DE4410515C2 - Kontrollvorrichtung für Füllstände - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontrollvorrichtung für Füllstände von im Inneren von Behältern vorhandenem Füll­ gut, mit einer Sendevorrichtung für eine Meßstrahlung und zu­ mindest einem zugeordneten ersten Empfänger, der je nach Füllstand des Füllgutes unterschiedliche Meßsignale ausgibt, wobei die Sendevorrichtung zumindest einen ersten Meßstrahl in einem Licht-Wellenlängenbereich aussendet und wobei der erste Meßstrahl sowie der zugeordnete erste Empfänger räum­ lich so zueinander ausgerichtet sind, daß der Meßstrahl zu­ mindest teilweise auf den Empfänger auftrifft, wenn sich kein Behälter in dem Meßstrahl befindet, wobei der Behälter zur Füllstandskontrolle durch den Meßstrahl hindurchbewegt wird, der bei Abwesenheit von Füllgut in seinem Weg durch das Innere des Behälters ebenfalls zumindest teilweise auf den Empfänger auftrifft.

Eine derartige Kontrollvorrichtung ist aus der DE 39 13 730 A1 bekannt.

Füllstandskontrollvorrichtungen werden z. B. überall dort be­ nötigt, wo Füllgut in automatischen Abfüllvorrichtungen ohne direkte menschliche Überwachung in Behälter gefüllt werden soll. Bei diesem Füllgut handelt es sich zum Beispiel um Getränke, Milchprodukte, pflanzliche und industrielle Öle etc..

Es ist aus der Praxis bereits bekannt, als Meßstrahlung γ- Strahlung zu verwenden und mit einem entsprechenden Detektor die empfangenen Signale auszuwerten. Insbesondere vor dem Hintergrund des Umweltschutzes und des steigenden Gesund­ heitsbewußtseins findet diese Füllstandskontrollvorrichtung jedoch nur noch wenig Akzeptanz. Darüberhinaus gibt es Ent­ sorgungsprobleme der radioaktiv kontaminierten Teile.

Ferner ist es aus der Praxis bekannt, ein Meßverfahren auf Hochfrequenzbasis zu verwenden, bei dem der Effekt ausgenutzt wird, daß Flüssigkeiten durch kapazitive Kopplung zu einer Verschiebung der Frequenz der jeweiligen HF-Strahlung führen können. Hier ist jedoch von Nachteil, daß sich insbesondere in den erwähnten automatischen Abfüllvorrichtungen außen an den Behältern Füllgutreste befinden, die genauso wie die oft hohe Umgebungsfeuchtigkeit zu Störsignalen führen, die die Messung merklich verfälschen können.

Übliche Durchlichtverfahren, wie sie z. B. aus der Frisch­ eikontrolle bekannt sind, scheitern an den Beugungs-, Brechungs- und Reflexionseffekten, denen Licht beim Durchgang durch die Behälter ausgesetzt ist. Automatische Abfüllanlagen verarbeiten nämlich in der Regel sehr unterschiedliche Be­ hälter und das verschiedenste Füllgut, wobei mehrmals am Tage zwischen unterschiedlichen Behältern und/oder unterschied­ lichem Füllgut gewechselt wird.

Wegen der unregelmäßigen Außenkonturen der meisten Behälter im Übergangsbereich zwischen Körper und Deckel des Behälters, also im Bereich der Schulter und des Halses, sowie wegen der unterschiedlichen optischen Eigenschaften der verschiedenen Behälter und Füllgutarten waren Füllgutkontrollen im Durch­ lichtverfahren bisher nicht allgemein anwendbar.

Aus der DE 31 28 094 A1 ist weiterhin ein Verfahren zum Messen des Füllstandes von durchsichtigen oder durchscheinen­ den Behältern bekannt. Hierbei werden die auf einem Förder­ band entlang einer Meßstation bewegten Behälter jeweils mit einer vorbestimmten Anzahl von in zeitlichem Abstand aufein­ ander folgenden Lichtblitzen aus einem Infrarot-Laser beauf­ schlagt. Die in einem vorgegebenen Flächenbereich aus dem Behälter austretenden Lichtblitze gelangen auf die Foto­ kathode eines Fotovervielfachers, dessen einem Behälter zu­ geordnete Ausgangssignale aufintegriert werden. Aus dem erhaltenen Integrationswert soll sich ermitteln lassen, ob die Beaufschlagung mit Lichtblitzen in einem gefüllten oder einem ungefüllten Bereich des Behälters erfolgte. Ausgelöst werden die Infrarot-Blitze durch eine Lichtschranke üblicher Bauart.

Weiterhin ist aus der DE 24 37 798 C2 eine Vorrichtung zur Prüfung von Flaschen bezüglich ihres Füllstandes bekannt. Die Vorrichtung weist eine erste Lichtquelle und einen ersten Lichtempfänger auf, zwischen denen die zu prüfenden Flaschen hindurchwandern und dabei einen ersten Lichtstrahl schneiden, der senkrecht zur Flaschenachse verläuft. Weiterhin weist die Vorrichtung eine zweite Lichtquelle und einen zweiten Licht­ empfänger auf, zwischen denen die zu prüfenden Flaschen eben­ falls hindurchwandern und dabei einen zweiten Lichtstrahl schneiden. Die erste Lichtquelle und der erste Lichtempfänger sind in Höhe des Flaschenhalses oberhalb des normalen Füll­ standsniveaus angeordnet. Der zweite Lichtstrahl verläuft geneigt zum Füllstandsniveau und trifft auf eine von der Zylinderform abweichende Flaschenwand auf. Ein weiterer Lichtempfänger, der Licht von der ersten Lichtquelle empfängt, ist vorgesehen, um die Flaschenposition für den Signalabruf zu bestimmen, dient also mit anderen Worten zur Triggerung des Meßvorganges.

