AT511732A2 - Identifiable magnetic markers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schlägt eine Methode und einen Behälter 21 wie Kapseln, Pads oder Tabs für die Zubereitung von Nahrungsmittel in Extraktionsmaschinen vor, wobei die Behälter mit speziellen magnetisierbaren Markern 20 ausgestattet sind um die Behälter 21 identifizieren zu können. Es wird eine Kombination von weichmagnetischen Legierungen 203 mit charakteristischen nicht linearen magnetischen Eigenschaften und hartmagnetischen Elementen 42a vorgeschlagen.The invention proposes a method and a container 21 such as capsules, pads or tabs for the preparation of food in extraction machines, wherein the containers are equipped with special magnetizable markers 20 to identify the containers 21 can. A combination of soft magnetic alloys 203 having characteristic non-linear magnetic properties and hard magnetic elements 42a is proposed.
Description
Identifizierbare magnetische Marker B. Litzka, D. SuessIdentifiable Magnetic Markers B. Litzka, D. Suess
Die Erfindung betrifft Behälter, wie Kapseln, Pads oder Tabs für die Extraktion von Nahrungsmittel wie beispielsweise Kaffee, Tee oder Babynahrung in Extraktionsmaschinen, wobei der Behälter mindestens eine weichmagnetisches Element 203 und mindestens ein magnetisch härteres Element 42a beinhaltet welche zur Identifikation des Behälters genutzt werden. DE69210084 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Getränken mittels geschlossener Portionspackungen und Geräte zur Durchführung dieses Verfahrens. Eine Detektion oder Identifikation der Behälter wird nicht dargestellt. CA915780 beschreibt eine Methode und eine Maschine zur Detektion der Identität von Objekten in einer Prüfzone, um Diebstahl zu verhindern, indem ein ferromagnetisches Material an einem Objekt fixiert wird und dieses in einem pulsierenden Magnetfeld exponiert wird und die Detektion durch ein Frequenzband erfolgt. Eine detaillierte Analyse des, durch den Marker beeinflussten Signals zur Diskriminanz ist nicht offenbart. W09826378 beschreibt die Detektion von Banknoten, Reisepässen und ähnlichen Dokumenten mittels länglicher magnetischer Partikel mit einem Entmagnetisationsfaktor kleiner als 1/250 und einem Durchmesser kleiner als 30 Mikrometer und einem Sättigungsfeld größer als 100 A/m, wobei das, einem Magnetfeld ausgesetzte magnetische Partikel ein Signal verursacht, welches über die Analyse von Oberwellen eine Diskriminanz ermöglicht. DE102005062016 offenbart ein Verfahren zur automatischen Kontrolle von Flaschen und Pfandgut durch weichmagnetische Sensorstreifen und magnetisch halbharte Entwertersteifen.The invention relates to containers, such as capsules, pads or tabs for the extraction of food such as coffee, tea or baby food in extraction machines, wherein the container includes at least one soft magnetic element 203 and at least one magnetically harder element 42a which are used to identify the container. DE69210084 discloses a process for making beverages by means of closed sachets and apparatus for carrying out this process. A detection or identification of the container is not shown. CA915780 describes a method and a machine for detecting the identity of objects in a test zone to prevent theft by fixing a ferromagnetic material to an object and exposing it in a pulsating magnetic field and detecting it by a frequency band. A detailed analysis of the marker-influenced discriminant signal is not disclosed. W09826378 describes the detection of banknotes, passports and similar documents by means of elongated magnetic particles with a demagnetization factor smaller than 1/250 and a diameter smaller than 30 microns and a saturation field greater than 100 A / m, wherein the magnetic particle exposed to a magnetic field is a signal caused by the analysis of harmonics discriminant allows. DE102005062016 discloses a method for the automatic control of bottles and pledges by soft magnetic sensor strips and magnetic semi-hard stamping stiffeners.
I EP1515280 beschreibt eine Pfandmarkierung, ein Rücknahmegerät und eine Pfandkontrolle mittels eines ferromagnetischen Indikatorelements, welches nicht ganzheitlich bis zur Remanenz magnetisiert wird. Eine detaillierte Analyse des Signals zur Diskriminanz wird nicht offenbart. W02005044067 beschreibt die Identifikation von Behältern durch magnetische oder optische Methoden. Dabei wird für die offenbarte magnetische Methode ein rotierender Magnetfeldlesekopf vorgeschlagen. Die Information wird in hartmagnetischen Magnetbändern oder Ringen gespeichert. Die Längsrichtung des Magnetbandes ist senkrecht zur Rotationsachse des Behälters. WO2011000723, WO2011000724 sowie WO2011000725 schlagen vor, magnetische Marker, welche in Kapseln für Getränkemaschinen integriert sind, zu detektieren, indem der Marker mittels einer Sendespule durch eine Periode einer Sinusschwingung angeregt wird. Auf Grund von mindestens einemI EP1515280 describes a deposit mark, a return device and a deposit check by means of a ferromagnetic indicator element which is not magnetized holistically to remanence. A detailed analysis of the discriminant signal is not disclosed. W02005044067 describes the identification of containers by magnetic or optical methods. In this case, a rotating magnetic field reading head is proposed for the disclosed magnetic method. The information is stored in hard magnetic tapes or rings. The longitudinal direction of the magnetic tape is perpendicular to the axis of rotation of the container. WO2011000723, WO2011000724 and WO2011000725 propose to detect magnetic markers integrated in capsules for beverage machines by exciting the marker by means of a transmitting coil through a period of sinusoidal oscillation. Because of at least one
Barkhausensprung des magnetischen Markers führt der Marker zu einem Spannungspeak in der induzierten Spannung in der Detektionsspule. Um diese Veränderung der induzierten Spannung zu untersuchen, wird vorgeschlagen die Spannungs-Zeit Kurve auf Sprünge zu untersuchen. Die Position der Sprünge dient dazu um den Marker zu identifizieren. Auf Grund von Störeinflüssen, wie beispielsweise magnetischen Feldern, die ebenfalls Spannungen in der Detektionsspule induzieren, ist eine verlässliche Detektion mit dieser Methode nicht möglich, da jene Sprünge, verursacht durch den Marker, nicht von dem zufälligen Rauschen zu unterscheiden sind. Ferner werden Barkhausensprünge durch Produktionsprozesse sowie mechanische Spannungen stark beeinflusst, was eine reproduzierbare und verlässliche Detektion in der praktischen Anwendung mit Standardherstellungsprozessen verhindert. In WO2011000723, WO2011000724 sowie WO2011000725 wird beschrieben, dass die bevorzugt Länge der magnetischen Elemente zwischen 5 und 20 mm ist, besonders bevorzugt zwischen 8 und 15 mm (Seite 7, WO 2011000725). Es ist jedoch aus der Literatur bekannt, dass Barkhausensprünge nur in langen Drähten auftreten. So wird von Atalay and Bayri („Low field magnetoimpedance in FeSiB and CoSiB amorphous wire", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Seite 1365, Volume, 272 - 276, 2004) beschrieben, dass für Drähte länger als 7 cm ein Barkhausensprung auftritt. Für Drähte zwischen 4 cm und 7 cm zwei Barkhausensprünge auftreten und für Drähte unter 4 cm keine Barkhausensprünge auftreten. Somit sind diese Drähte in der bevorzugten Länge nicht geeignet um in der in WO2011000723, WO2011000724 sowie WO2011000725 beschrieben Art als magnetische Marker zu dienen, da sie in der gewünschten Länge für den Einsatz beispielsweise in Kaffeekapseln keine geeigneten Barkhausensprünge zur Identifikation zeigen.Barkhausen jump of the magnetic marker, the marker leads to a voltage peak in the induced voltage in the detection coil. In order to investigate this change in the induced voltage, it is proposed to examine the voltage-time curve for jumps. The position of the jumps serves to identify the marker. Due to disturbing influences, such as magnetic fields, which also induce voltages in the detection coil, reliable detection by this method is not possible because those jumps caused by the marker are indistinguishable from the random noise. Furthermore, Barkhausen jumps are strongly influenced by production processes and mechanical stresses, which prevents reproducible and reliable detection in practical applications with standard manufacturing processes. In WO2011000723, WO2011000724 and WO2011000725 it is described that the preferred length of the magnetic elements is between 5 and 20 mm, more preferably between 8 and 15 mm (page 7, WO 2011000725). However, it is known from the literature that Barkhausen jumps occur only in long wires. For example, Atalay and Bayri ("Low field magnetoimpedance in FeSiB and CoSiB amorphous wire", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, page 1365, Volume, 272-276, 2004) describes that for wires longer than 7 cm, a Barkhausen jump occurs. For wires between 4 cm and 7 cm two Barkhausen jumps occur and for wires under 4 cm no Barkhausen jumps occur. Thus, these wires in the preferred length are not suitable for serving as magnetic markers in the manner described in WO2011000723, WO2011000724 and WO2011000725, since they do not show suitable Barkhausen jumps for identification in the desired length for use in coffee capsules, for example.
Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es, die oben genannten Probleme der Detektion von Markern zu lösen um eine vorteilhafte, industriell herstellbare Behälter-Marker Anordnung darzustellen und eine, auf diese Behälter-Marker Anordnung optimal gestaltete und verlässliche Detektionsmethode zur Diskriminanz von Behältern, wie Kapseln, Pads oder Tabs in Extraktionsmaschinen, welche robust gegen Störeinflüsse ist und problemlos Behälter mit verschiedenen Markern, die verschiedene magnetische Eigenschaften aufweisen, unterscheiden kann, vorzuschlagen. Im speziellen werden Marker vorgeschlagen, die zur Identifikation neben mindestens einem weichmagnetischen Elementen 203 auch mindestens ein hartmagnetisches Elemente 42a beinhaltet. Durch unterschiedliche Magnetisierungen des hartmagnetischen Elements kann die Zahl der unterscheidbaren Marker drastisch erhöht werden.Object of the subject invention is to solve the above-mentioned problems of detection of markers to represent an advantageous, industrially producible container marker arrangement and a, on this container marker arrangement optimally designed and reliable detection method for discriminating containers, such as capsules, Pads or tabs in extraction machines, which is robust against interference and can easily differentiate containers with different markers that have different magnetic properties, to suggest. In particular, markers are proposed which, in addition to at least one soft magnetic element 203, also contain at least one hard magnetic element 42a for identification. By different magnetizations of the hard magnetic element, the number of distinguishable markers can be drastically increased.
Im speziellen werden die magnetischen Marker durch zeitabhängige Magnetfelder magnetisiert. Die Anwesenheit der Marker beeinflusst diese Magnetfelder. Das detektierte Magnetfeld beinhaltet Beiträge der magnetischen Marker und durch eine Analyse des detektierten Signals können die Marker identifiziert werden.In particular, the magnetic markers are magnetized by time-dependent magnetic fields. The presence of the markers influences these magnetic fields. The detected magnetic field includes contributions from the magnetic markers, and by analyzing the detected signal, the markers can be identified.
Beispielsweise können die Marker durch eine Spektralanalyse effizient analysiert werden. Im speziellen werden die Phasen und Amplituden der Oberwellen analysiert. Weiters werden in erfindungsmäßigen Ausgestaltungen Marker verwendet, welche durch die Anbringung von elektrisch leitfähigen Schichten, welche beispielsweise den Marker umschließen, von hochfrequenten, elektromagnetischen Störungen der Umgebung abgeschirmt werden, was zu einer optimierten Detektionsrate führt.For example, the markers can be efficiently analyzed by spectral analysis. In particular, the phases and amplitudes of the harmonics are analyzed. Furthermore, markers are used in inventive embodiments, which are shielded by the application of electrically conductive layers, which surround, for example, the marker of high-frequency electromagnetic interference of the environment, resulting in an optimized detection rate.
Das periodische Detektorsignal UD(t) mit der Periode T, wobei die Periode T wie folgt mit der Frequenz f und der Kreisfrequenz o> wie folgt zusammenhängt, ω = 2nf = 2π / T, kann mittels einer Fourierreihe dargestellt werden: wobei die komplexen Koeffizienten cn wie folgt aus dem Detektorsignal (Λ>(ί) bestimmt werden können:The periodic detector signal UD (t) having the period T, wherein the period T is as follows at the frequency f and the angular frequency o > ω = 2nf = 2π / T, can be represented by means of a Fourier series: where the complex coefficients cn can be determined from the detector signal (Λ> (ί) as follows:
Für die Detektion der Marker kann somit sowohl die Amplitude der Oberschwingungen als auch die Phase genutzt werden. Im speziellen kann die Phase von Oberschwingungen zu der Phase des Erregersignals für die Detektion in Beziehung gesetzt werden. Das Erregersignal kann beispielsweise in der Anregespule gemessen werden oder in der Grundfrequenz des induzierten Signals.Thus, both the amplitude of the harmonics and the phase can be used for the detection of the markers. In particular, the phase of harmonics may be related to the phase of the excitation signal for detection. The excitation signal can be measured, for example, in the excitation coil or in the fundamental frequency of the induced signal.
Wird das Detektionssignal durch einen Analog-Digitalwandler transformiert, stehen diskrete Spannungswerte zur Verfügung. In diesem Fall wird die Fourieranalyse durch die diskrete Fourier Analyse oder schnelle Fourier Analyse (FFT) ersetzt. DieIf the detection signal is transformed by an analog-to-digital converter, discrete voltage values are available. In this case, the Fourier analysis is replaced by Discrete Fourier Analysis or Fast Fourier Analysis (FFT). The
Amplitude der Oberschwingung n ist durch An = +c_J gegeben.Amplitude of the harmonic n is given by An = + c_J.
Die vorgeschlagene Methode ist nicht auf Basisvektoren von ^"'"beschränkt, sondern schlägt vor eine harmonische Analyse auf lokalkompakte, topologische Gruppen anzuwenden, wobei das Spektrum wie folgt erlangt werden kann:The proposed method is not limited to base vectors of ^ "', but proposes to apply a harmonic analysis to locally compact, topological groups, where the spectrum can be obtained as follows:
F{f):G->C F(f)^) = \f(xMx)dÄ(x)F {f): G-> C F (f) ^) = \ f (xMx) dÄ (x)
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Neben der Analyse der Oberschwingungen, kann auch direkt das detektierte Signal analysiert werden. Peaks zu verschiedenen Zeiten können zur Identifikation der Marker dienen.In addition to the analysis of the harmonics, the detected signal can also be analyzed directly. Peaks at different times can be used to identify the markers.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den folgenden Zeichnungen dargestellt und näher erläutert. Es zeigt dabeiThe invention is illustrated by means of embodiments in the following drawings and explained in more detail. It shows
Abbildung 1: μ0Η - J Kurven von 3 verschiedenen Marker MaterialienFigure 1: μ0Η - J curves of 3 different marker materials
Abbildung 2: μ0Η - J Kurven von magnetischen Marker Materialien mit BarkhausensprüngenFigure 2: μ0Η - J curves of magnetic marker materials with Barkhausen jumps
Abbildung 3: Induzierte Spannung in der Detektionsspule Abbildung 4: Spektrum für Marker Material 1 Abbildung 5: Spektrum für Marker Material 2 Abbildung 6: Spektrum für Marker Material 3 Abbildung 7: Marker mit hartmagnetischem ElementFigure 3: Induced voltage in the detection coil Figure 4: Spectrum for marker Material 1 Figure 5: Spectrum for marker Material 2 Figure 6: Spectrum for marker Material 3 Figure 7: Marker with hard magnetic element
Abbildung 8: Amplitude der 2. harmonischen Schwingung für weichmagnetisches Element ohne HartmagnetFigure 8: Amplitude of the 2nd harmonic oscillation for a soft magnetic element without a hard magnet
Abbildung 9: Amplitude der 3. harmonischen Schwingung für weichmagnetisches Element ohne HartmagnetFigure 9: Amplitude of the 3rd harmonic oscillation for a soft magnetic element without a hard magnet
Abbildung 10: Amplitude der 2. harmonischen Schwingung für weichmagnetisches Element mit HartmagnetFigure 10: Amplitude of the 2nd harmonic oscillation for soft magnetic element with hard magnet
Abbildung 11: Amplitude der 3. harmonischen Schwingung für weichmagnetisches Element mit HartmagnetFigure 11: Amplitude of the 3rd harmonic oscillation for soft magnetic element with hard magnet
Abbildung 12: Anregungssignal mit 160 Hz, wobei drei verschiedene zeitlich konstante Felder überlagert sindFigure 12: Excitation signal at 160 Hz, with three different temporally constant fields superimposed
Abbildung 13: Anregungssignal mit 160 Hz, wobei ein linear veränderliches Feld überlagert ist.Figure 13: Excitation signal at 160 Hz, with a linearly variable field superimposed.
Abbildung 14: Anregungssignal mit 160 Hz, wobei ein sinusförmiges Feld mit einer Frequenz von 16 Hz überlagert istFigure 14: Excitation signal at 160 Hz, superimposed on a sinusoidal field with a frequency of 16 Hz
Abbildung 15: Darstellung einer möglichen Anordnung eines iängsförmigen Markers in einer Kaffeekapsel an der KapselwandFigure 15: Illustration of a possible arrangement of an iängsförmigen marker in a coffee capsule on the capsule wall
Abbildung 16: Einbringung mehrerer Marker rotationssymmetrisch in eine Kapsel (beispielhafter kreisrunder oder auch länglicher Kapselquerschnitt)Figure 16: Insertion of multiple markers rotationally symmetric into a capsule (exemplary circular or elongated capsule cross-section)
Abbildung 17: Querschnitt eines Kaffeepads mit einer möglichen radialen Anordnung eines gekrümmten MarkersFigure 17: Cross-section of a coffee pad with a possible radial arrangement of a curved marker
Abbildung 18: Querschnitt eines Kaffeepads mit einer möglichen zentralen Anordnung eines längsförmigen Markers entlang oder parallel zur Drehachse des Pads.Figure 18: Cross section of a coffee pad with a possible central arrangement of a longitudinal marker along or parallel to the axis of rotation of the pad.
