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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung
des Temperiergrads von fetthaltigen Massen, insbesondere von Schokoladenmasse.
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In
vielen Zweigen der Lebensmittelindustrie werden fetthaltige fluide
Massen zu festen oder halbfesten Produkten verarbeitet, in denen
die Fette zumindest teilweise kristallisiert sind. Dabei hängt die Qualität des Produkts
sehr stark von der Vorgeschichte der fetthaltigen Masse ab, weil
die Kristallisation des Fetts bei der Abkühlung verzögert abläuft und, beispielsweise bei
Kakaobutter, zu unterschiedlichen Kristallformen mit unterschiedlichen
Schmelztemperaturen führen
kann. Bei Schokolade hat beispielsweise die Größe und Art der Kristalle Einfluss auf
den Glanz, die Lager Beständigkeit,
die sensorische Qualität
und andere Eigenschaften.
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Es
ist daher üblich,
fetthaltige fluide Massen einer kontrollierten Wärmebehandlung, dem so genannten
Temperieren oder Vorkristallisieren, zu unterziehen, bevor die Erstarrung
zum festen Produkt erfolgt. Das Ergebnis des Temperierens kann aber auch
bei genauer Steuerung der Wärmebehandlung noch
von anderen Größen, etwa
der Rohstoffqualität, beeinflusst
werden. Daher wird üblicherweise
die temperierte Masse vor der Weiterverarbeitung geprüft, in denen
der so genannte Temperiergrad be stimmt wird.
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Bei
bekannten Verfahren wird hierzu aus der temperierten Masse eine
Probe gezogen, in eine Messkammer mit gekühlten Wänden überführt und mit einem in der Masse
untergebrachten Temperaturfühler
der Temperaturverlauf beim Erstarren aufgenommen. Die Messkammer
kann dabei geschlossen oder offen sein, beispielsweise die Form
eines Tiegels haben. Weil wegen der verzögerten Erstarrung die Erstarrungswärme in einem
Temperaturbereich unterhalb der Gleichgewichtstemperatur freigesetzt wird,
stellt die beobachtete Abkühlungskurve
eine Überlagerung
einer normalen exponentiellen Abkühlungskurve mit einer in etwa
glockenförmigen
Erwärmungskurve
durch die freiwerdende Erstarrungswärme dar und weist in der Regel
einen Wendepunkt auf. Die Steigung dieser Kurve am Wendepunkt kann
als Maß für den Grad
des Temperierens bzw. der Vorkristallisation dienen.
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Die
bekannten Vorrichtungen dieser Art sind in mehrfacher Hinsicht unzulänglich.
Die erstarrte Masse muss nämlich
nach der Messung aus der Messkammer wieder entfernt werden.
DE 3714951 C1 schlägt hierzu
eine Art Fräse
vor, wobei die Späne der
flüssigen
Masse wieder zugeführt
werden. Dagegen beschreibt
EP
1591786 A1 eine Vorrichtung, bei der die erstarrte Probe
mit einem Kolben aus der Messkammer in eine separate Aufschmelzkammer gedrückt wird.
Nach
DE 4209073 A1 wird
die Messkammer von einem Teilstrom der Masse durchströmt, der
bei Beginn der Messung gestoppt wird. Nach der Messung muss die
Messkammer dann erwärmt
werden, um die Probe aufzuschmelzen und die Strömung wieder herzustellen.
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Da
die Messkammer relativ groß ist
und ihre Temperierung und Vorbereitung für die nächste Messung relativ viel
Zeit beansprucht, kann typischerweise nur etwa alle 30 Minuten gemessen
werden. Um diesen Nachteil auszugleichen, schlägt
GB 2267478 A vor, mit mehreren
Messkammern in einer revolverähnlichen
Trommel zeitlich versetzt zu messen. Die dafür benötigte Vorrich tung ist jedoch
relativ kompliziert.
