充填用途に最適なセンサーを決定する方法

Pap Eggs アプリケーションでは、パッケージに入れる前に、ポリ袋に卵と保存液を充填し、安定した 3 点懸濁液で 10 グラムの計量精度で計量します。 出典: PENKO エンジニアリング。

Welcome Food Elements は、砂糖処理/再袋詰めシステムを、バルク袋排出装置、一体型フレキシブル スクリュー コンベアを備えた計量バッチング システム、および計量ホッパーを含む Flexicon 自動バルク システムにアップグレードしました (すべて上部の写真に表示されています)。 スクリューコンベアから計量ホッパーへ送られ、自動計量された内容物が10kg袋に充填されます（下段、左）。 中身がいっぱいになると、バッグの紐が結ばれ、すぐに使用できるようになります (下、右)。

Pap Eggs アプリケーションでは、保存液の量が常に十分であることを保証するために、すべてのシステムが自動風袋計量、インテリジェントな自己学習、および飛行中の補正を使用しています。 出典: PENKO エンジニアリング。

エンドレスハウザーのドーシマスコリオリ流量計は、充填および瓶詰め用途向けに特別に設計されており、温度と密度を補正して体積と質量流量を直接測定し、再現性を確保します。 出典: エンドレスハウザー。

X 線システムは、ボトルの欠陥 (上) を排除できるだけでなく、充填不足のヨーグルト容器 (下) も検出できます。 出典: イーグル製品検査。

メトラー・トレド セーフラインの X37 シリーズ カートン、金属缶、プラスチックおよびガラス容器用の X 線検査システムは、異物の有無をチェックするだけでなく、充填レベルのチェックにも使用できます。 出典: メトラー・トレドのセーフライン。

BinMaster の NCR-80 などの非接触レーダー レベル センサーは、内部構造、流れの流れ、または側壁の蓄積を避けるために正確に照準を合わせるための 4° ビーム角で 80 GHz 動作を特徴としています。 これらは粉塵レベルの高い小麦粉、ミール、穀物、ペレット、顆粒、粉末、およびスラリーを使用して作業します。 出典: ビンマスター。

パン屋にバターを 1 ポンド購入する場合でも、パン屋で小麦粉を 10 メートルトン購入する場合でも、顧客は支払った金額に見合ったものを手に入れることを期待しています。それよりも少ないことはなく、場合によってはわずかに多いこともあるのです。なぜなら、規定の重量をわずかに下回っている場合、加工業者は技術的に法律に違反していることになるからです。 しかし、当然のことながら、製品の無償提供によって利益が少しずつ吸い取られ、年末には多額の金額に達する可能性があります。

そのちょっとしたことが、深く傷つくことがあるのです。 たとえば、Hardy Process Solutions のセンサーとスケールのプロダクト マネージャーである Scott Duncan 氏は、食品飲料業界では珍しくない話を次のように語っています。ある大手スナック食品メーカーは過剰充填の問題を抱えていましたが、どの程度の量が充填されるのかはわかりませんでした。それは問題でした。 そこで、加工業者はハーディの重量チェック機械を工場の複数のラインに導入しました。 各ラインは毎分 120 パックを生産し、年間 85% の稼働率を実現します。 オーバーフィルは通常、1 パックあたり 2 グラムと測定されました。 製品コストは 1 グラムあたりわずか 10 分の 1 セントでしたが、年間の過剰充填コストは 1 ラインあたり 107,222 ドルと計算されました。 したがって、オーバーフィルをパックあたりわずか 1 グラム減らすだけで、1 ラインあたり年間 53,611 ドルを節約できます。 もちろん、余分な重量を減らすには、充填プロセスと使用されているセンサーを詳しく調べる必要があります。

充填レベルと重量をチェックする方法やセンサーはいくつかありますが、質量、密度、レベル、体積よりも重要なプロセス変数は後者であると思われます。 なぜ？ 計量システム設計を専門とするオランダの会社、PENKO Engineering BV の社長である Vincent M. van der Wel 氏は、重量が問題の核心であると示唆しています。

