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Die Erfindung bezieht sich auf einen Apparat und ein Verfahren zum
Messen
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des Druckes in vakuumdichten Behältern, in denen ein Unterdruck herrscht.
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Mehr insbesondere handelt es sich hierbei um Verpackungen far nicht-elastisch
verformbare Materialien. Beispiele derselben sind aus kleinen Teilchen bestehende
Produkte, wie gemahlener Kaffee, Tee, Milchpulver, Mehl, jedoch auch Produkte die
einteilig verpackt werden, wie Stücke Kasse und bestimmte Fleischwaren.
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Der Zweck der gemeinten Druckmessung kann das Ermitteln von Lecken
in der Verpackung und/oder das Kontrollieren der Maschinen, mit denen das Verpacken
durchgefAhrt wird, sein. In bestimmten Fällen kann durch die gemeinte Druckmessung
auch bestimmt werden, ob das verpackte Material selbst Gase produziert und bejahendenfalis
wieviel und/oder wie schnell. Dies kann z.B. der Fall sein durch mikrobiologische
Aktivität, aber auch, wie bei gemahlenem Kaffee, durch das Diffundieren von Kohlensäure
aus den Zellen der gemahlenen Rastbohnen.
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Die Erfindung lässt sich anwenden bei Behältern, von denen mindestens
eine Wand oder ein Wandteil aus einer vakuumdichten Folie besteht, die sich straff
an das nicht-elastisch verformbare Material anschliesst. Es sind verschiedene Methoden
zum Messen des Druckes in Behältern mit vakuumdicht verpackten Materialien bekannt,
wobei der ganze Behälter in einer Glocke untergebracht wird, in der allmählich ein
Unterdruck erzeugt wird. Dabei wird der Druck aufgezeichnet in dem Augenblick, in
dem das flexible Verpackungsmaterial sich von dem Inhalt der Verpackung löst. Die
Bewegung des Verpackungsmaterials dient als Indikation dazu. Es kann beispielsweise
auf die US Patentschriften 3.751.972, 3.117.441, 3.037.215 und die Schweizer Patentschrift
458.786 hingewiesen werden. Der Nachteil ist, dass man dabei verhãltnismassig umfangreiche,
teure Maschinen benötigt, wenn man die Messungen mit grosser Geschwindigkeit durchfthren
will, damit beim Stuck f<1r Strick Kontrollieren mit der modernen Verpackungsapparatur
gleichen Schritt gehalten werden kann.
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In der US Patentschrift 3.859.844 wird ein Apparat und eine Methode
beschrieben, wobei nicht die ganze Packung unter eine Glocke gebracht wird. Dabei
wird ein Hohlkörper ("Messkopf") Qber einen Teil der Wand der
Verpackung,
die flexibel ist, gestülpt. Die Verschiebung des gemeinten Teiles der flexiblen
Wand wird aufgezeichnet, wenn in dem Messkopf allmählich der Druck herabgesetzt
wird. Es wurde nun gefunden, dass eine beträchtlich grössere Genauigkeit der Messung
erreicht werden kann, wenn in die Verpackung zunächst eine Einbuchtung gemacht wird
und die Verschiebung der flexiblen Wand in dieser Einbuchtung gemessen wird. Es
zeigte sich, dass die Anwendung dieses Prinzips insbesondere eine beträchtlich grössere
Messgenauigkeit ergab in dem Fall, wobei die flexible vakuum dichte Folie durch
eine nicht-vakuumdichte Folie überdeckt ist, wie im Nachstehenden noch in Einzelheiten
besprochen werden wird.
