gas aus ihrer Trägerflüssigkeit, im vorliegenden Falle von Luft aus einem Milch/Luft-Gemisch, vorgesehen. Sowohl im ersten Abschnitt als auch in der Bypass-Leitung ist, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Trenneinrichtung jeweils eine Ultraschall-Einrichtung angeordnet, die jeweils aus einem Sender und einem Empfänger besteht und die jeweils der Durchschallung eines charakteristi schen und bekannten Schallaufweges dient. Mit Temperaturmessungen im Haupt- und Nebenstrom, vorzugsweise in einer Ebene, in der auch der Schallaufweg liegt, ist zum einen die rechnerische Korrektur der von der Temperatur abhängi gen Schallgeschwindigkeiten im Hauptstrom (getrennt für Flüssigkeit und Luft) möglich, die ja nicht getrennt voneinander dort direkt gemessen werden können, und zum anderen kann ggf. die Referenzmessung im Nebenstrom in Abhängigkeit von der Temperatur korrigiert werden. Die temperaturabhängige Schallgeschwin digkeit aL1(T₁) wird in einem Datenspeicher hinterlegt, der an eine Rechner- und Steuereinheit angeschlossen ist, in der sämtliche mit der vorgeschlagenen Vor richtung gewonnenen Meßwerte verarbeitet werden.The use of the proposed device for performing the method according to the invention is independent of whether there is a so-called pump or vacuum system. It is only essential that the transfer line branches into a second section, a bypass line, behind the first section, in which there is a measuring device for determining the mean flow velocity present in the transfer line or a quantity proportional to this. In this a separation device for separating gas from its carrier liquid, in the present case air from a milk / air mixture, is provided. Both in the first section and in the bypass line, seen in the flow direction, an ultrasound device is arranged behind the separating device, which consists of a transmitter and a receiver and which is used for the transmission of a characteristic and known sound path. With temperature measurements in the main and secondary flow, preferably in a plane in which the sound path is located, on the one hand, the computational correction of the temperature-dependent sound velocities in the main flow (separate for liquid and air) is possible, which are not separate from each other there can be measured directly, and on the other hand the reference measurement in the secondary flow can be corrected depending on the temperature. The temperature-dependent sound speed a L1 (T₁) is stored in a data memory which is connected to a computer and control unit in which all the measured values obtained with the proposed device are processed.
Die Trenneinrichtung gestaltet sich dann besonders einfach und trenntechnisch besonders effizient, wenn sie als Zentrifugalabscheider mit tangentialem Ein- und Auslauf ausgebildet ist. Um die separierende Wirkung des zentrifugalen Kraftfel des zu verstärken, weil entweder die Energie des Nebenstromes nicht ausreicht oder weil eine Forcierung der Triebkräfte des Trennverfahrens gewünscht wird, wird weiterhin vorgeschlagen, den Zentrifugalabscheider zusätzlich mit einem Antrieb zur Unterstützung der Rotationsströmung auszustatten.The separating device is then particularly simple and separating technology particularly efficient when used as a centrifugal separator with tangential inlet and outlet Spout is formed. To the separating effect of the centrifugal force field to reinforce it because either the energy of the secondary flow is insufficient or because it is desired to drive the separation process, it is also proposed to use an additional centrifugal separator Equip drive to support the rotational flow.
Es ist weiterhin vorgesehen, im zweiten Abschnitt der Überführungsleitung und, in Strömungsrichtung gesehen, vor der ersten Ultraschall-Einrichtung eine Misch einrichtung anzuordnen. Mit dieser Maßnahme wird sichergestellt, daß zufällige Entmischungen zwischen Milch und Luftblasen, beispielsweise durch Koagulation von Blasen, die zu Inhomogenitäten in der Ebene des durchschallten Durchtritts querschnittes für den Hauptstrom führen können, in nicht repräsentativer Weise als Zufallsergebnis im Schallaufweg erfaßt oder nicht erfaßt werden. Als beson ders wirksam und einfach haben sich in diesem Zusammenhang sog. statische Mischer erwiesen.It is also envisaged in the second section of the transfer line and, in Seen flow direction, a mixing in front of the first ultrasonic device to arrange facility. This measure ensures that accidental Separations between milk and air bubbles, for example by coagulation of bubbles that lead to inhomogeneities in the plane of the pass-through can lead cross-section for the main stream, in a non-representative manner recorded as a random result in the sound path or not recorded. As a special So-called static have been effective and simple in this context Mixer proved.