「それぞれの原子や分子には独自の重さがあるため、重さを量ることで多かれ少なかれ分子を数えることになります」と彼は言います。

そのため、この技術は密度や温度の違いの影響を受けず、エアレーションさえも最終結果である製品の重量に影響を与えません。

新しいクローネスの瓶詰めラインや缶詰めラインが稼働しているのを見たことがある人なら、その動きに頭がくらくらするかもしれません。 クローネスの充填機は、容積測定用の流量計（誘導式または質量流量）付き充填バルブを使用するか、重量ベースの充填用の計量セルを使用していると、北米営業 - 充填技術のバリー・フェンスク氏は述べています。

これらの機械は、炭酸、非炭酸、ホットフィル、コールドフィル、導電性製品、非導電性製品、微粒子の有無にかかわらず、水からスラリーまで製品を充填できます。 充填バルブの選択は、製品および充填する容器によって異なります。 クローネスは、一部の製品の重量ベースの充填機に興味を持っています。

たとえば、食用油などのハイエンドの瓶詰め用途では、従来の容積測定充填剤から計量充填剤に切り替えることで利益が得られ、理にかなっています。 ハンガリーの食用油製造会社である NT GmbH は、その事業運営において初めて、体積ベースのフィラーではなく、Krones Modufill NJW の重量ベースのフィラーを検討しました。

「これにより、製品の充填温度や粘度に関係なく、より高い充填精度が得られると考えています」と NT マネージング ディレクターの Milan Kunciř 氏は述べています。

Modufill は、計量セルが充填操作全体を通じて流入するオイルを監視するため、正確な充填量を保証します。 希望の重量に達するとバルブが閉じ、製品が一時的に沈降します。 その後、再度重量を測定します。 2 つの異なる充填速度により、完璧な流動動作が保証されます。 バルブ内の整流装置により、泡立ちと乱流を最小限に抑えた充填操作が行われます。

体積測定デポジターが常に完璧な重量を提供するとは限りませんが、問題を解決する 1 つの方法は、Unifiller Systems Inc. が採用するアプローチです。

「製造プロセスの充填と分配の最後に、ロードセルを備えたサーボ駆動の容積測定デポジターを組み込んでいます」とセールス＆マーケティング担当副社長のスチュワート・マクファーソンは述べています。

調理済み食品のアプリケーションの 1 つは、コンベヤー付き重量チェック システムに接続することです。例としては、鶏の胸肉が入ったファミリー パックの重量をチェックし、その情報を上流のサーボ デポジッターに供給することが考えられます。 鶏肉の重量とサイズはさまざまであるため、ユニフィラーはパックを必要な正味重量にするために追加するクリームソースの量を計算します。 これにより、すべてのパックに同じ最終重量が含まれることになります。

ゆで卵と皮をむいた卵のオランダのサプライヤーである Pap Eggs は、調理と皮をむくステップに続くプロセスに計量および計数機器を選択しました。 技術的な観点から見ると、計量は密度の違いの影響を受けにくいため、理想的です。 もう一つの要因は衛生面です。 計量センサーは調理された卵の流れの外側にあります。 もう 1 つの重要な要素は、Pap が固形のゆで卵と保存液の両方を処理することです。 したがって、計数と重量測定では、測定システムの 1 つの組み合わせで十分です。

保存および輸送中の調理済み卵の品質を確保するために、卵は保存液が入ったプレパッケージに入れられます。 顧客は用途に基づいて防腐剤の種類を決定し、Pap は包装に応じて異なる量で防腐剤を調合します。 複数の種類の液体を異なる量で組み合わせるには、柔軟な生産システムが必要です。 Pap は、さまざまな成分を次々に投入する混合タンクを使用します。 必要な柔軟性、さまざまな種類の液体、および必要な量のため、PENKO FLEX-2100 は計量と投与を制御し、関連する政府の計量仕様をすべて満たします。

