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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Erfassung von Farbwerten in Schüttgütern, die
aus einer Bilderfassungseinheit und einer Bildanalyseeinheit besteht,
sowie ein Verfahren zum kontinuierlichen Auswerten von Farbwerten
in Schüttgütern, wobei sich Schüttgut
und Verunreinigungen farblich unterscheiden.
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Verunreinigungen
in Schüttgütern stellen ein erhebliches Qualitätskriterium
dar. Sie werden in der Regel als von der Farbe des reinen Schüttgutes
abweichende, also andersfarbige Flecken wahrgenommen. Sowohl die
Detektion von Fremdkörpern, wie beispielsweise Steinen,
Glasbruch, Metallen etc., in Schüttgütern vor
dem Verarbeiten der Rohstoffe als auch die Detektion von Verunreinigungen
in Schüttgütern vor der Weiterverarbeitung bzw.
dem Konfektionieren der Produkte sind zur Qualitätssicherung unerlässlich.
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Besonders
im Bereich der Nahrungs- und Futtermittel spielt die Beurteilung
schüttfähiger Produkte nach Farbe und Reinheit
eine wichtige Rolle, da minderwertige und/oder verunreinigte Produkte nicht
zum Verzehr gelangen dürfen.
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Die
für die Nahrungsmittelindustrie wichtigen Produkte Grieß und
Mehl werden nach Farbe und Reinheit bzw. nach Stippenzahl und Kleieanteil
beurteilt. Verunreinigungen werden als schwarze und braune Flecken
wahrgenommen und auch als ”dunkle Stippen” bezeichnet.
Sie sind mit bloßem Auge erkennbar und mit erhöhten
Ascheniveaus im Grieß oder Mehl verbunden. Der Begriff ”dunkle
Stippen” wird nach dem Beschluss des Durum- und Teigwarenausschusses
der Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung e. V. vom 30.03.1965 wie
folgt definiert: ”Solche Stippen sind dunkle Partikel in
Grieß oder körnigem Dunst, die beim Zerkleinern
von Schalen, hitzegeschädigten Weizenkörnen, dunkel
verfärbten Keimlingen oder Schwarzbesatz (Unkrautsamen, Ruß,
mineralische Verunreinigungen und dergleichen) entstehen. Normalgefärbte
Keimlingsteilchen gelten nicht als dunkle Stippen.”
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Zu
den ältesten Methoden der Grieß- und Mehlprüfung
gehört die Kontrolle mittels der Pekar-Probe. Der Name
stammt vom ungarischen Müller Pekar, der sich 1860 seine
Methode patentieren ließ. Aber auch schon davor untersuchte
man das (trockene) Mehl durch Flachdrücken auf Stippen
und Farbe. Die sensorische Prüfung auf einem Pekarbrett – trocken
und nass – ist heute noch Gegenstand sämtlicher
Kontrollen und das einfachste Mittel zur Produktionskontrolle, vgl.
Die Mühle + Mischfuttertechnik, Heft 51/52, 20.
Dezember 1990, Seite 710, Verlag Moritz Schäfer.
Diese visuelle Kontrolle auf Farbe und Reinheit sollte mindestens
alle 1 bis 2 Stunden von qualifiziertem Mühlenpersonal
(Müller) vorgenommen werden, um Qualitätsabweichungen frühzeitig
er kennen und entsprechende Maßnahmen rechtzeitig ergreifen
zu können. Oftmals werden diese Zyklen jedoch nicht eingehalten.
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Nachteilig
ist außerdem die subjektive Wahrnehmung des Prüfenden,
die von der Art der Beleuchtung, der psychischen Verfassung und
der Wahrnehmung von Farbe (ca. 8% der Männer und ca. 0,8%
der Frauen sind von einer Rot-Grün-Blindheit betroffen)
beeinflusst wird.
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Aufgrund
des hohen Produktdurchsatzes heutiger Anlagen und des geringen Personalstandes ist
es nicht immer möglich, alle Produkte zeitnah zu kontrollieren.
Durch einen Siebbruch kann es schnell zu großen Mengen
an verunreinigter Ware kommen. Solange Fehler bzw. unzulässige
Abweichungen vor der Auslieferung bemerkt werden, kann die Ware
gesperrt und gegebenenfalls nachproduziert werden. Es entstehen
in jedem Fall Verzögerungen in der Produktion und höhere
Kosten. Wurde die Ware bereits ausgeliefert, ist der wirtschaftliche
Schaden noch größer. Selbst bei geringen Qualitätsabweichungen, die
vom Personal meistens gar nicht erkannt werden, ergeben sich Gewinneinbußen.
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Daher
werden für die Qualitätskontrolle von Schüttgütern
und insbesondere schüttfähiger Nahrungs- und Futtermittel
zunehmend In-line-Messmethoden entwickelt.
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Die
DE 4119240 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung
von Partikelgemischen, das einen Partikelstrom optoelektronisch
abtastet, wobei Partikel einzeln den Sensor passieren.
