用于食品的测量系统的制作方法

用于食品的测量系统
1.本发明涉及一种用于确定和/或监测液体或粘性食品的质量的测量系统，并且包括具有用于此类食品的至少一个产品容器的内部空间的外壳、具有用于食品的产品空间并且具有盖子和温度计的产品容器、用于冷却和/或加热内部空间的加热和冷却设备、用于确定所述食品的质量相关参数值(不是温度)的传感器设备、以及控制单元，该控制单元可操作地连接到加热和冷却设备、传感器设备和温度计，并且被配置为控制测量系统，并根据内部空间的期望时间-温度程序控制加热和/或冷却系统的。
2.这种测量系统本身是已知的。它们尤其用于测量食品的质量特性，诸如特别是保质期/腐烂和稳定性。
3.已知设备的缺点是这些设备通常以复杂的方式操作并且还可能提供不可靠的结果，因为是人操作和阅读这些设备。但是，尤其是对于食品，重要的是测量是可靠的。这需要对统计上可靠的结果和容易地可控的环境进行多次测量，并且还需要读取大量测量值。如今，消费从含有动物蛋白的产品转向含有植物蛋白的产品，以及含有更少(少得多)盐和/或脂肪的产品。这需要对非常大量(现有的和新的)产品的配方进行更改，以及相关联的特性更改。
4.食品的非常重要的特性是保质期/稳定性。这可能在很大程度上取决于温度和时间。因此，仍然需要更多的测量，特别是必须对温度具有许多变化的实际使用进行模拟的测量，因此仍然存在很大的出错风险。
5.本发明的目的是提供一种在介绍中描述的类型的合适的测量系统，它在使用期间非常灵活，降低了出错的风险，并且适合于自动测量和/或监测食品的产品特性。
6.本发明通过如权利要求1中所述的测量系统，特别是以下测量系统来实现该目的，该测量系统用于自动确定和/或监测液体或粘性食品的质量，并且包括：外壳，具有用于此类食品的至少一个产品容器的内部空间；产品容器，具有用于食品的产品空间并且具有设有带温度计的探针的盖子，该温度计伸入到产品空间中；加热和冷却设备，用于冷却和/或加热内部空间；传感器设备，用于确定所述食品的质量相关参数值，该质量相关参数值不是温度；以及控制单元，该控制单元可操作地连接到加热和冷却设备、温度计和传感器设备，并且被配置为控制测量系统，借助于传感器设备重复测量参数值，存储、处理和/或导出测量的参数值，并且根据用于内部空间的期望时间-温度程序来控制加热和/或冷却系统，其中冷却系统包括冷缓冲器、用于冷缓冲器的冷却器和单独的制冷剂回路，其中冷缓冲器包括具有相变材料(pcm)的缓冲器保持器，其中制冷剂回路包括填充有液态制冷剂并与内部空间和与冷缓冲器热交换接触的闭合回路管线，以及用于到处泵送制冷剂的泵。
7.借助于根据本发明的系统，可以自动地对食品进行各种测量，此外，这些测量可以根据时间和温度来进行。此外，受控加热和冷却系统能够模拟实际情况，诸如冷却生产和运输、随后转移到非冷藏平台上、冷藏配送、从卡车到商店中的冷却系统的非冷藏运输、到家的非冷藏运输、冰箱中的冷藏储存、在冷或热的日子在冷却系统外部的使用等。对于所有这些情况，有必要知道食品将如何表现，特别是在这样的情况下的保质期如何。后者可以通过根据本发明的测量系统准确地并且特别是容易地、重复地和自动地并且实际上无故障地确
定。无需每次将产品容器从恒温室中取出进行测量，甚至可以连续测量，从而在通过从内部空间中取出食品并进行测量的中期在不干扰诸如温度等环境的情况下进行监测。
8.同样重要的是，食品(至少是包含装有食品的产品容器的内部空间)可以快速冷藏。这样的原因是在相对高的温度变化最快，但为了能够准确地确定时间和温度依赖性，期望的是在一定的设定温度曲线之后尽可能停止变化，特别是如果食品含有蛋白质等。为此，必须在曲线结束时迅速降低温度。这可以借助于根据本发明的系统中的并且自动的、无需人工干预的主动冷却系统来实现。
9.在本发明中，表述“液体或粘性食品”被理解为是指“供人类或动物消费的任何产品，其粘度使得该产品可在重力作用下变形且在体积上没有实质性变化，或者呈现容器的形状，或者作为基本单一的物质可泵送”。这包括现成的产品，诸如乳制品、汤、酱汁等，但也包括其成分，诸如用于酱汁的水油乳液等。
10.具体实施例在从属权利要求和说明书介绍的以下部分中描述。