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Gemäss der Erfindung wird also ein Verfahren erhalten zum Messen des
Druckes in einem Behälter mit vakuumdicht verpacktem, nicht-elastisch verformbarem
Material, welcher Behälter mindestens eine Wand oder einen Teil der Wand aus vakuumdichter
Folie enthält, die sich straff an das Material anschliesst, gekennzeichnet durch
folgenat na-cheinander zu efferade Mast a) in die Wand mit vakuumdichter Folie wird
eine Einbuchtung gemacht; b) auf die Wand wird ein Messkopf gedrückt, der zusammen
mit der Folie einen Raum umschliesst, in den die Einbuchtung aufgenommen ist; c)
der Druck in dem unter b) genannten Raum wird allmählich vermindert; d) gemäss einer
an sich bekannten Methode wird der Augenblick bestimmt, in dem die Folie in der
Einbuchtung sich von dem verpackten Material, löst und e) in dem unter d) genannten
Augenblick wird der Druck in dem Messkopf nach einer an sich bekannten Methode bestimmt.
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Die unter e) gemeinte Bestimmung des Druckes kann ein Signal erzeugen,
wobei der Wert dieses Druckes sichtbar gemacht wird oder in anderer Weise weiter
verarbeitet wird (z.B. zu einem Steuersignal, das bei Leckdetektion "on line" die
Behälter mit zu hohem Druck entfernt).
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Der under d) genannte Augenblick, in dem die Folie sich von dem verpackten
Material löst, kann durch Registrieren der relativen Bewegung der Folie in bezug
auf den Messkopf bestimmt werden. Dazu kann der sich bewegende Teil der Folie mit
einem Abtaster in Wechselwirkung gebracht werden. Sehr
geeignet
ist ein mechanischer Taster, der mit dem sich bewegenden Teil der Folie in Berührung
gehalten wird und in einen elektrischen Kreis aufgenommen ist. Es sind jedoch auch
kapazitative, induktive und sogar optische Abtaster möglich. Gemäss den in der Elektronik
wohlbekannten Methoden können über diese Abtaster Signale für eine grosse Anzahl
Zwecke erzeugt werden. (Siehe z.B. die schon oben erwähnten Patentschriften).
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Die Erfindung wird jetzt an Hand einer Anzahl Figuren erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 graphische Darstellung, die erhalten werden, wenn
bei allmählicher Druckherabsetzung die Bewegung der Folie in bezug auf den Messkopf
gegen die Zeit abgetragen wird; der Messkopf, wie in Fig. 5 angegeben, ist dabei
auf einer Packung von beispielsweise vakuum verpacktem gemahlenem Kaffee, ohne Papierhßlle,
angebracht; Fig. 2 die Differentialfunktion der in Fig. 1 wiedergegebenen graphischen
Darstellung, auch wieder gegen die Zeit abgetragen; Fig. 3 eine perspektivische
Zeichnung einer als Beispiel wiedergegebenen Vorrichtung zum Machen der Einbuchtung;
Fig. 4 eine perspektivische Zeichnung eines als Beispiel wiedergegebenen Messkopfes,
der auf den zu untersuchenden Behälter zu drücken ist; Fig. 5 schematisch einen
beispielweise wiedergegebenen Messkopf in Längsschnitt; Fig. 6 a bis f den Arbeitsgang
mit den in den Figuren 3 und 4 wiedergegebenen Vorrichtungen für den Fall, dass
die Messung durchgeführt wird bei einer Packung, die ausser mit einer vakuumdichten
Folie auch noch mit Papier umwickelt ist.
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In Fig. 1 wird zunächst die relative Bewegung der Folie in bezug auf
den Messkopf für zwei Fälle, und zwar für den Fall in der Verpackung ein
verhältnismässig
hoher Druck und fur den Fall darin ein verhältnismässig niedriger Druck herrscht,
mit den Leiten 1 bzw. 2 angegeben. Bei Herabsetzung des Druckes in dem Messkopf
wird dessen Rand einigermassen in die Packung eindringen, während weiter der Gummiring,
mit dem der Rand normalerweise versehen ist, auch einigermassen eingedrückt wird.
Dies verursacht eine Bewegung des Tasters, die dem ersten Teil 3 der Linie 1 und
dem ziemlich flachen Teil 4 der Linie 2 entspricht. In dem Augenblick, in dem der
Druck in dem Messkopf kleiner als der Druck in der Verpackung wird, fängt die flexible
Folie an, sich in bezug auf den verpackten Inhalt zu bewegen, d.h.
