EP3984657B1 - Vorrichtung und verfahren zum ermitteln einer ventilstellung eines beweglichen füllventils, insbesondere eines füllventils in einer abfüllanlage für flüssigkeiten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum ermitteln einer ventilstellung eines beweglichen füllventils, insbesondere eines füllventils in einer abfüllanlage für flüssigkeiten Download PDF

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EP3984657B1
EP3984657B1 EP21202616.5A EP21202616A EP3984657B1 EP 3984657 B1 EP3984657 B1 EP 3984657B1 EP 21202616 A EP21202616 A EP 21202616A EP 3984657 B1 EP3984657 B1 EP 3984657B1
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EP
European Patent Office
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filling
sensor
valve
energy
electrical energy
Prior art date
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EP21202616.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3984657A1 (de
Inventor
Thomas Freund
Carsten Crowley-Nicol
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Pepperl and Fuchs SE
Original Assignee
Pepperl and Fuchs SE
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B67—OPENING, CLOSING OR CLEANING BOTTLES, JARS OR SIMILAR CONTAINERS; LIQUID HANDLING
    • B67C—CLEANING, FILLING WITH LIQUIDS OR SEMILIQUIDS, OR EMPTYING, OF BOTTLES, JARS, CANS, CASKS, BARRELS, OR SIMILAR CONTAINERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; FUNNELS
    • B67C3/00—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus; Filling casks or barrels with liquids or semiliquids
    • B67C3/02—Bottling liquids or semiliquids; Filling jars or cans with liquids or semiliquids using bottling or like apparatus
    • B67C3/22—Details
    • B67C3/28—Flow-control devices, e.g. using valves
    • B67C3/287—Flow-control devices, e.g. using valves related to flow control using predetermined or real-time calculated parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B9/00—Cleaning hollow articles by methods or apparatus specially adapted thereto
    • B08B9/08—Cleaning containers, e.g. tanks
    • B08B9/20—Cleaning containers, e.g. tanks by using apparatus into or on to which containers, e.g. bottles, jars, cans are brought
    • B08B9/28—Cleaning containers, e.g. tanks by using apparatus into or on to which containers, e.g. bottles, jars, cans are brought the apparatus cleaning by splash, spray, or jet application, with or without soaking
    • B08B9/30—Cleaning containers, e.g. tanks by using apparatus into or on to which containers, e.g. bottles, jars, cans are brought the apparatus cleaning by splash, spray, or jet application, with or without soaking and having conveyors
    • B08B9/32—Rotating conveyors

Definitions

  • the invention relates to measures for determining a valve position of non-electrically operated filling valves for controlling fluid flows, in particular in a movable arrangement.
  • the present invention relates to measures for determining a valve position of filling valves of a bottling plant.
  • Automated bottling systems in particular for bottling liquid foods, such as beverages, essentially have a device with a rotating carrier arrangement on which filling valves are arranged circumferentially. Since a reliable electrical energy supply for the filling valves can only be implemented with great effort due to the rotational movement, the filling valves are generally controlled non-electrically in order to introduce a specific quantity of liquid into containers such as bottles, for example.
  • Such a device is used for filling a liquid to be filled into the containers to be filled or for carrying out a cleaning cycle by filling a cleaning liquid into containers connected to the filling valves.
  • a cleaning liquid into containers connected to the filling valves.
  • it is necessary to ensure a sufficient supply of cleaning liquid into the containers in order to achieve reliable cleaning of the containers without leaving any residue.
  • the filling valves are usually hydraulically or pneumatically operated due to the lack of an electrical connection.
  • the filling valves generally comprise a valve body, inside which a valve pin is movably arranged in order to open or close the filling valve.
  • the valve pin can, for example, be controlled pneumatically by applying compressed air. Since the valve pin is generally not accessible from the outside, it is necessary to arrange a sensor system for detecting the valve position as directly as possible on the valve body or inside the valve, which is difficult to achieve with non-electrical means.
  • the pamphlet U.S. 2016/194158 A1 discloses a transport device for transporting containers in a container treatment plant with a transport track, a multiplicity of transport elements for transporting one or more containers, the multiplicity of transport elements being movably arranged on the transport track, at least one special element which is movably arranged on the transport track and different from the multiplicity of transport elements, and a control and/or regulating unit.
  • the transport path, the multiplicity of transport elements and the special element are designed in such a way that the multiplicity of transport elements and the special element can be guided along the transport path in an individually controllable manner by means of the control and/or regulating unit.
  • carrier arrangements with peripherally arranged filling devices are often used.
  • a container to be filled is picked up at a pickup position by a respective filling device.
  • the carrier assembly rotates while a filling valve of the filling device is opened, a liquid is filled into the containers via the filling device and the filling valve is closed again.
  • the container is then removed at a removal position and fed to subsequent processing steps.
  • This process takes place continuously with e.g. circulating or rotating filling devices.
  • the filling valves of the filling devices are actuated pneumatically or hydraulically in a synchronized manner to open or close, since an electrical supply is generally not available on the carrier device.
  • a sensor system with at least one sensor module and a stationary readout device is provided for this purpose.
  • Energy is not transmitted to the at least one sensor module in a non-wired or wired manner.
  • the sensor module is provided with an energy receiving device, so that in particular when the filling devices arranged on the carrier arrangement move past an energy emitter, for example, the respective sensor module receives a quantity of energy and makes this available as electrical energy.
  • the energy can be transmitted, for example, using an alternating electrical or magnetic field or electromagnetically, so that each time the sensor module is passed, a quantity of energy is transmitted wirelessly to the sensor module and is provided as electrical energy.