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Die
DE 20 2005 001 438
U1 wiederum beschreibt eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Erfassung von Kenngrößen organischer Substanzen
in flüssigem, pastösen oder gasförmigen
Zustand mittels NIR-Spektrometer.
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In
der
DE 29709234 U1 wird
eine Zähleinrichtung zum Auszählen von Körnern
beschrieben. Saatgut wird dabei im freien Fall und vereinzelt von einer
optoelektronischen Kamera erfasst. Mit der Vorrichtung können
Farbe, Form, Korngröße und Krankheitsbefall erfasst
und Korngröße, -länge und Tausendkorngewicht
bestimmt werden.
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In
der
WO 85/04957 wird
eine Messvorrichtung zur kontinuierlichen Untersuchung von Mahlgütern
beschrieben, mit der der Protein- und Wassergehalt bestimmt wird.
Das Messgut wird zwangsgefördert und im Bereich des Messaufnehmers
verdichtet.
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Die
WO 92/18864 schließlich
beschreibt eine In-line NIR-Messung von schüttfähigen
Nahrungsmitteln. Mit ihrer Hilfe werden beispielsweise Protein-, Asche-
und Wassergehalt von Mehl bestimmt.
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Bei
den zuvor beschriebenen In-line NIR-Messungen werden Verunreinigungen
als solche nicht erfasst. Bei den bekannten optoelektronischen Verfahren,
die als In-line-Messungen erfolgen, wird eine Graustufenkamera verwendet,
mit der sich Farben nicht eindeutig unterscheiden lassen. Als unbefriedigend
für die Bildauswertung hat sich auch die Veränderung
des Kontrastes erwiesen. Durch eine Erhöhung des Kontrastes
werden helle Bereiche quasi zum Hintergrund. Ein weiterer Nachteil
ist der zur computergestützten Auswertung häufig
verwendete Algorithmus, bei dem die Summe der dunklen Punkte in
Prozent der Gesamtpunkte des Bildes angegeben wird. Das Ergebnis
lässt sich nicht ohne Weiteres auf die Werte einer visuellen
Laborzählung übertragen, weil beispielsweise eine
kleine Menge großer Verunreinigungen den gleichen prozentualen Anteil
wie eine große Menge kleiner Verunreinigungen ergeben kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein
Verfahren bereitzustellen, das Verunreinigungen in Schüttgütern
kontinuierlich und ohne aufwändige Probennahme erfasst,
zeitnah präzise Ergebnisse liefert, die mit den herkömmlichen
visuellen Laborverfahren kompatibel sind, und dabei einfach zu bedienen
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
zur kontinuierlichen Erfassung von Verunreinigungen in Schüttgütern
gelöst, die aus
- A) einer Bilderfassungseinheit
sowie
- B) einer Bildanalyseeinheit
besteht. Die Bilderfassungseinheit
bildet ein Inline-System und umfasst ein Sichtfenster, eine Farbkamera
und eine Beleuchtungseinrichtung.
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In
einer besonders geeigneten Ausführungsform bildet die Bilderfassungseinheit
ein Inline-System und umfasst ein Produktdurchlaufrohr mit einem Sichtfenster,
einen in diesem Produktdurchlaufrohr befindlichen Stromteiler, eine
Farbkamera und eine Beleuchtungseinrichtung.
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Die
Erfassung von Verunreinigungen beinhaltet im Rahmen der vorliegenden
Erfindung sowohl das qualitative Erkennen als auch die quantitative Evaluation
von Verunreinigungen. Das qualitative Erkennen von Verunreinigungen
erfolgt hier durch den Vergleich mit entsprechend für das
jeweilige Schüttgut festgelegten Qualitätsparametern.
Wird eine Abweichung von diesen Qualitätsparametern, wie
beispielsweise der Größe, der Farbe, der Form
etc., festgestellt, so wird diese Abweichung als Verunreinigung
gewertet. Die quantitative Evaluation erfolgt dann über
ein Auszählen dieser Abweichungen. Das Ergebnis kann als
absolute Anzahl, als bezogene Anzahl, beispielsweise bezogen auf
eine Gesamtanzahl, eine Bezugsfläche ein Bezugsvolumen
oder auf eine andere beliebige Bezugsgröße, als
prozentualer Anteil, wie beispielsweise ein Flächenanteil,
ein Volumenanteil, ein Gewichtsanteil etc., oder einer beliebigen
Kombination aus diesen Größen angegeben werden.
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Die
erfindungsgemäße kontinuierliche Erfassung beinhaltet
eine Bilderfassung, bevorzugt mit einer digitalen Kamera, in vorgegebenen
Zeitintervallen und eine zeitnahe rechnergestützte Auswertung dieser
vorzugsweise digitalen Bilder.
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Unter
einem Inline-System wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein
System verstanden, mit dem eine oder mehrere spezifische Größen (Messgrößen)
in einem Prozess kontinuierlich erfasst werden und wobei keine Probe
aus dem laufenden Prozess entnommen wird. Bei diesen Messgrößen handelt
es sich in der Regel um qualitätsrelevante Größen,
die mit einem anderen System ausgewertet werden können.