Abbildung 19: Darstellung der diskriminierenden Detektionsvorichtung mit einer möglichen Anordnung von Spulen, bei der eine Kaffeekapsel mit einem « * erfindungsmäßigen Marker an der Kapselwand in einer geschlossenen Druckkammer einer Extraktionsmaschine positioniert ist.Figure 19: Illustration of the discriminating detection device with a possible arrangement of coils, in which a coffee capsule with a marker according to the invention is positioned on the capsule wall in a closed pressure chamber of an extraction machine.
Ein sinusförmiges Anregefeld mit der Frequenz fi, induziert ohne der Anwesenheit eines, in oder auf einem Behälter 21 positionierten Markers 20 eine sinusförmige induzierte Spannung UD, die in der praktischen Anwendung noch durch zufälliges Rauschen überlagert ist. Aufgrund der nicht Periodizität des Rauschens, trägt das Rauschen nicht zu den Amplituden der Frequenzanalyse bei und es entsteht ein klarer Peak in der Frequenzkurve bei f,. Bei einem sinusförmigen Signal ist nur die Amplitude Ai von Null unterschiedlich.A sinusoidal excitation field of frequency fi induces, without the presence of a marker 20 positioned in or on a container 21, a sinusoidal induced voltage UD which in practice is still superimposed by random noise. Due to the non-periodicity of the noise, the noise does not contribute to the amplitudes of the frequency analysis and a clear peak in the frequency curve at f,. For a sinusoidal signal, only the amplitude Ai is different from zero.
Wird nun ein Behälter 21 mit einem Marker 20 in die Nähe der Sendespule 21 bzw. einem Magnetfeldsensor 11 der Extraktionsmaschine gebracht, wird ein weichmagnetisches Element 203 in einem Marker 20 durch das Anregefeld magnetisiert. Als Sendespule 12 bzw. Magnetfeldsensor 11 können beispielsweise Luftspulen oder auch Ferritspulen genutzt werden. Luftspulen haben den Vorteil, dass sie eine hervorragende lineare Charakteristik bezüglich der Frequenz zeigen und kostengünstige Standardelemente sind, die auch übereinen großen Feldbereich ersetzbar sind. Bei der Verwendung von Ferritspulen ist zu beachten, dass der Ferritkern eine lineare Magnetisierung als Funktion des Anregefeldes besitzt um nicht das Signal zu verfälschen.If a container 21 with a marker 20 is brought into the vicinity of the transmitting coil 21 or a magnetic field sensor 11 of the extraction machine, a magnetically soft element 203 in a marker 20 is magnetized by the exciting field. As a transmitting coil 12 and magnetic field sensor 11, for example, air coils or ferrite can be used. Air coils have the advantage of exhibiting excellent linear frequency characteristics and are low cost standard elements that are also replaceable over a large field area. When using ferrite coils, it should be noted that the ferrite core has a linear magnetization as a function of the excitation field in order not to distort the signal.
Weitere Möglichkeiten das Magnetfeld des magnetischen Markers 20 zu detektieren sind GMR „Giant magnetoresistance“ Sensoren und auch TMR „Tunnel Magnetoresistance“, sowie AMR „Anisotrope Magnetoresistance“, sowie auch CMR Sensoren „Colossal Magneto Resistance“, bei denen der elektrische Widerstand als Funktion des Magnetfeldes gemessen werden kann. Für niedrige Operationsfrequenzen ist beispielsweise auch der Einsatz von Flux-Gate Sensoren möglich.Further possibilities to detect the magnetic field of the magnetic marker 20 are GMR "Giant magnetoresistance" sensors as well as TMR "Tunnel Magnetoresistance", as well as AMR "Anisotropic Magnetoresistance", as well as CMR sensors "Colossal Magneto Resistance", where the electrical resistance as a function of the Magnetic field can be measured. For low operating frequencies, for example, the use of flux-gate sensors is possible.
Abbildung 1 zeigt die magnetische Polarisation J (T) verschiedener Marker-Materialien 203 als Funktion des externen Feldes μ0Η (mT). In Abbildung 1 sind drei verschiedene Materialien dargestellt, wobei Material 3 die höchste Suszeptibilität aufweist. Die Suszeptibilität von Material 2 ist um einen Faktor 3 geringer. Die geringste Suszeptibilität weist Material 1 auf. Alle gezeigten Materialien zeigen eine stetige J - μ0Η Kurve. Das heißt, es treten keine signifikanten Sprünge in der 6 ♦ *«· · *·* ♦ ·Figure 1 shows the magnetic polarization J (T) of various marker materials 203 as a function of the external field μ0Η (mT). Figure 1 shows three different materials, with material 3 showing the highest susceptibility. The susceptibility of material 2 is lower by a factor of 3. The lowest susceptibility has material 1. All materials shown show a steady J - μ0Η curve. This means that there are no significant jumps in the 6 ♦ * «· · * · * ♦ ·
Magnetisierung bei einem bestimmten Feldwert auf. Im speziellen wird eine J - μ0Η Kurve als stetig bezeichnet, wenn die Magnetisierung als Funktion des externen Feldes, für keinen Feldwert eine Suszeptibilität aufweist die größer als 1x107 ist. Im Gegensatz zu stetigen J - μ0Η Kurven, wo keine Barkhausensprünge auftreten, sind in Abbildung 2 typische J - μ0Η Kurve gezeigt, die Barkhausensprünge aufweisen. Abbildung 2 (Marker Material 6) zeigt eine J - μ0Η Kurve mit einem Barkhausensprung von einem FeSiB Draht mit einer Länge von 10 cm und einem Durchmesser von 0.125 mm. Abbildung 2 (Marker Material 7) zeigt eine typische J -μ0Η Kurve, wenn zwei Drähte mit Barkhausensprüngen, in einem nahen Abstand zueinander gebracht werden, Auf Grund der Streufeldwechselwirkung entsteht die gezeigte Form der J - μ0Η Kurve.Magnetization at a given field value. Specifically, a J - μ0Η curve is said to be continuous if the magnetization as a function of the external field has no susceptibility greater than 1x107 for any field value. In contrast to continuous J - μ0Η curves, where no Barkhausen jumps occur, Figure 2 shows typical J - μ0Η curves that show Barkhausen jumps. Figure 2 (Marker Material 6) shows a J - μ0Η curve with a Barkhausen jump from a FeSiB wire with a length of 10 cm and a diameter of 0.125 mm. Figure 2 (Marker Material 7) shows a typical J-μ0Η curve when two wires with Barkhausen jumps are brought close together. Due to the stray field interaction, the shown shape of the J - μ0Η curve arises.
Wird ein Behälter 21 mit einem Marker 20 mit einer geringen Suszeptibilität vom weichmagnetischen Material 203 in das Sendefeld der Extraktionsmaschine gebracht, wie beispielsweise Material 3, wird dieses Material nicht durch das Sendefeld gesättigt. Das heißt, das Sendefeld wird durch den Marker 20 linear verstärkt, Dieses Feld kann durch die Detektionsspule 11 detektiert werden und ist auf Grund des linearen J(B) Zusammenhang weiterhin sinusförmig, wie in Abbildung 3 zu sehen ist. Diese weiterhin sinusförmige Form der Spannungs-Zeit Kurve kann auch im Frequenzspektrum gesehen werden, da nur ein Peak bei der Grundfrequenz zu sehen ist ( Abbildung 4 ).If a container 21 is brought with a marker 20 with a low susceptibility of the soft magnetic material 203 in the transmission field of the extraction machine, such as material 3, this material is not saturated by the transmission field. That is, the transmission field is linearly amplified by the marker 20. This field can be detected by the detection coil 11 and is still sinusoidal due to the linear J (B) relationship, as shown in Figure 3. This continued sinusoidal shape of the voltage-time curve can also be seen in the frequency spectrum, since only one peak at the fundamental frequency can be seen (Figure 4).
Wird hingegen ein magnetisches Material mit hoher Suszeptibilität in die Nähe der Sendespule 12 der Extraktionsmaschine gebracht kann das Sendefeld, das Material sättigen. Voraussetzung ist, dass das Sendefeld am Ort des Markers 20 ein Feld erzeugt, das das weichmagnetische Element 203 in den nicht linearen Teil der J - μοΗ treibt. Dies ist jedenfalls gewährleistet, wenn das Anregefeld größer als das Sättigungsfeld Bs ist. In Abbildung 1 ist das Sättigungsfeld ßsals das Feld definiert, bei dem sich die Suszeptibilität für Felder H >HC des magnetischen Markers 20 um mindestens einen Faktor 10 ändert.If, on the other hand, a magnetic material with high susceptibility is brought into the vicinity of the transmitting coil 12 of the extraction machine, the transmission field can saturate the material. The prerequisite is that the transmission field at the location of the marker 20 generates a field which drives the soft-magnetic element 203 into the non-linear part of the J-μοΗ. This is guaranteed in any case if the excitation field is greater than the saturation field Bs. In Figure 1, the saturation field βs is defined as the field at which the susceptibility to fields H> HC of the magnetic marker 20 changes by at least a factor of 10.
