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Beschreibung
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Die Erfindugn bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen des Füllstandes
von durchsichtigen oder durchscheinenden Behältern, die auf einem Förderband entlang
einer Meßstation bewegt und in dieser mit Infrarot-Strahlung mit sich zeitlich ändernder
Intensität beaufschlagt werden, wobei die durch den Behälter hindurchtretende Strahlungsmenge
gemessen wird.
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Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (US-PS 3 225 191) wird das
Infrarotlicht einer Lichtquelle durch eine optische Linse gebündelt und auf einen
rotierenden, gegenüberliegende, längliche Öffnungen aufweisenden Zylinder geleitet,
durch dessen Öffnungen hindurch das Licht auf den Behälter trifft. Dadurch ergibt
sich eine Beleuchtung des Behälters mit Licht schwankender Intensität, und infolge
Auswertung nur der -Wechselanteile des auf ein Fotoelement fallenden Lichtes werden
Störeinflüsse infolge Umgebungslicht ausgeschaltet, also allein der Infrarot-Wechselanteil
ausgewertet, dessen Intensität stark vom Füllstand im Behälter abhängt, da Infrarotlicht
.von im Behälter befindlicher Flüssigkeit absorbiert wird.
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Dieses bekannte Verfahren führt nur zu unzureichenden Ergebnissen,
denn einerseits wird ein verhältnismäßig kleines Fotoelement zum Empfang der durch
den Behälter hindurchgetretenen Infrarot-Strahlung- benutzt, was zur Folge hat,
daß insbesondere deshalb Fehlmessungen entstehen können, weil Unregelmäßigkeiten
in der Behälterwand als optische Linsen wirken können und das Infrarotlicht in eine
nicht vorgesehene Richtung leiten. Andererseits ergeben sich durch die Übergänge
zwischen den Spitzenwerten des Welligkeitsverlaufes der Infrarot-Strahlung Schwächungen
in der Signalauswertung, und darüber'hinaus kann die Infrarot-Strahlung -nich mit
Hilfe der optischen Linse genau auf das Fotoelement fokussiert werden, weil, wie
vorstehend erwähnt, durch die Flaschenwandung Linsenwirkungen entstehen können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung des
Füllstandes von durchsichtigen oder durchscheinenden Behältern mittels Infrarot-Strahlung
derart auszugestalten, daß eine möglichst exakte Auswertung der durch den Behälter
hindurchtretenden Strahlung erfolgt und Meßfehler infolge Unregelmäßigkeiten in
der Behälterwand u.ä. möglichst kompensiert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß derart ausgestaltet, daß
der Behälter mit einer
vorbestimmten Anzahl von in zeitlichem Abstand aufeinanderfolgenden Laser-Lichtblitzen
beaufschlagt und die in einem vorgegebenen Flächenbereich aus dem Behälter austretenden
Lichtblitze der Fotokathode eines Fotovervielfachers zugeführt werden, dessen einem
Behälter zugeordneten Ausgangssignale aufintegriert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt also die Beaufschlagung
des Behälters nicht mit einer in ihrer Intensität welligen Infrarot-Strahlung, sondern
mit zeitlich getrennten Laser-Lichtblitzen, die ohne Verwendung optischer Linsen
stark gebündelt sind und daher genau auf das Auswerteelement gerichtet werden können.
Als Auswerteelement dient ein Fotovervielfacher, der gegenüber Fotoelementen, wie
Fotodioden u.ä. auch extrem kurzzeitige Lichtblitze verarbeiten kann und der eine
verhältnismäßig große Kathodenfläche aufweist, so daß auch Lichtstrahlen, die infolge
Unregelmäßigkeiten in der Behälterwand abgelenkt oder gebrochen werden, noch auf
die Fotokathode gelangen. Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß bei der Beaufschlagung
einer leeren Flasche mit 10 Laser-t ichtblitzen etwa 8 bis 9 Lichtblitze von der
Fotokathode des Fotovervielfachers empfangen werden, während bei einer gefüllten
Flasche lediglich ein oder zwei von zehn Lichtblitzen auf die Fotokathode fallen,
also in diesen beiden
Fällen deutliche unte.rschiedliche MeBergebnisse
e.rhalten werden.
