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Ein Ultraschallsensor im Hygienic Design prüft die korrekte Befüllung von Tiefziehschalen vor deren Versiegelung. Bild: Pepperl+Fuchs
Ultraschallsensoren

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Zuverlässige Verpackungsfüllung

Text: Carsten Heim, Pepperl+Fuchs
Normale Ultraschallsensoren sind zum Messen des Füllstands von Lebensmittelverpackungen aufgrund ihrer Reinigungsfähigkeit nur bedingt einsetzbar. Eine neue Technologie macht eine Kapselung der Geräte möglich, die so ohne Leistungsverlust die hygienischen Anforderungen erfüllen.

In vielen hygienischen Anwendungen ist die Messung des Füllstands von entscheidender Bedeutung. So wird zum Beispiel der Inhalt von Tiefziehschalen in der Lebensmittelindustrie vor dem Versiegeln durch eine Füllstandmessung überprüft. Die Schalen können sehr unterschiedliche Waren enthalten, etwa Fleischprodukte, Gemüse, Obst, Pilze, Nüsse oder verarbeitete Lebensmittel. Die Oberflächen sind unregelmäßig, Farben und Formen variieren stark. Optische Sensoren, die eine berührungslose Füllstandmessung erlauben, stoßen in solchen Fällen schnell an physikalische Grenzen. Außerdem tolerieren sie keine Verschmutzung und erfassen das Zielobjekt in der Regel nur punktförmig. So können etwa leere Zwischenräume in der abgefüllten Ware leicht zu Fehlmessungen führen.

Ultraschall ist daher bei Oberflächen mit schwierigen optischen Eigenschaften das Messprinzip der Wahl. Bisher waren Ultraschallsensoren in hygienischen Anwendungen allerdings zwei Einschränkungen unterworfen. Zum einen vertragen die Schallmembranen von Standardsensoren nicht alle gängigen Reinigungsmethoden, die zum Einsatz kommen. Zum anderen ging eine Vollkapselung der Sensoren bisher mit starken Einbußen in der Leistung einher.

Hygienische Lösung unproblematisch

Ultraschallwellen können unabhängig von Form, Farbe, Konturen oder Material praktisch alle Objekte erfassen. Sie sind störungsresistent und erfüllen ihre Aufgabe auch bei spiegelnden Oberflächen sowie beim Vorherrschen von Nebel oder Dämpfen. Ultraschallsensoren sind zudem bauartbedingt unempfindlich gegen Feuchtigkeit, Spritzwasser sowie Anhaftungen und damit praktisch gegen jede Art von Verschmutzung resistent.

Ihr keulenförmiger Sende- und Empfangsbereich, die sogenannte Schallkeule, erfasst nicht einen einzelnen Punkt, sondern eine größere Fläche, die zudem an die Anwendung angepasst werden kann. So können auch unregelmäßige Oberflächen detektiert werden. Diese prinzipiellen Stärken machen die Ultraschallsensorik in vielen Anwendungen zum idealen Messverfahren, nicht zuletzt in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie.

Dort kann jedoch die schallerzeugende und -empfangende Membran, die dem Prozess zugewandt ist, im Hinblick auf die Hygiene zu einem kritischen Punkt werden. Sie besteht meist aus einem Gemisch von Glashohlkugeln und Epoxidharz, das von Polyurethanschaum umschlossen wird. Dieser Verbund verträgt nicht alle gängigen Reinigungschemikalien, auch Dampfstrahlen ist nicht möglich. Werden solche Geräte in hygienischen Anwendungen eingesetzt, muss der Reinigungsprozess darauf abgestimmt sein, was erheblichen Aufwand erfordern kann. Es ist zwar möglich, die Membran zusätzlich durch eine Folie aus Polytetrafluorethylen (PTFE) zu schützen, doch entstehen aus ihrer Befestigung neue Hygiene-Probleme.

Die optimale hygienische Lösung besteht darin, den Sensor in einem Edelstahlgehäuse einzukapseln. Das führt bei herkömmlicher Technologie jedoch zu einem Verlust an Leistungsfähigkeit. Die Reichweite der Schallwellen, die zunächst das Gehäusematerial durchdringen müssen, wird kürzer. Zugleich wird der nicht nutzbare Bereich direkt vor dem Sensor (Blindbereich) größer, der verbleibende Messbereich klein.

Aus diesen Gründen wurden vollgekapselte Sensoren für hygienische Anwendungen bislang kaum angeboten. In hygienischen Umgebungen kommen stattdessen modifizierte Standardsensoren zum Einsatz, deren Reinigung zusätzlichen Aufwand erfordert. Außerdem sinkt die Lebenserwartung solcher Standardsensoren in diesem Umfeld. Grundsätzlich könnten auch Sensoren mit anderen Messprinzipien verwendet werden. Doch sie bieten nicht die Vorteile des Ultraschalls und können im Hinblick auf die Hygiene andere Probleme aufwerfen.