Dadurch wird, solange das Anregefeld kleiner als Bs ist, dieses Feld signifikant verstärkt. Ist das weichmagnetische Element 203 hingegen schon gesättigt, wird dadurch das Anregefeld nicht mehr verändert. Dies führt in der Folge zu einer Veränderung der Form der induzierten Spannungs-Zeit Kurve wie in Abbildung 3 zu sehen ist. Diese veränderte Spannungs-Zeit Kurve führt zu der Ausbildung von 7As a result, as long as the excitation field is smaller than Bs, this field is significantly enhanced. On the other hand, if the soft-magnetic element 203 is already saturated, the excitation field is no longer changed thereby. This leads to a change in the shape of the induced voltage-time curve as shown in Figure 3. This changed voltage-time curve leads to the formation of 7
• «I• «I
Oberschwingungen, die durch Peaks bei vielfachen der Grundfrequenz im Frequenzspektrum erfindungsmäßig klar zu identifizieren sind, wie in Abbildung 5 zu sehen ist. Die Amplituden von An werden nun auch von Null unterschiedlich für n> 1, wie in Abbildung 5 und Abbildung 6 zu sehen ist.Harmonics that can be clearly identified by peaks at multiples of the fundamental frequency in the frequency spectrum, as shown in Figure 5. The amplitudes of An are now also different from zero for n > 1, as shown in Figure 5 and Figure 6.
In Abbildung 4, Abbildung 5 und Abbildung 6 wurde ein Marker Material mit einem zu vernachlässigendem Koerzitivfeld verwendet. Wird ein weichmagnetisches Marker Material 203 mit einem Koerzitivfeld Hc verwendet, führt dies zu einer Phasenverschiebung zwischen dem Detektionssignal und dem Anregesignal. Diese Phasenverschiebung hängt direkt mit dem Koerzitivfeld zusammen. Somit können magnetische Marker Materialien mit unterschiedlichen Koerzitivfeldem unter anderem durch die Phasenverschiebung unterschieden werden. Unterschiedliche Koerzitivfelder können durch verschiedene Legierungen realisiert werden. Magnetische Marker mit unterschiedlichen Barkhausensprünge zeigen beispielsweise auch unterschiedliche Koerzitivfelder.In Figure 4, Figure 5 and Figure 6, a marker material with a negligible coercive field was used. Using a soft magnetic marker material 203 with a coercive field Hc results in a phase shift between the detection signal and the excitation signal. This phase shift is directly related to the coercive field. Thus, magnetic marker materials with different coercive fields can be distinguished, inter alia, by the phase shift. Different coercive fields can be realized by different alloys. Magnetic markers with different Barkhausen jumps, for example, also show different coercive fields.
Zur Messung und Detektion von Behältern 21 können daher sowohl die Amplituden der Oberschwingungen als auch die Phasen der Oberschwingungen für die Unterscheidung verschiedener Marker Materialien verwendet werden.For the measurement and detection of containers 21, therefore, both the amplitudes of the harmonics and the phases of the harmonics can be used for the differentiation of different marker materials.
Das Sättigungsfeld der magnetischen Polarisation in Abbildung 1 ist nicht nur durch die intrinsischen Eigenschaften der magnetischen Legierung des Markers 20 bestimmt. Die Geometrie des Markers 20 beeinflusst wesentlich das benötigte Feld um die Probe zu sättigen. Das Feld //ö//vum eine Probe zu sättigen lässt sich bestimmen aus, aA - aA, + -λ·/,, wobei MA *das intrinsische Sättigungsfeld ist, das durch die weichmagnetische Eigenschaft des Marker Materials gegeben ist. Dieses Feld kann in einem geschlossenen Kreis, beispielsweise einer Ringprobe, bestimmt werden, wo keine Entmagnetisierung der Probe durch die Enden der Probe stattfindet. In diesen geschlossenen Kreisen kann auch die intrinsische Suszeptibilität bestimmt werden.The saturation field of the magnetic polarization in Figure 1 is determined not only by the intrinsic properties of the magnetic alloy of the marker 20. The geometry of the marker 20 substantially affects the field needed to saturate the sample. The field to saturate a sample can be determined, aA - aA, + -λ · /, where MA * is the intrinsic saturation field given by the soft magnetic property of the marker material. This field can be determined in a closed loop, for example a ring sample, where there is no demagnetization of the sample by the ends of the sample. In these closed circles, the intrinsic susceptibility can also be determined.
Bei nicht geschlossenen Magnetkreisen wird das Sättigungsfeld durch dasFor non-closed magnetic circuits, the saturation field is determined by the
Entmagnetisierungsfeld α,Α, = A erhöht, wobei N der Entmagnetisierungsfaktor ist, der nur von der Markergeometrie abhängt. In Tabelle 1 ist der 8Demagnetization field α, Α, = A increases, where N is the demagnetization factor, which depends only on the marker geometry. In Table 1, the 8th
Entmagnetisierungsfaktor für ein weichmagnetisches Element 203 als Funktion der Länge angegeben.Demagnetization factor for a soft magnetic element 203 indicated as a function of the length.
Tabelle Λ-.Entmagnetisierungsfaktor N für ein weichmagnetisches Element 203 mit den Dimensionen 0.3 cm x 0.005 cm und einer variablen Länge L in cm. L (cm) j Entmagnetisierungsfaktor N | I 4 I 1 0.0021 1 ... ...1 |3 0.0027 j ! 2 0.0041 1 0.008 | 0.5 i_ [ 0.015 1 j_iTable Λ-demagnetization factor N for a soft-magnetic element 203 with the dimensions 0.3 cm x 0.005 cm and a variable length L in cm. L (cm) j Demagnetization factor N | I 4 I 1 0.0021 1 ... ... 1 | 3 0.0027 j! 2 0.0041 1 0.008 | 0.5 i_ [0.015 1 j_i
Umso länger das weichmagnetisches Element 203 ist, umso geringer ist der Entmagnetisierungsfaktor und das weichmagnetisches Element 203 kann durch kleine Anregefelder gesättigt werden, was für die gegenständliche Methode bevorzugt ist.The longer the soft magnetic element 203 is, the lower the demagnetization factor and the soft magnetic element 203 can be saturated by small Anrepfelder, which is preferred for the subject method.
Neben der intrinsischen Suszeptibilität kann auch die Geometrie, wie die Länge des weichmagnetischen Elements 203 zur Unterscheidung verschiedener Marker 20 und Behälter 21 eingesetzt werden. So ist das magnetische Material von Marker 2 und Marker 3 ident. Lediglich die Länge der Marker 20 ist unterschiedlich. Wird die Länge beispielsweise von 1 cm auf 3 cm erhöht, reduziert sich der Entmagnetisierungsfaktor um einen Faktor von 2.9. Dies entspricht dem Unterschied von Marker 2 und Marker 3.In addition to the intrinsic susceptibility, the geometry, such as the length of the soft magnetic element 203, can be used to distinguish between different markers 20 and containers 21. Thus, the magnetic material of Marker 2 and Marker 3 is identical. Only the length of the markers 20 is different. For example, increasing the length from 1 cm to 3 cm reduces the demagnetization factor by a factor of 2.9. This corresponds to the difference between marker 2 and marker 3.
In Abbildung 7 ist ein magnetischer Marker 20 gezeigt, der neben dem weichmagnetischen Elements 203 auch einen Hartmagnet oder einen semi-Hartmagnet 42a beinhaltet. Dieser Magnet 42a soll ein genügend großes Koerzitivfeld aufweisen, sodass die Remanenz des Magneten sich über einige Jahre kaum ändert. Das Element 42a kann in verschiedene Richtungen und mit verschiedenen Stärken magnetisiert werden. Beispielsweise kann 42a die folgenden Magnetisierungswerte in Längsrichtung annehmen. M-2 = -Mr, M-i = - 1 /2 Mr, M0 = o, Mi = 1 / 2 Mr, M2 = Mr., wobei Mr die Remanenz bezeichnet, wenn das Element 42a zuvor gesättigt wurde. Je nachdem in welchen Zustand das Element 42 a ist, sendet das weichmagnetische Element 20 unterschiedliche Antworten auf externe Felder 9 aus. Werden beispielsweise 7 unterschiedliche weichmagnetische Elemente verwendet die neben dem oben beschriebenen Hartmagneten angebracht sind, welche 5 Einstellungen der Magnetiesierung erlauben, können in Summe 35 verschiedene Marker unterschieden werden.In Figure 7, a magnetic marker 20 is shown, which in addition to the soft magnetic element 203 also includes a hard magnet or a semi-hard magnet 42a. This magnet 42a should have a sufficiently large coercive field, so that the remanence of the magnet hardly changes over a few years. The element 42a can be magnetized in different directions and with different strengths. For example, 42a may take the following magnetization values in the longitudinal direction. M-2 = -Mr, M-i = -1 / 2 Mr, M0 = o, Mi = 1/2 Mr, M2 = Mr., where Mr denotes the remanence when the element 42a has previously been saturated. Depending on the state in which the element 42 a is, the soft magnetic element 20 sends out different responses to external fields 9. If, for example, 7 different soft magnetic elements are used which are mounted next to the hard magnet described above, which allow 5 magnetization settings, a total of 35 different markers can be distinguished.