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DE 10 2006 034 364
B4 lehrt, den Temperiergrad einer Schokoladenmasse aus
der in einem Abfließversuch
bestimmten Fließgrenze
zu ermitteln.
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Die
Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Bestimmung des Temperiergrads zu schaffen, die gegenüber dem Stand
der Technik wesentlich einfacher sind und eine häufigere Wiederholung der Bestimmung
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren
nach Anspruch 16 gelöst.
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Es
wurde nämlich überraschenderweise
gefunden, dass eine Temperatur-Zeit-Kurve auch ohne eine abgegrenzte
Messkammer aufgenommen werden kann, wenn die Erstarrung der Masse
an einem eintauchenden gekühlten
Oberflächenbereich
erfolgt, in dessen Nähe
ein ebenfalls in die Masse eintauchender und von der Oberfläche beabstandeter Temperaturfühler angebracht
ist. Nach der Messung kann der Oberflächenbereich geheizt werden,
wobei die erstarrte Masse schmilzt. Weil dabei keine gesonderte
Messkammer befüllt
und entleert zu werden braucht und Oberflächenbereich und Temperaturfühler relativ
klein gehalten werden können,
kann die Messung innerhalb kurzer Zeit wiederholt werden. Ferner
ist der Aufbau der Messvorrichtung gegenüber dem Stand der Technik wesentlich
einfacher.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist also ein in die Masse eintauchbares Glied mit einem kühl- und
heizbaren Oberflächenbereich
sowie einen von diesem beabstandeten und mit ihm eintauchbaren Temperaturfühler auf.
Diese beiden Elemente sind zweckmäßig zu einem Messkopf miteinander verbunden.
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Die
zweckmäßige Größe des kühl- und
heizbaren Oberflächenbereiches
kann durch Versuche anhand folgender Überlegungen ermittelt werden:
Ist der Oberflächenbereich
gegenüber
dem Temperaturfühler
zu klein, dann kann sich die Empfindlichkeit des Messkopfs verschlechtern.
Ist der Oberflächenbereich
zu groß,
dann kann sich die Einstellung der gewünschten Temperatur ver zögern und
die Messzeit insgesamt verlängern.
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Zum
Kühlen
und Heizen des Oberflächenbereichs
können
alle bekannten und geeigneten Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt
werden. Beispielsweise kann das eintauchbare Glied hohl und von
einem fluiden Medium durchströmt
sein, dessen Temperatur verändert
werden kann und das die Temperatur der Oberfläche bestimmt. Es ist auch möglich, den
Oberflächenbereich
so auszubilden, das er durch thermoelektrischen Effekt oder durch
Widerstandsheizung gekühlt
beziehungsweise erwärmt werden
kann. Auch Phasenumwandlungen wie Verdampfen, Kondensieren, Schmelzen,
Erstarren, können
zum Kühlen
beziehungsweise Heizen angewendet werden.
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Als
Temperaturfühler
sind grundsätzlich
alle für
diesen Zweck bekannten Bauelemente geeignet, wie Thermoelemente,
Metall- und Halbleiterwiderstände
(NTC, PTC), Flüssigkeitsthermometer,
Bimetallthermometer. Die Mittel zur Erfassung der Temperatur des
Temperaturfühlers
richten sich nach dessen Art, beispielsweise Spannungsmessgeräte für Thermoelemente
und Widerstandsmessgeräte
für Metall- und
Halbleiterwiderstände.
Ein bevorzugter Temperaturfühler
ist ein Thermoelement, weil es mit sehr kleiner Abmessung und Wärmekapazität gestaltet werden
kann.
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Der
Abstand zwischen dem kühl-
und heizbaren Oberflächenbereich
und dem Temperaturfühler
beträgt
bevorzugt 0,5 bis 5 mm, besonders bevorzugt 1,0 bis 2,5 mm.
