DE102006005257A1

DE102006005257A1 - Vorrichtung zur Messung der Dichtigkeit einer Verpackung

Info

Publication number: DE102006005257A1
Application number: DE200610005257
Authority: DE
Inventors: Eugen Schommartz
Original assignee: Indat Systems & Res GmbH; INDAT SYSTEMS and RESEARCH GmbH
Current assignee: Indat Systems & Res GmbH; INDAT SYSTEMS and RESEARCH GmbH
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dichtigkeit einer Verpackung (V), wobei in der Packung eine Ware und Luft mittels einer luftundurchlässigen Folie (Fo) eingeschlossen ist, wobei die Vorrichtung einen Antrieb (A) hat und mittels des Antriebes (A) mindestens ein Sensor (S) zu Messzwecken gegen die Folie (Fo) verfahrbar ist und dass der mindestens eine Sensor (S) mindestens ein Piezo-Element (PI) zur Messung der Andruckkraft (Fa) des Sensors (S) auf die Folie (Fo) hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dichtigkeit einer Verpackung, wobei in der Packung eine Ware und Luft mittels einer luftundurchlässigen Folie eingeschlossen ist.

Zur Prüfung der Dichtigkeit einer Verpackung, in der Ware und Luft mittels einer luftundurchlässigen Folie eingeschlossen ist, beispielsweise eine Vorrichtung aus der EP 0390232 bekannt, bei der die Verpackung in einen Tank mit einem flüssigen Medium getaucht wird, wobei mittels eines Sensors festgestellt wird, ob dem Behälter Gasblasen entweichen. Das Entweichen von Gasblasen wird als ein Leck in der Folienverpackung gewertet, wobei nachfolgend die Verpackung aussortiert bzw. ausgeschleust wird.

Das Einbringen einer Folienverpackung in eine vorgeschriebene Vorrichtung, ist zeitaufwendig und somit nur für einen stichprobenartigen Einsatz in einer Verpackungsstraße geeignet. Auch können mittels dieser Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren evtl. kleinste Löcher in der Folienverpackung, durch die nur eine sehr geringe Gasmenge austritt, nicht detektiert werden.

Es ist ebenfalls bekannt, Druckmessdosen zur Dichtigkeitsprüfung zu verwenden, wobei jedoch sehr lange Prüfzeiten für jede Verpackung erforderlich sind und nur ungenügende Messsignale mittels der Druckmessdosen aufnehmbar sind.

Bei Massenprodukten in der Lebensmittelindustrie werden deshalb derzeit dem Verpackungsprozess zyklisch Verpackungen entnommen, die mit einem produkt-zerstörenden Verfahren, zum Beispiel in einem Wasserbad, mittels Berstprüfung usw., auf Dichtigkeit geprüft werden. Hierbei kann ein Rückschluss auf die Dichtigkeit aller Verpackungen nur statistisch erfolgen. Eine sichere Erkennung undichter Verpackungen von Massenerzeugnissen in der Lebensmittelindustrie ist somit nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer die Dichtigkeit einer Folienverpackung sehr schnell durchführbar ist, so dass es möglich ist, alle Verpackungen auf ihre Dichtigkeit zu überprüfen, die nacheinander von einer Verpackungsvorrichtung hergestellt worden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich durch die Merkmale der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche 2 bis 20. Ebenso wird ein Verfahren zur Messung der Dichtigkeit einer Folienverpackung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Merkmalen der Ansprüche 21 bis 23 beansprucht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels eines schnellen Piezoelementes die mittels des Sensors auf die Verpackung ausgeübte Kraft innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls gemessen wird. Der Sensor wird dabei gegen die Folienverpackung gedrückt, wobei der Piezosensor in schneller Abfolge die Gegenkraft der Verpackung bzw. der Andruckkraft misst und eine Steuerung anhand der gemessenen Datensätze entscheidet, ob die gemessene Verpackung den Dichtigkeitskriterien entspricht oder nicht. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Piezosensor mit konstanter Geschwindigkeit von oben auf die zu prüfende Verpackung gefahren wird. Dies kann elektromotorisch oder aber auch pneumatisch oder hydraulisch erfolgen. Beim Erreichen der Verpackungsoberfläche geht die Halterung für den Sensor in einen (Feder-) Überzug und erhöht damit kontinuierlich den Druck auf die Verpackung. Es ist selbstverständlich auch möglich, den Kraftanstieg mittels einer entsprechenden Motoransteuerung zu erzeugen. Technisch einfacher und insbesondere aus Kostengründen ist es jedoch vorteilhaft, den Kraftanstieg mittels einer zwischen Anstrieb und Sensor angeordneten Feder zu erzeugen, wobei der Antrieb für eine bestimmte Wegstrecke die Feder zusammendrückt bzw. spannt, sofern die Feder auf Zugbelastung ausgelegt ist.