Die Aufteilung der Strömung in den Haupt- und Nebenstrom gestaltet sich beson ders einfach, wenn der Strömungseintritt in die Bypass-Leitung als Mengenteiler in Form eines Pitot-Rohres ausgebildet ist. Um die Repräsentativität der Neben strömung im Vergleich zur Hauptströmung zu erhöhen, ist weiterhin vorgesehen, daß der Mengenteiler auf den gesamten Durchtrittsquerschnitt des ersten Ab schnittes der Überführungsleitung zugreift. The division of the flow into the main and secondary flow is particularly good easy if the flow enters the bypass line as a flow divider is in the form of a pitot tube. The representativeness of the subsidiary It is also planned to increase the flow compared to the main flow, that the flow divider on the entire passage cross section of the first Ab section of the flyover line.
Eine die Strömung an der definierten Stelle des Überführungsweges zuverlässig und genau kennzeichnende strömungsphysikalische Größe wird, wie dies eben falls vorgesehen ist, dadurch gewonnen, daß die Meßeinrichtung zu ihrer Be stimmung als Volumenzähler und/oder Durchflußmesser ausgebildet ist.A reliable flow at the defined point of the transfer path and exactly characteristic quantity of flow physics becomes like this if provided, obtained in that the measuring device for their loading mood is designed as a volume counter and / or flow meter.
Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfahrens ist in stark vereinfachter und schematischer Form in Fig. 1 darge stellt. Die Fig. 2 und 3, in denen der Schallaufweg im Milch/Luft-Gemisch (Hauptstrom) bzw. in entlüfteter Milch (Nebenstrom) dargestellt ist, dienen der Erläuterung der Berechnung des Milchanteiles ϕ(t).An embodiment of the device for performing the proposed method is shown in a highly simplified and schematic form in Fig. 1 Darge. Figs. 2 and 3, in which the Schallaufweg in the milk / air mixture (main current) or in deaerated milk (low current) is shown, serve to explain the calculation of the milk proportion φ (t).
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Überführungsleitung 3, in der linksseitig ein erster Abschnitt 3a, daran anschließend ein zweiter Abschnitt 3b und schließ lich ein dritter Abschnitt 3c dargestellt sind. Im ersten Abschnitt 3a ist eine Meßeinrichtung 6 zur Bestimmung einer die Strömung im ersten Abschnitt 3a kennzeichnenden strömungsphysikalischen Größe, beispielsweise die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, angeordnet. Der von der Meßeinrichtung 6 erfaßte Durchtrittsquerschnitt trägt das Bezugszeichen 0. Der darstellte Teil der Überfüh rungsleitung 3 wird von einem Eintritt E in Richtung eines Austrittes A durch strömt. Hinter dem ersten Abschnitt 3a, in Strömungsrichtung gesehen, verzweigt sich die Überführungsleitung 3 in den vorstehend erwähnten zweiten Abschnitt 3b und eine Bypass-Leitung 4. Eine vorgeordnete Bypass-Leitung 4b mündet tan gential in eine Trenneinrichtung 5 ein, während eine nachgeordnete Bypass- Leitung 4c tangential aus dieser ausmündet und in den zweiten Abschnitt 3b der Überführungsleitung 3 zurückgeführt wird. Der Strömungseintritt in die Bypass- Leitung 4 ist als Mengenteiler 4a in Form eines Pitotrohres ausgebildet. Der zweite Abschnitt 3b nimmt eine erste Ultraschall-Einrichtung 7 auf, die aus einem Sender 7a und einem diametral auf der anderen Seite des zweiten Abschnittes 3b angeordneten Empfänger 7b besteht. In gleicher Anordnung befindet sich in der Bypass-Leitung 4, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Trenneinrichtung 5 eine zweite Ultraschall-Einrichtung 8, ebenfalls bestehend aus einem Sender 8a und einem Empfänger 8b. Im zweiten Abschnitt 3b ist, in Strömungsrichtung ge sehen, vor der ersten Ultraschall-Einrichtung 7 eine Mischeinrichtung 9 angeord net, die vorzugsweise als statischer Mischer ausgebildet ist. Fig. 1 shows a section of a transfer line 3 , in the left side a first section 3 a, then a second section 3 b and finally Lich a third section 3 c are shown. In the first section 3 a, a measuring device 6 is arranged for determining a flow-physical quantity characterizing the flow in the first section 3 a, for example the mean flow velocity. The passage cross-section detected by the measuring device 6 has the reference symbol 0 . The illustrated part of the transfer line 3 is flowing through an inlet E in the direction of an outlet A. Behind the first section 3 a, seen in the direction of flow, the transfer line 3 branches into the above-mentioned second section 3 b and a bypass line 4 . An upstream bypass line 4 b opens tan gential into a separating device 5 , while a downstream bypass line 4 c opens tangentially from this and is returned to the second section 3 b of the transfer line 3 . The flow entry into the bypass line 4 is designed as a flow divider 4 a in the form of a pitot tube. The second section 3 b receives a first ultrasound device 7 , which consists of a transmitter 7 a and a receiver 7 b arranged diametrically on the other side of the second section 3 b. In the same arrangement is located in the bypass line 4, seen in the flow direction behind the separating device 5, a second ultrasonic device 8, also consisting of a transmitter 8 a and b a receiver. 8 In the second section 3 b, seen in the direction of flow, in front of the first ultrasound device 7, a mixing device 9 is arranged, which is preferably designed as a static mixer.