  • the electrical energy can be briefly stored in an electrical energy store of the sensor module, which can be designed in the form of a capacitance, in particular in the form of a gold cap.
  • the sensor module can have a resonant circuit which is designed to oscillate using the electrical energy provided, with the position sensor being designed to influence the oscillation as a function of the position of the filling valve.
  • the energy stored in the sensor module is now used to detect the valve position, in that the resonant circuit is designed in such a way that an oscillation characteristic of the resonant circuit depends on the valve position, in particular on a state of the position sensor.
  • the position sensor can include a magnetic field sensor, in particular a Hall sensor or a GMR sensor, for a magnetic field change by a movable valve element of the filling valve is sensitive, the magnetic field sensor being used in the resonant circuit in such a way that the vibration is damped depending on the position of the valve element.
  • a magnetic field sensor in particular a Hall sensor or a GMR sensor
  • the readout device can be designed to inductively detect the vibration of the resonant circuit while the filling device is moving past with the sensor module and to detect the position of the filling valve via a threshold value comparison of the vibration amplitude and/or the vibration frequency.
  • the valve position of the relevant filling valve can thus be detected with the aid of an inductive readout device. In this way, it is possible to detect the valve position of a filling valve using the sensor modules without a wired or line-bound supply of electrical energy.
  • a stationary energy emitter can be arranged on the carrier arrangement in order to transmit energy inductively or as electromagnetic radiation.
  • the above sensor system thus makes it possible to dispense with an electrical energy distributor on the carrier arrangement, which would be prone to errors due to the rotating movement of the carrier arrangement.
  • One idea of the above sensor system consists in wirelessly transmitting the energy for operating the sensor module to the sensor module assigned to each filling device to be monitored.
  • the corresponding valve position is detected by the sensor module by influencing a resonance of the resonant circuit as a function of the valve position.
  • the oscillation of the resonant circuit can then be read out, e.g. inductively, using the readout device.
  • an electrical supply is required only for the energy emitter and the read-out device, both of which are arranged in a stationary manner outside the carrier arrangement of the filling devices.
  • the energy can be transmitted from the energy emitter to the sensor module in various wired ways, in particular using electromagnetic radiation, such as microwaves or visible light, by mechanical vibrations, by an alternating electric or magnetic field (based on induction) or the like .
  • electromagnetic radiation such as microwaves or visible light
  • mechanical vibrations by an alternating electric or magnetic field (based on induction) or the like .
  • figure 1 shows a schematic representation of a filling system 1, in which unfilled containers 2, in particular bottles, are fed to a filling device 3, in particular along a conveyor line F.
  • the filling device 3 has a rotatable carrier arrangement 4, on which filling devices 5 are arranged in the circumferential direction.
  • the filling devices 5 are arranged essentially equidistantly on the carrier arrangement 3 in the circumferential direction, so that they move in a circular manner when the carrier arrangement 3 rotates.
  • the containers 2 to be filled reach the area of the filling device 3 , they are each picked up there at a receiving position A by one of the filling devices 5 which acts on the opening of the container 2 .
  • the container 2 is held by the filling device 5 in such a way that it can be filled with a liquid to be filled using a liquid supply system 6 .
  • the container 2 After the container 2 has been picked up by the respective filling device 5 , the container 2 is filled while it is being moved by the rotation of the carrier arrangement 3 .
  • the containers 2 are released from the filling device 5 at a removal position E.
  • the released containers 2 are then transported along the conveyor line F to a next processing step, such as labeling or the like.
  • liquid is filled into the containers 2 via the liquid supply system 6 .
  • a filling valve of the filling device 5 is opened after the respective container 2 has been picked up, in order to let liquid into the container 2 and this is closed again before removal at the removal position E.
  • a similar device is used to fill the containers 2 with cleaning liquid for cleaning the containers.
  • a single filling device 5 is in figure 2 shown more clearly in a cross-sectional view.
  • the liquid supply is controlled via a filling valve 8 which has a non-electrically controllable valve pin 9 .
  • This is provided in particular by mechanical, pneumatic or hydraulic actuation in order to control the supply of liquid into the container 2 in this way.
  • the filling valve 8 of figure 2 includes in the embodiment shown, the valve pin 9, which is controlled pneumatically by compressed air from a compressed air line 10.
  • the valve pin 9 is arranged in the interior of a valve body 11, so that a position of the valve pin 9, ie a valve position, cannot easily be recognized from the outside.
  • a sensor module 15 is now provided on each of the filling devices 5, which is able to detect the position of the valve pin 9 and to signal a corresponding indication to the outside.
  • the sensor module 15 has a magnetic field sensor 16, such as. B. a Hall sensor or a GMR sensor, which is part of a resonant circuit 17.
  • the resonant circuit 17 is shown schematically in the electronic equivalent circuit diagram of the sensor module 15 in a more detailed representation of FIG figure 3 shown.
  • a magnetic field sensor 16 is provided as a switch in series with an ohmic resistor R.
  • This series circuit is parallel to an LC resonant circuit with an inductance L and a capacitance C, so that they form an RLC resonant circuit.
  • the magnetic field sensor 16 can optionally be arranged together with a permanent magnet 18 near the valve pin 9 in order to detect a change in the magnetic field due to a movement of the valve pin 9 .
  • the valve pin 9 is preferably made of hard-magnetic or soft-magnetic material.
  • valve pin 9 is made of soft magnetic material
  • the permanent magnet 18 can be arranged close to the valve pin 9, so that the magnetic field sensor 16 can detect a magnetic field change due to a deflection of magnetic field lines depending on the position of the valve pin 9.