11.冷却器的设计没有特别限制，并且可以例如包括用于家用冰箱的普通压缩热泵，或焦耳-汤姆逊冷却系统。但是，在重要的实施例中，所述冷却器包括珀耳帖热泵，其被配置为用相变材料冷却缓冲器保持器。这种珀耳帖热泵的优点是它不包含任何活动部件，此外非常紧凑，这在空间有限的实验室中尤其有利。缺点是珀耳帖热泵的功率通常相对低的事实。但是，这对于本发明来说并不一定是问题，因为冷却系统用于冷却缓冲器，这也可能发生在内部空间实际上保持在高温的时段。在这整个时间期间，珀耳帖热泵可以冷却缓冲器，至少从中提取热量，使得即使低功率输出也可以产生大缓冲器。顺便提及，在实践中，提供了风扇以及散热器，以便消散从系统吸收的热量。另一个缺点在于如下事实：珀耳帖冷却器通常不能耐受高温，诸如超过80℃，但由于限于冷却，因此在这种情况下不成问题。可以通过单独的加热系统(诸如电阻丝等)提供加热。顺便提及，不需要使用相变材料作为冷缓冲剂，但由于pcm因为吸收潜在热而具有比水更大的热容量，因此测量系统可以做得甚至更紧凑。此外，温度可以很好地定义为，例如pcm相变的温度。这种温度可以从可用的pcm中选择，并且可以在-50到 150℃的范围内，其中-10到 6℃之间的温度与食品的使用特别相关。就其本身而言，冰/水是众所周知且广泛使用的pcm，但它的缺点是在冷冻期间膨胀相对显著，这从结构工程的角度来看是不期望的，因为它可能导致爆裂，或导致绝缘气隙的形成(在熔化期间)。此外，冰水转变不适用于0℃以上的温度。这就是为什么，例如，有机pcm或具有固-固相变的晶体在这里可能具有优势，诸如在市场上的广泛可用性。
12.在实施例中，时间-温度程序包括控制单元在期望的时间段期间借助于加热和冷却设备使内部空间达到可选地依赖于时间的温度。这是根据本发明的测量系统的最简单使用，其中测量系统本身设定温度并执行测量。也可以以针对性方式通过控制加热和冷却设备使食品经历加热和冷却循环来模拟现实生活。显然，在这种情况下使用温度计来控制温度。此外，可以通过使用适合并且已为此目的提供的输入装置在控制单元中输入期望的一个或多个温度和相关联的时间段和/或重复次数来使用任何期望的时间-温度曲线。根据本发明的测量系统随后执行时间-温度曲线并在此过程中执行所需的测量。
13.为了冷却容器，控制单元尤其被配置为控制泵以使制冷剂流过缓冲器保持器并且随后流过或通过产品容器的内部空间。借助于这种强制冷却系统，可以有效地防止食品中非期望的进一步变化。在这种情况下，使制冷剂流过内部空间，也就是说，直接流过产品容
器，可以更有效地冷却。
14.在实施例中，缓冲器保持器包括至少部分地填充有相变材料的导热泡沫。在许多情况下，pcm能够储存或传递大量热量，但它们是不良的热导体，使得传递/吸收的速度相对低。为了解决这个问题，如果pcm以金属泡沫或晶格等形式提供是有利的，使得泡沫或晶格等能够局部地并跨越大得多的表面从pcm吸收热量或将热量散发到pcm，并且随后将热量内部传递到外部世界，诸如冷却液。特别地，导热泡沫是具有优异导热性的金属泡沫，诸如铝泡沫。
15.有利的是，相变材料具有低于0℃的相变温度。因此，可以快速且大量地冷却。但是，如果要不惜一切代价避免冻结，其它温度当然是可能的，例如略高于零度。可以以对应的方式填充冷缓冲区。
16.借助于传感器设备，对食品进行测量以针对例如绝对或相对产品特性或更一般特性(诸如保质期)确定相关参数值。在实施例中，传感器设备包括以下中的至少一项：相机，其有利地放置在产品容器下方并向上指向产品容器，其中产品容器至少部分透明或开放；和/或用于测量所述食品的粘度的粘性测量设备；和/或用于所述食品的导电性或其它电特性的测量设备；和/或用于测量所述食品的透射、扩散和/或反射值的光学测量设备。
17.借助于相机，可以收集大量信息，诸如颜色和/或透明度，以及其中的变化，以及例如食品中是否出现沉积物或其它可见的物理化学变化。为此，相机可选地设有图像处理软件。此外，有利地提供光源，诸如一个或多个led，其可以设在相机周围或探针上，因此在使用时在食品中。因此，可以对食品进行反射、透射和/或扩散测量。显然，在这种情况下，产品容器至少是部分光学透明的，诸如其整体由玻璃、塑料，诸如聚碳酸酯等制成，或者还在相机的位置处设有光学透明窗口。