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Da bei einer derartigen Beaufschlagung mit-zeitlich aufeinanderfolgenden
Lichtblitzen davon ausgegangen werden kann,. daß zumindest eine größere Anzahl derartiger
Lichtblitze durch gleichmäßig geformte Wandungsbereiche des Behälters hindurchtreten,
läßt sich auf diese Weise eine Kompensation der Fehler erzielen, die sich unvermeidbar
ergeben, weil eine geringe Anzahl von Lichtblitzen durch abweichend strukturierte
Bereich der Flaschenwand, etwa die bei gepreßten Flaschen vorhandene Naht oder durch
unregelmäßige Oberflächenbereiche hindurchtritt.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Figur 1 zeigt in einer Draufsicht schematisch und vereinfacht einen
Teil einer Fördereinrichtung für befüllte Flaschen mit einer Meßstation zur Prüfung
des Füllstandes der Flaschen und einer Auswerfereinrichtung zum Aussondern von fehlerhaft
befüllten Flaschen.
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Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der durch eine
Flaschen während des Durchlaufes in der Meßstation hindurchtretende Menge an Infrarot-Strahlung.
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Die in Figur 1 gezeigte Einrichtung enthält ein Förderband 1, das
von einem Motor 2, dessen Geschwindigkeit regelbar ist, angetrieben wird. Dieses
Förderband besteht im vorliegenden Fall aus einem Kettenband aus rostfreiem Stahl
und ist seitlich von Führschienen 3, 4 begrenzt, die die zu transportierenden, schematisch
angedeuteten Flaschen auf dem Förderband 1 halten. Die aufgebrachten Flaschen 19
treten nacheinander durch eine Meßstation 11, 14 hindurch, die später beschrieben
werden wird, und gelangen danach in den Bereich einer Auswerfereinrichtung 9, deren
Auswerfer 10 durch eine Unterbrechung in der Führschiene 3 in d.en Bereich des Förderbandes
bewegt werden kann, um als fehlerhaft erkannte Flaschen 21 vom Förderband herunter
durch eine Unterbrechung 18 in der Führschiene hindurch auf ein weiteres, parallel
zum Förderband 1 laufendes Förderband zu bewegen, das entsprechend dem Förderband
1 aufgebaut ist. Der Auswerfer 10 stößt die als fehlerhaft erkannten Flaschen 21
auf das Förderband 7, so daß diese um so weiter auf das Förderband heraufgelangen,
je weniger sie befüllt sind. Daraus ergibt sich, daß beispielsweise die Flasche
21', die bis
an die die Führschiene 4 mit der äußeren Fühnschiene
5 des Förderbandes 7 verbindende, gekrümmte Führschiene 5' herangelangt ist, stark
unterfüllt und die sich entlang der Führschiene 4 bewegende Flasche 21" geringfügig
unterfüllt ist, während die etwa. in der Mitte des Förderbandes 7 befindliche Flasche
21"' einen Unterfüllungsgrad aufweist, der zwischen dem Unterfüllungsgrad der Flaschen
21' und 21" liegt. Diese unterfüllten Flaschen werden dann durch den Bereich zwischen
Führschiene 5 und Führschiene 6 vom Förderband abtransportiert.
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Bei derartigen Anlagen muß das Förderband 1 häufig mit seiner Geschwindigkeit
an de-n Betriebszustand angepaßt werden, weil sich unvermeidbar immer Behälterstaus
ergeben, aufgrund derer dann die Fülleistung herabgesetzt wird, und weil insbesondere
beim Befüllen und Transportieren von Flaschen vermieden werden soll, daß benachbarte
Flaschen gegeneinanderstoßen und erheblichen Lärm erzeugen. Diese Regelung der Geschwindigkeit
des Förderbandes ist allgemein üblich und erfolgt durch entsprechende Steuerung
der Drehzahl des Motors 2. Der Motor 2.treibt eine auf einer nicht gezeigten Achse
befindliche Antriebsrolle (nicht dargestellt) für das Förderband 1, und mit dieser
Achse ist auch ein Taktgeber 17 verbunden, der beispielsweise pro Zentimeter Vorschubbewegung
des Förderbandes 1 einen Steuerimpuls erzeugt. Dazu kann der Taktgeber 17
beispielsweise
eine auf der nicht gezeigten Achse befestigte Lochscheibe aufweisen, an deren einer
Seite stationär . eine Lichtquelle und an deren anderer Seite ein Empfänger angeordnet
ist, so daß die so gebildete Lichtschranke bei dem Durchlauf der Löcher der Lochscheibe
jeweils einen Steuerimpuls abgibt, wobei der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender
Steuerimpulse voneinander einerseits durch den bekannten Abstand benachbarter Löcher
der Lochscheibe und andererseits durch. die Laufgeschwindigkeit des Förderbandes
1 bestimmt wird.
