WO2019196989A1 - Vorrichtung zur erfassung von fremdkörpern in einem substratstrom - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung von fremdkörpern in einem substratstrom Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device for detecting a foreign body in a measuring volume in a transported substrate stream of a food or a feed according to the preamble of claim 1, a system comprising the device according to the invention according to claim 6 and a method for detecting a foreign body in one transported stream of a food or a feed according to the preamble of claim 9.
  • solid matter fragments may undesirably be frozen into the meat products or they may be present, for example in the form of a film, on the frozen meat products unpacking accidentally during unpacking and leading them into the thawing process.
  • Piece goods in particular granular or powdery foods, with a detection device for detecting the foreign bodies in the flow of goods known, wherein the foreign bodies are metallic foreign body.
  • DE200620002507 relates to detectable plastic protective gloves for the food processing and pharmaceutical industries, which contains as filler a highly magnetic mineral, so that the thus prepared gloves can be detected by metal detectors during the processing process.
  • a disadvantage of the known detection devices and systems is that they are only suitable for the detection of metallic or metallic matter prepared foreign bodies or solid fragments.
  • a detection of, for example, plastic, glass or wood fragments or other electrically non-conductive solids fragments or foreign bodies in the continuous flow of goods during the processing of the food or feed products is not possible with the known detection devices and systems.
  • the above object is achieved by a device having the features of claim 1, by a system having the features of claim 6 and by a method having the features of claim 9. Further advantages, features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings.
  • the device according to the invention for detecting a foreign body in a measuring volume in a transported substrate flow of a foodstuff or feed, the measuring volume being a flow body in the form of a cylindrical tube, by means of a sensor device having at least one sensor element with at least two electrodes, includes the technical teaching that the sensor element detects the foreign body by means of impedance measurement.
  • a cylindrical tube in the sense of the present invention may be a pipe with a standard nominal diameter of 65 or 80 cm, so that it can be integrated into or retrofitted into a processing installation with standard nominal width of 65 or 80 cm.
  • the cylindrical tube can also have a different nominal diameter, but advantageously the nominal diameter of the tube is adapted to the nominal size of the processing plant, so that in the course of The flow rate remains the same in the cylindrical tube of the device according to the invention and, in the case of a tube with a smaller diameter than for the processing system, there is no backflow during the substrate conveyance in the processing process.
  • foreign bodies in a transported stream of a foodstuff or a feedstuff are detected by means of a sensor device in a flow body designed as a cylindrical tube, wherein the sensor device comprises at least one sensor element with at least one pair of electrodes.
  • the sensor element measures the impedance of the food or feed flowing through the flow body, whereby when passing through a foreign body in the food or feed stream through the flow body, the sensor element registers a change in the impedance and thereby detects the foreign body.
  • the measurement takes place simultaneously on the basis of two sensor elements of a sensor unit, whereby the signal quality and / or the sensitivity in the measurement volume can be increased.
  • the device according to the invention and the system according to the invention and the method according to the invention combined are suitable for the detection of metallic, electrically conductive foreign bodies, and metallic or non-metallic, electrically non-conductive foreign bodies.
  • This solution offers the advantage that the device according to the invention can also be used as a combined detection device. tor or as a combined detection method for a foreign body from an electrically conductive and a foreign body made of an electrically non-conductive material can be used.
  • the incorporation of the device according to the invention into a production chain of a bottling plant and the use of impedance spectroscopy in the filling process can advantageously promote substrate transport with respect to unwanted solid fragments, metallic or non-metallic, electrically conductive or non-electrically conductive, continuously monitor.
  • the electrodes of the sensor elements with electrically conductive surfaces on the lateral surface of the cylindrical tube are arranged electrically insulated from each other.
  • the tube is advantageously designed in the form of an insulator made of an electrically non-conductive material, such as electrically non-conductive plastic, carbon, ceramic, glass or silicone.
  • the connection of the electrodes via their conductive surfaces on the lateral surface of the tube is also advantageous, since in this embodiment, no parts of the electrodes protrude into the measurement volume, which could hinder the food or feed stream or lead to interference signals in the resistance measurement by means of impedance could.
  • the electrodes of a sensor element are arranged at opposite points of the lateral surface of the cylindrical tube together lying on a straight line to each other. This means that the conductive surfaces of the electrodes of a pair of electrodes are arranged plane-parallel to one another, wherein the measuring volume through which the foodstuff or animal feed flows lies between the electrodes. The plane-parallel conductive surfaces of the electrodes of an electrode pair form a quasi capacitor with the measuring volume located therebetween.
  • the electrodes of a pair of electrodes of a sensor element are advantageously aligned with each other so that they enclose an angle of 180 °.
  • the electrodes of a pair of electrodes are offset from one another in an offset manner to the electrodes of another pair of electrodes in the radial direction of rotation of the lateral surface.
  • the electrodes of one pair of electrodes to the electrodes of the other pair of electrodes are advantageously arranged in the radial direction of rotation of the lateral surface by 90 ° or in the embodiment of the measuring section by means of three sensor elements, that is three electrode pairs offset by 60 ° to each other.
  • the electrodes of one electrode pair can be arranged offset to one another with respect to the electrodes of the other electrode pair in the radial direction of rotation of the lateral surface between 1 ° and 359 °.
  • the electrodes of the one electrode pair are arranged spaced from one another to the electrodes of the other electrode pair in the longitudinal extent of the flow body on the lateral surface. This arrangement of the electrode pairs to one another also increases the signal quality as well as the sensitivity of the measuring system or the measuring device.
  • the electrode pairs between the electrodes electrically excited via a supply voltage and a generated excitation signal advantageously register an impedance change in the form of a change in analog voltage values that can be measured according to the invention.
  • the analog voltage values are advantageously tapped from the electrodes, which drop over the measuring path and the current measuring resistor, and these analog voltage values are forwarded to the NI system with A / D converter, which converts the analog voltage values into digital values and which generates the excitation signal.
  • the system according to the invention comprises a digital multimeter with an A / D converter, which in the preceding and below is referred to as NI system, which determines the analogue logen converts voltage values into computer-processable digital values and generates an excitation signal for the electrodes.
  • the system according to the invention comprises a connection box for coupling the supply voltage and a sensor box, which has a current-technical and data connection to the connection box, and which is connected to the NI system via the connection box.
  • the sensor box also stimulates the excitation of the electrodes via the excitation signal, which is mediated by the NI system via the connection box to the sensor box.
  • the output of the excitation signal in the sensor box advantageously takes place via a voltage follower, whereby the tapping off of the voltage values is implemented via the current measuring resistor (Rsense) as well as the measuring path (RDuty).
  • the sensor box and the junction box are preferably arranged in two separate subsystems, ie in separate housings, which are advantageously connected to one another in terms of data and power by a multi-shielded LAN cable.
  • the sensor box and the connection box are particularly preferably designed as a single housing, ie arranged in a decentralized housing, wherein preferably all components of the sensor box and the connection box are arranged on a common printed circuit board.
  • a filter stage can be integrated into the system for signal preprocessing, which suppresses interference components that are not caused by the excitation of the impedance measurement before the analog measured values are converted into the digitally processable data.
  • the signal preprocessing with the filter stage can advantageously filter out disturbances experienced by the measured variables in the measuring section (RDuty) itself or on the way to the NI system, so that it is also possible to detect very small particles, ie very small foreign bodies, without measurement noise in the measurement noise ie would go down in the disturbances.
  • the system advantageously carries out a resistance measurement, for which purpose a current, imparted by a voltage follower of the sensor box, is applied to the electrodes of the sensor device and when excited, tion of the electrodes by means of an excitation signal of the resulting voltage drop in the form of voltage values are tapped via the current sense resistor Rsense and the measuring section Hinuty, this advantageously with at least one filter smoothes and the smoothed signal from the sensor box via the connection box to the NI system is transmitted.
  • the voltage follower advantageously implements an impedance transformation by the use of electrical energy, namely in the present case the excitation signal.
  • the excitation preferably takes place with an alternating current in a frequency range between 5 and 30 kFlz.
  • the excitation takes place with an alternating current in a frequency range between 8 to 20 kFIz, and particularly advantageous is the excitation with an alternating current at a frequency of 10 kFIz.
  • the excitation with a frequency of 10 kFIz represents an advantageous compromise between the overcoming of double-layer effects on the electrode surfaces and a reasonable Flardwareaufwand for signal handling and signal sampling.
  • the excitation is carried out advantageously via an excitation signal whose voltage amplitude preferably between 50 to 400 mV is.
  • the excitation is very particularly advantageous via an excitation signal whose voltage amplitude is 250 mV.
  • an impedance mean value is advantageously calculated for each food or animal feed formulation or measured in a test run, wherein the impedance mean value for each recipe is preferably used as the reference value a readable data store or stored in a database, which are connected by data technology with the system according to the invention.