Es hat sich herausgestellt, dass die Verpackung wie eine Luftdruckfeder betrachtet werden kann und aus dem Federverhalten, das bei einer Unsichtigkeit vollkommen unterschiedlich zu einer dichten Vergleichsverpackung ist, auf die Dichtigkeit geschlussfolgert werden kann.

Hierzu kann das Sensorsignal nach zwei Kriterien in einer Steuerung bzw. Auswerteschaltung ausgewertet. So wird mit Hilfe einer Hüllkurvenanalyse der Druckantwort der über die Folie und die eingeschlossene Luft gebildeten Feder auf den Piezosensor durchgeführt. Ferner wird eine Beurteilung von Inhomogenitäten der durch die eingeschlossene Luft erzeugten Feder vorgenommen. Die Messungen sollten vorzugsweise in einer Zeit von weniger als 100 Millisekunden durchgeführt werden, so dass bereits nach dieser kurzen Zeitspanne der Sensor wieder nach oben gefahren und eine erneute Messung gestartet werden kann.

Um Fehler bei der Messung, beispielsweise durch Falten der Verpackung und ähnliche Unregelmäßigkeiten zu vermeiden, ist ggf. eine Vorbelastung des Produktes mit einer Kraft, welche insbesondere größer der Messkraft ist, erforderlich, durch die die Folie der Verpackung gespannt wird.

Die Messkraft wird so gering ausgelegt, dass eine Beschädigung der geschlossenen Verpackung ausgeschlossen ist. So kann die Messkraft auf die jeweils zu analysierende Verpackung jeweils voreingestellt bzw. vorgegeben werden. Es hat sich herausgestellt, dass typischerweise eine Messkraft von 10 bis 20 Newton für die Messung der Dichtigkeit ausreichend ist.

Als Piezoelement kann ein Piezokomposite-Sensor oder ein Piezo-Volumenkristall verwendet werden. Der Piezokomposite-Sensor ist eine Piezofolie, die ähnlich einem Dehnungsmessstreifen ihre Längenänderung in eine Analoggröße, hier eine Spannung, welche an den Anschlüssen des Piezoelementes abgreifbar ist, umsetzt. Bei Einsatz eines Piezokomposite-Sensors ist der Sensor der Vorrichtung entsprechend mit einer Biegefläche auszustatten, an der der Piezokomposite-Sensor angeordnet ist. Die ermittelte Verbiegung der Biegefläche besteht in einem bekannten Zusammenhang zur Andruckkraft, welche somit über die Verbiegung auswert- bzw. berechenbar ist. Gegebenenfalls kann auf eine Umrechung der Größen Biegung zu Andruckkraft verzichtet werden, sofern lediglich die Anstiegsflanken hinsichtlich Steilheit und Einbrüchen (Nullstellen) ausgewertet werden.

