DE19802887A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Melkbewegung einer Melkmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 2.

Die Melkbewegung einer Melkmaschine hängt im wesentlichen vom eingesetzten Zitzengummi ab. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann eine gleichmäßige Melkbewegung nicht gewährleistet werden. Von der Härte des verwendeten Materials hängt es ab, ob der Zitzengummi die Zitze gleichmäßig umschließt, oder nur punktuell massiert.

Es ist bisher noch nicht möglich, die Melkbewegung einer Melkmaschine und damit die obengenannten Parameter meßtechnisch zu erfassen. Außerdem kann bis jetzt die wirkende Kraft auf die Zitzen nicht gemessen werden.

Die Zitzen der Kuh werden bei zu starkem Druck übermäßig belastet.

Dies kann zu Euterkrankheiten führen, welche für die Tiere schmerzhaft sind und durch erforderliche Schonzeiten finanzielle Einbußen für den Landwirt bedeuten. Außerdem leidet durch vermehrt auftretende Keime die Qualität der Milch.

Eine unzureichende Melkbewegung hingegen führt zu einem schlechten Milchfluß. Eine falsche Melkbewegung kann zu Blutergüssen in der Zitzenspitze und zu Euterentzündungen führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine robuste, mobil einsetzbare Vorrichtung vorzuschlagen, mit dessen Hilfe ortsauflösend die Kraftwirkung auf die Zitze und damit die Melkbewegung beim Melkvorgang meßtechnisch erfaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 12 gelöst.

Eine regelmäßig mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung überwachte Melkmaschine bringt ein optimales Melkergebnis bei schonendster Behandlung der Zitzen, da es mit ihm möglich ist, die wirkende Kraft auf die Zitzen ortsauflösend in Echtzeit zu erfassen und so die Maschine regelmäßig zu justieren.

Die einfache Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gestattet sowohl eine Vorbeugungs-Untersuchung durch den Betreiber selbst sowie eine schnelle und zuverlässige Analyse durch einen Tierarzt oder Gesundheitsdienst beim vermehrten Auftreten von Euterentzündungen.

Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei Routinemessungen auf einfache Weise die Vorzugsrichtung der Melkbewegung festgestellt, sowie eine etwaige Funktionsstörung der Melkmaschine erkannt werden.

Auch ist es mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, zu beurteilen, wann ein neuer Zitzengummi in die Melkmaschine eingebaut werden muß. Dies reduziert kostspielige Auswechselvorgänge und Stillstandszeiten der Maschine auf das Notwendigste.

Durch das regelmäßige Überprüfen der Melkmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Gesundheit der Tiere und damit die Lebensmittelqualität bei einer höheren Milchausbeute verbessert werden.

Die Verwendung einer Schaumstoffschicht als Sensormaterial (vgl. Anspruch 6) auf der Meßzitze hat den Vorteil, daß sie durch ihre Verformbarkeit weitgehend der natürlichen Zitzenoberfläche entspricht.

Durch den Einsatz eines Microcontrollers in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, zeitaufwendige Funktionen, wie z. B. das Auslesen des Sensors, auszulagern. Hierdurch kann die Vorrichtung ohne Probleme auch an langsameren Computern betrieben werden, welche den Sensor aufgrund mangelnder Systemressourcen nicht in Echtzeit auslesen können. Auch der Betrieb an Laptops, was gerade für die Nutzung vor Ort interessant ist, wird hierdurch möglich, da zum Betrieb der Vorrichtung keine spezielle Einsteckkarte sondern lediglich eine serielle Standardschnittstelle benötigt wird. Durch eine räumliche Trennung von Sensor und Microcontroller bleibt der eigentliche Sensorkopf leicht und kompakt, was einer einfachen Handhabung sehr zugute kommt.

Technische Ausführung

Im folgenden wird die Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als mobiles Meßgerät beschrieben.

Das erfindungsgemäße Meßgerät besteht aus drei Funktionsgruppen: einem Sensor mit integrierter Signalaufbereitungs-Elektronik, einem Controller zur Erfassung und Vorverarbeitung der Daten in Echtzeit sowie einem PC zum Anzeigen der Daten und zur Durchführung komplexer Berechnungen. Als Sensor kommt hier ein zweidimensionales Drucksensor-Array nach Patent DE 196 47 876 A1 zum Einsatz. Der Sensorkopf in Fig. 1 beinhaltet die eigentliche "Meßzitze" (11) sowie deren Signalaufbereitungs-Elektronik im darüber angeordneten Gehäuse (12). Dieses sollte aus hygienischen Gründen wasserdicht ausgeführt sein, um den Sensor nach jedem Einsatz gut reinigen zu können.