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Das
Produktdurchlaufrohr ist im Wesentlichen senkrecht angeordnet. Es
hat einen Schüttgut-Eingang an seinem oberen Ende und einen Schüttgut-Austritt
an seinem unteren Ende. Durch die senkrechte Anordnung ist keine
Zwangsförderung des Schüttgutes erforderlich.
Das Schüttgut bewegt sich aufgrund der Schwerkraft an der
Farbkamera vorbei bzw. durch den Bereich der Bilderfassung. In einer
geeigneten Ausführung haben der Schüttgut-Eingang
und -Austritt den gleichen Querschnitt. Das Verhältnis
der Querschnittsflächen von Schüttgut-Eingang
zu Produktdurchlaufrohr liegt im Bereich von 1:1 bis 1:100, bevorzugt
im Bereich von 1:1 bis 1:50, insbesondere im Bereich 1:1 bis 1:20. Besonders
bevorzugt liegt das Verhältnis der Querschnittsfläche
von Schüttgut-Eingang zur Querschnittsfläche des
Produktdurchlaufrohres im Bereich der Bilderfassung im Bereich von
1:2 bis 1:10.
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Als
vorteilhaft hat sich auch der Einbau einer Transportschnecke zur
Zwangsförderung am Schüttgut-Austritt erwiesen.
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Das
Produktdurchlaufrohr weist grundsätzlich eine beliebige
Geometrie auf und ist aus einem für den Anwendungsfall
geeigneten Material gefertigt. Im einem Bereich des Produktdurchlaufrohres muss
der Einbau eines planen Sichtfensters zur Bilderfassung möglich
sein. Daher hat das Produktdurchlaufrohr im Bereich der Bilderfassung
bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
des Schüttgutes. Des Weiteren bevorzugt ist das Produktdurchlaufrohr
in diesem Bereich aus einem festen Material gefertigt, wie beispielsweise
Stahlblech, einem festen Kunststoff etc. Das Sichtfenster ist im
Wesentlichen plan. Es ist in der Regel aus einem geeigneten transparenten Material,
wie beispielsweise Glas, Plexiglas etc. Das Produktdurchlaufrohr
wird entsprechend den Anforderungen, die das Schüttgut
stellt, ausgeführt. Die Auslegung eines solchen Bauteiles
ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Wichtig ist hierbei, dass sich
im Bereich des Schüttgut-Austritts keine Ablagerungen bilden,
die einen Produktsstau verursachen und das Ergebnis verfälschen
können.
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In
einer zweckmäßigen Ausführung wird der Gesamtstrom
des aufgegebenen Schüttgutes in einen Produktstrom, d.
h. einen Strom, der an der Inline-Messstelle zur Bilderfassung vorbeigeführt
wird, und einen Überlauf geteilt. Dazu wird in der Regel
ein Stromteiler eingesetzt. Der Stromteiler soll eine möglichst
gleichmäßige Strömung des Produktstromes an
der Inline-Messstelle zur Bilderfassung gewährleisten.
Unter einer gleichmäßigen Strömung des Produktstromes
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur verstanden,
dass der Produktstrom mit sowohl über die gesamte Dauer
der Messung als auch über die Breite des Sichtfensters
in etwa einheitlicher Geschwindigkeit den Bereich der Inline-Messstelle
passiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll darunter auch
verstanden werden, dass der Produktstrom eine innige und weitgehend homogene
Mischung des Schüttgutes ist und als kontinuierlicher Strom
die Inline-Messstelle passiert. Das bedeutet, dass der Produktstrom
nicht in Form vereinzelter Partikel an der Inline-Messstelle vorbeigeführt
wird.
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Bei
dem Stromteiler kann es sich um eine feste oder bewegliche Einrichtung
handeln. Beispielsweise handelt es sich um ein Blech, das parallel zur
Hauptströmungsrichtung des Schüttgutes oder in einem
Winkel zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen
0,5° und 70°, insbesondere zwischen 1° und 45° dazu
geneigt ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Stromteiler um ein
zur Hauptströmungsrichtung des Schüttgutes geneigtes
Blech. Der Stromteiler ist aus einem geeigneten festen Material,
wie beispielsweise Metall, Kunststoff, einem Verbundwerkstoff, einem
anderen Material oder Kombinationen daraus. Besonders bevorzugt
handelt es sich bei dem Stromteiler um ein in seiner Neigung zur
Hauptströmungsrichtung des Schüttgutes verstellbares
Blech, beispielsweise eine Stauklappe.
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Bei
der Farbkamera handelt es sich um eine optoelektronische Farbkamera,
mit der digitale Bilder für eine elektronische Datenverarbeitung
erhalten und ausgegeben werden können. Sie hat eine Auflösung
von mindestens 320×200 Pixel, beispielsweise im Bereich
von 320×200 Pixel bis 1920×1080 Pixel, vorzugsweise
im Bereich von 640×480 Pixel bis 1280×960 Pixel.
In einer möglichen Ausgestaltung kann es sich um eine CCD-Farb-Kamera
handeln. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann
es sich auch um eine CMOS-Farb-Kamera handeln.