Allgemein wird angestrebt, die Füllung der Behälter mit einem beliebigen Füllgut auf die Einhaltung gewisser Grenzen, also auf Über- und/oder Unterfüllung zu kontrollieren. Dabei sollen auch Merkmale der Behälter selbst wie z. B. die Außen­ kontur erfaßt und möglicherweise andere Merkmale des Füll­ gutes gemessen und kontrolliert werden. Dieser Vorgang muß berührungslos und mit hoher Geschwindigkeit erfolgen, um den Füllvorgang in der automatischen Abfüllanlage nicht zu ver­ zögern.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kontrollvorrichtung der eingangs genannten Art dahin­ gehend weiterzubilden, daß sie bei einem störsicheren und umweltfreundlichen Betrieb für verschiedenste Behälterarten und -formen sowie unterschiedliches Füllgut geeignet ist und bei einfachem Aufbau im Betrieb schnell umgerüstet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der erste Meßstrahl in einem infraroten Wellenlängenbereich aus­ gesendet wird, daß die Sendevorrichtung einen zu dem ersten Meßstrahl versetzten zweiten Meßstrahl in einem infraroten Wellenlängenbereich aussendet, wobei der zweite Meßstrahl zumindest teilweise auf einem zugeordneten zweiten Empfänger auftrifft, wenn sich kein Behälter in dem zweiten Meßstrahl befindet, und daß der erste oder der zweite Meßstrahl zur Triggerung der Auslesung der Empfänger verwendet wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Durch die Verwendung von Licht aus einem infraroten Wellenlängenbereich ist die neue Kontroll­ vorrichtung besonders umweltfreundlich, Rückwirkungen auf das Bedienungspersonal, das einzufüllende Füllgut oder die umgebenden Geräte sind nahezu ausgeschlossen.

Der Erfinder hat nämlich erkannt, daß dieser Wellenlängen­ bereich verwendbar ist, da nahezu alle Behälter im Infraroten durchlässig sind, wobei sich weiter auswirkt, daß die Ver­ wendung von Glasbehältern wieder zunimmt.

Die neue Kontrollvorrichtung ist auch sehr störsicher, denn zwischen den Messungen erfolgt sozusagen eine Selbst­ kontrolle, bei der das Vorhandensein und die Intensität des Meßstrahles mit dem ersten Empfänger überprüft werden können. Der Strahl muß nämlich zwischen zwei Behältern wieder auf den Empfänger treffen, wobei durch Überwachung der erforderlichen Intensität eine evtl. auftretende Verschmutzung von Filter­ scheiben etc. oder eine elektrische Fehlfunktion festgestellt werden kann.

Nur dann, wenn sich kein Füllgut im Weg des Meßstrahles durch das Innere des Behälters befindet, trifft der Meßstrahl wieder auf den Empfänger auf, der somit das Fehlen des Füll­ gutes im Bereich des Meßstrahles anzeigt. Andererseits trifft der Meßstrahl dann nicht auf den Empfänger auf, wenn sich in seinem Weg durch den Behälter Füllgut befindet. Auf diese Weise kann die neue Kontrollvorrichtung entweder zum Fest­ stellen einer Überfüllung (Meßstrahl trifft den Empfänger nicht) oder einer Unterfüllung (Meßstrahl trifft den Empfänger) verwendet werden.

Dies gilt überraschenderweise für alle in Betracht kommenden Behälterformen, denn der Erfinder hat gefunden, daß für die Zwecke der hier erforderlichen Genauigkeit die sphärische Form der Behälterwände am Eintritts- und Austrittsort des Meßstrahles jeweils hinreichend als planparallele Platte an­ gesehen werden kann, so daß der Versatz des Meßstrahles infolge der Brechung an den optischen Grenzflächen bei seinem Eintritt in den Behälter durch den entgegengesetzten Versatz bei seinem Austritt kompensiert wird. Dies gilt dann, wenn das Medium außerhalb des Behälters und das Medium im Weg des Meßstrahles im Inneren des Behälters einen sehr ähnlichen Brechungsindex gegen Vakuum aufweist.

Hierzu ist es lediglich erforderlich, daß der Behälter im Bereich des Meßstrahles spiegelsymmetrisch zu einer quer zu dem Meßstrahl im Inneren des Behälters verlaufenden Ebene ist, was jedoch z. B. von allen rotationssymmetrischen oder auch flachen Behältern erfüllt wird. Hierbei kann weiter aus­ genutzt werden, daß der Meßstrahl, der bei seinem Weg durch den Behälter die Behälterwand zweimal durchquert, in seiner Intensität verändert wird, so daß eine Beurteilung der Eigen­ schaften des Behälters anhand der gemessenen Intensität des Meßstrahles möglich ist.