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Bei
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das eintauchbare Glied als Rohr mit mindestens einem geschlossenen
Ende ausgebildet. Dabei kann der kühl- und heizbare Oberflächenbereich
am oder in der Nähe
des geschlossenen Endes angebracht sein, das in die Masse eingetaucht werden
kann, so dass der Oberflächenbereich
sich soweit unterhalb der Oberfläche
der Masse befindet, dass das Messergebnis nicht durch Einflüsse von dieser
Oberfläche
her verfälscht
werden kann.
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Durch
die Rohrform wird es leicht möglich, den
Oberflächenbereich
mittels eines im Rohr strömenden
fluiden Mediums zu temperieren.
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Um
den kühl-
und heizbaren Oberflächenbereich
gegen die übrige
Oberfläche
des eintauchbaren Glieds abzugrenzen, wird diese bevorzugt mit einer thermischen
Isolierung, z. B. einer Beschichtung, versehen. Die übrige Oberfläche hat
dann naturgemäß annähernd die
Temperatur ihrer Umgebung, das heißt der Masse beziehungsweise
der Umgebungsluft.
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Bevorzugt
umfasst das eintauchbare Glied ein Wärmerohr. Ein erstes Ende dieses
Wärmerohrs, das
zum Eintauchen in die Masse vorgesehen ist, weist beispielsweise
eine thermisch isolierende Beschichtung auf, die am oder in der
Nähe des
Rohrendes einen kühl-
und heizbaren Oberflächenbereich freilässt. Das
zweite Ende des Wärmerohrs
ist mit einer Einrichtung zum Kühlen
und Heizen versehen. Dies kann beispielsweise ein von einem fluiden
Wärmeträger durchströmter Mantel
sein.
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Unter
Wärmerohr
(heat-pipe) wird hier eine Vorrichtung verstanden, in der die Verdampfungswärme einer
Flüssigkeit
zur Wärmeübertragung
ausgenutzt wird. Es besteht typischerweise aus einem vakuumdicht
abgeschlossenen Metallrohr, dessen Innenseite mit einer Kapillarstruktur
versehen ist. Der Innenraum ist mit einem Wärmeübertragungsmittel gefüllt, das
durch Zufuhr von Wärme
verdampft. An der kalten Seite kondensiert der Dampf wieder, wobei Wärme frei
wird, und das Kondensat wird durch die Kapillarstruktur wieder zur
Verdampferseite zurückgebracht.
Durch die Wirkung der Kapillarstruktur kann Wärme in Richtung der Schwerkraft
oder dieser entgegen oder auch im schwerelosen Raum transportiert
werden, und zwar um Größenordnungen schneller
als durch Leitung in Metallen wie Kupfer. Daher haben bei Enden
des Wärmerohrs
auch dann annähernd
die gleiche Temperatur, wenn bereits ein beträchtlicher Wärmestrom transportiert wird.
Diese Eigenschaft des Wärmerohrs
ermöglicht
es, eine Kühlung
bzw. Heizung des Oberflächenbereiches
annähernd
ohne zeitliche Verzögerung
zu realisieren.
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Erfindungsgemäß sind auch
solche Wärmerohre
brauchbar, die keine Kapillarstruktur aufweisen und bisweilen auch
als Thermosiphon bezeichnet werden. Bei diesen wird das kondensierte
Wärmeübertragungsmittel
nur durch die Schwerkraft transportiert, weshalb sie nur zum Kühlen des
unteren Endes eingesetzt werden können. In diesem Fall muss die
Heizfunktion für
den Oberflächenbereich
auf andere Art, beispielsweise durch Widerstandsheizung, realisiert
werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Einrichtung zum
Heizen und Kühlen
des Wärmerohrs
mindestens ein Peltierelement. Ein solches Element nutzt den thermoelektrischen
Effekt und erzeugt beim Durchleiten eines Gleichstroms durch die
Verbindungsstelle der Schenkel ein Temperaturgefälle, dessen Richtung von der
Polarität
des Stroms abhängt. Das
so erzeugte Temperaturgefälle
bewirkt einen Wärmetransport.
