Il principio della tecnologia di pesatura per il riempimento dei liquidi

In molti settori i processi di imballaggio sono automatizzati. Esistono molti metodi diversi per garantire che al termine del processo l’imballaggio contenga la quantità di prodotto esatta: i beni a pezzo vengono suddivisi, i materiali sfusi vengono dosati e i liquidi vengono imbottigliati. Tutti questi processi devono affrontare la stessa sfida: l’imballaggio deve contenere la quantità di prodotto stabilita. Se la quantità di liquido in una bottiglia è troppo scarsa, ad esempio, si viola la Direttiva UE sui prodotti preconfezionati 76/211/CEE e l’atto sui prodotti preconfezionati tedesco (§22 FPackV). Queste norme stabiliscono la percentuale massima per cui un lotto di prodotto può essere al di sotto della quantità di riempimento minima indicata. In questi casi, una “negligenza” può portare a delle sanzioni che comprendono la chiusura della produzione.

Per questo motivo, in fase di produzione spesso i produttori tendono a superare la quantità minima nell’imballaggio. Questo troppo pieno eccessivo, però, può essere molto dispendioso. Un produttore di latte cinese riempie circa 100.000 bottiglie di latte di cocco al giorno. Riducendo la quantità in eccesso nelle singole bottiglie di pochi grammi utilizzando una tecnologia di pesatura nuova e precisa, l’azienda ha risparmiato milioni di euro all’anno. I produttori di impianti di imbottigliamento completi dovrebbero quindi offrire sistemi in grado di misurare con una precisione elevata le quantità di riempimento in modo da ridurre al minimo il troppo pieno.

Quattro metodi di misurazione delle quantità di riempimento dei liquidi

Per i liquidi in particolare, sono stati sviluppati diversi metodi di misurazione delle quantità di riempimento. Non tutte le tecniche sono adatte per tutti i liquidi ed esistono anche differenze notevoli per quanto riguarda la precisione. Tuttavia, tutti i processi di produzione hanno qualcosa in comune: i liquidi non scorrono mai attraverso i tubi dell’imbottigliatrice a una pressione costante. La densità può fluttuare a causa delle bolle d’aria presenti nel liquido e cambia a seconda della temperatura e del recipiente. Per questo motivo, non è possibile stabilire la quantità di riempimento corretta solo su base temporale.

Esistono quattro metodi principali per la misurazione delle quantità di riempimento. Questi metodi presentano delle differenze in termini di costo, precisione, rapidità e igiene. Non tutti i metodi sono adatti per tutti i liquidi, perché le bevande richiedono una particolare attenzione all’igiene, i cosmetici costosi richiedono una particolare precisione e l’olio per i motori ha caratteristiche di scorrimento diverse rispetto, ad esempio, all’acqua minerale. In questo articolo vengono presentati i quattro metodi seguenti:

  1. Misurazione gravimetrica con cella di carico

  2. Misurazione con sensore di livello

  3. Misurazione del volume

  4. Misurazione della portata massica

Primo metodo: riempimento gravimetrico con cella di carico

Nel metodo di misurazione gravimetrico, o riempimento a peso, una cella di carico digitale o analogica misura il peso della bottiglia vuota e il contenuto del riempimento. La cella di carico è dotata di estensimetri che rilevano in modo preciso le variazioni di peso durante il processo di riempimento. Per informazioni più dettagliate sul funzionamento degli estensimetri, si rimanda all’articolo HBM "Come funziona una cella di carico?”. Il vantaggio delle celle di carico digitali consiste soprattutto nella facilità di comunicazione con PLC tramite I/O digitali. Anche le celle di carico analogiche, però, possono essere digitalizzate rapidamente e facilmente usando un amplificatore.

 

Per riempire una bottiglia, l’imbottigliatrice per prima cosa la posiziona su una piattaforma o la appende dal collo a una forca. Contemporaneamente, l’imbottigliatrice pesa la bottiglia vuota. Mentre la macchina riempie la bottiglia, la cella di carico misura la variazione del peso totale. Una volta raggiunto il peso totale predefinito, il processo di riempimento si interrompe automaticamente e la bottiglia viene trasportata alla stazione di tappatura. In una riempitrice rotativa con 20-80 teste di riempimento, questo processo dura dai cinque agli otto secondi per una bottiglia standard da 1 litro. Il riempimento a peso non è soltanto molto preciso, ma ha anche numerosi altri vantaggi.

Celle di carico digitali installate in una riempitrice rotativa.

Vantaggi del riempimento a peso

  • La cella di carico pesa ogni bottiglia prima dell’avvio del processo di riempimento. Le bottiglie danneggiate hanno un peso inferiore al minimo garantito e possono quindi essere identificate facilmente e subito rimosse.
  • Se una bottiglia ha un peso superiore al peso massimo consentito, potrebbero essere presenti residui di detergente o disinfettante. La riempitrice rimuove immediatamente anche queste bottiglie per evitare rischi per la salute.
  • Se il peso totale di una bottiglia non aumenta alla velocità prevista durante il riempimento significa che è presente una perdita di liquido. La macchina interrompe il processo di riempimento per evitare contaminazioni da parte del prodotto. Poiché le operazioni di pulizia sono costose e richiedono molto tempo, la cella di carico aiuta a mantenere un’elevata disponibilità del sistema.