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Bei
der Beleuchtungseinrichtung handelt es sich um eine für
den Anwendungsfall geeignete Beleuchtungseinrichtung. Sie kann unabhängig
von der Kamera angeordnet, an die Kamera angeschlossen oder in die
Kamera integriert sein. Beispielsweise handelt es sich um eine Kaltkathoden-
oder eine LED-Beleuchtungseinheit, bevorzugt um eine LED-Ringbeleuchtung.
Besonders bevorzugt ist sie direkt an die Kamera angeschlossen,
so dass nur eine Stromzuführung erforderlich ist.
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Die
Bildanalyseeinheit kann die von der Bilderfassungseinheit bereitgestellten
Daten auswerten, darstellen und speichern. Die Bildanalyseeinheit besteht
im Wesentlichen aus einem Rechner mit Monitor und Datenspeichermedium
und verfügt über bekannte Eingabemittel wie beispielsweise
Tastatur, Maus und/oder dergleichen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist die Bildanalyseeinheit räumlich getrennt
von der Bilderfassungseinheit angeordnet und mit dieser online.
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Durch
die räumliche Trennung von Bilderfassungs- und Bildanalyseeinheit
müssen keine aufwändigen Maßnahmen getroffen
werden, die in der Regel gegenüber äußeren
Einflüssen, wie Vibrationen, Schmutz, Staub, erhöhten
Temperaturen etc., empfindliche Bildanalyseeinheit zu schützen.
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”Online” in
diesem Zusammenhang bedeutet, dass eine kontinuierliche Datenübertragung
von der Bilderfassungs- zur Bildanalyseeinheit und die Auswertung
der übertragenen Daten noch während des Prozesses
erfolgen.
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Die
Bildanalyseeinheit kann in diesem Fall auch die Funktion einer Steuereinrichtung übernehmen.
Durch die ständige Verfügbarkeit der Datenübertragung
während des Prozesses vom Messort (Bilderfassungseinheit)
zum Anzeige-/Auswertungsort (Bildanalyseeinheit) kann der Datenfluss
auch umgekehrt werden. So können einzelne Parameter gegebenenfalls
während des Prozesses in der Bilderfassungseinheit verändert
werden und als entsprechende Stellgrößen, wie
z. B. Größe des Bildausschnittes, Auflösung,
Intervall zwischen den einzelnen Bildern, Weißabgleich
usw., an die Bilderfassungseinheit weitergegeben werden. Über
eine entsprechend gestaltete Nutzeroberfläche kann die
Bildanalyseeinheit als Steuereinheit in einfacher Weise auch zur
Bedienung der Zähleinrichtung genutzt werden.
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Durch
die räumliche Trennung von Bilderfassungs- und Bildanalyseeinheit
ist es außerdem möglich, mehrere Bilderfassungseinheiten
online mit einer Bildanalyseeinheit zu verbinden und so mehrere parallele
Prozesse zentral zu überwachen und/oder die Ergebnisse
der Analysen zu vergleichen.
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In
einer geeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist der Stromteiler eine Stauklappe, deren Neigung mit
einem Einstellmittel verändert werden kann.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind die Farbkamera und eine Beleuchtungseinrichtung
in einem staubdichten Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse
weist ein Fenster auf, das mit dem Sichtfenster im Produktdurchlaufrohr
im Wesentlichen planparallel ist und sich wenigstens teilweise mit
diesem deckt.
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Je
nach Art des Schüttgutes und den Gegebenheiten ist im Außenbereich
des Produktdurchlaufrohres keine staubfreie Umgebung gegeben. Um
die Funktion der Farbkamera und der Beleuchtungseinrichtung sowie
die Bildqualität nicht zu beeinträchtigen, ist
es in einer solchen Umgebung erforderlich oder zumindest von Vorteil,
diese Komponenten in einem staubdichten Gehäuse vor nachteiligen
oder schädigenden Umgebungseinflüssen zu schützen.
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Das
Fenster im Gehäuse ist aus einem geeigneten transparenten
Material, wie beispielsweise Glas, Plexiglas etc.
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In
einer geeigneten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist eine Referenzkarte für einen Weiß-Abgleich
fest am Fenster installiert.
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Mit
einer fest installierten Referenzkarte für den Weißabgleich
kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt oder zyklisch und/oder programmgesteuert
ein Weißabgleich vorgenommen werden. Die Referenzkarte
kann ein beliebiges weißes, flächiges Gebilde sein,
dass sich in einem Bereich des Fensters im Gehäuse befestigen
lässt. Die Referenzkarte ist bevorzugt ausgewählt
unter einer weißen Karte, beispielsweise aus einem Kunststoff,
einem Verbundwerkstoff, einem Metall oder einer Kombination daraus,
einer Folie, beispielsweise aus einem Kunststoff, Metall oder einem
geeigneten anderen Material, einem Farbauftrag oder einer geeigneten
Kombination daraus.