Stellar のシニア プロセス エンジニアである Kevin Wilson 氏によると、ロード セルは、特に小麦粉や砂糖などの固体に対して最も一般的に使用される重量センサーです。

「設定も使い方も簡単で、定期的に再調整すれば正確なフィードバックが得られます」と彼は言います。

ロード セルは重量を直接出力します。つまり、密度と体積を計算する必要はありません。 さらに、負荷センサーは通常製品の外部に取り付けられるため、メンテナンスが比較的簡単で、食品に対する安全性も高くなります。

「ロードセルの唯一の本当の欠点は、メンテナンス中にユーザーのミスにより誤って再校正される可能性があることです」とウィルソン氏は言います。 「これは時々起こり、血管が過剰に満たされる可能性があります。」

Spiroflow Systems は、バルクバッグフィラーとバルクバッグアンローダー、およびバッグダンプステーションを製造しています。 エンジニアリングおよび製品開発ディレクターの Dave Hesketh 氏によると、これらの製品とそのさまざまなバージョンのほとんどは、ユニットの充填または排出時に重量を読み取るためにロード セルを使用しています。 この装置はすべて、ドライバルク材料と、それらの材料が充填または荷降ろしプロセスにもたらすさまざまなダイナミクス向けに設計されています。 重量測定による充填または排出が含まれる場合は、精度が高いためロードセルが推奨されます。

「静電容量プローブ、音叉、回転センサーなど、追加のレベルの選択が必要な場合がありますが、それらはすべて使用されるドライバルク材料の種類によって異なります」とヘスケス氏は付け加えます。 「当社が充填用途向けに製造する一連の機械は、重力供給による容積測定充填システムから始まります。」

このようなシステムは、空の容器 (通常はバルクバッグ) の支持フレームと充填チューブへの防塵接続を備えています。 通常、バルブまたは供給装置が材料を充填機に導入し、容器が満杯になるとフィードバック信号が供給装置に送信されて製品の流れを停止します。 一部の機械は過充填を防止するために高度なセンサーを使用していますが、より高度な機械には充填率の監視と目標重量の達成のためのロードセルを備えた計量プラットフォームが含まれており、充填の過剰または不足も防止します。

通常、大量の小麦粉（たとえば 1,000 ポンド）の充填重量をチェックするために計量プラットフォームで使用されるロード セルでは、同じ容器にわずか 1 ～ 2 ポンドの塩を加える正確な方法は提供されません。

「製品とその容器の重量の差が大きくなるほど、測定の精度は低くなります」とステラーズ・ウィルソン氏は言う。

大型のロードセルは、小型のロードセルに比べて、重量のわずかな変化にそれほど敏感ではありません。

「たとえば、私は現在、400～600ポンドの小麦粉と、生地に混ぜる微量材料（それぞれ重さ1～2ポンド）を含む生地のレシピに取り組んでいます」とウィルソン氏は付け加えた。 「大量の小麦粉に対応するため、大きめのホッパーを使用しています。マイクロ製品に比べて小麦粉の精度は十分なので、ロードセルが大きくなっても問題ありません。」

「しかし、1 ～ 2 ポンドの塩の許容範囲はそれほど寛容ではありません。制限を一部でも超えると、生地が悪く、塩分が多すぎる可能性があります。そのため、私はより小さなホッパー (したがってより小さなロードセル) を使用しています。この微量成分の精度を最大限に高めるために塩を使用します。」

速度ごとに重量を測定するフィーダー コントローラーまたはレート コントローラーは、正確な量の材料をバッチに供給する 1 つの方法です。

「重量測定モードでは、重量の可変設定値を時間の変数 [たとえば、ポンド/分] で割って質量流量を決定します」とハーディのダンカン氏は言います。

したがって、材料は、指定された設定値の周りで制御された速度で移動します。 このフローは、連続プロセスまたはバッチプロセスで使用できます。

レートコントローラーを備えた重量減少システムまたは重量増加システムを使用して、成分をミックスに追加できます。 上記の塩の測定と同様に、大きくて重いバッチの場合は、重量損失の測定と重量増加の測定を使用して、少量をより正確にバッチに計量することができます。

