Principe du pesage dans les process entièrement automatisés de remplissage de liquides

Dans de très nombreuses industries, les processus d’emballage sont automatisés. Il existe  différentes méthodes pour veiller à ce que la bonne quantité d'un produit soit conditionnée avec précision : certaines marchandises sont assorties, des matériaux sont dosés en vrac et des liquides sont mis en bouteille. Le défi pour tous ces processus est identique : le conditionnement doit avoir la bonne quantité de produit préconisée. Si, par exemple, la quantité de liquide mise dans la bouteille est inférieure à celle demandée alors cela va à l’encontre de la Directive Européenne 76/211/EEC et Loi allemande sur les produits pré-emballés  (§22 FPackV). Celles-ci stipulent un pourcentage qu’une unité de production ne peut pas dépasser sur la quantité minimum spécifique de remplissage. Dans ce cas de figure, cela peut conduire à des pénalités qui peuvent amener un arrêt de la production.

Par conséquent, durant la phase de production, certains fabricants dépassent souvent la quantité minimum de remplissage. Cependant, un dépassement de la quantité peut devenir assez coûteux. Un producteur de lait chinois remplit environ 100 000 bouteilles de lait de noix de noix de coco par jour. En réduisant ce dépassement de remplissage excessif de quelques grammes à chaque bouteille grâce à un système de pesage précis, cette entreprise gagne plusieurs millions d'euros par an. Les fabricants d’installations d’embouteillage doivent donc offrir des systèmes qui mesurent la quantité exacte de remplissage avec une très grande  précision.

Quatre méthodes pour mesurer les quantités de remplissage de liquides

Différentes méthodes de mesure de remplissage ont été particulièrement développées pour les liquides. Chaque technique ne convient pas à tous les liquides et il y a également des différences considérables en termes de précision. Cependant, tous les processus de fabrication ont quelques choses en commun : les liquides ne parcourent jamais les tuyaux de la machine d'embouteillage à une pression uniforme. La densité peut fluctuer en raison des bulles d'air dans le liquide et des changements de température ou bien encore de la composition du produit. Par conséquent, la quantité exacte de remplissage ne peut pas être déterminée simplement sur la notion du temps.

Il existe quatre méthodes actuellement pour mesurer les quantités de remplissage. Ces méthodes diffèrent en termes de coût, d’exactitude, de vitesse et conformité à l'hygiène.  Toutes les méthodes ne conviennent pas à tous les liquides, en effet les boissons ont particulièrement besoin  de l’aspect hygiène, les produits de beauté plus chers exigent une  précision optimale alors que les huiles de moteurs possèdent une caractéristique d'écoulement différente de l'eau minérale, par exemple. Les quatre méthodes présentées dans cet article sont :

  1. Mesure gravimétrique avec un capteur de pesage
  2. Mesure à l'aide d'une sonde de niveau
  3. Mesure volumétrique
  4. Mesure de débit

Première méthode : Remplissage gravimétrique avec capteur de pesage

Pour la méthode de mesure gravimétrique ou remplissage par le poids, un capteur de pesage numérique ou analogique mesure le poids de la bouteille vide et du contenu de remplissage. Le capteur, équipé de jauges de contrainte, détecte avec précision l’évolution du poids pendant le processus de remplissage. La manière de fonctionnement des jauges de contrainte est expliquée plus en détail dans notre article HBM "Comment travaille un capteur de pesage ?”. L'avantage des capteurs de pesage numériques concerne principalement sa simplicité de communication avec un automate programmable par l'intermédiaire d'entrée et sortie numériques. Toutefois sachez que les capteurs analogiques peuvent également être numérisés rapidement et facilement à l'aide de l'amplifificateur PAD.

Pour remplir une bouteille, la machine de remplissage la dispose au tout début sur une plate-forme ou la suspend par le goulot sur une fourchette. Dans même temps, la machine pèse la  bouteille vide. Tandis que la machine la remplit, le capteur de pesage affecté à cette  bouteille mesure l’évolution du poids total. Une fois que le poids global prédéfini est atteint, le processus de remplissage s’arrête automatiquement et la bouteille est évacuée vers le poste de capsulage. Dans un carrousel rotatif de 20 à 80 têtes de remplissage, ce processus prend environ cinq à huit secondes pour une bouteille type de 1 litre. En plus de la très grande  précision de remplissage, le pesage apporte d’énormes autres avantages.