Ebenso kann ein Volumenpiezokristall eingesetzt werden, welches derart im Sensor angeordnet ist, dass eine Andruckkraft den Piezovolumenkristall zusammendrückt und hierdurch an den Ausgangsklemmen des Piezoelementes analog zur Stauchung des Kristalls eine Spannung abgreifbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Löcher/Defekte in einer Folienverpackung (TUBS) bis zu einer Größe von <100 μm Durchmesser erkannt werden. Es hat sich herausgestellt, dass eine undichte Verpackung einen inhomogenen Signalverlauf, das heißt Einbrüche in der Höhlkurve, aufweist, welche jedoch nur mit einem schnellen Piezosensor messbar sind. Auch unterscheidet sich die Steilheit der Hüllkurve einer undichten Verpackung von der einer dichten Verpackung. So wird von einer dichten Verpackung aufgrund der in der Verpackung eingeschlossenen Luft eine relativ gleichmäßig ansteigende Gegenkraft aufgebaut, wohingegen eine undichte Verpackung einen flacheren Gegenkraftaufbau, bedingt durch die aus der Verpackung austretende Luft, aufbaut. Zudem unterscheidet sich der Kurvenverlauf je nach Fehlergröße, das heißt Größe der Löcher in der Verpackung.

Je nach Schnelligkeit des Antriebs der Vorrichtung und der Zuführeinrichtung können somit innerhalb einer Sekunde mehrere Verpackungen auf ihre Dichtigkeit von der erfindungsgemäßen Vorrichtung geprüft werden.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie ihr Verfahren zur Messung der Dichtigkeit von Verpackungen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: Schematische Darstellung der Vorrichtung;
2: Schlittenantrieb mit Feder-Überzug und Sensor;
3–5: verschiedene Ausführungen eines Sensors mit Piezo-Folie;
6: Messkurven zur Auswertung der Dichtigkeit einer Verpackung;
7: Sensor mit Piezo-Volumen-Kristall.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bestehend aus dem Gestell G, welches auf einer Platte P angeordnet ist, auf der eine Verpackung V auf der Auflagefläche der Platte P_A aufliegt. Das Gestell G trägt einen Antrieb A der an seiner Unterseite einen Überzug Ü aufweist, an dessen Unterseite ein Sensor S angeordnet ist. Der Überzug Ü und der Sensor S sind in 2 detailliert dargestellt. Mittels des Antriebs A wird der Sensor S gegen die Folie F_o der Verpackung V gedrückt, wobei die Sensorsignale von der Steuerung St gespeichert und ausgewertet werden. Die Steuerung St wertet die Sensordatensätze aus und entscheidet, ob die Verpackung V den Dichtigkeitsansprüchen genügt oder aussortiert werden muss.
Die 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Antriebs A sowie des Federüberzugs Ü mit dem unten angeordneten Sensor S. Der Antrieb weist zwei Schlitten Sch auf, zwischen denen eine Spindel Sp angeordnet ist. Ein Wagen 1 ist verschieblich auf den Schienen Sch gelagert und weist ein Innengewinde auf, welches mit dem Gewinde der Spindel Sp zusammenwirkt. Durch Verdrehen der Spindel Sp wird der Wagen 1 mit daran befestigten Überzug Ü und Sensor S vertikal verstellt. An dem Wagen 1 ist ein Führungsbolzen 2 befestigt, auf dem eine Hülse 3 verschieblich gelagert ist. An der Hülse 3 ist der Sensor S befestigt, wobei eine Feder F zwischen Bolzen 2 und Hülse 3 angeordnet ist. Die Feder F wird beim Andrücken des Sensors S mit seiner Sensorandrucksfläche S_a zusammengedrückt, wodurch beim weiteren Verfahren des Wagens 1 hin zur Verpackung eine lineare Krafterhöhung gezeugt wird.
Selbstverständlich ist es möglich, den in 2 dargestellten Antrieb anders auszugestalten. Auch ist es möglich, den Federüberzug Ü technisch anders auszugestalten.
Die 6 zeigt mögliche Kurvenverläufe bei untersuchten Verpackungen V_i. Die Kurve V₁ repräsentiert eine Messkurve einer dichten Verpackung. Der Kraftanstieg über die Zeit ist relativ konstant bis zu einem Maximum und fällt dann relativ gleichmäßig ab. Bei einer undichten Verpackung wird in der Regel ein Kraftverlauf ermittelt, wie er durch die Kurve V₂ dar gestellt ist. So ist bei der Kurve V₂ die Gegenkraft, welche von der Verpackung V erzeugt wird am Anfang geringer, steigt dann relativ steil bis zu einem Einbruch E an um dann weiter bis zu einem Maximum anzusteigen. Dieser Einbruch und der steile Anstieg ist ein deutliches Zeichen für die Undichtigkeit der Verpackung.