  • the valve pin 9 can be directly provided with or coupled to the permanent magnet.
  • the resonant circuit 17 is preferably excited by transmitting energy from an energy emitter 20 .
  • the energy emitter can be arranged outside of the filling device 5 and can wirelessly transmit energy to an energy receiving device 30 while the filling device with the sensor module 15 is moving past the energy emitter 20 .
  • the energy emitter 20 can be designed to generate an alternating magnetic field by an alternating voltage source 21 being coupled to a transmission coil 22 .
  • the energy receiving device 30 is part of the sensor module 15 and is designed to draw energy inductively from the alternating magnetic field and to temporarily store it.
  • the energy receiving device 30 comprises a receiving coil 31 which is arranged in such a way as to generate an induction voltage when the sensor module moves past the energy emitter 20 .
  • the induction voltage is rectified using a rectifier, in particular a diode rectifier 32 .
  • the rectified induction voltage is used to charge an energy store 33, which is designed, for example, as a capacitance, in particular with a so-called gold cap. This is charged when the sensor module moves past the energy emitter 20 and then makes electrical energy available to an excitation unit 40 .
  • the excitation unit 40 uses the stored electrical energy to excite the RLC resonant circuit 17 to oscillate.
  • the resonant circuit 17 of the sensor module 15 oscillates excited by the excitation unit 40 and is able to store electrical energy in the oscillation.
  • the energy receiving device 30 can also absorb/convert other forms of energy and temporarily store them as electrical energy.
  • the energy provided can be in the form of mechanical energy, such as vibrations, or in the form of electromagnetic radiation.
  • an energy emitter 20 can be provided in order to emit electromagnetic radiation, e.g. Am Form of a microwave radiation to be directed to the energy receiving device 30 of the sensor module 15 in order to provide electrical energy there.
  • the energy can also be provided with the help of light or laser radiation and can be recorded with a photovoltaic element on a surface of the sensor module 15 and converted into electrical energy.
  • the electrical energy stored in the electrical energy store 33 can be used to operate the resonant circuit 17 which, as a switching sensor, detects a valve position. In this way, an open or closed filling valve 8 can be detected by changing the resonance behavior of the resonance circuit 17 using the magnetic field sensor 16 .
  • the resistor R is connected in parallel with an LC resonant circuit and its oscillation is thus greatly damped.
  • the oscillation of the resonant circuit 17 is correspondingly weakly damped.
  • the resonant circuit 17 can be interrupted or closed accordingly.
  • the resistance value of the magnetic field sensor can be viewed as an electrical sensor variable S.
  • the oscillation in the coil L of the resonant circuit can be detected with the aid of a readout unit 50, which has a detection coil 51 and a detection unit 52 connected thereto.
  • An amplitude of the oscillation of the resonant circuit 17 depends on the state of the magnetic field sensor 16, so that the valve position of the filling valve 8 can be inferred from the strength of a measurement signal M, which is detected via the detection coil 51 in the detection unit 52.
  • the readout unit 50 can e.g. B. in the form of an inductive proximity sensor or the like, whereby a resonant circuit 17 with low damping can be distinguished from a resonant circuit 17 with higher damping in a particularly simple manner.
  • the detection unit 52 provides a detection signal D corresponding to the measurement signal M, which indicates the valve position of the relevant filling valve 8 .
  • the measurement signal M which indicates an amplitude of an oscillation signal received in the detection coil 51, can be evaluated using a threshold value comparison in order to detect the valve position as open or closed.
  • Such a sensor system can be used to monitor the valve position of a bottling plant, in particular when cleaning containers by injecting a cleaning liquid.
  • the sensor system enables simple retrofitting of existing systems, since sensor modules 15 only have to be attached close to the valve and the energy emitter 20 and the readout unit 50 have to be arranged in a stationary manner close to the filling devices 5 moving past. A power supply for the sensor modules 15 therefore does not have to be provided.

Landscapes

  • Indication Of The Valve Opening Or Closing Status (AREA)
  • Filling Of Jars Or Cans And Processes For Cleaning And Sealing Jars (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft Maßnahmen zur Ermittlung einer Ventilstellung von nicht-elektrisch betriebenen Füllventilen zur Steuerung von Fluidströmen, insbesondere in einer beweglichen Anordnung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Bestimmen einer Ventilstellung von Füllventilen einer Abfüllanlage.
    • Technischer Hintergrund
  • Automatisierte Abfüllanlagen, insbesondere zur Abfüllung von flüssigen Lebensmitteln, wie beispielsweise Getränken, weisen im Kern eine Vorrichtung mit einer rotierenden Trägeranordnung auf, an der umfänglich Füllventile angeordnet sind. Da eine zuverlässige elektrische Energieversorgung für die Füllventile aufgrund der Rotationsbewegung nur aufwändig zu realisieren ist, werden die Füllventile in der Regel nicht-elektrisch angesteuert, um eine bestimmte Menge Flüssigkeit in daran befindliche Behälter, wie beispielsweise Flaschen, einzubringen.
  • Eine solche Vorrichtung wird zum Abfüllen einer abzufüllenden Flüssigkeit in die zu befüllenden Behälter oder zum Durchführen eines Reinigungszyklus durch Einfüllen einer Reinigungsflüssigkeit in mit den Füllventilen verbundene Behälter verwendet. Insbesondere für die Reinigung ist die Sicherstellung einer ausreichenden Zufuhr von Reinigungsflüssigkeit in die Behälter notwendig, um eine zuverlässige rückstandsfreie Reinigung der Behälter zu erreichen.
