DE68918825T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Beschaffenheit oder einer Eigenschaft eines nichtmetallischen, leitfähigen Materials mit Hilfe eines elektromagnetischen Wechselfeldes. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Technik zum Bestimmen der Beschaffenheit oder einer Eigenschaft eines nichtmetallischen, leitfähigen Materials. Die Technik beinhaltet ein Befördern des Materials durch ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld und ein Verarbeiten der Signale, welche in einer Sensorspule induziert werden. Obwohl das Material nichtmetallisch ist, muß es eine genügende Leitfähigkeit bei den angewandten Frequenzen besitzen, um z.B. den Fluß von Wirbelströmen hervorzurufen, welche ein Signal erzeugen. Das Material wird auch eine absolute Dielektrizitätskonstante oder diamagnetische Eigenschaften besitzen, welche ebenso kleine Signale ergeben können, welche mit einem Verfähren gemäß der Erfindung meßbar sind.
• Anwendungen der Erfindung sind z.B. die Identifizierung oder Klassifizierung von Nahrungsmitteln; die Bestimmung des Feuchtigkeits-/Salz-/Zucker-Gehaltes oder der Ausreifung/Frische oder Reife von Nahrungsmitteln; des Luftgehaltes und/oder des Gefriergrades von Speiseeis; das Kontrollieren eines Eisenadditivs; das Messen einer Masse- oder Kerntemperatur eines Materials, dessen Leitfähigkeit temperaturabhängig ist, und ein Bestimmen des Verhältnisses Fett/mageres Fleisch/Knochen von Fleisch.
• Obgleich hier auf Techniken Bezug genommen wird, welche die Beschaffenheit oder eine Eigenschaft von Nahrungsmitteln beinhalten, ist klar, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung in der Nahrungsmittelindustrie beschränkt ist.
• Die GB-A - 1 398 735 offenbart ein Verfahren und ein Gerät zum Messen des Fettgehalts in Tiergewebe. Diese Referenz erkennt, daß die Mehrzahl der Körperzellen einen Elektrolyt enthalten, während Fett keinen enthält, da Fett eine viel geringere elektrische Leitfähigkeit als mageres Fleisch aufweist. Sie lehrt auch. däß mageres Fleisch bei sehr hohen Frequenzen im Bereich von 10 MHz - 100 GHz besser leitet als Fett, und däß mageres Fleisch insbesondere bei 10 MHz etwa 20mal besser leitet als Fett. Die Referenz vergleicht und stellt "kapazitative oder direkte Kopplung", "Strahlungskopplung" und "induktive Kopplung" gegenüber, lehrt jedoch insbesondere die Verwendung der induktiven Kopplung, welche die Anwendung eines elektromagnetischen Feldes bekannter Starke beinhaltet. Die Technik umfäßt ein Einbringen einer Probe in ein Feld (wo sie bleibt oder gehalten wird) und ein Messen der Wirkung der Probe auf das Feld. In der Regel wird die Probe auf die Achse einer langen Spule gegeben, welche sorgfältig gegen äußere Einflüsse abgeschirmt ist. Die Spule wird mit einem Hochfrequenzsignal (in der Größenordnung von 1 MHz) erregt, und eine Sensorspule wird in einem Rückkoppelungssystem verwendet, um eine variable Verstärkerschaltung, die an einen Leistungsverstärker gekoppelt ist, zu steuern, wodurch das Feld auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird. Die in der Probe induzierten Ströme führen dazu, daß Energie in der Form von Joule'scher Wärme verloren geht. Dieser Verlust wird zusätzlich zur elektrischen Trägheitswirkung der induzierten Ströme als eine Anderung in der Lade- oder Treibimpedanz in das Spulensystem zurückreflektiert. Diese Änderung in der Ladeimpednuz wird abgetastet, um ein Mäß der Leistungsabsorption vorzusehen, und die absorbierte Leistungsmenge wird auf den Gehalt von Fett/mageres Fleisch hinsichtlich des Körpergewichts der Probe bezogen.
• Die Referenz lehrt insbesondere (Gleichung 1), daß eine gute Annäherung für den Einfluß des Realteils der Lastimpedanz an die Leistungsabsorption gebildet werden kann. Noch genauer gesagt wird die in der Probe induzierte Leistung (P) auf ihre Dimensionen und physikalischen Eigenschaften und auf das Quadrat der Frequenz (ω²) bezogen. Insbesondere kann die Leistung (P), die in der Probe induziert wird (d.h. Gleichung 1), unter Bedingungen bestinunt werden, wo die Reaktanz einen Wert besitzt, welcher eine zweite Größenordnung geringer ist als der Widerstand, und daher kann die Reaktanz vernachlässigt werden. Solche Bedingungen umfassen die Anwendung sehr hoher Frequenzen (im MHz- Bereich), welche die Reaktanzwirkung wirksam verhindern. Mit anderen Worten nimmt die ohmsche Wirkung gemäß ω² zu, wogegen die wafflose Wirkung lediglich zu ω proportional ist.
• Da diese frühere Technik selir hohe Frequenzen (z.B. 10 MHz) anwendet, würde es unmöglich sein, eine Anderung in der wattlosen bzw. reaktiven Komponente eines in der Sensorspule induzierten Signals (d.h. auf Grund der Probe) zu detektieren, weil es so klein ist, däß es vom ohmschen bzw. resistiven Signal verdeckt wird. Die Referenz spricht daher weder die Verwendung sensitiver Detektoren zum Messen von wattlosen Komponenten an, noch lehrt sie diese. Wie jedoch unten klar werden wird, hängt die vorliegende Erfindung vom Messen der Anderungen sowohl in der wattlosen als auch in der ohmschen Komponente ab, da sie eine Teehnik amvendet, welche nicht nur zum Beispiel bei Frequenzen arbeitet, welche etwa 2 Größenordnungen kleiner sind, als die in der Referenz verwendeten Frequenzen, sondem auch eine Detektionstechnik anwendet, welche zum Beispiel in der Empfindlichkeit zwd Größenordnungen höher liegt. Verglichen mit der GB-A - 1 398 735 hängt die Erfindung daher nicht vom Messen einer Leistungsabsorption ab (da es praktisch keine Anderung in der Leistung während des Meßverlaufs gibt).
• Die Erfindung wendet auch insofern eine dynamische Technik an, wie unten erklärt werden wird, als die Probe durch ein spezielles Spulensystem befördert wird, so daß eine meßbare Anderung in einer wattlosen Komponente als ein Ergebnis einer Ariderung in der Kopplung stattfindet. In der GB-A -1 398 735 ist die Technik statisch, weil die Probe im Spulensystem stationär ist, und die Technik hängt vom Unterschied zwischen der gemessenen Lastimpedanz zuerst mit einer "leeren" Spule und dann mit der von der Probe "besetzten" Spule ab.
• Während die GB-A - 1 398 735 eine Technik zum Bestimmen des Verhältnisses Fett/mageres Fleisch in Fleisch beschreibt, spricht sie keine weiteren Interessensgebiete der Nahrungsmittelindustrie an. Früchte und Pflanzen oder Gemüse sind jedoch eine wichtigere Nahrungsquelle (einschließlich Produkten, welche durch Verarbeiten natürlich vorkommender Früchte und Pflanzen hergestellt werden). Obgleich Gesundheitsrisiken auf Grund eines Verderbens von Früchten und Pflanzen nicht so schwerwiegend sind, wie jene in der Fleischindustrie, ist es in höchstem Maß wünschenswert, ihre Qualität hinsichtlich ihrer Eignung zum Verbrauch und ihrer Vermarktung zu bestimmen. Vor der Erfindung hat es keine signifikanten und praktischen Vorschläge gegeben, die sich mit diesem Problem beschäftigt haben.
• Die GB-A - 1 603 578 offenbart eine Technik zum Unterscheiden einer Reihe von metallischen Gegenständen. Sie lehrt insbesondere die Verwendung eines Spulengebildes, an welches wiederum eine Vielzahl von Frequenzen angelegt werden, um ein magnetisches Feld für jede Frequenz vorzuschen. Proben des gleichen Metalls, jedoch mit verschiedenen Querschnittsflächen, werden in das Spuleiigebilde eingebracht. Die wahre ohmsche Komponente der Unabgeglichenheit der Spannung, die jeder metallischen Probe zuzuschreiben ist, wird dann gemessen. Die Phasenverschiebungskompensation ist im wesentlichen so, däß sie auf die wahre ohmsche Komponente auf eine Phasenverschiebung von null Grad bezogen ist (d.h. innerhalb 1º der Phase der angelegten Frequenz). Es wird auch eine Ausführungsform beschrieben, in welcher zwei abgeglichene sekundäre Spulen in Ausgleichsbeziehung verbunden sind, und in der ein variabler Widerstand mit der sekundären Spulenanordnung verbunden ist. Obgleich sich diese Referenz hauptsächlich mit einer Metalldetektion beschäftigt, erwähnt sie kurz ein Steigern der Frequenz auf den Bereich 1-10 MHz, um ein Testergebnis für leitfähiges Tiergewebe zu erhalten.
