DE60014387T2

DE60014387T2 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung der härte eines produkts wie zum beispiel frucht

Info

Publication number: DE60014387T2
Application number: DE60014387T
Authority: DE
Inventors: Paulus Leonardus CREZEE
Original assignee: FPS Food Processing Systems BV
Current assignee: FPS Food Processing Systems BV
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: MXPA02001072A; CN1208620C; BR0012894B1; CN1377463A; ATE278187T1; IL147897A; JP2003506682A; CA2380978A1; IL147897A0; EP1198708A1; NZ517040A; JP4675016B2; US6539781B1; EP1198708B1; WO2001009602A1; AU770616B2; AU6600000A; DE60014387D1; BR0012894A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Härte von Waren, beispielsweise einer Frucht. Die Vorrichtung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen der Härte einer Ware, beispielsweise einer Frucht, während eines Meßzyklus, aufweisend

– Unterstützen der Ware,
– Beklopfen der Ware mit einer Klopfvorrichtung an zumindest einer Position der Ware, wobei die Ware als Ganzes in ihre natürliche Schwingung versetzt wird und Schwingungssignale erzeugt,
– Messen der von der Ware erzeugten Schwingungssignale mit einem Signalmeßfühler, und
– Auswerten der Schwingungssignale mit einer Signalauswertevorrichtung, wobei die Härte FRi der Ware bestimmt wird, und auch eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.

Bekanntlich werden durch das Beklopfen von relativ harten Waren, beispielsweise einer Frucht, jedoch auch von Eiern, diese Waren in Resonanz in einer oder mehreren ihrer natürlichen Frequenzen versetzt. Die zugeordneten Signale im Zeitbereich oder Frequenzbereich wurden als charakteristisch für Warengruppen befunden, beispielsweise für Äpfel einer speziellen Sorte, Eier, Tomaten und so weiter. Sobald diese Waren Schäden oder andere Abweichungen zeigen, treten sehr starke Abweichungen in den Signalen auf.
Eine solche Vorrichtung ist aus US 5696325 bekannt. Eier, die auf Rollen liegen, beispielsweise denen eines Bandförderers, werden beklopft und mithin in Schwingung versetzt. Aus den mit einem Signalmeßfühler, beispielsweise einem Mikrofon, gemessenen akustischen Signalen kann gefolgert werden, ob die Eier Risse oder Brüche zeigen. Solche Vorrichtungen werden beim Auswählen und Sortieren von Eiern verwendet.
Eine Übersicht über solche Prüfverfahren für Früchte wird in "New Developments in Fruit Quality Sorting", Itzhak Shmulevich, INTERPOMA 1998, 4. – 6. Juni 1998, gegeben. Darin wird das Beklopfen von Waren als "erzwungene Schwingungen" bezeichnet. In US 5811680 , das äquivalent zu WO-A-94/29715 ist, ist dafür auch ein Beispiel gezeigt, bei dem die durch das Beklopfen der Ware erzeugten Signale von piezoelektrischen Signalmeßfühlern gemessen werden, die in Kontakt mit der Ware kommen. In dem obigen Artikel wird das Verfahren, mit dem die Härte durch Resonanzschwingungen bestimmt wird, im Vergleich zu anderen Verfahren als das günstigste bezeichnet.
In US-A-5691473 und US-A-4884696 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Festigkeit von Früchten offenbart, wobei dieses Verfahren darauf beruht, eine Frucht an zwei diametralen Punkten der Frucht mit einem vorgegebenen Druck zu erfassen, einen Punkt der zwei Punkte mit einer Erregung durch Schwingung zu beaufschlagen, das Eingangssignal mit einem ersten Beschleunigungsaufnehmer auf der einen Seite der Frucht zu messen und das Ausgangssignal mit einem zweiten Beschleunigungsaufnehmer auf der anderen Seite der Frucht derart zu messen, daß ein relatives Beschleunigungssignal erhalten wird, das ausgewertet wird, um einen Festigkeitsindex zu erhalten.
In US-A-5152401 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen des Zustands einer Frucht offenbart, wobei dieses Verfahren darauf beruht, eine Frucht mit Eingangssignalen in Schwingung zu versetzen, die einen bandbegrenzten Impuls umfassen, der einen Bereich von gleichzeitigen und regulierten Eingangsfrequenzen erzeugt, die Schwingungen der Frucht nach der Erregung zu messen und die Schwingungsenergie mit einzelnen Frequenzen mit dem Frequenzband zu analysieren.