Befindet sich dagegen Füllgut im Weg des Meßstrahles, so wird dieser so gebrochen, daß er den Empfänger nicht mehr trifft. Damit ist eine digitale Ja/Nein-Entscheidung für alle Behälter möglich, wobei der Wechsel zwischen verschiedenen Füllstandshöhen dadurch erreicht wird, daß die Höhe des Meßstrahles z. B. bezogen auf ein Förderband verstellt werden muß, auf dem die zu kontrollierenden Behälter herantransportiert werden. Die Art des Füllgutes selbst spielt dabei keine Rolle, es muß lediglich einen Brechungsindex aufweisen, der von dem von Luft verschieden ist. Auch ein Querversatz der Behälter auf die Sendevorrichtung zu oder von der Sendevorrichtung weg, also im Verlauf des Weges des Meßstrahles, wirft keine Probleme auf.

Hier sei noch bemerkt, daß mögliche Verluste durch Reflexion und Absorption durch genügend hohe Intensität des Meßstrahles bzw. entsprechende Empfindlichkeit des Empfängers ausgeglichen werden können. Die optischen Absorptionseigenschaften der Behälter treten damit in den Hintergrund.

Zusammengefaßt beruht die Kontrollvorrichtung auf dem Prinzip, daß der Meßstrahl den Empfänger trifft, wenn kein Füllgut in seinem Weg vorhanden ist, und daß er den Empfänger nicht mehr treffen kann, wenn Füllgut vorhanden ist. Dieses Verfahren erlaubt also auch die Messung von für den Meßstrahl undurchlässigen Füllgütern, z. B. die Messung von Feststoffen wie z. B. Brei, Joghurt etc..

Weiterhin ist von Vorteil, daß die neue Kontrollvorrichtung durch die zwei Sender/Empfängerpaare eine erweiterte Meß­ möglichkeit erfährt, statt einer reinen Ja/Nein-Entscheidung kann jetzt eine Überfüllungs- und Unterfüllungskontrolle durchgeführt werden. Der Abstand zwischen den beiden Meß­ strahlen ist dann der Toleranzbereich, der für "gut" gefüllte Behälter vorgegeben wird. Mit anderen Worten, bei einem gut gefüllten Behälter muß der erste Meßstrahl den ersten Empfänger treffen während der zweite Meßstrahl, der tiefer verläuft als der erste Meßstrahl, den zweiten Empfänger nicht treffen darf.

Dabei ist es bevorzugt, wenn zumindest ein weiterer Empfänger vorgesehen, der räumlich so zu einem Meßstrahl angeordnet ist, daß dieser zumindest teilweise und zeitweise auf den weiteren Empfänger auftrifft, wenn sich Füllgut in dem Weg des Meßstrahles durch das Innere des Behälters befindet.

Hier ist von Vorteil, daß auch die Art des Füllgutes kontrolliert werden kann. In Abhängigkeit von dem Brechungsindex des Behälters und dem des Füllgutes wird nämlich der Meßstrahl in eine bestimmte Richtung durch Brechung abgelenkt, so daß dort mittels des weiteren Empfängers der jeweilige Meßstrahl aufgenommen werden kann. Der Ort des Empfängers hängt von dem Behälter und von dem Füllgut ab, so daß der entsprechend angeordnete weitere Empfänger den Meßstrahl nur dann sicher aufnimmt, wenn der richtige Behälter mit dem richtigen Füllgut gefüllt wird. Damit ist eine weitere Kontrolle möglich, die insbesondere bei automatischen Abfüllanlagen von Vorteil ist, bei denen häufig die Behälter und das Füllgut gewechselt werden.

Darüberhinaus kann die Intensität des Meßstrahles mit dem zweiten Empfänger gemessen werden, wodurch weitere Aussagen möglich sind. Dies ist z. B. überall dort hilfreich, wo bei der Abfüllung Schaum entsteht, wie z. B. bei Fruchtsäften oder Bier. Auch dieser Schaum wirkt wie ein Füllgut und lenkt den Meßstrahl von dem zugeordneten Empfänger ab. Wegen der Streueffekte trifft auch dieser abgelenkte Meßstrahl zumindest teilweise oder zeitweise auf den weiteren Empfänger. Bei einer Unterfüllung des Behälters mit Füllgut und einem beträchtlichen Überstand an Schaum kann es somit nicht mehr zu einer Fehlentscheidung kommen, denn der weitere Empfänger entscheidet z. B. anhand der gemessenen Intensität, ob es sich tatsächlich um das gewünschte Füllgut oder um Schaum handelt.

Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn zumindest für zwei Meß­ strahlen je ein weiterer Empfänger vorgesehen ist.

Hier ist von Vorteil, daß der "Schaumeffekt" ganz ausgeblendet wird. Auch die Abfüllung eigentlich nicht störender Schaumüber­ stand über einem "richtigen" Füllstand führt jetzt nicht zu einer Fehlermeldung im Sinne einer Überfüllung, denn der dem oberen Meßstrahl zugeordnete weitere Empfänger erkennt, daß sich in dem Weg des oberen Meßstrahles kein Füllgut sondern Schaum befindet.

Mit Hilfe zweier Meßstrahlen, zweier zugeordneter Empfänger und zweier weiterer Empfänger kann jetzt jede Art von Fehl­ abfüllung erkannt werden, weil die geometrischen Anordnungen der Meßstrahlen und der Empfänger an die Behälter und das Füllgut anpaßbar sind.

Ferner ist es bevorzugt, wenn zumindest ein zusätzlicher Empfänger vorgesehen ist, der räumlich so zu einem Meßstrahl angeordnet ist, daß dieser zumindest teilweise und zeitweise auf den zusätzlichen Empfänger auftrifft, wenn er durch einen Wandbereich des Behälters hindurchgeht, ohne in dessen Inneres einzutreten.