Das Peltierelement steht auf einer Seite der Verbindung in thermischen
Kontakt mit dem zweiten Ende des Wärmerohrs und auf der anderen Seite
in thermischen Kontakt mit einem Wärmeträger, beispielsweise gegebenenfalls über Kühlrippen mit
der Umgebungsluft oder mit einem fluiden Wärmeträger in einem Mantel. Auf diese
Weise wird je nach der Polarität
des Gleichstroms Wärme
aus dem zweiten Ende des Wärmerohrs
in den Wärmeträger abgeführt oder
aus diesem in das Wärmerohr
zugeführt.
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Insbesondere
dann, wenn der thermische Kontakt zwischen der Einrichtung zum Kühlen und Heizen
am zweiten Ende des Wärmerohrs
wegen der Formgebung dieser beiden Bauteile nicht vollflächig möglich ist,
wird bevorzugt ein Wärmeleitkörper zwischen
diesen Bauteilen angeordnet, der mit beiden in thermischem Kontakt
steht. Im oder am Wärmeleitkörper kann
ein Temperaturfühler
angeordnet sein, der in einer Einrichtung zur Rege lung und Steuerung der
Temperatur des Wärmeleitkörpers und
damit der Temperatur am zweiten Ende des Wärmerohrs enthalten sein kann.
Bevorzugt besteht der Wärmeleitkörper aus
Aluminium.
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Bei
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Wärmerohr
aus Edelstahl gefertigt und weiter bevorzugt mit einem Wärmeübertragungsmittel
gefühlt,
das im Temperaturbereich von –10
bis 40°C
brauchbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst vorteilhaft ferner Mittel zur Erfassung des Signals des Temperaturfühlers in
Abhängigkeit
von der Zeit. Dies kann beispielsweise ein Schreiber sein, der einen Graphen
des Signals über
der Zeit aufzeichnet, der dann manuell ausgewertet werden kann.
Die Erfassung kann auch in einem Rechner erfolgen, der mit einer
geeigneten Software ausgerüstet
ist, die auch die Auswertung bis zur Ermittlung des Temperiergrads
durchführt.
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Der
Temperiergrad als Ergebnis der Messung und Auswertung kann von der
Vorrichtung, beispielsweise auf einem Display, angezeigt werden.
Er kann dann verwendet werden, um die Parameter eines Prozesses
in einer im Herstellungsablauf vorangehenden Behandlungseinheit,
beispielsweise einer Temperiervorrichtung, manuell zu beeinflussen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn Mittel zur Übermittlung des Auswerteergebnisses
an die Steuerung dieser Behandlungseinheit vorhanden sind, beispielsweise
eine geeignete Schnittstelle oder dadurch, dass sowohl die Behandlungseinheit
als auch die erfindungsgemäßen Vorrichtung
von einem gemeinsamen Rechner gesteuert und überwacht werden.
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Die
Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Bestimmung des Temperiergrads
einer fetthaltigen Masse, insbesondere einer Schokoladenmasse, mit
den Schritten
- – Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- – Kühlen des
kühl- und
heizbaren Oberflächenbereichs,
- – Eintauchen
des Oberflächenbereichs
und des Temperaturfühlers in
die Masse,
- – Erfassen
des vom Temperaturfühler
abgegebenen Signals in Abhängigkeit
von der Zeit
- – Ermittlung
des Temperiergrads aus dem zeitlichen Verlauf dieses Signals.