  • the impedance mean value around 50 W +/- 5 is at a constant level.
  • the system according to the invention can advantageously be used universally without prior determination of the impedance mean value for various formulations in order to use these for foreign body determination in a wide variety of formulations.
  • the impedance average effectively forms a raw data set comprising the magnitude and imaginary part of the electrical impedance.
  • the technical teaching includes that upon detection of a foreign body in the food or animal feed, at least one quantity of the foodstuff or animal feed corresponding to the measuring volume of the flow body is conveyed through a discharge device connected fluidically downstream to the device. tion with a time delay to the detection of the foreign body from the transported stream can be discharged.
  • the discharge device advantageously receives a signal from the NI system or a control unit connected downstream of the NI system, the signal being received by the discharge device Contaminated food or feed in the volume corresponding to the measuring volume of the device, with the Foreign body is discharged from the substrate stream.
  • the present invention namely the device according to the invention, the system according to the invention and the method according to the invention are also suitable for the detection of gas inclusions in the substrate flow, such as air.
  • gas inclusions in the substrate flow such as air.
  • fermentation processes can be detected in the substrate, which can provide information about the degree of freshness of the food or food used, for example.
  • a deviation from the known impedance average for a formulation of a food or feed can provide information about the moisture content of the recipe.
  • FIG. 1 shows a schematic sketch of a device according to the invention with a sensor unit, comprising a sensor element with an electrode pair, when passing through two foreign bodies in a substrate flow,
  • FIG. 2 shows the device from FIG. 1 in a schematic sectional view perpendicular to the longitudinal axis AA when passing through the two foreign bodies in the substrate flow
  • FIG. 3 shows a schematic sketch of a device according to the invention with a sensor unit, comprising two sensor elements, each with a pair of electrodes, when passing through two foreign bodies in a substrate flow,
  • FIG. 4 shows the device from FIG. 3 in a schematic sectional view when passing through the two foreign bodies in the substrate stream
  • FIG. 5 shows a schematic sketch of a device according to the invention with a sensor unit, comprising four sensor elements each having a pair of electrodes, when passing through two foreign bodies in a substrate flow
  • 6 shows the device from FIG. 5 in a schematic sectional view when passing through the two foreign bodies in the substrate flow
  • FIG. 7 shows a schematic sketch of a system according to the invention comprising the device according to the invention.
  • the device 1 shows a schematic sketch of a device 1 according to the invention with a sensor unit 7.
  • the device 1 is designed as a flow body 5 in the form of a cylindrical tube 6 and has a specific measuring volume 4.
  • the measuring volume 4 is calculated from the cross section of the cylindrical tube 6, whose standard nominal diameter is advantageously 65 or 80 cm, and from the length of the cylindrical tube 6.
  • the sensor unit 7 comprises a sensor element 8.1 with two electrodes 9.1 and 9.2, which together form a common electrode pair.
  • the device 1 is designed for installation in a production plant for producing a feed or food, which is designed in the form of a pipe system through which a feed or food substrate stream is conveyed.
  • the device 1 advantageously comprises coupling pieces (not shown here) at both ends of the cylindrical tube 6, with which the device 1 can be easily integrated into the pipe system of the production plant, or existing production plants with the device according to the invention 1 can be easily retrofitted.
  • the two electrodes 9.1 and 9.2 form, as a common pair of electrodes, the sensor element 8.1 of the sensor unit 7, the electrodes 9.1 and 9.2 each having electrically conductive surfaces 11 on the lateral surface 12 of the sensor unit 7. are arranged cylindrical tube 6.
  • the conductive surfaces 11 of the two electrodes 9.1 and 9.2 are arranged perpendicular to the longitudinal axis AA to each other and are separated by the lateral surface 12 electrically isolated from each other.
  • the two electrodes 9.1 and 9.2 serve to detect a foreign body 2, 3.
  • a foreign body 2, 3 pass through the substream in the flow direction parallel to the longitudinal axis AA, which is indicated by the two arrows at the beginning and at the end of the cylindrical body Pipe 6 is shown in Figure 1, the inventive device 1.
  • the foreign bodies 2,3 may be electrically conductive and / or electrically non-conductive foreign body 2,3.
  • foreign bodies 2, 3 pass through the measuring volume 4 of the device 1 at different positions of the cylindrical tube 6 with the substrate flow and, in particular, at different positions, the intermediate space between the two electrodes 9.1 and 9.2.
  • the electrically isolated separation of the two electrodes 9.1 and 9.2 is advantageously carried out by the formation of the cylindrical tube 6 made of a material which is electrically very low or electrically non-conductive, for example in the form of a plastic tube.
  • the arrangement of the electrodes 9.1 and 9.2 with their conductive surfaces 11 on the lateral surface 12 of the cylindrical tube 6 offers over measuring electrodes, which engage in the volume of the cylindrical tube 6, the advantage that a mechanical contact between the substrate current and the electrodes 9.1 and 9.2 can be ruled out, as a result of which a background noise in the impedance measurement can be excluded to a considerable extent.
  • the space between the two electrodes 9.1 and 9.2 determines a punctual measuring section RDuty whose value for the signal conversion of an event, namely the passage of a foreign body 2, 3 in the subtrate stream, in conjunction with that at the excited electrodes 9.1 and 9.2 tapped voltage values via the current sense resistor Rsense.
  • the volume of the substrate contaminated with the foreign body 2, 3 can be determined precisely in time and at points in the substrate flow. If one takes the flow rate of the substrate Stream added, contaminated with the foreign body 2.3 substrate can be removed after passing through the device 1 according to the invention advantageously via a downstream of the device 1 integrated into the production facility Ausschleuse worn from the substrate stream.
  • FIG. 2 shows the device 1 from FIG. 1 in a schematic sectional view perpendicular to the longitudinal axis AA when passing through the two foreign bodies 2, 3 with the substrate flow.
  • an electric field which determines a measuring window 50 is formed in the interior of the cylindrical tube 6 when a voltage is applied.
  • the measuring window 50 in FIG. 2 does not cover the entire cross section of the cylindrical tube 6. Due to the field distribution of the electric field, the front foreign body 3 which is right in FIG. 1 does not pass through the measuring window 50, whereby in the case of this foreign body 3, whose detection with the sensor unit 7, which comprises only one pair of electrodes, is not possible.
  • FIG. 3 schematically shows a device 1 according to the invention with a sensor unit 7 with two sensor elements 8.1 and 8.2, each having a pair of electrodes each having two electrodes 9.1, 9.2 and 9.3, 9.4 passing through two foreign bodies 2, 3 in a substrate flow shown.
  • the measuring section Hinuty 17 of the sensor unit 7 of the device 1 in Figure 3 between the two sensor elements 8.1 and 8.2 each formed with a pair of electrodes, whereby the measuring window 50 and 51 in the longitudinal extent and parallel to the longitudinal axis AA in the measuring volume 4 of the cylindrical tube 6, which increases the signal quality and the sensitivity of the impedance measurement.
  • the two electrode pairs with the electrodes 9.1, 9.2 and 9.3, 9.4 of the two sensor elements 8.1 and 8.1 are not only in the longitudinal direction and parallel to the longitudinal axis AA separated from each other, but these are also arranged in the radial direction of rotation (shown by the rotating arrow on the right side of the cylindrical of the tube 6 in the figure) of the lateral surface 12 of the cylindrical Rohres 6 offset to each other on the lateral surface 12 ,
  • the two electrodes 9.1, 9.2 of the first sensor element 8.1 (the left sensor element 8.1 in FIG.
  • the front foreign body 3 on the right in FIG. 3 at least partially passes through the measuring element formed by the second sensor element 8.2.
  • Window 51 wherein in the case of this foreign body 3 relative to the measuring device 1 of Figure 1 and 2, an improved detection of a guided with the substrate stream through the measuring device 1 foreign body 2.3 is possible, but due to the incomplete coverage of the foreign body. 3 With the measuring windows 50 and 51 formed by the two sensor elements 8.1 and 8.2, the quantity of the foreign body 3 can not be determined exactly.
  • the rear foreign body 2 left in FIG. 3 passes both measuring windows 50 and 51 formed between the electrodes 9.1, 9.2 and 9.3, 9.4 with full coverage of the two measuring windows 50 and 51 and can be detected as such, while passing through the substrate current transported foreign body 2 between the electrically energized via a supply voltage electrodes 9.1, 9.2 and 9.3, 9.4 of the two sensor elements 8.1 and 8.2 each an impedance change in the form of a change of analog voltage values on the current measuring resistor Rsense 18 is measured.
  • the current measuring resistor Rsense 18 is tapped via the change in the analog voltage values simultaneously at the electrodes 9.1, 9.2 and 9.3, 9.4 of both sensor elements 8.1 and 8.2.