Diese hartmagnetischen oder semihartmagnetischen Marker Materialien können auch verwendet werden, um nach Gebrauch des Behälters 21 den magnetischen Zustand des Markers 20 durch Anlegen eines Magnetfeldes zu ändern. Das hartmagnetische Element kann beispielsweise entmagnetisiert werden, was einen bereits verwendeten Marker markiert. Ebenso kann natürlich ein Marker nach Verwendung in einen beliebigen anderen magnetisierten Zustand gebracht werden, der charakteristisch für verwendete Marker ist. Somit, ändert sich wieder das harmonische Spektrum und es kann detektiert werden, ob der Marker 20 bereits in der Maschine verwendet wurde. Somit kann vermieden werden, dass Marker 20 aus den Behältern 21 entfernt werden und in andere Behälter 21 angebracht wurden.These hard magnetic or semi-hard magnetic marker materials may also be used to change the magnetic state of the marker 20 after applying the container 21 by applying a magnetic field. For example, the hard magnetic element may be demagnetized, marking a marker already in use. Likewise, of course, a label can be placed in any other magnetized state after use which is characteristic of markers used. Thus, the harmonic spectrum changes again and it can be detected whether the marker 20 has already been used in the machine. Thus, it can be avoided that markers 20 are removed from the containers 21 and placed in other containers 21.
Es ist auch möglich für magnetische Marker 20 hartmagnetische oder semihartmagnetische Materialien 42a zu verwenden die eine Curietemperatur in jenem Temperaturbereich besitzen, die beim Einsatz in Extraktionsmaschinen während des Brühvorganges erreicht wird. Dadurch ändert sich das Streufeld des hartmagnetischen Sensor Materials irreversibel, wenn diese kritische Temperatur einmal überschritten wurde. Als Folge ändert sich das harmonische Spektrum des weichmagnetischen Marker Materials durch das Streufeld des Hartmagneten. Anstatt Sensor Materialien mit einer Curietemperatur können auch Materialien mit einem Phasen Übergang erster Ordnung verwendet werden, wie beispielsweise magnetokalorische Materialien oder Shape-Memory Legierungen.It is also possible for magnetic markers 20 to use hard magnetic or semi-hard magnetic materials 42a having a Curie temperature in the temperature range achieved during use in extraction machines during the brewing process. As a result, the stray field of the hard magnetic material sensor changes irreversibly when this critical temperature has been exceeded once. As a result, the harmonic spectrum of the soft magnetic marker material changes by the stray field of the hard magnet. Instead of using materials with a Curie temperature, materials with a first-order phase transition may also be used, such as magnetocaloric materials or shape-memory alloys.
In Abbildung 8 sind die zweiten harmonischen Amplituden A2 von zwei verschiedenen weichmagnetischen Elements 203 als Funktion eines angelegten Magnetfeldes gegeben. Ein zusätzliches hartmagnetisches Element 42a ist in einem entmagnetisierten Zustand. Wenn kein zusätzliches statisches Magnetfeld angelegt ist (Biasfeld = 0), sind die positiven induzierten Spannungen in der Empfangsspule gleich gross wie die negativen induzierten Spannungen. Daraus folgt, dass die zweite harmonische Amplitude bei Biasfeld = 0 ebenfalls Null ist. Nun kann bei Biasfeld = 0 die dritte harmonische Schwingung analysiert werden um das Material VC7600F-14 von VC7600F-13 zu unterscheiden, wie in Abbildung 9 zu sehen ist. 10In Figure 8, the second harmonic amplitudes A2 of two different soft magnetic elements 203 are given as a function of an applied magnetic field. An additional hard magnetic element 42a is in a demagnetized state. If no additional static magnetic field is applied (bias field = 0), the positive induced voltages in the receiver coil are the same as the negative induced voltages. It follows that the second harmonic amplitude at bias field = 0 is also zero. Now, at bias field = 0, the third harmonic wave can be analyzed to distinguish the material VC7600F-14 from VC7600F-13, as shown in Figure 9. 10
Wird hingegen ein Marker verwendet bei dem hartmagnetisches Element 42a magnetisiert ist, kann der Magnetisierungzustand des Elements 42a detektiert werden, indem ein angelegtes Biasfeld durchgestimmt (Biasscan) wird und das Minimum der zweiten harmonischen Amplitude bestimmt wird. Aus dem Biasscan Abbildung 10 kann das Feld bestimmt werden, das von Element 42a auf das weichmagnetische Element wirkt. In dem gezeigten Fall ist das Feld 1 mT. Verschiedene Magnetisierungszustände von 42a können dadurch detektiert werden. Wird nun bei Biasfeld = 1 mT die dritte harmonische Schwingung analysiert, kann wieder das Material VC7600F-14 von VC7600F-13 unterschieden werden, wie in Abbildung 11 gezeigt ist.On the other hand, when a marker is used in which the hard magnetic element 42a is magnetized, the magnetization state of the element 42a can be detected by biassing an applied bias field and determining the minimum of the second harmonic amplitude. From the Biasscan Figure 10, the field acting on the soft magnetic element from element 42a can be determined. In the case shown, the field is 1 mT. Different magnetization states of 42a can be detected thereby. If the third harmonic oscillation is now analyzed at bias field = 1 mT, the material VC7600F-14 can again be distinguished from VC7600F-13, as shown in Figure 11.
Abbildung 12, Abbildung 13 und Abbildung 14 zeigen drei Beispiele für einen Biasscan. Abbildung 12 zeigt ein Anregungssignal mit 160 Hz, wobei jeweils nach 33 ms die Amplitude eines zusätzlich angelegten konstanten Feldes verändert wird. Abbildung 13 zeigt ein Anregungssignal mit 160 Hz, wobei ein linear veränderliches Feld überlagert ist. Ein linear überlagertes Feld wurde verwendet um die Biasscans von Abbildung 8 bis Abbildung 11 zu realisieren.Figure 12, Figure 13 and Figure 14 show three examples of a biass scan. Figure 12 shows an excitation signal at 160 Hz, whereby the amplitude of an additionally applied constant field is changed in each case after 33 ms. Figure 13 shows an excitation signal at 160 Hz, with a linearly variable field superimposed. A linearly superimposed field was used to realize the bias scans from Figure 8 to Figure 11.
Abbildung 14 zeigtein Anregungssignal mit 160 Hz, wobei ein sinusförmiges Feld mit einer Frequenz von 16 Hz überlagert ist.Figure 14 shows a 160 Hz excitation signal superimposed on a 16 Hz sinusoidal field.
Die Verwendung von weichmagnetischen und hartmagnetischen Elementen ist nicht auf die Untersuchung der Signale mittels harmonischen Schwingungen beschränkt. Im Prinzip kann direkt die Spannungs-Zeit Kurve (Abbildung 3) detektiert und analysiert werden. Verschiebungen der Spannungs-Zeit Kurven zu positiven oder negativen Spannungen lassen wieder auf den Magnetisierungszustand von 42a schließen. Es wird betont, dass jedoch die Untersuchung mittels harmonischer Schwingungen bevorzugt ist, da Rauscheinflüsse effizient minimiert werden.The use of soft magnetic and hard magnetic elements is not limited to the examination of the signals by means of harmonic oscillations. In principle, the voltage-time curve (Figure 3) can be detected and analyzed directly. Displacements of the voltage-time curves to positive or negative voltages again indicate the magnetization state of 42a. It is emphasized, however, that harmonic vibration testing is preferred because noise is efficiently minimized.
Als weichmagnetisches Element 203 können auch magnetische Materialien verwendet werden, die mindestens einen Barkhausensprung zeigen. Bei Anlegen eines Wechselfeldes, induzieren dieser Marker Sprünge in der Spannungs-Zeitkurve. Material 6 von Abbildung 2 zeigt beispielsweise einen Sprung bei 0.008 T. Materialien die bei verschiedenen Feldern Sprünge zeigen, können verwendet werden um verschiedene weichmagnetische Elemente (203) zu unterscheiden. Zusätzlich können wie oben beschrieben hartmagnetische Elemente neben dem weichmagnetischen Element angebracht werden um die Anzahl der unterscheidbaren Marker zu erhöhen.As the soft magnetic element 203, magnetic materials that show at least one Barkhausen jump can also be used. When an alternating field is applied, these markers induce jumps in the voltage-time curve. For example, material 6 of Figure 2 shows a jump at 0.008 T. Materials that show cracks at different fields can be used to distinguish different soft magnetic elements (203). In addition, as described above, hard magnetic elements may be disposed adjacent to the soft magnetic element to increase the number of distinguishable markers.