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Fest
installiert bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Referenzkarte
permanent an bzw. auf dem Fenster im oder außen am Gehäuse befestigt
ist. Sie kann mittels mechanischer Hilfsmittel, wie beispielsweise
Nieten, Schrauben, Stiften, Klammern etc., befestigt, aufgeklebt,
direkt auf das Fenster aufgetragen oder in das Material des Fensters
integriert sein. Bevorzugt ist die Referenzkarte innen auf das Fenster
im Gehäuse aufgeklebt.
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Bevorzugt
weist das Schüttgut eine Größe von maximal
10 mm auf.
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Die
Größe von Partikeln, sowohl des Schüttgutes
als auch der Verunreinigungen, bezeichnet im Rahmen der vorliegenden
Erfindung in der Regel einen Äquivalentdurchmesser, der
dem in einer Siebanalyse bestimmten Äquivalentdurchmesser
entspricht. Durch das quadratische Loch eines Siebes mit beispielsweise
1 mm Kantenlänge passen zum Beispiel eine Kugel mit 1 mm
Durchmesser, ein längliches Korn mit 1 mm Durchmesser und
ein Stift mit einem Durchmesser von 1 mm. Über die Diagonale des
Sieblochs gilt dieser Äquivalentdurchmesser ebenso für
ein flaches Partikel, beispielsweise in Form einer Münze,
mit einem deutlich größeren Durchmesser als 1
mm. Alle Partikel erhalten erfindungsgemäß den
gleichen Äquivalentdurchmesser von 1 mm.
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Ebenfalls
bevorzugt weisen die Verunreinigungen des Schüttgutes eine
Größe von mindestens 25 μm, insbesondere
im Bereich von 50 μm bis 16 mm auf.
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Da
die Verunreinigungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch über
ihre Größe definiert werden können, können
Verunreinigungen erfasst werden, die erheblich größer
als die einzelnen Partikel des reinen Schüttguts sind.
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Besonders
bevorzugt handelt es sich bei dem Schüttgut um ein Nahrungs-
und/oder Futtermittel.
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Insbesondere
handelt es sich bei dem Schüttgut um ein Getreideprodukt
ausgewählt unter Korn, Schrot, Grieß, Dunst, Mehl,
einem davon verschiedenen Getreideprodukt oder einer Mischung daraus.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise
im Bereich der Mühlenführung zur automatischen Überwachung
der Endprodukte eingesetzt, kann aber auch individuell zur Qualitätsbeurteilung
von Back- und Spezialmehlen oder Weizengrieß z. B. bei
der Wareneingangskontrolle eingesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch
für das Erkennen und Zählen jeder Art von andersfarbigen
Partikeln in einem Schüttgut-Gemenge verwendet werden.
Daher lässt sich die Erfindung auch zur Kontrolle ganzer
Körner und zur Überwachung der Grenzwerte von
Fusarium oder Mutterkorn in einer Getreidemischung einsetzen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich außerdem
in ein HACCP-System integrieren, das wiederum Teil eines Qualitätsmanagementsystems sein
kann. HACCP steht für ”Hazard Analysis and Critical
Control Points” und ist ein Überwachungsverfahren,
das das Minimieren vom Produkt ausgehender gesundheitlicher Gefahren
und das Gewährleisten der gesundheitlichen Unbedenklichkeit
zum Ziel hat.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum kontinuierlichen
Erfassen von Verunreinigungen in Schüttgütern,
wobei sich Schüttgut und Verunreinigungen farblich unterscheiden,
bei dem
- i. eine erste Farbskala als Bezugs-Farbskala
für das zu untersuchende Schüttgut erstellt wird;
- ii. Verunreinigungen für dieses Schüttgut
auf einer zweiten Farbskala als Vergleichs-Farbskala definiert werden;
- iii. das zu untersuchende Schüttgut in einen Produktstrom
und einen Überlauf geteilt wird;
- iv. der Produktstrom an einer Farbkamera vorbeigeführt
wird;
- v. in definierten zeitlichen Abständen jeweils ein digitales
Farbbild vom Produktstrom gemacht wird;
- vi. die digitalen Farbbilder einer Bildanalyse zugeführt
werden; und
- vii. Verunreinigungen im Schüttgut als farbliche Abweichungen
der Vergleichs-Farbskala von der Bezugs-Farbskala auf dem jeweiligen
Farbbild erkannt und ausgewertet werden.
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”Sich
farblich zu unterscheiden” bedeutet im Sinne der vorliegenden
Erfindung, dass die Farben einzelner Bestandteile bzw. Partikel
mit dem normalen menschlichen Auge ohne weitere Hilfsmittel unterschieden
werden können.
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Farbskalen
können anhand unterschiedlicher Farbmodelle und/oder in
unterschiedlichen Farbräumen definiert werden, wie beispielsweise
anhand des RGB-, CMY-, CMYK-, HSV-HLS-Farbmodells oder beispielsweise
im LMS-, XYZ-, CIELAB-Farbraum. Da es sich um ein kontinuierliches
Verfahren mit einer digitalen Bilderfassung und rechnergestützten
Auswertung handelt, werden die Farbskalen bevorzugt in einem Farbraum
definiert, der üblicherweise für Farbmonitore
und Digitalkameras verwendet wird, insbesondere in einem der RGB-Farbräume.