Die Ebene des Durchtrittsquerschnittes des zweiten Abschnittes 3b, in der die Durchschallung mit der ersten Ultraschall-Einrichtung 7 erfolgt, trägt das Bezugs zeichen 1. Die Ebene des Durchtrittsquerschnittes der nachgeordneten Bypass- Leitung 4c, in der die Durchschallung mit der zweiten Ultraschall-Einrichtung 8 vorgenommen wird, trägt das Bezugszeichen 2. Die in den Durchtrittsquerschnit ten 0, 1 und 2 gewonnenen Meßwerte und weitere den Durchtrittsquerschnitten zugeordneten Größen sind nachfolgend jeweils mit der entsprechenden Ebenen bezeichnung indiziert.The plane of the passage cross section of the second section 3 b, in which the transmission takes place with the first ultrasound device 7 , bears the reference sign 1 . The plane of the passage cross section of the downstream bypass line 4 c, in which the transmission is carried out with the second ultrasound device 8 , bears the reference number 2 . The measured values obtained in the passage cross sections 0 , 1 and 2 and further sizes assigned to the passage cross sections are each indicated below with the corresponding level designation.
In der Querschnittsebene 1 und 2 ist jeweils eine Einrichtung zur Messung der Temperatur 12 bzw. 13 vorgesehen. Die Meßeinrichtung 6, die Ultraschall- Einrichtungen 7 und 8 sowie die Einrichtungen zur Messung der Temperaturen 12 und 13 sind mit einer Rechner- und Steuereinheit 10 verbunden, an der ein Da tenspeicher 11 zum Ein- und Auslesen von Daten angeschlossen ist, notwendi gerweise die von der Temperatur T₁ im Hauptstrom abhängige Schallgeschwin digkeit in Luft aL1(T₁).A device for measuring temperature 12 and 13 is provided in cross-sectional plane 1 and 2 , respectively. The measuring device 6 , the ultrasound devices 7 and 8 and the devices for measuring the temperatures 12 and 13 are connected to a computer and control unit 10 , to which a data memory 11 is connected for reading and reading data, necessarily the dependent on the temperature T ₁ in the main flow, speed of sound in air a L1 (T ₁).
Am Eintritt E tritt, falls bei der Milchannahme Luft angesaugt wird, ein Milch/Luft- Gemisch ein, das im ersten Abschnitt 3a eine Strömung ausbildet, von der eine diese kennzeichnende strömungsphysikalische Größe mittels der Meßeinrichtung 6 fortlaufend erfaßt wird. Letztere wird vorzugsweise als Volumenzähler und/oder Durchflußmesser ausgebildet; aus der jeweiligen Meßgröße kann dann beispiels weise fortlaufend die aktuelle mittlere Strömungsgeschwindigkeit Vmittel0 im Durch trittsquerschnitt A₀ bestimmt werden. Ein Volumenstrom des Milch/Luft-Gemisches QM/L0 wird hinter der Meßeinrichtung 6 in einen Hauptstrom QM/L1 und einen Ne benstrom QM/L2 aufgeteilt. Letzterer wird, vor der Trenneinrichtung 5 noch in Form eines Milch/Luft-Gemisches, in der Trenneinrichtung 5 dann von Luftbeimengun gen befreit und gelangt als Milchstrom QM2 in die nachgeordnete Bypass-Leitung 4c. Der Hauptstrom QM/L1 (Milch/Luft-Gemisch) wird in der ersten Ultraschall- Einrichtung 7 fortlaufend mit Ultraschall-Impulsen beaufschlagt und durchschallt und die für den vorliegenden Schallaufweg d₁ jeweils erforderliche Schallaufzeit t₁ wird gemessen. Eine vergleichbare Durchschallung erfährt der Milchstrom QM2 über die zweite Ultraschall-Einrichtung 8. Hier ist ein Schallaufweg d₂ vorgese hen, und die hierfür erforderliche Schallaufzeit t₂ wird ebenfalls gemessen. Sämt liche Meßwerte (die mittlere Strömungsgeschwindigkeit vmittel0, die Schallaufzeiten t₁ und t₂ sowie die Temperaturen T₁ und T₂) werden in der Steuer- und Rech nereinheit 10 zusammengeführt und zusammen mit der Schallgeschwindigkeit aL1(T) im Hauptstrom zum in der Annahmezeit tA den Durchtrittsquerschnitt A₀ durchsetzenden Milchvolumen VM0 der überführten Milchmenge (reine flüssige Phase) nach Gleichung (1) zu, Occurs at the entry E if air is sucked in milk collection, a milk / air mixture a which forms a flow in the first portion 3 is continuously detected by the one of these characterizing fluid physical quantity by the measuring means. 