NACHERN TETECHNOLOG I E
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Bernd Herold und Martin Geyer, Potsdam-Bornim
Kontaktbelastung bei
empfindlichen Produkten
Frisches Obst und Gemüse sind sehr empfindlich gegen mechanische Bela
stung. Bei Kernobst genügt bereits leich
ter Kontakt mit harten Gegenständen, um die Zellstruktur an der Fruchtoberfläche zu beschädigen und damit erhebliche Qual itätsminderungen h ervorzurufen. Mit H i lfe ei nes taktilen Foliensensors läßt sich die Druckvertei l ung an der Kontakt
fläche zwischen der ganzen Frucht und dem Belastungsgegenstand experimentell besti mmen. An Hand der Meßdaten kön
nen die Belastbarkeit des Zel lgewebes sowie der Einfluß der Form und der Elastizität der Kontaktpartner, beispiels
weise Verpackungsmaterial, bewertet werden.
O
bst und Gem üse sind bei Ernte, Aufbereitung und Vermarktung häufig mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu Beschädigungen des Zellgewebes der Produ kte führen kön nen. Produ ktbeschäd igungen verringern die Haltbarkeit und verursachen Qualitätsminderungen von hoher wirtschaftlicher Bedeutung.
Besonders empfindlich ist Kernobst. An der Oberfläche eines Apfels entsteht bei Ü berschreiten der Belastbarkeitsschwel
le eine Druckstelle, die das Aussehen beeinträchtigt und den Verderb durch Fäulnis begünstigt. Die Kenntnis der Be
lastba rkeit der Früchte ist eine entschei
dende Voraussetzung für die schonende Auslegung der Prod u ktions- und Ver
marktu ngsverfahren.
Für den Kontakt zwischen zwei ideal elastischen Körpern läßt sich die Druck
verteilung nach der Hertzsehen Theorie berechnen. Die maximale Druckbela
stung tritt bei symmetrischen Verhältnis
sen in der M itte der Kontaktfläche auf und wächst bei gleicher Anpreßkraft sowohl mit zu nehmenden Werten der Elastizitäts
module als auch mit abnehmenden Krümmu ngsradien der Körper. Zur Ü ber
prüfung dieser theoretischen Berechnun
gen unter praktischen Bed ingungen fehl-
Dr. Martin Geyer ist Leiter der Abteilung .. Technik im Gartenbau " am Institut für Agrartechnik Bornim e. V, Max-Eyth-AIIee 1 00, 14469 Potsdam, E-Mail: mgeyer@atb.
uni-potsdam.de (Wissenschaftlicher Direktor:
Prof Dr. -lng. Jürgen Zaske). Dr. Bernd Herold ist wissenschaftlicher Mitarbeiter dieser Abteilung.
Referierter Beitrag der Landtechnik 130
ten jedoch in der Vergangenheit geeigne
te Meßmittel für die Belastung an der Kontaktfläche. Die G röße der Kontakt
fläche und insbesondere die Verteilung der Druckbelastung sind die entschei
denden Einflußgrößen, die in Verbind ung m it der Belastbarkeit das Zusta ndekom
men von Fruchtbeschäd igu ngen bestim
men. Die reale Messung dieser beiden G rößen war bisher nur mit Einschrän kung mögl ich, da die Druckkräfte an der Kon
taktstelle nur integral oder punktuell er
faßt werden kon nten [ 1 ] . Neuartiger taktiler Sensor
Vor ein igen Jahren wurde fü r die U nter
suchung der Kontaktbelastung am menschl ichen Gebiß ein neuartiger takti
ler Sensor entwickelt. Dieser Sensor be
steht a us einer 0 , 1 mm d ünnen flexiblen Folie mit matrixförmig angeordneten druckempfindlichen Sensorzellen. Ver
fügbar sind Matrixstru kturen mit Raster
abständen von minimal 1 ,3 m m . Das computergesteuerte Sensorsystem er
laubt ähnlich wie eine Videokamera ein Abtasten von Druckverteil u ngs-" Bildern "
auf der belasteten Fläche und das Ab
speichern der Daten in entsprechenden Bildseq uenzen. Die Belastungsmessung erfolgt für jede Sensorzelle mit 8 Bit Auf
lösung. Die a ufgenommenen Bilddaten können wie bei einem Videorecorder wie
dergegeben werden . M it H ilfe der Soft
ware ka nn auch die Konta ktfläche be
rechnet sowie durch Summation der Daten von allen Sensorzellen die Gesamt
kraft bestimmt und deren zeitlicher Ver
lauf angezeigt werden [2].
