WO1999001722A1 - Verfahren und vorrichtung zum erfassen der füllhöhe von füllgut in einem behälter - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erfassen der füllhöhe von füllgut in einem behälter Download PDF

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/292—Light, e.g. infrared or ultraviolet

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting the filling level of filling material in a container, wherein electromagnetic radiation of a wavelength in the infrared range emanating from the container is examined and the upper part of the container containing no filling material has a different temperature than that lower part of the container containing filling material.
  • the level of liquid or solid contents in transparent containers e.g. Glass bottles or canned jars were previously determined using light barriers or CCD cameras.
  • the interruption or covering of a light beam by the product is detected by means of a photo receiver or a CCD camera.
  • capacitive sensors can also be used if that
  • Product is conductive or has a high dielectric constant.
  • metal containers e.g. Beverage or food cans have hitherto only been used so-called gamma-ray or X-ray devices, which are based on measuring the absorption of an X-ray in the 60 k electron volt range. Weighing systems are also used for small capacities. In practice, however, considerable expenses are required to ensure operation.
  • the invention has for its object to carry out the detection of the fill level of the contents in containers in a simple and reliable manner.
  • this object is achieved in that the temperature difference is achieved in that the container is heated or cooled from the outside after filling
  • the cold / warm transition at the level is artificially generated by briefly heating the container from the outside, e.g. is cooled by an infrared radiator, an induction heater, hot air, hot water, etc., or by cold air or cold water. Because the filling material has a different and generally higher heat capacity than the relatively thin container wall, the temperature change in the filled lower region of the container takes place much more slowly than above the filling level, where only the container wall is heated or cooled without the filling material lying against it .
  • the cold / warm transition can be recorded and evaluated with a thermal camera.
  • a separate source for the thermal radiation is not available, rather the thermal radiation emitted by the outer wall of the container is examined to determine the fill level.
  • the thermal camera system can have optics as well as a matrix-like, cooled diode array or a single-line, cooled diode array with a sensitivity in the wavelength range from 1 to 6 ⁇ m. Such a line scanner scans and creates the passing containers perpendicular to the direction of transport thus ultimately also a two-dimensional image.
  • uncooled pyroelectric sensors can also be used, for example lead sulfide sensors, which are sensitive in the range from 8 to 12 ⁇ m wavelength. Because of their larger dimensions, pyroelectric sensors are generally not arranged vertically, but rather slightly inclined in order to obtain a better resolution in the vertical. If only one overfill or underfill zone is to be detected, individual heat-sensitive sensors are also sufficient.
  • the fill level can be determined even more precisely by interpolating the heat transfer area.
  • the thermal imager provides a grayscale image, the gray value being a measure of the temperature.
  • This thermal image is processed according to standard image evaluation methods.
  • the filled lower area of the container can be recognized on the thermal image by the lower or higher radiation intensity.
  • the filling level of a liquid in a glass or plastic bottle can be determined very reliably, since most liquids, in particular in the infrared range above 1 ⁇ m wavelength
  • the method according to the invention is also suitable for container material which is not permeable to heat radiation, provided that the filling has a high thermal capacity and high thermal conductivity, as is generally the case with liquid filling.
  • This method is less suitable for powdery products with poor thermal conductivity.
  • a prerequisite is also a certain thermal conductivity of the container material, as is the case with tin cans, glass or thin-walled plastic containers.
  • the cold / warm transition remains only after the heating up or cooling down of the outside of the container for a few fractions of a second to a few seconds depending on the thermal conductivity of the container material, so that the detection device (matrix thermal camera, line scanner, individually) Heat sensors) of the heating or cooling device should be connected immediately.
  • the particular advantage of the method according to the invention is that it is independent of the process of filling the container in terms of time and space. It is e.g. It is possible to provide a heating device after the filling device, in which the filling material is filled in cold, and then to detect the warm / cold transition between the warm, empty, upper area of the container and the cold, lower, filled area of the container. Conversely, after pasteurizing the filling, a cooling device can be provided, in which e.g. the outside of the container is cooled by means of a cold water spray nozzle. The upper region of the container, which is not in contact with the hot filling material, cools down much faster than the lower region, in which the filling material is located. At the boundary between the two, there is again a cold / warm transition, which can be detected in the manner described above.