• Neben der Tatsache, daß diese Referenzen die Art der Probleme, welche beim Testen der Qualität von Nahrungsmitteln bestehen, nicht anspricht, hängen sie primär vom Messen einer währen ohmschen Komponente ab und sind daher von der vorliegenden Erfindung verschieden.
• Hinsichtlich der gegen diese Anmeldung zitierten Referenzen WO-A - 88/03273 und EP-A - 0 337 783 (wobei die letztere gemäß Artikel 54 (3) EPÜ zum Stand der Technik gehört) offenbaren beide die Detektion von Verunreinigungen (oder Fremdkörpern), wie z.B. Metalleinschlüsse, in Nährungsmittelprodukten. Die EP-A - 0 337 783 betrifft ferner ein Detektieren einer von der inhärenten oder Standardqualität des vorliegenden Produktes anderen Qualität. Die Geräte gemäß dieser Dokumente weisen jeweils einen Produktflußweg durch ein System mit drei Spulen mit einer primären Spule zum Erzeugen eines sich zeitlich ändemden elektromagnetischen Feldes und zwei sekundären Spulen auf. Die Signale, die in den sekundären Spulen entwickelt werden, werden verarbeitet, um die Verunreinigungen (oder Fremdkörper) zu detektieren. Die US-A - 3 665 302 offenbart eine Technik zum Testen des Zustandes von Nahrungsmitteln, insbesondere Fisch, welche einen kapazitativen Meßkopf anwendet, welcher mit dem Nahrungsmittel in Kontakt gebracht werden muß. Die GP-A - 2 158 240 offenbart einen nullabgeglichenen Abstandsensor, welcher auf die Anwesenheit von Metallgegenständen anspricht. Der Sensor umfäßt eine Fluxerzeugende Spule und eine Flux-Abtastspule, die sich in der Nähe befindet und innerhalb des Flux-Feldes, welches von der erzeugenden Spule erzeugt wird, angeordnet ist, so daß bei Abwesenheit eines metallischen Gegenstands im Flux-Feld Flux-Verbindungen zwischen den zwei Spulen im wesentlichen nicht existieren und daher an den Anschlüssen der Sensorspule kein Ausgang aufscheint.
• Es ist daher eine Hauptaufgabe, mit welcher die Erfindung konfrontiert ist, eine allgemeine Technik zur Verfügung zu stellen, welche zum Bestimmen der Beschaffenheit oder einer Eigenschaft eines nichtmetallischen, leitfähigen Materials, insbesondere eines Nahrungsmittels, verwendet werden kann, und welche genug anpassungsfähig ist, daß sie bei verschiedenen Materialien angewendet werden kann, um genaue und zuverlässige Ergebnisse zur Verfügung zu stellen. Diese Technik kann auf ein Material angewendet werden, welches in der Form einer Packung vorliegt, oder auf eine Frucht oder auf Pflanzen oder Gemüse, oder welches kontinuierlich ist.
• Gemäß der Erfindung umfäßt ein Verfahren zum Bestimmen von mindestens der Beschaffenheit eines nichtmetallischen, leitflihigen Materials die Schritte:
• (a) Erzeugen eines sich zeitlich verändernden elektromagnetischen Feldes in einer primären Spule,
• (b) Vorsehen eines sekundären Spulensystems in der Nahe des elektromagnetischen Feldes, welches sekundäre Spulensystem eine erste und eine zweite sekundäre Spule aufweist, die angeordnet sind, daß darin vom Feld entgegengesetzte Spannungen induziert werden; welches Feld erzeugt wird, indem eine Frequenz angewendet wird, welche eine unterscheidbare Änderung in der wattlosen Komponente in dem Signal, welches im sekundären Spulensystem auf Grund der Anwesenheit des Materials in diesem Feld induziert wird, vorsieht,
• (c) Transportieren des Materials auf einem Weg durch das Feld, wodurch ein Signal in dem sekundären Spulensystem entwickeft wird,
• (d) Verarbeiten des im sekundären Spulensystem entwickelten Signals, um eine ohmsche und eine wattlose Komponente des Signals zu bestimmen,
• welches Verfähren gekennzeichnet ist durch:
• Befördern des Materials nahe zur oder durch die erste, aber nicht nahe zur oder durch die zweite sekundäre Spule; welche zweite sekundäre Spule mit der primären Spule zusammenwirkt, um die entgegengesetzte Spannung zu erzeugen, wobei aber nicht ein Teil des Weges durch das Feld gebildet wird, so daß das Signal auf Grund des durch das Feld beförderten Materials nur in der ersten sekundären Spule entwickelt wird; und durch
• Bestimmen einer Eigenschaft des Materials aus der ohmschen und der wattlosen Komponente in dem in der ersten sekundären Spule (3) entwickelten Signal.
• Die ohmsche und die wattlose Komponente können als Quadraturkomponenten bestimmt werden, d.h. um 90º phasengetrennt, so daß sie zum Beispiel auf einem Argand'schen Diagramm abgebildet werden können. Auf einem solchen Diagramm stellt eine Achse den wahren Widerstand und die andere Achse eine wahre Reaktanz dar, wobei die Position des Punktes mit den Koordinaten der wahren ohmschen und der wattlosen Komponente übereinstimmt. Gleich gut können die ohmsche und die wattlose Komponente durch Amplituden und Phasenmessungen dargestellt werden, welche äquivalente Parameter sind, wie den Fachleuten des Standes der Technik bekannt ist. Es können alternativ Polar- oder kartesische Koordinatensysteme oder jedes Äquivalent dazu, welches die gleiche komplexe Impedanzinformation liefert, verwendet werden. Solche Alternativen werden mit dem Ausdruck "wattlose und ohmsche Komponenten", wie sie hier verwendet wird, sogar dort umfaßt, wo jede Komponente zum Beispiel sowohl einen wattlosen als auch einen ohmschen Anteil beinhaltet. Das essentielle Erfordernis besteht darin, daß die komplexe Impedanz als Ort von Punkten (abhängig von der Frequenz) auf einem Koordinatensystem abgebildet oder andemtalls ähnlich dargestellt werden.
• Die Komponenten der komplexen Impedanz können durch eigene Phasendetektoren, die bei einer relativen Phasendifferenz von 90º arbeiten, abgetastet werden. (Die Komponenten könnten jedoch auch mit einer anderen relativen Phasendifferenz abgetastet werden, von welcher ein bestimmtes Paar von Koordinaten abgeleitet werden kann.) Phasendetektoren, die mit Quadraturkomponenten arbeiten, ermöglichen, daß rein wattlose und rein ohmsche Komponenten leicht bestimmt werden können. (Es können jedoch auch Phasendetektoren verwendet werden, welche Signale erzeugen, welche jeweils sowohl der wattlosen als auch der ohmschen Komponente zuzuschreiben sind, von welchen die wattlose und die ohmsche Komponente (oder Amplitude und Phase) bestimmt werden können.)
• Zweckmäßigerweise ist die Frequenz, welche zum Erzeugen des sich ändernden elektromagnetischen Feldes verwendet wird, im Bereich von 50 KHz - 1 MHz, die verwendete Frequenz wird aber von der Größe und den Eigenschaften des nichtmetallischen, leitfähigen Materials abhängen, dessen Beschaffenheit oder Eigenschaft bestimmt werden soll. In der Regel wird die Frequenz im KHz-Bereich sein, um eine unterscheidbare wattlose Wirkung zu erzeugen (d.h. von der ohmschen Wirkung nicht verdeckt sein).
• Da die Sensorspule in der Nähe der primären Spule ist, wird sie als Ergebnis einer direkten Kopplung in der Regel eine massive induzierte Spannung aufweisen. Diese Spannung muß vermieden werden, weil die Änderungen im Koppeln auf Grund des Beförderns des nichtmetallischen, leitfähigen Materials durch das Feld infinitesimal kleiner sind (z.B. kann die Erfindung eine Empfindlichkeit von 1 Teil in einer Million besitzen, um die letzteren Änderungen abzutasten).