  • Die Füllventile werden aufgrund des Fehlens einer elektrischen Verbindung in der Regel hydraulisch oder pneumatisch betätigt. Die Füllventile umfassen in der Regel einen Ventilkörper, in dessen Innerem ein Ventilstift beweglich angeordnet ist, um das Füllventil zu öffnen oder zu schließen. Der Ventilstift kann beispielsweise pneumatisch durch Beaufschlagung mit Druckluft angesteuert werden. Da der Ventilstift in der Regel von außen nicht zugänglich ist, ist die Anordnung einer Sensorik zur Erfassung der Ventilstellung möglichst unmittelbar an dem Ventilkörper oder dem Inneren des Ventils notwendig, was mit nicht-elektrischen Mitteln nur schwer zu realisieren ist.
  • Zudem ist eine Signalisierung der Ventilfunktion der Füllventile somit auch nicht ohne weiteres möglich, da kein entsprechender elektrischer Rückmeldesignalpfad zur Verfügung steht. Elektrische Sensoren für die Überwachung einer Ventilfunktion können daher nicht in herkömmlicher Weise ausgelesen werden.
  • Insbesondere während des Reinigungsvorgangs kann es durch Verschmutzungen in den Behältern zu Beeinträchtigungen der Ventilfunktion durch Blockierungen kommen. Daher ist eine Überwachung des ordnungsgemäßen Reinigungsvorgangs durch eine Überwachung der Ventilstellung unbedingt notwendig, da ansonsten aufgrund einer unzureichenden Reinigung Verunreinigungen in den Behältern zurückbleiben können, die eine anschließend eingefüllte Flüssigkeit kontaminieren und im Falle von Getränken ungenießbar machen oder vergiften können.
  • Die Druckschrift US 2016/194158 A1 offenbart eine Transporteinrichtung zum Transport von Behältern in einer Behälterbehandlungsanlage mit einer Transportbahn, einer Vielzahl von Transportelementen zum Transportieren eines oder mehrerer Behälter, wobei die Vielzahl der Transportelemente bewegbar an der Transportbahn angeordnet sind, mindestens einem Sonderelement, das an der Transportbahn bewegbar angeordnet und verschieden von der Vielzahl der Transportelemente ist, und einer Steuer- und/oder Regeleinheit. Die Transportbahn, die Vielzahl der Transportelemente und das Sonderelement sind derart ausgestaltet, dass die Vielzahl der Transportelemente und das Sonderelement mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit einzeln steuerbar entlang der Transportbahn geführt werden können.
  • Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem zum Überwachen einer Ventilstellung eines beweglichen Füllventils, insbesondere in einer Abfüllvorrichtung, zur Verfügung zu stellen, die ohne eine drahtgebundene elektrische Versorgung auskommt.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch die Sensorsystem zum Detektieren einer Ventilstellung eines beweglichen Füllventils gemäß Anspruch 1 sowie eine Abfüllvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
  • Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Sensorsystem zum Detektieren einer Ventilstellung eines Füllventils insbesondere in einer Abfüllanlage vorgesehen, umfassend:
    • eine Trägeranordnung zum Bewegen mindestens einer Einfülleinrichtung, wobei die mindestens eine Einfülleinrichtung ein Füllventil aufweist, um in gesteuerter Weise ein Medium einem zu füllenden Behälter zuzuführen;
    • ein Sensormodul an der mindestens einen Einfülleinrichtung mit einer Energieempfangseinrichtung, die ausgebildet ist, um Energie drahtlos zu empfangen und als elektrische Energie bereitzustellen, mit einem elektrischen Energiespeicher, um die bereitgestellte elektrische Energie zu speichern, und mit einem Stellungssensor, der ausgebildet ist, um mithilfe der bereitgestellten elektrischen Energie eine Stellung des Füllventils zu detektieren und eine entsprechende elektrische Sensorgröße bereitzustellen;
    • eine ortsfeste Ausleseeinrichtung, die ausgebildet ist, um bei einem Vorbeibewegen der mindestens einen Einfülleinrichtung ein von der elektrischen Sensorgröße abhängiges Messsignal zu erfassen und ein Detektionssignal abhängig von dem Messsignal bereitzustellen.
  • In einer Abfüllanlage werden häufig Trägeranordnungen mit umfänglich angeordneten Einfülleinrichtungen verwendet. Im Betrieb wird ein abzufüllender Behälter an einer Aufnahmeposition von einer jeweiligen Einfülleinrichtung aufgenommen. Die Trägeranordnung dreht sich, während ein Füllventil der Einfülleinrichtung geöffnet, eine Flüssigkeit über die Einfülleinrichtung in die Behälter eingefüllt und das Füllventil wieder geschlossen wird. Anschließend wird der Behälter an einer Entnahmeposition entnommen und nachfolgenden Verarbeitungsschritten zugeführt.
  • Dieser Prozess erfolgt kontinuierlich mit z.B. zirkulierenden bzw. rotierenden Einfülleinrichtungen. Dabei werden die Füllventile der Einfülleinrichtungen synchronisiert pneumatisch oder hydraulisch zum Öffnen oder zum Schließen angesteuert, da eine elektrische Versorgung auf der Trägereinrichtung in der Regel nicht zur Verfügung steht.
  • Zur Überwachung der Ventilstellung der Füllventile ist es notwendig, einen Öffnungszustand des entsprechenden Füllventils bei einer bestimmten Position zu erkennen. Da die Stellung des Füllventils von außen nicht erkennbar ist, ist eine geeignete Sensorik zur Stellungsdetektion des Füllventils zweckmäßig.