「流量の重量損失率を制御する場合、ハーディ コントローラをスケール上の適切な供給装置とともに使用して、1 分あたりのグラム単位でも正確な流量を実現します」とダンカン氏は言います。

PID 制御を使用すると、コントローラーは正確な材料重量を連続または 1 回 (バッチ) ベースで提供できます。

システムが小さなバッグ向けに設計されている場合、重量増加制御は小さなバッグでも一貫して適切に機能します。 たとえば、英国ノッティンガムシャー州ハスウェイトにあるウェルカム・フード・イングリジェント社は、25kgの砂糖袋40個が入った1トンのパレットで受け取った砂糖を、扱いやすい10kgのポリ袋に移す方法を必要としていました。 手作業での取り扱い、充填、計量は非常に手間がかかり、時間の無駄であることが判明し、1 週間に 30 トンの砂糖を袋詰めし直す必要がありました。 同社は、Flexicon Europe 製の一体型スクリューコンベアを備えた計量バッチング システムを設置しました。

フレキシコン ソリューションにより、埠頭で砂糖を受け取る方法が 1 トンのバルク袋に変わり、必要に応じて機械で 110 リットルのホッパーに詰められます。 長さ 3.0 m、直径 115 mm のフレキシブル スクリュー コンベヤーがホッパーから、3 つのロード セルに置かれた容量 40 リットルの円錐形計量ホッパーに砂糖を運びます。 重量増加制御システムは、砂糖が 10 kg に達するまで最大供給速度で計量ホッパーに計量されます。 いっぱいになったら、オペレーターが 10 kg のポリ袋に詰めて口を結び、ほこりもこぼれも出さずに準備完了です。

現在、充填機が重量ベースのテクノロジーを使用しているか、容積測定システムを使用しているかにかかわらず、充填レベルの制御には機械ベースのシステムではなくセンサーが使用されています。

「センサータイプのフィラーは、以前の機械式フィラーよりも高価です」とクローネスのフェンスケ氏は言います。 「しかし、（古い機械よりも）歩留まりが良く、必要なメンテナンス（部品と労力）が少なくて済むというメリットの方が大きいのです。」

容積測定充填量は、ピストンやキャビティなどから、ハイエンドの流量計、レベル センサー (多くの種類がある)、さらには赤外線 (IR) や X 線に至るまで、いくつかの方法で計測できます。 それはアプリケーションによって異なります。

「当社の充填ソリューションのほとんどは、円錐形または傾斜面のホッパーから製品を引き出します。この場合、重力の変化が制御されないと精度に影響を与える可能性があります」と Unifiller の Macpherson 氏は言います。 「私たちが話しているのは、ホッパー内の製品のレベルが変化すると、充填容積量に影響を与える可能性があるホッパー内の製品のレベルです。これを克服する方法は、製品移送ポンプの 1 つ (ホッパー トッパー) でホッパーを充填することです。 IRレベル感知フォトアイを使用すると、ホッパー内のレベルを常に一定に維持できるため、分量の制御が向上します。」

一部の用途では、ライン終了時の X 線検査は、製品の欠陥や汚染をチェックするだけでなく、正しい製品質量をチェックするという二重の役割を果たす場合があります。 Eagle Product Inspection のマーケティング マネージャーである Christy Draus 氏によると、同社のインライン X 線検査システムは製品の質量を測定する完全な機能を備えています。 正確なパッケージ重量を提供できるこの機能は、製造業者がパッケージ重量のコンプライアンスに関する地域の規制を満たすのに役立ち、重量チェックシステムを購入する必要がなくなります。 ゾーン検査を使用したコンポーネントのカウント (たとえば、調理済みの食事の場合) は、平均重量の計算を必要とせずに実行できます。 (重量チェック機は、平均個数重量がわかっている場合にのみ、総重量を個々の個数に変換できます。)