• Unter Anwendung eines Systems gemäß der Erfindung, bei dem jede in der Sensorspule induzierte Spannung verhindert wird, ist die Empfindlichkeit der Detektion erhöht, und sehr kleine Kopplungsänderungen auf Grund der Beförderung einer Probe durch das Feld sind detektierbar. Diese Empfindlichkeit ermöglicht die Anwendung viel niedrigerer Frequenzen als in den oben erwähnten Referenzen des Standes der Technik. Die ohmsche Komponente ist däher tausende Male kleiner als im Stand der Technik und ist von einer Größenordnung ähnlich jener der wattlosen Komponente, um bedeutsame komplexe Impedanzwerte vorzusehen, welche auf einem Koordinatensystem abgebildet werden können. Andere Spulenkonfigurationen, wo die direkte Kopplungsspannung durch Induzieren einer entgegengesetzten Spannung in der Sensorspule auf Grund des in der primären Spule erzeugten Feldes abgeglichen wird, sind möglich. In diesem Fall wird die direkte Kopplungsspannung auf Grund eines Abgleichens des sekundären Spulensystems konpensiert. Dies kann in der Praxis erzielt werden, indem eine Ersatzspule verwendet wird, in welcher die entgegengesetzte Spannung erzeugt wird, welche aber sonst mit der primären Spule nicht zusammenwirkt, da sie nicht einen Teil des Weges durch das Spulensystern bildet, entlang welchem das nichtmetallische, leitfähige Material befördert wird, um das komplexe Impedanzsignal in der Sensorspule zu erzeugen. Diese Spulenkonfigurationen werden unten detaillierter erklärt.
• Der Anmelder hat gefünden, daß Wirbelströme bei hohen Frequenzen im Pflanzenmaterial, welches eine zelluläre Struktur besitzt fließen. Dies ist insofern ein überraschender Effekt, als solches Material normalerweise als Nicht-Leiter angesehen würde, insbesondere dann, wenn die Messungen mit Gleichstrom ausgeführt werden. Es wurde gefünden, daß diese Leitfähigkeit, welche bei den hler angewendeten Frequenzen auftritt, kapazitativen Elementen zuzuschreiben ist, welche innerhalb der zellulären Pflanzenstruktur gebildet werden. Fig. 4 ist eine schematische Ersatzschaltung zum Entwikkeln der kapazitativen und ohmschen Wirkung von pflanzlichem Material, wie z.B. einer Avokadobirne. Die kapazitativen Wirbelströme erzeugen positive wattlose Komponenten, welche früher lediglich mit magnetischen Materialien in Verbindung gebracht wurden. Fig. 3 ist ein schematisches Argand'sches Diagramm, bei dein die Achsen des Graphs wattlose und ohmsche Quadraturkomponenten darstellen. Es kann in diesem Graph gesehen werden, daß bestimmte Nahrungsmittel positive wattlose Komponenten besitzen, die an bestimmten Positionen lokalisiert sind.
• Im Fall einer Frucht, wie z.B. einer Avokadobirne, kann die angewendete Frequenz eine solche sein, daß die wattlose und die ohmsche Komponente vergleichbar sind und daß die Phasendifferenz etwa 45º ist. Dies ist insofern vorteilhaft, als der Anmelder auch gefünden hat, daß sich der Phasenwinkel zwischen der wattlosen und der ohmschen Komponente ändert wenn eine Frucht reift (oder verdirbt) und ist daher ein Mäß ihrer Frische. Daher wird vorzugsweise eine Frequenz gewählt, wo die wattlose Komponente mit der ohmschen Komponente vergleichbar ist.
• Die Erfindung eröffnet daher ein neues Feld von Nahrungsmittelanalyse, da sie auf verschiedene Weise angewendet werden kann, um entweder die Frische oder Reife einer Reihe von Nahrungsmitteln zu prüfen, oder um Verfähren zu steuem, die mit ihrer Herstellung, Lagerung oder Handhabung verbunden sind.
• Eine Ausführungsform der Erfindung sieht insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen der Frische oder Reife eines Nährungsmittels, in welchem ein Wirbelstrom induziert werden kann, vor, welches Verfahren umfäßt: ein Vorsehen von Modellwerten einer komplexen Impedanz, welche Änderungen im Nährungsmittel mit der Zeit darstellen, und ein Korrelieren dieser Komponenten mit den Modellwerten, um eine optimale Korrelation vorzusehen, welche verwendet wird, die Frische oder Reife des Nahrringsmittels zu bestimmen.
• Im Fall eines pflanzlichen Materials, zum Beispiel einer Kartoffel oder einer Avokadobirne oder einer Melone, wird die Pflanze eine meßbare elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die nicht nur von seiner Grundzusammensetzung, sondern auch von seiner Frische abhängt. Wenn ein solches Material verdirbt, finden Änderungen an den Zellgrenzen statt, und diese führen zu einem Steigen der ohmschen Komponente und zu einem Abfallen der kapazitativen Komponente. Diese Änderungen können verwendet werden, um den Verderbungsgrad zu bestimmen, und die Erfindung kann daher z.B. zum Sortieren von Früchten oder zum Bestimmen ihrer Lagerzeit, z.B. zum Etikettieren bei Abgabestellen zum Vermarkten und für andere Zwecke, angewendet werden.
• Im Fall von Fleisch werden die relativen Anteile von Fett, magerem Fleisch und Knochen seine Leitfähigkeit beeinflussen. Auch die ohmsche Komponente ist dominanter, und sie kann als ein Anhaltspunkt für die Anteile dieser Bestandteile in einem Fleisch verwendet werden. Die Erfindung kann jedoch alternativ verwendet werden, um zum Beispiel die Reife von Fleisch, wie z.B. von luftgetrocknet ter Salami, zu bestimmen. In diesem Fall wurde gefünden, daß Leitfähigkeitsablesungen voll 5 Tagen bis 25 Tagen progressiv auf die Hälfte des Anfangswerts abfielen, und es wurde daher gefünden, daß sowohl die ohmsche als auch die wattlose Komponente als Maß zum Überwachen des Trocknungsprozesses und als eine Inline-Prüfüng auf einen geeigneten Grad an Reife zum Schneiden wertvoll sind.
• Die Erfindung kann angewendet werden, um verschiedene Nahrungsmittel zu identifizieren welche durch das Spulensystem gefördert werden, da verschiedene Nahrungsmittel verschiedene charakteristische wattlose und ohmsche Komponenten zur Verfügung stellen. Die Phase des abgetasteten Signals ist relativ zur Phase der Treibespannung, welche das elektromagnetische Feld schafft, und die Amplitude und die Phase des abgetasteten Signals hängen von der Frequenz ab, welche angewendet wird. Bei Kenntnis dieser Charakteristiken kann daher ein Nährungsmittel identifiziert werden.
• Es wurde gefünden, daß Früchte und Pflanzen eine positive wattlose Wirkung aufweisen, die früher nur mit magnetischen Wirkungen in Verbindung gebracht wurde. Dies ist ihrer zellulären Natur zuzuschreiben, wo Wirbelströme verstärkt sind (bei den hier angewendeten Frequenzen), was einer Kapazität zuzuschreiben ist, die an den Zellgrenzen gebildet wird. Änderungen in der wattlosen Komponente und sowohl in der wattlosen als auch in der ohmschen Komponente können eine Änderung in der Qualität darstellen, da ein Reifen von Pflanzen und von Früchten Änderungen in der Zellstruletur verursacht, was zu Änderungen in einer oder beider dieser Komponenten führt. Lediglich die Empfindlichkeit der Erfindung hat gezeigt, daß diese Änderungen meßbar sind.
• Die Erfindung kann daher angewendet werden, um ein Sofortmittel zum Prüfen von Nahrungsmitteln auf Frische und Qualität ohne menschlichen Eingriff oder Handhabung zur Verfügung zu stellen. Sie kann auch angewendet werden, ohne daß die geprüften Nahrungsmittel beschädigt werden, und sie kann "Online", d.h. wo Nahrungsmittel auf einem Förderband transportiert werden, angewendet werden.