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Zunächst wird
der Oberflächenbereich
auf eine Temperatur gekühlt,
die wesentlich unterhalb der Erstarrungstemperatur der Masse liegt,
beispielsweise um 15 bis 35 K. Nach dem Eintauchen des Messkopfs,
der den kühl-
und heizbaren Oberflächenbereich
sowie den Temperaturfühler
umfasst, erfasst der Fühler
zunächst
eine Temperatur die gleich der der Masse ist. Durch das fortdauernde Kühlen des
Oberflächenbereiches
wird der angrenzenden Masse Wärme
entzogen und durch Wärmeleitung
aus ferneren Bereichen ergänzt.
Würde die Masse
nicht erstarren, dann ergäbe
sich eine Temperatur-Zeit-Kurve von der üblichen Exponentialform einer
Abkühlungskurve.
Je nach dem Grad der Temperierung beziehungsweise Vorkristallisation
der Masse erfolgt jedoch beim Abkühlen auch eine mehr oder weniger
rasche Erstarrung des Fettanteils und damit Freisetzung von Erstarrungswärme. Dadurch
wird die Abkühlung
des Temperaturfühlers
verzögert,
und zwar entsprechend einer Überlagerung
durch eine mehr oder weniger breite glockenförmige Kurve. Die resultierende
Temperatur-Zeit-Kurve ähnelt denjenigen,
die mit den Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik
erhalten werden.
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Der
Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis
zu Grunde, dass bei der Ermittlung des Temperiergrads keine abgeschlossene
Messkammer mit gekühlten
Wänden
erforderlich ist, sondern vergleichbare Ergebnisse auch mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
erzielt werden. Eine schlüssige
Erklärung
dafür kann
hier nicht gegeben werden. Vermutlich wird aber durch die Abkühlung der
Masse am Oberflächenbereich
dort die ohnehin schon hohe Viskosität weiter gesteigert, so dass
die Masse nicht mehr durch thermische Konvektion oder eine mäßige aufgeprägte Strömung aus
dem Messkopf bewegt wird und sich ähnlich verhält, als wenn sie in einer Messkammer
eingeschlossen wäre.
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Der
Messkopf wird vorteilhaft so tief in die Masse eingetaucht, dass
sich Effekte von der Oberfläche
her, z. B. durch stärkere
Abkühlung,
Verdampfen von Wasser oder Kristallisation, nicht auswirken können. Typischerweise
reicht eine Tiefe von circa 10 mm aus. Es ist selbstverständlich auch
möglich,
zunächst
den Messkopf in die Masse einzutauchen und danach die Kühlung des
Oberflächenbereichs
einzuschalten.
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Das
Erfassen des vom Temperaturfühler
abgegebenen Signals in Abhängigkeit
von der Zeit kann auf bekannte Weise erfolgen, beispielsweise manuell,
etwa durch Ablesen eines Messgeräts, über einen Schreiber
oder einen Rechner mit Datenspeicher. Ebenso kann die Auswertung
des zeitlichen Verlaufs zur Ermittlung des Temperiergrads auf übliche Weise vorgenommen
werden, beispielsweise ebenfalls manuell anhand einer vom Schreiber
aufgezeichneten oder vom Rechner auf einer Anzeige ausgegebenen Kurve
oder automatisch mittels einer geeigneten Software im Rechner.
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Die
Erfassung des Signals kann abgebrochen werden, wenn nach einer für die Erfassung
des Temperiergrads ausreichenden Zeitdauer genügend Daten für die Auswertung
zur Verfügung
stehen. Das kann wiederum manuell, beispielsweise nach visueller
Prüfung
einer aufgezeichneten Kurve, veranlasst werden. Andererseits kann
auch der auswertende Rechner den Abbruch veranlassen, wenn der Temperiergrad
bestimmt wurde. Zu diesem Zeitpunkt wird die Kühlung des Oberflächenbereiches
unterbrochen und die Heizung des Bereichs eingeleitet. Dabei wird die
Temperatur des Oberflächenbereiches
soweit und solange erhöht,
dass die zwischen Oberflächenbereich
und Temperaturfühler
mehr oder weniger erstarrte Masse geschmolzen wird. Spätestens
nachdem dies erreicht ist, kann der Messkopf aus der Masse entfernt,
gegebenenfalls gespült
und für
eine neue Messung verwendet werden. Selbstverständlich kann die Messung auch
länger
fortgesetzt werden, z. B. wenn dies zu Prüfung der Vorrichtung und/oder
des Verfahrens erwünscht
ist.