Die 3–5 zeigen mögliche Ausführungen eines Sensors S. So zeigt die 3 einen Z-förmigen Sensor S_z, welcher zwei parallele Platten P₁ und P₂ aufweist, zwischen denen eine Biegewandung bzw. -fläche B_o angeordnet ist, deren Wandstärke kleiner ist als die Wandstärke der Platten P₁ und P₂. Auf der Oberseite der Biegefläche B_o ist ein Piezosensor PI_F aufgebracht, der die Biegung der Biegefläche B_o aufgrund der auf die Andruckfläche S_a erzeugte Gegenkraft der Verpackung V ermittelt. In der Platte P₁ ist die Hülse 3 des Überzugs Ü (2), angeordnet.
4 zeigt einen im Querschnitt M-förmigen Sensor S_M der zwei aneinander im Winkel zueinander angeformte Biegeflächen B₁, B₁' aufweist, die mit ihren freien Kanten an Kanten der Platten P₃ und P₄ befestigt sind bzw. angeformt sind. Durch eine Andruckkraft der Verpackung auf die Sensorandruckfläche S_a wird u.a. die Biegefläche B₁ verbogen, wodurch sich die Länge des Piezosensors PI_F ändert und ein entsprechendes Spannungssignal vom Piezoelement abgegeben wird. Dieses Signal wird anschließend von der Steuerung S_t ausgewertet.
Die 5 zeigt einen U-förmigen Sensor, bei dem an der Grundplatte P₅ die Hülse 3 des Überzugs Ü an der Oberseite befestigt ist. An der Unterseite der Platte P₅ ist eine Platte P₆ angeordnet, wobei lediglich ein Seitenbereich P₆' der Platte P₆ mit der Platte P₅ fest verbunden ist. In dem Bereich P₆' schließt sich ein dünnwandiger Bereich B₂ an, der an seiner Ober- oder Unterseite ein Piezoelement PI_F trägt. Am Bereich B₂ schließt sich ein dickwandiger Bereich P₆'' an, der mit seiner Unterseite die Andruckfläche S_a bildet. Durch die Ge genkraft F_a wird die Biegefläche B₂ verbogen, was vom Piezoelement PI_F in ein entsprechendes Spannungssignal für die Steuerung S_t umgesetzt wird.
Die 7 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform eines Sensors S_V, der ein Volumenpiezoelement PI_V aufweist, der zwischen den Platten P₇ und P₈ angeordnet ist. Durch die von der Verpackung erzeugte Gegenkraft F_A wird das Piezoelement PI_V zusammengedrückt bzw. gestaucht und erzeugt damit an seinen Ausgangsklemmen eine Spannung, die in einem funktionalen Zusammenhang zur Andruckkraft F_A ist.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Dichtigkeit einer Verpackung (V), wobei in der Packung eine Ware und Luft mittels einer luftundurchlässigen Folie (Fo) eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Antrieb (A) hat, und mittels des Antriebes (A) mindestens ein Sensor (S) zu Messzwecken gegen die Folie (Fo) verfahrbar ist, und dass der mindestens eine Sensor (S) mindestens ein Piezo-Element (PI) zur Messung der Andruckkraft (Fa) des Sensors (S) auf die Folie (Fo) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Element eine Piezo-Folie (PI_F) ist, die bei Dehnung oder Stauchung in Folienebene ein Spannungssignal abgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (S) eine Biegefläche (B_o, B₁, B₂) hat, auf der die Piezo-Folie angeordnet hat, wobei die Biegung der Biegefläche mittels mindestens einer Piezo-Folie (PI_F) ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefläche (B_i) durch einen dünnwandigen Wandabschnitt des Sensors (S_Z, S_M, S_U) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Element ein Volumen-Piezokristall (PI_V) ist, das bei Stauchung des Kristalls ein Spannungssignal abgibt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Element (PI) zwischen Antrieb (A) und Andruckfläche (S_A) der Vorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Antrieb (A) und dem Sensor (S) mindestens eine Feder (F) angeordnet ist, die sich beim Andrücken der Andruckfläche (S_A) bzw. des Sensors auf die Folie (Fo) spannt oder zusammendrückt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (S_M, S_Z, S_U) im Querschnitt