-
-
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der
-
Füllfähigkeit von geschnittenen Tabakmaterialien Beschreibung Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Füllfähigkeit
von geschnittenen Tabakmaterialien der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw.
-
2 angegebenen Gattung.
-
Als "Füllfähigkeit" von geschnittenem Tabak wird der Quotient aus
einer bestimmten Tabakmasse und dem von dieser Masse eingenommenen Volumen bezeichnet.
Da die Füllfähigkeit die Produktqualität, insbesondere das Brennverhalten, die Rauchausbeute,
die Zugzah, den Geschmack, die Härte und den Endenausfall sowie über das Tabakeinsatzgewicht
auch die Rohmaterialkosten des Produktesbeeinflußt, sind verschiedene Verfahren
zur Messung der Füllfähigkeit entwickelt worden, um dann in Abhängigkeit vom Meßergebnis
die Produktion steuern zu können.. So wird in einem Artikel aus Beiträge zur Tabakforschung",
Band 4, Heft 7, Dez. 1968, Seite 293 ff ein Kombinations-Meßgerät für die Füllfähigkeit
von
Schnittabak und die Härte von Cigaretten beschrieben, bei dem zur Bestimmung der
Füllfähigkeit die Säulenhöhe eines definiertenTabak.gewichtes unter bestimmter Belastung
nach einer festgesetzten Zeit gemessen wird.
-
Ein ähnliches Verfahren ist auch aus einem Artikel in "Tabak Journal
International", 1980, Heft 2, Seite 126 bekannt, wobei zusätzlich noch ein Zentrifugenverfahren
erläutert wird. Nachteilig ist in jedem Fall, daß es sich um ein diskontinuierliches
Meßverfahren handelt, es also nicht möglich ist, kontinuierlich bei der Produktion
die Füllfähigkeit des Tabaks zu ermitteln.
-
Weiterhin ist ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren vorgeschlagen
worden, bei dem der geschnittene Tabak in einer senkrechten Röhre nach unten fällt,
deren Seitenwände durch angetriebene Förderbänder gebildet werden. Unter dieser
Röhre befindet sich ein weiteres endloses Förderband, das mit einer Kraftmeßdose
versehen ist, so daß das Gewicht des auf dem Förderband aufliegenden Tabaks ermittelt
werden kann.
-
Die Seiten des Rohrs sind durchsichtig, so daß mittels eines fotoelektrischen
Höhensteuersystems die Geschwindigkeit des unter dem Rohr angeordneten Förderbandes
eingestellt und dadurch gewährleistet werden kann, daß sich immer die gewünschte
Säulenhöhe in dem Rohr ergibt. Die Füllfähigkeit des Tabaks kann aus der Höhe der
Tabaksäule in dem Rohr ermittelt werden.
-
Dieses Verfahren erfordert jedoch einen hohen apparativen Aufwand
und ist relativ ungenau.
-
Eine Anwendung dieses Prinzips für einen ähnlichen Zweck, nämlich
für die Abgabe von Tabakmengen mit konstantem Gewicht, wird in der DE-OS 2 854 098
beschrieben.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Ermittlung.der Füllfähigkeit von geschnittenen Tabakmaterialien der angegebenen
Gattung zu schaffen, wobei die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.
-
Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen
werden, bei dem bzw. der die kontinuierliche Messung der Füllfähigkeit während der
Tabakvorbereit'ung, also ohne Beeinflussung der üblichen Arbeitsgänge im Fabrikationsprozeß,
möglich ist.
-
Dies wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen
der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale erreicht.
-
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüo chen zusammengestellt.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf einer Differenzmessung,
wobei die ent Meßgröße die Höhe des unbelasteten, transportierten Tabakvlieses und
die andere Meßgröße die Höhe des gleichen Bereiches des Tabakvlieses ist, der jedoch
durch eine definierte Belastung komprimiert worden ist. Dabei wird als Fullkraft
die auf die unbelastete Höhe bezogene Höhendifferenz definiert, wie n.och erläutert
werden S . Ein wesentlicher Vorteil dieser Differenzmessung liegt darin, daß die
Höhe des Tabakvlie ses nicht konstant sein muß, also auch dann reproduzierbare
Ergebnisse
erhalten werden, wenn sich die Höhe des Tabakvlieses ändert, wie es beim Fabrikationsprozeß,
also während der Tabakvorbereitung, nicht zu vermeiden ist.