• Die wattlose und die ohmsche Komponente können in digitale Werte umgewandelt werden, und diese Werte können dann mit einem Bereich von digitalen Werten verglichen werden, welche eine akzeptable oder eine nicht-akzeptable Qualität für eine besondere Nahrungsmittelart darstellen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Bibliothek von digitalen Werten für verschiedene Nahrungsmittel gespeichert werden, so däß verschiedene Arten von Nahrungsmitteln unterschieden werden können, z.B. durch Berechnen der besten Korrelation nach einem Computerprogramm. Digitale Werte können auch zum Vergleich mit Testwerten gespeichert werden, um die relativen Anteile von z.B. magerem Fleisch/Fett/Knochen in Fleisch zu bestimmen. In allen Fällen kann das Nahrungsmittel einfach durch einen Meßkopf eines Systems befördert werden, welches geeignete Mittel zum Verarbeiten von Signalen und Mittel zum Bewirken bestimmter Operationen, wie z.B. Ausscheiden unerwünschter Gegenstände oder ein Beurteilen zum Zweck einer Lagerkontrolle und so weiter, umfaßt.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren mit einem Sensorkopf ausgeführt, welcher umfäßt:
• (a) ein erstes Spulenmittel zum Erzeugen eines sich zeitlich ändernden elektromagnetischen Feldes,
• (b) ein zweites Spulenmittel, welches dem ersten Spulenmittel benachbart ist, in welchem auf Grund des elektromagnetischen Feldes allein eine Spannung induziert wird und in welchem eine Spannungsänderung induziert wird, wenn ein nichtmetallisches, leitfähiges Material durch das Feld befördert wird, welches erste und zweite Spulenmittel beide einen Weg einschließen, entlang welchem das Material befördert werden kann, und
• (c) ein drittes Spulenmittel, welches dem ersten Spulenmittel benachbart ist und so dimensioniert ist, daß darin vom elektromagnetischen Feld eine entgegengesetzte Spannung induziert wird, um im wesentlichen die auf Grund des elektromagnetischen Feldes allein im zweiten Spulenmittel induzierte Spannung auszugleichen,
• dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Spulenmittel den Weg nicht einschließt so daß es beim Abtasten des in dem Material, wenn es entlang des Weges durch das elektromagnetische Feld befördert wird, induzierten Signals nicht teilnimmt.
• Der obige Sensorkopf verwendet ein axiales Feld, welches Wirbelströme in einer vertikalen Ebene im Querschnitt der Probe, welche durch das Spulensystem befördert wird, induziert. Für flache Produkte (wie z.B. Hamburger) würde ein wirksamerer Wirbelstromweg innerhalb der horizontalen Ebene sein, und dies erfordert ein vertikales Feld.
• Der obige Sensorkopf kann in einem Gerät verwendet werden, welches umfäßt:
• (a) ein Mittel zum Befördern des Materials entlang eines vorbestimmen Transportweges,
• (b) einen Sensorkopf, umfassend:
• (i) ein erstes Spulenmittel zum Erzeugen eines sich zeitlich ändernden elektromagnetischen Feldes,
• (ii) ein zweites Spulenmittel, welches dem ersten Spulenmittel benachbart ist, welches erste und zweite Spulenmittel beide den Transportweg einschließen, und
• (iii) ein drittes Spulenmittel, welches dem ersten Spulenmittel benachbart ist und so dimensioniert ist, däß darin eine entgegengesetzte Spannung hinsichtlich des zweiten Spulenmittels induziert wird, welche entgegengesetzte Spannung die im zweiten Spulenmittel bei Abwesenheit des Materials induzierte Spannung im wesentlichen ausgleicht,
• (c) ein Mittel zum Erregen des ersten Spulenmittels mit einer Frequenz zum Erzeugen des Feldes, welche Frequenz eine solche ist, daß eine unterscheidbare Änderung in der wafflosen Komponente eines Signals vorgesehen wird, welches im zweiten Spulenmittel auf Grund der Beförderung des Materials durch das Feld induziert wird, und
• (d) ein Mittel zum Abtasten des im zweiten Spulenmittel induzierten Signals und zum Bestimmen der ohmschen und der wattlosen Komponente des Signals, welches im zweiten Spulenmittel auf Grund der komplexen Impedanz des Materials induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Spulenmittel so angeordnet ist, daß es den Transportweg nicht einschließt, so daß es beim Abtasten des im Material, wenn es entlang des Weges durch das zweite Spulenmittel befördert wird, induzierten Signals nicht teilnimmt, und daß Mittel zum Bestimmen einer Eigenschaft des Materials aus der ohmschen und der wattlosen Komponente, wenn das Material durch das zweite Spulenmittel befördert wird, vorgesehen sind.
• Die Erfindung erkennt ein weiteres Problem insofern, als die wattlose und die ohmsche Komponente des detektierten Signals von der Größe und der Orientierung des nichtmetallischen, leitfähigen Materials, welches durch das Feld befördert wird (in Abhängigkeit von der Richtung des Feldes) verschieden beeinflußt werden. Eine Frucht kann zum Beispiel in der Größe variieren, obwohl sie allgemein eine konstante Form und Leitfähigkeit aufweisen kann (z.B. im Fall einer Melone). Alternativ können Käseecken die gleiche allgemeine Größe und Form besitzen, könnten jedoch durch das Feld in verschiedenen Orientierungen befördert werden. Anderungen im Querschnitt des Materials, welches durch das Feld befördert wird, werden daher Änderungen in der wattlosen und in der ohmschen Komponente auf Grund der Änderungen im relativen Phasenwinkel zwischen dem abgetasteten pulsierenden Signal und dem pulsierenden Feld verursachen. Während diese Änderungen kompensiert werden können, indem Daten eingegeben werden, welche sich auf die Größe und/oder die Orientierung beziehen, oder indem Schritte unternommen werden, um Gegenstände in der Güte zu klassieren und (falls nötig) sie vor dem Abtasten auszurichten, würde dies eine arbeitsaufwendige und/oder teure und zeitraubende Operation sein.
• Die Erfindung löst dieses weitere Problem, indem in das obige Verfahren der Verarbeitungsschritt der wattlosen und der ohmschen Komponente aufgenommen und indem die verarbeitenden Komponenten verwendet werden, um einen Wert zu berechnen, welcher im wesentlichen von den Änderungen im Querschnitt des Materials, welches durch das elektromagnetische Feld befördert wird, unbeeinflußt ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die wattlose und die ohmsche Komponente gemäß dem Ausdruck
• Kr =
• verarbeitet werden, worin R die Amplitude der ohmschen Komponente des abgetasteten Signals ist, X die Amplitude der wattlosen Komponente des abgetasteten Signals ist, α ein Exponent ist, welcher normalerweise 0,5 ≤ α ≤ 1,0 ist, abhängig von der Geometrie des Materials relativ zur primären und zur ersten sekundären Spule, d.h. seiner Form und Orientierung, und Kr ist eine Amplitude, die berechnet wird. Diese Amplitude Kr variiert gemäß den Änderungen in der Leitfähigkeit des Materials, wird jedoch hinsichtlich des Querschnitts des Materials, welches durch das Feld in der Detektionszone befördert wird, im wesentlichen unabhängig sein.
• Die Vorrichtung der Erfindung beinhaltet daher vorzugsweise Signalverarbeitungsmittel zum Verarbeiten der rein wattlosen und rein ohmschen Komponente und zum Berechnen eines Wertes, welcher vom Querschnitt des Materials, welches durch das elektromagnetische Feld befördert wird, im wesentlichen unabhängig ist. Das Verarbeitungsmittel ist insbesondere programmiert, die digitalen Werte, welche die wattlose und die ohmsche Komponente darstellen, gemäß dem obigen Ausdruck in R, X und α zu manipulieren und ein Signal zur Verfügung zu stellen, welches auf Kr basiert. Ein solches Signal kann auf eine verschiedene Art und Weise verwendet werden, d.h., um ein Material zu erkennen um auf Qualität zu prüfen, um nicht zufriedenstellende Produkte auszuscheiden oder um ein Verfahren zu steuern (z.B. zum kontinuierlichen Herstellen eines Würstchen/Fleisch-Produktes, in welchem die Bestandteile variieren können). In der Praxis werden signifikante Variationen überwacht, und unbedeutende Variationen können ausgetunt oder eliminiert werden, z.B. durch Anwenden einer Korrelationstechnik.
• Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Fig. 1 schematisch Spulen in einem Detektorkopf gemäß der Erfindung, die zum Erzeugen eines axialen Feldes verwendet werden, darstellt,