また、X 線システムが情報を充填機に自動的にフィードバックできるようにすることで、オペレーターの関与を完全に排除することも可能になりました。この機能は、液体の食品や飲料を処理する場合に特に有益です、と Draus 氏は言います。 ラインが完全に稼働している間に自動調整を行うことができ、ダウンタイム、無駄、ラインへの人的介入を最小限に抑えることができます。

Krones 製のような IR および X 線システムも、最新の瓶詰めシステムに組み込まれています。

「私たちは充填高さをチェックするためにさまざまなタイプのセンサーを使用しています」とフェンスケ氏は言います。 「X 線、ガンマ線、IR、カメラは、顧客が何を求めているのか、またどのようなテクノロジーを望んでいるのかによって異なります。過剰充填、不足充填、私たちは両方をチェックします。」

充填用途では、より従来型のセンサーがよく使用されます。 効率的な充填機械および装置は、充填される製品の種類によって定義される多数の機器に依存します。 粉末、穀物、チップなどの固体の場合、充填が中断されないようにフィードビン内のレベルを制御する必要があります。 エンドレスハウザーは、超音波レベルセンサーに加えて、自由空間や誘導波レーダーなどのポイントレベルおよび連続レベルのセンサーを提供していると、食品および飲料業界マネージャーのオラ・ウェストトロム氏は述べています。

「シュートの詰まりや空気圧で搬送される製品を検出するには、ドップラー センサーはコストのかかるダウンタイムを削減する優れた方法です」と Wesstrom 氏は述べています。

液体製品の場合、フィラーボウルのレベルはフィラーの性能にとって重要であるため、平均レベルを取得するために 2 ～ 4 個の静電容量またはその他のセンサーがよく使用されるとウェストトロム氏は付け加えます。

「現在の傾向は、コリオリ質量流量計または磁気体積流量計を各充填ヘッドで使用して充填レベルを最適化し、無駄を減らすメーターベースの充填機に向かうことです。」

他の流量計も使用できますが、Stellar's Wilson ではアプリケーションを慎重に検討し、選択する前に公差、精度要件、測定対象の液体を考慮することをお勧めします。

たとえば、溶解固体に関連する導電率が考慮事項の 1 つであるとフェンスケ氏は言います。 20 TDS (総溶解固形分、100 万分の 1) 以上の場合、誘導流量計が測定の選択肢となります。 20 TDS 未満の場合、または導電率がまったくない場合は、質量流量計が解決策になります。

導電性製品には磁気（または誘導）流量計を選択し、非導電性製品にはコリオリ質量流量計を選択することに加えて、Wesstrom 氏は、製品を重量と体積で販売する場合にはコリオリが良い選択肢であると示唆しています。

「コリオリの質量流量もより正確であるため、より価値の高い製品によく使用されます」と彼は言います。

次のステップは、精度と再現性を確保するためのメーターの適切なサイズ設定と高速バルブの選択です。

超音波レベルセンサーは、音波の相互作用の時間微分を使用してレベルの変化を測定し、固体製品と液体製品の両方に使用できます。 さらに、比較的安価で設置も簡単です。

「ただし、超音波レベルセンサーはロードセルよりも誤差が生じる可能性が高いため、精度が劣る可能性があります」とStellarのWilson氏は述べています。 「センサーは製品の真上に取り付けられているため、距離の変化を適切に測定できるように慎重に校正する必要があります。」

超音波センサーはレベルの変化を測定するため、レベルと密度の変化から計算された体積変化を乗算して総質量を計算するとウィルソン氏は付け加えます。 密度は温度の変化やその他の外部影響によって大きく変化する可能性があるため、この技術を適用できる状況は限られています。