6 The latter is preferably designed as a volume counter and / or flow meter; From the respective measured variable, the current mean flow velocity V medium0 in the passage cross section A₀ can then be determined continuously, for example. A volume flow of the milk / air mixture Q M / L0 is divided behind the measuring device 6 into a main flow Q M / L1 and a secondary flow Q M / L2 . The latter is, before the separator 5 still in the form of a milk / air mixture, then freed from Luftbeimengun conditions in the separating device 5 and passes as a milk flow Q M2 into the downstream bypass line 4 c. The main flow Q M / L1 (milk / air mixture) is continuously subjected to ultrasound pulses in the first ultrasound device 7 and transmitted and the sound propagation time t 1 required for the present sound path d 1 is measured. The milk flow Q M2 experiences a comparable transmission through the second ultrasound device 8 . Here is a sound path d₂ vorgese hen, and the required sound time t₂ is also measured. All measured values (the mean flow velocity v medium 0 , the sound propagation times t 1 and t 2 and the temperatures T 1 and T 2) are brought together in the control and computing unit 10 and together with the speed of sound a L1 (T) in the main flow to in the acceptance time t A the milk volume V M0 passing through the cross section A₀ of the transferred amount of milk (pure liquid phase) according to equation (1)
verarbeitet.processed.
Dabei wird vorausgesetzt bzw. angestrebt, daß die jeweilige Blasenverteilung in den Durchtrittsquerschnitten A₀ und A₁ jeweils homogen ist und einander ent sprechen und somit die Milchanteile ϕ(t) in diesen Durchtrittsquerschnitten gleich sind. Das nach Gleichung (1) ermittelte Volumen VM0 repräsentiert das Volumen der luftfreien Milch, das den Durchtrittsquerschnitt A₀ in der Annahmezeit tA in Form eines Milch/Luft-Gemisches durchströmt. In Gleichung (1) ist der nach Glei chung (2) bestimmte Milchanteil ϕ(t) eine im allgemeinen Fall zeitabhängige Grö ße, da er von dem in der Regel zeitveränderlichen Luftgehalt der Milch und der in Grenzen zeitveränderlichen Temperatur T₁ im Hauptstrom bestimmt ist. Seine Herleitung wird nachfolgend kurz skizziert. Die in den Gleichungen (1) und (2) verwendeten Formelzeichen sowie die zur Herleitung heranzuziehenden Größen haben die aus der nachfolgenden Liste ersichtliche Bedeutung:It is assumed or desired that the respective bubble distribution in the passage cross sections A₀ and A₁ is homogeneous and speak to each other ent and thus the milk fractions ϕ (t) are the same in these passage cross sections. The volume V M0 determined according to equation (1) represents the volume of the air-free milk which flows through the passage cross section A₀ in the acceptance time t A in the form of a milk / air mixture. In equation (1), the milk fraction ϕ (t) determined according to equation (2) is a time-dependent variable in the general case, since it is determined by the generally time-variable air content of the milk and the time-variable temperature T 1 in the main stream. His derivation is briefly outlined below. The formula symbols used in equations (1) and (2) and the quantities to be used for the derivation have the meaning shown in the following list:
Formelzeichen physikalische Größe
d Schallaufweg/Rohrdurchmesser/
charakteristische Querschnittsabmessung
s gesamter Schallweg
sM in Milch
sL in Luft
A gesamter Durchtrittsquerschnitt
AM Milchquerschnitt (Summe)