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Bei
der Verwendung eines Wärmerohrs
zum Kühlen
und Heizen des Oberflächenbereiches
kann die Wärme
vergleichsweise schnell ab- und
zugeführt
werden. Daher ist es auch möglich,
das Kühlen des
Oberflächenbereiches
nach dem Eintauchen in die Masse vorzunehmen. Weil die Einstellung
der gewünschten
Temperatur des Oberflächenbereiches beim
Kühlen
und Heizen sehr rasch erfolgt, kann die Messung in relativ kurzer
Zeit durchgeführt
werden. Typischerweise ist bereits nach etwa 3 Minuten Kühlen ein
ausreichender Teil der Abkühlungskurve
aufgenommen und nach darauf folgenden etwa 2 Minuten Heizen die
Vorrichtung wieder für
eine neue Messung bereit. Eine Optimierung der Erfindung hinsichtlich
weiterer Verkürzung
der Messzeit erscheint möglich.
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Nach
der Ermittlung des Temperiergrads kann der entsprechende Wert zur
Steuerung einer im Herstellungsablauf vorangehenden Behandlungseinheit
für die
Masse verwendet werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem
Prozessparameter für diese
Behandlungseinheit je nach dem Temperiergrad manuell verändert werden,
indem der Temperiergrad als Istwert in eine Steuerung eingegeben wird,
oder indem der Temperiergrad automatisch vom auswertenden Rechner,
gegebenenfalls über eine
geeignete Schnittstelle, an die Steuerung der Behandlungseinheit übermittelt
wird.
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Die
bisherige Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens geht davon aus,
dass die Ermittlung des Temperiergrads in einer in Ruhe befindlichen
Masse erfolgt, beispielsweise in einem Vorrats- oder Puffergefäß oder einem
Gießtrichter
einer Gießanlage.
Ebenso gut ist es aber möglich,
den Messkopf in einem Strom einer fetthaltigen Masse zu installieren
und die Messung beliebig oft wiederholt durchzuführen. Dabei ist einerseits
darauf zu achten, dass die Messung nicht durch die Strömung gestört werden
kann. Daher ist es vorteilhaft, den Messkopf so zu drehen, dass
sich der Temperaturfühler
in Stromrichtung hinter dem eintauchbaren Glied, das heißt in dessen
Strömungsschatten,
befindet. Wenn dort die Strömung
noch zu stark ist, kann sie durch geeignet geformte Strömungskörper gedämpft werden.
Andererseits muss natürlich
zur Vorbereitung einer neuen Messung die zwischen Oberflächenbereich
und Temperaturfühler
befindliche Masse ausgetauscht werden können, gegebenenfalls durch
zum Schmelzen ausreichendes Aufheizen. Hierzu kann es nützlich sein,
den Messkopf zwischen den Messungen um die Längsachse zu drehen, z. B. um
etwa 90°,
so dass der Raum zwischen Oberflächenbereich und
Temperaturfühler
von der Masse durchströmt werden
kann. Vor der neuen Messung wird dann der Temperaturfühler wieder
in den Strömungsschatten gedreht.