  • Dazu ist ein Sensorsystem mit mindestens einem Sensormodul und einer ortsfesten Ausleseeinrichtung vorgesehen. Dem mindestens einen Sensormodul wird in nicht draht- oder leitungsgebundener Weise Energie übertragen. Das Sensormodul ist mit einer Energieempfangseinrichtung versehen, so dass insbesondere bei einem Vorbeibewegen der an der Trägeranordnung angeordneten Einfülleinrichtungen an z.B. einem Energie-Emitter das jeweilige Sensormodul eine Energiemenge empfängt und diese als elektrische Energie bereitstellt. Die Energie kann dabei z.B. mithilfe eines elektrischen oder magnetischen Wechselfelds oder elektromagnetisch übertragen werden, so dass bei jedem Passieren des Sensormoduls eine Energiemenge zu dem Sensormodul drahtlos übertragen wird und als elektrische Energie bereitgestellt wird.
  • Die elektrische Energie kann dabei kurzzeitig in einem elektrischen Energiespeicher des Sensormoduls gespeichert werden, der in Form einer Kapazität, insbesondere in Form eines Gold-Caps ausgebildet sein kann.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Sensormodul einen Resonanzkreis aufweist, der ausgebildet ist, um eine Schwingung mithilfe der bereitgestellten elektrischen Energie auszuführen, wobei der Stellungssensor ausgebildet ist, um die Schwingung abhängig von der Stellung des Füllventils zu beeinflussen. Die in dem Sensormodul gespeicherte Energie wird nun zum Detektieren der Ventilstellung verwendet, indem der Resonanzkreis so ausgebildet ist, dass eine Schwingungscharakteristik des Resonanzkreises von der Ventilstellung, insbesondere von einem Zustand des Stellungssensors, abhängig ist.
  • Weiterhin kann der Stellungssensor einen Magnetfeldsensor, insbesondere einen Hall-Sensor oder einen GMR-Sensor, umfassen, der für eine Magnetfeldänderung durch ein bewegliches Ventilelement des Füllventils empfindlich ist, wobei der Magnetfeldsensor in dem Resonanzkreis so eingesetzt ist, dass die Schwingung abhängig von der Stellung des Ventilelements gedämpft wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Ausleseeinrichtung ausgebildet sein, um die Schwingung des Resonanzkreises während des Vorbeibewegens der Einfülleinrichtung mit dem Sensormodul induktiv zu erfassen und über einen Schwellwertvergleich der Schwingungsamplitude und/oder der Schwingungsfrequenz die Stellung des Füllventils zu detektieren. Abhängig von dem Betrieb des Resonanzkreises kann somit mithilfe einer induktiven Ausleseeinrichtung die Ventilstellung des betreffenden Füllventils detektiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, ohne draht- bzw. leitungsgebundene Zufuhr elektrischer Energie die Ventilstellung eines Füllventils durch die Sensormodule zu detektieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann ein ortsfester Energie-Emitter an der Trägeranordnung so angeordnet sein, um Energie induktiv oder als elektromagnetische Strahlung zu übertragen. Das obige Sensorsystem ermöglicht es so, auf einen elektrischen Energieverteiler auf der Trägeranordnung zu verzichten, der aufgrund der rotierenden Bewegung der Trägeranordnung fehleranfällig wäre.
  • Eine Idee des obigen Sensorsystems besteht darin, die Energie zum Betreiben des Sensormoduls an das jeder zu überwachenden Einfülleinrichtung zugeordnete Sensormodul drahtlos zu übertragen. Die entsprechende Ventilstellung wird durch das Sensormodul detektiert, indem eine Resonanz des Resonanzkreises abhängig von der Ventilstellung beeinflusst wird. Die Schwingung des Resonanzkreises kann dann mithilfe der Ausleseeinrichtung z.B. induktiv ausgelesen werden. Dabei ist eine elektrische Versorgung lediglich für den Energie-Emitter und die Ausleseeinrichtung erforderlich, die beide stationär außerhalb der Trägeranordnung der Einfülleinrichtungen angeordnet sind.
  • Gemäß alternativer Ausführungsformen kann die Energieübertragung von dem Energie-Emitter zu dem Sensormodul auf verschiedene drahtgebundene Arten erfolgen, insbesondere mithilfe elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise Mikrowellen oder sichtbares Licht, durch mechanische Schwingungen, durch ein elektrisches oder magnetisches Wechselfeld (basierend auf Induktion) oder dergleichen erfolgen.
  • Gemäß einem Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben des obigen Sensorsystems, mit folgenden Schritten:
    • Bewegen der mindestens einen Einfülleinrichtung vorbei an dem Sensormodul an der mindestens einen Einfülleinrichtung, so dass Energie drahtlos empfangen wird und als elektrische Energie bereitgestellt wird,
    • Speichern der elektrischen Energie in einem elektrischen Energiespeicher;
    • Detektieren einer Stellung des Füllventils mit dem Stellungssensor mithilfe der bereitgestellten elektrischen Energie und Bereitstellen einer entsprechenden elektrischen Sensorgröße;
    • Erfassen des von der elektrischen Sensorgröße abhängigen Messsignals bei einem Vorbeibewegen der mindestens einen Einfülleinrichtung an der ortsfesten Ausleseeinrichtung;
    • Bereitstellen des Detektionssignals abhängig von dem Messsignal in der Ausleseeinrichtung.
    Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer Abfüllanlage mit einer rotierenden Trägeranordnung mit Einfülleinrichtungen und einem Sensorsystem zum Detektieren einer Ventilstellung von Füllventilen der Einfülleinrichtungen;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung einer Einfülleinrichtung an jedem der Ventile der Einfülleinrichtungen; und
    Figur 3
    ein Schaltbild einer Ausführungsform des Sensorsystems.
    Beschreibung von Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels einer Abfüllanlage eine Anordnung und ein Verfahren beschrieben, mit der eine Ventilstellung von jeweils einer Vielzahl von Füllventilen von Einfülleinrichtungen auf einer beweglichen Trägeranordnung beschrieben wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen, sondern lässt sich auf sich bewegende Füllventile einer Vielzahl von Anlagen ohne drahtgebundene elektrische Energieversorgung der Einfülleinrichtungen anwenden.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Abfüllanlage 1, bei der unbefüllte Behälter 2, insbesondere Flaschen, einer Füllvorrichtung 3 zugeführt werden, insbesondere entlang einer Förderstraße F. Die Füllvorrichtung 3 weist eine rotierbare Trägeranordnung 4 auf, an der in Umfangsrichtung Einfülleinrichtungen 5 angeordnet sind. Die Einfülleinrichtungen 5 sind im Wesentlichen äquidistant an der Trägeranordnung 3 in Umfangsrichtung angeordnet, so dass diese sich bei Rotation der Trägeranordnung 3 kreisförmig bewegen.
  • Gelangen die zu befüllenden Behälter 2 in den Bereich der Füllvorrichtung 3 werden diese dort jeweils an einer Aufnahmeposition A durch eine der Einfülleinrichtungen 5 aufgenommen, die an der Öffnung des Behälters 2 angreift. Durch die Einfülleinrichtung 5 wird der Behälter 2 so gehalten, dass dieser mithilfe eines Flüssigkeitszuführungssystems 6 mit einer einzufüllenden Flüssigkeit befüllt werden kann.
  • Nach der Aufnahme des Behälters 2 durch die jeweilige Einfülleinrichtung 5 wird der Behälter 2 befüllt, während dieser durch die Rotation der Trägeranordnung 3 bewegt wird. Die Behälter 2 werden an einer Entnahmeposition E von der Einfülleinrichtung 5 gelöst. Die freigegebenen Behälter 2 werden anschließend entlang der Förderstraße F zu einem nächsten Bearbeitungsprozess, wie beispielsweise Etikettierung oder dergleichen, transportiert.
  • Während des Umlaufens der von den Einfülleinrichtungen 5 gehaltenen Behälter 2 wird über das Flüssigkeitszuführungssystem 6 Flüssigkeit in die Behälter 2 eingefüllt. Dazu wird ein Füllventil der Einfülleinrichtung 5 nach der Aufnahme des jeweiligen Behälters 2 geöffnet, um Flüssigkeit in den Behälter 2 einzulassen und dieses vor der Entnahme an der Entnahmeposition E wieder geschlossen.
  • Eine ähnliche Vorrichtung wird verwendet, um die Behälter 2 mit Reinigungsflüssigkeit zum Reinigen der Behälter zu befüllen.
  • Eine einzelne Fülleinrichtung 5 ist in Figur 2 in einer Querschnittsansicht deutlicher dargestellt. Man erkennt eine Kopplungseinrichtung 7, mit der der jeweilige Behälter 2 mit der Einfülleinrichtung 5 an der Aufnahmeposition A verbunden wird. Dies ermöglicht ein Befüllen des Behälters 2 mit Flüssigkeit, die über das Flüssigkeitszuführungssystem 6 zugeführt wird.
  • Die Steuerung der Flüssigkeitszufuhr erfolgt über ein Füllventil 8, das einen nicht-elektrisch ansteuerbaren Ventilstift 9 aufweist. Dieser wird insbesondere durch mechanische, pneumatische oder hydraulische Aktuierung gestellt, um so die Zufuhr der Flüssigkeit in den Behälter 2 zu steuern.
  • Das Füllventil 8 der Figur 2 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel den Ventilstift 9, der pneumatisch durch Druckluft aus einer Druckluftleitung 10 gesteuert wird. Der Ventilstift 9 ist im Inneren eines Ventilkörpers 11 angeordnet, so dass eine Erkennung einer Stellung des Ventilstiftes 9, d. h. einer Ventilstellung, von außen nicht ohne weiteres möglich ist.
  • Es ist nun an jeder der Einfülleinrichtungen 5 ein Sensormodul 15 vorgesehen, das in der Lage ist, die Stellung des Ventilstiftes 9 zu detektieren und eine entsprechende Angabe nach außen zu signalisieren. Insbesondere weist das Sensormodul 15 einen Magnetfeldsensor 16 auf, wie z. B. einen Hall-Sensors oder einen GMR-Sensor, der Teil eines Resonanzkreises 17 ist. Der Resonanzkreis 17 ist in dem elektronischen Ersatzschaltbild des Sensormoduls 15 schematisch in einer detaillierteren Darstellung der Figur 3 dargestellt.