AL Blasenquerschnitt (Summe)
T Temperatur
ϕ Milchanteil (Volumen der luftfreien Milch bezogen auf
das Volumen des Milch/Luft-Gemisches im betrachte
ten Strömungsbereich:
ϕ₀ = ϕ₁ = ϕ = VM0/VM/L0 = VM1/VM/L1
ψ eindimensional gemessener Milchanteil ψ = sM1/d₁
Vmittel mittlere Strömungsgeschwindigkeit
Q Volumenstrom
QM/L Milch/Luft-Gemisch
V Volumen
VM/L Milch/Luft-Gemisch
VM entlüftete Milch
t Signallaufzeit
tA Annahmezeit
a Schallgeschwindigkeit a = f(T)
aM in Milch
aL in Luft
aM/L im Milch/Luft-Gemisch
0, 1, 2 Indices für die Stellen 0, 1, 2.Formula sign physical quantity
d Sound path / pipe diameter / characteristic cross-sectional dimension
s overall sound path
s M in milk
s L in air
A total passage cross section
A M milk cross-section (total)
A L bubble cross-section (total)
T temperature
ϕ Milk percentage (volume of air-free milk based on the volume of the milk / air mixture in the flow area under consideration:
ϕ₀ = ϕ₁ = ϕ = V M0 / V M / L0 = V M1 / V M / L1
ψ milk dimension measured one-dimensionally ψ = s M1 / d₁
V medium mean flow velocity
Q volume flow
Q M / L milk / air mixture
V volume
V M / L milk / air mixture
V M deaerated milk
t signal delay
t A acceptance time
a speed of sound a = f (T)
a M in milk
a L in air
a M / L in the milk / air mixture
0, 1, 2 indices for the positions 0, 1, 2.
Die mittlere Geschwindigkeit vmittel0 (t) wird von der Meßeinrichtung 6 in Durch trittsquerschnitt A₀ generiert. Bei d₁ handelt es sich um den gesamten Schallauf weg im Durchtrittsquerschnitt A₁, und t₁ ist die Schallaufzeit für diesen Schallauf weg. Der Wert d₁/t₁ repräsentiert somit die mittlere Schallgeschwindigkeit im Milch/Luft-Gemisch im Durchtrittsquerschnitt A₁.The mean speed v medium0 (t) is generated by the measuring device 6 in the cross section A₀. At d₁ it is the entire sound path in the passage cross section A₁, and t₁ is the sound propagation time for this sound path. The value d 1 / t 1 thus represents the average speed of sound in the milk / air mixture in the passage cross section A 1.
Da die Schallgeschwindigkeit für Milch aM1 im Durchtrittsquerschnitt A₁ dort über eine Laufzeitmessung nicht ermittelt werden kann, da der Milch Luft beigemischt ist, wird zeitnah eine Referenzmessung für diese Schallgeschwindigkeit aM1 im Durchtrittsquerschnitt A₂ der Bypass-Leitung 4 vorgenommen. Es gilt (s. Fig. 3)Since the speed of sound for milk a M1 in the passage cross section A 1 cannot be determined there via a transit time measurement, since air is added to the milk, a reference measurement for this sound speed a M1 in the passage cross section A 2 of the bypass line 4 is carried out promptly. The following applies (see Fig. 3)
aref = aM2 = sM2/t₂ = d₂/t₂ (3).a ref = a M2 = s M2 / t₂ = d₂ / t₂ (3).
Für gleiche Temperaturen T₂ = T₁ in den Durchtrittsquerschnitten A₁ und A₂ kannFor the same temperatures T₂ = T₁ in the passage cross sections A₁ and A₂ can
aM1 = aM2 (4)a M1 = a M2 (4)
gesetzt werden.be set.
Falls Temperaturgleichheit nicht gegeben ist (T₂ ≠ T₁), wird aM1 aus aM2 und dem Temperaturverhältnis √ (T₁/T₂) berechnet und der Auswertung überIf the temperature is not the same (T₂ ≠ T₁), a M1 is calculated from a M2 and the temperature ratio √ (T₁ / T₂) and the evaluation
aM1 = aM2√(T₁/T₂) (5)a M1 = a M2 √ (T₁ / T₂) (5)
zugrunde gelegt:
Die Schallgeschwindigkeit aL1 in Luft ist ebenfalls temperaturabhängig (aL1 = f(T)).
Sie ist in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur T₁ oder T₂ in dem Daten
speicher 11 zu hinterlegen, aus dem sie jeweils auszulesen ist.based on:
The speed of sound a L1 in air is also temperature-dependent (a L1 = f (T)). Depending on the measured temperature T 1 or T 2, it is to be stored in the data memory 11 , from which it can be read in each case.