Auf diese vorteilhafte Weise ist auch eine Kontrolle der Außenkontur des Behälters möglich. Der Verlauf des Meßstrahles durch den Wandbereich des Behälters hängt nämlich von den geometrischen Bedingungen ab, so daß auch hierdurch erkannt werden kann, ob sich der richtige Behälter im Meßstrahl befindet. Das Signal des zusätzlichen Empfängers kann auch als Trigger- Signal verwendet werden, das die Auswertung der Signale der zugeordneten und weiteren Empfänger startet.

Insgesamt ist es bevorzugt, wenn die Sendevorrichtung eine zeilenartige Anordnung von Sendern umfaßt und/oder wenn zumindest einige der Empfänger zeilenartig angeordnet sind.

Hier ist von Vorteil, daß zusätzlich oder alternativ zu der mechanischen Verstellung der Sendevorrichtung und/oder der Empfänger eine Art "elektrische" Verstellung möglich ist. Aus den beiden Zeilenarrays werden Sender/Empfänger-Paare je nach den geometrischen Vorgaben ausgewählt. Befinden sich z. B. zehn Sender übereinander angeordnet, so wird durch Auswahl zweier dieser Sender nicht nur die Füllstandshöhe sondern auch der Toleranzbereich ausgewählt. Selbstverständlich müssen die zugeordneten Empfänger entsprechend ausgewählt werden. Je nach Art des Füllgutes und des Behälters können auch die weiteren Empfänger elektronisch eingeschaltet werden. Gleiches gilt für die zusätzlichen Empfänger.

Dabei ist es bevorzugt, wenn eine flächenartige Anordnung von Empfängern vorgesehen ist.

Hier ist von Vorteil, daß aus dem Flächenarray von Empfängern jeweils die Empfänger ausgewählt werden können, die für den gerade laufenden Abfüllvorgang erforderlich sind. Dieses Flächenarray kann entweder eine Anordnung von diskreten Foto­ transistoren etc. sein, es ist aber auch möglich, einen Flächen­ sensor nach Art eines CCD-Arrays zu verwenden und nur bestimmte Pixel dieses Arrays auszulesen und weiterzuverarbeiten.

Ferner ist es bevorzugt, wenn eine Steuer- und Speichereinheit vorgesehen ist, in der für verschiedene Behältertypen und/oder Füllgutarten die räumlichen Zuordnungen zwischen Meßstrahlen und Empfängern speicherbar sind.

Zum einen ist hier von Vorteil, daß mehrere "Programme" in der Steuer- und Speichereinheit abgelegt werden können, so daß bei einem Wechsel der Abfüllart lediglich auf ein neues Programm umgeschaltet werden muß, das dann automatisch die richtigen Sender und Empfänger auswählt. Hier ist aber weiter von Vorteil, daß die richtigen Sender und Empfänger von dem Anwender nicht vorher berechnet werden müssen, vielmehr ist eine Art "Teach-In" möglich, indem zunächst ein richtig abgefüllter Behälter zwischen die Sender und die Empfänger gebracht wird, woraufhin die Steuer- und Speichereinheit dann selektiv die einzelnen Sender betätigt und die Empfänger identifiziert, die in diesem speziellen Fall als zugeordnete, weitere und zusätzliche Empfänger dienen.

Dabei ist es dann bevorzugt, wenn die Sendevorrichtung und die Empfänger je in Gehäusen untergebracht sind, die mit Filter­ scheiben verschlossen sind, die nur Licht in dem infraroten Wellenlängenbereich durchlassen und für einen hermetischen Abschluß zur Umgebung sorgen.

Hier ist von Vorteil, daß die neue Kontrollvorrichtung gegen herumspritzendes Spritzgut etc. geschützt ist, so daß die Schutzklasse IP 67 eingehalten wird.

Ferner ist es bevorzugt, wenn die Steuer- und Speichereinheit ein Eingangssignal empfängt, das die Position des aktuell zu kontrollierenden Behälters repräsentiert.

Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise z. B. eine Synchronisation mit der Geschwindigkeit des Förderbandes erreicht, so daß auf die zusätzlichen Empfänger verzichtet werden kann, die, wie oben erwähnt, ebenfalls zur Synchronisierung und Triggerung verwendbar sind.

Zusammenfassend bietet die neue Kontrollvorrichtung also mehrere Vorteile, einmal kann sie sozusagen als integrierte Eigenschaft den Behälter erkennen, zum anderen arbeitet sie unabhängig von dem Füllgut, der Behälterform und weiteren Behältereigenschaften, wobei sie auch unempfindlich gegen einen Querversatz des Behälters ist. Es können nicht nur die Außenkonturen der Behälter ohne zusätzliche Sensoren gemessen werden, die Kontrollvor­ richtung überwacht sich über die Lücken zwischen den einzelnen Behältern auch selbst, so daß mit nur einer Sendevorrichtung und einem oder wenigen Empfängern verschiedene Überwachungs­ funktionen erfüllt werden können. Da die Messung sozusagen on­ line erfolgt, jeder im Einsatz befindliche Empfänger muß im einfachsten Falle lediglich eine Ja/Nein-Entscheidung ausgeben, ist die neue Kontrollvorrichtung auch für hohe Meßgeschwindig­ keiten besonders gut geeignet.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht eine Prinzipdar­ stellung der neuen Kontrollvorrichtung mit einem geschnittenen und teilweise weggebrochenen Behälter im vertikalen Schnitt;

Fig. 2 einen horizontalen Schnitt längs der Linie 2-2 aus Fig. 1;

Fig. 3 einen horizontalen Schnitt längs der Linie 3-3 aus Fig. 1; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Empfängerfeldes, wie es bei der Kontrollvorrichtung aus Fig. 1 ver­ wendet werden kann.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Kontrollvorrichtung bezeichnet, die zur Messung von Füllständen von Füllgut 12 vorgesehen ist, das in das Innere 14 eines mit 15 bezeichneten Behälters eingefüllt ist. Der Behälter 15 ist in Fig. 1 im vertikalen Schnitt sowie teilweise weggebrochen gezeigt.

