Ultraschallsensor für die Lebensmittelindustrie Hygienisch: Sensor bekommt Edelstahlhaut

Autor / Redakteur: Carsten Heim* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Maschinen und Anlagen für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie müssen hohen Hygienestandards gerecht werden. Pepperl+Fuchs verspricht mit einem Volledelstahl-Ultraschallsensor dank neuartiger Vollkapselung neue Möglichkeiten für die Automatisierung. Und: Sein Einbau wird durch eine Augmented-Reality-App anschaulich erläutert.

Firmen zum Thema

EHEDG-zertifizierte Komplettlösung – vollgekapselter Ultraschallsensor UMB800 mit seiner Montagehalterung
EHEDG-zertifizierte Komplettlösung – vollgekapselter Ultraschallsensor UMB800 mit seiner Montagehalterung
(Bild: Pepperl+Fuchs)

Für die Füllstandmessung in hygienischen Anwendungen gibt es in der Lebensmittelindustrie zahlreiche Beispiele. So wird etwa der Inhalt von Tiefziehschalen vor dem Versiegeln überprüft. Die Schalen werden für ganz unterschiedliche Produkte verwendet, zum Beispiel für Fleisch und Fleischprodukte, Gemüse, Obst, Pilze, Nüsse oder verarbeitete Lebensmittel. Typisch sind unregelmäßige Oberflächen, Farben und Formen. Hier stoßen optische Sensoren schnell an physikalische Grenzen. Außerdem tolerieren diese keine Verschmutzung. Da sie das Zielobjekt in der Regel nur punktförmig erfassen, können etwa leere Zwischenräume in der abgefüllten Ware zu Fehlern führen.

Ultraschall ist daher bei Oberflächen mit schwierigen optischen Eigenschaften das Messprinzip der Wahl für die berührungslose Füllstandmessung. Bisher waren Ultraschallsensoren in hygienischen Anwendungen allerdings zwei bauartbedingten Einschränkungen unterworfen: Herkömmliche Schallmembrane vertragen nicht alle gängigen Reinigungsmethoden; eine Vollkapselung der Sensoren ging bisher mit starken Einbußen in der Leistung einher.

Ultraschall-Messverfahren für viele Anwendungen

Die besonderen Eigenschaften der Ultraschallsensorik machen sie in vielen Anwendungen zum optimalen Messverfahren. Schallwellen können unabhängig von Form, Farbe, Konturen oder Material praktisch alle Objekte erfassen. Sie lassen sich von Dämpfen, Nebel oder spiegelnden Oberflächen nicht irritieren. Der keulenförmige Sende- und Empfangsbereich des Sensors – die sogenannte Schallkeule – erfasst nicht wie andere Messverfahren einen einzelnen Punkt, sondern einen größeren Bereich. Auch unregelmäßige Oberflächen können deshalb zuverlässig detektiert werden, etwa bei abgepacktem Obst und Gemüse oder bei schräg aufliegenden Gebindedeckeln. Der Durchmesser der Schallkeule am Messort lässt sich an die Anwendung anpassen.

Ultraschallsensoren lassen sich auch von Schmutz, Staub, Feuchtigkeit und Spritzwasser nicht irritieren. Das Funktionsprinzip selbst macht den Sensor an der entscheidenden Stelle gegen Verschmutzung resistent: Die dem Prozess zugewandte schallerzeugende und -empfangende Membran vibriert ständig, diese Eigenbewegung verhindert Anhaftungen.

Allerdings besteht die Membran bei Standard-Ultraschallgeräten aus Glashohlkugeln, Epoxidharz und Polyurethanschaum. Dieser Materialverbund ist gegen die im Hygienebereich üblichen Reinigungschemikalien nicht vollkommen resistent. Eine metallische Vollkapselung des Sensors kann diesen zwar schützen, beeinträchtigt jedoch bei herkömmlicher Technologie seine Leistungsfähigkeit. Die Reichweite wird kleiner, der Blindbereich unmittelbar vor dem Sensor wesentlich größer.

Neues Verfahren für Edelstahlhaut

Deshalb wurden vollgekapselte Sensoren, bislang kaum angeboten, obwohl sie für hygienische Anwendungen eigentlich ideal wären. In der Pharma- und Lebensmittelindustrie sind stattdessen leicht modifizierte Standardsensoren verbreitet, deren Reinigung jedoch zusätzlichen zeitlichen und prozessualen Aufwand erfordert. Außerdem ist die Haltbarkeit eines solchen Standardsensors unter den dort herrschenden Bedingungen meist deutlich verkürzt. Sensoren mit anderen Messprinzipien, die theoretisch eine Alternative bieten, weisen nicht die Vorteile des Ultraschalls auf und können im Hinblick auf die Hygiene eigene bauartbedingte Probleme aufwerfen.

