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Vorrichtung und Verfahren zur Entnahme von Gas
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aus Dosen od. dgl. Packungen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Entnahme von Gas aus Dosen od. dgl. Packungen, insbesondere
zum Messen von Sauerstoff an schutzgasverpackten Lebensmitteln mit einer Nadel oder
einer entsprechenden Einsticheinrichtung.
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Vorrichtungen dieser Art bestehen im allgemeinen aus einem Nadelhalter
mit Injektionsnadel, welche mittels einer Plastikkapillare an ein Analysengerät
angeschlossen ist. Auf eine zu messende Packung wird ein Gummiseptum aufgeklebt
und in dieses die Injektionsnadel so weit eingestochen, daß Vakuum gezogen werden
kann, um das Analysengerät für eine Messung vorzubereiten. Die Nadel darf die Packung
keinesfalls beschädigen, denn das Gas soll erst bei vollem Vakuum -- bei dem die
Anzeige des Analysengerätes auf Null steht -- in das
Analysengerät
strömen. Ist volles Vakuum erreicht, wird die Nadel eingestoßen und das zu analysierende
Gas strömt in das Analysengerät.
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Dieses Verfahren hat sich in der Praxis als sehr kompliziert erwiesen
und erfordert einen einfühlsamen Benutzer mit großer Erfahrung; wird die Nadel zu
weit in die Packung eingebracht, wird ein Teil von deren Inhalt angesaugt, die Verbindungskapillaren
zum Analysengerät verstopfen mit der Folge, daß die Meßzelle beschädigt werden kann.
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Die beschriebene Vorrichtung kann durch ein Ventil unmittelbar hinter
der Nadel verbessert werden ; die Bedienung wird vereinfacht, denn die Nadel kann
nach dem Erreichen des Vakuums voll in die Nadel gestoßen werden.
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Nach dem anschließenden Öffnen des Ventils strömt das Gas in das Analysengerät.
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Auch hier verbleibt der Mangel, daß das Gummiseptum aufgeklebt werden
muß. Erfahrungsgemäß werden die Dichtungen des Ventils undicht, und das volle Vakuum
kann nicht mehr erreicht werden.
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Für Dosen, also Hartpackungen gibt es einen mit einer Gummidichtung
ausgestatteten Einstichdorn , der durch den Ausleger eines Bohrmaschinenständers
fest auf die zu prüfende Dose gepreßt wird. Nach dem Erreichen des Vakuums wird
ein weiterer Hebel am Ausleger nach unten gedrückt und der Einstichdorn durchstößt
die Dosenwandung - das zu analysierende Gas strömt in das Analysengerät.
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In diesem Falle biegt sich beim Einstich die Dosenwandung nach unten
durch. Der Anpreßdruck der Gummidichtung reicht nicht mehr aus und Luft strömt in
das Meßsystem.
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Auch in diesem Falle werden die Dichtungen am Einstichdorn undicht.
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Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt,
eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, dank
deren die schlechte Handhabung der bisher angewandten Entnahmetechniken behoben
wird, es soll ein sehr geringes Totvolumen erreicht werden, da die zu Verfügung
stehende Gasmenge einer Packung verhältnismäßig klein ist. Die Nadel soll leicht
zu betätigen und die Vorrichtung insgesamt -- unter Meidung anfälliger Dichtungen
-- einfach zu bedienen sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die Nadel von einem Saugnapf
umfangen sowie mit einer Dichtung verbunden ist, welche einen -- mit Anschlußkapillare
od.
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dgl. versehenen und bis zum Rand des Saugnapfes dichten-Bewegungsraum
für die Nadel begrenzt. Dabei soll letztere den Saugnapf mit Spiel durchsetzen,
also von ihm getrennt bewegbar sein.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Nadel in einer Bohrung
oder einer entsprechenden Ausnehmung geführt, welche ihrerseits bevorzugt einen
Tragkörper durchsetzt. Dieser schließt einends an die Dichtung sowie andernends
unter Zwischenschaltung eines weiteren Dichtelements an den Saugnapf an.
