Schutz von Kaffeemühlen vor versteckten Steinen
Die meisten Kaffeegenießer kennen das leise Summen der Kaffeemühle in ihrem Lieblingscafé, während sie gespannt auf den ersten aromatischen Schluck warten. Doch hinter dieser alltäglichen Szene verbirgt sich ein erstaunlich heikles Problem. Die Kaffeebohnen sind oft mit kleinen Steinen vermischt, die bei der Ernte und Verarbeitung versehentlich mitgenommen werden. Die Steine, die in Größe, Form und Farbe fast identisch mit den Bohnen sind, entgehen selbst den sorgfältigsten Kontrollen.
Aufbau des Systems und Grafiken, die die Genauigkeit der entwickelten akustischen Methode zur Erkennung versteckter Steine in Kaffeebohnen zeigen Kredit
SUTD
Für Cafés und kommerzielle Kaffeeproduzenten bedeuten verirrte Steine ein Problem. Wenn sie in das Mahlwerk gelangen, können sie die präzisionsgefertigten Schneidscheiben der Mühle, die so genannten Grate, schwer beschädigen. Diese unentbehrlichen, aber sehr teuren Grate müssen nach dem Austausch fachmännisch ausgerichtet werden, was den Betrieb oft unterbricht und daher zu erheblichen Ausfallzeiten führt.
"Große Fabriken sind auf fortschrittliche Siebmethoden zu Beginn der Kaffeeproduktion angewiesen. Aufgrund der Größen- und Kostenbeschränkungen sind diese traditionellen Siebverfahren für die meisten stark frequentierten Cafés und kleineren gewerblichen Einrichtungen nicht praktikabel", so Dr. Teo Tee Hui von der Singapore University of Technology and Design (SUTD).
Motiviert durch diese Herausforderung haben Dr. Teo und sein Team eine Lösung entwickelt, die auf Schall basiert - im wahrsten Sinne des Wortes! Bei ihrer Methode wird ein Mikrofon strategisch im Mahlwerk platziert. Während die Bohnen durch die Mühle purzeln und die Grate sich zu drehen beginnen, nimmt das Mikrofon das akustische Profil der Maschine in Echtzeit auf. Insbesondere ein verirrter Stein, der zwischen den Bohnen eingeklemmt ist, erzeugt eine unverwechselbare akustische Signatur, die sich von den weicheren Geräuschen der Bohnen allein unterscheidet.
Die Ergebnisse des Teams wurden in der Publikation "Innovative EMD-based technique for preventing coffee grinder damage from stones with FPGA implementation" veröffentlicht.
Das Herzstück ihrer Methode ist ein Algorithmus namens empirische Modenzerlegung (EMD), der komplexe Schallsignale in einfachere Komponenten zerlegt, die als intrinsische Modenfunktionen (IMFs) bekannt sind. Durch die Isolierung dieser IMFs kann das System des Teams das Vorhandensein von Steinen genau lokalisieren. Die Innovation des Teams wird durch die Implementierung dieses Algorithmus auf feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA), speziellen Prozessoren, die eine schnelle und genaue Datenanalyse in Echtzeit ermöglichen, weiter verbessert.
"Wir haben uns für EMD entschieden, weil es sich nahtlos an die sich verändernde akustische Umgebung des Schleifers anpasst. Die Steine erzeugen flüchtige, unverwechselbare akustische Muster, die EMD selbst inmitten von Hintergrundgeräuschen leicht erkennt", betonte Dr. Teo. "Wir haben uns speziell für FPGAs entschieden, weil sie in Echtzeit verarbeitet werden können und kostengünstig sind - entscheidend für den Einsatz in kleinen kommerziellen Kaffeebetrieben."
In umfangreichen Tests identifizierte das System zuverlässig und mit nahezu perfekter Genauigkeit Steine, die Kaffeebohnen sehr ähnlich waren, und verhinderte so eine Beschädigung der Grate. Dr. Teo räumte jedoch ein, dass die Erkennung von kleineren, zerkleinerten Steinen, die akustisch schwerer zu erkennen sind, noch verbesserungswürdig ist.
"Die Erkennung winziger Fragmente ist nach wie vor eine Herausforderung, da sich ihre akustischen Signaturen überschneiden und von Bohnengeräuschen überdeckt werden können. Wir arbeiten aktiv daran, unsere Methode zu verbessern, indem wir die subtilen akustischen Hinweise, die in den Zeitbereich des Signals eingebettet sind, besser nutzen", so Dr. Teo. "Wir haben bereits eine vielversprechende Lösung in der Pipeline, die wir hoffentlich bald vorstellen können - man darf gespannt sein!"
Wichtig ist, dass dieser innovative akustische Ansatz ein erhebliches Potenzial für die kommerzielle Umsetzung hat. Er lässt sich leicht und ohne größere Änderungen in bestehende Maschinen integrieren und bietet Cafés und kleineren Kaffeeunternehmen eine praktische, wirtschaftliche Alternative zu groß angelegten Screening-Methoden, die sich die meisten nicht leisten können.
"Letztlich ist unser Ziel ganz einfach. Wir wollen verhindern, dass Steine jemals wieder eine Kaffeemühle beschädigen", sagte Dr. Teo. "Durch die Entwicklung einer zuverlässigen Nachweismethode, die die Effizienz und Langlebigkeit von Kaffeemühlen erhöht, könnten wir den Café-Betrieben und der Kaffeeindustrie insgesamt zugute kommen."
In Zukunft wird sich das Team darauf konzentrieren, die Empfindlichkeit des Algorithmus zu verfeinern, um eine breite Anwendung in der vielfältigen Kaffeemühlenszene zu erreichen.
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