• Fig. 2 ein Flußdiagramm ist,
• Fig. 3 ein Graph ist, in welchem die wattlose und die ohmsche Komponente für verschiedene Materialien auf einem Argand'schen Diagramm abgebildet sind,
• Fig. 4 eine Ersatzschaltung zum Entwickeln der Kapazität und des Widerstands von Gemüse, wie z.B. eine Kartoffel oder ein Avokadobirne, ist,
• Fig. 5 ein Graph ist, welcher die Variation der wattlosen und der ohmschen Komponente mit der Größe für verschiedene Nahrungsmittel veranschaulicht,
• Fig. 6 ein Graph ist, der die gemessene wattlose und ohmsche Komponente für eine Avokadobime der gleichen Größe zeigt, wobei die Komponenten für verschiedene Frequenzen abgebildet sind,
• Fig. 7 ein ähnlicher Graph ist, der eine Computervoraussage für eine Kartoffel zeigt, welche auf der Ersatzschaltung von Fig. 5 bei verschiedenen Frequenzen entwickelt wurde,
• Fig. 8 ein Graph ist, der Änderungen in der wattlosen und in der ohmschen Komponente einer Avokadobime wahrend einer Zeitspanne zeigt, während welcher die Birne reifte, und
• Fig. 9 einen alternativen Detektorkopf mit einer anderen Spulenkonfiguration zum Erzeugen eines vertikalen Feldes veranschaulicht.
• Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Transmitterspule 1 mit einer R.F.-Quelle 2 verbunden, welche aus einem Bereich hoher Frequenzen ausgewähke Frequenzen erzeugen kann. Der primären Spule wird eine ausgewählte Frequenz angelegt, und sie erzeugt dadurch ein sich periodisches änderndes elektromagnetisches Feld. Die angewendeten Frequenzen sind typischerweise innerhalb des Bereiches von 50 KHz bis 500 KHz (sie könnten jedoch für kleinere Gegenstände höher sein). Eine sekundäre oder Empfängerspule 3 ist in der Nahe der Spule 1 angeordnet, und beide Spulen 1 und 3 umfassen ein Gebiet, durch welches ein Material befördert werden kann, welches detektiert werden soll. Eine weitere sekundäre Spule 4 ist schematisch so dargestellt, daß sie die doppelte Anzahl Windungen (welche enger beabstandet sind) und etwa ein Fünftel der Fläche von Spule 3 besitzt. Außerdem umfaßt sie nicht das Gebiet, durch welches das Material zum Abtasten befördert werden kann. Die Spule 3, durch welche das Material befördert wird, ist von Spule 1 weiter beabstandet als Spule 4 (z.B., falls "d" Spule 1 von Spule 4 trennt, trennt 2d Spulen 1 und 3). Diese Spulenanordnung ist so, daß jede der Spulen 3 und 4 die gleiche lndulttivität besitzt und die gleiche induzierte Spannung aufüinimt. Sie sind jedoch entgegengesetzt gewickelt, und daher löschen sich diese Spannungen gegenseitig. Wenn däher ein vergleichsweise leitfähiges Material durch die Spulen 1 und 3 befördert wird, werden Wirbelströme im Material aufgebaut, und diese werden die Kopplung nur zwischen den Spulen 1 und 3 beeinflussen, was dazu führt, däß ein Signal in Spule 3 erzeugt wird.
• Eine solche Spulenanordnung kann verwendet werden, um ein komplexes Impedanzsignal von einem nichtmetallischen, leitfähigen Material zu detektieren, welches durch die Spulen 1 und 3 in Richtung des Pfeils, der den Materialfluß zeigt, befördert wird. Das Material kann in Form einer Packung oder einer Frucht oder eines Gemüses vorliegen, oder es kann kontinuierlich sein wie ein Würstchen. Bei einzelnen Gegenständen nehmen die Innendurchmesser der Spulen 1 und 3 und der Abstand zwischen den Spulen 3 und 4 den Gegenstand (und z.B. ein Förderband) vorzugsweise auf, und diese Abmessungen sind nicht in hohem Maß größer als die Größe des Gegenstandes. Andererseits wurde ein sehr kleiner Gegenstand, welcher durch das Spulensystem befördert wird, höhere Frequenzen erfordem, um ein brauchbares Abtastsignal zu erzeugen, und dies wurde die wattlose Komponente, verglichen mit der ohnischen Komponente, verringern. Im Fall eines kontinuierlichen nichtmetallischen Materials würde ein Wechsel in der Kopplung auftreten, wenn die Front des Materials das Spulensystem betritt, und das Signal wurde dann gleichförmig bleiben, während die Masse des Materials durch das Spulensystem befördert wird, bis das Ende des Materials erreicht ist, wenn eine weitere Änderung der Kopplung auftritt. Aus diesem Grund ist es besser, das unten mit Bezug auf Fig. 9 beschriebene Spulensystem zu verwenden.
• Obwohl einige natürliche Nahrungsmittel eine sehr geringe Leitfähigkeit (verglichen mit Metallen) aufweisen, werden die induzierten Spannungen falls die Nahrungsmittel einen vergleichsweise großen Querschnitt aufweisen, beträchtlich sein, insbesondere nahe der Oberfläche, wo ein maximaler Fluß umfaßt wird, wodurch ein ausreichender Wirbelstromfluß mit einer geeigneten Frequenz und einer geeigneten Feldstärke hervorgerufen wird, um ein Signal zur Verfügung zu stellen, welches von der Sensorspule 3 detektiert werden kann.
• In Fig. 1 gleicht die Spule 4 das sekundäre Spulensystem aus, so daß die Detektionsempflndlichkeit zum Detektieren des Signals auf Grund des Wirbelstromflusses erhöht ist. Die Empfindlichkeit ermöglicht, daß kleine Änderungen in der wattlosen Komponente des abgetasteten Signals detektiert werden. Da Änderungen in den meisten Nahrungsmitteln (z.B. auf Grund Verderbens, Trocknens, etc.) von der Oberfläche ins Innere auftreten, beeinflussen diese Änderungen die ohmsche und die wattlose Komponente, und sie können vom Spulensystem vorteilhaft detektiert werden.
• Das in der Spule 3 erzeugte Signal wird teilweise ohmscher Natur und teilweise wattlos sein. Diese Komponenten können gemessen werden, indem zwei getrennte Phasendetektoren 5, 6 verwendet werden. Diese werden vorzugsweise um 90º phasenverschoben betrieben, und sie werden so eingestellt. daß sie auf die jeweiligen ohmschen und wattlosen Komponenten der abgetasteten Spannung ansprechen. Diese Einstellung kann vorgenommen werden, indem die Phasendetektoren durch "Senden" eines Ferrit-Gegenstandes durch die Spulen 1 und 3 kalibriert werden, um eine im wesentlichen wattlose Komponente (bei 90º) zu erzeugen, und dann Senden eines Stückes eines ohmschen Films durch die Spulen 1 und 3, um eine im wesentlichen ohmsche Komponente (bei 0º) zu erzeugen. Dies ermöglicht, daß die Achsen der Phasendetektoren auf 0º und 90º eingestellt werden, bevor die Vorrichtung verwendet wird, um Nahrungsmittel abzutasten.
• Die ohmsche und die wattlose Komponente des abgetasteten Signals werden Peak-Werte während des Transports eines nichtmetallischen, leitfähigen Materials durch das Spulensystem erreichen, und bekannte Digitaltechniken., die einen Algorithmus anwenden, werden verwendet, um Paare von Peak-Werten von R und X aus einem Datenstrom, der bei jedem Transport gewonnen wird, zu nehmen. Der Algorithmus wird auch das Vorzeichen von X bestimmen. Dann vergleicht der Mikroprozessor digitalisierte Paare von Peak-Werten mit gespeicherten Daten, welche akzeptable und nichtakzeptable Werte repräsentieren. Diese gespeicherten Daten können in der Form einer Tabelle von Paaren vorbestimmter digitaler Werte von R und X vorliegen.
