Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der lokalen mittleren Dichte eines Materialstranges

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der lokalen mittleren Dichte eines vorgeförderten Materialstranges mit ungleichmäßig verteilten Inhomogenitäten über einen Querschnitt des Stranges.

Die Bestimmung einer Querschnittsdichte eines Materialstranges ist bei homogenen Materialien einfach durch eine Bestimmung der Querschnittsfläche möglich. Die Kenntnis der Material¬ dichte über eine Querschnittsfläche ermöglicht zahlreiche An- Wendungen. Die wichtigste dürfte die Herstellung von gewichts- genauen Portionen durch Steuerung der Schnittbreite einer nachgeschalteten Schneidvorrichtung sein. Bei im wesentlichen homogenen Materialien mit einem vorbekannten konstanten Quer¬ schnitt ist es durch die Steuerung der Schnittbreite möglich, gewichtsgenaue Portionen des Materials abzulängen, so daß eine anschließende wägung mit einer herkömmlichen Waage entfallen kann, nur noch zu Kontrollzwecken dient oder lediglich zur genauen Gewichtsbestimmung innerhalb einer durch das gewichts- genaue Ablängen vorgegebenen Bandbreite verwendet wird. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise das Abschneiden von Wurstscheiben so steuern, daß im wesentlichen ein vorbe- sti mtes Gewicht erreicht wird, wenn die Wurst im wesentlichen homogen ausgebildet ist.

Enthält ein Wurststrang Einschlüsse von andersartigen Materialien oder Fettränder, läßt sich die Dichte der Wurst¬ scheiben über ihren Querschnitt nicht mehr vorherbestimmen. Gleiches gilt für Käse, der mehr oder weniger große Luftein¬ schlüsse aufweisen kann. In diesen Fällen läßt sich eine ge¬ wichtsorientierte Portionierung nicht mit einer brauchbaren Genauigkeit realisieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Bestimmung der mittleren Dichte eines vorgeförderten Materialstranges mit ungleichmäßig verteilten Inhomogenitäten über einen Quer¬ schnitt des Stranges, indem für definiert beabstandete Förderschritte die Kapazität des Materialstranges in wenig- stens zwei quer zur Förderrichtung stehenden Richtungen für einen definierten Abschnitt des Materialstranges gemessen wird und aus der Änderung des Kapazitätswertes bei jedem Förder¬ schritt die Kapazität für den in den Abschnitt eintretenden bzw. aus dem Abschnitt austretenden Querschnitt ermittelt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt eine an sich bekannte kapazitive Meßmethode für die Bestimmung eines Parameters eines durch eine Kondensatoranordnung hindurchgeförderten Materials. Derartige kapazitive Verfahren sind jedoch nur für homogene Materialien bekannt, so z. B. für die Dickenbestim¬ mung einer Papierbahn mit einer bekannten homogenen Dielektrizitätskonstanten. Feststellbar ist mit dieser Methode die über die Breite der Kondensatoranordnung integrierte Dickenänderung der Papierbahn.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die kapazitive Meßmethode in ganz anderer Weise und für andere Zwecke. Der Zweck des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Querschnitts- dichte des Materialstranges für die Breite eines Förder¬ schrittes zu bestimmen. Der Förderschritt kann dabei dadurch definiert sein, daß tatsächlich eine.schrittweise Förderung

