Das Prinzip der Wägetechnik für Vollautomatisches Abfüllen von Flüssigkeiten

Verpackungsprozesse laufen in vielen Branchen automatisiert ab. Da­­bei gibt es unterschiedliche Methoden, um am Ende des Prozes­ses die exakt gewünschte Menge eines Produkts in der entsprechen­den Ver­packung zu haben: Sortieren für Stückgüter, Dosieren für Schüttgüter und Füllen für Flüssigkeiten. Die Herausforderung bei allen Verfahren: In der Verpackung muss sich die angegebene Menge des Produkts befinden. Ist die Füllmenge etwa in Flaschen zu niedrig, ist das ein Verstoß gegen die EU-Fertigpackungsrichtlinie 76/211/ewg und die deutsche Fertigpa­ckungsverordnung (§22 FPackV). Diese legen fest, um wie viel Prozent die angegebene Mindestfüllmenge pro Pro­duktions­charge unterschritten werden darf. „Fehlverhalten“ kann hier zu Strafen bis zur Produktions­schließung führen.

Deshalb überschreiten Hersteller bei der Produktion oftmals die Min­dest­menge in der Verpackung. Doch diese Sicherheitsüberfüllung kann kost­spielig sein: Ein chinesischer Milch­produzent etwa füllt rund 100.000 Flaschen Kokosmilch pro Tag ab. Indem er die Sicherheits­überfüllung der einzelnen Flaschen dank neuer exakter Wägetechnik um wenige Gramm reduzierte, sparte das Unternehmen mehrere Mil­lionen Euro pro Jahr. Hersteller von kompletten Abfüllanlagen sollten deshalb Systeme anbieten, die Füllmengen hoch präzise messen und eine Überfüllung so gering wie möglich halten.

Vier Methoden der Füllmengen-Messung bei Flüssigkeiten

Speziell für Flüssigkeiten haben sich unterschiedliche Methoden zur Füllmengen-Messung entwickelt. Nicht jedes Verfahren ist für alle Flüs­sigkeiten geeignet – und auch bei der Präzision gibt es erhebliche Unterschiede. Alle Produktionsprozesse haben jedoch eines gemein: Flüssigkeiten strömen nie mit gleichmäßigem Druck durch die Rohr­leitungen der Abfüll­maschine. Die Dichte kann etwa aufgrund von in der Flüssigkeit enthaltenen Bläschen, Temperatur- oder Rezeptur­änderungen schwanken. Des­halb reicht es nicht aus, die kor­rekte Füllmenge anhand der Zeit zu bestimmen.

Es gibt vier gängige Methoden zur Füllmengen-Messung:

1.   Gravimetrisches Messen mit einer Wägezelle

2.   Messung mit Pegelsonde

3.   Volumenstrom-Messung

4.   Massestrom-Messung

Erste Methode: Gravimetrisches Füllen mit einer Wägezelle

Bei der gravimetrischen Messmethode, dem Wägefüllen, misst eine digitale oder analoge Wägezelle das Gewicht der leeren Flasche und des eingefüllten Inhalts. Dafür sind in der Wägezelle Dehnungs­mess­­streifen (DMS) integriert, die die Gewichtsveränderung während des Befüllens präzise erfassen. Die Funktionsweise der DMS ist in unserem HBM-Beitrag „Wie funktioniert eine Wägezelle?“ detailliert erläutert. Der Vorteil von digitalen Wägezellen: Dank ihrer digitalen Ein- und Ausgänge ist die Kommunikation mit einer SPS-Steuerung besonders einfach. Auch für analoge Wägezellen gibt es die Möglich­keit, sie mittels einer PAD-Elektronik schnell und einfach zu digita­lisieren.

Um eine Flasche zu füllen, platziert die Füllmaschine sie zunächst auf einer Plattform oder hängt sie mit dem Flaschenkragen an eine Ga­bel. Dabei ermittelt die Füllmaschine auch zugleich das Gewicht der leeren Flasche. Während die Maschine die Flasche befüllt, misst die Wäge­zelle die Verän­derung des Gesamtgewichts. Wenn das zuvor defi­nierte Gesamt­gewicht erreicht ist, wird der Füllvorgang automa­tisch ge­stoppt und die Flasche zum Verschließen weitertransportiert. In einem Rotations­füller mit 20 bis 80 Füllköpfen dauert dieser Vorgang rund fünf bis acht Sekunden für gängige 1-Liter-Flaschen. Das Wägefüllen ist nicht nur hoch präzise, es bietet zudem weitere enorme Vorteile.

 

 

Digitale Wägezellen in einer Abfüllanlage.