  • the signal quality and the sensitivity of the device 1 of FIGS. 1 through 9 can be determined by the distribution of the electrodes 9.1, 9.2 and 9.3, 9.4 and their arrangement relative to one another in the radial direction of rotation of the lateral surface 12 of the tube 6 3 and 4 are increased by a multiple compared to the device 1 of Figures 1 and 2, since the overlap of the orthogonally formed measuring windows 50 and 51, the probability that a foreign body 2.3 carried in the substrate current at least one of Measurement window 50 or 51 happened, is increased.
  • the device 1 foreign body 2,3, the outside of the two measuring windows 50 and 51 the signal quality and the sensitivity of the device 1 of FIGS. 1 through 9 can be determined by the distribution of the electrodes 9.1, 9.2 and 9.3, 9.4 and their arrangement relative to one another in the radial direction of rotation of the lateral surface 12 of the tube 6 3 and
  • Measuring section RDuty 17 pass can not be detected.
  • the electrodes 9.1, 9.2 and 9.3, 9.4 and 9.5, 9.6 of the three sensor elements 8.1, 8.2, 8.3 are also arranged in the radial direction of rotation of the lateral surface 12 of the cylindrical tube 6 offset by 60 ° to each other on the lateral surface 12, wherein in each case between Upon excitation of the electrodes 9.1, 9.2 and 9.3, 9.4 and 9.5, 9.6, an electrical field in the form of a measuring window 50, 51 or 52 is built up in each case by means of a supply voltage and an excitation signal. As shown in the schematic illustration in FIG.
  • FIG. 1 an inventive system 100, which comprises the device 1 according to the invention, is shown schematically in FIG.
  • the system 100 comprises three skin components 13, 14, 16.
  • the NI system 13 forms the heart of the system 100.
  • the NI system 13 Converts the analog voltage values, which are tapped via the current measuring resistor Rsense 18, into digital values that can be processed by computer technology.
  • the NI system 13 generates an electrical stimulus with which the feed or food to be examined can be measured via the sensor unit 16, namely via the electrodes 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 and / or 9.5, 9.6, along the measuring path RDuty 17 is excited in the device 1. So that both If the current measuring resistor Rsense 18 is tapped off and the electrical stimulus is generated with a corresponding sensitivity and transmitted to the measuring path, the measuring front end 200 must understand the measured variables from the sensor unit 7 and convey it to the NI system 13 in the best possible way.
  • the measuring front end 200 in the present case is constructed in a two-way manner, wherein the sensor box 16 is connected to the NI system 13 via the connection box 14.
  • the connection box 14 serves for coupling the supply voltage from a voltage source 15.
  • these are connected via a multi-shielded LAN cable 60 data and current. or voltage technology connected with each other.
  • the coupled from the connection box 14 via the LAN cable 60 supply voltage of 12 volts is transformed via a DCDC converter 80 into a 15 volt voltage and this is connected to that of the NI system 13 via the connection box 14 at the sensor box 16 mediated excitation signal via a voltage follower 70 to the sensor unit 7 output.
  • the excitation advantageously takes place with an alternating current at a frequency of 10 kHz.
  • the tap of the voltage values via the current measuring resistor Rsense 18 and the measuring section Hinuty 17 implemented.
  • a filter stage can be integrated into the system 100 for signal preprocessing (not shown here), which suppresses interference components that are not caused by the excitation of the impedance measurement before the analog measured values are converted into the digitally processable data. Due to the signal preprocessing with the filter stage, it is advantageously possible to filter out interferences which the measured variables in the measuring section RDuty 17 itself or on the way to the NI system 13 experience, so that it is also possible to detect very small particles, ie small foreign bodies, without integrated filter stage in measurement noise, ie in the Disturbances would go down.
  • the system 100 according to the invention with the device 1 according to the invention can thus also be used to detect the smallest suspended particles or small air inclusions, for example in medical fluids, such as infusion solutions, and can thus be used for the quality control of such medical fluids.
  • the generation of the excitation signal as well as the processing of the measured variables is carried out using software developed especially for the system 100 according to the invention.
  • the algorithm underlying the software is designed so that it can be adapted to improve the measurement accuracy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Detektion eines Fremdkörpers (2, 3) in einem Messvolumen (4) in einem transportierten Substratstrom eines Lebensmittels oder eines Futtermittels, wobei das Messvolumen (4) ein Durchflusskörper (5) in Form eines zylindrischen Rohres (6) ist, mittels einer Sensoreinrichtung (7) mit zumindest einem Sensorelement (8.1) mit zumindest zwei Elektroden (9.1, 9.2). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Sensorelement (8.1) mittels Impedanzmessung den Fremdkörper (2,3) detektiert.

Description

„Vorrichtung zur Erfassung von Fremdkörpern in einem Substratstrom“
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion eines Fremdkörpers in einem Messvolumen in einem transportierten Substratstrom eines Lebensmit- tels oder eines Futtermittels nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , ein Sys- tem umfassend die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 6 sowie ein Verfahren zur Detektion eines Fremdkörpers in einem transportierten Strom eines Lebensmittels oder eines Futtermittels nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.
In der Lebensmittel- und Futterindustrie werden unterschiedlichste Produkte verarbeitet, die von Zulieferern verpackt in Gebinden zu den Lebensmittel- oder Futtermittelhersteller geliefert werden. Zumeist sind diese Produkte tief- gefroren und müssen beim Hersteller ausgepackt und aufgetaut werden. Das Auspacken der Produkte kann manuell oder vollautomatisch erfolgen, wohin- gegen der Auftauprozess vollautomatisch während des Verarbeitungsprozes- ses erfolgt. Bereits beim Zulieferer kann Verpackungsmaterial, wie beispiels- weise Kunststofffolienreste, Holz, Glas oder Kabelbinder oder auch metalli- sche Fremdkörper wie beispielsweise Krampen oder Bindedraht, insgesamt als Feststofffragmente bezeichnet, in die Produkte gelangen. Insbesondere beim Einfrieren von Fleischprodukten können in unerwünschter weise Fest- Stofffragmente mit in die Fleischprodukte eingefroren werden oder diese kön- nen, beispielsweise in Form einer Folie, an den gefrorenen Fleischprodukten bei deren Auspacken versehentlich festhaften und mit in den Auftauprozess geleitet werden.
In der Lebensmittel- und Futterindustrie besteht jedoch der Bedarf uner- wünschte Feststofffragmente generell aus dem verarbeiteten Lebens- oder Futtermittel auszuschließen, damit diese nicht bis zum Endkunden gelangen. Daher sollen die Feststofffragmente bereits im Verarbeitungsprozess detek- tiert und aus dem Lebens- oder Futtermittel entfernt werden, bevor dieses umverpackt, beispielsweise eingedost oder eingetütet wird.