• Alternativ werden die digitalisierten Peak-Werte von R und X in die Gleichung (1) unten eingesetzt, aus welcher ein Wert Kr bestimmt wird, um verschiedenen Querschnitten des nichtmetallischen, leitfähigen Materials, welches durch das Spulensystem befördert wird, Rechnung zu tragen. Es kann daher dann bestimmt werden, ob Kr innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt, der durch Ktief≤Kr ≤ Khoch definiert wird, wie im Flußdiagramm von Fig. 2 gezeigt. In der Graphik korrespondiert der optimale Wert von Kr mit den in Fig. 5 gezeigten Kurven in Abhängigkeit vom Wert α. Die Grenzen von akzeptablem Ktief und Khoch würden ähnliche Kurven (oder gerade Linien) sein, welche durch den Ursprung gehen und sich auf jede Seite der in Fig. 5 gezeigten Kurven erstrecken. Solange der berechnete Wert Kr innerhalb von Ktief und Khoch liegt, ist das Material akzeptabel. Die Daten werden im Speicher 9a zur Verwendung vom Mikroprozessor 9 gespeichert, um die erforderlichen Vergleiche zwischen den gemessenen Werten und den vorbestimmten gespeicherten Werten zu machen. Die gespeicherten Werte können erhalten werden, indem bekannte "gute" Proben durch das Spulensystem während eines Kalibrierungsverfahrens befördert werden und diese Daten in der Form einer Tabelle gespeichert werden, oder es kann ein Algorithmus angewendet werden, welcher Werte von α und Kr berechnet, welche am besten zu den gemessenen Werten passen.
• Indem zwei oder mehrere Frequenzen angewendet werden, können die digitalisierten Peak-Werte von R und X auf die Frequenz bezogen werden, so daß die Frequenz beim Bestimmen der Beschaffenheit oder der Eigenschaft des nichtmetallischen, leitfähigen Materials in Betracht gezogen wird. Da die Werte von R und X von der angewendeten Frequenz abhängen, ist es möglich, diese Parameter mit einer Ersatzschaltung in Bezug zu bringen (Fig. 4), und die Werte von C, R und r dieser Ersatzschaltung können für das Probenmaterial berechnet werden, und Vergleiche können auf dieser Basis gemacht werden. In diesem Fall werden C, R und r innerhalb vorbestimmter Grenzen für akzeptable/nicht akzeptable Werte variieren.
• Das Konzept von "Akzeptieren" oder "Nicht-akzeptieren" gemessener Werte ist auf ein "Akzeptieren" oder "Ausscheiden" von Proben anzuwenden, die über Förderbänder transportiert werden. und dies wurde bei gewissen Anwendungen brauchbar sein, z.B. wo gereifte Früchte in mchrere verschiedene Kategorien sortiert werden. Ein "Akzeptieren" oder "Ausscheiden" ist jedoch bei Anwendungen nicht immer erforderlich, und in einigen Fällen ist ein kontinuierliches Anzeigen ausgewählter Parameter bevorzugt, um die Qualität oder die Beschaffenheit des gerade getesteten Materials zu bestimmen. Es kann zum Beispiel das System angewendet werden, um die Lagerzeit von Gemüse zu bestimmen, wo die Anzeige von Parametern eine Abschätzung von "Ablauf"-Daten gestattet, oder diese Daten könnten gemäß einem vorbestinimten Algorithmus angezeigt werden. Alternativ kann die angezeigte Information für eine händische Feedback-Kontrolle verwendet oder in ein automatisches Feedback-System zum Steuern eines Prozesses eingegeben werden, wie zum Beispiel die Produktion eines Materials in kontinuierlicher Form, wo Bestandteile des Materials während der Herstellung eines Nahrungsproduktes variieren.
• Hinsichtlich Fig. 2 kann gezeigt werden, daß die Wirkung auf Grund verschiedener Querschnitte des nichtmetallischen, leitfähigen Materials, welches durch die Sensorspule befördert wird, im wesentiichen eliminiert wird, indem die Spannungen R und X (welche die Peak-Amplituden der wattlosen und der ohmschen Komponente von den Phasendetektoren sind) gemäß dem Ausdruck
• Kr= ... (1)
• verarbeitet werden, worin Kr eine berechnete Amplitude und α ein Exponent ist, der von der Geometrie des Materials (d.h. seinem Querschnitt) relativ zu den Spulen 1 und 3 abhängt. In der Regel neigt α für nichtmetallische und für schlecht leitfahige Materialien mit variablen Querschnitten zu 0,5.
• Im Fall einer Frucht oder im Fall von Pflanzen, wdche eine zelluläre Struktur besitzen, besteht eine nicht-lineare Beziehung zwischen R und X (siehe Fig.5), so daß der Wert α = 1 in dem Quadrant, der von der positiven Reaktanz und dem positiven Widerstand begrenzt wird, bevorzugt ist.
• Um däher alle möglichen Nahrungsprodukte und Nahrungserzeugnisse abzudecken, ist 0,5 ≤ α ≤ 1,0.
• Der Wert von Kr stellt in der Regel einen größenunabhängigen Parameter dar, welcher ein besonderes Material charakterisiert und welcher von seiner Größe, Orientierung oder von seinem Querschnitt (gesehen vom Sensorkopf) im wesentlichen unbeeinflußt ist.
• Optimale Ausdrücke können abgeleitet werden, welche die besten Ergebnisse mit Produkten mit verschiedenen Formen und Zusammensetzungen ergeben, z.B. näherungsweisen Kugelförmen, oder welche eine uneinheitliche Leitfähigkeit aufweisen. Auch die Größe des Materials relativ zum Spulenabstand werden den Wert von α beeinflussen.
• Statt die Werte R und X in einen vorbestimmen Ausdruck einzusetzen, kann die optimale Beziehung zwischen diesen Werten durch Versuch bestimmt werden. Es könnte zum Beispiel ein Bereich von Testproben mit der gleichen bekamen Leitfähigkeit und einem verschiedenen bekannten Querschnitt durch die Detektionszone befördert und die erhaltenen Werte R und X in einem Speicher gespeichert werden. Dann könnte die Beziehung zwischen R, X und dem Querschnitt graphisch als eine Kurve (oder gerade Linie) auf einem Schirm angezeigt werden, so daß eine Abschätzung eines Ausdrucks vorgenommen werden könnte, welcher die Wirkung auf Grund des Querschnitts linearisiert und so α bestimmt. Dieses Verfahren könnte wiederholt werden, um den besten Kompensationsausdruck und den besten Wert von α zu erhalten. Dieser Wert von α könnte in den Mikroprozessor eingegeben werden, welcher so programmiert ist, daß er die Wirkungen, die einem sich verändernden Querschnitt zuzuschreiben sind, eliminiert.
• Fig. 5 veranschaulicht schematisch die R/X-Beziehung für Nahrungsmittel, welche verschiedene Querschnitte, aber in jedem Fall konstante Masseleitfähigkeiten aufweisen. Die leicht konkaven Kurven im negativen Reaktanzquadranten sind zu sehen, da diese Konkavität im wesentlichen durch Wählen des besten Wertes für α gerade gemacht wird, um die Effekte eines variierenden Querschnittes zu eliminieren. Nahrungsmittel besitzen im oberen positiven Reaktanzquadranten, z.B. zelluläre Pflanzen, α = 1.
• Die Theorie für diese Graphe ist wie folgt:
• Die ohmsche Signalkomponente ist ein direktes Maß der Leitfähigkeit des Materials. Das erzeugte Signal (R) ändert sich direkt mit der Leitfähigkeit und mit der vierten Potenz des Durchmessers (oder des quadrierten Querschnitts), d.h.
• R=k&sub1;d&sup4; ... (1)
• Die wattlose Komponente wird für nichtmetallische, leitfähige Substanzen negativ oder positiv sein. In Fig. 3 stellen die Punkte 11, 19 und 20 zum Beispiel positive Reaktanzwerte von X = +31774 für Getreide, dem Eisen zugegeben wurde (R = 312), X = +10453 für eine Avocadobirne (R = 22156) bzw. X +17998 für eine Kartoffel (R = 43548). Die Punkte 12-18 stellen jeweils negative Reaktanzwerte von X = -11774 für Butter (R = 172), X = -12442 für Margarine (R = 392), X = -7666 für destilliertes Wasser (R = 392), X = -7498 für Leitungswasser (R = 12668), X = -17666 für mageres Faschiertes (R = 126268), x = -18344 für normales Faschiertes (R = 14902) und X = -1703 für Käse (R = 109108) dar. Diamagnetische Permeabilitätseffekte ergeben ein negatives Signal, welches zum Volumen proportional ist, das von der getesteten Substanz beansprucht wird. Für einen langen Gegenstand oder für ein kontinuierliches Material wird das Volumen zum Querschnitt (quadriertes d) proportional sein, da der Abstand zwischen den gekoppelten Spulen fixiert ist.
• Das wattlose Signal ist däher
• X=k&sub2;d² ... (2)
• Das Verhältnis des wattlosen und des ohmschen Signals X/R ist die Tangente des Phasenwinkels, welcher sich eindeutig mit d (Größe des untersuchten Materials) ändert.
• Die Größe (d) kann jedoch eliminiert werden, indem die Quadratwurzel von (1) gezogen und für das quadrierte d in (2) eingesetzt wird, was ergibt:
• X=k&sub2; R/k&sub1;
• oder
• k&sub2;/ = k&sub1; = Kr = ... (3)