Die Vorteile des Wägefüllens

  • Die Wägezelle verwiegt jede Flasche noch vor dem Abfüllen, weshalb sich eine zerbrochene Flasche einfach erkennen und direkt aussortieren lässt: Sie ist leichter als das zulässige Mindestgewicht.
  • Ist eine Flasche schwerer als erlaubt, kann dies auf Rückstände von Reinigungs- und Desinfektionsflüssigkeiten hindeuten. Auch diese Flasche sortiert die Füllmaschine sofort aus, um Gesundheitsgefährdungen zu verhindern.
  • Steigt das Gesamtgewicht einer Flasche während des Befüllens nicht so schnell wie vorgegeben, deutet dies auf ein Leck hin, aus dem Flüssigkeit entweicht. Die Maschine stoppt den Füllvorgang, um eine Verschmutzung mit dem Produkt zu verhindern. Die Wägezelle trägt so zu einer höheren Verfügbarkeit der Anlage bei, denn eine Reinigung ist aufwendig und zeitintensiv.

Einfache Programmierung und Kalibrierung von Wägezellen

Wägefüllen ist ein Verfahren mit hoher Ergebnisechtheit: Der auf der Verpackung angegebene Inhalt kann grammgenau eingefüllt werden. Zudem lässt sich die Wägezelle sehr einfach mit Referenzgewichten kalibrieren – ähnlich einer Küchenwaage. Dies garantiert, dass die angezeigten 1.000 Gramm auch tatsächlich in der Flasche enthalten sind. Neben den Produzenten profitieren auch die Maschinenbauer von den Vorteilen der digitalen Wäge­technik, denn die eigene Pro­grammierung des Füllalgorithmus in der Maschinensteuerung ist eine besondere Heraus­forderung: Das korrekte Verhältnis von Volumen­strom und Füllprozess einzustellen, ist sehr komplex. Es benötigt Wissen über Filter, Regeltechnik, Einschwing- und Reaktionszeiten. Eine digi­tale Wägezelle von HBM erleichtert den Einstellprozess erheblich, denn sie besitzt einen integrierten Füllalgorithmus, der die Erfahrung von Jahrzehnten des Wägefüllens enthält. Der Algorithmus lässt sich einfach via kostenloser Konfigurationssoftware PanelX anpassen. Die Wägezellen können komplett Stand-alone laufen, mit der Maschinensteuerung über I/Os oder Feldbusse kommunizieren oder den gefilterten Messwert kontinuierlich an die Steuerung liefern, falls doch eigene Füllalgorithmen genutzt werden sollen.

Für die Lebensmittelproduktion ist Wägefüllen besonders geeignet, denn der Sensor kommt nicht mit dem Produkt in Berührung. Alle HBM-Wägezellen verfügen über die höchstmögliche Schutzart IP68/69K und überstehen damit dauerhaftes Untertauchen und Hoch­druckreinigen. Einige Wägezellen wie die PW27 sind mit EHEDG-Zertifikat ­ausgezeichnet ­– für besonders hygienische Anforderungen. Auf den elektropolierten und komplett runden Ablaufflächen dieser Wägezellen bilden sich keine Keimnester etwa von Eiweiß- oder Zuckerbakterien. Sie eignen sich damit auch für den neuen Ver­packungstrend: Kaltaseptische Abfüllung ohne Pasteurisierung und ohne Zugabe von Konservierungsstoffen.

Digitale Wägezelle Fit5A von HBM

Zweite Methode: Messung mit Pegelsonde

Ein Verfahren, das auf die Füllhöhe in der Flasche abzielt, ist die Pegel­sonden-Methode. Dabei wird eine Pegelsonde in die Flaschen­öffnung eingeführt und die Flasche so lange befüllt, bis der Flüssig­keitsstand die Sonde erreicht. Geeignet sind dafür nur Produkte mit elektrischer Leitfähigkeit, also Flüssigkeiten mit einem Mindestsalz­gehalt. Pflanzen- oder Mineralöle etwa enthalten zu wenig Salz. Das Pegel­sonden-Verfahren ist das ungenaueste Mess­ver­fah­ren, mit einer großen Ergebnisstreuung bei der Bestimmung der Füllmenge, denn das Behältervolumen – besonders von Glasflaschen – schwankt erheblich. Des­halb kommen Pegel­son­den fast ausschließ­lich bei güns­tigen und leitfähigen Produkten zum Einsatz. Ein weiterer ent­schei­dender Nachteil: Die Sonde kommt mit dem Produkt in Berühr­ung, trägt also einen Teil des Produkts von Flasche zu Flasche weiter – deshalb ist diese Messmethode für hygienisches Abfüllen ungeeignet.

Ideal ist Füllmengen-Messung per Pegelsonde für isoba­risches Füllen, wenn in der Rohrleitung und in der Flasche die gleichen Druckver­hältnisse von zum Beispiel drei Bar bei der Bierabfüllung herrschen müssen. Carbonierte – also kohlen­säure­haltige – Flüssig­keiten benötigen eine solche Umgebung, sonst verlieren sie ihren Kohlensäuregehalt. Zudem ermöglicht diese Methode, einen optisch gleichen Füllstand bei der Befüllung von Ge­trän­kekästen zu erzeugen – ein wichtiges, vom Kunden gewün­sch­tes Kriterium insbesondere bei der Abfüllung von Bier oder Mineral­wasser.