重量とケーブル、3D スキャナ、屋外レーダーおよびレーザー デバイスなど、他のデバイスを使用して、ビン内の乾燥製品のレベルを継続的に監視することもできます。 BinMaster によるホワイト ペーパー「連続レベル センサーの選択方法」には、最も一般的なタイプの選択基準が記載されています。

近接センサーは、超音波、誘導、光電、超音波技術を使用して、ある程度のレベル測定を行うことができます。 Unifiller の Macpherson 氏によると、近接センサーを使用すると、一定のレベルに達するまで容器に充填し、その後、停止信号を発して充填機を所定のレベルで停止させることができます。 このような製品には、分厚いシーフードサラダ、カニ肉、フルーツサラダ、ポテトサラダ、コールスローなどが含まれます。

「ブラウニー ミックスのメーカーでは、適切な量の製品をバルクバッグからプロセスに正確に分配するために Spiroflow が必要でした」と Hesketh 氏は言います。 「近接センサーを使用した当社の装置の設計により、メーカーはバッチの精度を向上させることができ、[同社は] バッチ数を当初の要求数を超えるまで増やすことができました。」

最後に、ポイントレベルのスイッチが簡単な解決策になる可能性があります。

エンドレスハウザーのナショナル製品マネージャー、ディーン・マロン氏は次のように述べています。 「プロセス用途における振動技術の発明者として、当社はシングルロッドと音叉の両方のスタイルのスイッチを提供し、乾燥した攻撃的な媒体から液体やスラリーに至るまでの要求の厳しい用途に対応します。」

計量/充填アプリケーションに適切なセンサーを選択することは、文字通り製品の重量に依存します。 最大/最小容量により、使用するセンサーのサイズが決まります。 1 1/4 オンスを充填する場合。 ポテトチップスの袋の場合、センサーはオンスの何分の一単位で測定する必要がある、とハーディのダンカン氏は言います。 200ポンドを充填する場合。 ジャガイモや小麦粉の袋に応じてセンサーと取り扱い方法を選択する必要があります。

重量コントローラー、フィーダー、またはディスペンサー/フィラーは通常、指定されたあらゆる重量を処理できます。 変更する必要があるのはセンサーと処理方法だけです。 同じ考慮事項の多くが液体にも当てはまりますが、温度、密度、質量、体積、その他のプロセス変数などの要因が適用される場合があります。 加工業者が充填アプリケーションの完全な説明を持っている場合、サプライヤーはいつでも支援できるように準備を整えており、多くの場合、サプライヤーの Web サイトで利用できるアプリケーションや計算に関するヘルプが多数あります。

1 つの文書「A Guide to Dynamic Weighing for Industry」は、The Institute of Measurement and Control から入手でき、バッチおよび連続操作用の計量機のいくつかの構成をカバーしており、フィーダ、質量流量計などについても取り上げています。 別の文書「NIST ハンドブック 133、第 4 版、包装された商品の正味内容の確認」では、さまざまなサイズの乾燥パッケージおよび液体パッケージの重量をチェックする方法と試験手順について検討し、いくつかの例を示しています。

詳細については：

スコット・ダンカン、Hardy Process Solutions、858-278-2900、[email protected]、www.hardysolutions.com

ヴィンセント・M・ファン・デル・ウェル、ペンコエンジニアリング、31 318 525630、[email protected]、www.penko.com

バリー・フェンスク、クローネス USA、414-409-4000、[email protected]、www.kronesusa.com

オラ・ウエストトロム、エンドレス+ハウザー、888-363-7377、[email protected]、www.us.endress.com

スチュワート・マクファーソン、Unifiller Systems Inc.、604-940-2233、[email protected]、www.unifiller.com

ケビン・ウィルソン、ステラ、904-260-2900、[email protected]、www.stellar.net

デイブ・ヘスケス、Spiroflow Systems、888-909-7674、[email protected]、www.spiroflow.com

クリスティ・ドラウス、イーグル製品検査、[email protected]、www.eaglepi.com

ディーン・マロン、エンドレス+ハウザー、888-363-7377、[email protected]、www.us.endress.com