des Materialstranges vorgenommen wird oder dadurch, daß bei einer kontinuierlichen Förderung innerhalb entsprechender Zeitabstände eine Messung vorgenommen wird. Die gewünschte Information über die mittlere Querschnittsdichte eines Strang¬ stückes mit der Breite des Förderschritts läßt sich dadurch erhalten, daß über die durch die Kondensa oranordnung be¬ stimmte, regelmäßig gegenüber dem einzelnen Förderschritt wesentlich größeren Länge der Meßstrecke die Messung vorge- nommen wird und eine Zuordnung der jeweiligen Kapazitäts¬ änderungen zu dem gerade aus der Meßstrecke herausgetretenen Strangquerschnitt und gerade in die Meßstrecke eingetretenen Strangquerschnitt vorgenommen wird. Auf diese Weise läßt sich eine relative Dichteverteilung für die den Förderschritten entsprechenden Querschnitten über die Länge des Stranges er¬ mitteln. Die Querschnitte -und damit die Kapazitätsbestimmung- sind vorzugsweise senkrecht zur Förderrichtung ausgerichtet, können aber auch schräg zur Förderrichtung stehen, wenn bei¬ spielsweise von einem Wurststrang Scheiben schräg zur Förder- richtung a' eschnitten werden sollen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zwei Kapazitätsbestim¬ mungen in verschiedenen Richtungen vor. Hierdurch trägt das Verfahren der zu berücksichtigenden üngleichmäßigkeit der Inhomogenitäten Rechnung. Die Inhomogenitäten können durch eingeschlossene Fleischstücke in Wurststrängen, aber auch durch Luftblasen beispielsweise in Käse- oder Schaumstoff- strä en gebildet sein. Durch die Kapazitätsbestimmung in verschiedenen Richtungen, also wenigstens zwei Kapazitäts- bestimmungen lassen sich die durch die ungleichmäßige Ver¬ teilung der ..αhomogenitäten entstehenden Meßfehler naturgemäß verringern. Es hat sich gezeigt, daß für praktische Anwen¬ dungen die Durchführung zweier Kapazitätsbestimmungen in vorzugsweise senkrecht zueinander stehenden Richtungen zu einer hohen Korrelation zwischen dem gemessenen Querschnitts¬ dichteverlauf des Materialstranges und dem tatsächlichen Quer¬ schnittsdichteverlauf führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt daher eine gegenüber der bisherigen Praxis wesentlich verbesserte gewichts¬ orientierte Ablängung von Portionen vom Materialstrang.

In einer bevorzugten Ausführungsform finden die Kapazitäts¬ messungen in zueinander parallelen Ebenen statt. Diese Ebenen sind vorzugsweise parallel zur Schnittebene einer nachge¬ schalteten Schneidevorrichtung, die vorzugsweise durch die bestimmten Werte der Querschnittsdichte gesteuert wird.

Der relative Querschnittsdichteverlauf über den Material¬ strang läßt sich ohne Probleme in absolut Dichtewerte um¬ rechnen, wenn eine Information über die Gesamtmasse des Materialstranges bzw. eines Strangabschnittes vorliegt. In einer einfachen Verfahrensweise wird die Gesamtmasse eines abgelängten Strangabschnitts gemessen und dann die bestimmten relativen mittleren Dichtewerte zu der Gesamtmasse zur Be¬ stimmung der absoluten mittleren Dichte in Beziehung gesetzt.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kapazitätsmessung auch am Anfang des Materialstranges von Be¬ deutung. Tritt der Materialstrang in die Meßanordnung für die Kapazitätsbestimmung ein, findet eine relativ große Änderung der Dielektrizitätskonstanten statt. Diese Änderung kann zu einer Überforderung der Meßanordnung führen. Es ist daher vorteilhaft, am Anfang und gegebenenfalls Ende des Material¬ stranges diesen durch ein Füllmaterialstück mit ähnlicher, vorbekannter und homogener Dielektrizitätskonstanten lücken- los zu ergänzen, um die Relativmessung gegenüber diesem

Materialstück vorzunehmen, so daß das Auftreten eines großen Sprunges für die Dielektrizitätskonstante vermieden wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Konden¬ satoranordnung, durch die der Materialstrang hindurchgefördert

wird, wobei die beiden Kondensatoranordnungen zueinander gedreht sind, durch eine Steuerschaltung für die Durchführung der Messung in vorbestimmten Förderschritten des Material¬ stranges und durch eine AuswertungsSchaltung zur Ermittlung der beiden Kapazitätswerte für jeden jeweils einem Förder¬ schritt entsprechenden Querschnitt und Ermittlung eines der Dichtebestimmung zugrunde zu legenden Wertes aus den beiden Kapazitätswerten.

Eine derartige Vorrichtung ist vorzugsweise mit einer nachge¬ schalteten Schneidvorrichtung mit einer Schnittbreitenverstel¬ lung versehen, die durch die gemessenen mittleren Dichtewerte steuerbar ist. Dabei können die Schnittebene der Schneidvor- richtungen und die Meßebenen der Kondensatoranordnungen vor¬ zugsweise parallel zueinander und vorzugsweise senkrecht zur Förderrichtung des Materialstranges angeordnet sein. Die beiden Kondensatoranordnungen stehen dabei vorzugsweise senk¬ recht zueinander.