Dritte Methode: Die Volumenstrom-Messung

Die Durchfluss-Messung erfasst die Menge an Flüssigkeit, die durch das Abfüllventil strömt. Hier wird das Volumen der Flüssigkeit in der Flasche mittels eines magnetisch-induktiven Verfahrens gemessen. Dabei teilt ein Magnetfeld die Ionen der durchströmenden Flüssigkeit, so dass an den Messelektroden eine Spannung entsteht. Diese Span­nung lässt sich messen und daraus der Volumendurchfluss berechnen. Das Verfahren eignet sich nur für leitfähige Flüssigkeiten. Zudem muss die Füllmaschine auf jede Flüssig­keit einzeln kalibriert werden, weil jedes Produkt unterschiedlich viele Ionen enthält.

Vierte Methode: Die Massestrom-Messung

Die Massestrom-Messung macht sich das Prinzip der Corioliskraft zunutze. Hier fließt die Flüssigkeit durch zwei zum Schwingen ange­regte Rohre in die Flasche, wobei die an dem Rohrpaar wirkende Corioliskraft eine Phasenverschiebung dieser Schwingung erzeugt. Damit lässt sich errechnen, welche Masse an Flüssigkeit durch die Rohre geflossen ist. Diese Methode ist auch für nicht-leitende Flüssigkeiten geeignet. Sie ist jedoch sehr teuer in der Anschaffung, denn sie erfordert einen hohen Kalibrier­aufwand während der Sensorfertigung.

Vergleich der unterschiedlichen Füllmethoden

Welche Methode letztendlich zum Einsatz kommt, hängt von Wert und Eigen­schaf­ten des abzufüllenden Produkts ab. Zudem unterscheiden sich die verschiedenen Verfahren erheblich in der Präzision und der Füllgeschwindigkeit.        

Präzision:

Das gravimetrische Füllen mittels Wägetechnik ist deutlich präziser als alle anderen Mess- und Füllmethoden: Bei der Pegelsonde beträgt die Standardabweichung rund zwei bis fünf Prozent des Abfüll­gewichts in Glasflaschen, bei den volumetrischen Methoden rund 0,5 bis ein Prozent. Mit Massestrom sind bestenfalls 0,2 Prozent realisierbar. Bei Befüllung mit Wägetechnik lässt sich eine Standardabweichung von rund 0,1 Prozent des Abfüllgewichts erreichen.

Füllgeschwindigkeit:

Die verschiedenen Messmethoden ermöglichen verfahrensbedingt unterschiedlich schnelle Füllgeschwindigkeiten. Beim Füllen mit einer Pegelsonde ist eine Flasche in etwa zwei bis vier Sekunden gefüllt. Mit Wägetechnik oder Massestrom-Messung dauert es rund fünf Sekunden, bis eine Flasche voll ist. Die größte Schwankung in der Füllgeschwindigkeit hat die Volumenstrom-Messung mit einer Fülldauer von zwei bis fünf Sekunden.

 

 

Viele Produkt-Eigenschaften machen Wägefüllen zur idealen Füllmethode

Wägefüllen ist ein Füllverfahren, das für nahezu jede Flüssigkeit geeignet ist – unabhängig von Leitfähigkeit, Feststoffgehalt und Fließgeschwindigkeit. Mit Wägefüllen lassen sich Inhaltsmengen äußerst präzise bestimmen. Kostspielige Sicherheitsüberfüllungen können damit auf ein Minimum reduziert werden. Speziell bei hochwertigen Produkten wie Kosmetika oder Ölen sind so erhebliche Einsparungen möglich. Auch bei Produkteigenschaften, die den Abfüllprozess erschweren, wie hohe Viskosität oder ein hoher Feststoffanteil in der Flüssigkeit, bietet das gravimetrische Messprinzip mittels Wägezelle eine deutlich höhere Ergebnissicherheit als andere Messmethoden.

Wer die steigende Nachfrage nach Aseptik-Fillern bedienen will, hat nur noch die Wahl zwischen der Massestrom-Messung und dem gravimetrischen Wägefüllen. Im direkten Vergleich bietet das gravimetrische Messprinzip entscheidende Vorteile: Aufgrund höherer Hygiene ist es die einfachste Art, ohne Pasteurisierung kaltaseptisch abzufüllen. Zudem ist Wägefüllen deutlich präziser und günstiger als die Massestrom-Messung. Für Hersteller von Abfüllanlagen ist gravimetrisches Wägefüllen somit das ideale Prinzip, um wettbewerbsfähige Filler-Systeme zu entwickeln.