• Dieser Wert kr ist nun größenunabhängig, aber für das getestete Material charakteristisch. Für kleine Gegenstände, falls der getestete Gegenstand diskontinuierlich und kleiner als der Spulenabstand (d.h. zwischen 1, 2 und 3) ist, wird das wattlose Signal in (2) zum Kubus von d proportional sein. Der Exponent U im Nenner von (3) wird daher R3/4 statt der Quadratwurzel sein.
• Dies ist der Grund, daß alpha vorzugsweise zwischen den Grenzen 0,5 und 1,0 variiert.
• Wie oben erwähnt, weisen Früchte und Pflanzen eine positive wattlose Wirkung auf. Sie können auch von einer Ersatzschaltung entwickelt werden, wie in Fig. 4 gezeigt, welche eine Kapazität C parallel mit einem Streuwiderstand r aufweist, wobei die Parallelverbindung mit einem Widerstand R in Serie ist. Im Fall einer Kartoffel unter Verwendung von Werten für R = 1 000 Ohrn, r = ∞ und C = 1 000 pF, ergibt eine Vektorauftragung des C-R-Modells über einen Frequenzbereich von 100 KHz bis 1 500 KHz die in Fig. 7 gezeigte Auftragung. Über die niedrigeren Frequenzen zeigt dies eine enge Übereinstimmung mit tatsächlichen Messungen an einer Kartoffelprobe (höhere Frequenzen werden in der Praxis nicht verwendet, weil die wattlose Komponente mit steigender Frequenz abnimmt). Außerdem ist bei den niedrigeren Frequenzen die Form der Kurve für eine Avocadobirne ähnlich, wo, zum Beispiel, Fig. 6 tatsächlich gemessene R- und X-Werte zeigt. Die Werte können auf einer Ersatzschaltung (Fig. 4) mit den Werten für R = 600 Ohm, r = 5 000 Ohm und C = 500 pF, entwickelt werden.
• Es ist in diesen Figuren zu sehen, daß ein Frequenzbereich von 50-500 KHz für Pflanzenmessungen bevorzugt ist. Unter 50 KHz sind sowohl R als auch X zu klein, um verwendbar zu sein. Fig. 7 zeigt, daß das ohmsche Signal über 1 MHz steigt, däß aber das wattlose Signal auf null abfällt.
• Es wird angenommen, däß die Kapazität C an den Zellgrenzen eines Pflanzenmaterials, wo dünne Membranwände benachbarte Bereiche leitfähiger Flüssigkeiten trennen, ansteigt. Wenn daher das Material verdirbt, brechen die Zellgrenzen durch, was zu einer Zunahme der ohmschen Komponente und zu einer Abnahme der wattlosen Komponente des abgetasteten Signals führt. Dies tritt auch auf, wenn ein Pflanzenmaterial gefroren oder einer intensiven Kälte ausgesetzt wurde, und daher kann die Erfindung dies in solchen Materialien detektieren. In jedem Fall stellen Messungen mit zwei oder mehr Frequenzen Werte für die Ersatzschaltungsparameter C, R und r zur Verfügung, von welchen ein Parametersatz abgeleitet werden kann, um eine Eigenschaft des Materials vollständiger zu beschreiben. Digitale Werte, welche die verwendeten Frequenzen darstellen, werden in einem Speicher 9a zur Verwendung vom Mikroprozessor 9 zusammen mit den Werten R und X gespeichert, um C, R und r zu bestimmen.
• Messungen, welche die obige Technik anwenden, werden von der Temperatur beeinflußt, da die elektrische Leitfähigkeit in den meisten Materialien temperaturabhängig ist. Durch Abtasten der Temperatur des Materials durch eigene Mittel kann jedoch eine Korrektur oder Kompensation vorgenommen werden, um Parametersätze zu erhalten, welche temperaturunabhängig sind. Wie in Fig. 1 gezeigt, detektiert ein Strahlungstemperatursensor 21 die Temperatur der Probenoberfläche im Spulensystem 1 und 3. Die Temperaturwerte werden von einem digitale A/D-Konverter 22, welcher ein Eingangssignal an den Mikroprozessor 9 liefert, in digitale Form umgewandelt. Der Mikroprozessor ist auch mit einem geeigneten Algorithmus programmiert, um eine Kompensation der Peak-Werte von R und X vorzusehen, so daß sie temperaturunabhängig sind.
• Während die in Fig. 1 gezeigte Spulenanordnung für die meisten Anwendungen verwendet werden kann, erzeugt sie ein axiales Feld, und das in der Sensorspule 3 induzierte Signal wird von Änderungen im Querschnittsbereich der Probe, welche durch das Spulensystem befördert wird, beeinflußt. Dieser Effekt kann bis zu einem gewissen Ausmaß durch Erzeugen eines vertikalen Feldes mit der in Fig. 9 gezeigten Spulenanordnung verringert werden.
• In Fig. 9 ist eine Transmitterspule 1 mit einer R.F.-Quelle (nicht gezeigt) verbunden, um ein zeitlich sich änderndes elektromagnetisches Feld mit der erforderlichen Frequenz zu erzeugen. Eine sekundäre oder Ernpfängerspule 3, die parallel zur Spule 1 gewickelt ist, ist von der Spule 1 so beabstandet, daß ein Spalt begrenzt wird, durch welchen das nichtmetallische, leitfähige Material z.B. auf einem Förderband (nicht gezeigt) transportiert wird. Eine andere Spule 4, die ähnlich der Spule 3 ist, jedoch entgegengesetzte Wicklungen besitzt ist ebenso von der Spule 1 mit dein gleichen Abstand wie zwischen den Spulen 1 und 3 beabstandet. Auch die Wicklungen der Spule 3 sind parallel zu jenen von Spule 1. Die Spule 4 nimmt beim Abtasten eines in einer Probe, die durch den Spalt zwischen den Spulen 1 und 3 befördert wird, induzierten Signals nicht teil. In den Spulen 3 und 4 werden jedoch gleiche und entgegengesetzte Spannungen induziert, wodurch die in der Spule 3 induzierte Spannung auf Grund lediglich des Feldes durch eine gleiche und entgegengesetzte Spannung, die in der Spule 4 induziert wird, abgeglichen wird. Die Spule 3 ist daher auf Änderungen in der Kopplung empfindlich welche einem Transport einer Probe durch das Spulensysrem zuzuschreiben sind. Abgesehen von diesen Unterschieden ist die Vorrichtung allgemein jener, die in Fig. 1 gezeigt ist, ähnlich.
• Wenn die in Fig. 9 gezeigte Spulenanordnung ein vertikales Feld erzeugt, wird das in der Spule 3 induzierte Signal auf Grund des Transportes eines nichtmetallischen, leitfähigen Materials einer vorgegebenen "Höhe", d.h. gemessen in der Vertikalrichtung des Feldes, im wesentlichen auf Änderungen im Querschitt unempfindlich sein. Dies ist hinsichtlich eines Anordnens einzelner Bananen auf einem Förderband, welches durch das Spulensystem läuft leichter zu verstchen, welche Bananen in der Größe ähnlich sind, aber auf Grund eines statistischen Plazierens am Spulensystem mit unterschiedlichen Orientierungen ankommen. Einige Bananen können zum Beispiel mehr in Querrichtung als axial zur Bewegungsrichtung ankommen. Solche Änderungen im Querschnitt ergeben keine signifikante Änderung in dem in der Sensorspule induzierten Signal. Falls jedoch die "Höhe" des Materials variiert, z.B. falls dünnere und dickere Bananen durch die Spulenanordnung befördert werden, müßten die Variationen im Querschnitt, die diesen Höhenänderungen zuzuschreiben sind, mit dem oben beschriebenen Verfahren kompensiert werden, wobei der Wert Kr mit der wattlosen und der ohmschen Komponente in Beziehung gebracht wird.
• Das in Fig 9 gezeigte Spulensystem kann auch in Erwägung gezogen werden, die Erzeugung von Wirbelströmen hinsichtlich der Richtung des Feldes auszunutzen. Dies fördert daher die wattlose und die ohmsche Komponente, welche gemäß der Erfindung in nützlicher Weise verwendet werden.
• Im Fall von Bananen können Proben gemessen werden, um zu bestimmen, wann sie genommen werden können. Dies ist besonders nützlich, da es wichtig ist, Bananen im richtigen Reifestadium zu nehmen, so däß sie in den Geschäften weder unreif noch überreif ankommen.
• Die Spulenanordnung von Fig. 9 ist auch vorzuziehen, wenn Messungen an einem dünnen Material, wie ein geschnittenes Fleisch oder geschnittene Fleischprodukte oder dünne Nahrungsmittel, wie z.B. Hamburger, vorgenommen werden.
• Hinsichtlich der verschiedenen Anwendungen der Erfindung könnte sie angewendet werden, um die Temperatur eines Materials zu bestimmen, wenn sich seine Leitfähigkeit mit der Temperatur ändert.