Aus der DE19981337717 Detektionssystem zum Erfassen von Fremdkörpern in einem kontinuierlichen Warenstrom, wie beispielsweise Schütt- oder
Stückgüter, insbesondere körnige oder pulverige Lebensmittel, mit einer De- tektionsvorrichtung zum Detektieren der Fremdkörper in dem Warenstrom bekannt, wobei es sich bei den Fremdkörpern um metallische Fremdkörper handelt. Die DE200620002507 betrifft detektierbare Kunststoffschutzhandschuhe für die lebensmittelverarbeitenden- und pharmazeutischen Industrien, die als Füllstoff ein höchst magnetisches Mineral enthalten ist, damit die so präpa- rierten Handschuhe von Metalldetektoren während des Verarbeitungsprozes- ses detektiert werden können. Nachteilhaft bei den bekannten Detektionsvorrichtungen und -Systemen ist, dass diese nur zur Detektion von metallischen oder mit metallischen Materia- lien präparierten Fremdkörpern oder Feststofffragmenten geeignet sind. Eine Detektion von beispielsweise Kunststoff-, Glas- oder Holzfragmenten oder von anderen elektrisch nicht leitenden Feststofffragmenten oder Fremdkör- pern im kontinuierlichen Warenstrom bei der Verarbeitung der Lebens- oder Futtermittelprodukte ist mit den bekannten Detektionsvorrichtungen und - Systemen jedoch nicht möglich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Detektionsvorrich- tung und ein Detektionsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen Fest- Stofffragmente in Form von elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Festkörpern bei der Verarbeitung der Lebens- oder Futtermittelprodukte zu einem Endprodukt detektiert und gegebenenfalls aus dem Verarbeitungspro- zess ausgeschlossen werden können. Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Weitere Vor- teile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü- chen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung be- schrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfin- dungsgemäßen System, umfassend die erfindungsgemäße Vorrichtung, und auch im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Detektion eines Fremdkör- pers in einem transportierten Strom eines Lebensmittels oder eines Futtermit- tels und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den ein- zelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion eines Fremdkörpers in ei- nem Messvolumen in einem transportierten Substratstrom eines Lebensmit- tels oder eines Futtermittels, wobei das Messvolumen ein Durchflusskörper in Form eines zylindrischen Rohres ist, mittels einer Sensoreinrichtung mit zu- mindest einem Sensorelement mit zumindest zwei Elektroden, schließt die technische Lehre ein, dass das Sensorelement mittels Impedanzmessung den Fremdkörper detektiert. Ein zylindrisches Rohr im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Rohr mit einer Standardnennweite von 65 oder 80 cm sein, damit dieses in eine Verar- beitungsanlage mit Standardnennweite von 65 oder 80 cm integrierbar bzw. in diese nachrüstbar ist. Natürlich kann das zylindrische Rohr auch eine andere Nennweite aufweisen, wobei jedoch vorteilhaft die Nennweite des Rohres an die Nennweite der Verarbeitungsanlage angepasst ist, damit im Verlauf des zylindrischen Rohres der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Strömungsge- schwindigkeit gleich bleibt und es bei einem Rohr mit einem geringeren Durchmesser als für die Verarbeitungsanlage nicht zu einem Rückstau bei der Substratförderung im Verarbeitungsprozess kommt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Fremdkörper in einem transpor- tierten Strom eines Lebensmittels oder eines Futtermittels mittels einer Sen- soreinrichtung in einem als zylindrisches Rohr ausgebildeten Durchflusskör- per detektiert, wobei die Sensoreinrichtung zumindest ein Sensorelement mit wenigstens einem Elektrodenpaar umfasst. Das Sensorelement misst erfin- dungsgemäß die Impedanz des durch den Durchflusskörper strömenden Le- bens- oder Futtermittels, wobei beim Durchlaufen eines Fremdkörpers in dem Lebens- oder Futtermittelstrom durch den Durchflusskörper das Sensorele- ment eine Änderung der Impedanz registriert und dadurch den Fremdkörper detektiert. Vorteilhaft erfolgt die Messung anhand von zwei Sensorelementen einer Sensoreinheit simultan, wodurch die Signalqualität und/oder die Emp- findlichkeit in dem Messvolumen erhöht werden kann. Bei Versuchen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Produktionsanlage unter Anwen- dung des elektrischen Impedanzspektroskopieverfahrens konnte in erstaunli- cher Weise festgestellt werden, dass sich im Zusammenspiel mit speziellen Elektrodenanordnungen der Elektroden eines Paares relativ zueinander, hoch aufgelöst auch Fremdkörper aus nicht elektrisch leitenden Materialien detek- tieren ließen, wobei bei einem Aufbau der Vorrichtung mit zwei Elektroden- paaren die Signalqualität und die Empfindlichkeit der Vorrichtung noch erhöht werden konnte. Aber auch metallische Fremdkörper konnten unter Anwen- düng des elektrischen Impedanzspektroskopieverfahrens in dem Messvolu- men der erfindungsgemäßen Vorrichtung detektiert werden. Insofern sind die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße System, sowie das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert zur Detektion von metallischen, elektrisch leitenden Fremdkörpern, und metallischen oder nicht metallischen, elektrisch nicht leitenden Fremdkörpern geeignet. Diese Lösung bietet den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als kombinierter Detek- tor oder als kombiniertes Detektionsverfahren für einen Fremdkörper aus ei- nem elektrisch leitenden und einen Fremdkörper aus einem elektrisch nicht- leitenden Material eingesetzt werden kann.
Im automatisierten Flerstellungs- und Abfüllprozess von Lebens- oder Futter- mittein lässt sich vorteilhaft mit dem Einbau der erfindungsgemäßen Vorrich- tung in eine Produktionskette einer Abfüllanlage und unter Anwendung der Impedanzspektroskopie im Abfüllprozess die Substratförderung hinsichtlich unerwünschter Feststofffragmente, metallisch oder nicht metallisch, elektrisch leitend oder nichtelektrisch leitend, kontinuierlich überwachen. Vorzugsweise sind die Elektroden der Sensorelemente mit elektrisch leitfähi- gen Flächen auf der Mantelfläche des zylindrischen Rohres elektrisch vonei- nander isoliert angeordnet. Das Rohr ist dabei vorteilhaft in Form eines Isola- tors aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie beispielsweise elektrisch nicht leitendem Kunststoff, Kohlenstoff, Keramik, Glas oder Silikon ausgestaltet. Die Anbindung der Elektroden über deren leitfähige Flächen auf der Mantelfläche des Rohres ist zudem vorteilhaft, da bei dieser Ausgestal- tung keine Teile der Elektroden in das Messvolumen hineinragen, welche den Lebens- oder Futtermittelstrom behindern könnten oder die zu Störsignalen bei der Widerstandsmessung mittels Impedanz führen könnten. Vorteilhaft sind die Elektroden eines Sensorelementes an gegenüberliegen- den Punkten der Mantelfläche des zylindrischen Rohres gemeinsam auf einer Gerade liegend zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass die leitfähigen Flächen der Elektroden eines Elektrodenpaares planparallel zueinander an- geordnet sind, wobei zwischen den Elektroden das Messvolumen liegt, durch das das Lebens- oder Futtermittel strömt. Die planparallel zueinander ausge- richteten leitfähigen Flächen der Elektroden eines Elektrodenpaares bilden mit dem dazwischen liegenden Messvolumen quasi einen Kondensator. Die Elektroden eines Elektrodenpaares eines Sensorelementes sind dabei vor- teilhaft so zueinander ausgerichtet, das sie einen Winkel von 180° einschlie- ßen. Um eine besonders gute Feldabdeckung im Messvolumen zu erhalten, sind die Elektroden eines Elektrodenpaares zu den Elektroden eines anderen Elektrodenpaares in radialer Umlaufrichtung der Mantelfläche versetzt zuei- nander ausgerichtet. Vorteilhaft sind dabei die Elektroden des einen Elektro- denpaares zu den Elektroden des anderen Elektrodenpaares in radialer Um- laufrichtung der Mantelfläche um 90° oder bei Ausgestaltung der Messstrecke mittels drei Sensorelementen, das heißt drei Elektrodenpaaren um 60° zuei- nander versetzt angeordnet. Je nach Anforderung und gewünschter Feldab- deckung können die Elektroden des einen Elektrodenpaares zu den Elektro- den des anderen Elektrodenpaares in radialer Umlaufrichtung der Mantelflä- che zwischen 1 ° bis 359° zueinander versetzt angeordnet sein.
Um die Messstrecke im Messvolumen zu erhöhen, sind die Elektroden des einen Elektrodenpaares zu den Elektroden des anderen Elektrodenpaares in Längserstreckung des Durchflusskörpers auf der Mantelfläche zueinander beabstandet angeordnet. Diese Anordnung der Elektrodenpaare zueinander erhöht zudem die Signalqualität als auch die Empfindlichkeit des Messsys- tems bzw. der Messvorrichtung.
Vorteilhaft registrieren die Elektrodenpaare beim Durchlaufen des im Strom transportierten Fremdkörpers zwischen den über eine Versorgungsspannung und einem generierten Anregungssignal elektrisch angeregten Elektroden eine Impedanzänderung in Form einer Änderung von analogen Spannungs- werten, die erfindungsgemäß messbar ist. Für die Messung werden dabei vorteilhaft die analogen Spannungswerte von den Elektroden abgegriffen, die über die Messstrecke und den Strommesswiderstand abfallen und diese ana- logen Spannungswerte werden an Nl-System mit A/D-Wandler weitergeleitet, welches die analogen Spannungswerte in digitale Werte wandelt und welches das Anregungssignal generiert.