Die Kontrollvorrichtung 10 umfaßt eine zumindest einen ersten Sender 16 für infrarote Strahlung aufweisende Sendevorrichtung 17 auf der einen Seite des Behälters 15 sowie eine Anordnung 18 mit zumindest einem ersten Empfänger 19 auf der anderen Seite des Behälters 15.

Die Sendevorrichtung 17 ist in einem Gehäuse 21 angeordnet, das über ein Filterglas 22 hermetisch gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Gleichfalls ist die Anordnung 18 in einem Gehäuse 23 untergebracht, das über ein Filterglas 24 hermetisch abgeschlossen ist. Die Filtergläser 22, 24 sind so gewählt, daß sie nur für den infraroten Wellenlängenbereich durchlässig sind, der von der Sendevorrichtung 17 abgestrahlt wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß Fremdlicht die Messung stört.

Der Sender 16 erzeugt einen ersten Meßstrahl 26 in dem infraroten Wellenlängenbereich, der in Fig. 1 auf den zugeordneten Empfänger 19 trifft. Es ist zu erkennen, daß sich in dem Weg des ersten Meßstrahles 26 in dem Inneren 14 des Behälters 15 kein Füllgut befindet, so daß der erste Meßstrahl 26 trotz vierfacher Brechung an optischen Grenzflächen auf den zugeordneten Empfänger 19 trifft, den der erste Meßstrahl 26 auch dann trifft, wenn sich kein Behälter 15 im Weg des Meßstrahles 26 befindet.

Um einen vertikalen Abstand 27 unterhalb des ersten Senders 16 befindet sich in der Darstellung nach Fig. 1 ein zweiter Sender 28, dem auf der Empfängerseite ein zweiter Empfänger 29 zugeordnet ist. Auch der zweite Empfänger 29 befindet sich um den vertikalen Abstand 27 unterhalb des ersten Empfängers 19. Ferner ist ein weiterer Empfänger 30 vorgesehen, der um einen vertikalen Abstand 32 unterhalb des zweiten Empfängers 29 angeordnet ist. Auf diesen weiteren Empfänger 30 trifft ein zweiter Meßstrahl 33 auf, der von dem zweiten Sender 28 ausge­ strahlt wird.

Wenn sich kein Behälter 15 in dem Weg des zweiten Meßstrahles 33 befindet, so trifft dieser auf den zweiten Empfänger 29 auf. Gleiches gilt, wenn sich kein Füllgut 12 in dem Weg des zweiten Meßstrahles 33 in dem Inneren 14 des Behälters 15 befindet, der Strahlenverlauf ist dann ähnlich wie der in Fig. 1 für den ersten Meßstrahl 26 gezeigte.

Die gezeigten Strahlenverläufe des ersten und zweiten Meßstrahles 26, 33 lassen sich mit Hilfe des Brechungsgesetzes erklären. Zu diesem Zweck sei angenommen, daß der Behälter 15 eine Wand 34 aufweist, die z. B. aus Glas besteht und für Licht in dem infraroten Wellenlängenbereich durchlässig ist. Wenn ein Meßstrahl 16, 33 in die Wand 34 eintritt, so wird der Meßstrahl zum Lot zu der Wand 34 an dem Auftreffpunkt hin gebrochen, da der Brechungsindex der Wand 34 größer ist als der Brechungsindex von Luft (immer gegenüber Vakuum gemessen). Beim Austritt aus der Wand 34 wird der erste Meßstrahl 26 wieder zurückgebrochen, so daß sich lediglich ein Parallelversatz ergibt. Ein umgekehrter Versatz ergibt sich bei dem erneuten Eintritt des Meßstrahles 26 in die Wand 34, so daß der Meßstrahl 26 im Ergebnis auf der gleichen Höhe aus dem Behälter 15 wieder austritt, auf der er auch in ihn eingetreten ist. Dies gilt für sämtliche Behälter, bei denen die Wand näherungsweise planparallele Oberflächen aufweist und bei denen weiter die Eintritts- und die Austritts­ wand spiegelsymmetrisch zueinander verlaufen, was jedoch bei allen rotationssymmetrischen und fast allen flachen Behältern 15 zwangsläufig der Fall ist. Auf diese Weise wird der erste Meßstrahl 26 unabhängig von der Behälterform immer dann auf den zugeordneten Empfänger 19 treffen, wenn sich in seinem Weg im Inneren 14 des Behälters 15 Luft befindet.