Es sind somit die beiden Schallaufzeiten t₁ und t₂ (Ultraschall-Einrichtungen 7 und 8), wenigstens eine der Temperaturen T₁ oder T₂ (Meßeinrichtungen 12 und 13) sowie die mittlere Geschwindigkeit vmittel0 (Meßeinrichtung 6) zu messen.There are thus the two sound propagation times t 1 and t 2 (ultrasonic devices 7 and 8 ), at least one of the temperatures T 1 or T 2 (measuring devices 12 and 13 ) and the mean speed v medium 0 (measuring device 6 ).
Mit Blick auf Fig. 2 errechnet sich die Schallaufzeit t₁ in Durchtrittsquerschnitt A₁ zuWith a view of FIG. 2, the sound propagation time t 1 is calculated in the passage cross section A 1
t₁ = sM1/aM1 + sL1/aL1 (2.1).t₁ = s M1 / a M1 + s L1 / a L1 (2.1).
Der Rechnung liegt die Annahme zugrunde, daß der eindimensional durchschallte Bereich des Hauptstromes repräsentativ für den gesamten Durchtrittsquerschnitt A₁ ist. Im Zweifelsfalle kann die vorgeschlagene Mischeinrichtung 9. angeordnet vor der Durchschallung des Durchtrittsquerschnittes A₁, die vorstehende Annah me hinreichend sicherstellen. Der gesamte Schallaufweg d₁ setzt sich damit ge mäß Gleichung (2.2) zusammen aus den Weglängen sM1 in Milch und sL1 in LuftThe calculation is based on the assumption that the one-dimensionally exposed area of the main stream is representative of the entire passage cross section A 1. In case of doubt, the proposed mixing device 9 . arranged before the passage of the passage cross section A 1, the above assumption me ensure sufficiently. The entire sound path d 1 is thus ge according to equation (2.2) together from the path lengths s M1 in milk and s L1 in air
d₁ = sM1 + sL1 (2.2)d₁ = s M1 + s L1 (2.2)
und mit der Strömungsgeschwindigkeitand with the flow velocity
vmittelM1 = vmittelL1 = vmittel1 (2.3)v mediumM1 = v mediumL1 = v medium1 (2.3)
ergeben sich auch die Volumenströme und damit die Volumina von Milch und Luft im Durchtrittsquerschnitt A₁. Da die Strömungs- und Blasenverteilungsverhältnis se in den Durchtrittsquerschnitten A₁ und A₀ in guter Näherung identisch sind, kann aus der Situation im Durchtrittsquerschnitt A₁ auf die Volumenströme und damit die Volumina von Milch und Luft im Durchtrittsquerschnitt A₀ der Überfüh rungsleitung 3 rückgeschlossen werden.there are also the volume flows and thus the volumes of milk and air in the passage cross section A 1. Since the flow and bubble distribution ratio se in the passage cross sections A₁ and A₀ are almost identical, from the situation in the passage cross section A₁ to the volume flows and thus the volumes of milk and air in the passage cross section A₀ of the transfer line 3 can be inferred.
MitWith
AM1 + AL1 = A₁ (2.4)A M1 + A L1 = A₁ (2.4)
undand
k d₁² = A₁ = k(sM1 + SL1)² (mit k als Proportionalitätsfaktor) (2.5)k d₁² = A₁ = k (s M1 + S L1 ) ² (with k as the proportionality factor) (2.5)
wobei sich aus Gleichung (2.5) nach Umformung Gleichung (2.5a) ergibtwhere equation (2.5a) results from equation (2.5) after transformation
1 - (sL1/d₁)² = (sM1/d₁)² + 2 sM1 sL1/d₁² (25a)1 - (s L1 / d₁) ² = (s M1 / d₁) ² + 2 s M1 s L1 / d₁² (25a)
sowie mit dem eindimensionalen Milchanteil ϕ(t), gemessen über die erste Ultra schall-Einrichtung 7 im Durchtrittsquerschnitt A₁,and with the one-dimensional milk fraction anteil (t), measured via the first ultrasound device 7 in the passage cross section A 1,
ψ = sM1/d₁ (2.6)ψ = s M1 / d₁ (2.6)
ergibt sich Gleichung (2.1) zuequation (2.1) results in
t₁=d₁[ψ/aM1 + (1 - ψ/aL1] (2.1a)t₁ = d₁ [ψ / a M1 + (1 - ψ / a L1 ] (2.1a)
Mit der Definition des Milchanteiles ϕ(t) gemäß Gleichung (2.7)With the definition of the milk fraction ϕ (t) according to equation (2.7)
ϕ(t) = AM1/A₁ϕ (t) = A M1 / A₁
erhält man unter Berücksichtigung der Gleichungen (2.4) und (2.5a) für den Milchanteil ψ(t) nach Gleichung (2.7a)is obtained taking into account equations (2.4) and (2.5a) for the Milk percentage ψ (t) according to equation (2.7a)
ϕ(t) = AM1/A₁ = 1 - AL1/A₁ = 1 - (SL1/d₁)² = (sM1/d₁)² + 2 sM1 sL1/d₁² = (sM1/d₁)² + 2 sM1/d₁ (1 - sM1/d₁) (27a)ϕ (t) = A M1 / A₁ = 1 - A L1 / A₁ = 1 - (S L1 / d₁) ² = (s M1 / d₁) ² + 2 s M1 s L1 / d₁² = (s M1 / d₁) ² + 2 s M1 / d₁ (1 - s M1 / d₁) (27a)