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Dank dieser Maßgaben entsteht -- nach dem Aufsetzen des Randes des
Saugnapfes auf eine geschlossene Fläche -- ein dichter Bewegungsraum für die Nadel,
welcher lediglich durch jene Anschlußkapillare an ein Analysengerät angeschlossen
werden kann.
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Zur besseren Handhabung sitzt der Saugnapf an einem Schraubelement,
welches lösbar am Tragkörper festliegt; zwischen letzterem und jenem Schraubelement
ist als Dichtelement ein O-Ring klemmend gehalten und keinerlei Bewegung ausgesetzt.
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Die den Bewegungsraum zum anderen Ende der Nadel hin begrenzende Dichtung
ist bevorzugt etwa tellerförmig ausgebildet und an ihrem Rand im Bewegungsraum klemmend
gehalten, wobei die axiale Erstreckung des Bewegungsraumes den Hub der Nadel bestimmt;
das Verstülpen der tellerförmigen Dichtung wird durch die Bewegung der Nadel hervorgerufen,
gleichzeitig erlaubt diese Dichtung die Rückstellung der Nadel und dient so als
Kraftspeicher Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, anstelle der tellerförmigen
Dichtung eine Axialdichtung ähnlich einer Sto pfbuchse zu verwenden, die ein geringeres
Totvolumen gestattet.
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Der Tragkörper ist zur vereinfachten Handhabung der Vorrichtung unter
Zwischenschaltung der Dichtung lösbar mit einem Halteorgan einer Druckeinrichtung
verbunden, an der ein Druckorgan axial oder achsparallel an die Nadel anschließbar
ist und deren axiale Bewegung veranlaßt.
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Hierzu ist die Nadel mit ihrem oberen Ende bevorzugt in einem Führungskolben
gelagert, der vom Druckorgan gegen eine Rückstellkraft in Druckrichtung -- also
in Einstichrichtung -- geführt wird. Diese Rückstellkraft wird -- wie beschrieben
-- beispielsweise von der tellerförmigen Dichtung angeboten.
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Der Führungskolben verläuft im Halteorgan und weist einen Anschlag
für jenes Druckorgan auf, bevorzugt eine Anschlagschulter für eine Druckstirn des
dann stegartig ausgebildeten Druckorganes.
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Das Druckorgan ist erfindungsgemäß in der Bewegungsbahn einer Feder
vorgesehen, die von einer Verriegelung in einer Spannlage gehalten und aus dieser
in eine Druckstellung überführbar ist. Dieses Druckorgan wird erfindungsgemäß von
einem Gehäuse aufgenommen, welches einerseits die an einen Kraftspeicher angeschlossene
Verriegelung enthält sowie zum anderen einen Spannhebel, mit dem die Feder -- bevorzugt
eine einseitig eingespannte Blattfeder -- in ihre Spannlage überführt wird.
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Wird die Verriegelung gelöst, stößt das freie Ende der Blattfeder
schlagartig jenen Drucksteg abwärts und damit die Nadel in eine angelegte Packung.
Das Gehäuse einschließlich der Druckeinrichtung ist äußerst handlich und in seiner
Wartung unkompliziert.
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Dem Gehäuse ist ein Druckaufnehmer zugeordnet, bevorzugt in das Gehäuse
integriert, sowie an eine Auswertein-richtung angeschlossen - als Auswerteinrichtung
ist ein Drucker vorgesehen.
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Die Anschlußkapillare enthält ein Sperrorgan, welches mit dem Gehäuse
verbunden sein kann und den Bewegungsraum für die Nadel von einer Meßzelle trennt,
in welcher die Anschlußkapillare mündet.
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Bevorzugtermaßen befindet sich in einer Zweigleitung der Anschlußkapillare
wenigstens ein Ventil, von dem eine Vakuumleitung zu einem Vakuumerzeuger führt.
Außerdem ist die Vakuumleitung unter Zwischenschaltung eines weiteren Ventiles an
ein Ansaugfilter angeschlossen.
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Die Meßzelle ist im Rahmen der Erfindung anderseits mit einem 0 2-Analysegerät
verbunden, welches an die bereits genannte Auswerteinrichtung angeschlossen sein
kann.