Zur Unterscheidung verschiedener Marker 20 können verschiedene Messungen mit unterschiedlichen Amplituden der Wechselfelder und auch mit unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt werden. Da die Suszeptibilität von der Frequenz abhängt, zeigen Marker 20 bei verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Spektren der Oberwellen. Dies erzeugt zusätzliche Information um unterschiedliche Marker 20 zu unterscheiden.In order to distinguish between different markers 20, different measurements with different amplitudes of the alternating fields and also with different frequencies can be carried out. Since the susceptibility depends on the frequency, markers 20 at different frequencies show different spectra of the harmonics. This generates additional information to distinguish different markers 20.
Weiters wird zusätzliche Information zur Unterscheidung von Marker 20 erreicht, wenn beispielsweise in den Behälter 21 für die Extraktion von Nahrungsmittel 22 zwei Marker 20 mit unterschiedlichen Sättigungsfeldern (Bs.i und B5i2) angebracht werden. Wenn Bs1< Bs2 kann durch zwei Messungen mit verschiedener Amplitude des Wechselfeldes, zusätzliche Information extrahiert werden. Wird zuerst eine Messung durchgeführt mit Anregefelder Ba mit der maximalen Amplitude Bs.i< Ba< Bs 2 so wird der Marker 1 in Sättigung getrieben jedoch wird Marker 2 nicht gesättigt. Somit werden die gemessenen Oberwellen primär von Marker 1 generiert. Marker 2 hat einen geringen Einfluss auf das gemessene Oberwellen Spektrum, da dieser im linearen Bereich der ΒΉ Kurve betrieben wird.Further, additional information for discriminating Marker 20 is obtained when, for example, two markers 20 having different saturation fields (Bs.i and B5i2) are placed in the food extraction container 21. If Bs1 < Bs2 can be extracted by two measurements with different amplitude of the alternating field, additional information. First, a measurement is made with the stimulus field Ba having the maximum amplitude Bs.i < Ba < Bs 2 so the marker 1 is driven into saturation but marker 2 is not saturated. Thus, the measured harmonics are primarily generated by marker 1. Marker 2 has little influence on the measured harmonic spectrum, since it is operated in the linear range of the ΒΉ curve.
Wird hingegen ein Feld angelegt mit Ba> Bs2wird sowohl Marker 1 als auch Marker 2 gesättigt und das summierte Oberwellen Spektrum beider Marker 20 gemessen. Beispielsweise können die beiden Oberwellenspektren subtrahiert werden um eine Näherung des Oberwellenspektrums von Marker 2 zu erhalten.If, however, a field is applied with Ba > Bs2 saturates both marker 1 and marker 2, and the summed harmonic spectrum of both markers 20 is measured. For example, the two harmonic spectra can be subtracted to obtain an approximation of the marker 2 harmonic spectrum.
Diese beiden Messungen können erfindungsgemäß verwendet werden um die Anzahl der unterscheidbaren Marker 20 zu erhöhen.These two measurements can be used according to the invention to increase the number of distinguishable markers 20.
Um hochfrequente Störeinflüsse zu minimieren ist es in einer gewählten, erfindungsgemäßen Anordnung Vorteilhaft den magnetischen Marker 20 als auch den Magnetfeldsensor 11, beispielsweise die Detektionsspule, in einen Faraday-Käfig einzubringen. Dieser Faraday Käfig kann so gestaltet werden, dass er als Tiefpassfilter wirkt und für das Messsignal durchgängig ist, jedoch nicht für hochfrequente Störeinflüsse durchgängig ist. Hochfrequente Störeinflüsse können beispielsweise von elektrischen Geräten in der Umgebung, wie Monitore, Funksender oder Leuchtstoffröhren verursacht werden und entweder direkt in der Detektionseinheit, wie der Spule, ein Störsignal generieren oder den magnetischen « * 4 • · • · * ·In order to minimize high-frequency interference, it is advantageous in a selected arrangement according to the invention to introduce the magnetic marker 20 as well as the magnetic field sensor 11, for example the detection coil, into a Faraday cage. This Faraday cage can be designed to act as a low-pass filter and is continuous for the measurement signal, but is not consistent with high-frequency interference. High-frequency interferences can be caused, for example, by electrical devices in the environment, such as monitors, radio transmitters or fluorescent tubes, and either generate a noise signal directly in the detection unit, such as the coil, or cause the magnetic field to become "magnetic".
Marker 20 im Behälter 21 magnetisieren und indirekt zu einem Störsignal und somit zu einer Fehlmessung führen.Marker 20 magnetize in the container 21 and indirectly lead to an interference signal and thus to a false measurement.
Ein Faraday-Käfig kann beispielsweise durch eine elektrisch leitende Hülle des Markers 20 erreicht werden. Die Hülle kann in unmittelbarem Kontakt zu dem Marker angebracht sein oder den Marker 20 direkt ummanteln. Vorteilhaft ist es die Hülle des Behälters 21 selbst aus einem elektrisch leitenden Material zu fertigen.A Faraday cage can be achieved for example by an electrically conductive sheath of the marker 20. The sheath may be placed in direct contact with the marker or directly encase the marker 20. It is advantageous to manufacture the shell of the container 21 itself from an electrically conductive material.
Die Eindringtiefe von elektro-magnetischen Feldern in Leitern kann durch den Skin Effekt beschrieben werden. So, nimmt beispielsweise das Magnetfeld Hf im Inneren eines leidenden Zylinders wie folgt mit dem Abstand r von der Oberfläche ab, /'//; ('-) = H0 exp(-i- / S) V./w'The penetration depth of electro-magnetic fields in conductors can be described by the skin effect. Thus, for example, the magnetic field Hf inside a suffering cylinder decreases with the distance r from the surface, as follows; ('-) = H0 exp (-i- / S) V./w'
Wobei hier H0 das angelegte homogene Magnetfeld bezeichnet, welches eine Frequenz f besitzt. Der spezifische Widerstand des Leiters ist Pund die relative Permeabilität ist M. Für einen nichtmagnetischen Leiter wie Aluminium oder Kupfer gilt μ = \. Im folgendem wird beispielsweise die abschirmende Wirkung von hochfrequenten Wechselfeldern durch einen Aluminiumzylinder mit der Wandstärke von 0.1mm und p = 2.82χ 10“KQm gezeigt.H0 here denotes the applied homogeneous magnetic field which has a frequency f. The resistivity of the conductor is P and the relative permeability is M. For a non-magnetic conductor such as aluminum or copper μ = \. In the following example, the shielding effect of high-frequency alternating fields is shown by an aluminum cylinder with the wall thickness of 0.1mm and p = 2.82χ 10 "KQm.
Auf Grund des Skin Effekts sind die Frequenzen die beispielsweise in eine Aluminiumkapsel eindringen können auf Frequenzen im niedrigen kHz Bereich limitiert. Dies macht die Verwendung von RFID (Radio Frequency Identification) Tags, die für günstige Transponder im MHz bis GhZ Bereich (e.g 13.56 MHz, 915 MHz and 2.45 GHz) arbeiten, für eine kostengünstige Identifikation unmöglich.Due to the skin effect, the frequencies that can penetrate into an aluminum capsule, for example, are limited to frequencies in the low kHz range. This makes the use of RFID (Radio Frequency Identification) tags, which work for cheap transponders in the MHz to GhZ range (e.g 13.56 MHz, 915 MHz and 2.45 GHz) impossible for cost-effective identification.
Tabelle 2:Verhältnis H/H0 als Funktion der Frequenz für eine Aluminiumwandstärke von 0.1 mm. | f(Hz) Η,/Ηο | 512 0.97 [Ti ooo 0.88 22000 0.83Table 2: Ratio H / H0 as a function of frequency for an aluminum wall thickness of 0.1 mm. | f (Hz) Η, / Ηο | 512 0.97 [Ti ooo 0.88 22000 0.83
Im Folgenden werden experimentelle, erfindungsmäßige Anwendungsbeispiele gebracht, wo ein magnetischer Marker 20 in zwei verschiedene Hüllen 21 eingebracht ist. Die erste Hülle hat eine Wandstärke von 0.1 mm und ist aus Aluminium gefertigt. Die zweite Hülle ist aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff gefertigt. Tabelle 3 zeigt hintereinander durchgeführte Messungen der der Amplitude A3 bei zwei verschiedenen Frequenzen. Es zeigt sich, dass A3.11000 (Messwert bei f=11000 Herz) bei der Aluminiumhülle um einen Faktor 2 kleiner ist, als für die Kunststoffhülle. Somit werden Messsignale in diesem Frequenzbereich durch die Aluminiumhülle näherungsweise mit einem Faktor 2 abgeschwächt.In the following, experimental, inventive application examples are brought where a magnetic marker 20 is introduced into two different sheaths 21. The first shell has a wall thickness of 0.1 mm and is made of aluminum. The second shell is made of an electrically non-conductive plastic. Table 3 shows successive measurements of the amplitude A3 at two different frequencies. It turns out that A3.11000 (measured value at f = 11000 heart) is a factor of 2 smaller for the aluminum casing than for the plastic casing. Thus, measurement signals in this frequency range are attenuated by the aluminum shell approximately by a factor of 2.
