Entwicklung eines Ultraschall-Messsystems zur Qualitätsüberwachung von Lebensmittelprodukten

Motivation

Exakte Qualitätsstandards, streng geregelte Produktionspläne, wechselnde Vorlieben – Getränkehersteller sehen sich mit vielfältigen Anforderungen konfrontiert. Kontrollverfahren sind jedoch oft zeitintensiv. Hier besteht Bedarf an verlässlichen und zeitsparenden Messverfahren zur Sicherung der Qualität in der Lebensmittelindustrie.

Dichte und Schallgeschwindigkeit sind gute Beispiele dafür, wie die Physik der Messprinzipien funktioniert: So erhöht beispielsweise Alkohol die Schallgeschwindigkeit und verringert die Dichte. Der Extraktgehalt erhöht hauptsächlich die Dichte, hat aber nur leichten Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. Alle Zuckerarten beeinflussen die Dichte gleichermaßen und ermöglichen eine hochgenaue Messung des Gesamtextrakts. Die einzigen Prozessparameter, die Dichte und Schallgeschwindigkeit beeinflussen, sind Temperatur und Druck.

Ultraschallsensoren verwenden Schall anstelle von Licht. Daher spielt die Beschaffenheit des Zielobjekts – Material, Farbe, Struktur, Form – keine Rolle. Egal ob der Gegenstand nun transparent, spiegelnd oder gläsern ist, metallisch oder hölzern, fest, flüssig oder pulverförmig, in all diesen Fällen ermöglichen Ultraschallsensoren eine sichere und berührungslose Detektion. Diese Vielfältigkeit ist es auch, die sie von anderen Technologien unterscheidet. Wo beispielsweise induktive Sensoren nur Metallobjekte erfassen können und optische Sensoren Mühe mit transparenten, hochglänzenden, flüssigen oder schwarzen Objekten haben, erkennen Ultraschallsensoren nahezu jeden Gegenstand.

Neben ihrer Vielseitigkeit ist es aber auch die hohe Schmutztoleranz, die Ultraschallsensoren einen Vorteil gegenüber anderen Detektionstechnologien verschafft und selbst einen Einsatz in rauen Industrieumgebungen ermöglicht. Und auch hier ist es der Schall, der hört, nicht sieht, der den Unterschied macht. Denn weder Staub, Nebel noch Rauch beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit von Ultraschallsensoren. Selbst in feuchten Umgebungen arbeiten die Sensoren zuverlässig und präzise. Zum Vergleich: Bei optischen Sensoren können die genannten Umwelteinflüsse zu fehlerhaften Messergebnissen führen. Schließlich besteht bei Feuchte, Nebel- oder Staubbildung immer auch die Gefahr, dass der Lichtstrahl absorbiert oder gebrochen wird.

Stand der Technik

Mit diesen Eigenschaften ist Ultraschallsensorik wie geschaffen für Anwendungen mit hoher Schmutzbelastung, für die Füllstands- und Abstandsmessung sowie die Detektion transparenter, spiegelnder oder flüssiger Objekte. Häufig werden sie daher in der Getränke- und Lebensmittelindustrie eingesetzt, um PET-Flaschen oder durchsichtige Kunststoffbehälter zu erfassen. Typische Anwendungsfelder sind aber auch die Kollisionserkennung, die Höhenmessung sowie die An- und Abwesenheitsprüfung.

Zielstellung

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Ultraschall-Messsystems zur Qualitäts- überwachung von Lebensmittelprodukten, wie z. B. Säften und Trinkwasser.

Realisiert werden soll dies mittels berührungsloser Messung der Ultraschall-geschwindigkeit in den betreffenden Flüssigkeiten. Unterstützt wird das Vorhaben durch Drittleistung der SONOTEC GmbH in Halle. Mit der Messung der Ultraschall-Geschwindigkeit sollen Qualitätsveränderungen in flüssigen Lebensmitteln detektiert werden. Ziel ist die Qualitätsüberwachung durch Verpackungen hindurch, wie z.B. Saftflaschen. Das Messsystem soll flexibel hinsichtlich der Verpackungsmaterialien und -geometrie einsetzbar sein.

Die Ultraschallgeschwindigkeit ist abhängig von der stofflichen Zusammensetzung des Mediums. Daher muss die Qualität der Flüssigkeiten/Säfte im Vorfeld charakterisiert werden, um Veränderungen hinsichtlich der Ultraschallgeschwindigkeit als Maß für eine Qualitätssicherung nutzen zu können.

Saftproben werden mit herkömmlichen Methoden analysiert und die Ergebnisse mit dem geplanten Messverfahren verglichen. Der Einfluss der Probenmatrix ist essentiell, daher sind Laboruntersuchungen mit definiert eingestellten Störfaktoren vorgesehen.

Es erfolgt eine Bewertung der Störeffekte und die Fixierung von Grenzbereichen (Partikel, Störstoffe) für das Verfahren sowie als Hinweis für die Probenvorbereitung.

Durch wechselnde Probeneigenschaften der Flüssigkeiten ist keine eindeutige Zuordnung gegeben, so dass das Frequenzmuster des jeweiligen Zustands angelernt werden muss. Die Selbstkalibrierung des Systems bedeutet wissenschaftlich-technisches Neuland. Das damit verbundene Risiko ist hoch, aber lösbar, da die entsprechenden Kompetenzen beim Antragsteller vorhanden sind.

Laufzeit des Projektes vom 01.02.2022 bis 31.12.2022

Das Projekt wird gefördert durch: