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計量技術を用いた自動液体充填の仕組み

現代の産業では、正確な包装は法的基準を満たし、コストのかかる過剰充填を避けるために不可欠です。高度なな計量技術を使用することで、メーカーは液体充填プロセスを自動化し、コンプライアンスを確保し、廃棄物を削減できます。
Automated process of bottling in a small distillery.Freshly distilled gin is being filled into transparent 1 liter glass bottles. Control buttons are visible on the side of the conveyor line.

<b>目次</b>

液体の全自動充填のための計量技術の原理

多くの業界では、包装プロセスは自動化されています。プロセスの最終段階で製品の包装に正確に適切な量が入っていることを確認する方法は数多くあります。例えば、ピース商品の選別、バルク材料の計量、液体のボトル詰めなどです。これらすべてのプロセスに共通する課題は、包装容器に表示されたとおりの製品量を正確に充填することです。例えば、ボトルへの充填量が少なすぎると、EUプレパッケージング指令76/211/EECおよびドイツのプレパッケージ製品法（§22 FPackV）に違反します。これらの規定では、生産バッチが所定の最小充填量を下回ってよい許容範囲（パーセンテージ）が定められています。ここでの「不正行為」は、生産停止を含む罰則につながる可能性があります。そのため、製造工程においてメーカーはしばしば包装内の最小充填量を上回る量を充填する傾向があります。しかし、このような安全過剰充填はコストがかかる場合があります。中国の牛乳生産者は、1日あたり約10万本のココナッツミルクを充填しています。新しい精密計量技術を使用して、個々のボトルの過剰充填を数グラム減らすことで、 社は年間数百万ユーロを削減 しました。したがって、完全な瓶詰めプラントの製造業者は、充填量を高精度で測定し、過剰充填を絶対最小限に抑えるシステムを提供する必要があります。
Infographic of a measurement chain for filling, dosing and checkweighing in isometric perspective

液体の充填量の4つの測定方法

液体専用に異なる充填量の測定方法が開発されています。すべての技術がすべての液体に適しているわけではありません。また、精度が重要な部分でもかなりの差があります。しかし、すべての生産プロセスに共通している点として、液体はボトリング機の配管内を常に一定の圧力で流れるわけではありません。液体中の気泡や温度やレシピの変化により密度が変動することがあります。したがって、単純に時間ベースで正しい約定枚数を判断することはできません。

約定枚数の一般的な測定方法は4つあります。 これらの方法は、コスト、精度、スピード、衛生面で異なります。すべての方法がすべての液体に適しているわけではありません。飲料は特定の衛生状態を必要とし、高価な化粧品は特別な精度を必要とします。一方、エンジンオイルはミネラルウォーターなどとは異なる流動特性を持っています。今回紹介する4つの方法は、

1.ロードセルによる重量測定

2.レベルセンサによる測定

3.体積測定

4.マスフロー測定

第一の方法:ロードセルを用いた重量充填

重量測定方法、つまり重量による充填では、デジタルまたはアナログのロードセルが空のボトルの重量と充填内容を測定します。ロードセルの特徴は、充填工程での重量変化を精密に検出するひずみゲージです。ひずみゲージの機能については、HBKの記事 「計とは」で詳しく説明しています。


デジタルロードセルの利点は、特にデジタルI/Oを介したPLCとのシンプルな通信です。しかし、アナログロードセルは、 amplifierを使用して素早く簡単にデジタル化することもできます。ボトルに充填するには、まず充填機が台に載せるか、フォークから首にかけて吊り下げます。同時に、充填機は空のボトルを計量します。マシンがボトルを満たしている間、ロードセルは全体の重量の変化を測定します。規定の全体重量に達すると、充填工程が自動的に停止し、ボトルがキャップステーションに運ばれます。20～80個の充填ヘッドを持つロータリー充填機では、このプロセスは一般的な1リットルボトルで5～8秒程度かかります。重量充填の精度が高いだけでなく、さらなる大きなメリットをもたらします。

Illustration of a filling-station in isometric perspective

重量による充填のメリット

ロードセルは充填開始前に各ボトルを計量します。割れたボトルは許容最小重量よりも軽いため、これらのボトルを簡単に検出し、すぐに取り外すことができます。ボトルが許容重量を超えている場合は、洗浄剤や消毒液の残留物が存在する可能性があります。充填機は、健康へのリスクを防ぐために、これらのボトルもすぐに除去します。充填中にボトル全体の重量が規定ほど速く増加しない場合は、液体が漏れていることを示しています。機械は製品の汚染を防ぐため、充填プロセスを停止します。洗浄はコストと時間がかかるため、ロードセルはシステムの高い稼働率維持に貢献します。