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sich von diesem Inhalt zu lösen, was in einem viel steileren Teil
der Linien 1 und 2 ersichtlich ist, wie mit 5 und 6 angegeben wird. Wenn man den
Druck in dem Messkopf noch weiter herabsetzen wurde, was in der Praxis nicht notwendig
ist, wurden die Linien 1 und 2 sich abflachen, wie bei 7 und 8, wenn die Folie ihre
Busserste Stellung erreicht hat. Dass der Linienteil 6 der Linie 2 weniger steil
ist als der Linienteil 5 der Linie 1 ist dem Umstand zuzuschreiben, dass die Pumpencharakteristik
bei niedrigem Druck weniger steil verläuft als bei hohem Druck (d.h. die Druckherabsetzung
geht langsamer bei niedrigem Druck).
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In Fig. 1 wird weiter die relative Bewegung der Folie in bezug auf
den Messkopf angegeben fur den Fall eines relativ hohen Druckes, wobei jedoch der
Messkopf sich nicht gut an die vakuumdichte Folie anschliesst. Es wird also Luft
von aussen zwischen den Rand {Çummiring) des Messkopfes und die vakuumdichte Folie
zugeführt. Es wird dann eine Linie erhalten, wie diese z.B. mit 9 angegeben wird
Durch die Zufuhr "falscher Luft" wird die Druckherabsetzung in dem Messkopf weniger
schnell verlaufen und auch bei einem verhältnismässig hohen Druck wird daher, wenn
die flexible Folie sich von dem verpackten Inhalt löst, die Bewegungslinie weniger
steil verlaufen als bei einem sich gut anschliessenden Messkopf. Dies wird durch
den Linienteil 10 angegeben.
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Eine empfindliche Indikation des Augenblicks, in dem die flexible
Folie sich von dem verpackten Inhalt löst, kann durch elektromagnetisches Registrieren
der Geschwindigkeit der relativen Bewegung von Nesskopf und flexibler Folie erhalten
werden. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass man
einen Taster der
Bewegung der Folie folgen lässt, welcher Taster mit der Folie in Berührung ist,
während der Taster mit einem eisernen Kern, der sich in einem elektromagnetischen
Feld befindet, verbunden ist. Wie aus dem Nachstehenden hervorgeht, ist dazu ein
einfacher handelsüblicher Verschiebungsaufnehmer brauchbar.
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In Fig. 2 sind jetzt für die drei in Fig. 1 gesprochenen Fälle die
Linien wiedergegeben worden, wenn die Geschwindigkeit der relativen Bewegung des
Messkopfes und der Folie V als Funktion der Zeit abgetragen wird. Es ist klar, dass
diese die Differentialfunktion in bezug auf die Zeit der in Fig.
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1 angegebenen Linien darstellen. Dabei einspricht die Linie 11 der
Linie 1, die Linie 12 der Linie 2 und die Linie 13 der Linie 9.
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Als der Augenblick, in dem sich die flexible Folie von dem verpackten
Inhalt löst, wird der Augenblick genommen, in dem die Geschwindigkeit (v) der Bewegung,
wie in Fig. 2 ablesbar, einen bestimmten Wert überschreitet.
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Dieser Wert (ovo) kann nicht beliebig niedrig gewählt werden. Jedenfalls
darf v nicht niedriger als der in Fig. 2 mit Punkt 14 angegebene Wert 0 sein. Ausserdem
soll auf elektrischen "Rausch" und willkdrliche störende mechanische Bewegungen
(wie Schwingungen) rücksicht genommen werden.
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Es wurde nun gefunden, dass durch das Machen einer Einbuchtung, wie
oben angegeben, die Spitzen der Fig. 2 erheblich höher werden, während sowohl der
Punkt 14 wie der elektrische und mechanische Rausch auf demselben Niveau bleiben.
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In einer Reihe von Versuchen mit der oben besprochenen Apparatur,
die bei Packungen mit gemahlenem Kaffee, die ausschliesslich mit vakuumdichter Folie
umhüllt waren, wurden die Linien der Fig. 2 mit einem Oszillographen sichtbar gemacht.