Unabhängig von der abschirmenden Wirkung leitender Markerhüllen, kann durch Messungen des Oberwellenspektrums bei verschiedenen Frequenzen auf die Leitfähigkeit des Hüllenmaterials geschlossen werden. Beispielsweise zeigen Messungen bei niedrigen Frequenzen (f = 513 Hz) unabhängig von Kunststoffhülle oder Aluminiumhülle eine annähernd konstante Stärke der zweiten ungeraden harmonischen Schwingung von Α?,?ι3 (Αχ.,^,λΙιιΙ]ΙΙΙίηιαι = 8e-3 j ^3.5 LVKimsisiofl' 7.8 e-3), da Felder in diesem Frequenzbereich kaum abgeschwächt werden.Regardless of the shielding effect of conductive marker shells, the conductivity of the sheath material can be deduced by measurements of the harmonic spectrum at different frequencies. For example, measurements at low frequencies (f = 513 Hz), regardless of plastic sheath or aluminum sheath, show an approximately constant magnitude of the second odd harmonic oscillation of Α?,? Ι3 (Αχ., ^, ΛΙιιΙ] ΙΙΙίηιαι = 8e-3 j ^ 3.5 LVKimsisiofl ' 7.8 e-3), since fields in this frequency range are hardly attenuated.
Wird hingegen die Frequenz auf f=11000 Hz erhöht werden die hochfrequenten Felder durch die Aluminiumhülle abgeschirmt aber nicht so von der Kunststoffhülle. Die Stärke der dritten harmonischen Schwingung ist dadurch in der Aluminiumhülie deutlich kleiner als in der Kunststoffhülle (A311000.Aluminium = 3.89e-4, A3..513Kunststoff- 7.4 e-4). Somit kann unterschieden werden ob beispielsweise ein magnetischer Marker 20 in einer Aluminiumhülle oder in einer Kunststoffhülle eingebracht ist. Diese erfindungsmäßige Unterscheidung ist praktisch nutzbar, um beispielsweise Kaffeekapseln 21 mit Undefinierten oder auch unbekannten Inhalten 22 zu identifizieren um in Folge Fehlsteuerungen der Zubereitungsparameter 24 der Extraktionsmaschine 23 zu vermeiden.If, however, the frequency is increased to f = 11000 Hz, the high-frequency fields are shielded by the aluminum shell but not so by the plastic shell. The strength of the third harmonic oscillation is thus significantly smaller in the aluminum sleeve than in the plastic sleeve (A311000.Aluminium = 3.89e-4, A3..513Plastic- 7.4 e-4). Thus it can be distinguished whether, for example, a magnetic marker 20 is incorporated in an aluminum shell or in a plastic sheath. This distinction according to the invention can be used in practice, for example, to identify coffee capsules 21 with undefined or also unknown contents 22 in order to avoid erroneous controls of the preparation parameters 24 of the extraction machine 23.
Tabelle Z:Verhältnisse der dritten harmonischen Amplituden bei zwei verschiedenen Frequenzen. A3luooo bezeichnet die dritte harmonische Amplitude für die Anrege frequenz f = 11000 Hz und A 3.513 für f= 513 Hz. 14 m φ φ · ·»··»«·· * * * • » · II · *♦ * » • «* * · * * * · 4 • * * » · » ·*· f(Hz) A3.I | ()(H)/Λ.1 J 1 (Hin Aluminium 0.048 Kunststoff 0.95 Für die weichmagnetischen Elemente 203 sind Materialien bevorzugt die ein Koerzitivfeld kleiner als 5 Militesla aufweisen, was durch eine Vielzahl amorpher Legierungen realisiert werden kann.Table Z: Ratios of third harmonic amplitudes at two different frequencies. A3luooo denotes the third harmonic amplitude for the excitation frequency f = 11000 Hz and A 3.513 for f = 513 Hz. 14 m φ φ · · »·················································································. * * * * * * * 4 • * * »·» · * · f (Hz) A3.I | () (H) /Λ.1 J 1 (Hin Aluminum 0.048 Plastic 0.95 For the soft magnetic elements 203, materials are preferred that have a coercive field smaller than 5 militesla, which can be realized by a large number of amorphous alloys.
Legierungszusammensetzungen können beispielsweise aus CoaNibFecSidBe bestehen, wobei der Boranteil kleiner als 20 Atomprozent ist.For example, alloy compositions may consist of CoaNibFecSidBe with the boron content less than 20 atomic percent.
Weitere Zusammensetzungen können aus CoaFeöMocSidBe sein. Andere Ausprägungen können durch Legierungen von CoaFecSidBe, FeaCUbNbcSidBe, erzielt werden. Es sind auch Co freie Legierungen möglich wie beispielsweise FeaNibSicBd. So können beispielsweise mit 20 < a < 30, 40 < b < 70, 0 < c < 5, 1 < d < 20, oder speziell Fe24Ni58.5Si-1.5B1e lebensmittelverträgliche Legierungen verwendet werden, die typischerweise ein Anisotropiefeld Hk kleiner als 0.2 Militesla besitzen und eine Remanenz von 0.7 Tesla aufweisen.Other compositions may be from CoaFeoMocSidBe. Other characteristics can be achieved by alloys of CoaFecSidBe, FeaCUbNbcSidBe. Co-free alloys are also possible, such as FeaNibSicBd. For example, with 20 < a < 30, 40 < b < 70, 0 < c < 5, 1 < d < 20, or especially Fe24Ni58.5Si-1.5B1e food-grade alloys are used, which typically have an anisotropy field Hk less than 0.2 Militesla and have a remanence of 0.7 Tesla.
Spezielle Wärmebehandlungen und Feldbehandlungen können dazu verwendet werden um unterschiedliche Marker Materialien mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften zu realisieren.Special heat treatments and field treatments can be used to create different marker materials with different magnetic properties.
Die meisten amorphen Legierungen besitzen Bohr um die amorphe Phase zu bilden. Es ist auch praktisch möglich anstatt Bohr vorteilhafter Weise Kohlenstoff zu verwenden.Most amorphous alloys have drilling to form the amorphous phase. It is also practically possible to use carbon instead of drilling.
Es können auch magnetische Drähte wie Beispielsweise FeSiB and CoSiB verwendet werden, die Barkhausensprünge aufweisen.It is also possible to use magnetic wires such as FeSiB and CoSiB which have Barkhausen jumps.