  • Wie aus dem Ersatzschaltbild der Figur 3 für das vorliegende Ausführungsbeispiel entnehmbar, ist ein Magnetfeldsensor 16 als Schalter in Serie mit einem ohmschen Widerstand R vorgesehen. Diese Serienschaltung liegt parallel zu einem LC Schwingkreis mit einer Induktivität L und einer Kapazität C, so dass diese einen RLC-Schwingkreis ausbilden. Beispielsweise kann der Magnetfeldsensor 16 ggfs. gemeinsam mit einem Permanentmagneten 18 nahe des Ventilstiftes 9 angeordnet sein, um eine Magnetfeldänderung aufgrund einer Bewegung des Ventilstiftes 9 zu detektieren. Dazu ist der Ventilstift 9 vorzugsweise aus hartmagnetischem oder weichmagnetischem Material ausgebildet. Ist der Ventilstift 9 aus weichmagnetischem Material ausgebildet, so kann der Permanentmagnet 18 nahe des Ventilstiftes 9 angeordnet sein, so dass durch den Magnetfeldsensor 16 eine Magnetfeldänderung aufgrund einer Umlenkung von Magnetfeldlinien abhängig von der Position des Ventilstifts 9 detektiert werden kann. In einer alternativen Ausführungsform kann der Ventilstift 9 direkt mit dem Permanentmagneten versehen oder mit diesem gekoppelt sein.
  • Der Resonanzkreis 17 wird vorzugsweise durch Übertragen von Energie von einem Energieemitter 20 angeregt. Der Energie-Emitter kann außerhalb der Einfülleinrichtung 5 angeordnet sein und während des Vorbeibewegens der Einfülleinrichtung mit dem Sensormodul 15 an dem Energie-Emitter 20 drahtlos Energie an eine Energieempfangseinrichtung 30 übertragen.
  • Der Energie-Emitter 20 kann ausgebildet sein, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, indem eine Wechselspannungsquelle 21 mit einer Sendespule 22 gekoppelt ist.
  • Die Energieempfangseinrichtung 30 ist Teil des Sensormoduls 15 und ausgebildet, um induktiv Energie aus dem Wechselmagnetfeld zu beziehen und diese zwischenzuspeichern. Die Energieempfangseinrichtung 30 umfasst dazu eine Empfangsspule 31, die so angeordnet ist, um bei Vorbeibewegen des Sensormoduls an dem Energieemitter 20 eine Induktionsspannung zu generieren. Die Induktionsspannung wird mit einem Gleichrichter, insbesondere einem Diodengleichrichter 32 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Induktionsspannung dient zum Aufladen eines Energiespeichers 33, der z.B. als Kapazität, insbesondere mit einem sogenannten Gold-Cap ausgebildet ist. Diese wird bei einem Vorbeibewegen des Sensormoduls an dem Energie-Emitter 20 aufgeladen und stellt im Anschluss elektrische Energie einer Anregungseinheit 40 zur Verfügung.
  • Die Anregungseinheit 40 nutzt die gespeicherte elektrische Energie, um den RLC-Resonanzkreis 17 zum Schwingen anzuregen.
  • Der Resonanzkreis 17 des Sensormoduls 15 schwingt angeregt durch die Anregungseinheit 40 und ist in der Lage elektrische Energie in der Oszillation zu speichern.
  • Alternativ kann die Energieempfangseinrichtung 30 auch andere Formen von Energie aufnehmen/wandeln und diese als elektrische Energie zwischenspeichern. Beispielsweise kann die bereitgestellte Energie in Form von mechanischer Energie, wie beispielsweise Schwingungen, oder in Form elektromagnetischer Strahlung vorliegen. Insbesondere kann ein Energie-Emitter 20 vorgesehen sein, um elektromagnetische Strahlung z. B. in Form einer Mikrowellenstrahlung, auf die Energieempfangseinrichtung 30 des Sensormoduls 15 zu richten, um dort elektrische Energie bereitzustellen. Alternativ kann die Energie auch mithilfe von Licht- oder Laserstrahlung bereitgestellt werden und mit einem Photovoltaikelement an einer Oberfläche des Sensormoduls 15 aufgenommen und in elektrische Energie gewandelt werden.
  • Die in dem elektrischen Energiespeicher 33 gespeicherte elektrische Energie kann zum Betreiben des Resonanzkreises 17 verwendet werden, der als Schaltsensor eine Ventilstellung detektiert. So kann ein geöffnetes oder geschlossenes Füllventil 8 erkannt werden, in dem durch den Magnetfeldsensor 16 ein Resonanzverhalten des Resonanzkreises 17 geändert wird.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird bei niederohmigem Magnetfeldsensor 16 der Widerstand R parallel zu einem LC-Resonanzkreis geschaltet und dessen Oszillation damit stark gedämpft. Bei einem hochohmigen Magnetfeldsensor 16 wird die Oszillation des Resonanzkreises 17 entsprechend schwach gedämpft. Bei einem Magnetfeldsensor mit einer Schaltschwelle kann der Resonanzkreis 17 entsprechend unterbrochen oder geschlossen werden. Der Widerstandswert des Magnetfeldsensors kann als eine elektrisches Sensorgröße S angesehen werden.
  • Mithilfe einer Ausleseeinheit 50, die eine Detektionsspule 51 und eine damit verbundene Detektionseinheit 52 aufweist, kann die Oszillation in der Spule L des Resonanzkreises detektiert werden. Eine Amplitude der Schwingung des Resonanzkreises 17 hängt von dem Zustand des Magnetfeldsensors 16 ab, so dass über die Stärke eines Messsignals M, das über die Detektionsspule 51 in der Detektionseinheit 52 erkannt wird, auf die Ventilstellung des Füllventils 8 geschlossen werden kann.