  • containers 20 are transported on a conveyor 10 at a predetermined speed.
  • the containers are tinplate canned cans with a wall thickness of approximately 0.5 mm, which in this case are approximately 80% filled with water.
  • a detection device 30 is arranged to the side of the transporter 10 ′′ , the optical axis of which is at an angle of 90 ° to the transport direction.
  • the detection device 30 is a thermal camera system with a lens 31, a single-line, cooled diode array 32, the sensitivity of which is in the range of 1 up to 6 ⁇ m wavelength, an amplifier 33, which amplifies the signals generated by the diode array 32, and an evaluation device 34, which reads out the amplified signals of the diode array 32.
  • the evaluation device 34 By feeding the containers 20 in the transport direction, the evaluation device 34 generates a two-dimensional image of the containers, the transport speed of the conveyor 10 is determined by a clock 50 so that the thermal image can be composed line by line from the individual vertical lines ..
  • the two-dimensional image obtained is examined for the presence of gray levels according to known standard methods, whereby the horror correspond to temperature transitions.
  • the width of such transition areas is approximately on the order of 5 mm. to
  • the values in this area are interpolated.
  • a tunnel-shaped heating device 40 Immediately in front of the detection device 30 is a tunnel-shaped heating device 40, in which the containers 20 are heated up by briefly directing hot air onto the outside of the containers 20.
  • the distance between the end of the heating device 40 and the point along the conveyor 10, at which the outside of the container 10 is examined by the detection device 30, is chosen so that at this point and at the point in time in question the temperature difference as clear as possible between the lower, water-filled area and the upper, empty area of the container.
  • the temperature difference between the upper and lower region of the container is not yet very pronounced.
  • the lower part cools down much more quickly after leaving the heating section 40, since heat is withdrawn from it by the water, which is present on the inside of the container.
  • the upper part of the container cools down much more slowly, since it changes its temperature only by heat conduction within the container material in the vertical direction, by radiation, convection, etc. In the case of conventional tin cans, this temperature difference is clearly pronounced approximately up to 1 second after leaving the heating section 40. At a transport speed of 1 m / sec, the distance between the point at which the fill level is detected and the heating section 40 can therefore be up to 1 m.

Abstract

Zum Erfassen der Füllhöhe von Füllgut in einem Behälter (20) wird elektromagnetische Strahlung untersucht, die von dem Behälter ausgeht. Die elektromagnetische Strahlung hat eine Wellenlänge im Infrarotbereich von 1 νm bis 1 mm. Der obere, kein Füllgut enthaltende Teil des Behälters weist dabei eine andere Temperatur auf als der untere, Füllgut enthaltende Teil des Behälters. Der Temperaturunterschied wird dadurch erzielt, dass der Behälter nach dem Einfüllen von aussen erwärmt oder abgekühlt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen der Füllhöhe von Füllgut in einem Behälter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Füllhöhe von Füllgut in einem Behälter, wobei elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge im Infrarotbereich, die von dem Behälter ausgeht, untersucht wird und der obere, kein Füllgut enthaltende Teil des Behälters eine andere Temperatur aufweist als der untere, Füllgut enthaltende Teil des Behälters.
Die Füllhöhe flüssiger oder fester Füllgüter in durchsichtigen Behältern, z.B. Glasflaschen oder Konservengläsern, wird bisher mittels Lichtschranken oder CCD-Kameras ermittelt. Hierbei wird die Unterbrechung oder Bedeckung eines Lichtstrahls durch das Füllgut mittels eines Fotoempfängers oder einer CCD-Kamera erfaßt. Bei durchsichtigen und bei nichtmetallenen Behältern können auch kapazitive Sensoren verwendet werden, wenn das
Füllgut leitfähig ist oder eine hohe Dielektrizitätskonstante hat. Für die Erkennung von Füllständen in Metall-Behältern, z.B. Getränke- oder Konservendosen, wurden bisher ausschließlich sogenannte Gammastrahl- oder Röntgengeräte eingesetzt, die auf Messung der Absorption eines Röntgenstrahls im 60 k-Elektronenvoltbereich beruhen. Außerdem werden für kleine Leistungen auch Wägesysteme eingesetzt. Hierbei sind in der Praxis jedoch erhebliche Aufwendungen zur Sicherstellung des Betriebes vonnδten.
