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 Infrarotbe- reich, 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 bis- her mittels Lichtschranken oder CCD-Kameras ermittelt. Hierbei wird die Unterbrechung oder Bedeckung eines Lichtstrahls durch das Füllgut mittels eines Fotoempfängers oder einer CCD-Kamera erfaBt. 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 ausschließ- lich 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 vonnöten.

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 Wasser- oberfläche 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, da$ 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 Wärmestrah- lung 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 pm 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 um 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 pm 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 Unterfül- lungszone erfaßt werden soll, so sind auch einzelne wärme- empfindliche Sensoren ausreichend.

Bei der Verwendung von Thermokameras und Scannern kann durch Interpolation des Warmeübergangsbereichs 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 verarbeitet. 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 ym 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 Warmeleitfähigkeit des Behältermaterials, wie es bei Blechdosen, Glas oder dünn- wandigen Kunststoffbehältern der Fall ist.

Versuche haben ergeben, daß je nach der Art und Stärke des Be- hältermaterials an der Außenseite des Behälters Temperatur- unterschiede 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 Ab- kühlen 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 un- mittelbar 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 Be- hälters 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 wesentli- chen 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 Geschwin- digkeit transportiert. Die Behälter sind Weißblech-Konserven-

dosen mit etwa 0,5 mm Wandstarke, 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 pm 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 Trans- portgeschwindigkeit 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 Vorhanden- sein von Graustufen untersucht, wobei die Graustufen Tempera- turübergängen 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 zwi- schen 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 Behälterma- terials 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 un- terbunden werden. Bei der Auswertung des Wärmebildes der Be- hälteroberfläche führen diese Schwappeffekte dazu, daß der Kalt/Warm-Übergang wellenförmig und weniger ausgeprägt ist, so daß eine hohe Temperatur-Auflösung notwendig ist. In dem Aus- führungsbeispiel wurde eine Auflösung von 0,2°C erreicht, wo- bei der maximale Temperaturunterschied innerhalb der Behälter- oberfläche 10°C betrug. Die Wellenförmigkeit des Kalt/Warm- Übergangs kann dadurch eliminiert werden, daß über den Durch- messer des Behälters gemittelt wird.