Es zeigte sich dabei, dass beim Machen. einer Einbuchtung die Spitzen um das 2-
bis 4-fache höher wurden! Von besonderer Bedeutung ist die Erhöhung der gemeinten
Spitzen, wenn die Umstände, die mit dem Verpackungsmaterial oder aber dem verpackten
Material zusammenhängen, das Auftreten von niedrigen Spitzen fördern. Bei Packungen
mit steifer vakuumdichter Folie wird dies vorkommen, ebenso wie in dem Fall, dass
die vakuumdichte Folie mit einer zweiten Folie bedeckt ist. Für letztere wird oft
aus
allerlei Gründen Papier gewählt werden, das weniger elastisch als die vakuumdichte
Folie ist. Dadurch ist es möglich, dass die "freie Weglänge", über welche die vakuuddichte
Folie sich bewegen kann, erheblich beschränkt wird. Durch eine besondere Ausfuhrungsftrm
gemäss der Erfindung kann diese Schwierigkeit beseitigt werden. was in dem nachstehenden
Beispiel beschrieben wird.
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In Obigem ist angenommen worden, dass die Differentialfunktion der
Bewegung in Abhängigkeit von der Zeit registriert wird und als Indikationskriterium
angewendet wird. Es ist jedoch auch möglich, die relative Bewegung der Folie in
bezug auf den Messkopf zu registrieren als Differentialfunktion in Abhängigkeit
von dem kontinuierlich oder nahezu kontinuierlich gemessenen Druck und diese Aufzeichnung
als Indikationskriterium anzuwenden.
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Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Packung mit vakuumverpacktem
gemahlenem Xaffee, wobei die Verpackung aus einer vakuumdichten Folie mit Papierumhfillung
besteht, und einer einfachen Vorrichtung, mit der in diese Packung eine Einbuchtung
gemacht werden kann. Mit 15 ist eine Grundplatte wiedergegeben, auf welche die Packung
16 positioniert werden kann. Mit 17 wird eine Kugel angegeben, die durch einen Halter
18 mit dem Arm 19 verbunden ist. Dieser Arm 19 ist in Vertikalrichtung an der an
der Grundplatte 15 befestigten Stange 20 entlang bewegbar mittels der Zahnstange
21, die mit einem an dem Hebel 23 befestigten Zahnrad 22 zusammenarbeitet. Durch
Abwärtsdrücken des Hebels 23 wird in die Packung eine Einbuchtung gemacht.
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In Fig. 4 wird eine ähnliche Vorrichtung wie in Fig. 3 wiedergegeben
mit dem Unterschied, dass die Kugel 17 und der Halter 18 durch den Messkopf ersetzt
worden sind. Der Messkopf wird ziemlich kräftig auf die Packung gedrückt. Die Posrti
erung der Packung ist derart, dass die Einbuchtung zentral innerhalb des Messkopfes
fällt.
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Der Messkopf wird nun weiter an Hand der Fig. 5 beschrieben, die einen
Schnitt zeigt und schematisch angibt, welche Teile in diesem Messkopf angebracht
sind Mit 25 ist die Wand des Messkopfes angegeben, mit 26 ein elastischer O-Ring,
der
beim Anpressen des Messkopfes auf die Packung fur die Abdichtung sorgt.
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Mit 27 ist schematisch ein elektronischer Verschiebungsaufnehmer wiedergegeben
(dazu wird z.B. ein Differentialtransformator B & B Electronic Typ N2DC verwendet).
Der Verschiebungsaufnehmer 27 ist in einen Halter 28 aufgenommen. An dem bewegbaren
Kern 29 des Differentialtransformators sind zwei Stossplatten 30 und 31 montiert.
Die Stossplatte 31 ist mit einem binnen Stift 32 versehen mit einem einigermassen
verdickten Ende 33. Dazu kann z.B. eine Stecknadel angewendet werden.