-
Die beiden hier interessierenden Meßwerte, nämlich die Höhe des unbelasteten
bzw. belasteten Tabakvlieses, werden zweckmäßigerweise durch frei drehbar auf dem
Tabakvlies aufliegende Rollen ermittelt, die jeweils schwenkbar gelagert sind. Dabei
wird das Gewicht einer Rolle durch ein Gegengewicht kompensiert, so daß diese Rolle
praktisch ohne Ausübung einer Belastung auf der Oberfläche des Tabakvlieses aufliegt.
Die andere Rolle kann noch durch zusätzliche Gewichte belastet werden, so daß sie
sich tief in das Tabakvlies eindrückt.
-
Die beiden, sich einstellenden Höhen legen einen bestimmten Schwenkwinkel
der Halterung für die Rollen fest, der erfaßt und in elektrische Signale umgewandelt
werden kann, die wiederum diesen Höhen entsprechen. Wenn sich die Schwenkpunkte
der Halterungen für die beiden Rollen auf einer Bezugslinie befinden, die parallel
zur Auflagefläche des Tabakvlieses verläuft, also beispielsweise zur Oberfläche
des Förderbandes für das Tabakvlies so sind die Schwenkwinkel über eine Sinusfunktion
mit den zu ermittelnden Höhen verknüpft; es ist deshalb möglich, durch Verwendung
von Sin -Gebern als Meßwertaufnehmer eine Meßgröße zu erhalten, die linear von der
zu bestimmenden Tabakhöhe abhängt.
-
Die beiden Meßgrößen, also die elektrischen, die beiden Höhen darstellenden
Signale,müssen zeitlich zueinander zersetzt verarbeitet werden, da.für dieses Verfahren
wewesentlich ist, daß die beiden Höhen am gleichen Bereich des Tabakvlieses ermittelt
werden. Diese Verzögerungszait hängt von der Transportgeschwindigkeit desTabakvlieses
ab
und läßt sich zweckmäßigerweise entsprechendvariieren.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden die analogen, die beiden--Meßwerte
darstellenden Größen in digitale Signale umgewandelt und digital weiter verarbeitet.
Dazu können beispielsweise Spannungs/Frequenz-Umsetzer vorgesehen werden,- die diese
Signale in entsprechende Signale gleicher Amplitude und einer Frequenz umwandeln,
die proportional-zu den eigentlichen-Nutzsignalen ist.
-
Die Schwingungen dieser Signale werden durch Integratoren während
einer einstellbaren Meßzeit ermittel.t; die dadurch gebildeten Zählsignale werden
über einen Multiplexer, zeit lich gesteuert, auf einen programmierbaren Rechner
gegeben, der die Füllkraft berechnet, die entsprechenden Werte ausgibt und gegebenenfalls
auch in Abhängigkeit vom Ergebnis der Messung die Tabakvorbereitung beeinflußt,
also beispielsweise bestimmte Parameter des Fabrikationsprozesses variiert, wie
z. B. Temperatur, Feuchte, Schnittbreite.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen; Fig. 1 eine Prinzip-Darstellung des mechanischen Teils der Vorrichtung
zur Ermittlung der Füllfähigkeit von geschnittenen Tabakmaterialien, Fig. 2 eine
Ansicht in Richtung der Pfeile A-A von Fig. 1, Fig. 3 eine Darstellung der geometischen
BeziehUngen der einzelnen Teile,
Fig. 4 den Schaltungsaufbau der
Auswerteinrichtung, und Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Taktsteuerung der Auswerteinrichtung.
-
Eine lose aufgehäufte Masse von geschnittenen Tabakmaterialien, wie
beispielsweise Blattschnitt, Rippenschnitt, geschnittene Folien oder Mischungen
dieser Komponenten, die auch als "Tabakvlies" bezeichnet wird, ist in Fig. 1 durch
das Bezugszeichen 12 angedeutet und wird von einem Förderband 10 mit planer Auflagefläche
in Richtung des Pfeils schräg nach oben befördert. Das Förderband 10 befindet sich
in einem Teil der Verarbeitungsstrecke der sogenannten "Tabakvorbereitung", so daß
insoweit keine zusätzlichen konstrukt-iven Maßnahmen benötigt werden.
