Großküchen beziehen Produkte wie Kartoffelsalat, Senf oder Honig oft in eimerförmigen Großgebinden. Nach der Abfüllung wird ein hermetisch schließender Deckel zum Schutz der Ware aufgepresst. Der korrekte Sitz dieses Deckels garantiert einerseits, dass der Inhalt während des Transports nicht aus dem Gebinde austritt, und andererseits, dass die Ware in hygienisch einwandfreiem Zustand beim Verbraucher ankommt. Dabei können die Deckel von unterschiedlichsten Farben, transparent, bedruckt oder mit spiegelnden Aufklebern versehen sein – Voraussetzungen, die optischen Sensoren erhebliche Schwierigkeiten bereiten. Zudem messen diese punktuell und erkennen deshalb einen schiefsitzenden Deckel nicht in jedem Fall.

Hygienische Komplettlösung: Der vollgekapselte Ultraschallsensor 'UMB800' mit Montagehalterung ist komplet EHEDG-zertifiziert.

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Daher verrichten in solchen Anwendungen in der Regel Ultraschallsensoren ihren Dienst. Sie erfassen das Objekt unabhängig von dessen optischen Eigenschaften: Der Sensor ist von oben mittig auf das Gebinde gerichtet und misst mittels der reflektierten Schallwellen den Abstand zu ihm. Der korrekt positionierte Deckel definiert die Sollgröße. Fehlt er, wird dies am vergrößerten Abstand – in diesem Fall zur Oberfläche des Produkts im Gebinde – festgestellt. Sind versehentlich mehrere Deckel aufgedrückt, wird ein kürzerer Abstand gemessen. Die sogenannte Schallkeule des Sensors erfasst dabei eine größere Fläche, innerhalb derer er den kürzesten Abstand erkennt. Somit werden auch schräg aufliegende Deckel sicher identifiziert. Der Durchmesser der Schallkeule am Messort ist an die Anwendung anpassbar. Alle nicht korrekt verschlossenen Gebinde lassen sich zuverlässig aussortieren.

Unempfindlich gegen Störeinflüsse

Allgemein lassen sich Ultraschallsensoren auch von unregelmäßigen Konturen oder Aussparungen nicht irritieren. Zudem hat das Auftreten von Staub und Dämpfen in der Applikationsumgebung nur unmaßgeblichen Einfluss auf die Ausbreitung der Schallwellen. Ihr Funktionsprinzip macht Ultraschallwandler gegen Feuchtigkeit, Spritzwasser und Anhaftungen unempfindlich. Aber: Bei herkömmlichen Geräten besteht die Schall-erzeugende Membran, die dem Prozess zugewandt ist, aus einem Verbund von Materialien und nur ist eingeschränkt gegen die gängigen Reinigungs-Chemikalien resistent. Wie lässt sich dem abhelfen? Durch den im ersten Moment naheliegend erscheinenden Einbau eines Standard-Ultraschallsensors in ein Edelstahlgehäuse verliert er deutlich an Leistungsfähigkeit: Seine Reichweite sinkt und der nicht nutzbare Blindbereich wird wesentlich größer.

Wegen dieser Einschränkungen wurden vollgekapselte Sensoren, die im Grunde ideal für hygienische Anwendungen sind, bisher kaum angeboten. In der Pharma- und Lebensmittelindustrie finden sich zumeist leicht modifizierte Standardsensoren, die einen erheblichen zusätzlichen Aufwand bei der Reinigung erfordern. Auch ist deren Lebenserwartung in einem solchen Umfeld meist deutlich verkürzt. Sensoren mit anderen Messprinzipien kommen als Alternative zwar prinzipiell in Frage, sie bieten aber nicht die Vorteile des Ultraschalls und können im Hinblick auf die Hygiene andere Probleme aufwerfen.

FDA- und EHEDG-konforme Vollkapselung

Um diesem Dilemma zu entgehen, hat Pepperl+Fuchs ein Produktionsverfahren entwickelt, mit dem sich eine Edelstahlmembran durch Laserschweißen am Sensorgehäuse befestigen lässt. Dank dieser Methode sind die Ultraschallsensoren der Baureihe ‚UMB800‘ vollständig hygienisch verkapselt, ohne dass ihr Leistungsumfang dadurch eingeschränkt wäre. Trotz ihrem kleinen Gehäuse von 18 mm Durchmesser und 55 mm Länge verfügen sie über einen großen Messbereich mit einer Blindzone von 70 mm und einer Reichweite von 800 mm. Das Sensorgehäuse ist spaltfrei und hermetisch dicht. Es besteht vollständig aus V4A-Edelstahl und erreicht auf der gesamten Oberfläche eine Rautiefe von nur 0,8 µm. Damit ist das mikrobielle Kontaminationsrisiko minimiert und die Anforderungen für hygienische Anwendungen sind voll erfüllt. Der Sensor ist EHEDG-zertifiziert und widersteht einer Dampfstrahlbehandlung ebenso wie aggressiven Reinigungsmitteln. Seine ECOLAB-Zertifizierung und die Schutzarten IP68/IP69K stellen sicher, dass alle Reinigungsprozesse unverändert beibehalten werden können, wenn er in eine bestehende Anlage eingebaut wird.

Typische Hygiene-­Anwendungen

Die Sensoren der Baureihe eignen sich dank dieser Eigenschaften für die Verwendung in hygienischer Umgebung, ebenso aber auch in aggressiver Umgebung wie etwa der Chemie oder Vulkanisierung, sowie überall dort, wo besonders robuste Reinigungsmethoden notwendig sind. Nachfolgend einige Beispiele.

Lebensmittelverpackung in Tiefziehschalen: Vor dem Versiegeln von Tiefziehschalen wird geprüft, ob die Schale das gewünschte Produkt im gewünschten Maß enthält. Der Sensor erkennt die Ware unabhängig von Form, Farbe und Beschaffenheit. Er lässt sich auch von unregelmäßigen Konturen von Naturprodukten (wie etwa Fleisch, Früchten, Pilzen oder Gemüse) nicht irritieren.

Füllstandsmessung in Vorlagebehältern: Vorlagebehälter für Flüssigkeiten und Granulate werden zum Beispiel für Abfüllprozesse bei Lebensmitteln (Chips, Müsli, Nudeln, Kaffeepulver) und Pharmazeutika (Tabletten, Kapseln, Granulate, Lösungen) genutzt. Der Sensor stellt sicher, dass im Behälter immer eine ausreichende Füllhöhe vorliegt. Die kompakten Sensoren sind auch direkt in die produktberührende Zone in kleinen Vorlagebehältern integrierbar.

Messung in aggressiver Umgebung: Dank seiner hermetischen Kapselung eignet sich der Sensor selbst für den Umgang mit aggressiven Medien. Seine Außenhaut aus V4A-Edelstahl ist gegen fast alle Chemikalien völlig unempfindlich. Dies gilt ebenso für aggressive Dämpfe. So sind die Sensoren zum Beispiel in Vulkanisierprozessen, etwa bei der Reifenherstellung, verwendbar. Herkömmliche Ultraschallwandler würden von den dort freiwerdenden Dämpfen angegriffen und mit der Zeit zersetzt.

Autor:
Carsten Heim ist Produktmanager für Ultraschallsensoren bei Pepperl+Fuchs Mannheim.