Es ist ferner bekannt, mit elektromagnetischer Strahlung im nahen Infrarotbereich von etwa 910 bis 950 nm Wellenlänge zu arbeiten, um die Füllstandshöhe von Wasser in einem Glas- oder Kunststoffbehälter zu bestimmen. Die meisten Kunststoffe und Glas sind ebenso wie Wasser in diesem Wellenlängenbereich durchsichtig. Die Strahlung im nahen Infrarotbereich wurde dabei völlig analog sichtbarem Licht eingesetzt, wobei zur Füllhöhenbestimmung die Brechung der Strahlung an der Wasseroberfläche ausgenutzt wurde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erfassung der Füllhöhe von Füllgut in Behältern auf möglichst einfache und zuverlässige Weise durchzuführen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Temperaturunterschied dadurch erzielt wird, daß der Behälter nach dem Einfüllen von außen erwärmt oder abgekühlt wird
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kalt/Warm- Übergang an der Füllstandshöhe künstlich erzeugt, indem der Behälter von außen kurzzeitig aufgeheizt wird, z.B. durch einen Infrarotstrahler, eine Induktionsheizeinrichtung, heiße Luft, heißes Wasser, usw., oder durch kalte Luft oder kaltes Wasser abgekühlt wird. Dadurch, daß das Füllgut eine andere und im allgemeinen höhere Wärmekapazität als die relativ dünne Behälterwand hat, erfolgt die Temperaturänderung im gefüllten unteren Bereich des Behälters wesentlich träger als oberhalb der Füllstandshöhe, wo nur die Behälterwand ohne das an ihr anliegende Füllgut erwärmt bzw. abgekühlt wird.
Der Kalt/Warm-Übergang kann mit einer Thermokamera erfaßt und ausgewertet werden. Eine separate Quelle für die Wärmestrahlung ist nicht vorhanden, vielmehr wird die von der Außenwand des Behälters abgegebene Wärmestrahlung zur Erfassung der Füllhöhe untersucht. Vorzugsweise wird Infrarotstrahlung im Bereich von 1 μm bis 1 mm untersucht, die nachfolgend als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Das Thermokamerasystem kann eine Optik sowie ein matrixartig angeordnetes, gekühltes Dioden-Feld oder ein einzeiliges, gekühltes Dioden-Array mit einer Empfindlichkeit im Wellenlängenbereich von 1 bis 6 μm aufweist. Ein solcher Line-Scanner tastet die vorbeilaufenden Behälter senkrecht zur Transportrichtung abtastet und erzeugt somit letztlich ebenfalls ein zweidimensionales Bild. Bei langsam transportierten Behältern sind auch ungekühlte pyroelektrische Sensoren verwendbar, z.B. Bleisulfid-Sensoren, die im Bereich von 8 bis 12 μm Wellenlänge empfindlich sind. Aufgrund ihrer größeren Abmessungen werden pyroelektrische Sensoren im allgemeinen nicht senkrecht angeordnet, sondern leicht schräg gestellt, um eine bessere Auflösung in der Senkrechten zu erhalten. Wenn nur eine Über- oder Unterfüllungszone erfaßt werden soll, so sind auch einzelne wärme- empfindliche Sensoren ausreichend.
Bei der Verwendung von Thermokameras und Scannern kann durch Interpolation des Wärmeübergangsbereichs die Erfassung der Füllhöhe noch weiter präzisiert werden.
Die Wärmebildkamera liefert ein Graustufenbild, wobei der Grauwert ein Maß für die Temperatur ist . Dieses Wärmebild wird nach Standard-Bildauswerteverfahren verarbeite . Auf dem Wärmebild ist der gefüllte untere Bereich des Behälters an der geringeren oder höheren Strahlungsintensität erkennbar.