Die voranstehende Aufgabe wird zudem durch ein System, das die erfin- dungsgemäße Vorrichtung umfasst, gelöst. Des Weiteren umfasst das erfin- dungsgemäße System ein Digitalmultimeter mit einem A/D-Wandler, welches im vorangehend und im Folgenden als Nl-System bezeichnet ist, das die ana- logen Spannungswerte in computertechnisch verarbeitbare Digitalwerte um wandelt, und welches ein Anregungssignal für die Elektroden erzeugt. Zudem umfasst das erfindungsgemäße System eine Verbindungsbox zur Einkopp- lung der Versorgungsspannung und eine Sensorbox, die eine stromtechni- sehe und datentechnische Anbindung an die Verbindungsbox hat, und welche über die Verbindungsbox datentechnisch mit dem Nl-System verbunden ist. Die Sensorbox stimuliert zudem die Anregung der Elektroden über das Anre- gungssignal, das von dem Nl-System über die Verbindungsbox an die Sen- sorbox vermittelt wird. Die Ausgabe des Anregungssignals in der Sensorbox findet vorteilhaft über einen Spannungsfolger statt, dabei wird der Abgriff der Spannungswerte über den Strommesswiderstand (Rsense) sowie der Mess- strecke (RDuty) umgesetzt. Die Sensorbox und die Verbindungsbox sind vor- zugsweise in zwei getrennte Teilsysteme, d.h. in getrennten Gehäusen ange- ordnet, welche vorteilhaft durch ein mehrfach geschirmtes LAN-Kabel daten- und stromtechnisch miteinander verbunden sind. Um das System gegenüber Störeinflüssen vorteilhafter auszugestalten, sind die Sensorbox und die Ver- bindungsbox besonders bevorzugt einhäusig ausgestaltet, d.h. in einem dezi- dierten Gehäuse angeordnet, wobei vorzugsweise sämtliche Bauteile der Sensorbox und der Verbindungsbox auf einer gemeinsamen Leiterplatte an- geordnet sind. Optional kann zur Signalvorverarbeitung eine Filterstufe in das System integriert werden, die bereits vor der Wandlung der analogen Mess- werte in die digital verarbeitbaren Daten Störanteile unterdrückt, die nicht durch die Anregung der Impedanzmessung hervorgerufen werden. Durch die Signalvorverarbeitung mit der Filterstufe können vorteilhaft Störungen, die die Messgrößen in der Messstrecke (RDuty) selbst oder auf dem Weg zum Nl- System erfahren, herausgefiltert werden, so dass auch Kleinstpartikel, d.h. Kleinstfremdkörper detektiert werden können, die ohne integrierte Filterstufe im Messrauschen, d.h. in den Störungen untergehen würden.
Als Impedanzmessung führt das System vorteilhaft eine Widerstandsmes- sung aus, wobei hierzu ein Strom, vermittelt durch einen Spannungsfolger der Sensorbox, an den Elektroden der Sensoreinrichtung anliegt und bei Anre- gung der Elektroden mittels eines Anregungssignals der entstehende Span- nungsabfall in Form von Spannungswerten die über den Strommesswider- stand Rsense sowie die Messstrecke Rüuty abgegriffen werden, diese vorteilhaft mit zumindest einem Filter glättet und das geglättete Signal von der Sensor- box über die Verbindungsbox an das Nl-System übertragen wird. Durch den Spannungsfolger erfolgt vorteilhaft unter dem Einsatz von elektrischer Ener- gie, nämlich vorliegend dem Anregungssignal, eine Impedanzwandlung. Vor- zugsweise findet die Anregung mit einem Wechselstrom in einem Frequenz- bereich zwischen 5 bis 30 kFIz statt. Noch vorteilhafter findet die Anregung mit einem Wechselstrom in einem Frequenzbereich zwischen 8 bis 20 kFIz statt, und besonders vorteilhaft erfolgt die Anregung mit einem Wechselstrom bei einer Frequenz von 10 kFIz. Die Anregung mit einer Frequenz von 10 kFIz stellt dabei einen vorteilhaften Kompromiss zwischen der Überwindung von Doppelschichteffekten an den Elektrodenoberflächen und einem vertretbaren Flardwareaufwand für das Signalhandling und die Signalabtastung dar. Die Anregung erfolgt dabei vorteilhaft über ein Anregungssignal dessen Span- nungsamplitude vorzugsweise zwischen 50 bis 400 mV beträgt. Ganz beson- ders vorteilhaft erfolgt die Anregung über ein Anregungssignal dessen Span- nungsamplitude 250 mV beträgt. Um einen Fremdkörper in dem Lebensmittel- oder Tierfuttermittelstrom detek- tieren zu können, wird vorteilhaft für jede Lebensmittel- oder Tierfuttermittel- rezeptur ein Impedanz-Mittelwert errechnet oder in einem Testdurchlauf ge- messen, wobei der Impedanz-Mittelwert für jede Rezeptur vorzugsweise als Referenzwert auf einem auslesbaren Datenspeicher oder in einer Datenbank hinterlegt ist, welche datentechnisch mit dem erfindungsgemäßen System verbunden sind. Aus den vorangegangenen Versuchen des Anmelders der vorliegenden Erfindung konnte jedoch in überraschender weise auch gezeigt werden, dass für die einzelnen Rezepturen der Impedanz-Mittelwert um 50 W +/- 5 herum auf einem konstanten Niveau liegt. Durch die Bestimmung des Impendanz-Mittelwerts (ohmsche Komponente) konnte erfindungsgemäß festgestellt werden, dass Änderungen im Querschnitt des Substrats, bei- spielsweise große oder kleine Fleischbrocken, oder große oder kleine Gemü- sestückchen, keinen Einfluss auf die Impedanz-Mittelwert haben. Demnach ist das erfindungsgemäße System vorteilhaft universell ohne vorherige Be- stimmung des Impedanz-Mittelwertes für verschiedene Rezepturen einsetz- bar, um diese zur Fremdkörperbestimmung in den unterschiedlichsten Re- zepturen einzusetzen.
Der Impedanz-Mittelwert bildet quasi einen Rohdatensatz, umfassend den Betrag und Imaginärteil der elektrischen Impedanz. Bei Fremdkörpereinfluss steigt der Strommesswiderstand Rsense an, sodass anhand des Anstiegs des Strommesswiderstand Rsense sowie über die Messstrecke RDuty und vorteilhaft in Bezug auf den zeitlichen Verlauf der Fremdkörper in einem bestimmbaren Messvolumen in einem transportierten Substratstrom detektiert werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion eines Fremdkörpers in ei- nem transportierten Substratstrom eines Lebensmittels oder eines Futtermit- tels, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einer Anlage zur Herstellung und/oder Verpackung von Lebensmitteln oder von Futtermitteln fluidtechnisch verbunden wird, und wobei die Vorrichtung Be- standteil des erfindungsgemäßen Systems ist, schließt die technische Lehre ein, dass bei Detektion eines Fremdkörpers in dem Lebensmittel oder dem Futtermittel zumindest eine dem Messvolumen des Durchflusskörpers ent- sprechende Menge des Lebensmittels oder des Futtermittels durch eine mit der Vorrichtung stromabwärts fluidtechnisch verbundene Ausschleusevorrich- tung zeitversetzt zu der Detektion des Fremdkörpers aus dem transportierten Strom ausgeschleust werden kann. Um das mit dem Fremdkörper kontami- nierte Lebensmittel oder Futtermittel über die Ausschleuseeinrichtung aus dem Herstellungsprozess auszuschleusen, erhält die Ausschleuseeinrichtung vorteilhaft von dem Nl-System oder einer dem Nl-System nachgeschalteten Steuerungseinheit ein Signal, wobei bei Empfang des Signals durch die Aus- schleuseeinrichtung das kontaminierte Lebensmittel oder Futtermittel in dem Volumen, dass dem Messvolumen der Vorrichtung entspricht, mit dem Fremdkörper aus dem Substratstrom ausgeschleust wird. Um die Ausschleu- sung des mit dem Fremdkörper kontaminierten Substrats steuern zu können, sind die zeitliche Erfassung des Fremdkörpers beim Durchlaufen der Mess- strecke sowie die Geschwindigkeit des Substratstroms bei der Verarbeitung des von dem Nl-System an die Ausschleuseeinrichtung gesendeten Signals zu berücksichtigen, um zeitlich versetzt nach Durchlaufen der Messstrecke an der hinter der erfindungsgemäßen Messvorrichtung stromabwärts liegenden Ausschleuseeinrichtung die dem Messvolumen entsprechende Substratmen- ge mit dem Fremdkörper aus dem Substratstrom auszuschleusen und dieses gegebenfalls zur Nachuntersuchung in einem Behälter aufzufangen.
Neben der Detektion von elektrisch leitenden und elektrisch nichtleitenden Fremdkörpern in dem Substratstrom ist die vorliegende Erfindung, nämlich die erfindungsgemäße Vorrichtung, das erfindungsgemäße System sowie das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Detektion von Gaseinschlüssen in dem Substratstrom, wie beispielsweise Luft geeignet. Somit können mit der vorliegenden Erfindung beispielsweise auch Gärprozesse in dem Subtrat de- tektiert werden, was beispielsweise Aufschluss über den Frischegrad der verwendeten Lebens- oder Nahrungsmittel geben kann. Auch kann eine Abweichung von dem bekannten Impedanz-Mittelwert für eine Rezeptur eines Lebens- oder Futtermittels Auskunft über den Feuchtigkeitsgehalt der Rezep- tur geben.