In H. Yamamoto & S. Hagimuma (1988) J. Japan. Soc. Sci. 50, 247 – 251, wird ein mathematisches Modell zum Einschätzen der elastischen Eigenschaften einer Frucht aus natürlichen Frequenzwerten heraus mit Hilfe eines akustischen Impulsreaktionsverfahrens offenbart.
N. Galili & J. De Baerdemaeker (1996), ISMA 21; Noise and Vibration Engineering Conference, Bd. 3, S. 1959 – 1972 (Leuven, Belgien, 18. – 20. Sept.) zeigen einen Vergleich zwischen Festigkeitsindexwerten, die aus Resonanzfrequenzwerten erhalten wurden, die mit Hilfe eines Mikrofons oder mit Hilfe eines piezoelektrischen Schichtaufnehmers gemessen wurden.
Es wurde festgestellt, daß insbesondere in Bezug auf weniger harte Waren, mit denen im wesentlichen die reiferen Waren gemeint sind, auf der Resonanz der Ware selbst beruhende Klopfverfahren keine eindeutigen und reproduzierbare Ergebnisse erbringen. Wird auf eine kleine überreife Stelle an der ansonsten unversehrten Ware geklopft, oder wird genau auf einen Stiel geklopft, ergibt sich ein ähnlicher Nachteil. Durch Verwendung dieses Verfahrens wird das Auswählen und Sortieren unzuverlässig oder sogar unmöglich.
Zur Beseitigung dieses Nachteils wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren nach den obigen Angaben geschaffen, das weiter gekennzeichnet ist durch

– Messen von durch die Klopfvorrichtung selbst erzeugten Aufschlagsignalen mit einem zweiten Signalmeßfühler,
– Auswerten der Aufschlagsignale mit einer zweiten Signalauswertevorrichtung, wobei die elastischen Eigenschaften der Ware in einem Volumenbereich um die oben genannte zumindest eine Position bestimmt wird,
– Bestimmen der Härte Fli der Ware,
– Vergleichen von Fli und FRi und Prüfen des Vergleichs mit einem voreingestellten Wert, wobei das Beklopfen und Messen mit dem zweiten Signalmeßfühler wiederholt wird, wenn der Vergleich den voreingestellten Wert nicht erfüllt.

In diesem Bereich der Technik ist ein Verfahren, das auf dem Messen eines Aufschlagsignals der Klopfvorrichtung selbst beruht, recht bekannt. In dem obigen Artikel ist unter "detection by impact force" erläutert, wie durch den Verlauf des Beklopfens oder Versetzens in Schwingung selbst, das an mehreren Stellen der Ware erfolgt, auch die Härte einer solchen Ware bestimmt werden kann. Eine derartige Vorrichtung ist in WO98/52037 beschrieben, bei der die Reaktionskraft an dem Klopfelement gemessen wird. Es ist auch angegeben, wie diese Vorrichtungen auf einem Förderband, beispielsweise auf beiden Seiten des Bandes, oder auch in einem sich über dem Band drehenden Rad angeordnet werden können, wobei diese Konfigurationen es ermöglichen, daß die Waren mehrmals beklopft werden.
Ein Nachteil der bekannten Konfiguration ist nicht nur, daß für mehrere Messungen entsprechend mehrere miteinander zu eichende Vorrichtungen verwendet werden, sondern auch, daß ein Vergleich mit Resonanzmessungen und mithin eine Rückmeldung nicht möglich sind.
Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich die Anzahl der Messungen vorteilhaft begrenzen, was angesichts der steigenden Transport- und Sortiergeschwindigkeiten eine Notwendigkeit ist. Weiterhin wird mit dieser Kombination der Meßbereich beträchtlich erweitert. Sortiermaschinen oder auch Tischanordnungen, die mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet sind, weisen mithin den großen Vorteil auf, daß sie sich für viele Arten von Waren eignen, und dort, wo es um Früchte geht, weisen sie den Vorteil auf, daß hinsichtlich einer ähnlichen Art die harten und die weniger harten und reiferen Probefrüchte miteinander verglichen werden können.