18.替代地或附加地，传感器设备包括用于测量所述食品的粘度的粘度测量设备。例如，本身已知的“落球(falling ball)计”适用于此目的，任何其它已知的粘度计也适用。粘度是对消费者重要的食品特性，特别是在乳制品的情况下，它可能很大程度上取决于温度、机械负载等。粘度可以在加热或冷却期间的任何时刻由传感器设备测量，使得甚至可以进行几乎连续的测量。
19.附加地或替代地，传感器设备包括用于所述食品的导电性或其它电特性的测量设备。例如，直接导电性计可以提供沉积物形成的指示，沉积物通常由溶解的盐形成。当最初溶解的盐沉积时，导电性可能降低。另一个重要的电测量设备是电化学阻抗谱仪(eis)，它通过在多个电极上施加电压谱来记录食品的(复杂)阻抗谱。该谱(即根据所用电压频率的阻抗的复数和实部)提供了至少大量关于食品成分的信息的区别性特征(fingerprint)，因此也提供了关于其中变化的信息。除了多个电极之外，这种eis优选地包括两个电源和两个测量电极，还有扫描电压发生器和信号传感器和处理器。
20.替代地或附加地，传感器设备包括用于测量所述食品的透射、扩散和/或反射值的光学测量设备。附加地或代替相机，也可以提供这样的光学测量设备。特别地，这样的光学测量设备被设在产品空间中，特别是在探针上、沿着探针或在探针处。有利的是，光学测量设备包括一个或多个光导体，诸如光纤，以及具有一个或多个led等的光源，以及一个或多个光学传感器。在这种情况下，光源的光经由光导体注入到食品中。在那里，它被反射、穿过或扩散，随后一个或多个光导体将已受食品影响的该光注入并传递到(一个或多个)光学传
感器。因此，除了相机之外，还可以对即使是光学密度非常高的食品(诸如乳制品)执行明智的测量，因为光导体和它们各自的注入表面可以比相机更靠近地放置在一起。
21.特别地，如果(一个或多个)传感器设备被结合在产品容器的相应盖子中，那么也是有利的。因此，原则上，甚至可以通过将盖子更换为具有另一个传感器设备的盖子来对同一个产品执行不同的测量。
22.有利的是，(一个或多个)传感器设备可更换地可装配诸如在产品容器的盖子中。这意味着传感器设备可装配在盖子中并可从盖子中移除，或者盖子以其整体(包括传感器设备或探针)可更换。它的一个重要优点是非常简单地为每个实验和系统中的每个产品装配所需的(一个或多个)传感器设备，并自动执行相关联的测量。这提供了高度的灵活性。
23.在实施例中，测量系统包括多个外壳，每个外壳用于或设有用于液体或粘性食品的容器或带有液体或粘性食品的容器，其中多个外壳可彼此机械和电耦合。可选地，外壳也可热连接到冷却和加热设备，其中控制单元被配置为根据用于多个外壳中的至少两个外壳的相同或不同的同时期望时间-温度程序来控制加热和/或冷却系统。冷却和/或加热设备可以包括由控制单元单独可致动的各种加热元件，并且冷却系统可以针对每个外壳而不同，例如通过为制冷剂设有的节流阀或控制阀而不同。每个外壳都包含可单独关闭的盖子，使得可以放置或移除一个或多个装有食品的产品容器，而不会影响其它外壳中的产品容器。如果必须执行大量测量，这种模块化构造是有利的。此外，如果外壳的控制单元至少以测量值或其它数据经由连接从相应的控制单元传递到接收器的方式耦合，那么提供了一种非常灵活的测量系统，该测量系统能够在温度受控的环境中自主地、几乎连续自动地或针对食品的相关产品特性连续地进行测量。
24.下面将借助于一个或多个示例性实施例以及附图更详细地解释本发明。在附图中，唯一的图示意性地示出了根据本发明的测量系统的截面图。
25.该图示意性地示出了根据本发明的测量系统1的截面图。测量系统1包括外壳2，该外壳2具有内部空间3并且包含一个产品容器4以及盖子5。
26.此外，冷却设备由附图标记6表示，其包括用于制冷剂8的储存容器7、泵9、管道系统10、具有相变材料12的冷缓冲器11、珀耳帖(peltier)冷却器13、散热器14、通风空间15和风扇16。绝缘材料17和18分别设在外壳2和盖子5中。