Um hier Wiederholungen bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Sys- tems oder des erfidnungsgemäßen Verfahrens zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor- richtung verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen, werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung an- hand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in be- liebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Sensoreinheit, umfassend ein Sensorelement mit ei- nem Elektrodenpaar, beim Durchlaufen von zwei Fremdkörpern in einem Substratstrom,
Fig. 2 die Vorrichtung aus Figur 1 in einer schematischen Schnittan- sicht senkrecht zur Längsachse AA beim Durchlaufen der zwei Fremdkörper in dem Substratstrom,
Fig. 3 eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Sensoreinheit, umfassend zwei Sensorelemente mit je einem Elektrodenpaar, beim Durchlaufen von zwei Fremdkör- pern in einem Substratstrom,
Fig. 4 die Vorrichtung aus Figur 3 in einer schematischen Schnittan- sicht beim Durchlaufen der zwei Fremdkörper in dem Substrat- strom,
Fig. 5 eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Sensoreinheit, umfassend vier Sensorelemente mit je einem Elektrodenpaar, beim Durchlaufen von zwei Fremdkör- pern in einem Substratstrom Fig. 6 die Vorrichtung aus Figur 5 in einer schematischen Schnittan- sicht beim Durchlaufen der zwei Fremdkörper in dem Substrat- strom, und Fig. 7 eine schematische Skizze eines erfindungsgemäßen Systems, umfassend die erfindungsgemäße Vorrichtung.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Be- zugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Skizze eine erfindungsgemäße Vorrich- tung 1 mit einer Sensoreinheit 7. Die Vorrichtung 1 ist als Durchflusskörper 5 in Form eines zylindrischen Rohres 6 ausgebildet und weist ein bestimmtes Messvolumen 4 auf. Das Messvolumen 4 errechnet sich aus dem Querschnitt des zylindrischen Rohres 6, dessen Standardnennweite vorteilhaft 65 oder 80 cm ist, und aus der Länge des zylindrischen Rohres 6. Die Sensoreinheit 7 umfasst in dieser Ausführungsform ein Sensorelement 8.1 mit zwei Elektro- den 9.1 und 9.2, die zusammen ein gemeinsames Elektrodenpaar bilden. Die Vorrichtung 1 ist zum Einbau in eine Produktionsanlage zur Herstellung eines Futter- oder Lebensmittel ausgebildet, welche in Form eines Rohrsystems, durch das ein Futtermittel- oder Lebensmittelsubstratstrom gefördert wird, ausgestaltet ist. Die Vorrichtung 1 umfasst zu diesem Zweck an beiden En- den des zylindrischen Rohres 6 vorteilhaft Kupplungstücke (hier nicht darge- stellt), womit sich die Vorrichtung 1 in das Rohrsystem der Produktionsanla- ge einfach integrieren lässt, bzw. bestehende Produktionsanlagen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 einfach nachgerüstet werden können. Die beiden Elektroden 9.1 und 9.2 bilden als ein gemeinsames Elektrodenpaar das Sensorelement 8.1 der Sensoreinheit 7, wobei die Elektroden 9.1 und 9.2 jeweils mit elektrisch leitfähigen Flächen 11 auf der Mantelfläche 12 des zy- lindrischen Rohres 6 angeordnet sind. Die leitfähigen Flächen 11 der beiden Elektroden 9.1 und 9.2 sind senkrecht zur Längsachse AA zueinander ange- ordnet und sind durch die Mantelfläche 12 elektrisch isoliert voneinander ge- trennt. Die beiden Elektroden 9.1 und 9.2 dienen erfindungsgemäß zur De- tektion eines Fremdkörpers 2,3, vorliegend in Figur 1 durchlaufen zwei Fremdkörper 2,3 mit dem Substartstrom in Strömungsrichtung parallel zur Längsachse AA, welche durch die beiden Pfeile am Anfang und am Ende des zylindrischen Rohres 6 in der Figur 1 dargestellt ist, die erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Bei den Fremdkörpern 2,3 kann es sich um elektrisch leitende und/oder elektrisch nichtleitende Fremdkörper 2,3 handeln. Die beiden
Fremdkörper 2,3 durchlaufen vorliegend mit dem Substratstrom das Messvo- lumen 4 der Vorrichtung 1 an unterschiedlichen Positionen des zylindrischen Rohrs 6 und insbesondere an unterschiedlichen Positionen den Zwischen- raum zwischen den beiden Elektroden 9.1 und 9.2. Die elektrisch isolierte Trennung der beiden Elektroden 9.1 und 9.2 erfolgt vorteilhaft durch die Aus- bildung des zylindrischen Rohres 6 aus einem elektrisch sehr gering oder elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise in Form eines Kunststoff- rohres. Die Anordnung der Elektroden 9.1 und 9.2 mit ihren leitfähigen Flä- chen 11 auf der Mantelfläche 12 des zylindrischen Rohres 6 bietet gegenüber Messelektroden, die in das Volumen des zylindrischen Rohres 6 eingreifen, den Vorteil, dass ein mechanischer Kontakt zwischen dem Substratstrom und den Elektroden 9.1 und 9.2 ausgeschlossen werden kann, wodurch zu einem erheblichen Anteil ein Grundrauschen bei der Impedanzmessung ausge- schlossen werden kann. Der Raum zwischen den beiden Elektroden 9.1 und 9.2 bestimmt eine punktuelle Messstrecke RDuty, deren Wert für die Sig- nalumsetzung eines Ereignisses, nämlich der Durchlauf eines Fremdkörpers 2,3 in dem Subtratstrom, in Verbindung mit dem an den angeregten Elektro- den 9.1 und 9.2 abgegriffenen Spannungswerten über den Stromesswider- stand Rsense dient. Mittels des Messvolumens 4 in Verbindung mit der Sig- nalumsetzung kann das Volumen des mit dem Fremdkörper 2,3 kontaminier- ten Substrats zeitgenau und punktuell in dem Substratstrom ermittelt werden. Nimmt man zu diesen Werten noch die Fließgeschwindigkeit des Substrat- Stroms hinzu, kann das mit dem Fremdkörper 2,3 kontaminierte Substrat nach dem Durchfluss durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 vorteilhaft über eine stromabwärts der Vorrichtung 1 in die Produktionsanlage integrierte Ausschleuseeinrichtung aus dem Substratstrom entfernt werden. Fig. 2 zeigt die Vorrichtung 1 aus Figur 1 in einer schematischen Schnittan- sicht senkrecht zur Längsachse AA beim Durchlaufen der zwei Fremdkörper 2,3 mit dem Substratstrom. Zwischen den zwei Elektroden 9.1 und 9.2 des Sensorelements 8.1 der Sensoreinheit 7 wird bei Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld, das ein Messfenster 50 bestimmt, im Inneren des zy- lindrischen Rohres 6 ausgebildet. Das Messfenster 50 deckt vorliegend in Figur 2 nicht den gesamten Querschnitt des zylindrischen Rohres 6 ab. Der in Figur 1 rechte vordere Fremdkörper 3 durchläuft aufgrund der Feldverteilung des elektrischen Feldes nicht das Messfenster 50, wobei im Fall dieses Fremdkörpers 3, dessen Detektion mit der Sensoreinheit 7, die nur ein Elekt- rodenpaar umfasst, nicht möglich ist. Dahingegen passiert der in Figur 1 linke hintere Fremdkörper 2 das zwischen den Elektroden 9.1 und 9.2 gebildete Messfenster 50 im Inneren des Rohrs 6 und kann als solcher detektiert wer- den, wobei beim Durchlaufen des im Substratstrom transportierten Fremd- körpers 2 zwischen den über eine Versorgungsspannung und ein Anregungs- Signal elektrisch angeregten Elektroden 9.1 und 9.2 eine Impedanzänderung in Form einer Änderung von analogen Spannungswerten über einen Strom- messwiderstand Rsense 18 messbar ist. Dabei werden insbesondere die ana- logen Spannungswerte von den Elektroden 9.1 und 9.2 abgegriffen werden, die über die Messstrecke RDuty 17 und den Strommesswiderstand Rsense 18 abfallen.
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einer Sensoreinheit 7 mit zwei Sensorelementen 8.1 und 8.2 mit je einem Elektrodenpaar mit je- weils zwei Elektroden 9.1 ,9.2 und 9.3, 9.4, beim Durchlaufen von zwei Fremd- körpern 2,3 in einem Substratstrom schematisch dargestellt. Im Gegensatz zu der Vorrichtung 1 aus den Figuren 1 und 2, bei welcher die Messstrecke RDuty 17 punktuell zwischen den Elektroden 9.1 und 9.2 des einen Sensorelements 8.1 ausgebildet ist, ist die Messstrecke Rüuty 17 der Sensoreinheit 7 der Vor- richtung 1 in Figur 3 zwischen den beiden Sensorelementen 8.1 und 8.2 mit jeweils einem Elektrodenpaar ausgebildet, wodurch die Messfenster 50 und 51 in Längserstreckung und parallel zur Längsachse AA in dem Messvolu- men 4 des zylindrischen Rohres 6 gestreckt werden, was die Signalqualität und die Empfindlichkeit der Impedanzmessung erhöht.