Trifft der Meßstrahl 26, 33 dagegen auf Füllgut, das einen größeren Brechungsindex als Luft aufweist, so wird der Meßstrahl 26, 33 nicht so stark zurückgebrochen, wie es in Fig. 1 für den ersten Meßstrahl 26 gezeigt ist. Der zweite Meßstrahl 33 läuft dementsprechend in Fig. 1 nach rechts unten weg und trifft je nach den optischen Eigenschaften des Füllgutes 12 z. B. auf den weiteren Empfänger 30 oder den weiteren Empfänger 30'. Der Ort des weiteren Empfängers 30, 30' hängt somit zum einen von der Geometrie des Behälters 15 und zum anderen von den optischen Eigenschaften des Füllgutes 12 ab.

Für einen richtig gefüllten Behälter 15, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, wird also erwartet, daß der erste Meßstrahl 26 auf den ersten zugeordneten Empfänger 19 trifft. Ist dies nicht der Fall, so liegt eine Überfüllung des Behälters 15 vor. Für den zweiten Meßstrahl 33 wird erwartet, daß er auf den weiteren Empfänger 30, 30' trifft. Trifft er dagegen auf den zweiten zugeordneten Empfänger 29, so liegt Unterfüllung vor. Trifft der zweite Meßstrahl dagegen weder den zugeordneten Empfänger 29 noch den weiteren Empfänger 30, 30', so liegt ein Abfüllfehler vor, entweder der Behälter 15 ist falsch oder aber das eingefüll­ te Füllgut 12.

Aus all dem ergibt sich, daß die Empfänger 19, 29, 30, 30' lediglich Ja/Nein-Entscheidungen ausgeben. Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich Intensitäten zu messen, so daß Aussagen über das Maß der Absorption möglich sind, die der Meßstrahl 26, 33 auf seinem Weg durch den Behälter 15 erfahren hat. Damit lassen sich Aussagen über die Qualität des Behälters 15 gewinnen, wenn man die Meßsignale des Empfängers 19, 29 verarbeitet. Ferner können weitere Aussagen über das Füllgut 12 getroffen werden, wenn die Intensitäten mit den weiteren Empfängers 30, 30' gemessen werden.

Die Meßergebnisse der Sendevorrichtung 17 werden über eine mehrpolige Verbindung 35 in eine Steuer- und Speichereinheit 36 gegeben, die ebenfalls ein Eingangssignal 37 empfängt, über das z. B. eine Synchronisation mit der Transportgeschwindigkeit des Behälters 15 beispielsweise aus einem Förderband ermöglicht wird. Die Steuer- und Speichereinheit 36 gibt ein Bewertungs­ signal 38 aus, das den Füllstand des Füllgutes 12 in dem Behälter 15 als unterfüllt, überfüllt oder richtig gefüllt qualifiziert.

Die Steuer- und Speichereinheit 36 ist ferner über eine weitere Leitung 39 mit der Sendevorrichtung 17 verbunden. Über die Leitungen 35, 39 bestimmt die Steuer- und Speichereinheit 36 welche Sender 16, 28 und welche Empfänger 19, 29, 30, 30' für den jeweiligen Abfüllvorgang benötigt werden. Diese Information kann entweder vorher von dem Anwender festgelegt und in der Steuer- und Speichereinheit 36 eingespeichert sein, es ist aber auch möglich, nach Art eines Teach-In-Verfahrens zunächst einige richtig gefüllte Behälter 15 zu vermessen und die Ergebnisse dieser Vermessung dann dazu zu verwenden, die richtigen Sender 16, 28 und Empfänger 19, 29, 30, 30' auszuwählen. Das Umschalten der Kontrollvorrichtung 10 auf neue Behälter 15 und/oder neues Füllgut 12 kann damit sehr schnell erfolgen, die Steuer- und Speichereinheit 36 wählt lediglich über ein neues Programm neue Sender 16, 28 und Empfänger 19, 29, 30, 30' aus.

Bisher wurde unter Bezugnahme auf Fig. 1 lediglich der vertikale Versatz der Meßstrahlen 26, 33 besprochen, ein derartiger Versatz findet jedoch auch in der horizontalen Ebene statt, wie es nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 erläutert werden soll.

Fig. 2 zeigt den ersten Meßstrahl 26 in den verschiedenen Bedingungen, die er je nach Stellung des Behälters 15 bei dem Durchlauf dieses Behälters 15 erfährt.

Wenn sich der Behälter 15 noch nicht in dem Meßstrahl 26 befindet, trifft dieser als Luftstrahl 41 unmittelbar auf den zugeordneten Empfänger 19 auf. Diese Situation in den Lücken zwischen den einzelnen Behältern 15 kann dazu verwendet werden, die Intensität des Meßstrahles 26 nachzuregeln und ggf. Fehler festzustellen. Wenn sich der Behälter 15 weiter bewegt, so trifft der Meßstrahl 26 schließlich auf den Behälter 15 auf und läuft als Randstrahl 42 durch die Wand 34 hindurch und trifft auf einen zusätzlichen Empfänger 43 auf, der ebenfalls in Fig. 1 bezeichnet ist. Der zusätzliche Empfänger 43 weist einen horizon­ talen Versatz 44 zu dem zugeordneten Empfänger 19 auf, wobei dieser Versatz 44 von den geometrischen Bedingungen des Behälters 15 abhängt. Auf diese Weise ist zusätzlich eine Identifizierung der Außenkontur des Behälters 15 möglich. Ein Signal an dem zusätzlichen Empfänger 43 kann somit zur Triggerung der Auslesung der folgenden Empfänger 19, 29, 30, 30' verwendet werden. Alternativ kann auch das Signal des Empfängers 19 zur Triggerung/Konturerkennung verwendet werden.