Weitere Einzelheiten, Ausführungsformen und Anwendungen werden im folgenden an Hand einiger Figuren beschrieben, in denen:
1 ein Schema eines praktischen Beispiels für das Verfahren gemäß der Erfindung ist, und
2 ein praktische Beispiel für eine Klopfvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
Das Ablaufschema gemäß 1 zeigt die Schritte zum Befolgen des Verfahrens gemäß der Erfindung. Nach dem Beklopfen werden zwei parallele Messungen ausgeführt, einerseits gemäß dem oben erläuterten Resonanzprinzip, andererseits gemäß dem Aufschlagprinzip, wobei letzteres als die Messung der Reaktion des leichten Schlags auf die Klopfvorrichtung zu betrachten ist. Es ist klar, daß zwar konstant auf das Beklopfen Bezug genommen wird, dieses jedoch auch andere Verfahren zum Versetzen in Schwingung umfaßt. Für den Fachmann ist erkennbar, daß das Versetzen in Schwingung im wesentlichen impulsartige Schwingungen betrifft. In dem obigen Artikel wird umfassend auf dieses Bezug genommen.
Nach dem Messen wird die Härte in bekannter Weise gemäß der entsprechenden Messung bestimmt. Bei dem dann vorzunehmenden Vergleich werden beide Härtewerte verglichen und geprüft. Diese Prüfung, die in der Figur allgemein mit einer allgemeinen Formel G1 mit einem Kriterium C1 bezeichnet ist, kann beispielsweise einen Quotienten im Bereich zwischen Grenzwerten, einen begrenzten Resonanzwert zum Prüfen der Zuverlässigkeit damit oder eine Kombination von beiden umfassen. Für jeden Fachmann ist erkennbar, daß auch andere Kriterien verwendet werden können.
Wenn das erfüllt ist, wird das Versetzen in Schwingung wiederholt, und die Messung der Härte gemäß dem Aufschlagprinzip wird wiederholt. Wenn dagegen das Kriterium für die Wiederholung nicht erfüllt wird, dann kann die Härte bestimmt werden, die dann als eindeutig angenommen wird, wonach die Ware beschriftet werden kann.
Im Falle der Wiederholung wird ein zweiter Härtewert, der nach dem Härteprinzip bestimmt wurde, gemäß einer allgemeinen Formel G2 mit einem Kriterium C2 mit dem vorhergehenden Wert verglichen. Wie oben erwähnt, kann dieses Kriterium einen Quotienten zwischen Grenzwerten oder weitere ähnliche Abgrenzungen und Verbindungen umfassen. Für dieses Kriterium gilt ebenfalls, daß Wiederholung möglich ist. In dem Schema ist das für eine Meßreihe i mit einer entsprechenden Messung i und nachfolgenden Messungen i+1, i+2,... und mit der allgemeinen Bezeichnung i+k, i+k+1, ..., k ≥ 0 angegeben.
Das in der Figur gezeigte Schema gilt für einen Zyklus, der an einer ähnlichen Ware ausgeführt wurde. Für jede folgende Ware kann zu einem späteren Zeitraum ein ähnlicher Zyklus ausgeführt werden. Dieses Verfahren eignet sich sowohl für Tischanordnungen als auch für Online-Messungen an großen Sortiermaschinen.
Durch Beschriftung kann in vorteilhafter und erwünschter Weise ein neues Auswahlkriterium für solche Waren verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Meßbereich erweitert wird. Damit ist gemeint, daß festgestellt wurde, daß die Meßbereiche, die gemäß jedem der Schwingungsprinzipien ihre eigenen Grenzen kennen, sich miteinander verbinden, und daß damit praktisch sämtliche Waren einer ähnlichen Art, beispielsweise weiche und harte Tomaten, in ein und demselben Auswahl- und Sortierzyklus bewertet werden können. Demgemäß werden Vorauswahl und mögliche Wiederholung des Sortierens überflüssig.