-
Über dem Tabakvlies 12 sind zwei Meßvorrichtungen 14 und 16 angeordnet,
wobei die in Transportrichtung des Tabakvlieses 12 zuerst vorgesehem Meßvorrichtung
14 die Höhe h1 (siehe auch Fig. 2) eines bestimmten, unbelasteten Bereiches des
Tabakvlieses ermittelt. Die in Transportrichtung des Tabakvlieses hinter der ersten
Meßvorrichtung 14 angeordnete Meßvorrichtung 16 ermittelt die Höhe h2 des gleichen
Bereiches, der jedoch unter der Wirkung einer genau definierten Kraft etwas zusammengedrückt
ist, wie man in Fig. 1 erkennen kann.
-
Die erste Meßvorrichtung 14 weist eine stationäre Auflagefläche 18
für zwei Lager 20 (siehe auch Fig. 2) einer Welle 22 auf. Der Mittelpunkt der Welle
22 ist in Fig. 1 durch das Bezugszeichen D1 angedeutet.
-
An der Welle 22 sind über zwei Befestigungselemente 26
Zur
aus' uer gegenUnerllegenden Seite mit einer Nabe 30 einer Rolle 32 verbunden sind.
Die Rolle 32 liegt frei drehbar praktisch ohne jede Belastung auf der Oberfläche
des Tabakvlieses auf, da das Gewicht der Rolle 32 und ihrer Halterung durch das
Gegengewicht 34 kompensiert wird.
-
An den Stangen 28 ist eine von einem Motor angetriebene, rotierende
Bürste 47 befestigt, die an der Oberfläche der Rolle 32 anliegt, um dort anhaftenden
Tabak zu entfernen.
-
Die Rolle 32 hebt und senkt sich entsprechend der Höhe h1 des unbelasteten
Tabakvlieses (siehe auch Fig. 3), wodurch die starr mit den Stangen 28 verbundene
Welle 22 entsprechend gedreht wird. Mit dem gemäß der Darstellung in Fig.2 rechten
Ende der Welle 22 ist über eine Kupplung 23 die Achse eines sin-Präzisionspotentiometers
24 verbunden, so daß das Ausgangssignal des Potentiometers 24 der Drehung der Welle
22, damit der Lage der Rolle 32 und damit schließlich der Höhe h1 des Tabakvlieses
unter der Rolle 32 entspricht.
-
Die zweite Meßvorrichtung 16 hat einen ähnlichen Aufbau, weist also
ebenfalls eine stationäre Auflagefläche 36 mit Lagern 38 einer Welle 39 auf, die
starr mit Stangen 40 verbunden sind; die Stangen 40 haltern eine Nabe 42 einer Rolle
44, die auf der Oberfläche des Tabakvlieses 12 aufliegt. Zur Erhöhung der Belastung
des Tabakvlieses sind an der Rolle 44 noch zusätzliche Gewichte 46 angebracht, so
daß sich die Rolle 44 tief in das Tabakvlies 12 eindrückt, wie man in Fig. 1 erkennen
kann.
-
Auch bei der zweiten Meßvorrichtung 16 wird die von der
Lage
der Rolle 44 und damit von der Höhe h2 (siehe Fig. 3) abhängende Winkelstellung
der Welle 39 mittels eines nicht dargestellten sin-Präzisions-Potentiometers erfaßt.
-
Die geometrischen Beziehungen zwischen den wesentlichen Bauelementen
sind in Fig. 3 dargestellt. Es läßt sich erkennen, daß die durch die Bezugszeichen
D1 bzw. D2 angedeuteten Mittelpunkte der beiden Wellen 22 und 39 auf einer Bezugslinie
liegen, die parallel zur Auflagefläche für das Tabakvlies 12, also parallel zum
Förderband 10,verläuft.
-
Entsprechend der Höhe des belasteten bzw. unbelasteten Tabakvlieses
12 heben und senken sich die Rollen 32 bzw. 44, so daß die entsprechenden Stangen
28 bzw. 40 um die Wellen 22 bzw. 39 gedreht werden und eine Winkelstellung einnehmen,
die von der jeweiligen Höhe des Tabakvlieses abhängt.