  • Die Ausleseeinheit 50 kann z. B. in Form eines induktiven Näherungssensors oder dergleichen ausgebildet sein, womit in besonders einfacher Weise ein Resonanzkreis 17 mit geringer Dämpfung von einem Resonanzkreis 17 mit höherer Dämpfung unterschieden werden. Die Detektionseinheit 52 stellt entsprechend des Messsignals M ein Detektionssignal D zur Verfügung, das die Ventilstellung des betreffenden Füllventils 8 angibt. Insbesondere kann dazu das Messsignal M, das eine Amplitude eines in der Detektionsspule 51 empfangenen Schwingungssignals angibt, mithilfe eines Schwellenwertvergleichs ausgewertet werden, um die Ventilstellung als geöffnet oder geschlossen zu detektieren.
  • Ein solches Sensorsystem kann verwendet werden, um die Ventilstellung einer Abfüllanlage zu überwachen, insbesondere beim Reinigen von Behältern durch Einspritzen einer Reinigungsflüssigkeit. Das Sensorsystem ermöglicht durch das Aufsetzen des Sensormoduls auf die Einfülleinrichtung eine einfache Nachrüstung bestehender Anlagen, da lediglich ventilnah Sensormodule 15 angebracht und die Energie-Emitter 20 und die Ausleseeinheit 50 stationär nahe den sich vorbeibewegenden Einfülleinrichtungen 5 angeordnet werden müssen. Eine Stromversorgung der Sensormodule 15 muss daher nicht vorgesehen werden.

Claims (9)

  1. Sensorsystem zum Detektieren einer Ventilstellung eines Füllventils (8) insbesondere in einer Abfüllanlage, umfassend:
    - eine Trägeranordnung (4) konfiguriert zum zum Bewegen mindestens einer Einfülleinrichtung (5), wobei die mindestens eine Einfülleinrichtung (5) ein Füllventil (8) aufweist, um ein Medium einem zu füllenden Behälter (2) zuzuführen;
    - ein Sensormodul (15) verbindbar mit der mindestens einen Einfülleinrichtung (5) mit einer Energieempfangseinrichtung (30), die ausgebildet ist, um Energie drahtlos zu empfangen und als elektrische Energie bereitzustellen, mit einem elektrischen Energiespeicher (33), um die bereitgestellte elektrische Energie zu speichern, und mit einem Stellungssensor (16), der ausgebildet ist, um mithilfe der bereitgestellten elektrischen Energie eine Stellung des Füllventils (8) zu detektieren und eine entsprechende elektrische Sensorgröße (S) bereitzustellen;
    - eine ortsfeste Ausleseeinrichtung (50), die ausgebildet ist, um bei einem Vorbeibewegen der mindestens einen Einfülleinrichtung (5) ein von der elektrischen Sensorgröße (S) abhängiges Messsignal (M) zu erfassen und ein Detektionssignal (D) abhängig von dem Messsignal (M) bereitzustellen.
  2. Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei der elektrische Energiespeicher (33) eine Kapazität, insbesondere einen Superkondensator, einen Ultracap oder einen Gold-Cap umfasst.
  3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sensormodul (15) einen Resonanzkreis (17) aufweist, der ausgebildet ist, um eine Schwingung mithilfe der bereitgestellten elektrischen Energie auszuführen, wobei der Stellungssensor (16) so mit dem Resonanzkreis (17) gekoppelt ist, um die Schwingung des Resonanzkreises (17) abhängig von der Stellung des Füllventils (8) zu beeinflussen.
  4. Sensorsystem nach Anspruch 3, wobei der Stellungssensor (16) einen Magnetfeldsensor, insbesondere einen Hall-Sensor oder einen GMR-Sensor, umfasst, der für eine Magnetfeldänderung durch ein Bewegen eines beweglichen Ventilelements (9) des Füllventils (8) empfindlich ist, wobei der Stellungssensor (16) in dem Resonanzkreis (17) so eingesetzt ist, dass die Schwingung abhängig von der Stellung des Ventilelements (9) gedämpft wird.
  5. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ausleseeinrichtung (50) ausgebildet ist, um die Schwingung des Resonanzkreises (17) während des Vorbeibewegens der Einfülleinrichtung (5) mit dem Sensormodul (15) induktiv zu erfassen und über einen Schwellwertvergleich der Schwingungsamplitude und/oder der Schwingungsfrequenz die Stellung des Füllventils (8) zu detektieren.
  6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Energieempfangseinrichtung (30) ausgebildet ist, um Energie induktiv, als mechanische Energie oder mithilfe elektromagnetischer Strahlung zu empfangen.
  7. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein ortsfester Energie-Emitter (20) nahe der Trägeranordnung (4) so angeordnet ist, um Energie induktiv oder als elektromagnetische Strahlung zu übertragen.
  8. Abfüllanlage mit mehreren beweglichen Einfülleinrichtungen (5) zum Einfüllen einer Flüssigkeit in Behälter (2) und mit einem Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Schritten:
    - Bewegen der mindestens einen Einfülleinrichtung (5) vorbei an dem Sensormodul (15) an der mindestens einen Einfülleinrichtung (5), so dass Energie drahtlos empfangen wird und als elektrische Energie bereitgestellt wird,
    - Speichern der elektrischen Energie in einem elektrischen Energiespeicher (33)
    - Detektieren einer Stellung des Füllventils (8) mit dem Stellungssensor (16) mithilfe der bereitgestellten elektrischen Energie und Bereitstellen einer entsprechenden elektrischen Sensorgröße (S);
    - Erfassen des von der elektrischen Sensorgröße (S) abhängigen Messsignals (M) bei einem Vorbeibewegen der mindestens einen Einfülleinrichtung (5) an der ortsfesten Ausleseeinrichtung (50);
    - Bereitstellen des Detektionssignals (D) abhängig von dem Messsignal (M) in der Ausleseeinrichtung (50).
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