Tabelle 4'.Kenngrößen typischer weichmagnetischer amorpher Materialien. 1 poHc (mT) Suszeptibilität I Bs (T) | MagnetostricitonX (ppm) 1 Eisen basiert < 0.01 45 000 - 600 1.56 Γ27 j amorph 000 j 1 Kobalt <0.02 290 000 - 600 | 0.77 < 0.5 basiert 0 0 0 | 15Table 4 '. Characteristics of typical soft magnetic amorphous materials. 1 poHc (mT) susceptibility I Bs (T) | MagnetostricitonX (ppm) 1 iron based < 0.01 45 000 - 600 1.56 Γ27 j amorphous 000 j 1 cobalt < 0.02 290 000 - 600 | 0.77 < 0.5 based 0 0 0 | 15
amorph i Nickel Eisen <0.05 | 50 000 - 800 0.88 12 basiert 000 iamorphous i nickel iron <0.05 | 50 000 - 800 0.88 12 based 000 i
Als Marker Material können amorphe Legierungen gewählt werden, wie beispielsweise Legierungen die Fe, Co, Ni, Tb, Cu, Dy, Pd, B, C oder Gd enthalten. Es ist auch möglich nanokristalline Materialien als Marker Material zu verwenden, die Korngrößen zwischen 1 Nanometer und 1 Mikrometer aulweisen und die Tb, Dy, Fe, Co, Ni, B, P, C, Gd, Si, B, Nb oder Mo enthalten. Auch Lebensmittel unbedenkliche Standardmaterialien wie Stahl, Eisen, Eisenoxid oder Mü-Metal, Permalloy und andere Ni-Fe Legierungen können verwendet werden. Weiters können Marker Materialien verwendet werden die neben der beanspruchten Methode auch Barkhausensprünge aufweisen können.As a marker material amorphous alloys can be selected, such as alloys containing Fe, Co, Ni, Tb, Cu, Dy, Pd, B, C or Gd. It is also possible to use nanocrystalline materials as markers of material having grain sizes between 1 nanometer and 1 micron and containing Tb, Dy, Fe, Co, Ni, B, P, C, Gd, Si, B, Nb or Mo. Even food safe standard materials such as steel, iron, iron oxide or Mü-metal, permalloy and other Ni-Fe alloys can be used. Furthermore, markers can be used materials which may have Barkhausen jumps in addition to the claimed method.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird anstatt des zusätzlichen weichmagnetischen Elements 203, direkt der Behälter 21, die Kapsel oder das Pad aus einer magnetischen Legierung erzeugt. So kann beispielsweise eine NiFe Legierung für den Behälter 21 oder als Behälterbeschichtung verwendet werden. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden nichtmagnetische Materialien, wie beispielsweise der ganze Behälter 21 oder auch nur Teile sowie einzelne Segmente oder Inhalte des Behälters 21 mit magnetischen Materialien beispielsweise durch Pulverbeschichtung oder elektro-chemisch beschichtet. In anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen können in nichtmagnetische Werkstoffe, beispielsweise des Behälters 21, magnetische Partikel eingebracht werden. So können beispielsweise kunststoffgebundene Weichmagnete verwendet werden. Für das Element 42a, welches als Hartmagnet oder semi Hartmagnet dient können verschiedenste Standardmaterialien verwendet werden, wie beispielsweise Ferritmagnete, Alnico Magnete, Legierungen auf der Basis von Fe-Oxid, Barium/Strontium-Carbonate, Ticonal, Verbindungen, die Sm, Ni, Co, Nd, Fe bzw. B enthalten. Um nach Verwendung des Markers diesen Entmagnetisieren zu können sind Koerzitivfelder kleiner als 0.1 T bevorzugt. 16In a further embodiment according to the invention, instead of the additional soft-magnetic element 203, the container 21, the capsule or the pad is produced directly from a magnetic alloy. For example, a NiFe alloy can be used for the container 21 or as a container coating. In a further embodiment of the invention non-magnetic materials, such as the entire container 21 or even parts and individual segments or contents of the container 21 with magnetic materials, for example by powder coating or electro-chemically coated. In other embodiments according to the invention, magnetic particles can be introduced into non-magnetic materials, for example the container 21. For example, plastic-bonded soft magnets can be used. For the element 42a, which serves as a hard magnet or a semi-hard magnet, a variety of standard materials may be used, such as ferrite magnets, alnico magnets, Fe oxide-based alloys, barium / strontium carbonates, ticonal, compounds containing Sm, Ni, Co , Nd, Fe and B, respectively. In order to be able to demagnetize the marker after use of the marker, coercive fields smaller than 0.1 T are preferred. 16
Abbildung 15 stellt eine mögliche Positionierung eines längsförmigen Markers 20 an der Behälterwand einer Kaffeekapsel 21 dar, welche vollständig oder teilweise mit Feststoff 22 zur Extraktion befüllt ist. Der Feststoff kann beispielsweise Kaffeepulver, Tee, Kakao, Milchpulver oder Babynahrungspulver darstellen. Der Marker 20 ist innerhalb oder außerhalb der Kaffeekapsel 21 befestigt. Eine Annäherung der Längsachse des Markers 20 an die Drehachse der Kapsel 21 wird bevorzugt.Figure 15 illustrates a possible positioning of a longitudinal marker 20 on the container wall of a coffee capsule 21 which is completely or partially filled with solid 22 for extraction. The solid may be, for example, coffee powder, tea, cocoa, milk powder or baby food powder. The marker 20 is fixed inside or outside the coffee capsule 21. An approximation of the longitudinal axis of the marker 20 to the axis of rotation of the capsule 21 is preferred.
Abbildung 16 zeigt zwei mögliche, erfindungsgemäße Anordnungen von mehreren Markern 20. Dies ist bevorzugt, da in der Anwendung nicht ein rotationssymmetrisches Feld garantiert werden kann. So können durch magnetische Teile in der Maschine oder durch magnetische Teile in der Umgebung die Magnetfelder der Sendespule 12 ungleichmäßig abgelenkt werden. Um möglichst unabhängige Messergebnisse zu erhalten, die von der zufälligen Rotation beim Einlegen der Behälters 21 in die Extraktionsmaschine 23 unabhängig sind, ist es vorteilhaft mehr als einen Marker in eine kreisrunde Kapsel 21, wie in Abbildung 16 ersichtlich, zu positionieren. Mit steigender Anzahl der Marker 20 wird die Rotationssymmetrie verbessert. Bei nicht rotationssymmetrischen Behältern 21, wie auch in Abbildung 16 dargestellt, kann ein einziger Sensor 20 jedoch ausreichen. Es ist auch denkbar den Marker in das Zentrum der Kapsel 21 zu positionieren, sodass keine Abhängigkeit von der Rotation der Kapsel 21 entsteht und somit auch nur ein Marker 20 erforderlich ist.Figure 16 shows two possible arrangements according to the invention of a plurality of markers 20. This is preferred because a rotationally symmetric field can not be guaranteed in the application. Thus, by magnetic parts in the machine or by magnetic parts in the environment, the magnetic fields of the transmitting coil 12 are deflected unevenly. In order to obtain the most independent measurement results, which are independent of the random rotation during insertion of the container 21 in the extraction machine 23, it is advantageous to position more than one marker in a circular capsule 21, as shown in Figure 16. As the number of markers 20 increases, rotational symmetry is improved. For non-rotationally symmetrical containers 21, as shown in Figure 16, a single sensor 20 may be sufficient. It is also conceivable to position the marker in the center of the capsule 21, so that no dependence arises from the rotation of the capsule 21 and thus only one marker 20 is required.
Abbildung 17 und Abbildung 18 stellen mögliche radiale oder entlang der Drehachse des Kaffeepads 21 zentrierte Ausrichtungen eines Markers 20 an der Außenwand eines Kaffeepads 21 oder innerhalb des Feststoffes 22 dar. Bei beiden Anordnungen wird der Marker 20 derart in dem Kaffeepad 21 positioniert, dass er nicht durch das Einstechen der äußeren Hülle vor der Extraktion beschädigt wird.Figure 17 and Figure 18 illustrate possible radial or centered orientations of a marker 20 along the axis of rotation of the coffee pad 21 on the outer wall of a coffee pad 21 or within the solid 22. In both arrangements, the marker 20 is positioned in the coffee pad 21 such that it does not is damaged by the piercing of the outer shell prior to extraction.
Abbildung 19 stellt eine praktische Anordnung der diskriminierenden Detektion dar, wobei Anregespule 12 sowie kompensierte Detektionsspule 11 der Extraktionsmaschine 23 in einer definierten, beispielsweise konzentrischen Ausrichtung zum Behälter 21 positioniert sind. Der Behälter 21, in diesem Anwendungsbeispiel eine Kaffeekapsel, enthält Feststoff 22 und den Marker 20, welcher an der Behälterwand fixiert, beispielsweise aufgeklebt oder versiegelt ist. In Folge der störungsfreien Detektion und Diskriminanz des Markers 20 durch die erfindungsmäßige Anordnung und Methode werden Behälter 21 und somit auch 17 • « * · ····♦**· · I » »···· · ·♦ * * • · · · · · · * · «s φ « φ * · · · φ • · · · ·· * I · · deren FeststoffbefüHungen 22 klar unterschieden und Zubereitungsparameter 24, wie beispielsweise Wasserdruck, Wassermenge, Temperatur, Durchflussgeschwindigkeit oder die prinzipielle Akzeptanz der Kapsel der Extraktionsmaschine 23 gesteuert. In Abhängigkeit der Varianz der Zubereitungsparameter 24 können unterschiedliche Extrakte 25, wie beispielsweise verschiedene Kaffeesorten, Tees oder Babynahrungen hergestellt werden sowie auch eine Erkennung der prinzipiellen Eignung des Behälters 21 für die Extraktionsmaschine 23 geprüft werden. 18FIG. 19 illustrates a practical arrangement of the discriminating detection, wherein the pickup coil 12 and the compensated detection coil 11 of the extraction machine 23 are positioned in a defined, for example concentric, alignment with the container 21. The container 21, in this application example a coffee capsule, contains solids 22 and the marker 20, which is fixed to the container wall, for example glued or sealed. As a result of the interference-free detection and discriminance of the marker 20 by the arrangement and method according to the invention, the container 21 and thus also the container 21 and thus also the container 17 are formed. Their solids movements 22 clearly distinguish and preparation parameters 24, such as water pressure, amount of water, temperature, flow rate or the principle acceptance of the Capsule of the extraction machine 23 controlled. Depending on the variance of the preparation parameters 24, different extracts 25, such as, for example, different coffees, teas or baby foods, can be produced, as well as a recognition of the basic suitability of the container 21 for the extraction machine 23. 18
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