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Die Meßstation enthält einen schematisch dargestellten .Infrarot-Laser
14, etwa einen Laser für Licht von 904 nm der Firma RCA oder für Licht von 850 nm
der Firma Laser Diode Laboratories. Die Lichtblitze des Lasers treten durch einen
nicht gezeigten Schlitz aus, der sich auf der Linie 16 befindet und der der Strahlungseinrichtung
gegenüberliegenden Detektoreinrichtung 11 zugewandt ist. Diese Detektoreinrichtung,
die über Streben 13 fest mit dem Infrarot-Lase-r 14 verbunden ist, kann mittels
eines Handrades 12 in der Höhe verstellt werden, um auf diese Weise die Lage des
Schlitzes und damit die Lage des Strahlenganges des Infrarot-Lasers 14 auf die gewünschte
Höhe bezüglich der zu prüfenden Flaschen zu bringen. Ferner ist die Detektoreinrichtung
11 mit einem Steuerpult 15 verbunden, in dem sich die üblichen Schalter für die
verschiedenen
Betriebszustände (nicht dargestellt) sowie auch die noch zu beschreibende Schaltungsanordnung
befindet, die in nicht gezeigter Weise auch mit dem Infrarot-Laser 14 verbund.en
ist. Die Detektoreinrichtung 11 enthält einen Fotovervielfacher, etwa des Typs 7102
der Firma RCA, der eine großflächige Fotokathode hat und von dem vom Infrarot-Laser
14 angegebene Lichtblitze aufgenommen und verstärkt werden, um sie dann weiter zu
verarbeiten.
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Ferner ist auf der Linie 16 eine Lichtschranke üblicher Bauart vorhanden,
deren schematisch angedeutete Lichtquelle 22 in der Nähe des Infrarot-Lasers 14
und deren schematisch angedeuteter Empfänger 23 in der Detektoreinrichtung 11 angeordnet
sein kann und die bei Schwächung ihres Lichtstrahls infolge Durchtritts einer Flasche
einen Auslöseimpuls erzeugt.
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Wenn mit Hilfe des Infrarot-Lasers 14 und der Detektorein.richtung
11 der Füllstand einer Flasche oder eines anderen durchsichtigen oder durchscheinenden
Behälters ermittelt werden soll, so muß, um vergleichbare Ergebnisse für alle durchlaufenden
Flaschen zu erhalten, die Messung immer mit einer gleichen Anzahl von Lichtblitzen
erfolgen, die die Flaschen jeweils im gleichen Bereich beaufschlagen. Dies ist jedoch
wegen der unterschiedlichen Laufgeschwindigkeiten des Bandes nicht dadurch zu
erreichen,
daß man die Aktivierung des Infrarot-Lasers bei Unterbrechung des Strahlenganges
der Lichtschranke 22, 23 beginnt und in festgesetzten Zeitabständen wiederholt,
denn dann würde, abhängig von der Geschwindigkeit des Förderbandes 1, bei einigen
Flaschen über ihre gesamte Erstreckung in Förderrichtung und bei anderen Flaschen
über weniger als diese gesamte Erstreckung gemessen. Dies führte zwangsläufig zu
nicht vergleichbaren Ergebnissen. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten werden die
Lichtblitze des Infrarot-Lasers in besonderer Weise ausgelöst, wozu beispielsweise
die Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 dienen kann, die sich in dem Steuerpu.lt 15
befindet und deren Funktionsweise nachstehend in Zusammenhang mit dem Durchlauf
einer Flasche anhand vo-n Figur 2 näher beschrieben werden wird. In diesem Zusammehang
sei darauf hingewiesen, daß die in Figur 2 verwendete Abkürzung "IC" eine integrierte
Schaltung bezeichnet und daß die jeweilige Typenbezeichnung der verwendeten integrierten
Schaltung in Figur 2 unter der "IC-Nummer" angegeben ist.
