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DE102009017210A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Verunreinigungen in Schüttgütern - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Verunreinigungen in Schüttgütern Download PDF

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DE102009017210A1
DE102009017210A1 DE102009017210A DE102009017210A DE102009017210A1 DE 102009017210 A1 DE102009017210 A1 DE 102009017210A1 DE 102009017210 A DE102009017210 A DE 102009017210A DE 102009017210 A DE102009017210 A DE 102009017210A DE 102009017210 A1 DE102009017210 A1 DE 102009017210A1
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Fritz Kunkel
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Abstract

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.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.”
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Daher werden für die Qualitätskontrolle von Schüttgütern und insbesondere schüttfähiger Nahrungs- und Futtermittel zunehmend In-line-Messmethoden entwickelt.
  • Die DE 4119240 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung von Partikelgemischen, das einen Partikelstrom optoelektronisch abtastet, wobei Partikel einzeln den Sensor passieren.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die erfindungsgemäße kontinuierliche Erfassung beinhaltet eine Bilderfassung, bevorzugt mit einer digitalen Kamera, in vorgegebenen Zeitintervallen und eine zeitnahe rechnergestützte Auswertung dieser vorzugsweise digitalen Bilder.
  • 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.
  • 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.
  • Als vorteilhaft hat sich auch der Einbau einer Transportschnecke zur Zwangsförderung am Schüttgut-Austritt erwiesen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Bildanalyseeinheit räumlich getrennt von der Bilderfassungseinheit angeordnet und mit dieser online.
  • 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.
  • ”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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer geeigneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Stromteiler eine Stauklappe, deren Neigung mit einem Einstellmittel verändert werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • Das Fenster im Gehäuse ist aus einem geeigneten transparenten Material, wie beispielsweise Glas, Plexiglas etc.
  • In einer geeigneten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Referenzkarte für einen Weiß-Abgleich fest am Fenster installiert.
  • 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.
  • 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.
  • Bevorzugt weist das Schüttgut eine Größe von maximal 10 mm auf.
  • 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.
  • Ebenfalls bevorzugt weisen die Verunreinigungen des Schüttgutes eine Größe von mindestens 25 μm, insbesondere im Bereich von 50 μm bis 16 mm auf.
  • 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.
  • Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Schüttgut um ein Nahrungs- und/oder Futtermittel.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ”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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Verunreinigungen als Anzahl pro Flächeneinheit angegeben werden.
  • 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.
  • In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Farben primär auf Farbskalen im RGB-Farbraum bestimmt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem Schüttgut um ein Nahrungs- und/oder Futtermittel.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Verunreinigungen in Schüttgütern in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der 1a, 1b und 2 näher erläutert, ohne sie auf die dargestellten Ausführungsformen zu beschränken.
  • 1a zeigt den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
  • 1b zeigt den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 2.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In den 1a und 1b werden folgende Bezugszeichen verwendet:
  • 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
  • In 1a ist eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Blockdiagrammes.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Alle Messdaten sind so lückenlos erfasst und rückverfolgbar gespeichert. Grenzwerte lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren zeitnah und kontinuierlich kontrollieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • - DE 202005001438 U1 [0010]
    • - DE 29709234 U1 [0011]
    • - WO 85/04957 [0012]
    • - WO 92/18864 [0013]
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    • - ”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]

Claims (17)

  1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Erfassung von Verunreinigungen in Schüttgütern, bestehend aus A) einer Bilderfassungseinheit, die ein Inline-System bildet und ein Sichtfenster (2), eine Farbkamera (5) und eine Beleuchtungseinrichtung (6) umfasst, sowie B) einer Bildanalyseeinheit.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bestehend aus A) einer Bilderfassungseinheit, die ein Inline-System bildet und – ein Produktdurchlaufrohr (1) mit einem Sichtfenster (2), – einen im Produktdurchlaufrohr (1) befindlichen Stromteiler (7), – eine Farbkamera (5) und – eine Beleuchtungseinrichtung (6) umfasst, sowie B) einer Bildanalyseeinheit.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Bildanalyseeinheit räumlich getrennt von der Bilderfassungseinheit angeordnet und mit dieser online ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Farbkamera (5) und die Beleuchtungseinrichtung (6) in einem staubdichten Gehäuse (3) mit einem Fenster (4), das mit dem Sichtfenster (2) im Produktdurchlaufrohr (1) im Wesentlichen planparallel ist und sich wenigstens teilweise mit diesem deckt, angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der eine Referenzkarte für einen Weiß-Abgleich fest am Fenster (4) installiert ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schüttgut eine Größe von maximal 10 mm aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verunreinigungen des Schüttgutes eine Größe von mindestens 25 μm, insbesondere im Bereich von 50 μm bis 16 mm aufweisen.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Schüttgut um ein Nahrungs- und/oder Futtermittel handelt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Schüttgut um ein Getreideprodukt ausgewählt unter Korn, Schrot, Grieß, Dunst, Mehl, einem davon verschiedenen Getreideprodukt oder einer Mischung daraus handelt.
  10. 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.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Verunreinigungen als Anzahl pro Flächeneinheit angegeben werden können.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die Farben primär auf Farbskalen im RGB-Farbraum bestimmt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem in einem weiteren Schritt viii. parallel zu oder im Anschluss an Schritt vii. das jeweilige digitale Farbbild vom RGB- in den CIELAB-Farbraum transformiert wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei es sich bei dem Schüttgut um ein Nahrungs- und/oder Futtermittel handelt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei es sich bei dem Schüttgut um ein Getreideprodukt ausgewählt unter Korn, Schrot, Grieß, Dunst, Mehl, einem davon verschiedenen Getreideprodukt oder einer Mischung daraus handelt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Verunreinigungen unter Schalen, Kornbesatz, Schwarzbesatz, Mutterkorn, Fusarium, anderen die Qualität mindernden Verunreinigungen oder einer beliebigen Kombination daraus ausgewählt sind, wobei diese Verunreinigungen auch in zerkleinerter Form vorliegen können.
  17. Verfahren zum kontinuierlichen Erfassen von Verunreinigungen in Schüttgütern in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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