Un capteur de pesage numérique est placé sous chaque tête de remplissage de ce carrousel tournant.

Avantages du remplissage par pesage

  • Le capteur pèse chaque bouteille avant que ne démarre le remplissage. Si les bouteilles présentant un défaut de fabrication diffèrent avec un poids plus faible que celui référencé autorisé, alors la machine les détecte et les retire immédiatement.
  • Si une bouteille dépasse le poids autorisé, ceci peut indiquer la présence de résidus de produit ou de désinfectant de nettoyage. La machine de remplissage enlève immédiatement ces bouteilles, évitant ainsi tout risque pour la santé.
  • Si le poids global d'une bouteille n'augmente pas au fur et à mesure du remplissage, cela indique une fuite et que le liquide s'échappe. La machine arrête le processus de remplissage pour empêcher une contamination de la machine par le produit. Comme les opérations de nettoyage sont longues et chères, le capteur de pesage permet de maintenir une grande disponibilité de la machine de remplissage.

Programmation et étalonnage simples du capteur de pesage

Le remplissage par pesage est un processus donnant des résultats de haute précision : le poids du contenu indiqué sur l'emballage peut être exactement obtenu au gramme près. En outre, il est très facile d’étalonner les capteurs de pesage à l’aide d’une masse étalon comme pour une balance de cuisine. Cela vous garantit que la bouteille contient réellement les 1000 grammes affichés. Les fabricants de produits mais aussi les constructeurs de machines bénéficient des avantages offerts par le pesage numérique, car la programmation de l'algorithme de remplissage du système de contrôle de la machine est un réel défi. Obtenir le ratio correct débit - remplissage est extrêmement complexe et exige une connaissance parfaite des filtres, de la technologie de contrôle, des temps de stabilisation et des temps de réponse. Un capteur de pesage numérique HBM facilite considérablement ce processus de réglage, parce qu'il est livré avec un algorithme de remplissage intégré conçu sur des décennies d'expérience de remplissage par pesage. L'algorithme peut être adapté facilement en employant le logiciel de configuration PanelX livré gratuitement. Les capteurs de pesage peuvent fonctionner de manière autonome, communiquer avec le système de contrôle de la machine par l'intermédiaire des entrée sorties ou des bus de terrain ou fournir en continu  au contrôleur des valeurs de mesure filtrées, si l’entreprise souhaite employer ses propres algorithmes de remplissage.

Cette méthode de remplissage par pesage est particulièrement appropriée à l'industrie alimentaire, car le système de mesure n'est jamais en contact avec le produit. Tous les capteurs HBM ont un haut degré de protection IP68/69K et peuvent donc résister à une immersion continue et subir des pressions importantes lors du nettoyage. Quelques pesons comme le PW27 sont certifiés EHEDG, pour des conditions d’utilisation particulièrement rigoureuses en terme d’hygiène. Les bactéries de protéine ou de sucre, par exemple, ne peuvent pas se multiplier sur les surfaces électro-polies et complètement arrondies de ces capteurs. Ce peson est donc parfaitement approprié à la nouvelle tendance de conditionnement  la plus récente : stérilisation à froid sans pasteurisation et sans addition de conservateurs.

Capteur de pesage numérique Fit5A de HBM

Deuxième méthode : Mesure avec une sonde de niveau

La méthode avec capteur de niveau détecte le niveau du liquide dans la bouteille. Pour cela, une sonde de niveau est insérée dans l'ouverture de la bouteille et celle-ci est remplie jusqu'à ce que le liquide atteigne la sonde. Par conséquent, seuls les produits électriquement conducteurs  c.à.d. des liquides ayant une teneur saline minimum requise, conviennent à ce processus. Les huiles de plantes et minérales, par exemple, contiennent trop peu de sel. Cette méthode avec sonde de niveau est la technique de mesure la moins précise, avec des résultats quantité de remplissage très dispersés, car le volume du récipient fluctue nettement, en particulier dans le cas de bouteilles en verre. En conséquence, les sondes de niveau sont utilisées presque exclusivement pour le conditionnement de produits bon marché et uniquement conducteurs. Un autre inconvénient majeur est que la sonde entre en contact avec le produit. Au cours des remplissages, elle porte du produit d'une bouteille à l'autre et en conséquence est peu convenable pour une mise en bouteilles hygiénique.