Durch die Verwendung von Infrarotstrahlung kann z.B. die Füll- höhe einer Flüssigkeit in einer Glas- oder Kunststoffflasche sehr zuverlässig bestimmt werden, da im Infrarotbereich über 1 μm Wellenlänge die meisten Flüssigkeiten, insbesondere
Wasser, absorbieren, während Glas oder Kunststoff durchlässig sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch für Behälter- material, das für die Wärmestrahlung nicht durchlässig ist, vorausgesetzt, das Füllgut hat eine hohe Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfähigkeit, wie es im allgemeinen auf flüssiges Füllgut zutrifft. Bei pulverförmigem Füllgut mit schlechter Wärmeleitfähigkeit ist dieses Verfahren weniger geeignet. Vor- aussetzung ist ferner eine gewisse Wärmeleitfähigkeit des Behältermaterials, wie es bei Blechdosen, Glas oder dünnwandigen Kunststoffbehältern der Fall ist. Versuche haben ergeben, daß je nach der Art und Stärke des Behältermaterials an der Außenseite des Behälters Temperaturunterschiede von einigen Zehntel bis einigen Grad innerhalb eines Übergangsbereichs von bis zu 10 mm vorhanden sein kön- nen. Der Kalt/Warm-Übergang bleibt nach dem Aufheizen oder Abkühlen der Außenseite des Behälters nur für die Zeit von einigen Sekundenbruchteilen bis einigen Sekunden je nach der Wärmeleitfähigkeit des Behältermaterials erhalten, so daß die Erfassungseinrichtung (Matrix-Thermokamera, Line-Scanner, ein- zelne Wärmesensoren) der Aufheiz- oder Abkühleinrichtung unmittelbar nachgeschaltet sein soll .
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es zeitlich und räumlich unabhängig vom Vorgang des Füllens des Behälters ist. Es ist dadurch z.B. möglich, nach der Fülleinrichtung, bei der das Füllgut kalt eingefüllt wird, eine Aufheizeinrichtung vorzusehen und dann den Warm/Kalt- Übergang zwischen dem warmen, leeren, oberen Bereich des Behälters und dem kalten, unteren, gefüllten Bereich des Behäl- ters zu detektieren. Umgekehrt kann nach dem Pasteurisieren des Füllgutes eine Kühleinrichtung vorgesehen werden, bei der z.B. mittels einer Kaltwasser-Sprühdüse die Außenseite des Behälters gekühlt wird. Der obere Bereich des Behälters, der nicht mit dem heißen Füllgut in Berührung steht, kühlt dabei wesentlich schneller ab, als der untere Bereich, in dem sich das Füllgut befindet. An der Grenze zwischen beiden entsteht wiederum ein Kalt/Warm-Übergang, der in der oben beschriebenen Weise detektiert werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, wobei die einzige Figur die wesentlichen Komponenten einer Vorrichtung zum Erfassen der Füllhöhe von Füllgut in einem Behälter von schräg oben zeigt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden auf einem Transporteur 10 Behälter 20 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit transportiert. Die Behälter sind Weißblech-Konserven- dosen mit etwa 0,5 mm Wandstärke, die für diesen Fall zu etwa 80% mit Wasser gefüllt sind. Seitlich neben dem Transporteur 10" ist eine Erkennungseinrichtung 30 angeordnet, deren optische Achse einen Winkel von 90° zur Transportrichtung hat. Die Erkennungseinrichtung 30 ist ein Thermokamerasystem mit einer Linse 31, einem einzeiligen, gekühlten Dioden-Array 32, dessen Empfindlichkeit im Bereich von 1 bis 6 μm Wellenlänge liegt, einem Verstärker 33, der die von dem Dioden-Array 32 erzeugten Signale verstärkt, sowie eine Auswerteinrichtung 34, die die verstärkten Signale des Dioden-Arrays 32 ausliest. Durch den Vorschub der Behälter 20 in Transportrichtung wird durch die Auswerteinrichtung 34 ein zweidimensionales Bild der Behälter erzeugt. Durch einen Taktgeber 50 wird die Transportgeschwindigkeit des Transporteurs 10 ermittelt, so daß das Wärmebild zeilengerecht aus den einzelnen vertikalen Zeilen zusammengesetzt werden kann. Das erhaltene zweidimensionale Bild wird nach bekanntem Standardverfahren auf das Vorhandensein von Graustufen untersucht, wobei die Graustufen Temperaturübergängen entsprechen. Die Breite derartiger Übergangs- bereiche liegt etwa in der Größenordnung von 5 mm. Zur
Verbesserung der Auflösung werden die Werte in diesem Bereich interpoliert. Bei einer Anzahl von 256 Bildelementen (= Anzahl der Dioden) innerhalb eines Bildausschnittes, der in einem Bereich von 2 cm Höhe der Behälterwand entspricht, kann dadurch eine Meßgenauigkeit von unter 1 mm erreicht werden.