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Auf dem Halter 28 ist ein Stossmagnet montiert, der schematisch mit
34 angegeben wird. Dazu kann z.B. Kuhnke Typ H 3264, 24 Volt Gleichspannung, 17*
Einschaltdauer,angewendet werden. Der bewegbare Kern 35 des Stossmagneten ist mit
Platten 36 und 37 versehen. Wenn der Magnet nicht erregt ist, wird der Kern 35 sich
durch die Wirkung der Feder 38 in der in der Figur angegebenen Stellung befinden.
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Der Druck in dem Messkopf wird dber die an eine Vakuumpumpe angeschlossene
Oeffnung 39 herabgesetzt. Dieser Druck wird durch den Druckmesser 40 gemessen. Dazu
kann z.B. Kulite Semiconductor Products Inc. Model No. rTQS - 500 E - 15 angewendet
werden.
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In Fig. 6 wird schematisch das Machen der Einbuchtung und die Wirkung
des Messkopfes erläutert. In Fig. 6a und 6b ist die Kugel zum Machen der Einbuchtung
mit 41, die Packung mit 42, die vakuumdichte Folie mit 43 und das diese Folie umhAllende
Papier mit 44 angegeben. Nach dem Machen der Einbuchtung, wie in Fig. 6b angegeben,
wird beim Entfernen der Kugel 41 das Papier seine ursprüngliche flache Form annehmen.
Dies ist in Fig. 6c ersichtlich. In dieser Weise ist in dem Teil der vakuumdichten
Folie, in dem die Einbuchtung gemacht worden ist, eine Trennung zwischen dieser
vakuumdichten Folie und dem Papier entstanden, wodurch die Folie sich unabhängig
von dem Papier bewegen kann. In dieser Figur wird gleichfalls schematisch das Anbringen
des Messkopfes auf der Packung angegeben.
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Für die verschiedenen Teile des Messkopfes, die in Fig. 6c als auch
in den Figuren 6d, 6e und 6f vorkommen, wird auf die ausfdhrliche Beschreibung der
Fig. 5 verwiesen. In Fig. 6c ruht der Kern 29 des Verschiebungsaufnehmers
über
den Stift 32 auf dem Papier. Beim in Betrieb Setzen des Stossmagneten, wie in Fig.
6d wiedergegeben, wird der Stift 32 mit verdicktem Ende 33 durch das Papier hindurch
gedruckt und fällt, wie in Fig. 6e angegeben, auf den Boden der Einbuchtung in der
vakuumdichten Folie. Das Durchbohren des Papiers wird dadurch ermõglicht, dass dieses
zwischen der vakuumdichten Folie 43 und dem angepressten Ring 26 eingeklemmt ist.
Der Stift 32 ist, nachdem der Stossmagnet entkräftet ist, frei bewegbar, weil das
Loch etwas grosser als der Querschnitt des Stiftes ist.
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In Fig. 6f ist die Situation bei Herabsetzung des Druckes in dem Messkopf
angegeben. Die in der Einbuchtung frei bewegbare vakuumdichte Folie bewegt sich
nach oben, welche Bewegung durch den Verschiebungsaufnehmer registriert wird.
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Gemäß der da Erfindung wird auch en Apparat zum Messen des Druckes
in einem mit nicht-elastisch verformbarem Material gefüllten Behälter verschaft,
welcher Behälter mindestens eine Wand oder einen Teil einer Wand aus vakuum dichter
Folie enthält, die sich straff an das Material anschliesst, gekennzeichnet durch
a) eine Vorrichtung zum Anbringen einer Einbuchtung in der gemeinten Wand aus vakuumdichter
Folie; b) eine Vorrichtung, die, zusammenarbeitend mit der gemeinten Wand aus vakuumdichter
Folie, einen Raum umschliesst, in den die unter a) gemeinte Einbuchtung aufgenommen
ist; c) eine Vorrichtung zum allmählichen Vermindern des Druckes in dem unter b)
gemeinten Raum; d) eine Vorrichtung zum, in an sich bekannter Weise, Bestimmen des
Augenblicks, in dem die Folie in der Einbuchtung sich von dem verpackten Material
löst; e) eine Vorrichtung zum Bestimmen des Druckes in dem unter d) gemeinten Augenblick
nach einer an sich bekannten Methode.