Pepperl+Fuchs hat nun ein Verfahren entwickelt, mit dem eine Membran aus Edelstahl durch Laserschweißen am Sensorgehäuse befestigt wird. Dank dieser Technik sind Sensoren der Baureihe UMB800 vollständig hygienisch verkapselt, ohne dass ihr Leistungsumfang darunter leidet. Die Oberfläche aus V4A-Edelstahl besitzt eine sehr geringe Rautiefe von 0,8 auf dem gesamten Gehäuse und erfüllt damit die höchsten hygienischen Standards. Bei nur 18 mm Durchmesser und 55 mm Länge sind sie die kleinsten Volledelstahl-Ultraschallsensoren auf dem Markt. Aus ihrer Blindzone von nur 70 mm und einer Reichweite von 800 mm ergibt sich ein außerordentlich großer Messbereich. Der Sensor misst auf den Millimeter genau und ermöglicht so Grenzschaltungen mit sehr feiner Differenzierung. Dank seiner kompakten Form lässt er sich auch bei engen Verhältnissen sowie in bestehende Maschinen und Anlagen sehr gut integrieren.

Zertifikate belegen Hygienestandards

Der Sensor ist nach den Richtlinien der European Hygienic Engineering and Design Group (EHEDG) konstruiert und zertifiziert. Die Materialien, die für ihn verwendet wurden, entsprechen zudem durchweg den Vorgaben der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA). Er verträgt starke Temperaturschwankungen und kann dauerhaft bei bis zu 85°C arbeiten. Eine ECOLAB-Zertifizierung bestätigt seine Unempfindlichkeit gegen die gängigen Reinigungsmittel und -verfahren einschließlich Dampfstrahlbehandlung. Er erreicht die Schutzarten IP68 / IP69K. Bei seiner Verwendung in bestehenden Anlagen, können deshalb alle Reinigungsprozesse unverändert bleiben.

Die Zertifikate gelten auch für die eigens für diesen Sensortyp entwickelte Montagehalterung mit nach außen gewölbten Dichtungen, die ohne jede Hinterschneidung auskommt. Die Montage selbst lässt sich einfach, schnell und ohne Werkzeug erledigen. Eine Augmented-Reality-App stellt das neuartige Montagekonzept dreidimensional dar.

Sensoren widerstehen besonders robusten Reinigungsmethoden – 3 Beispiele

Die Sensoren der Reihe UMB800 sind für die Verwendung in hygienischen Anwendungen prädestiniert. Sie können aber auch in aggressiver Umgebung (z.B. Chemie, Vulkanisierung) eingesetzt werden, sowie überall dort, wo besonders robuste Reinigungsmethoden notwendig sind. Einige Beispiele:

Lebensmittelverpackung in Tiefziehschalen: Vor dem Versiegeln von Tiefziehschalen wird geprüft, ob die Schale das Produkt im gewünschten Maß enthält. Der UMB800 erkennt die Ware unabhängig von Form, Farbe, Beschaffenheit und Konturen. Sein Erfassungsbereich entspricht den in solchen Maschinen üblichen Dimensionen.

Deckelsitzprüfung bei Gebinden: Eimerförmige Großgebinde für Großküchen werden nach der Abfüllung mit einem Deckel hermetisch geschlossen. Der Sensor erkennt, ob ein Deckel fehlt, schräg sitzt oder versehentlich mehr als ein Deckel aufgedrückt wurde. Alle nicht korrekt verschlossenen Gebinde können zuverlässig aussortiert werden.

Füllstandsmessung in Vorlagebehältern: Vorlagebehälter für Flüssigkeiten und Granulate werden unter anderem zum Abfüllen von Lebensmitteln und Pharmazeutika genutzt. Der UMB800 misst die Füllhöhe im Behälter und löst bei Bedarf ein Auffüllen aus, damit der Prozess ohne Unterbrechung laufen kann. Die kompakten Sensoren der UMB800-Serie können auch direkt in die produktberührende Zone von kleinen Vorlagebehältern integriert werden.

* Carsten Heim, Produktmanager Ultraschall, Pepperl+Fuchs

(ID:44119173)