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Zur Beschreibung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß
Figur 2 sei vom Durchlauf einer auf dem Förderband transportierten Flasche durch
den Raum zwischen Detektoreinrichtung 11 und Infrarot-Laser 14 ausgegangen.
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Wenn eine solche Flasche mit ihrem vorderen Ende die Linie 16 (Figur
1) erreicht, unterbricht bzw. schwächt sie den Lichtstrahl der Lichtschranke 22,
23, die einen Auslöseimpuls erzeugt. Die vordere positive Flanke dieses Auslöse
impulses wird dem Eingang 12 der IC 60 II in Figur 2 zugeführt, die ein Mono-Flop
ist. Diese Schaltung gibt an ihrem Ausgang 10 einen geformten Rechteckimpuls mit
einer Länge von einer Mikrosekunde ab, wobei die Dauer dieses Impulses durch das
Zeitglied aus Widerstand R3 und Kondensator C3 bestimmt ist. Dieser Impuls gelangt
an den Setzeingang 8 des aus einem RS-Flip-Flop bestehenden IC 24 II, deren Anschlüsse
9 und 10, wie durch Dreiecke angedeutet, an Masse liegen. Infolge des Impulses gibt
die IC 24 II über ihren Ausgang 12 eine Spannung ab, die einerseits die IC 60 II
über den Eingang 13 für weitere Trigger-Impulse sperrt und andererseits die ein
RS-Flip-Flop bildende- IC 25 II über deren Eingang- 10 freischaltet. Die Steuerimpulse
vom Taktgeber 17 werden kontinuierlich dem Eingang 4 der - IC 60 II zugeführt, die
am Ausgang 6 in entsprechender Folge Rechteckimpulse einer vom Zeitglied aus Widerstand
R4 und Kondensator C4 bestimmten Dauer von 1 Mikrosekunde abgibt, wobei der Abstand
der positiven Flanken benachbarter 1-Mikrosekunden-Impulse gleich dem Abstand der
positiven Flanken der Steuerimpulse und damit die Impulsfolge ein Maß fUr, die Bewegungsgeschwindigkeit
der zu untersuchen-
den Flasche ist. Die 1-Mikrosekunden-Impulse
vom Ausgang 6 der IC 60 I werden dem Eingang 3 bzw. dem Eingang 8 der IC 24 I und
der IC 25 II zugeführt, die beide RS-Flip-Flops bilden. Ein Zeitgebersignal in Form
von Rechtecktimpulsen mit einer Frequenz von 1,024 MHz wird sowohl dem Eingang 3
der IC 25 1 als auch dem Eingang 10 der einen Teiler bildenden IC 26 zugeführt.
Diese beiden Schaltungen bilden zusammen eine Zeitstufe, die nach Aktivierung beispielsweise
1 Millisekunde ' läuft. Diese Millisekunde wird dadurch festgelegt, daß der Teiler
IC 26 ein Teilerverhältnis von 1 : 1024 hat, so daß er nach Empfang von 1024 Impulsen
der Zeitgeberfrequenz von 1,024 MHz, also nach jeweils einer Millisekunde am Ausgang
15 einen Impuls abgibt. Dieser Vorgang beginnt, wenn die von der IC 24 II freigeschaltete
IC 25 II am Eingang 8 einen Impuls von einer Mikrosekunde erhält und dadurch am
Ausgang 12 die Freigabe für die IC 25 I und die IC 26 gibt. Die vordere Flanke des
Zündsignals am Ausgang 12 der IC 25 II bewirkt die Auslösung eines Lichtblitzes
des Infrarot-Lasers.
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Die IC 26 gibt nach dem Empfang von 1024 Impulsen ein Signal an den
Eingang 6 der IC 25, die an ihrem Ausgang 1 ein Rückstellsignal abgibt, das dem
Eingang 11 der IC 25 II zugeführt wird und dadurch das Zündsignal am
Ausgang
12 wegschaltet. Erst nach Auftreten eines weiteren 1-Mikrosekunden-Impulses am Eingang
8 gibt die IC 25 II wieder in der vorstehend beschriebenen Weise ein Zündsignal
ab.