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Hier
und im Folgenden bedeutet Farbmessung die Erfassung der Helligkeit
von z. B. Mehl oder Grieß bzw. die Erfassung der Farben
im RGB-Farbraum und die Umrechnung der Farbwerte in den CIELAB-Farbraum.
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Die
Farbskalen können für ein spezielles Produkt als
Referenzdaten vor Beginn der Messungen eingegeben und in einer entsprechenden
Datei zur Wiederverwendung abgelegt werden, oder sie können
einfach aufgerufen werden, sofern sie bereits angelegt sind.
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Das
zu untersuchende Schüttgut wird in einen Produktstrom und
einen Überlauf geteilt, um einen gleichmäßigen
Produktstrom im Bereich der Farbkamera zu erhalten. Unter einer
gleichmäßigen Strömung des Produktstromes
wird hier nicht nur verstanden, dass der Produktstrom mit sowohl über
die gesamte Dauer der Messung als auch über die Breite des
Bildausschnittes in etwa einheitlicher Geschwindigkeit den Bereich
der Farbkamera passiert. Darunter soll auch verstanden werden, dass
der Produktstrom kontinuierlich ist und nicht abreißt.
So werden von der Farbkamera keine vereinzelter Partikel sondern
ein zusammenhängendes Partikel-Gemenge erfasst.
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Die
zeitlichen Abstände, in denen jeweils ein digitales Farbbild
vom Produktstrom gemacht wird, ergeben sich aus der gewünschten
Anzahl an Messungen, den Fließeigenschaften des Produktes,
der Größe des Bildausschnittes und/oder der gegebenenfalls
gewünschten Übertragbarkeit auf die konventionellen
Labormethoden. Zwischen den einzelnen Bildern kann eine Pause von
variabler Länge eingestellt werden, um zu vermeiden, dass
das gleiche Bild oder Teile eines Bildes zweimal aufgenommen werden.
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Die
eigentliche Bildanalyse beinhaltet das Erkennen farblicher Abweichungen
und die entsprechende Auswertung. Sie erfolgt softwaregestützt
unter Nutzung digitaler Bildverarbeitungsmethoden, die durch einen
speziellen Algorithmus der visuellen Zählung nachempfunden
sind. Als Ergebnisse stehen dann Anzahl der Verunreinigungen und
Farbwerte der Proben zur Verfügung. Die Abspeicherung der Messergebnisse,
die Mittelwertbildung, Darstellung und Protokollierung der erhaltenen
Werte wird programmgesteuert auf einem entsprechenden Datenträger
vorgenommen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung können die Verunreinigungen als Anzahl pro
Flächeneinheit angegeben werden.
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Die
gebräuchlichste Art der Zählung ist eine visuelle
Zählung, wie sie in "Standard-Methoden
für Getreide Mehl und Brot; Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung;
Verlag Moritz Schäfer; 6. erweiterte Auflage; Detmold 1978;
Seite 58; Ermittlung der Anzahl dunkler Stippen in Grieß" beschrieben
ist.
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In
einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die Farben primär auf Farbskalen im RGB-Farbraum
bestimmt.
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Der
RGB-Farbraum ist ein technisch-physikalisches Modell, das den Farbreiz
aus realen oder idealisierten farbgebenden Stoffen erzeugt. Anwendungsbereiche
sind vor allem Computermonitore, Digitalkameras und Internetstandard.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird in einem weiteren Schritt viii. parallel zu oder
im Anschluss an Schritt vii. das jeweilige digitale Farbbild vom
RGB- in den CIELAB-Farbraum transformiert.
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Der
CIELAB-Farbraum ist psychometrisch orientiert und umfasst alle wahrnehmbaren
Farben. Das Modell ist objektiv und wird zugleich dem menschlichen
Wahrnehmungsvermögen nahezu gerecht, indem es den geometrischen
Abstand zwischen zwei Farben im Farbraum dem menschlichen Wahrnehmungsvermögen
anzupassen versucht. Der CIELAB-Farbraum bietet zudem eine größere
Auswahl von Farbtönen als der RGB-Farbraum an.
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Nach
dem Stand der Technik wird die Farbe mit Hilfe eines Minolta Farbmessgerätes
CR-210 o. ä. im Farbraum CIELAB bestimmt. Diese Art der Farbmessung
kann nur im Labor und somit nicht zeitnah in staubiger Umgebung
der Anlage erfolgen.