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Die beschriebene Vorrichtung erlaubt eine universelle Gasentnahme
aus allen Verpackungsarten für unter Schutzgas stehende Lebensmittel: .Vakuumpackungen
für Kaffee,Käse und dgl., ,.Packung mit atmosphärischem Druck (drucklos), ,..Überdruckpackungen,
die vorwiegend in der Getränkeindustrie Verwendung finden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem sowohl für Weichpackungen
als auch für Hartpackungen wie Dosen und Flaschen heranzuziehen.
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Als wesentliche Teile der beschriebenen Vorrichtung ist die mit dem
Saugnapf und der Druckeinheit gekuppelte Nadel anzusehen sowie die mit ihr verbundene
leckagesichere Membrandichtung, welche das Eindringen von Falschluft verhindert.
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Durch die Kraft- oder Druckeinheit in beschriebener Ausführung wird
die Spitze der Nadel in die Packung hineingeschossen.
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Der genannte elektrische Druckaufnehmer mit kleinem Totwolumen wird
bevorzugt im Gehäuse selbst untergebracht, um in Vakuumpackungen Druckmeßungen durchführen
zu können. Diese Meßung ist für die Qualitätskontrolle von Bedeutung, um Abfüll-
und Verschließeinrichtungen der Verpackungsmaschine überprüfen zu können.
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Durch den Einbau des DruckauFnehmers in die Gasen t nahme -vorrichtung
mit einem lotwolumen kleiner 1 ml und durch das Sperrorgan zwischen Entnahmevorrichtung
und Analysator wird das in der Packung befindliche Vakuum gemessen - eine Meßgröße,
welche für die Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie von Bedeutung ist,
um die einwandfreie Funktion der Verpackungsmaschine testen zu können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß auf
die Packung der Saugnapf aufgesetzt und an dessen Innenraum ein Vakuum angelegt
wird, wonach das freie Ende der Nadel aus dem evakuierten Raum in die Packung schlagartig
eingbracht und das Gas der Packung zum Analysegerät geführt wird. Dabei soll vor
dem Einbringen der Nadel ein Enddruck von etwa 4 mbar aufgebaut und nach dem Einschießen
der Nadel der Druck in der Packung gemessen werden.
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Hiernach wird erfindungsgemäß das Totvolumen des Analysegerätes zugeschaltet
und der Druck in der Packung nochmals gemessen.
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Drr O2-Meßwert wird er erfindungsgemän über den vom Drucker eingebauten
Mikroprozessor durch den Druckunterschied zwischen w 1' c h e n der ersten und der
zweiter Druckmessung auf den für den Druck in der Packung richtigen Wert in mbar
02 korrigiert.
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Um die Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Überdruckpackungen
und Packungen mit unebener Oberfläche zu erleichtern, hat es sich als günstig erwiesen,
dem Saugnapf eine Umhüllung in Form eines Balges zuzuordnen, der e i ne n d s an
die Entnahmeeinrichtung angeschlossen ist sowie andernends eine freie Sitzkante
aufweist, welche zusätzlich zum Saugnapf auf die Wandung einer zu prüfenden Packung
aufgesetzt werden kann.
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Vorteilhafterweise ist der Balginnenraum an eine Vakuumpumpe od. dgl.
angeschlossen, so daß an ihn ein Vakuum -- im bevorzugten Bereich von 200 mbar --
angelegt werden kann. Zur Regulierung des Vakuums kann dem Ba lgraum bzw.
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einer in ihn mündenden Vakuumleitung ein Nadelventil zugeordnet sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnung; diese zeigt in: Fig. 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Gasentnahmevorrichtung mit angeschlossenen Meßeinrichtungen; Fig. 2: eine vergrößerte
Seitenansicht eines Details der Fig. 1 mit Druckteil und Entnahmeeinheit; Fig. 3:
einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2 in geschnittener Wiedergabe mit einer Nadel
der Entnahmeeinheit in Ruhelage; Fig. 4: den Ausschnitt nach Fig. 3 mit in Betriebsstellung
angeordneter Nadel und einer teilweise dargestellten Verpackung (linke Figurenhälfte).