Wie aus der schematischen Schnittansicht senkrecht zur Längsachse AA der Vorrichtung 1 aus Figur 3 in der Figur 4 erkennbar ist, sind die beiden Elekt- rodenpaare mit den Elektroden 9.1 ,9.2 und 9.3, 9.4 der beiden Sensorelemen- te 8.1 und 8.1 nicht nur in Längserstreckung und parallel zur Längsachse AA voneinander getrennt, sondern diese sind auch in radialer Umlaufrichtung (durch den umlaufenden Pfeil auf der rechten Seite des zylindrischen des Rohres 6 in der Figur dargestellt) der Mantelfläche 12 des zylindrischen Roh- res 6 versetzt zueinander auf der Mantelfläche 12 angeordnet. Vorliegend sind die zwei Elektroden 9.1 ,9.2 des ersten Sensorelementes 8.1 (in der Figur 3 das linke Sensorelement 8.1 ) relativ zu den zwei Elektroden 9.3, 9.4 des zweiten Sensorelementes 8.2 (in der Figur 3 das rechte Sensorelement 8.2) in radialer Umlaufrichtung der Mantelfläche 12 des zylindrischen Rohres 6 um jeweils 90° versetzt zueinander auf der Mantelfläche 12 angeordnet. Zwi- schen den jeweils zwei Elektroden 9.1 ,9.2 des ersten Sensorelements 8.1 und den zwei Elektroden 9.3, 9.4 des zweiten Sensorelements 8.2 der Sen- soreinheit 7 wird bei Anlegen eines Spannung jeweils ein elektrisches Feld, das zwei senkrecht zueinander ausgerichtete und über Kreuz liegende Mess- fenster 50 und 51 bestimmt, im Inneren des zylindrischen Rohres 6 ausgebil- det. Die beiden Messfenster 50 und 51 decken vorliegend in Figur 4 fast den gesamten Querschnitt des zylindrischen Rohres 6 ab, wobei jedoch noch im oberen und unteren rechten und linken Bereich des Rohres 6 sich nicht durch die Messfenster abgedeckte Zonen befinden. Der in Figur 3 rechte vordere Fremdkörper 3 durchläuft aufgrund der Feldverteilung der elektrischen Felder zumindest teilweise das durch das zweite Sensorelement 8.2 gebildete Mess- fenster 51 , wobei im Fall dieses Fremdkörpers 3 gegenüber der Messvorrich- tung 1 aus Figur 1 und 2 eine verbesserte Detektion eines mit dem Substrat- strom durch die Messvorrichtung 1 geführten Fremdkörpers 2,3 möglich ist, jedoch aufgrund der nicht vollständigen Überdeckung des Fremdkörpers 3 mit den durch die beiden Sensorelemente 8.1 und 8.2 gebildeten Messfenster 50 und 51 , die Quantität des Fremdkörpers 3 nicht genau bestimmt werden kann. Jedoch kann mit der teilweisen Überdeckung des Fremdkörpers 3 mit dem zweiten Messfenster 51 des zweiten Sensorelements 8.2 zumindest das Ereignis, dass ein Fremdkörper in dem Substratstrom mitgeführt wird, detek- tiert werden. Dahingegen passiert der in Figur 3 linke hintere Fremdkörper 2 beide zwischen den Elektroden 9.1 ,9.2 und 9.3, 9.4 gebildeten Messfenster 50 und 51 mit voller Überdeckung der beiden Messfenster 50 und 51 und kann als solcher detektiert werden, wobei beim Durchlaufen des im Substrat- strom transportierten Fremdkörpers 2 zwischen den über eine Versorgungs- Spannung elektrisch angeregten Elektroden 9.1 ,9.2 und 9.3, 9.4 der beiden Sensorelemente 8.1 und 8.2 jeweils eine Impedanzänderung in Form einer Änderung von analogen Spannungswerten über den Strommesswiderstand Rsense 18 messbar ist. Vorzugsweise wird dabei der Strommesswiderstand Rsense 18 über die Änderung der analogen Spannungswerte simultan an den Elektroden 9.1 ,9.2 und 9.3, 9.4 beider Sensorelemente 8.1 und 8.2 abgegrif- fen. Neben der Vergrößerung der Messstrecke RDuty 17 kann durch die Ver- teilung der Elektroden 9.1 ,9.2 und 9.3, 9.4 und deren Anordnung relativ zuei- nander in radialer Umlaufrichtung der Mantelfläche 12 des Rohres 6 die Sig- nalqualität und die Empfindlichkeit der Vorrichtung 1 der Figuren 3 und 4 ge- genüber der Vorrichtung 1 der Figuren 1 und 2 um ein Vielfaches erhöht wer- den, da durch die Überdeckung der orthogonal zueinander ausgebildeten Messfenster 50 und 51 , die Wahrscheinlichkeit, dass ein im Substratstrom mitgeführter Fremdkörper 2,3 zumindest eines der Messfenster 50 oder 51 passiert, erhöht ist. Jedoch können mit dieser Ausgestaltung der Vorrichtung 1 Fremdkörper 2,3, die außerhalb der beiden Messfenster 50 und 51 die
Messstrecke RDuty 17 passieren, nicht detektiert werden. Um die Signalqualität und/oder die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 noch zu erhöhen sind wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt, drei Sensorelemente 8.1 ,8.2 und 8.3, eine Sensoreinheit 7 bildend, mit je- weils einem Elektrodenpaar aus zwei Elektroden 9.1 ,9.2 und 9.3, 9.4 und 9.5, 9.6 ausgebildet, die in Längserstreckung des zylindrischen Rohres 6 pa- rallel zur Längsachse AA, über die gesamte Länge des Rohrs 6 auf der Man- telfläche 12 angeordnet sind, wodurch die Länge des Rohrs 6 gleich der Messtrecke RDuty 17 ist. Die Elektroden 9.1 ,9.2 und 9.3, 9.4 und 9.5, 9.6 der drei Sensorelemente 8.1 ,8.2, 8.3 sind zudem in radialer Umlaufrichtung der Mantelfläche 12 des zylindrischen Rohres 6 um jeweils 60° versetzt zueinan- der auf der Mantelfläche 12 angeordnet, wobei jeweils zwischen einem Elekt- rodenpaar bei Anregung der Elektroden 9.1 ,9.2 und 9.3, 9.4 und 9.5, 9.6 mit- tels einer Versorgungsspannung und eines Anregungssignals jeweils ein elektrisches Feld in Form eines Messfenster 50,51 oder 52 aufgebaut wird. Wie in der schematischen Darstellung in Figur 6 dargestellt, durchdringen die drei gebildeten Messfenster 50,51 ,52 fast den gesamten Querschnitt des Rohres 6, so dass mit diesem Aufbau einer Multielektrodenanordnung an je- der Position, an der ein Fremdkörper 2,3 die Messstrecke RDuty 17 durchläuft, dieser von der Sensoreinheit 7 detektiert werden kann. Schließlich ist in Figur 7 ein erfindungsgemäßes System 100, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst, schematisch dargestellt. Das Sys- tem 100 umfasst drei Hautkomponenten 13,14,16. Ein Nl-System 13, welches ein Digitalmultimeter mit A/D-Wandler ist, und ein Messfrontend 200, welches vorliegend zweihäusig aufgebaut ist, mit einer Verbindungsbox 14 und einer Sensorbox 16. Das Nl-System 13 bildet das Herzstück des Systems 100. Es wandelt die analogen Spannungswerte, die über den Strommesswiderstand Rsense 18 abgegriffen werden, in computertechnisch verarbeitbare Digitalwerte um. Darüber hinaus generiert das Nl-System 13 einen elektrischen Stimulus, mit dem das zu untersuchende Futter- oder Lebensmittel über die Sensorein- heit 16, nämlich über die Elektroden 9.1 ,9.2, 9.3, 9.4 und/oder 9.5, 9.6, entlang der Messstrecke RDuty 17 in der Vorrichtung 1 angeregt wird. Damit sowohl der Strommesswiderstand Rsense 18 abgegriffen und der elektrische Stimulus mit einer entsprechenden Sensitivität generiert und an die Messtrecke über- tragen wird, muss das Messfrontend 200 die Messgrößen von der Sensorein- heit 7 auffassen und bestmöglich geschützt an das Nl-system 13 vermitteln. Erst nach der Analog-Digital-Wandlung im Nl-System 13 sind die gemesse- nen Größen fixiert und sicher vor Störeinflüssen des umgebenden Produkt- umfeldes, wie beispielsweise mechanische Beeinflussung, elektromagneti- sche Beeinflussung, Temperatur oder beispielsweise Luftfeuchtigkeit. Um dies zu gewährleisten ist das Messfrontend 200 vorliegend zweihäusig auf- gebaut, wobei über die Verbindungsbox 14 die Sensorbox 16 mit dem Nl- System 13 verbunden ist. Zudem dient die Verbindungsbox 14 zur Einkopp- lung der Versorgungsspannung aus einer Spannungsquelle 15. Um eine stö- rungsunanfällige Verbindung zwischen der Verbindungsbox 14 und der Sen- sorbox 16 zu gewährleisten, sind diese über ein mehrfach abgeschirmtes LAN-Kabel 60 daten- und ström- bzw. spannungstechnisch miteinander ver- bunden. In der Sensorbox 16 wird die von der Verbindungsbox 