La mesure de remplissage avec une sonde de niveau est idéale pour le remplissage isobare, quand des états de pression identiques, par exemple la mise en bouteilles de bière sous trois bars qui doivent être maintenus dans le tuyau de remplissage et la bouteille. Les liquides avec carbonate exigent ce genre d'environnement, autrement ils perdront leur anhydride carbonique. D'ailleurs, cette méthode permet de voir visuellement de niveau de remplissage en mettant les bouteilles de boissons en caisse, un critère important pour les clients, en particulier pour la bière ou l'eau minérale.

Troisième méthode : Mesure volumétrique

La mesure volumétrique détecte la quantité de liquide traversant une soupape de remplissage. Le volume du liquide dans la bouteille est mesuré par un système magnéto-inductif. Un champ magnétique dédouble les ions traversant le liquide, produisant une tension aux électrodes de mesure. Cette tension est mesurée, permettant au débit volumétrique d'être calculé. Ce procédé est seulement approprié aux liquides conducteurs. En outre, la machine de remplissage doit être calibrée individuellement pour chaque liquide, parce que chaque produit contient un nombre différent d’ions.

Quatrième méthode : Mesure de débit

La mesure de débit emploie le principe de la force de Coriolis. Pour cela, le liquide passe dans la bouteille par deux buses vibrantes et la force de Coriolis agissant sur la paire de buses produit d'un déphasage dans ces vibrations. Ceci permet de calculer le débit du liquide qui a traversé les buses. Cette méthode est également appropriée aux liquides non-conducteurs. Cependant, cette solution est extrêmement chère à l’achat, parce qu'elle exige un long calibrage de la sonde pendant sa fabrication.

Comparaison des différentes méthodes de remplissage

En fin de compte, la méthode choisie dépend de la valeur du produit (eau, alcool, médicament….)  et de ces propriétés. Ce qui est sûr, c’est que ces diverses méthodes diffèrent considérablement en précision et vitesse de remplissage.

Précision:

La technologie de pesage gravimétrique est de beaucoup la plus précise de toutes les méthodes citées. La sonde de niveau a un écart type d'environ deux à cinq pour cent du poids de remplissant pour les bouteilles en verre, alors qu'elle est de 0.5 à un pour cent pour la méthode volumétrique et de 0.2 pour cent pour la méthode de mesure du débit. Le remplissage par pesage permet un écart type de 0.1 pour cent du poids préconisé.

Vitesse de remplissage :

Les diverses méthodes de mesure proposent différentes vitesses de remplissage. Avec une  sonde de niveau, une bouteille peut être remplie de deux à quatre secondes. Avec le pesage ou la mesure volumétrique, cela prend environ cinq secondes pour remplir la bouteille. La mesure de débit souffre de la plus grande fluctuation avec une variable de temps entre deux et cinq secondes.

Les très nombreuses propriétés des produits font de la méthode de remplissage par pesage un choix idéal

Le remplissage par pesage est un procédé qui convient pratiquement à n'importe quel liquide, indépendamment de la conductivité du produit, du contenu liquide ou solide et de la vitesse de remplissage. Avec cette solution, il possible d’obtenir une très grande précision de remplissage. Le dépassement de remplissage peut être extrêmement réduit à son minimum  permettant ainsi un gain financier considérable, particulièrement avec les produits de haute qualité tels que les produits en cosmétique et le pétrole. Pour des produits avec des propriétés  difficiles, avec de grande viscosité ou un contenu solide, la mesure gravimétrique avec un capteur de pesage vous assurera une certitude beaucoup plus grande des résultats que les autres méthodes de mesure.

Le seul vrai choix pour les fabricants souhaitant répondre à la demande croissante de remplissage aseptiques se situe entre la mesure de débit et le remplissage gravimétrique du poids. En comparaison directe, le principe de mesure gravimétrique offre des avantages décisifs : en raison de sa plus grande aptitude hygiénique, c'est la manière la plus simple de réaliser le remplissage aseptique en stérilisation sans pasteurisation. En plus, le remplissage par pesage est meilleur marché et plus précis que la mesure de débit. Par conséquent, pour les fabricants d’installations d’embouteillage, le remplissage gravimétrique est la méthode idéale pour développer des systèmes de remplissage concurrentiels.