27.产品容器4包括杯子19和容器盖20，容器盖20具有带有温度计22的探针21。磁性主体用附图标记23表示。此外，传感器球体24围绕光学传感器25并且设有触点26。电磁线圈27围绕具有霍尔传感器29的载体28。盖子5设有电子器件31的反触点(countercontact)30。
28.相机32连接到各个相机控制单元33。可选地，多个led布置在相机周围并且在它们上方放置保护玻璃35。最后，附图标记36表示与外部的连接，并且附图标记37表示系统1的控制单元。
29.所示系统1包括例如金属或塑料的外壳2和盖子5，它们围绕用绝缘材料17和18绝缘的内部空间3。多个产品容器4可以放置在内部空间3中，在所示示例中为三个，为了清楚起见仅示出其中一个。
30.借助于冷却系统6，内部空间3可以通过控制单元37达到期望的温度。这里应该强调的是，冷却系统6附加地设有加热设备(这里未示出)，诸如电热丝等。这些可以以本身已知的方式使内部空间达到更高的期望温度。随后，在某个期望的时间段之后，控制单元37可
以致动冷却部件(也就是说，冷却系统6)，以使内部空间3达到期望的较低温度。为此，冷却系统6包括储存容器7，该储存容器7具有用于传递热量的制冷剂8，诸如乙二醇。为此，泵9将制冷剂8泵送通过围绕内部空间3的例如螺旋形的管道系统10。在这种情况下，制冷剂8可以将其热量消散到冷缓冲器11中的相变材料(pcm)12。pcm 12可以简单地是水/冰，其中从制冷剂8吸收的热量使冰融化形成水，但是有利的是，pcm也可以是不同的材料。水的特殊缺点在于以下事实：它在固化时会膨胀，并且熔点为0℃或更低(在添加了添加剂的情况下)。但是，许多其它pcm是可用的，它们没有这些缺点并且具有例如在5和40℃之间的温度的相变。例如，可以首先将内部空间加热到巴氏杀菌温度，诸如72℃，或者也可以加热到灭菌温度(sterilisation temperature)，诸如大约130℃。重要的其它温度是食品可能暴露于的使用温度，诸如在处于阳光下的装载平台上或消费者的桌子上加热到高达30到40℃，然后回到4-6℃的冷却温度。还可以测量食品的特性在一个相同的温度(诸如6、8或10℃)如何随时间变化。在这种情况下，非常重要的是，当某个期望温度方案已经完成时，可以在所有情况下停止任何变化，至少尽可能地防止任何变化。为此，重要的是食品可以快速冷却到特别是期望的最终温度，诸如特别是在糖和/或细菌生长方面不发生(显著)进一步变化的温度。因此，期望一种主动冷却系统。如果出现这种情况，那么温度计22测量产品容器4中食品的温度，控制单元37利用该信号可以致动冷却系统6和/或加热系统。
31.对于该主动冷却系统，制冷剂因此借助于泵9在具有管道系统10的冷却回路中到处被泵送。冷缓冲器11中的pcm 12本身借助于任何已知的冷却设备(诸如，热泵或焦耳-汤姆逊冷却系统)冷却。但是，选择紧凑的冷却系统是有利的，因为空间有限或可能昂贵，特别是在实验室中。此外，移动部件并不总是期望的。由于这个原因，珀尔帖冷却系统13是有利的，因为它紧凑并且本身不包含移动部件。但是，在这种情况下，设有风扇16，其引导空气经由通风空间15通过散热器14，使得可以以高效的方式从系统1散发热量。
32.在内部空间3的底部，在其底部，布置有相机32，它们具有向上指向的像场并因此形成它们各自的产品容器4的底面的图像。但是，为此，容器4必须由透明材料(诸如玻璃或聚碳酸酯)制成，或者还必须是柔性的，诸如pe膜，或者具有透明窗口。相关联的控制和/或处理电子器件可以设在绝缘体17下方，使得保护它免受变化的并且有时极端的温度的影响。使用相机，可以产生产品容器4中的食品的图像。特别地，因此可以观察颜色和/或沉积物的变化，这对于监测和测量随温度和/或时间的总体质量或特别是某些产品特性可能是重要的。
33.可选地，提供光源以支持相机32的操作，在这种情况下以多个led 34的形式提供。led可以发射相同或不同颜色的光，并且由于它们设在相机周围，因此它们可以使用相同的电子平台。led 34可以经由保护玻璃35将光发射到产品容器19中的产品中，保护玻璃35例如由硼硅酸盐玻璃、熔融玻璃或其它半透明且优选地耐化学、耐温和耐刮擦的材料制成。随后被产品反射的发射光可以由相机32检测，并且然后由控制单元37分析，或者可以经由连接36向外传输以进行进一步处理。除了相机32之外，还可以提供其它传感器(这里未示出)，诸如ingaas或si传感器，它们在例如(n)ir范围内提供比大多数相机32更好的灵敏度。