14 über das LAN-Kabel 60 eingekoppelte Versorgungsspannung von 12 Volt über einen DCDC-Wandler 80 in eine 15 Volt-Spannung transformiert und diese wird mit dem von dem Nl-System 13 über die Verbindungsbox 14 an die Sensorbox 16 vermittelten Anregungssignal über einen Spannungsfolger 70 an die Sen- soreinheit 7 ausgegeben. Vorteilhaft erfolgt die Anregung mit einem Wech- selstrom bei einer Frequenz von 10 kHz. Zudem wird in der Sensorbox 16 der Abgriff der Spannungswerte über den Strom messwiderstand Rsense 18 sowie der Messstrecke Rüuty 17 umgesetzt. Optional kann zur Signalvorverarbeitung eine Filterstufe in das System 100 integriert werden (hier nicht dargestellt), die bereits vor der Wandlung der analogen Messwerte in die digital verarbeit- baren Daten Störanteile unterdrückt, die nicht durch die Anregung der Impe- danzmessung hervorgerufen werden. Durch die Signalvorverarbeitung mit der Filterstufe können vorteilhaft Störungen, die die Messgrößen in der Messstre- cke RDuty 17 selbst oder auf dem Weg zum Nl-System 13 erfahren, herausge- filtert werden, so dass auch Kleinstpartikel, d.h. Kleinstfremdkörper detektiert werden können, die ohne integrierte Filterstufe im Messrauschen, d.h. in den Störungen untergehen würden. Das erfindungsgemäße System 100 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist somit auch zum Nachweis von kleinsten Schwebeteilchen oder kleinen Lufteinschlüssen, beispielsweise in medizini- schen Fluiden, wie beispielsweise Infusionslösungen, einsetzbar und kann somit zur Qualitätskontrolle von solchen medizinischen Fluiden eingesetzt werden.
Die Generation des Anregungssignales sowie die Verarbeitung der Messgrö- ßen erfolgt unter Anwendung einer speziell für das erfindungsgemäße Sys- tem 100 entwickelten Software. Der der Software zugrundeliegende Algorith- mus ist so ausgelegt, dass dieser zur Verbesserung der Messgenauigkeit angepasst werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur Detektion eines Fremdkörpers (2,3) in einem Mess- volumen (4) in einem transportierten Substratstrom eines Lebensmit- tels oder eines Futtermittels, wobei das Messvolumen (4) ein Durch- flusskörper (5) in Form eines zylindrischen Rohres (6) ist, mittels einer Sensoreinrichtung (7) mit zumindest einem Sensorelement (8.1 ) mit zumindest zwei Elektroden (9.1 ,9.2), dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (8.1 ) mittels Impedanzmessung den Fremdkörper
(2,3) detektiert.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (7) wenigstens ein zweites Sensorelement (8.2) mit zumindest zwei Elektroden (9.3, 9.4) aufweist, wobei das erste Senso- relement (8.1 ) und das zweite Sensorelement (8.2) mittels Impedanz- messung den Fremdkörper (2,3) auf einer zwischen den beiden Sen- sorelementen (8.1 ) und (8.2) liegenden Messstrecke (RDuty) detektie- ren.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Elektroden (9.1 ,9.2) des ersten Sensorelementes (8.1 ) oder die zwei Elektroden (9.3, 9.4) des zweiten Sensorelementes (8.2) jeweils ein Elektrodenpaar bilden, wobei die Elektroden (8.1 ,8.2, 9.3, 9.4) jeweils mit einer elektrisch leitfähigen Fläche (1 1 ) auf der Mantelfläche (12) des zylindrischen Rohres (6) angeordnet sind, wobei leitfähigenn Flächen (11 ) der Elektroden (8.1 ,8.2, 9.3, 9.4) durch die Mantelfläche (12) elektrisch isoliert voneinander getrennt sind.
4. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Elektroden (9.1 , 9.2) des ersten Sensorelementes (8.1 ) in radialer Umlaufrichtung der Mantelfläche (12) des zylindrischen Rohres (6) relativ zu den zwei Elektroden (9.3, 9.4) des zweiten Sen- sorelementes (8.2) versetzt zueinander auf der Mantelfläche (12) an- geordnet sind.
5. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Elektroden (9.3, 9.4) des zweiten Sensorelementes (8.2) in Längserstreckung parallel zu der Längsachse AA des Durch- flusskörpers in einem Abstand zu den Elektroden (9.1 , 9.2) des ersten Sensorelementes (8.1 ) auf der Mantelfläche (12) angeordnet sind, wo bei der Abstand zwischen den beiden Sensorelementen (8.1 ) und (8.2) die Messstrecke (RDuty) bestimmt.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass beim Durchlaufen des im Substratstrom transpor- tierten Fremdkörpers (2,3) zwischen den über eine Versorgungsspan- nung elektrisch angeregten Elektroden (9.1 ,9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) eine Impedanzänderung in Form einer Änderung von analogen Span- nungswerten über einen Strom messwiderstand (Rsense) messbar ist, wobei insbesondere die analogen Spannungswerte von den Elektro- den (9.1 ,9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) abgegriffen werden, die über die Mess- strecke (RDuty) und den Strommesswiderstand (Rsense) abfallen.
7. System (100), umfassend die Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprü- che 1 bis 6, ein Nl-System mit A/D-Wandler (13), das analoge Span- nungswerte in computertechnisch verarbeitbare Digitalwerte umwan delt, und welches ein Anregungssignal für die Elektroden (9.1 ,9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) erzeugt, eine Verbindungsbox (14) zur Ein- kopplung der Versorgungsspannung (15) und eine Sensorbox (16), die ström- und datentechnisch mit der Verbindungsbox (14) verbunden ist und die das Anregungssignal zur Anregung der Elektroden (9.1 ,9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) über die Verbindungsbox (14) von dem Nl- System (13) erhält und welche den Abgriff der Spannungswerte durch die Elektroden (9.1 ,9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) über den Strommesswider- stand (Rsense) ( 1 8) und über die Messstrecke (RDuty) (1 7) umsetzt.
8. System (100) nach Anspruch 7, das als Impedanzmessung eine Wi- derstandsmessung ausführt, und hierzu einen Strom an die Elektroden (9.1 ,9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6) der Sensoreinrichtung (7) anlegt und den ent- stehenden Spannungsabfall mit Filtern glättet und das geglättete Sig- nal von der Sensorbox (16) über die Verbindungsbox (16) an das Nl- System (13) vermittelt.
9. System (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Impedanz-Mittelwerte für unterschiedliche Lebensmittel- oder Tierfut- terrezepturen auf einem auslesbaren Datenspeicher (19) oder in einer Datenbank (20) hinterlegt sind und der Datenspeicher (19) oder die Datenbank (20) datentechnisch mit dem System (100) verbunden ist.
10. Verfahren zur Detektion eines Fremdkörpers (2,3) in einem transpor- tierten Strom eines Lebensmittels oder eines Futtermittels, unter Ver- wendung der Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wel- che mit einer Anlage zur Herstellung und/oder Verpackung von Le- bensmitteln oder von Futtermitteln fluidtechnisch verbunden wird, und wobei die Vorrichtung (1 ) Bestandteil des Systems (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion eines Fremdkörpers (2,3) in dem Lebensmittel oder dem Futtermittel zumindest eine dem Messvolumen (4) des Durchflusskörpers (5) ent- sprechende Menge des Lebensmittels oder des Futtermittels durch ei- ne mit der Vorrichtung (1 ) stromabwärts fluidtechnisch verbundene
Ausschleusevorrichtung zeitversetzt zu der Detektion des Fremdkör- pers (2,3) aus dem transportierten Strom ausgeschleust werden kann.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, das ein elektrisch leitender und/oder ein elektrisch nichtleitender Fremdkörper (2,3) detektiert werden und aus dem Lebensmittelstrom oder dem Fut- termittelstrom ausgeschleust werden kann.
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