und damit zwischen dem Milchanteil ϕ(t) und dem eindimensionalen Milchanteil ψ(t) gemäß Gleichung (2.6) den Zusammenhang gemäß Gleichung (2.8)and thus between the milk fraction ϕ (t) and the one-dimensional milk fraction ψ (t) according to equation (2.6) the relationship according to equation (2.8)
ϕ(t) = 2ψ(t) - [ψ(t)]² (2.8)ϕ (t) = 2ψ (t) - [ψ (t)] ² (2.8)
Der Milchanteil ϕ(t) ergibt sich schließlich unter Berücksichtigung der Gleichun gen (2.1) bis (2.8) sowie der Gleichungen (3) und (5) nach Gleichung (2) zuThe milk fraction ϕ (t) is finally obtained taking into account the equation conditions (2.1) to (2.8) as well as equations (3) and (5) according to equation (2)
unter Verwendung der Abkürzungenusing the abbreviations
α = aL1(T₁)/aM1(T₁) = aL1(T₁)√(T₂/T₁)/(d₂/t₂) (2a)α = a L1 (T₁) / a M1 (T₁) = a L1 (T₁) √ (T₂ / T₁) / (d₂ / t₂) (2a)
β = aL1(T₁)/(d₁/t₁) (2b)β = a L1 (T₁) / (d₁ / t₁) (2b)
Claims (16)
- - daß die Milchmenge an einer definierten Stelle ihres Überführungsweges eine Strömung ausbildet, von der dort die mittlere Strömungsgeschwindig keit oder eine dieser proportionale Größe (Volumenstrom Q oder im Zeitin tervall überführtes Volumen V) fortlaufend gemessen wird,
- - daß die Strömung anschließend aufgeteilt wird in eine Haupt- und einen Nebenstrom,
- - daß der Nebenstrom von Luftbeimengungen befreit wird,
- - daß der Haupt- und der entlüftete Nebenstrom jeweils fortlaufend mit Ultra schall-Impulsen beaufschlagt und durchschallt und die jeweilige Schallauf zeit und wenigstens die Temperatur im Hauptstrom gemessen werden,
- - daß aus der Schallaufzeit im Hauptstrom die jeweilige aktuelle mittlere Schallgeschwindigkeit des dort strömenden Milch/Luft-Gemisches und aus der zuzuordnenden Schallaufzeit im Nebenstrom die jeweilige aktuelle mittlere Schallgeschwindigkeit der dort strömenden entlüfteten Milch ermit telt werden,
- - daß aus diesen beiden Schallgeschwindigkeiten sowie der Schallge schwindigkeit in Luft bei der zugeordneten Temperatur des Hauptstromes jeweils ein aktueller Milchantell ϕ(t) im Hauptstrom berechnet wird,
- - und daß in einer zur Überführung der gesamten Milchmenge erforderlichen Annahmezeit tA aus den jeweiligen Milchanteilen ϕ(t) und der diesen je weils zugeordneten, an der definierten Stelle des Überführungsweges vor liegenden mittleren Strömungsgeschwindigkeit oder einer dieser proportio nalen Größe das die definierte Stelle des Überführungsweges insgesamt durchsetzende Milchvolumen VM0 der überführten Milchmenge ermittelt wird.
- - That the amount of milk forms a flow at a defined point in its transfer path, from which the mean flow velocity or a quantity proportional to this (volume flow Q or volume V transferred in the time interval) is measured continuously,
- - that the flow is then divided into a main and a secondary flow,
- - that the side stream is freed of air admixtures,
- - That the main and the vented sidestream are continuously subjected to ultrasound impulses and transmitted through and the respective Schallauf time and at least the temperature in the main stream are measured,
- - That the current average sound speed of the milk / air mixture flowing there from the sound propagation time in the main stream and the respective current average sound speed of the deaerated milk flowing there are determined from the associated sound propagation time in the secondary flow,
- - that from these two sound velocities and the speed of sound in air at the assigned temperature of the main stream, a current milk coat ϕ (t) is calculated in the main stream,
- - And that in a transfer time required for the transfer of the total amount of milk t A from the respective milk fractions ϕ (t) and each of these assigned to the defined point of the transfer path before the mean flow rate or one of these proportional size that the defined point of the Transfer route total penetrating milk volume V M0 of the transferred amount of milk is determined.