M-förmig, U-förmig oder Z-förmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens ein plattenförmiges Teil (P₂, P₄, P₆) aufweist, das an seiner der Folie (Fo) zugewandten Seite die Andruckfläche (S_A) bildet oder ein die Andruckfläche bildendes Teil an diesem ersten Teil angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schenkel (B₀, B₁, B₂) des M-förmigen, U-förmigen oder Z-förmigen Sensors (S_M, S_Z, S_U) eine Biegefläche bildet, an der eine Piezo-Folie (PI_F) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (P₆'') eines plattenförmigen Teils (P₆) des Sensors (S_U) die Andruck fläche (S_A) bildet oder trägt und ein Bereich (B₂) des Plattenförmigen Teils (P₆) die Biegefläche bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein Elektromotor ist, welcher über ein Getriebe den Sensor verfährt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb pneumatisch oder hydraulisch den Sensor verfährt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (St) aus der Verbiegung des Biegelementes in schneller Folge die Kraft bzw. den Druck ermittelt, den der Sensor auf die Folie der Verpackung ausübt, während der Antrieb den Sensor gegen die Verpackung verfährt und die Feder spannt bzw. zusammendrückt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung anhand der ermittelten Kraft-Weg-Kurve die Dichtigkeit der Folie der Verpackung bewertet und ein Signal an einer Übergeordnete Steuerung sendet, welches die Information über die Bewertung der Dichtigkeit der gemessenen Verpackung enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung anhand der ermittelten Kraft-Weg-Kurve die Dichtigkeit der Folie der Verpackung bewertet und die Verpackung als undicht oder dicht einstuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung anhand der ermittelten Andruckkraft eine Hüllkurvenanalyse durchführt, und insbesondere anhand der Steilheit, der minimal- und/oder Maximal-Werte und/oder anhand von ermittelten Krafteinbrüchen die Dichtigkeit der Folie der Verpackung bewertet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zuführeinrichtung der Vorrichtung Verpackungen nacheinander zuführt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Auflagefläche und/oder Gegendruckfläche für die zu analysierenden Verpackungen hat, und der Antrieb den Sensor horizontal, vertikal oder in einem Winkel gegen die Verpackung fährt und die Auflagefläche und/oder Anlagefläche einen Gegendruck erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Sensoren hat, die mittels eines oder mehrere Antriebe gleichzeitig oder nacheinander aus einer oder verschiedenen Richtungen gegen verschiedene Bereiche der Folie der Verpackung drückbar sind, wobei die Steuerung anhand der Sensorsignale die Dichtigkeit der vermessenen Verpackung bewertet bzw. berechnet.
Verfahren zur Ermittlung der Dichtigkeit einer Verpackung mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung eine Verpackung zugeführt wird, wonach dann mittel des Antriebs der mindestens eine Sensor gegen die Folie der Verpackung verfahren wird, wobei beim Verfahren die von der Verpackung erzeugte Gegenkraft bzw. der erzeugte Gegendruck mittels des mindestens einen Sensors von der Vorrichtung in schneller Folge für ein bestimmtes Zeitintervall ermittelt wird, wobei gleichzeitig oder anschließend die Steuerung anhand der ermittelten Gegenkraftwerte bzw. Gegendruckwerte die Dichtigkeit der Verpackung berechnet oder bewertet.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung anhand der Steilheit der ermittelten Gegenkraft-Weg- oder Gegenkraft-Zeit-Kurve bzw. der ermittelten Gegendruck-Weg- oder Gegendruck-Zeit-Kurve und evtl. Einbrüchen der ermittelten Kurve eine Klassifizierung der Dichtigkeit vornimmt.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung anhand von kurzeitigen Gegenkraft- bzw. Gegendruckeinbrüchen im Kurvenverlauf durch Vergleich mit einer Wissensdatenbank die Undichtigkeit, insbesondere die Größe der Fläche aller in der Verpackung befindlichen Löcher bewertet oder ermittelt.