Außerdem wird klar, daß auch andere Schemata und Entscheidungswege mit der Kombination dieser Arten von Messungen realisiert werden können, die durch die Kombinationsideen gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt sind, wie diese in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
2 zeigt ein praktisches Beispiel für eine Klopfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine aufgelegte Ware 6, beispielsweise ein Apfel, wird an eine Klopfvorrichtung herangebracht, die beispielsweise in einem Gehäuse 10 eingebaut ist. Insbesondere umfaßt die Klopfvorrichtung eine Spule 4 mit einem darin bewegbaren Kern 2, 3, wobei 3 aus magnetischem Material besteht und durch sein eigenes Gewicht in der Spule aufgehängt bleibt. Der andere Teil 2 des Kerns besteht aus nichtmagnetischem oder magnetisierbarem Material, das insbesondere mit Hinblick auf Gewicht und Beklopfeigenschaften ausgewählt ist. Die Form des zu der Ware gerichteten Endes des Kerns ist in geeigneter Weise gewählt, im allgemeinen gerundet und auch derart, daß die Ware beim Beklopfen nicht beschädigt wird. Am entfernten Ende befindet sich ein zweiter Signalmeßfühler 1, beispielsweise ein Beschleunigungsmeßfühler, der zum Messen der gemäß dem Aufschlagprinzip erhaltenen Signale dient, beispielsweise ein Piezoelement mit einer in geeigneter Weise ausgewählter Masse daran, die am Ende zu sehen ist. Zum Messen der Resonanzsignale ist ein erster Signalmeßfühler 5, beispielsweise ein Mikrofon, neben der Spule angeordnet. Die Verdrahtung ist schematisch gezeigt und verbindet die Vorrichtung im allgemeinen und die Sensoren im besonderen mit den Steuerungsvorrichtungen und den Signalauswertevorrichtungen, beispielsweise einem Mikroprozessor als Teil eines Steuerungscomputers. Der erste Signalmeßfühler 5 kann auch eine Anzahl von Mikrofonen umfassen, die beispielsweise in einer Aufreihung angeordnet sind. Mit einer derartigen Gruppe von Mikrofonen läßt sich ein eindeutiges Resonanzsignal erhalten. Wenn die Messung mit einer Anzahl von Mikrofonen ausgeführt wird, läßt sich außerdem die nachteilige Wirkung eines Umgebungsklangs beseitigen.
Weiterhin zeigt die Figur ein Beispiel für eine Auflage, beispielsweise Rollen 21 eines Förderbandes 20, der sich gemäß dem Pfeil V nach rechts bewegt. Das Gehäuse 10 ist beispielsweise in ein schematisch gezeigtes Rad 13 eingebaut, das vorzugsweise aus im wesentlichen etwas elastischem Material besteht, um so Stöße zu vermeiden. Das Rad kann sich über den entlang rollenden Waren mitdrehen. Durch geeignetes Verbinden des Rades mit der Sortiermaschine mit Hilfe einer Hebelkon struktion gelangt die Klopfvorrichtung auf jede der vorbei laufenden Waren herunter und kann einen Meßzyklus ausführen.
Steuerung und Zeitgabe erfolgen in der bekannten Weise. Meßfühler zum rechtzeitigen Bewegen des Kerns und auch zu dessen rechtzeitigen Anhalten, um so die Klopfgeschwindigkeit anzupassen, wie auch das Beklopfen kurz nacheinander, wenn eine Wiederholung notwendig ist, können umfaßt sein.
Das Gehäuse kann auch in eine Tischanordnung eingebaut sein, mit der die manuelle Verwendung an ungewöhnlichen Orten, beispielsweise beim Ernten von Waren, möglich wird.