Die richtige Sensorform ist sehr wichtig für korrekte Ergebnisse des erfindungsgemäßen Meßgerätes. Sie darf in Form und Verhalten nicht zu sehr vom biologischen Vorbild abweichen. Der ökonomischste Weg sieht den starren Grundkörper (21) in Fig. 2 vor, auf den Folienplatinen (22) mit geätzten Elektroden aufgeklebt werden. Über dieser Elektrodenschicht wird eine mit Graphitpulver oder ähnlichem angereicherte Schaumstoffschicht (23) aufgebracht, welche mit einer Schutzschicht (24) überzogen ist. Von der Form her liegt die konstruierte Meßzitze zwischen einer normalen und einer ge­ dehnten Zitze. Um die Folie auf den Grundkörper aufbringen zu können, muß dieser auf zwei geometrische Formen beschränkt werden: einen Zylinder als Sondenschaft (25), sowie einen Kegelstumpf als Sondenspitze (26). Es ist auch denkbar, mittels galvanischem Verkupfern, aufgespritztem Fotolack und anschließender 3D-Laser-Direktbelichtung auf eine plastische Nachbildung einer Zitze eine Elektrodenschicht aufzubringen. Mittels geeigneter Verfahren muß eine mit Graphit angereicherte Schaumstoffschicht erzeugt werden, welche an die Form des Sensors angepaßt ist und über der Elektrodenschicht angeordnet werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Meßzitze aus einem verformbaren Material zu fertigen. Auf einem Gummigrundkörper wird eine Elektrodenschicht aus leitfähigen Elastomeren aufgebracht, auf der wiederum eine Schaumstoffschicht befestigt wird.

Um mit einseitigen, kostengünstigen Folienplatinen arbeiten zu können, muß eine Schichttechnik (siehe Fig. 3) angewandt werden. Hierbei ist es sinnvoll, den Grundkörper (31) mit zunehmender Schichtstärke zu verjüngen, um am Schaft für jede Schicht (32) das gleiche Folienlayout verwenden zu können. In der Länge müssen die Folien durch Abtrennen der auf der Folie markierten Segmente (Fig. 4, 41) angepaßt werden. Um die Kraftausübung auf das Drüsengewebe der Zitzenspitze genauer analysieren zu können, empfiehlt es sich, die Sensorzellen auf der Sondenspitze dichter anzuordnen. Ein mögliches Layout für die Elektrodenfolien ist in Fig. 4 abgebildet. Die Zuleitungen (42) zu den Elektroden wurden gleich auf die Folie integriert; der zusätzliche Einsatz von Drähten entfällt hiermit. Die Elektroden (43) werden verzinnt, um eine übermäßige Korrosion und damit verbundene Meßungenauigkeiten zu vermeiden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, anstatt des Schichtaufbaus eine zweiseitige Folienplatine zu verwenden, bei der die Zuleitungen zu den einzelnen Elektroden auf der Rückseite verlaufen. Hierdurch wird der Schichtaufbau umgangen.

Auf die Elektrodenschicht wird ein mit Graphitpulver angereicherter Schaumstoff aufgebracht. Um den Sondengrundkörper relativ dick zu gestalten, was das Aufbringen der Folien vereinfacht, muß die Schaumstoffschicht relativ dünn gehalten werden.

Damit der Sensor (Fig. 2) abwaschbar wird und nicht zum Überträger von Keimen werden kann, empfiehlt es sich, auf den Schaumstoff (23) eine elastische Schutzschicht (24) aufzubringen. Als Material für die Schutzschicht sollte ein chemisch inhärenter und geschmeidiger Stoff wie Silicon eingesetzt werden.

Um die Leitungsanzahl zu reduzieren und das Meßgerät unempfindlicher gegenüber Störeinflüssen zu machen ist eine Schaltung nach Fig. 5 direkt oberhalb der Meßzitze vorgesehen. Über Multiplexer (51) werden die Sensorzellen auf den einzelnen Folien (52) zu einer Halbbrücke verschaltet (53). Deren Ausgangsspannung wird, gepuffert über einen Verstärker (54), mittels Kabel an den externen Sensorcontroller weitergeleitet. Zusätzlich ist ein Anschluß für einen Drucksensor (55) vorgesehen, mit dessen Hilfe das Vakuum im Melkbecher-Innenraum kontrolliert werden kann. Der nichtflüchtige Speicher (56) enthält die Kalibrierdaten sowie deren Gültigkeitsdauer.