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Fig. 5: einen gegenüber Fig. 4 vergrößerten Teilquerschnitt, geschnitten
in deren Linie V -Fig. 6: einen Teil der Fig. 1 mit einem zusätzlichen Detail; Fig.
7: eine vergrößerte Wiedergabe des Details der Fig. 6 in einer der Fig. 3 ähnlichen
Darstellung.
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In Fig. 1 ist oberhalb einer Lebensmittelpackung 1, bevorzugt einer
Kaffee enthaltenden Schachtel, eine Gasentnahrnevorrichtung 10 aus einem Druck teil
11 und einer Entnahmeeinheit 12 erkennbar.
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Der Druckteil 11 weist ein quaderförmiges flaches Gehäuse 13 mit seine
Seitenwände 14 durchsetzendem Griffloch 15 und von seiner schmalen Oberseite 16
abstehendem Spannhebel 17 auf, dessen Funktion weiter unten beschrieben wird.
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An der Gehäuserückseite 18 ist ein Sperrorgan 22 angebracht, von dem
eine Kapillare 24 zu einer Meßzelle 25 für 02 geführt ist. Letztere ist mittels
einer Leitung 26 an einen elektronischen 02Analysator 27 und dieser an einen Drucker
28 mit Mikroprozessor angeschlossen.
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Vor jener Meßzelle 25 geht von der Kapillare 24 eine Vakuumleitung
30 zu einer Vakuumpumpe 31. Eine Querleitung 32 der Vakuumleitung 30 schließt diese
einerseits an ein Kontroll-Vakuummeter 33 sowie anderseits an einen Ansaugfilter
34 zur Pumpenentlastung an.
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Zwischen diesem und der Vakuumleitung 30 sitzt ein Magnetventil 36,
ein weiteres Magnetventil 37 findet sich in der Vakuumleitung 30 nach deren Anschluß
29 an die Kapillare 24.
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Im Druckteil 11 ist bei 40 ein elektrischer Druckaufnehmer angedeutet,
den ein Kabel 41 mit dem Drucker 28 verbindet.
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Die Entnahmeeinheit 12 ist mit einem Haltezylinder 51 an den Druckteil
11 angeschlossen. In einer unteren Gewindeöffnung 52, die an einen axialen Kanal
des Haltezylinders 51 anschließt, ist ein Schraubkörper 55 eingesetzt, dessen --
in Fig. 3,4 oben liegende-Stirnfläche 56 zu einer axialen Bohrung 57 eines Durchmessers
d von beispielsweise 3 mm (Fig. 5) hin mit einer zentrischen Trichtermulde 58 ausgestattet
isteine gegenläufige trichterartige Einformung 54 weist der Haltezylinder 51 auf.
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Die Einformung 54 begrenzt mit der Trichtermulde 58 des Schraubkörpers
55 einen Bewegungsraum 60 für eine tellerförmige Dichtung 61, die mit einem Wulst-
oder Kederrand 62 in eine entsprechende Ringnut 63 eingespannt ist - letztere wird
von Teilnuten in der Stirnfläche 56 und in einer Anschlagfläche 59 des Haltezylinders
51 gebildet.
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Statt der beschriebenen Tellerdichtung 61 ist bei einem in der Zeichnung
nicht wiedergegebenen Ausführungsbeispiel eine Axialdichtung -- ähnlich einer Stopfbuchse
-- mit gegenüber der Tellerdichtung 61 geringerem Totvolumen vorgesehen.
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Die Dichtung 61 umgibt den Schaft einer in Längsachse A der Entnahmeeinheit
12, d. h. in der Bohrung 57 bewegbaren Nadel 70, die gemäß Fig. 5 -- bis zur Dichtung
61 hin -- eine Abflachung 71 in Form eines Querschnittsegmentes aufweist sowie mit
ihrem oberen Ende in einem Führungskolben 64 festliegt, an dem auch jene Dichtung
61 angebracht ist; erkennbar ist der Kolbenhub durch die Bewegungshöhe h der Dichtung
60 -- abzüglich deren Dicke -- bestimmt.