Unmittelbar vor der Erkennungseinrichtung 30 befindet sich eine tunnelförmige Aufheizeinrichtung 40, in der die Behälter 20 dadurch aufgeheizt werden, daß kurzzeitig Heißluft auf die Außenseite der Behälter 20 gerichtet wird. Der Abstand zwischen dem Ende der Aufheizeinrichtung 40 und der Stelle längs des Transporteurs 10, an der die Außenseite der Behälter 10 durch die Erkennungseinrichtung 30 untersucht wird, wird so gewählt, daß an dieser Stelle und zu dem betreffenden Zeit- punkt ein möglichst deutlicher Temperaturunterschied zwischen dem unteren, mit Wasser gefüllten Bereich und dem oberen, leeren Bereich des Behälters besteht. Am Ende der Aufheiz- strecke 40 ist der Temperaturunterschied zwischen dem oberen und unteren Bereich des Behälters noch nicht sehr ausgeprägt. Der untere Teil kühlt jedoch nach Verlassen der Aufheizstrecke 40 wesentlich schneller ab, da ihm durch das Wasser Wärme ent- zogen wird, das an der Innenseite des Behälters anliegt. Der obere Teil des Behälters kühlt dagegen wesentlich langsamer ab, da er nur durch Wärmeleitung innerhalb des Behältermaterials in vertikaler Richtung, durch Abstrahlung, Konvektion, usw. seine Temperatur verändert. Bei üblichen Weißblech-Kon- servendosen ist dieser Temperaturunterschied etwa bis 1 Sekunde nach dem Verlassen der Aufheizstrecke 40 deutlich ausgeprägt. Bei einer Transportgeschwindigkeit von 1 m/sek kann daher der Abstand zwischen der Stelle, an der die Füllhöhe erfaßt wird, und der Aufheizstrecke 40 bis zu 1 m betragen.
Bei der Beförderung der Behälter 20 auf dem Transporteur 10 schwappt flüssiges Füllgut innerhalb des Behälters 20 hin und her, wodurch die Auswertung des Wärmebildes der Behälterober- fläche erschwert wird. Durch eine möglichst ruhige Führung des Transporteurs 10 sollen diese Schwappeffekte möglichst unterbunden werden. Bei der Auswertung des Wärmebildes der Behälteroberfläche führen diese Schwappeffekte dazu, daß der Kalt/Warm-Übergang wellenförmig und weniger ausgeprägt ist, so daß eine hohe Temperatur-Auflösung notwendig ist. In dem Ausführungsbeispiel wurde eine Auflösung von 0,2°C erreicht, wobei der maximale Temperaturunterschied innerhalb der Behälteroberfläche 10°C betrug. Die Wellenförmigkeit des Kalt/Warm- Übergangs kann dadurch eliminiert werden, daß über den Durch- messer des Behälters gemittelt wird.

Claims

PATENTANSPRUCHE
Verfahren zum Erfassen der Füllhöhe von Füllgut in einem Behälter, wobei elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich, die von dem Behälter ausgeht, untersucht wird und der obere, kein Füllgut enthaltende Teil des Behälters eine andere Temperatur aufweist als der untere, Füllgut enthaltende Teil des Behälters, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturunterschied dadurch erzielt wird, daß der Behälter nach dem Einfüllen von außen erwärmt oder abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrahlung durch eine Matrix-Thermokamera, einen Line-Scanner oder eine Anzahl für Infrarotstrahlung empfindlicher Fotodetektoren aufgenommen wird.
Verfahren nach Ansrpruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Infrarotstrahlung einer Wellenlänge von 1 μm bis 1 mm untersucht wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit einer Transporteinrichtung (10) für die Behälter (20) und mit einer Empfangseinrichtung (30) für die Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (40) zum Erwärmen oder Abkühlen der gefüllten Behälter (20) vorgesehen ist und die
Empfangseinrichtung (30) unmittelbar in Bewegungs- richtung nach der Einrichtung (40) zum Abkühlen oder Wärmen der Behälter vorgesehen ist und daß die Empfangseinrichtung (30) zum Empfang von Wärmestrahlung eingerichtet ist.
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