Volle Leistung trotz Vollkapselung

Eine produktionstechnische Neuerung löst jetzt dieses Dilemma auf. Sie ermöglicht es, eine Membran aus Edelstahl durch Laserschweißen am Sensorgehäuse zu befestigen. Dieses Verfahren wurde von Pepperl+Fuchs entwickelt. Es wird bei allen lebensmitteltauglichen Ultraschallsensoren des Unternehmens eingesetzt – Baureihen UMB800 und UMC3000. Dank dieser Methode sind die Sensoren einerseits vollständig hygienisch verkapselt und erreichen andererseits trotzdem den gleichen Leistungsumfang wie Standard-Ultraschallsensoren. Die Geräte der kleineren Baureihe verfügen beispielsweise über einen Messbereich von mehr als 700 mm, bei einer Blindzone von nur 70 mm und einer Reichweite von 800 mm. Die millimetergenaue Auflösung erlaubt Grenzschaltungen mit feiner Differenzierung. Zudem lassen sich dank der neuen Technologie kleine Außenmaße erreichen. Die kompakte Form der kleineren Baureihe erlaubt die Integration bei engen Verhältnissen - dies ist auch in bestehenden Maschinen und Anlagen von Vorteil.

Reinigung und Zulassungen

In hygienekritischen Anwendungen, besonders in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, herrschen strenge regulatorische Vorgaben. Hier sind in erster Linie die Richtlinien der European Hygienic Engineering and Design Group (EHEDG) sowie der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zu nennen. Unter anderem gibt es Richtwerte für die Oberflächenbeschaffenheit und das Design sowie Vorgaben für Dichtungen und Anschlüsse. Im Wesentlichen geht es bei den Vorschriften und Zertifizierungen immer darum, Anhaftung und Wachstum von Mikroorganismen so wirksam wie möglich zu verhindern.

Die Sensorgehäuse der lebensmitteltauglichen Ultraschallsensoren von Pepperl+Fuchs sind deshalb vollständig aus V4A-Edelstahl gefertigt. Die geringe Rautiefe des Materials von 0,8 µm auf der gesamten Gehäuseoberfläche minimiert das mikrobielle Kontaminationsrisiko und erfüllt die Anforderungen von EHEDG und FDA. Die Außenhaut ist spaltfrei verarbeitet und hermetisch dicht. Damit widerstehen die Sensoren sowohl einer Dampfstrahlbehandlung als auch aggressiven Reinigungsmitteln. Werden solche Sensoren in eine bestehende Anlage eingebaut, können die gewohnten Reinigungsprozesse unverändert bleiben. Die Zertifizierungen erlauben den Einsatz in der produktberührenden Zone.

Typische Anwendungen

Bei der Verpackung von Lebensmitteln in Tiefziehschalen wird vor dem Versiegeln geprüft, ob die Schale das gewünschte Produkt auch tatsächlich enthält. Ultraschallsensoren erkennen die Ware unabhängig von Form, Farbe und Beschaffenheit. Flüssigkeiten und Granulate werden oft aus Vorlagebehältern in die Konsumverpackung gefüllt. Solche Abfüllprozesse gibt es in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowie in der Chemie. Für einen kontinuierlichen Prozess ist eine ausreichende Füllhöhe notwendig. Kompakte Ultraschallsensoren können auch in kleinere Vorlagebehälter eingebaut werden. Eine Außenhaut aus V4A-Edelstahl ist gegen fast alle Chemikalien und aggressive Dämpfe unempfindlich. Gekapselte Ultraschallsensoren können daher zum Beispiel auch in Vulkanisierprozessen bei der Reifenherstellung eingesetzt werden.

Hermetisch gekapselte Ultraschallsensoren

Das Aufbringen einer Edelstahlmembran auf dem Gehäuse eines Ultraschallsensors durch Laserschweißen hat ein messtechnisches Dilemma gelöst. Ultraschallsensoren werden damit hermetisch gekapselt und können uneingeschränkt in Umgebungen mit hohen Anforderungen an Hygiene und Reinigungsfähigkeit eingesetzt werden. Sie widerstehen allen gängigen Reinigungsmethoden. Zugleich behalten sie ihren vollen Leistungsumfang und können die bauartbedingten Stärken der Ultraschallsensorik nutzen. Damit werden neue Möglichkeiten für Anwendungen in hygienischer Umgebung oder beim Umgang mit aggressiven Medien eröffnet.

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