-
Liegt die Rolle 32 auf dem Förderband 10 auf, befindet sich also kein
Tabakvlies 12 auf dem Förderband, wie in Fig. 3 durch die gestrichelte Rolle 32
angedeutet ist, so bildet die Stange 28 einen Winkel ag mit der Bezugslinie. Die
Senkrechte vom Mittelpunkt der Rolle auf die Bezugslinie hat die Länge yO. Wird
der konstante Abstand zwischen dem Schwenkpunkt D1 und dem Mittelpunkt der Rolle
32 mit r bezeichnet, so läßt sich y0 ausdrücken durch: y0 = r sin «O Hat das Tabakvlies
12 im unbelasteten Zustand die Füllhöhe h1, so bilden die Stangen 28 einen Winkel
al mit der Bezugslinie, und die Senkrechte vom Mittelpunkt der Rolle 32 auf ie Bezugslinie
hat die Länge y1. Dann läßt sich y1 ausdrükken durch: Y1 = r sin <11.
-
Die Füllhöhe h1 ist gleich der Differenz aus y0 und Y1, so daß gilt:
h1 YO Y1 = r (sin a0 - sin a1).
-
Die Höhe h1 des Tabakvlieses hängt also über eine Sinusfunktion von
dem Winkel zwischen der Bezugslinie und der Stange und damit der Lage der Rolle
32 ab, so daß man durch Verwendung von sin-Gebern als Meßwertaufnehmer eine Meßgröße
erhält, die linear von der zu bestimmenden Höhe des Tabakvlieses abhängt.
-
Ähnliche Uberlegungen gelten für die Füllhöhe h2 des zusammengedrückten
Tabakvlieses, wie in Fig. 3 ebenfalls schematisch angedeutet ist, wobei y0 und y2
wieder die Senkrechten vom Mittelpunkt der Rolle auf die Bezugslinie darstellen.
-
Zur Erzielung dieser Linearität und der direkten Vergleichbarkeit
der gemessenen Winkel und damit der zugehörigen Füllhöhen ist wesentlich, daß die
Bezugslinie parallel zur Tabakunterlage, in diesem Fall also zum Förderband 10,
verläuft.
-
Die beiden sin-Präzisions-Potentiometer liefern also Ausgangssignale,
die jeweils ein Maß für die momentane Höhe h1 bzw. h2 des Tabakvlieses 12 darstellen,
und zwar einmal für das unbelastete Tabakvlies und zum anderen für das durch eine
definierte Belastung zusammengedrückte Tabakvlies. Diese Meßergebnisse werden in
der in Fig. 4 dargestellten Auswertschaltung weiter verarbeitet, wobei gleichzeitig
eine Synchronisation der beiden Messungen vorgenommen wird, da wesentlich ist, daß
nur die Messungen korreliert werden, die am gleichen Bereich des Tabakvlieses
12
durchgeführt wurden.
-
Der in Fig. 4 dargestellten Auswertschaitung werden die folgenden
drei Signale zugeführt: U1 (t), das Ausgangssignal des Potentiometers der ersten
Meßvorrichtung 14, das ein Maß für die Höhe h1 des unbelasteten Tabakvlieses 12
darstellt, U2 (t), das Ausgangssignal des Potentiometers der zweiten Meßvorrichtung
16, das ein Maß für die Höhe h2 des belasteten Tabakvlieses 12 darstellt, und U0
als Bezugswert, also in diesem Fall Bezugsspannung, die der Höhe h = 0 entspricht,
wenn die beiden Rollen auf dem Förderband 10 aufliegen.
-
Jeweils ein Paar dieser Spannungswerte, also U1 (t) und U0 einerseits
sowie U2 (t) und U0 andererseits werden auf eine Anpasserstufe 48 bzw. 49 gegeben,
die im wesentlichen aus einer Differenzverstärkerschaltung besteht. Die beiden Anpasserstufen
48 und 49 bilden entsprechend der Gleichung iUi(t) = K # (UO - Ui(t) die jeweiligen
Nutzsignale b U1 (t) bzw. # U2 (t).
-
Diese Nutzsignale #U1 (t) bzw. #U2 (t) stellen jeweils die ermittelten
Höhen h1 bzw. h2 des Tabakvlieses dar.