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An einem Außengewinde 66 eines axialen Bolzenteils 67 des Schraubkörpers
55 ist unter Zwischenschaltung eines O-Rings 68 eine Überwurfmutter 69 festgelegt,
welche einen die Nadel 70 umgebenden Saugnapf 74 trägt.
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Die Nadel 70 sowie der verbundene Luftraum aus Bohrung 57 und Bewegungsraum
60 sind gegenüber der Atmosphäre dicht, wenn die Nadel 70 mit ihrer schrägen
Endschneide
72 eine Wandung 2 der Lebensmittelpackung 1 durchsetzt und deren Einstichloch 3
vom Rand 75 des Saugnapfes 74 umgeben ist. Aus diesem Luftraum 57/60 führt eine
Kapillare 77 durch das Gehäuse 13 zu jenem Sperrorgan 22, also zu der bereits beschriebenen
Kapillare 24.
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Um den Führungskolben 64 aus der Ruhelage nach Fig. 3 in die Gebrauchsstellung
der Nadel 70 gemäß Fig. 4 zu überführen, greift ein Drucksteg 43 mit einer Druckstirn
44 an einer Schulter 65 des Führungskolbens 64 an; beim Ausführungsbeispiel der
Fig. 4 steht neben dem Drucksteg 43 eine Steganformung 45 des Führungskolbens 64.
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Dieser Drucksteg 43 ist Teil eines spannbaren Federwerkes des Druckteils
11; dieses Federwerk ist in Fig.2 lediglich angedeutet. Steht der Spannhebel 17
in der dort gezeigten Schrägstellung, ist das Federwerk geladen; eine gespannte
Blattfeder 46 drückt auf einen Mitnehmer 47 jenes dann in Ruhelage angeordneten
Drucksteges 43.
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Durch Druck auf einen Riegel 48 in Auslöserichtung x wird ein Rasthebel
49 verschwenkt, der gegen die Kraft einer Spreizfeder 50 den Drucksteg 43 freigibt;
dieser schnellt dank der sich entspannenden Blattfeder 46 in Druckrichtung y abwärts
und nimmt den Führungskolben 64 mit, der die von dem vorher auf die Lebensmittelpackung
1 aufgesetzten Saugnapf 74 umgebene Nadel 70 schlagartig durch die Wandung 2 treibt.
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Zur 02-Messung wird die in Fig. 1 verdeutlichte Meßeinrichtung eingeschaltet,
die Vakuumpumpe 31 läuft und der 02-Analysator 27 zeigt die atmosphärische Sauerstoffkonzentration
von 20,9 Vol.°Ó an, bei 760 Torr Luftdruck.
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Nun wird das beschriebene Federwerk des Druckteils 11 mittels des
Spannhebels 17 gespannt, der Saugnapf 74 auf die zu prüfende Packung 1 aufgesetzt
und die Meßeinrichtung in die Position "Vakuum" geschaltet. Das Magnetventil 36
wird geschlossen und Magnetventil 37 geöffnet. Das bis zum Saugnapf 74 anstehende
Vakuum zieht letzteren auf die Packung 1, und die Anzeige des Analysators 27 bewegt
sich zum Nullpunkt. Bei Erreichen des Enddruckes 4 mbar, der über das mechanische
Vakuummeter 33 angezeigt wird, ist die Anzeige des 02-Analysators 27 auf Null, bzw.
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0,1 Vol. 02 (4 mbar Enddruck = ca. 0,08 Vol.°Ó °2) Ist der Analysator
27 bei einer Anzeige von 0,1 Vol.
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2 und zeigt das Vakuummeter 33 den Enddruck von 4mbar an, wird die
Meßeinrichtung in die Position "Messen" geschaltet. Magnetventil 37 schließt und
Magnetwentil 36 öffnet. Der beschriebene Auslösemechanismus des Federwerkes des
Druckteils 11 bzw. dessen Riegel 48 wird betätigt und die Nadel 70 in die Packung
1 geschossen.