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Um
den erfindungsgemäßen Analysenvorgang mit den
konventionellen Labormethoden umfassend und reproduzierbar vergleichen
zu können, werden die erhaltenen Farbwerte nicht nur im RGB-Farbraum
sondern auch in dem der menschlichen Wahrnehmung besser entsprechenden CIELAB-Farbraum
zur Verfügung gestellt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens handelt es sich bei dem Schüttgut um ein Nahrungs-
und/oder Futtermittel.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Schüttgut
um ein Getreideprodukt ausgewählt unter Korn, Schrot, Grieß,
Dunst, Mehl, einem davon verschiedenen Getreideprodukt oder einer
Mischung daraus.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise im
Bereich der Mühlenführung zur automatischen Überwachung
der Endprodukte eingesetzt, kann aber auch individuell zur Qualitätsbeurteilung
von Back- und Spezialmehlen oder Weizengrieß z. B. bei
der Wareneingangskontrolle eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann jedoch auch für das Erkennen und Zählen
jeder Art von andersfarbigen Partikeln in einem Schüttgut-Gemenge verwendet
werden. Daher lässt es sich auch zur Kontrolle ganzer Körner
und zur Überwachung von Grenzwerten in einer Getreidemischung
einsetzen.
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In
einer speziellen Ausgestaltung sind die Verunreinigungen unter Schalen,
Kornbesatz, Schwarzbesatz, Mutterkorn, Fusarium, anderen die Qualität
mindernden Verunreinigungen oder einer beliebigen Kombination daraus
ausgewählt. Dabei können diese Verunreinigungen
auch in zerkleinerter Form vorliegen.
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Unter
Kornbesatz werden Verunreinigungen des Getreides bzw. des Getreideproduktes
wie beispielsweise Schmachtkorn, Fremdgetreide, überhitzte
Körner, Keimverfärbungen, durch Schädlingsfraß oder
durch Hitze oder Trocknung geschädigte Körner verstanden.
Unter Schwarzbesatz werden Verunreinigungen des Getreides bzw. des
Getreideproduktes wie beispielsweise Unkrautsamen, verdorbene Körner,
Verunreinigungen, Spelzen, Brandbutten, tote Insekten und Insektenteile
verstanden.
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Da
das erfindungsgemäße Verfahren für das Erkennen
und Zählen jeder Art von andersfarbigen Partikeln in einem
Schüttgut-Gemenge verwendet werden kann, lässt
es sich speziell auch zur Überwachung der Grenzwerte von
Fusarium und/oder Mutterkorn in einer Getreidemischung einsetzen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die Verunreinigungen in Schüttgütern
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der 1a, 1b und 2 näher
erläutert, ohne sie auf die dargestellten Ausführungsformen
zu beschränken.
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1a zeigt
den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
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1b zeigt
den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß Anspruch 2.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
den 1a und 1b werden
folgende Bezugszeichen verwendet:
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- 1
- Produktdurchlaufrohr
- 2
- Sichtfenster
- 3
- Gehäuse
- 4
- Fenster
- 5
- Farbkamera
- 6
- Beleuchtungseinrichtung
- 7
- Stromteiler
bzw. Stauklappe
- 8
- Überlauf
- 9
- Einstellmittel
bzw. -schraube
- 10
- Bildanalyseeinheit
- 11a
- Schüttgut-Eingang
- 11b
- Schüttgut-Austritt
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In 1a ist
eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dargestellt.
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Die
in 1b dargestellte Vorrichtung umfasst ein senkrecht
angeordnetes, staubdichtes Produktdurchlaufrohr 1 mit einem
rechteckigen Querschnitt. An seinem oberen Ende befindet sich der Schüttgut-Eingang 11a und
an seinem unteren Ende der Schüttgut-Austritt 11b.
Im Produktdurchlaufrohr 1 befindet sich eine Stauklappe 7,
die das Schüttgut in einen Produktstrom und einen Überlauf 8 teilt.
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Das
Produktdurchlaufrohr 1 weist ein Sichtfenster 2 auf,
auf dessen Höhe sich ein staubdichtes Gehäuse 3 befindet.
In diesem sind eine optoelektronische Kamera 5 und eine
Beleuchtungseinrichtung 6 angeordnet. Auf der dem Produktdurchlaufrohr
zugewandten Stirnseite des Gehäuses, die kleiner als das
Sichtfenster 2 ist, ist ein Fenster 4 angeordnet. Das
Fenster 4 ist mit dem Sichtfenster 2 im Produktdurchlaufrohr 1 planparallel.
Mit der Beleuchtungseinrichtung 6 wird der Produktstrom
beleuchtet, während die optoelektronische Kamera 5 Farbbilder
vom vorbeiströmenden Produktstrom aufnimmt. Das Gehäuse 3 und
die darin angeordneten Komponenten sind so ausgerichtet, dass eine
gleichmäßige Ausleuchtung des am Sichtfenster 4 vorbeilaufenden Produktstromes
gewährleistet ist.
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Über
eine von außen verstellbaren Einstellschraube 9 kann
die Geschwindigkeit des Produktstromes eingestellt werden. Die Stauklappe 7 wird mit
Hilfe der Einstellschraube 9 so eingestellt, dass der Produktstrom
gleichmäßig vor dem Sichtfenster 4 bzw.
dem Fenster 2 vorbeiströmt.
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Unterhalb
der Stauklappe 7 werden der Produktstrom und der Überlauf 8 wieder
zusammengeführt und treten durch den Schüttgut-Austritt 11b aus der
Vorrichtung aus. Von dort kann das Schüttgut einer Weiterverarbeitung
und/oder Konfektionierung zugeführt werden.