Es ist nicht notwendig, den Messkopf zwischen zwei Messungen aus
der strömenden
Masse zu entfernen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich gegenüber
dem Stand der Technik durch einen sehr einfachen und kompakten Aufbau
aus. Die untersuchten Probemengen sind wesentlich kleiner als nach
dem Stand der Technik, wodurch auch die erforderliche Messzeit bedeutend
kürzer
ist. Die Reinigung der Vorrichtung wird durch einfaches Abschmelzen
der erstarrten Masse sehr vereinfacht; insbesondere bei der Verwendung
eines Peltierelements wird dies durch Umkehr der Polarität des Stroms
sehr einfach und schnell erreicht. Da das Verfahren auch in strömender Masse
ausführbar
ist, sind Inline-Messungen zur laufenden Steuerung mit der gleichen
erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich. Verfahren
und Vorrichtung lassen sich in bekannte Systeme zur Anlagensteuerung
integrieren, wodurch auch eine Einbindung in Systeme zum Qualitätsmanagement
der Produktion möglich
ist.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der
beigegebenen Zeichnungen näher
beschrieben.
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1 ist
ein Längsschnitt
durch einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Messkopf sowie
Kühl- und
Heizeinrichtung.
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2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt des
Messkopfs.
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1 stellt
den wesentlichen Teil einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
eintauchbarem Glied 2 und Kühl- und Heizeinrichtung 28 dar.
Das eintauchbare Glied 2 umfasst einen Abschnitt des Wärmerohrs 4,
der mit einer thermisch isolierenden Beschichtung 10 versehen
ist. In diesem Bereich wird die Temperatur der Oberfläche hauptsächlich von
der Umgebung und nicht vom Wärmerohr
beeinflusst. Im Wärmerohr 4 ist
eine hier nicht gezeigte Kapillarstruktur und ein verdampfbares Wärmeübertragungsmittel
vorhanden. Am ersten Ende 6 des Wärmerohrs 4 befindet
sich ein kühl-
und heizbarer Oberflächenbereich 14,
der in der isolierenden Beschichtung 10 ausgespart ist.
Hier wird die Temperatur hauptsächlich
vom Zustand des Wärmerohrs
und weniger von der Umgebung beeinflusst. In der isolierenden Beschichtung 10 parallel
zum Wärmerohr 4 ist
die Zuleitung 12 eines Thermoelements geführt, dass
mit seiner Lötstelle 16 aus
der Beschichtung 10 heraus in den Raum nahe des Bereichs 14 ragt.
Hier befindet sich die eigentliche Messstelle A. Die Zuleitung 12 des
Thermoelements ist mit einer nicht gezeigten Einrichtung zur Erfassung
des Signals verbunden.
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Der
zweite Endabschnitt 8 des Wärmerohrs steht über den
Wärmeleitkörper 20 in
thermischem Kontakt mit den Peltierelementen 22. Diese
Peltierelemente werden von einer hier nicht gezeigten Stromquelle
mit Gleichstrom versorgt. Im Wärmeleitkörper 20 ist
ein zweiter Temperaturfühler 26 untergebracht, der
im Zusammenwirken mit der Stromquelle und einen hier nicht gezeigten
Regler die Temperatur des Wärmeleitkörpers auf
einem Sollwert hält.
Dieser Sollwert kann je nach dem Fortschritt des Messvorgangs manuell
oder von einer automatischen Steuerung eingestellt werden.
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Der
Wärmeleitkörper 20 ist
so geformt, dass er möglichst
große Kontaktflächen einerseits
zum zylindrischen Wärmerohr,
andererseits zu den im Allgemeinen plattenförmigen Peltierelementen herstellt, selbst
aber keine allzu große
Wärmekapazität besitzt.
Im dargestellten Beispiel hat er die Form eines Quaders mit einer
zentralen Bohrung für
das Wärmerohr.
Die Peltierelemente 22 sind sämtlich in gleicher Ausrichtung
hinsichtlich des thermoelektrischen Effekts zum Wärmeleitkörper 20 angeordnet,
das heißt, das
sie bei einer bestimmten Polarität
des Gleichstroms alle den Wärmeleitkörper kühlen, bei
Umkehr der Polarität
jedoch heizen. Auf der dem Wärmeleitkörper abgewandten
Seite der Peltierelemente ist ein Kühlkörper 28 mit Rippen
angeordnet, der beim Kühlen
des Wärmeleitkörpers 20 den
Peltierelementen 22 Wärme
entzieht, beim Heizen dagegen Wärme zuführt.
