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称重技术如何实现液体自动灌装？

在现代工业中，精确包装对于满足法规标准和避免高额的过量灌装至关重要。利用先进的称重技术，制造商可以实现液体灌装过程自动化，确保合规性并减少浪费。
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.

全自动液体灌装的称重技术原理

在许多行业中，包装过程都是自动化的。有许多不同的方法可以确保在流程结束时，产品的包装中有准确的数量：对单件货物进行分类，对散装材料进行计量，并对液体进行装瓶。所有这些工艺面临的挑战都是一样的：包装必须包含规定数量的产品。例如，如果瓶子的灌装量过低，就违反了欧盟预包装指令76/211/EEC和德国预包装产品法(§22 FPackV ) 。这些条例规定了生产批次可能低于规定的最低灌装量的百分比。在这里 , "不当行为"可能导致包括停产在内的处罚。因此，在生产过程中，制造商往往填充超过包装规定的最低量。然而，这种安全过度填充可能代价高昂。一家中国牛奶生产商每天灌装大约10万瓶酸奶。通过使用新的精确称重技术将单瓶过度灌装量减少几克，为牛奶制造商每年节省了数百万欧元。因此，装瓶厂制造商应提供高精度测量灌装量的系统，并将过度灌装保持在极低水平。
Infographic of a measurement chain for filling, dosing and checkweighing in isometric perspective

测量液体灌装量的四种方法

专门为液体开发了测量灌装量的不同方法。并非每一种技术都适用于所有液体 — 在精度方面也存在相当大的差异。然而，所有生产过程都有一些共同点：液体永远不会在均匀压力下流过装瓶机的管道。由于液体中的气泡和温度或配方的变化，密度可能会波动。因此，正确的灌装量不能仅仅根据时间来确定。

测量填充量有四种常用方法。 这些方法在成本、准确性、速度和卫生方面有所不同。并非所有方法都适用于所有液体，对于饮料需要特殊的卫生条件，昂贵的化妆品需要特殊的精度，而发动机油具有不同的黏性。本文介绍的四种方法是：

1.使用称重传感器进行重量测量

2.使用液位传感器进行液位测量

3.体积测量

4.流量测量

第一种方法：使用称重传感器进行重量测量

在重量测量法中，或称按重量灌装，数字或模拟称重传感器测量空瓶的重量和灌装填充物。为此，称重传感器配备应变片，可精确检测灌装过程中的重量变化。应变片的功能在我们的技术文章"称重传感器如何工作 ? " 中进行了更详细的解释。


数字称重传感器的优势在于通过数字I/O与PLC通信特别简单。使用：模拟SePAD放大器的放大器，模拟称重传感器也能快速轻松地数字化。要灌装瓶子，灌装机首先将瓶子放置在平台上，或者用叉子悬挂在瓶颈上。同时，灌装机对空瓶称重。当机器灌装瓶子时，称重传感器测量总重量的变化。一旦达到预定的总重量，灌装过程自动停止，瓶子被输送到瓶盖站。在有20至80个灌装头的旋转灌装机中，对于典型的1升瓶，这一过程大约需要5至8秒。不仅灌装重量非常精确，还具有其它方面的巨大优势。

Illustration of a filling-station in isometric perspective

按重量灌装的优点

称重传感器在开始灌装之前称量空瓶。破碎的瓶子比允许的最小重量轻，因此这些瓶子很容易被检测到并立即取出。如果瓶子超过允许的重量，这可能表明存在清洁剂和消毒剂残留物。灌装机也会立即移除这些瓶子，以防止任何健康风险。如果瓶子的总重量在灌装过程中没有按规定的速度增加，则表明液体从瓶子中泄漏。机器停止灌装过程，以防止产品污染。由于清洗成本高且耗时，称重传感器有助于保持较高的系统可用性。