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Ausgangsseitig
steht die optoelektronische Kamera 5 mit einer Bildanalyseeinheit 10 in
Verbindung. Die Bildanalyseeinheit 10 besteht aus einem Computer
mit Monitor und Datenspeichermedium und verfügt über
bekannte Bedien- bzw. Eingabemittel wie Tastatur, Maus etc.
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2 veranschaulicht
das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Blockdiagrammes.
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Vor
Beginn der Messung werden über das Bildschirmmenü der
Bildanalyseeinheit die relevanten Qualitätsparameter entsprechend
der jeweiligen Produkt- und/oder Kundenspezifikation eingestellt. Die
Einstellung der Parameter umfasst die Definition der Bezugs-Farbskala
für das zu untersuchende Produkt, die Definition der Vergleichs-Farbskala
für die relevanten Verunreinigungen, gegebenenfalls den Größenbereich
der Verunreinigungen, einen Weißabgleich sowie mögliche
Farbkorrekturen.
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Diese
Parameter können jeweils auch als Datensatz anlegt werden,
so dass für ein Produkt und/oder für einen Kunden
die gleichen Spezifikationen und Vergleichswerte immer wieder zur
Verfügung stehen und entsprechend zu Beginn einer Messung
lediglich aufgerufen werden müssen. Die Parameter können
jederzeit manuell neu eingegeben oder verändert werden.
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Vor
Beginn der Messung wird ebenfalls festgelegt, in welchen zeitlichen
Abständen ein Farbbild aufgenommen und analysiert und aus
wie vielen aufeinanderfolgen Farbbildern ein Mittelwert gebildet werden
soll.
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Eine
Messung umfasst eine Vielzahl von Messzyklen. Ein Messzyklus lässt
sich anhand des in 2 dargestellten Blockdiagrammes
veranschaulichen:
In der Bilderfassungseinheit wird von dem
kontinuierlich vorbeiströmenden Produktstrom in den vorher festgelegten
zeitlichen Abständen mit einer digitalen Farbkamera unter
Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung ein digitales Farbbild
erstellt.
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Das
digitale Farbbild wird zur Bildanalyseeinheit weitergeleitet. Dort
wird es als 24-bit-Farbbild im RGB-Farbraum anhand der vorgegebenen
Parameter angepasst und gefiltert. Das umfasst optional folgende
Komponenten: einen Weißabgleich durchzuführen,
die Helligkeit zu überprüfen und Farben gemäß der
Bezugs-Farbskala zu korrigieren. Die Einzelbild-Daten werden an
dieser Stelle zwischengespeichert.
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Anschließend
wird das digitale Farbbild durch Vergleich der einzelnen Pixel mit
den Farbskalen binarisiert. Dabei bleibt der Ausschnitt unverändert.
Verunreinigungen werden gemäß der Vergleichs-Farbskala
als farbliche Abweichung erkannt und in einer digitalen Rastergrafik
dargestellt, die als 8-bit-Binärbild abgebildet und abgespeichert
wird. Die Auszählung der Verunreinigungen erfolgt mit Bezug
auf die vorher gemachten Größenvorgaben. Die einzelnen
Verunreinigungen werden farblich nicht weiter differenziert sondern
insgesamt aufsummiert. Sie können anschließend
in einen prozentualen (Flächen-)Anteil umgerechnet werden.
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Parallel
dazu werden die Farbwerte des Farbbildes, das im RGB-Farbraum erfasst
und abgebildet wird, für jedes Pixel aufsummiert und gemittelt. Im
Schritt ”Farbmessung” werden diese Werte vom RGB-Farbraum
in den CIELAB-Farbraum transformiert und visualisiert.
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Wenn
eine vorgegebene Fläche nach der entsprechenden, vorher
festgelegten Anzahl von Einzelbildern fertig vermessen worden ist,
werden aus den temporären Farb-Werten Mittelwerte gebildet und
die Verunreinigungen aufsummiert. Alle Daten werden in der Datenbank
gespeichert und visualisiert, so dass sie anschließend
jederzeit in Form von Tabellen und Kurven abrufbar sind. Alle temporären Werte
werden auf Null gesetzt und ein neuer Messzyklus beginnt.
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Alle
Messdaten sind so lückenlos erfasst und rückverfolgbar
gespeichert. Grenzwerte lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren
zeitnah und kontinuierlich kontrollieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4119240
A1 [0009]
- - DE 202005001438 U1 [0010]
- - DE 29709234 U1 [0011]
- - WO 85/04957 [0012]
- - WO 92/18864 [0013]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Mühle
+ Mischfuttertechnik, Heft 51/52, 20. Dezember 1990, Seite 710,
Verlag Moritz Schäfer [0005]
- - ”Standard-Methoden für Getreide Mehl und
Brot; Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung; Verlag Moritz Schäfer;
6. erweiterte Auflage; Detmold 1978; Seite 58; Ermittlung der Anzahl
dunkler Stippen in Grieß” [0059]