シンプルなロードセルのプログラミングと校正

重量による充填は高精度の結果を伴う工程であり、パッケージに記載されている含有量をグラム単位で正確に充填することができます。さらに、ロードセルは、キッチンスケールのように、校正分銅を使用して非常に簡単に校正できます。これは、ボトルに表示されている1,000グラムが実際に含まれていることを保証します。機械施工会社は、生産者だけでなく、デジタル計量技術の利点も享受できます。機械制御システムにおける充填アルゴリズムのプログラミングが現実的な課題であるためです。充填工程に対する流量の正しい比率を求めるのは非常に複雑で、フィルタ、制御技術、沈下時間、応答時間の知識が必要です。HBKのデジタルロードセルは、重量による充填の数十年の経験を反映した統合充填アルゴリズムが付属しているため、この設定作業を大幅に簡素化します。

wei PW27AC3-10KG-easy-to-clean

アルゴリズムは、無料のPanelX設定ソフトウェアを使用して簡単に適応できます。ロードセルは、独自の充填アルゴリズムを使用する場合は、完全にスタンドアロンユニットとしてRunしたり、I/Oまたはフィールドバスを介して機械制御システムと通信したり、フィルタリングされた測定値を制御システムに継続的に供給したりできます。重量による充填は、センサが製品に接触しないため、特に食品業界に適しています。すべてのHBKロードセルは、IP68/69Kの可能な最大限の保護度を備えているため、連続的な水没や圧力洗浄に耐えることができます。PW27など一部のロードセルは、特に厳しい衛生基準に対応するためEHEDGの認証を取得しています。例えば、タンパク質や糖分由来の細菌が、電解研磨され完全に丸みを帯びた接触面上で繁殖することはありません。


そのため、これらのロードセルは、近年の最新包装トレンドである、加熱殺菌や保存料を使用しない無菌コールド充填にも適しています。

第二の方法:レベルセンサによる測定

レベルセンサ方式は、ボトル内の液体のレベルに注目します。ここでは、ボトルの開口部にレベルセンサを挿入し、液体がセンサに到達するまでボトルを充填します。したがって、このプロセスに適しているのは、電気伝導性を持つ製品、すなわち一定量以上の塩分を含む液体に限られます。例えば植物油や鉱物油は塩分が少なすぎます。レベルセンサ方式は最も精度の低い測定手法であり、充填量を決定する際に最も散らばる結果となります。これは、特にガラス瓶の場合、容器容量が大きく変動するためです。そのため、レベルセンサは低価格で導電性のある製品がほぼ独占的に使用されています。もう一つの大きな欠点は、センサが製品に接触することです。そのため、製品の一部を別のボトルに運ぶため、衛生的な瓶詰めには不向きです。レベルセンサによる液面レベル測定は、等圧充填に最適です。この方式では、パイプ内とボトル内の圧力条件（たとえばビール充填時の3バールなど）を同一に保つ必要があります。炭酸飲料のような液体はこのような環境を必要とします。そうでなければ、二酸化炭素が抜けてしまうためです。さらにこの方式では、飲料をケース詰めする際に、見た目の充填レベルを揃えることが可能となります。これは、特にビールやミネラルウォーターにおいて、顧客にとって重要な評価基準となります。

第三の方法：体積測定

容量測定は、充填バルブを流れる液体の量を検出します。ここで、磁気誘導によりボトル内の液体の体積を測定します。磁場によって流れる液体のイオンが分裂し、測定電極に電圧が発生します。この電圧が測定でき、容積流量の計算が可能になります。この手順は導電性液体にのみ適しています。また、充填機は製品ごとにイオン数が異なるため、液体ごとに個別に校正する必要があります。

第四の方法：マスフロー測定

質量流量測定はコリオリ力の原理を利用します。この方式では、液体が2本の振動パイプを通ってボトルに流れ込み、その際にパイプに作用するコリオリ力によって振動に位相差が生じます。これにより、配管内を流れた液体の質量を計算できます。この方法は非導電性液体にも適しています。但し、センサ製作時に手間のかかる校正が必要となるため、購入費用が非常に高額になります。

異なる充填方法の比較

最終的に、どの方法を選択するかは、充填する製品の価値と特性によって異なります。さらに、さまざまな方法によって、精度や充填速度がかなり異なります。精度:計量技術を用いた重量充填は、他のすべての測定および充填方法よりもさらに精密です。レベルセンサ方式は標準偏差がガラス瓶の充填重量の2〜5％程度であるのに対し、容積方式では0.5〜1％程度です。0.2パーセントはマスフロー法で達成できる最高のものです。計量技術による充填により、充填重量の標準偏差0.1程度を実現。充填速度：さまざまな測定方法により、異なる充填速度を実現します。レベルセンサで充填する場合、2〜4秒でボトルに充填できます。計量技術や質量流量測定では、ボトルに充填するのに約5秒かかります。流量測定は充填速度の変動が最も大きく、時間は2秒から5秒の間で変動します。

数多くの製品特性により重量充填が理想的な充填方法

重量による充填は、導電率、固体含有量、流速に関係なく、事実上すべての液体に適した手順です。重量充填により、非常に正確な含量が得られます。したがって、コストのかかる安全性の過剰充填は最小限に抑えることができ、特に化粧品やオイルなどの高品質な製品ではかなりの節約が可能になります。高粘度や固体含有量が高い製品など、瓶詰めをさらに困難にする特性を持つ製品では、ロードセルによる重量測定により、他の測定方法よりもはるかに確実な結果が得られます。無菌充填剤の需要増加に対応しようとするメーカーにとって、唯一の現実的な選択肢は質量流量測定と重量による重量充填のどちらかです。直接比較すると、重量測定原理は決定的な利点をもたらします。より衛生的なため、殺菌せずに無菌的に冷凍充填を実現する最も簡単な方法です。さらに、重量による充填は質量流量測定よりもはるかに低価格で、さらに精密です。したがって、瓶詰めプラントのメーカーにとって、重量によるグラビメトリック充填は、競争力のある充填システムを開発するための理想的な手法となります。

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