Zur Erhöhung der Auflösung und zur Verifizierung der Meßwerte kann es vorteilhaft sein, wenn wenigstens eine Kondensator¬ anordnung in mehrere voneinander isolierte Abschnitte unter¬ teilt ist. Die Unterteilung kann in Förderrichtung und/oder in einer senkrecht dazu stehenden Richtung erfolgen. Bei einer

Unterteilung in Förderrichtung findet eine Mehrfachmessung für jeden Querschnitt statt, die zu einer Überprüfung der Meßwerte und gegebenenfalls Eliminierung von Meßfehlern dient. Die Unterteilung in einer quer dazu stehenden Richtung bewirkt eine höhere lokale Auflösung und eine bessere Berücksichtigung der Inhomogenitätenverteilung.

Durch eine Bestimmung der maximalen Dimensionen des Material¬ stranges in Meßrichtung ist es möglich, Kondensatoranordnungen mit einem variablen Abstand der Kondensatorplatten zueinander zu verwenden und den Abstand auf die maximale Ausdehnung des Materialstranges in Meßrichtung anzupassen. Dadurch liegen

gute Meßbedingungen auch bei stark wechselnden Abmessungen des Materialstranges vor.

Zur Eliminierung von Umwelteinflüssen ist es möglich, einen Referenzkondensator, durch den der Materialstrang nicht läuft, im Bereich der Meßanordnung vorzusehen und an ihm auftretende Kapazitätsschwankungen, die auf Umwelteinflüsse zurückzuführen sind, als Fehlerkompensationswert zu berücksichtigen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von schematischen Dar¬ stellungen in der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung des Durchlaufs eines

Materialstranges durch eine Meßanordnung mit zwei senkrecht zueinander stehenden Kondensatoren.

Figur 2: eine Kondensatoranordnung mit senkrecht zur Förder- richtung unterteilten Kodensatorplatten in einer schematischen perspektivischen Darstellung.

Figur 3: einen Schnitt senkrecht zur Förderrichtung durch die

Anordnung gemäß Figur 2.

Figur 4: eine schematische Betrachtung zum Einfluß der ungleichmäßigen Verteilung von Inhomogenitäten auf die Meßwerte.

Figur 5: einen Querschnittsdichteverlauf für die aus der

Kapazität ermittelten Meßwerte und die tatsächliche Querschnittsdichte.

Figur 1 zeigt eine Meßanordnung aus zwei Kondensatoranordnun- gen 1, 2, deren parallele Platten senkrecht zueinander stehen und senkrecht zur Förderrichtung eines Materialstranges 5 stehen. Die erste Kondensatoranordnung 1 ermittelt die

Vertikalkapar tat, die zweite Kondensatoranordnung 2 die Horizontalkapazität für den Materialstrang. In der Phase I gelangt der vorgeförderte Materialsträng in den Bereich der e ten Kondensatoranordnung 1 und anschließend in den Bereich dfcx zweiten Kondensatoranordnung 2. Dabei werden die Kapazitätsänderungen gegenüber der vorbekannten Dielektri¬ zitätskonstanten, beispielsweise der Dielektrizitätskon¬ stanten von Luft oder einem bekannten Füllmaterialstück er- mittelt.

In der Phase II sind beide Kondensatoranordnungen 1, 2 mit dem Materialstrang 5 gefüllt, so daß in dieser Phase Relativmes¬ sungen der einzelnen Querschnittsabschnitte erfolgen.

In der Phase III verläßt der Materialstrang die Kondensatoran¬ ordnungen 1 und 2, so daß schrittweise der Übergang zu deι„ Medium mit der bekannten und konstanten Dielektrizitätskon¬ stanten, Luft oder ein geeignetes Füllmaterialstück, erfolgt.

Die Platten 3, 4 der beiden Kondensatoranordnungen 1, 2 sind jeweils mit einer zugehörigen Elektronik 6, 7 verbunden, deren Ausgangswerte in einen Rechner zur Auswertung gelangen.

Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Anordnung einer oberen

Kondensatorplatte 3, die senkrecht zur Förderrichtung F in zwei Abschnitte 7, 8 durch eine schmale Isolierung 9 unterteilt ist. Durch die Unterteilung der Platte 3 bekommt man für die in Förderrichtung linke und rechte Seite des Meßgutes getrennte Kapazitätswerte, wodurch genauer auf die Verteilung der Inhomogenitäten rückgeschlossen werden kann. Tine außen um die Platte 3 umlaufende dünne Isolierschicht 10 trennt die Platte 3 mit ihren beiden Abschnitten 7, 8 von einer die Anordnung ringsum umgebenden Randelektrode 11, deren Funktion darin besteht, die am Rand bestehenden Feld- Inhomogenitäten nicht im Bereich des eigentlichen Meßkonden¬ sators 3 wirksam werden zu lassen. Der Feldverlauf im Bereich

der Abschnitte 7, 8 des Meßkondensators 3 ist aufgrund der Randelektrode 11 in Förderrichtung homogen und weist nicht gekrümmte Feldlinienabschnitte auf, wie sie am Rand der Rand¬ elektrode 11 in Föderrichtung und senkrecht dazu entstehen. Für diesen Effekt ist es wichtig, daß die Isolierungen 10, 9 dünn ausgeführt sind, damit nicht im Bereich der Isolierungen 10, 9 merkbare Inhomogenitäten des elektrischen Feldes auftreten können.