Wenn der Meßstrahl 26 nun in das Innere 14 des Behälters 15 eingedrungen ist, so läuft er als Luftstrahl 45 oder als Mittenstrahl 46 durch den Behälter 15 durch und trifft wegen des bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten sich kom­ pensierenden Versatzes auf den zugeordneten Empfänger 19 auf.

Diese Situation ändert sich, wenn sich in dem Weg des Meßstrahles 26, 33 Füllgut befindet, wie es in Fig. 3 für den zweiten Meßstrahl 33 dargestellt ist. Zunächst ist in Fig. 3 noch einmal ein Luftstrahl 47 gezeigt, als der der Meßstrahl 33 unmittelbar auf den zugeordneten Empfänger 29 auftrifft. Tritt der Meßstrahl 33 jetzt als Füllgutstrahl 48 in das Innere 14 des Behälters 15 ein, so ergibt sich ein horizontaler Versatz 49 und der Meßstrahl 33 trifft auf den weiteren Empfänger 30. Dieser Versatz 49 ist ein Maß für die optischen und geometrischen Eigenschaften des Behälters 15 und des Füllgutes 12, wie dies bereits ausführ­ lich erläutert wurde.

In Fig. 3 ist ferner zu erkennen, daß ein Mittenstrahl 50 auch hier den zugeordneten Empfänger 29 erreicht, dies jedoch nur kurzfristig beim Durchgang durch die Mitte des Behälters 15.

In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß sich die Meßstrahlen verändern, wenn sich die Behälter weiter durch die jeweiligen Meßstrahlen hindurchschieben, so daß die in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Strahlenverläufe immer nur zeitweise vorherrschen. Mit anderen Worten, die Meßstrahlen 26, 33 treffen die genannten Empfänger immer nur teilweise und zeitweise. Dadurch, daß sowohl die Sendevorrichtung einen gewissen Sendekegel als auch die Empfänger einen gewissen Empfangskegel aufweisen, führt dieses teilweise und zeitweise Auftreffen jedoch nicht zu starken Intensitätsverlusten.

Anhand von Fig. 4 soll nun erläutert werden, wie ein Flächenarray 51 von Empfängern verwendet werden kann. In Fig. 4 ist ein sich in horizontaler Richtung H und vertikaler Richtung V (siehe auch Fig. 1, 2 und 3) erstreckendes Feld von Empfängern gezeigt, zu denen die zugeordneten Empfänger 19 und 29 für den ersten bzw. zweiten Meßstrahl 26 bzw. 33 zählen sowie die weiteren Empfänger 30, 30' und der zusätzliche Empfänger 43. Es ist zu sehen, daß diese Empfänger nicht nur vertikal sondern auch horizontal gestaffelt angeordnet sind. Ferner ist ein weiterer Empfänger 52 für den ersten Meßstrahl 26 vorgesehen, auf den dieser auftrifft, wenn er bei seinem Weg durch das Innere 14 des Behälters 15 auf Füllgut trifft. Da dieses Füllgut 12 nicht vorhanden sein dürfte, ist ein Signal des weiteren Empfängers 52 ein Indiz für Überfüllung oder aber für überstehenden Schaum, was jedoch an der Intensität des Meßsignales des weiteren Empfängers 52 erkannt wird.

Schließlich ist noch ein zusätzlicher Empfänger 53 für den zweiten Meßstrahl 33 vorgesehen. Auf diesen zusätzlichen Empfänger 53 trifft der weitere Meßstrahl 33, wenn er als Randstrahl durch die Wand 34 durchgeht.

Allgemein sind in Fig. 4 Kreuzungspunkte 54 von horizontalen und vertikalen Linien als Empfänger gedacht, die von der Steuer- und Speichereinheit 36 je nach Abfüllvorgang ausgewählt werden.

Anhand von Fig. 4 soll jetzt noch einmal kurz erläutert werden, wie der gesamte Meßvorgang für den in Fig. 1 gezeigten Behälter 15 vonstatten geht. Wenn sich der Behälter 15 auf die Kontroll­ vorrichtung 10 zu bewegt, so gelangt als erstes der zweite Meßstrahl 33 in den Bereich der Wand 34, was zu einem Meßsignal des zusätzlichen Empfängers 53 führt. Dann tritt der erste Meßstrahl 26 in die Wand 34 ein und bewirkt ein Signal in dem zusätzlichen Empfänger 43. Aus der Abfolge der Signale der Empfänger 19, 29 sowie ggf. der zusätzlichen Empfänger 53 und 43 kann die Steuer- und Speichereinheit 36 Rückschlüsse über die Kontur des Behälters 15 ziehen. Beim weiteren Vorbewegen gelangt jetzt der zweite Meßstrahl 33 in das Innere 14 des Behälters 15 und wird über das Füllgut 12 so gebrochen, daß er auf den weiteren Empfänger 30, 30' auftrifft. Schließlich gelangt auch der erste Meßstrahl 26 in das Innere 14 des Behälters 15. Da sich der erste Meßstrahl 26 oberhalb des Füllstandes befindet, trifft er wieder auf den zugeordneten Empfänger 19. Sollte sich oberhalb des Füllstandes Schaum befinden, so trifft der erste Meßstrahl 26 stattdessen teilweise und abgeschwächt auf den weiteren Empfänger 52, der ein geringes Signal ausgibt, so daß die Steuer- und Speichereinheit 36 das Vorhandensein von Schaum erkennt.