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Durch die spezielle Formgebung der Nadel 70 strömt das Gas der Packung
1 an der Nadel 70 vorbei in die Meßzelle des Analysators 27. Der 02-Meßwert wird
in einigen Millisekunden angezeigt.
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Über den im Analysator 27 vorhandenen Meßwertausgang kann der Drucker
28 angesteuert werden, der den Meßwert digital ausdruckt. Um gewisse Nachteile bei
der Überprüfung von Vakuumpackungen 1 auszuschließen, ist der Drucker 28 mit einem
Mikroprozessor ausgerüstet. Das gesamte Totvolumen der Meßeinrichtung beträgt ca.
4ml.
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Dieses Totvolumen wirkt sich bei 02-Messungen in Vakuumpackungen 1
nachteilig aus. Je nach Packungsvolumen und vorhandenem Vakuum in der Packung 1
wird der Meßwert mehr oder weniger durch das Totvolumen der Meßeinrichtung verfälscht.
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Durch den Einbau des elektrischen Druckaufnehmers 40 in die Gasentnahmevorrichtung
10 mit einem Totvolumen kleiner 1 ml und einem Handventil als Sperrorgan 22 zwischen
Entnahmeeinheit 12 und Meßzelle 25 wird das in der Packung 1 befindliche Vakuum
aemesn.
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Nach Aufbau des Enddruckes von 4 mbar wird das Sperrorgan 22 an der
Gasentnahme geschlossen und die Nadel 70 eingeschossen. Nun erfolgt die Messung
des Druckes in der Packung 1, die vom Drucker 28 registriert wird.
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Nach dem Öffnen des Sperrorgans 22 an der Gasentnahme wird das Totwolumen
der Meßeinrichtung von 4 ml zugeschaltet. Der Druck reduziert sich um 4 ml bei 4
mbar.
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Eine zweite Druckmessung erfolgt - mit gleichzeitiger Registrierung
durch den Drucker 28. Der 02 meßwert wird über den im Drucker 28 eingebauten Mikroprozessor
durch
das sich ergebende Delta -p -- also den Druckunterschied zwischen der ersten und
der zweiten Druckmessung -- auf den dem Druck in der Packung richtigen Wert in mbar
0 2 korrigiert. Die Registrierung auf dem Drucker 28 erfolgt in mbar 02.
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Falls gewünscht, kann auch der 02Wert in Vor.% O2 ausgedruckt werden.
Auch mag über das registrierte Delta-p der Druckmessungen das Restgasvolumen der
Packung 1 ermittelt werden unter Bezugnahme des konstanten und bekannten Totvolumens
der Meßeinrichtung.
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Somit kann man an schutzgasverpackten Lebensmitteln eine 02-Messung
mit universeller Gasentnahme problemlos durchführen.
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In Fig. 6 ist an der Entnahmeeinheit 12 eine flexible Umhüllung 80
des beschriebenen Saugnapfes 74 zu erkennen, der beim Ausführungsbeispiel der Fig.
7 mit Paßsitz in einer entsprechenden Ausnehmung 79 des Schraubkörpers 55 festgelegt
ist.
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Die Umhüllung 80 umfängt mit einem Manschettenteil 81 den Schraubkörpers
55; an den Manschettenteil 81 ist ein dünnerwandiger Balg 82 angeformt, von dem
eine Falte bei 83 angedeutet und dessen Sltzkante mit 84 bezeichnet ist.
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Den Schraubkörper 55 durchsetzt ein längsschnittlich L-förmiger Kanal
86, der einerseits bei 87 im Balgraum 85 mündet sowie andernends als Radialstutzen
88. An letzteren schließt ein Schlauch 90 an, der zu einer Vakuumpumpe 31 a für
200 mbar absolut führt.
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In Fig. 6 ist vor der Vakuumpumpe 31 ein Abzweig 91 a der Leitung
90 (Querschnitt 4 x 8 mm) zu erkennen; dieser Abzweig 91 führt zu einem ein an den
Balgraum 85 angelegtes Vakuum regulierendes Nadelventil 92; der vom Balg 82 gebildete
Großsauger kann an die Wandung 2 mit einer Haltekraft von etwa 6000 gr.
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festliegen.