Für jedermann wird erkennbar, daß Varianten und Modifizierungen der oben erläuterten Beispiele möglich sind, soweit diese innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Beispielsweise sind andere Positionen als die gezeigten vertikalen Positionen für die Klopfvorrichtung möglich.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Härte einer Ware, beispielsweise einer Frucht, während eines Meßzyklus, aufweisend: – Unterstützen der Ware, – Beklopfen der Ware mit einer Klopfvorrichtung an zumindest einer Position der Ware, wobei als ein daraus folgendes Ergebnis die Ware als Ganzes in ihre natürliche Schwingung versetzt wird und Schwingungssignale erzeugt, – Messen der von der Ware erzeugten Schwingungssignale mit einem Signalmeßfühler, und – Auswerten der Schwingungssignale mit einer Signalauswertevorrichtung, bei dem die Härte FRi der Ware bestimmt wird, gekennzeichnet durch – Messen von durch die Klopfvorrichtung selbst erzeugten Aufschlagsignalen mit einem zweiten Signalmeßfühler, – Auswerten der Aufschlagsingale mit einer zweiten Signalauswertevorrichtung, wobei die elastischen Eigenschaften der Ware in einem Volumenbereich um die oben genannte zumindest eine Position bestimmt wird, – Bestimmen der Härte Fli der Ware, – Vergleichen von Fli und FRi und Prüfen des Vergleichs mit einem voreingestellten Wert, wobei das Beklopfen und Messen mit dem zweiten Signalmeßfühler wiederholt wird, wenn der Vergleich den voreingestellten Wert nicht erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch – einen ersten Vergleich G1 zum Vergleichen von Fli und FRi für eine Messung aus dem Meßzyklus i, – Prüfen des Vergleichs mit einem ersten Kriterium C1, – Bestimmen das Beklopfen zu wiederholen, wenn C1 nicht erfüllt ist, während in diesem Meßzyklus die Messung i von mindestens einer nächsten i+1 mit dem zweiten Signalmeßfühler gefolgt wird, bei der in einem zweiten Vergleich G2 zum Vergleichen von Fli+k und FRi+1 mit k≥0 ein zweites Kriterium C2 geprüft wird, und, wenn C1 nicht erfüllt ist, eine weitere Messung i+2 mit dem zweiten Signalmeßfühler folgt, und die Härte bestimmt wird, entweder wenn der Zyklus bei C1 beendet wird, oder wenn der Meßzyklus bei C2 beendet wird.
Vorrichtung zum Bestimmen der Härte einer Ware, beispielsweise einer Frucht, während eines Meßzyklus, aufweisend: – eine Unterstützung zum Unterstützen der Ware, – eine Klopfvorrichtung zum Beklopfen der Ware an mindestens einer Position der Ware, wobei als ein daraus folgendes Ergebnis die Ware als Ganzes in ihre natürliche Schwingung versetzt wird und Schwingungssignale erzeugt, – ein Signalmeßfühler zum Messen der von der Ware erzeugten Schwingungssignale, und – eine Signalauswertevorrichtung zum Auswerten der Schwingungssignale, wobei die Härte FRi der Ware bestimmt wird, gekennzeichnet durch – einen zweiten Signalmeßfühler zum Messen von durch die Klopfvorrichtung selbst erzeugten Aufschlagsignalen mit einem zweiten Signalmeßfühler, – eine zweite Signalauswertevorrichtung zum Auswerten der Aufschlagsingale, wobei die elastischen Eigenschaften der Ware in einem Umfangsbereich um die oben genannte zumindest eine Position bestimmt wird, Bestimmen der Härte Fli der Ware, und Vergleichen von Fli und FRi und Prüfen des Vergleichs mit einem voreingestellten Wert, wobei das Beklopfen und Messen mit dem zweiten Signalmeßfühler wiederholt wird, wenn der Vergleich den voreingestellten Wert nicht erfüllt.
Eine Klopfvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein einen in einer elektromagnetischen Spule bewegbaren Kern beinhaltendes Gehäuse, wobei zumindest Teile des Kerns aus einem magnetischen Material sind, mit dem Klopfende an einem Ende des Kerns und dem zweiten Signalmeßfühler an dem ande ren Ende und mit dem neben der Spule in dem Gehäuse angeordneten ersten Signalmeßfühler.
Klopfvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen als Mikrophon ausgebildeten ersten Signalmeßfühler.
Klopfvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen eine Mehrzahl von Mikrophonen aufweisenden ersten Signalmeßfühler.
Klopfvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen als einen Beschleunigungsmeßfühler zum Messen der Beschleunigung des Kerns ausgebildeten zweiten Signalmeßfühler.
Klopfvorrichtung nach einem der Ansprüche 3–7, gekennzeichnet durch eine in ein Rad eingebaute Klopfvorrichtung zum Mitdrehen mit den Waren entlang eines Beförderungsbandes.
Klopfvorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein mit einem Arm über die Früchte vorbeilaufendes Rad.
Klopfvorrichtung nach einem der Ansprüche 3–7, gekennzeichnet durch eine als eine Tischanordnung ausgebildete Klopfvorrichtung.