简单的称重传感器编程和校准

按重量灌装是一个具有高精度结果的过程：包装上说明的内容物可以精确灌装至克。此外，称重传感器非常容易使用校准砝码进行校准 — — 就像厨房秤一样。这保证了瓶子确实含有所示的1000克。与生产商一样，机器制造公司也受益于数字称重技术的优势，因为在机器控制系统中编程灌装算法是一项真正的挑战。获得流量与灌装过程的正确比例极为复杂，需要了解过滤器、控制技术、沉降时间和响应时间。HBK 数字称重传感器大大方便了这一设置过程，因为它带有一个集成的灌装算法，集成了 HBK 数十年来重量灌装的经验。

wei PW27AC3-10KG-easy-to-clean

使用免费的 PanelX 软件可以轻松调整算法。如果公司希望使用自己的灌装算法，称重传感器可以完全作为独立单元运行，通过I/O或现场总线与机器控制系统通信，或者连续向控制系统提供滤波后的测量值。按重量灌装特别适用于食品行业，因为传感器不会与产品接触。所有HBK称重传感器都提供 IP68/69K 防护等级，因此能够承受连续浸没和压力洗涤。一些称重传感器，如PW27,通过EHEDG认证，卫生要求特别严格。 例如，蛋白质或糖类的细菌


因此，它们也适用于最新的包装趋势：无菌冷灌装，无需巴氏杀菌，无需添加防腐剂。

第二种方法：使用液位传感器进行测量

液位传感器法专注于瓶内液体的液位。这里，液位传感器被插入瓶口，瓶子被充满，直到液体到达传感器。因此，只有导电产品 — 即含盐量最低的液体 — 才适用于该工艺。例如，植物油和矿物油含盐量太少。液位传感器法是最不准确的测量技术，用于确定灌装量的结果偏差较大，因为容器体积波动很大，特别是玻璃瓶。因此，液位传感器几乎完全用于廉价的导电产品。另一个主要缺点是传感器与产品接触。因此，它从一个瓶子携带少量产品到另一个瓶子，因此不适合卫生灌装。使用液位传感器进行液位测量是等压灌装的理想选择，因为管道和瓶子中必须保持相同的压力条件 — 例如瓶装啤酒需要三根棒。碳酸液体需要这样的环境，否则会损失二氧化碳。此外，这种方法在装瓶一箱饮料时能够实现视觉上相同的灌装水平 — 这对于客户来说是一个重要的标准，特别是对于啤酒或矿泉水。

第三种方法：体积测量

体积测量检测流经灌装阀的液体量。这里，瓶中的液体体积是通过磁感应原理来测量的。磁场分裂流经的液体离子，在测量电极处产生电压。可以测量此电压，从而计算体积流量。此方法仅适用于导电液体。此外，灌装机必须针对每种液体进行单独校准，因为每种产品含有不同数量的离子。

第四种方法：流量测量

流量测量采用科里奥利力原理。在这里，液体通过两个振动管道流入瓶中，作用于一对管道上的Coriolis 力在这些振动中产生相移。这样就可以计算流经管道的液体质量。这种方法也适用于非导电液体。然而，购买成本极高，因为它需要在传感器生产过程中进行耗时的校准。

不同灌装方式的比较

最终，选择的方法取决于被填充产品的价值和属性。而且，各种方法在精度和灌装速度上差别很大。精度使用称重技术的重力灌装比所有其他测量和灌装方法精确得多。液位传感器法的标准偏差约为玻璃瓶灌装重量的2%至5%，而体积法的标准偏差为0.5%至1%。0.2 %是质量流量法所能达到的最佳值。采用称重技术灌装，可实现灌装重量约0.1%的标准偏差。灌装速度：各种测量方法实现不同的灌装速度。使用液位传感器灌装时，可在两到四秒内灌装一瓶。使用称重技术或质量流量测量，灌装一瓶大约需要5秒钟。流速测量在灌装速度方面波动最大，时间在2到5秒之间变化。

多种产品特性使按重量填充成为理想的填充方法

按重量灌装是一种几乎适用于任何液体的程序，无论电导率、固体含量和流速如何。灌装重量可实现异常精确的含量。因此，成本高昂的安全过度灌装可降至最低，从而节省大量成本，特别是对于化妆品和油等高价值产品。对于具有使装瓶更加困难的产品，例如高粘度或高固体含量的产品，使用称重传感器进行重力测量可确保结果的确定性远高于其他测量方法。对于希望满足无菌灌装需求的制造商来说，真正的选择是在质量流量测量和重量灌装之间做出选择。直接比较而言，重量测量原理具有决定性的优势：由于其更高的卫生性，它是无需巴氏杀菌即可实现无菌冷灌装的更简单方法。此外，按重量灌装比质量流量测量便宜得多，精度也更高。因此，对于装瓶厂制造商来说，重量灌装是开发有竞争力的灌装系统的理想方法。

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