Der Sensorcontroller in Fig. 6 besteht im wesentlichen aus einem hochintegrierten Microcontroller (61), mit Programmspeicher (62), Arbeitsspeicher (63) und AD-Wandler (64) zur Datenerfassung. Je nach verwendeten Controllertyp sind hier die externen Komponenten wegzulassen. Mittels der Echtzeituhr (65) wird die Kalibrierung beim Systemstart auf ihre Gültigkeit hin überprüft. Der Sensorcontroller wird über eine serielle Schnittstelle nach RS 232 gesteuert, über die jeder PC standardmäßig verfügt.

Das Steuerungsprogramm des Sensorcontrollers hat drei Aufgaben. Erstens muß es die Meßwerterfassung koordinieren. Hierzu muß das Programm zuerst den AD-Wandler kalibrieren und dann in einer Schleife alle 64 Sensorzellen nacheinander selektieren und die Meßwerte digitalisieren. Zweitens hat das Programm die Aufgabe, die Linearisierungs- Daten sowie die Offsetkorrektur-Daten, die im nichtflüchtigen Speicher des Sensorkopfes gespeichert sind, zu verwalten, sowie deren Gültigkeit zu überprüfen. Da jeder Sensor einer natürlichen Alterung unterliegt, muß er regelmäßig kalibriert werden. Wird diese Kalibrierung nicht durchgeführt, kommt es mit zunehmendem Sensoralter zu Meßfehlern. Bisher wurde das Kalibrierzertifikat nur als Formular ausgehändigt, die Überwachung deren Gültigkeit oblag dem Geräteeigentümer. Das erfindungsgemäße Meßgerät hingegen überprüft selbständig bei jedem Einschaltvorgang mittels der integrierten Echtzeituhr, ob die Kalibrierdaten des Sensorkopfes noch gültig sind. Hierzu ist im nichtflüchtigen Speicher des Sensorkopfes das Datum der letzten Kalibrierung sowie deren Gültigkeitsdauer gespeichert. Ist dies nicht der Fall, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben, und eine entsprechende Warnmeldung wird auf allen, vom Auswertprogramm auf dem PC generierten, Protokollen ausgegeben. Drittens muß bei den gemessenen Daten eine Offsetkorrektur sowie eine Linearisierung durchgeführt werden. Beide werden aus Gründen der Rechenzeit mittels Korrekturtabellen realisiert, die beim Einschalten automatisch erstellt werden. Neben diesen Funktionen speichert der Sensorcontroller auch noch automatisch das letzte Einschaltdatum, um so dem Benutzer Kontrollmöglichkeiten über den Gebrauch des Meßgerätes zu geben.

Das Auswert-Programm am PC hat in erster Linie zur Aufgabe, die gemessenen Werte in Echtzeit als Diagramme darzustellen. Aus den gewonnenen Daten werden Meßwerte wie die gemittelte und größte wirkende Kraft auf die Zitze, sowie über die Pulsfrequenz und die Melkbewegung berechnet, um Studien über Melkparameter aufstellen zu können. Für den routinemäßigen Einsatz, z. B. durch einen Gesundheitsdienst, können Protokolle ausgegeben werden; mit deren Hilfe die untersuchte Melkmaschine schnell charakterisiert werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur Erfassung der Melkbewegung einer Melkmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinwirkung auf die Zitze im Melkbecher ortsauflösend gemessen wird.

2. Vorrichtung zum Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor auf oder in einem Grundkörper befestigt ist und zur Meßwertaufnahme in den Melkbecher anstatt einer Zitze eingeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus einem starren oder flexiblen Material besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper der natürlichen Zitzenform angepaßt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Grundkörpers wie in Fig. 2 dargestellt, auf einen Zylinder (25) mit angrenzendem Kegelstumpf (26) beschränkt wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der wirkenden Kraft ein Drucksensor-Array verwendet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mittels flexibler Leiterplatten nach Fig. 4 aufgebracht werden.

8. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einem Sensorcontroller sowie einem räumlich getrennt angeordneten Sensorkopf besteht.

9. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Sensorkopf nach Fig. 1 eine Signalaufbereitungs-Elektronik (12) integriert ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Sensoren zur Messung des Melkbecher-Luftdrucks integriert sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit einer elastischen Schicht gegen Verschmutzung geschützt ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gültigkeitsdauer der Kalibrierung von diesem selbständig überwacht wird.