Die in einer Ebene befindlichen Abschnitte 7, 8 der Konden¬ satorplatte 3 sowie die sich auch in diese Ebene erstreckende Randelektrode 11 sind durch eine Schutzelektrode 12 umgeben, die auf der der Elektrodenplatte 3 gegenüber liegenden Seite die (an Masse gelegte) Gegenelektrode für den Meßkondensator 3 bildet und aufgrund des geschlossenen Querschnitts zugleich die Beeinflussung der Kapazitätsmessung durch parasitäre Kapazitäten, die bei Annäherung des Meßgutes an die Meßanord¬ nung entstehen, verhindert. Die Schutzelektrode 12 bildet somit einen geschlossenen zylindrischen Querschnitt mit offenen Stirnseiten, durch die das Meßgut hindurchgefördert wird.

Die Seitenwände und der Zwischenraum zwischen der Oberseite der Schutzelektrode 12 und der Ebene der Kondensatorplatte 3 sind mit Isoliermaterial 13 versehen.

Dieser Aufbau der Anordnung wird insbesondere aus Figur 3 deutlich, in der erkennbar ist, daß die Randelektrode 11 topf- förmig ausgebildet ist und sich über die Ebene der Abschnitte 7, 8 der Kondensatorplatte 3 mit Randstücken erhebt und somit eine Isolierschicht 14 mit Ausnahme der Abschnitte 7, 8 und der Isolierungen 9, 10 vollständig umgibt.

In analoger Weise kann die Kondensatorplatte 3 auch in Förder¬ richtung in mehrere Abschnitte unterteilt sein, so daß eine Mehrfachmessung für jeden Querschnitt stattfindet, die zu

einer Überprüfung der Meßwerte und gegebenenfalls Eliminierung von Meßfehlern dient. Die dargestellte Unterteilung in Abschnitte 7, 8 quer zur Förderrichtung F bewirkt demgegenüber eine höhere lokale Auflösung, wodurch eine bessere Berück- sichtgung der Inhomogenitätenverteilung möglich ist. Selbst¬ verständlich ist eine Unterteilung in mehr als zwei Abschnitte 7, 8 sowohl in Förderrichtung F als auch senkrecht hierzu möglich. Eine Grenze der Unterteilung ist durch die kleinste meßtechnisch verwertbare Kapazität der durch die Unterteilung entstehenden Teilkondensatoren gegeben.

Figur 4 verdeutlicht in einer schematischen Darstellung den Meßeffekt durch die senkrecht zueinander angeordneten Konden- satoranordnungen 1, 2. Bei einer in Figur 4 a schematisch dar¬ gestellten gleichmäßigen Verteilung der zwei Phasen des Materialstranges 5 entstehen in vertikaler wie in horizontaler Richtung gleiche Meßwerte, die allenfalls durch einen Form¬ faktor bei einem nicht quadratischen Querschnitt unterschieden sein können. Bei einer rein vertikalen Verteilung, wie sie übertrieben in Figur 4 b dargestellt ist, wird erkennbar, daß die horizontalen Meßwerte unverändert bleiben, während die vertikalen Meßwerte entsprechend stark schwanken. Umgekehrtes gilt für eine rein horizontale Verteilung, wie sie in Figur 4 c übertrieben dargestellt ist.

Durch eine geeignete Auswahl der Meßwerte bzw. gegebenenfalls Mittelung läßt sich eine hohe Korrelation zwischen den aus den kapazitiven Messungen ermittelten Querschnittsdichten und den tatsächlichen Querschnittsdichten herstellen, wie dies in

Figur 5 verdeutlicht ist, wo die kapazitiv gemessenen Dichte¬ werte in Form von Kreuzen und die zugehörigen tatsächlichen Dichtewerte in Form von kleinen Quadraten eingetragen sind. Die Dichteverläufe beziehen sich auf einen Strang einer Käsesorte, die große Löcher aufweist.