Dieses Sensorsystem wurde für die Be
stimmung der mechanischen Belastbar
keit von Äpfeln eingesetzt. Ziel war in er
ster Linie, den Verlauf der Druckvertei
lung und die Entstehung und Ausbreitung von Brüchen des Fruchtgewebes an der Kontaktfläche zu bestim men [ 1 ] . Zur U n
tersuch ung wurden fehlerlose Früchte der Sorten " Eistar" und " Boskoop" ver
wendet. Die Früchte wurden mit horizon
ta ler Kelch-Stiel-Achse in feuchten Sand ei ngebettet und von oben bei einer Vor
schu bgeschwindigkeit von 30 mm/min a uf Kompression belastet ( Bild 1 ) . Zur M essung der Kontaktdruckbelastung wurde ein Sensor Typ 1-Scan 75 (quadra
tisches Meßraster m it je 44 Reihen und Spa lten im Absta nd von 1 ,9 mm) zwi-
sehen Belastungswerkzeug und Obersei
te der Frucht gelegt. Für die U ntersu
chungen am Apfel e rwies sich ein Meß
bereich von 50 psi ( etwa 0,35 M Pa) als günstig. Die Belastungsprüfung erfolgte bei Zim mertemperatu r m it Hilfe einer U n iversal-Prüfmaschine Typ ZWICKI 1 1 20. Para llel wurde die integra le Kraft wäh rend der Kom pression gemessen.
Messung der Verte i l u n g d e r Druckbe lastung am Apfel
Der Einfluß u nterschiedlicher Werkzeuge auf die Druckverteilung an der Kontakt
fläche geht a us einem Belastungstest an äußerlich vergleichba re n Äpfeln (" Eistar") unter der gleichen A n preßkraft von 80 N hervor. Auf der i n Bild 2 a ngegebenen , von 0 bis 255 reichenden Grauwertskala,
Bild 1 : Meßaufbau für die Kompressionsbela
stung des Apfels
Fig. 1 : Arrangement for compression test on apples
zeigt tiefere Schwä rzung eine zunehmen
de Druckbelastung a n . Durch einen 1 0 mm dicken Stahlzyli nder ( 1 ) wurde eine maximale Druckbelastung von 236 Ein
heiten hervorgerufen . Diese fü hrte zu ei
ner geringfügigen Beschädigung des Fruchtgewebes. H i n gegen betrug die Spitzenbelastung unter einem Sta hlstab mit Hohlgummiüberzug (3) nur 139 Ein
heiten. H ier - wie auch bei den anderen Werkzeugen - war keinerlei Beschädi
gung am Apfel festzustellen. Der Werk
zeugeinfluß zeigte sich weniger deutlich a n der G röße der Konta ktfläche als am untersch ied lichen Anstieg der Druckwer
te q uer über dieselbe . Die vom Fol ien
sensor gelieferten Daten widerspiegeln sowohl den Einfluß des belastenden Werkzeugs als auch das Widerstandsver
ha lten des belasteten Prod ukts. Ein Bei
spiel hierfür ist das Verhalten ei nes Apfels ( " Boskoop") bei Belastu ng durch eine Sta h l platte im Kraftbereich von 0 bis 170 N . Aus dem Belastungsverlauf wur
den acht unterschiedliche Zeitpunkte a usgewählt und die längs einer Linie dia
gonal durch die Konta ktfläche vorliegen-
53. Jahrgang LANDTECHNIK 3/98
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Bild 2: Druckverteilung an der Kontaktfläche
2 4 zwischen Apfel und
unterschiedlichen
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Werkzeugen bei einer�· Anpreßkraft von 80 N
(1 - Stahlstab 10 mm, 2 - gummierter Stahlstab 18 mm, 3 - Stahlstab mit Hohl
gummimantel 24 mm,
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Fig. 2: Pressure distribution for compression of apple fruits under different surfaces at a force of 80 N (1 - steel rod 10 mm , 2 - rubber coated steel rod 18 mm, 3 - steel rod with hollow rubber 24 mm, 4 - steel plate)
de Druckverteilung dargestellt ( Bild 3) . Die Profillinien 2, 3 und 4 wurden zu Zeit
punkten a ufgenommen, bei denen d ie A npreßkraft Werte von etwa 1 0, 30 und 50 N aufwies. Die Kontaktfläche erreich
te dabei einen Durchmesser von etwa 1 0 m m , d ie maximale Druckbelastung ü be rschritt im Zeitpunkt 4 den Wert 200.
Bei Zeitpunkt 5 war plötzlich eine mar
kante Verä nderung der Druckverteilung festzustellen. Sie zeigte ein Bruchversa
gen des Zellgewebes der Frucht an. I nfol
gedessen verringerte sich der maximale Druckwert, und d ie Belastu ng verteilte sich über eine größere Kontaktfläche. I m weiteren Belastungsverlauf nahm der maximale Druckwert wieder zu (Zeit
punkte 6 und 7). Nachdem wieder ein S pitzenwert von ü ber 200 erreicht wurde, veränderte sich infolge eines weiteren Bruchversagens erneut drastisch die Druckverteilung (Zeitpunkt 8). Der Durchmesser der Kontaktfläche ver
größerte sich dabei auf etwa 17 mm. Der in d iesem Beispiel zum Zeitpunkt 4 erst
ma ls erreichte maximale Druckwert wur
de i n den späteren Zeitpunkten nie übe r
sch ritten.