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Der Rückstellimpuls am Ausgang 1 der IC 25 I gelangt auch an den Rückstelleingang
11 der IC 26 und stellt dadurch den Teiler zurück. Ferner wird dieser Rückstellimpuls
-dem Eingang 6 der ersten Stufe einer Zählkette aus setzbaren Abwärtszählern zugeführt,
die aus der IC 13 und der IC 11 bestehen und deren IC 13 über ihren Eingang 13 das-
Zeitgebersignal.als Synchronis-ier-signal zugeführt wird. Die Eingänge 5, 11, 14,
2 der Zähler dieser Zählkette aus binär kodierten Dezimalzählern sind, wie dargestellt,
mit einstellbaren, nur schematisch angedeuteten Schaltern verbunden, um einen Zählerstand
vorwählen zu können, wobei diese Zählkette in der Lage ist, bis zu 99 Zählschritte
auszuführen. Die mit den Eingängen 5, 11, 14, 2 der 10 11 und der IC 13 verbundene
IC 12 stellt ein Widerstandsnetzwerk dar, das die von den Schaltern nicht beaufschlagten
Zähleranschlüsse an Masse legt, um für diese Anschlüsse definierte Potentiale zu
schaffen.
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Diese von der IC 13 und der IC 11 gebildete Zählkette zählt bei jedem
Rückstellimpuls am Rückstelleingang der IC 26 und damit am Eingang 6 der IC 13 einen
Schritt von
dem voreingestellten Zählerstand abwärts, d.h. sie
zählt nach jeder Auslösung eines Lichtblitzes des Infrarot-Lasers einen Schritt
abwärts. Ist die mit dem Zähler voreingestellte Anzahl von Lichtblitzen erreicht,
gibt die IC 11 am Ausgang 12 einen Rückstellimpuls ab, der die IC 24 II über ihren
Eingang 11 rückstellt. Dadurch wird die IC 25 II vom Ausgang 12 der IC 24 II inaktiv
gemacht, so daß weitere Steuerimpulse vom Taktgeber 17 (Figur 1) nicht zur erneuten
Auslösung von Lichtblitzen des Infrarot-Lasers führen. Dies erfolgt erst dann wieder,
wenn der IC 60 II ein neuer Auslöseimpuls zugeführt wird, also eine neue Flasche
den Strahlengang der Lichtschranke 22, 23 (Figur 1) beeinflußt.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß beim Durchlauf
einer Flasche durch den Raum zwischen Detektoreinrichtung 11 und Infrarot-Laser
14 zunächst über einen Auslöseimpuls von der Lichtschranke 22, 23 die Schaltungsanordnung
gemäß Figur 2 "aktiviert" wird, so daß sie bei jedem Steuerimpuls vom Taktgeber
17, also bei jeder von der Dose zurückgelegten Wegeinheit am Ausgang 12 der IC 25
11 einen Zündimpuls für die Auslösung eines Lichtblitzes des Infrarot-Lasers erzeugt,
wobei die Auslösung mit Hilfe der Vorderflanke dieses Zündimpulses stattfindet und
die Dauer des Zündimpulses mit Hilfe der Zeitgeberfrequenz festgelegt wird, und
daß nach einer vorbe-
stimmten Anzahl von Zündimpulsen die Schaltungsanordnung
durch die Zeitstufe (IC 25 I, IC 26) wieder "inaktiv9 gemacht wird. Auf diese Weise
wird die die Meßstation durchlaufende Flasche, unabhängig von der Fördergeschwindigkeit
des Förderbandes 1, mit der gleichen Anzahl von Lichtblitzen des Infrarot-Lasers
beaufschlagt, und diese Lichtblitze treten immer an der gleichen Stelle der Flasche
auf, so daß die Meßergebnisse für alle Flaschen vergleichbar sind.
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Die vom Fotovervielfacher beim Durchlauf einer Flasche durch die Meßstation
abgegebenen Signale werden in bekannter Weise aufintegriert, und der erhaltene Wert
ist ein Maß dafür, ob die Lichtblitze des Infrarot-Lasers durch einen gefüllten
oder ungefüllten Bereich der Flasche hindurchge.treten sind.
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