Claims (13)

1. Verfähren zur Bestimmung zumindest der Beschaffenheit eines nichtmetallischen, leitfähigen Materials, welches Verfahren die Schnitte umfäßt:

(a) Erzeugen eines sich zeitlich verändernden elektromagnetischen Feldes in einer primären Spule (1),

(b) Vorsehen eines sekundären Spulensystems (3, 4) in der Nähe des elektromagnetischen Feldes, welches sekundäre Spulensystem (3, 4) eine erste (3) und eine zweite (4) sekundäre Spule aufweist, die angeordnet sind, daß darin vom Feld entgegengesetzte Spannungen induziert werden: welches Feld erzeugt wird, indem eine Frequenz angewendet wird, welche eine unterscheidbare Änderung in der wattlosen Komponente in dem Signal, welches im sekundären Spulensystem auf Grund der Anwesenheit des Materials in diesem Feld induziert wird, vorsieht,

(c) Transportieren des Materials auf einem Weg durch das Feld, wodurch ein Signal in dem sekundären Spulensystem (3, 4) entwickelt wird,

(d) Verarbeiten des im sekundären Spulensystem (3, 4) entwickelten Signals, um eine ohmsche und eine wattlose Komponente des Signals zu bestimmen, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch:

Befördern des Materials nahe zur oder durch die erste (3), aber nicht nahe zur oder durch die zweite (4) sekundäre Spule; welche zweite sekundäre Spule (4) mit der primären Spule (1) zusammenwirkt, um die entgegengesetzte Spannung zu erzeugen, wobei aber nicht ein Teil des Weges durch das Feld gebildet wird, so daß das Signal auf Grund des durch das Feld beförderten Materials nur in der ersten sekundären Spule (3) entwickelt wird; und durch

Bestimmen einer Eigenschaft des Materials aus der ohmschen und der wattlosen Komponente in dem in der ersten sekundären Spule (3) entwickelten Signal.

2. Verfähren nach Anspruch 1 und ferner umfassend den Schritt zur Verarbeitung der wattlosen und der ohmschen Komponente, um einen Wert zu berechnen, welcher von Änderungen im Querschnitt des Materials, welches durch die erste sekundäre Spule (3) befördert wird, im wesentlichen unbeeinflußt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die rein wattlose und die rein ohmsche Komponente gemäß dem Ausdruck

Kr =

verarbeitet werden, worin R die Amplitude der ohmschen Komponente des abgetasteten Signals ist, X die Amplitude der wattlosen Komponente des abgetasteten Signals ist, α ein Exponent ist, welcher normalerweise 0,5 ≤ α ≤ 1,0 ist, abhängig von der Geometrie des Materials relativ zur primären und zur ersten sekundären Spule (1, 3), d.h. seiner Form und Orientierung, und Kr eine Amplitude ist, welche berechnet wird, und welche sich entsprechend Anderungen in der Leitfähigkeit des Materials ändert, aber vom Querschnitt des Materials im wesentlichen unabhängig ist.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Feld erzeugt wird, in dem zwei oder mehrere verschiedene Frequenzen angewendet werden, um Sätze wattloser und ohmscher Komponenten abzuleiten, welche für das Material charakteristisch sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Sätze der Werte verwendet werden, um Kapazitäts- und Widerstandswerte in einer Ersatzschaltung zum Entwickeln der komplexen Impedanz des Materials zu bestimmen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, welches angewendet wird, um die Frische oder Reife eines Nahrungsmittels, in welchem ein Wirbelstrom induziert werden kann, zu bestimmen welches Verfähren die Schritte aufweist:

Vorsehen von Modell-Werten einer komplexen Impedanz, welche zeitliche Änderungen im Nahrungsmittel repräsentieren, und

Korrelieren der Komponenten mit den Modell-Werten, um eine optimale Korrelation vorzusehen, welche verwendet wird, um die Frische oder Reife des Nahrungsmittels zu bestimmen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, in welchem das Nahrungsmittel ein pflanzliches Material ist, worin die ohmsche und die wattlose Komponente zu einem Grad an Schlechtenverden oder Fäulnis des Materials in Beziehung stehen, welches Verfahren angewendet wird, um die Frische oder die Lagerzeit des pflanzlichen Materials zu bestimmen.

8. Sensorkopf, umfassend:

(a) ein erstes Spulenmittel (1) zum Erzeugen eines sich zeitlich ändernden elektromagnetischen Feldes,

(b) ein zweites Spulenmittel (3), welches dem ersten Spulenmittel (1) benachnart ist, in welchem auf Grund des elektromagnetischen Feldes allein eine Spannung induziert wird und in welchem eine Spannungsänderung induziert wird, wenn ein nichtmetallisches, leitfähiges Material durch das Feld befördert wird, welches erste und zweite Spulenmittel (1, 3) beide einen Weg einschließen, entlang welchem das Material befördert werden kann, und

(c) ein drittes Spulenmittel (4), welches dem ersten Spulenmittel (1) benachbart ist und so dimensioniert ist, daß darin vom elektromagnetischen Feld eine entgegengesetzte Spannung induziert wird, um im wesentlichen die aufgrund des elektromagnetischen Feldes allein im zweiten Spulenmittel (3) induzierte Spannung auszugleichen, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Spulenmittel (4) den Weg nicht einschließt so daß es beim Abtasten des in dem Material, wenn es entlang des Weges durch das elektromagnetische Feld befördert wird, induzierten Signals nicht teilnimmt.

9. Sensorkopf nach Anspruch 8, worin das erste und das zweite Spulenmittel (1, 3) in parallelen Ebenen, welche auf dem Weg voneinander beabstandet sind, gewickelt sind, und worin auch das dritte Spulenmittel (4) in einer Ebene parallel zum ersten Spulenmittel gewickelt ist.

10. Vorrichtung zur Bestimmung mindestens der Beschaffenheit eines nichtmetallischen, leitfähigen Materials, welche Vorrichtung umfäßt:

(a) ein Mittel zum Befördem des Materials entlang eines vorbestimmten Transportweges.

(b) einen Sensorkopf, umfassend:

(i) ein erstes Spulenmittel (1) zum Erzeugen eines sich zeitlich ändernden elektromagnetischen Feldes,

(ii) ein zweites Spulenmittel (3), welches dem ersten Spulenmittel (1) benachbart ist welches erste und zweite Spulenmittel beide den Transportweg einschließen, und

(iii) ein drittes Spulenmittel (4), welches dem ersten Spulenmittel (1) benachbart ist und so dimensioniert ist, daß darin eine entgegengesetzte Spannung hinsichtlich des zweiten Spulenmittels (3) induziert wird, welche entgegengesetzte Spannung die im zweiten Spulenmittel (3) bei Abwesenheit des Materials induzierte Spannung im wesentlichen ausgleicht,

(c) ein Mittel zum Erregen des ersten Spulenmittels (1) mit einer Frequenz zum Erzeugen des Feldes, welche Frequenz eine solche ist, daß eine unterseheidbare Änderung in der wattlosen Komponente eines Signals vorgesehen wird, welches im zweiten Spulenmittel (3) auf Grund der Beförderung des Materials durch das Feld induziert wird, und

(d) ein Mittel (5, 6) zum Abtasten des im zweiten Spulenmittel (3) induzierten Signals und zum Bestimmen der ohmschen und der wattlosen Komponente des Signals, welches im zweiten Spulenmittel auf Grund der komplexen Impedanz des Materials induziert wird,

dadurch gekennzeichnet, däß das dritte Spulenmittel (4) so angeordnet ist, daß es den Transportweg nicht einschließt, so daß es beim Abtasten des im Material, wenn es entlang des Weges durch das zweite Spulenmittel (3) befördert wird, induzierten Signals nicht teilnimmt, und daß Mittel (9) zum Bestimmen einer Eigenschaft des Materials aus der ohmschen und der wattlosen Komponente, wenn das Material durch das zweite Spulenmittel (3) befördert wird, vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, in welcher Mittel (9) zum Verarbeiten der wattlosen und der ohmschen Komponente und zum Berechnen eines Wertes vorgesehen sind, welcher vom Querschnitt des Materials, welches durch das zweite Spulenmittel (3) befördert wird, im wesentlichen unabhängig ist

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin das Verarbeitungsmittel (9) programmiert ist, um die digitalen Werte zu manipulieren, welche die wattlose und die ohmsche Komponente repräsentieren, entsprechend

Kr=

worin R die Amplitude der ohmschen Komponente des abgetasteten Signals ist, X die Amplitude der wattlosen Komponente des abgetasteten Signals ist, α ein Exponent ist, welcher normalerweise 0,5 ≤ α ≤ 1,0 ist, abhängig von der Geometrie des Materials relativ zum ersten und zum zweiten Spulenmittel (1, 3), d.h., seiner Form und Orientierung, und Kr eine Amplitude ist, welche berechnet wird, und welche sich entsprechend Änderungen in der Leitfähigkeit des Materials ändert, aber vom Querschnitt des Materials im wesentlichen unabhängig ist.

13. Sensorkopf nach Anspruch 9, worin das dritte Spulenmittel (4) eine kleinere Umfangsdimension als die Umfängsdimension des zweiten Spulenmittels (3) besitzt.