Auswertung d e r M aßdaten
Bereich unterhalb der kritischen Bela
stung. Ein Vergleich von Meßergebnissen an Früchten der Sorten " Boskoop" und
" Eistar" zeigte, daß unter den vorliegen
den Bed ingungen " Eistar" eine um 10 bis 1 5 % niedrigere Belastbarkeit aufwies.
Dabei ist ebenso wie bei den konventio
nellen M ethoden zur Belastbarkeitsbe
sti mmung zu beachten, daß neben der Sorte erfahrungsgemäß auch der Reifeg
rad , d ie Kultur- und Lagerbedingungen und andere Faktoren d ie M eßergebnisse beeinflussen.
Bei anderen Prod ukten wie Speisezwie
beln u nd Kartoffeln sind - in Abhängigkeit vom Belastungswerkzeug - Beschädi
gu ngen nicht immer unmittelbar an der Kontaktfläche feststellbar. l n d iesem Fall können mit Hilfe des Foliensensors n u r Belastungsverteilungen bestimmt wer
den, die keinen unmittelba ren Bezug zum Bruchversagen des Prod u kts besit
zen .
Schlußfolgerungen
Die Kontaktbelastung und die Beschäd i
gung von Früchten bei Ernte- und Nach
ernteprozessen sind von Form und Elasti-
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O rt s k o o rdi nate
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zität der Früchte und der mit ihnen i n Berührung kommenden Werkzeuge u nd M ateria lien a bhängig. Entscheidend für d ie mechanische Belastun g ist d ie Druck
verteilung an der Kontaktflä che. Zur meß
technischen Bestimmung d ieser Druck
verteilung an der ganzen Frucht kann ein taktiler Foliensensor verwendet werden.
Das verfügbare Meßsystem ermöglicht d ie Bestimmung der Kontaktbelastung und liefert darü ber hinaus I nformationen ü ber das Belastungs- und Beschädi
gungsverhalten von ganzen landwirt
schaftlichen und gartenbauliehen P ro
d u kten . Es soll künftig zur Analyse der i n Aufbereitu ngs- und Verpackungsverfah
ren eingesetzten Elemente genutzt wer
den. Die Analyse der Belastungsvertei
l ungen auf der Prod u ktoberfläche wird neue Erkenntnisse zur prod uktscho
nenden Gestaltung der Verfahren liefern.
Literatur
[ 1 ] Herold, B., G. Siering und M. Geyer: Analyse der mechanischen Belastbarkeit von Äpfeln mit Hilfe eines taktilen Sensors. Agrartechni
sche Forschung 3 ( 1997), H. 2, S. 151- 157 [2] Tekscan: Produktinformation zum taktilen
Sensorsystem 1-Scan . Tekscan, lnc., South Boston/MA, 1993
Sch l üsselwörter
Kontaktbelastu ng, mechan ische Beschä
d igung, Frucht, taktiler Sensor, Aufberei
tu ngs- und Verpackungsverfahren
Keywords
Contact pressure Ioad, mechanical da
mage, fruit, tactile sensor, handling and packaging techniques
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O rtsk o o rd i nate
Am Apfel waren Beschädigungen d u rch Kontaktbelastu ng meist direkt an der Fruchtoberfläche nachweisbar. Daher konnten Belastbarkeitsschwellenwerte für Äpfel u n mittelbar a us dem Vergleich der mit dem Foliensensor a ufgenomme
nen Belastungshistogramme vor und nach Bruchversagen d es Fruchtgewebes a bgeleitet werden. Das Belastungshisto
gramm widerspiegelt d ie Belastungsver
teil ung auf der Kontaktfläche und wurde d u rch Klassierung der Meßwerte a ller Sensorelemente bestimmt. Zur Bestim
mung einer mittleren Belastbarkeits
schwelle bei Belastung durch eine ebene Platte wurden d ie Kontaktflächen nor
m iert. Die Histogramme vor u nd nach ei
nem Bruchversagen untersch ieden sich d u rch eine U mverteilung der Belegungs
za h len im oberen Belastungsbereich.
Nach einem Bruchversagen verschwan
den schlagartig Anteile im höchsten Bela
stungsniveau zugunsten der Anteile im
Bild 3: Verlauf der Druckverteilung längs einer Linie durch die Kontaktfläche bei Belastung eines Apfels durch eine ebene Platte (Auswahl von acht Zeitpunkten im Abstand von 1 s)
53. Jahrgang LANDTEC H N I K 3/98
Fig. 3: Pressure distribution along a line through contact surface du ring loading of an apple fruit by flat plate (eight selected dates with 1 s interval)
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