34.另一种可能性是在探针21上或者也例如在产品容器4的盖子20中提供光源。在那里，诸如光纤之类的光导体可以在传感器球体24中提供，其中可以注入发射的光，并且可以插入探针21。然后，反射光或漫射光也可以被探针中的一个或多个光导体收集并发送到传
感器球体24，其中传感器25可以测量光，以便获得关于颜色和例如透明度的附加信息。光的一部分将被反射并且一部分将被透射，使得控制单元可以据此确定食品的各个系数。
35.此外，还提供了粘度测量设备来测量各个产品容器4中的食品的粘度和其中的变化。粘度测量设备包括围绕产品容器4布置的一系列线圈27，以及在载体28上的一系列霍尔传感器29和围绕探针22的磁性主体23。这本身类似于已知的“落球”测量。控制单元37以合适的模式对各个线圈27进行激励。磁性主体23被各个线圈27的相应磁场吸引，并且甚至可能在极性反转之后被排斥，因此它移动并且例如向上移动。例如，当它到达产品容器4的上部时，所有仍然被激励的线圈都被关闭，之后主体23将开始下降。当它移动经过霍尔传感器29时，这些传感器将发射位置相关的信号，该信号可以由控制单元37处理为随时间的下降位置，并且因此作为速度的测量系统，并由此测量产品容器中的食品的粘度。如果粘度非常高，如在乳液、酸奶等的情况，那么粘度也可以由主体23由于线圈27的场而可能达到的速度来确定。所描述的磁性系统的一个重要的附加优点在于如下事实：它也可以用于混合产品容器4中的食品，特别是通过反复和/或快速地上下移动磁性主体。例如，这种混合可以尽可能地消除沉降，然后测量产品特性。消费者经常对相应的产品做类似的事情，诸如“在使用前摇匀”。
36.在至此描述的示例性实施例中，在内部空间3中提供并图示了一个产品容器4。在实践中，相关联的线圈27、带有霍尔传感器29的载体28、相机32等(为了清楚起见，这里仅示出了其中的一些)将在每种情况下为内部空间3中的产品容器的每个可用位置提供，这里示出了其中的三个。此外，可以提供不同数量的可用位置，诸如两个、四个、五个等。
37.在使用中，一个或多个产品容器4填充有待测量的食品，例如具有不同的或同样的配方，用于冗余测量。随后，关闭系统1的盖子5。因此，内部空间3周围的绝缘体17和18与(一个或多个)产品容器4密封。这也保护电子设备31免受温度变化的影响。此外，还可以为传感器球体24中的传感器25提供绝缘。同时，盖子中的反触点30与产品容器的盖子20上的触点26接触，使得电子器件31可以确保对可选传感器25、温度计22等的控制。此外，可以设计触点26和/或位于其后面的产品容器的电子器件，使得电子设备31或与其可操作地连接的控制单元37能够识别产品容器，并且如果期望，识别它的内容。这进一步降低了人类操作员出错的风险。
38.此外，用户将期望的时间-温度曲线输入到控制单元37中，诸如经由连接36，其显然也可以被设计为无线连接(等)或usb连接、sd卡或甚至经由设在产品容器4上的盖子5等。控制单元37随后将在由温度计22测量的温度的控制下致动加热和/或冷却系统6，以便设置期望的曲线。在某些时间，随机地或有规律地，控制单元37将使一个或多个传感器22、25、29、32执行一个或多个测量。如此收集的测量数据可以由控制单元存储以供将来使用。它们也可以经由连接36发送到外部数据存储或数据处理设施。它们也可以由控制单元37处理，例如以便监测一个或多个产品参数是否落在期望范围之外。在这种情况下，其示例可以是借助于相机32检查产品的颜色或透明度/沉积物或粘度。如果该值超出期望范围，那么控制单元可以例如再次经由连接36发射警报信号。如果期望，可以取消时间-温度曲线的剩余部分。替代地，可以确定在相应产品容器4中的食品的值超出期望范围之前花费了多长时间。例如，这使得可以确定保质期。
39.所示实施例决不旨在限制本发明，而仅用于解释本发明。本发明的保护范围由所
附权利要求确定。