- - einem Durchtrittsquerschnitt A₀ an der definierten Stelle des Überfüh rungsweges,
- - einer fortlaufend gemessenen mittleren Strömungsgeschwindigkeit vmittel0 an der definierten Stelle des Überführungsweges,
- - einem Schallaufweg d₁ im Hauptstrom und einer hierfür fortlaufend gemes senen erforderlichen Schallaufzeit t₁,
- - einem Schallaufweg d₂ im Nebenstrom und einer hierfür fortlaufend ge messenen erforderlichen Schallaufzeit t₂,
- - fortlaufend gemessenen Temperaturen T₁ und T₂ im Haupt- bzw. Neben strom,
- - mit der von der Temperatur T₁ im Hauptstrom abhängigen Schallge schwindigkeit in Luft aL1(T₁) und
- - mit der von der Temperatur T₁ im Hauptstrom abhängigen Schallge schwindigkeit in Milch aM1(T₁).
- - a passage cross section A₀ at the defined point of the transfer path,
- a continuously measured mean flow velocity v medium0 at the defined point on the transfer path ,
- - A sound path d₁ in the main stream and a continuously measured senen required sound time t₁,
- - a sound path d₂ in the secondary flow and a continuously measured required sound time t₂,
- - continuously measured temperatures T₁ and T₂ in the main and secondary stream,
- - With the speed T₁ in the main stream dependent sound speed in air a L1 (T₁) and
- - With the speed T₁ in the main stream dependent sound speed in milk a M1 (T₁).
- - daß die Meßeinrichtung (6) in einem ersten Abschnitt (3a) der Überfüh rungsleitung (3) angeordnet ist
- - daß sich, in Strömungsrichtung gesehen, die Überführungsleitung (3) hin ter dem ersten Abschnitt (3a) in einen zweiten Abschnitt (3b) und eine Bypass-Leitung (4) verzweigt
- - daß in der Bypass-Leitung (4) eine Trenneinrichtung (5) zur Abtrennung von Luft aus einem Milch/Luft-Gemisch vorgesehen ist,
- - daß im zweiten Abschnitt (3b) eine erste Ultraschall-Einrichtung (7) und in der Bypass-Leitung (4), in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Trenneinrichtung (5) eine zweite Ultraschall-Einrichtung (8) angeordnet sind, jeweils bestehend aus einem Sender und einem Empfänger (7a, 7b bzw. 8a, 8b) und jeweils zur Durchschallung eines charakteristischen und bekannten Schallaufweges (d₁, d₂),
- - daß wenigstens im zweiten Abschnitt (3b) eine Einrichtung zur Messung der Temperatur (12) vorgesehen ist,
- - und daß die Meßeinrichtung (6), die Ultraschall-Einrichtungen (7 und 8) sowie die Einrichtungen zur Messung der Temperaturen (12 und 13) mit einer Rechner- und Steuereinheit (8) verbunden sind, an der ein Daten speicher (11) zum Ein- und Auslesen von Daten angeschlossen ist.
- - That the measuring device ( 6 ) in a first section ( 3 a) of the transfer line ( 3 ) is arranged
- - That, seen in the flow direction, the transfer line ( 3 ) rear ter the first section ( 3 a) in a second section ( 3 b) and a bypass line ( 4 ) branches
- - That in the bypass line ( 4 ) a separation device ( 5 ) is provided for separating air from a milk / air mixture,
- - that (3 b) a first ultrasonic device (7) and in the bypass line (4), seen in the flow direction are disposed behind the separating device (5) comprises a second ultrasonic device (8) in the second section, each consisting from a transmitter and a receiver ( 7 a, 7 b and 8 a, 8 b) and each for the transmission of a characteristic and known sound path (d₁, d₂),
- - That at least in the second section ( 3 b) a device for measuring the temperature ( 12 ) is provided,
- - And that the measuring device ( 6 ), the ultrasonic devices ( 7 and 8 ) and the devices for measuring the temperatures ( 12 and 13 ) are connected to a computer and control unit ( 8 ) on which a data memory ( 11 ) is connected for reading in and reading out data.
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