Erfolgreiche Entwicklung eines Hochdrucktemperatursensors
AiF geförderten Projekts AiF 16114N „Modellbasierte Optimierungsstrategien zur automatisierten Hochdruckhaltbarmachung von Lebensmitteln am Beispiel von Fleischerzeugnissen“
Bei der Haltbarmachung von Lebensmitteln gewinnt die Hochdruckpasteurisation stetig an Bedeutung. Als nicht thermische Technologie sind Hochdruckpasteurisierungsverfahren dazu geeignet Lebensmittel frei von Konservierungsstoffen haltbar zu machen. Innerhalb des Projekts wurde beim Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik e.V. (DIL) ein System zur Drahtlosen online Übertragung von Temperaturänderungen erfolgreich entwickelt und in Betrieb genommen.
Das Besondere an dem System sind die extremen Bedingungen unter denen eine Datenerfassung erfolgen kann. Das Messsystem arbeitet auch bei einem Außendruck von mehr als 600MPa. Der applizierte hydrostatische Druck ist rund sechsmal so hoch wie der Druck am tiefsten Meerespunkt unseres Planteten und entspricht dem einer Wassersäule von etwa 60 Kilometern Höhe. Die schwelende Belastung des immer wiederkehrenden Druckaufbaus strapaziert die speziellen Stähle bis an den Rand Ihrer Leistungsfähigkeit. Deshalb sind Kabeldurchführungen in industrielle Hochdrucktanks derzeit nicht sicher genug und können nicht genutzt werden. Es sind nur kabellose Signalübertragungswege möglich.
Da der Hochdrucktank auch ein „Faraday’scher Käfig“ ist, können keine elektromagnetischen Sender, wie man sie z.B. aus dem Mobilfunk kennt, Anwendung finden. Für eine kabellose Übertragung der Messdaten wird bei diesem Messsystem Ultraschalltechnik (> 20kHz) eingesetzt. Zur Signalübertragung wurde ein Ultraschallsender-Empfängersystem konzipiert, das in einem Frequenzbereich oberhalb des Spektrums der im Betrieb befindlichen Hochdruckpasteurisationsanlage arbeitet (35kHz) und schon während des Druckaufbaus Temperaturänderungen kleiner 0,1°C sicher überträgt.
Die Präzision ist möglich weil die Messwerte in analoger Form erfasst werden und für die Signalübertragung ein hoher Frequenzbereich zur Verfügung steht. Korrespondierend zur Messwertwandlung dient ein im Projekt entwickeltes Außenmikrofon zum Erfassen der gesendeten akustischen Signale. Insgesamt kann ein Frequenzbereich von mehr als 55kHz genutzt werden.
Mit Hinblick auf die zur Verfügung stehenden Auswertetechnologien, welche Frequenzänderungen in Sekundenbruchteilen auflösen können, erscheint die Ausbaufähigkeit für die Anwendung mit mehreren Sensoren als durchaus gegeben. Zur Datenerfassung dient ein System aus einem handelsüblichen PC mit einem 100MHz USB-Oszilloskop. Daran ist das Messmikrofon angeschlossen, welches an der Gehäuseaußenwand der Hochdruckpasteurisationsanlage befestigt wird. Ein im Oszilloskop integrierter Signalgeber betreibt einen externen Signalgeber der zur Systemkalibrierung oder -prüfung genutzt werden kann. Die Auswertung wir über eine eigens dafür entwickelte grafische Software vorgenommen. Die Software steuert das Oszilloskop und den Signalgeber entsprechend den Nutzervorgaben.
Die über das Messmikrofon empfangenen Schallwellen, aus dem Inneren des Hochdrucktanks, werden Fourier gewandelt und analysiert. Im Fourierspektrum werden die durch den Sensor generierten Signale erkannt und in einen Temperaturwert gewandelt. Die Temperaturdaten können online genutzt werden um die Maschine entsprechend den Prozessvorgaben in Ihrem Druckaufbau zu steuern. Der Hintergrund dafür ist die adiabatische Erwärmung unterschiedlicher Stoffe bei Beaufschlagung mit hydrostatischem Druck. Schweinespeck wird beim Druckaufbau wärmer als Schweinefleisch. Um eine hohe Qualität der Produkte zu gewährleisten können Haltezeiten beim Druckaufbau wichtig sein um z.B. einen Wärmeausgleich zu schaffen. Die gewonnenen Messdaten werden zusätzlich in eine Datei auf dem PC zwischengespeichert und ermöglichen dadurch die Dokumentation des Pasteurisationsvorgangs.
Die Ergebnisse des Projektes können ab sofort von der Messgeräteindustrie, insbesondere auch von den klein- und mittelständischen Unternehmen, kurzfristig umgesetzt werden. Dabei sind nicht nur Applikationen für den Bereich der Hochdruckpasteurisation von Interesse, sondern alle Bereiche in denen Messwerte unter extremen Umgebungsbedingungen erfasst und übermittelt werden müssen wie z.B. in der Tiefseeforschung.
Das Projekt wurde im „Programm zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (via AiF) über den Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) gefördert (AiF-Projekt-Nr.: 16114 N).
Der Schlussbericht ist für die interessierte Öffentlichkeit bei den Forschungsstellen abzurufen.
Ansprechpartner am DIL zu diesem Projekt sind:
MBA Bernhard Hukelmann Prof. Stefan Töpfl
b.hukelmann@dil-ve.de s.toepfl@dil-ev.de