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Im
gezeigten Beispiel ist das Wärmerohr
gerade ausgebildet. Es können
aber auch Wärmerohre mit
anderer Form, beispielsweise einem abgewinkelten Abschnitt, verwendet
werden, wenn dies z. B. die räumliche
Anordnung anderer Vorrichtungsbauteile erleichtert und die Wirkung
nicht beeinträchtigt.
Nach den gleichen Kriterien kann die Länge des Wärmerohrs bemessen werden.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
der Messstelle A. Im Endbereich 6 des Wärmerohrs 4 endet die
isolierende Beschichtung 10 und lässt den kühl- und heizbaren Oberflächenbereich 14 frei.
Die Lötstelle 16 des
Thermoelements 12 tritt hier aus der Beschichtung 10 aus
und bildet mit dem Oberflächenbereich 14 einen
Spalt 18, der beispielsweise 1,5 mm weit ist.
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Mit
dieser beispielhaften Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann der Temperiergrad einer fetthaltigen Masse, insbesondere einer
Schokoladenmasse, wie folgt ermittelt werden. Zu Beginn der Messung
befinden sich alle Bauteile auf Umgebungstemperatur. Nun wird die
mittels des zweiten Temperaturfühlers 26 regelbare
Stromquelle für
die Peltierelemente 22 eingeschaltet. Da das Wärmerohr 4 zum
größten Teil
isoliert beziehungsweise im Wärmeleitkörper 20 untergebracht
ist, ist die Temperatur des Oberflächenbereiches 14 ziemlich
genau gleich der des Wärmeleitkörpers 20.
Sobald der Wärmeleitkörper 20 die
Solltemperatur für
den Oberflächenbereich,
beispielsweise für
Schokolade 7°C,
erreicht hat, wird das Ende des Wärmerohrs 4 zusammen
mit der Lötstelle 16 in
die zu untersuchende Masse eingetaucht, beispielsweise mindestens
etwa 10 mm. Dabei beginnt die Masse am Oberflächenbereich 14 zu
erstarren. Die Lötstelle 16 des
Thermoelements wird zunehmend in die erstarrende Masse eingebettet
und misst nahezu trägheitslos
deren Temperatur. Der zeitliche Verlauf dieser Temperatur dient,
wie oben beschrieben, der Beurteilung des Temperiergrads.
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Sobald
die Temperatur-Zeit-Kurve für
diese Beurteilung des Temperiergrads ausreicht, wird die Polarität des durch
die Peltierelemente fließenden Gleichstroms
umgekehrt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein
neuer Sollwert, beispielsweise 40°C,
manuell oder automatisch in den Temperaturregler für den Wärmeleitkörper 20 eingegeben
wird. Dadurch wird der Wärmeleitkörper 20 und
damit auch die Oberflächenbereich 14 auf
diese Temperatur erwärmt
und die bei der Messung erstarrte Masse wieder aufgeschmolzen. Der
Messkopf kann nun aus der Masse herausgehoben, gegebenenfalls gespült und für eine neue
Messung verwendet werden.
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- 2
- eintauchbares
Glied
- 4
- Wärmerohr
- 6
- erstes
Ende
- 8
- zweites
Ende
- 10
- isolierende
Beschichtung
- 12
- Thermoelement-Zuleitung
- 14
- kühl- und
heizbarer Bereich
- 16
- Lötstelle
des Thermoelements
- 18
- Spalt
Lötstelle-Oberflächenbereich
- 20
- Wärmeleitkörper
- 22
- Peltierelemente
- 24
- Kühlkörper
- 26
- zweiter
Temperaturfühler
- 28
- Kühl- und
Heizeinrichtung