-
Die eigentliche Bestimmung der Füllkraft beruht auf einer Differenzmessung,
wobei die eine Meßgröße die Höhe h1 des unbelasteten Tabakvlieses 12 und die andere
Meßgröße die
Höhe h2 des durch eine Belastung komprimierten Tabakylieses
sind. Als Füllkraft wird hierbei die auf die Höhe des unbelasteten Vlieses bezogene
Höhendifferenz definiert entsprechend der Gleichung h1 -h2 # ( % ) = # 100 %
h1 Zur Durchführung der hierzu erforderlichen Rechenschritte werden die Nutzsignale
#U1 (t) und #U2 (t) durch Spannungs/Frequenz-Umsetzer 50 und 51 nach dem Frequenzmodulationsverfahren
in Signale gleicher Amplitude und einer Frequenz f (t) umgewandelt, die proportional
zu dem jeweiligen Nutzsignal ist. In nachgeschalteten Integratoren 52 und 53 werden
die Schwingungen dieser Signale mit den Frequenzen f1 (t) bzw. f2 (t) während einer
Meßzeit TM gezählt. Diese Meßzeit kann je nach Bedarf variiert werden.
-
Die Ausgangssignale Z1 bzw. Z2 der beiden Integratoren 52 und 53,
die in digitaler Form die jeweiligen Höhen h1 bzw. b2 darstellen, werden über einen
Multiplexer 56 und ein Interface 58 auf einen programmierbaren Rechner 60 gegeben.
-
-Die Auswertung der Signale Z1 und- Z2 und damit ihre Weitergabe
durch den Multiplexer 56 müssen synchronisiert werden, um zu gewährleisten, daß
nur die Höhen h1 und h2 ausgewertet werden, die dem gleichen Bereich des Tabakylieses
12 zugeordnet sind. Dieser Zeitversatz der Meßsignale, der darauf beruht, daß die
beiden Rollen 32 und 44 hintereinander angebracht sind, wird durch eine elektronische
zeitbasis 54 berücksichtigt. Diese Zeitbasis 54 steuert die Integration einerseits
und die Zuführung der Ergebnisse über den Multiplexer 56 zu-dem Rechner 60 andererseits.
-
Der zeitliche Ablauf ist aus Fig. 5 ersichtlich.
-
Fig. 5 zeigt den 10 Hz.-Takt der Au-swertschaltung sowie die von der
Geschwindigkeit des Tabakvlieses 12 abhängende Verzugszeit Tv zwischen den beiden
Messungen; die Verzugszeit Tv läßt sich beispielsweise in Schritten von 0,1 s unter
Berücksichtigung der Transportgeschwindigkeit des Tabakvlieses 12 einstellen.
-
Die Meßzeit TM ist wiederum ein Vielfaches der Verzugszeit Tv und
läßt sich durch Änderung des Faktors m ebenfalls einstellen.
-
Wie man in Fig. 5 erkennen kann, beginnt die Meßzeit 1 der ersten
Vorrichtung 14 zu einem bestimmten Zeitpunkt, bei dem also die Höhe h1 des unbelasteten
Bereiches des Tabakvlieses 12 ermittelt wird.
-
Nach Verstreichen der Bezugszeit Tv, von diesem Zeitpunkt an gerechnet,
hat dieser Bereich des Tabakvlieses 12 die zweite Meßvorrichtung 16 erreicht, so
daß diese die Messung der Höhe h2 des belasteten Tabakvlieses in der Meßzeit 2 beginnt.
Dabei steuert jeweils die Zeitbasis 54 den Beginn und das Ende der Messung, also
im wesentlichen die beiden Integratoren 52 und 53.
-
Der Multiplexer 56 wird ebenfalls durch die Zeitbasis 54 angesteuert
und fragt nacheinander die beiden Meßergebnisse ab, so daß sie über einen Load-Impuls
auf den Rechner 60 gegeben werden können. Diese Load-Impulse synchronisieren also
die Zuführung der beiden Meßergebnisse zu- dem Rechner.
-
Der Rechner ermittelt dann gemäß dr oben angegebenen Beziehung die
eigentliche Füllkraft und-druckt beispielsweise
das Ergebnis aus.
-
Außerdem ist es möglich, entsprechend einer Änderung der Füllfähigkeit
des Tabakvlieses auch direkt den Produktionsprozeß zu beeinflussen und beispielsweise
das Tabakeinsatzgewicht zu variieren.
-
Selbstverständlich. muß eine Eichung dieser Meßapparatur vorgenommen
werden, indem die hiermit erfaßten Meßwerte mit Meßwerten korreliert werden, die
auf andere Weise gewonnen wurden, beispielsweise mit dem bereits a.ngesprochenen
Densimeter.