Beim Austritt der einzelnen Meßstrahlen 26, 33 aus dem Behälter 15 verläuft der soeben geschilderte Vorgang rückwärts, wobei ggf. nicht gezeigte Empfänger zum Einsatz kommen. Wenn eine der geschilderten Bedingungen nicht eintritt, so erkennt die Steuer- und Speichereinheit 36, daß es sich um einen Fehler handelt, der entsprechend auf der Leitung 38 ausgegeben wird.

Zusammengefaßt basiert die neue Kontrollvorrichtung 10 also auf einem Verfahren, bei dem ein Meßstrahl im infraroten Wellenlängenbereich durch das Innere eines Behälters gelenkt wird, um dann nach dem Austritt des Meßstrahles aus dem Behälter an einem oder auch an zwei Meßorten zum Überprüfen, wo der Meßstrahl ausgetreten ist. Der jeweils getroffene Meßort ermöglicht eine Aussage darüber, ob der Meßstrahl auf seinem Weg durch das Innere 14 des Behälters 15 auf Füllgut 12 getroffen ist oder nicht. Wenn zwei derartige Meßstrahlen verwendet werden, ist eine Qualifizierung bezüglich Überfüllung/Unterfüllung möglich, wobei der vertikale Abstand zwischen den beiden Meßstrahlen den Toleranzbereich für die Ungenauigkeit des Füllstandes wiedergibt.

Claims (9)

1. Kontrollvorrichtung (10) für Füllstände von im Inneren (14) von Behältern (15) vorhandenem Füllgut (12), mit einer Sendevorrichtung (17) für eine Meßstrahlung und zumindest einem zugeordneten ersten Empfänger (19), der je nach Füllstand des Füllgutes (12) unterschiedliche Meßsignale ausgibt, wobei die Sendevorrichtung (17) zu­ mindest einen ersten Meßstrahl (26) in einem Licht- Wellenlängenbereich aussendet und wobei der erste Meß­ strahl (26) sowie der zugeordnete erste Empfänger (19) räumlich so zueinander ausgerichtet sind, daß der Meß­ strahl (26) zumindest teilweise auf den Empfänger (19) auftrifft, wenn sich kein Behälter (15) in dem Meßstrahl (26) befindet, wobei der Behälter (15) zur Füllstands­ kontrolle durch den Meßstrahl (26) hindurchbewegt wird, der bei Abwesenheit von Füllgut (12) in seinem Weg durch das Innere (14) des Behälter (15) ebenfalls zumindest teilweise auf den zugeordneten Empfänger (19) auftrifft, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Meßstrahl (26) in einem infraroten Wellenlängenbereich ausgesendet wird, daß die Sendevor­ richtung (17) einen zu dem ersten Meßstrahl (26) ver­ setzten zweiten Meßstrahl (33) in dem infraroten Wellen­ längenbereich aussendet, wobei der zweite Meßstrahl (33) zumindest teilweise auf einen zugeordneten zweiten Empfänger (29) auftrifft, wenn sich kein Behälter (15) in dem zweiten Meßstrahl (33) befindet, und daß der erste oder der zweite Meßstrahl (26, 33) zur Triggerung der Auslesung der Empfänger (19, 29) verwendet wird.

2. Kontrollvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Empfänger (30, 30', 52) vorgesehen ist, der räumlich so zu einem Meß­ strahl (26, 33) angeordnet ist, daß dieser zumindest teilweise und zeitweise auf den weiteren Empfänger (30, 30', 52) auftrifft, wenn sich Füllgut (12) in dem Weg des Meßstrahles (26, 33) durch das Innere (14) des Be­ hälters (15) befindet.

3. Kontrollvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest für zwei Meßstrahlen (26, 33) je ein weiterer Empfänger (30, 30', 52) vorgesehen ist.

4. Kontrollvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein zusätz­ licher Empfänger (43, 53) vorgesehen ist, der räumlich so zu einem Meßstrahl (26, 33) angeordnet ist, daß dieser zumindest teilweise und zeitweise auf den zusätz­ lichen Empfänger (43, 53) auftrifft, wenn er durch einen Wandbereich (34) des Behälters (15) hindurchgeht, ohne in dessen Inneres (14) einzutreten.

5. Kontrollvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (17) eine zeilenartige Anordnung von Sendern (16, 28) umfaßt und/oder daß zumindest einige der Empfänger (19, 29; 43, 53) zeilenartig angeordnet sind.

6. Kontrollvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine flächenartige An­ ordnung (51) von Empfängern (54) vorgesehen ist.

7. Kontrollvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Speichereinheit (36) vorgesehen ist, in der für ver­ schiedene Behältertypen (15) und/oder Füllgutarten (12) die räumlichen Zuordnungen zwischen Meßstrahlen (26, 33) und Empfängern (54) speicherbar sind.

8. Kontrollvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (17) und die Empfänger (19, 29, 43, 53, 52, 30, 30') je in Gehäusen (21, 23) untergebracht sind, die mit Filter­ scheiben (22, 24) verschlossen sind, die nur Licht in dem infraroten Wellenlängenbereich durchlassen und für einen hermetischen Abschluß zur Umgebung sorgen.

9. Kontrollvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuer- und Speichereinheit (36) ein Eingangssignal (37) empfängt, das die Position des aktuell zu kontrollierenden Behälters (15) repräsentiert.