Programmazione e taratura semplici della cella di carico

Il riempimento a peso è un processo con risultati di alta precisione: il contenuto indicato sull’imballaggio può essere riempito con precisione al grammo. Inoltre, le celle di carico sono molto facili da tarare con i pesi di taratura (come una bilancia da cucina). Ciò garantisce che la bottiglia contenga realmente i 1.000 grammi indicati. Oltre ai produttori, anche le aziende produttrici dei macchinari traggono vantaggio dalla tecnologia di pesatura digitale, perché la programmazione dell’algoritmo di riempimento nel sistema di controllo della macchina non è semplice. Ottenere il rapporto corretto tra portata e processo di riempimento è estremamente complesso e richiede una conoscenza approfondita dei filtri, della tecnologia di controllo e dei tempi di risposta. Una cella di carico digitale di HBM semplifica notevolmente questo processo di impostazione, poiché è dotata di un algoritmo di riempimento integrato derivante da un’esperienza ultra-decennale nell’ambito del riempimento a peso. L’algoritmo può essere adattato facilmente utilizzando il software di configurazione PanelX. Le celle di carico possono funzionare completamente come unità indipendenti, comunicare con il sistema di controllo della macchina tramite I/O o bus di campo o fornire senza interruzione valori misurati filtrati al sistema di controllo se l’azienda desidera utilizzare i suoi algoritmi di riempimento personali.

Il riempimento a peso è particolarmente adatto per l’industria alimentare, poiché il sensore non entra in contatto con il prodotto. Tutte le celle di carico di HBM presentano il massimo grado di protezione possibile IP68/69K e possono quindi sopportare immersioni e lavaggi a pressione continui. Alcune celle di carico, come la PW27, sono certificate EHEDG per i requisiti particolarmente rigidi in fatto di igiene. I batteri provenienti da proteine e zucchero, ad esempio, non proliferano sulle superfici di contatto elettrolucidate e completamente arrotondate di queste celle di carico. Sono quindi adatte anche per le ultime tendenze relative agli imballaggi: riempimento asettico a freddo senza pastorizzazione e senza l’aggiunta di conservanti.

Cella di carico digitale Fit5A di HBM

Secondo metodo: misurazione con sensore di livello

Il metodo con sensore di livello prende in considerazione il livello del liquido nella bottiglia. Nell’apertura della bottiglia viene inserito un sensore di livello e la bottiglia viene riempita fino a quando il liquido non raggiunge il sensore. Per questo motivo, solo i prodotti che conducono elettricità (ossia i liquidi con contenuto di sale minimo) sono adatti per questo processo. Gli oli vegetali e animali, ad esempio, contengono una quantità di sale troppo scarsa. Il metodo con sensore di livello è quello meno preciso, con i risultati più frammentari nella determinazione della quantità di riempimento, poiché il volume del contenitore varia notevolmente, in particolare nel caso delle bottiglie di vetro. Di conseguenza, i sensori di livello sono usati quasi esclusivamente per i prodotti conduttivi poco costosi. Un altro svantaggio importante è che il sensore entra in contatto con il prodotto e quindi porta una piccola quantità di prodotto da una bottiglia all’altra e il risultato non è adatto all’imbottigliamento igienico.

La misurazione del livello di riempimento con sensore di livello è adatta per il riempimento isobarico, quando è necessario mantenere condizioni di pressione identiche (ad esempio, tre bar per l’imbottigliamento della birra) sia nel tubo che nella bottiglia. I liquidi addizionati di anidride carbonica richiedono questo tipo di ambiente per evitare perdite di anidride carbonica. Inoltre, questo metodo consente di ottenere un livello di riempimento visivamente identico nell’imbottigliamento di casse di bevande, criterio molto importante dal punto di vista dei clienti, soprattutto nel caso di birra e acqua minerale.

Terzo metodo: misurazione del volume

La misurazione del volume rileva la quantità di liquido che scorre attraverso una valvola di riempimento. Il volume del liquido nella bottiglia viene misurato con la tecnica magneto-induttiva. Un campo magnetico separa gli ioni del liquido che scorre, producendo una tensione a livello degli elettrodi di misurazione. Questa tensione può essere misurata, permettendo quindi di calcolare anche la portata volumetrica. Questa procedura è adatta soltanto per i liquidi conduttivi. Inoltre, la riempitrice deve essere tarata singolarmente per ogni liquido, poiché ogni prodotto contiene un numero di ioni diverso.

Quarto metodo: misurazione della portata massica

La misurazione della portata massica usa il principio della forza di Coriolis. Il liquido scorre nella bottiglia attraverso due tubi vibranti e la forza di Coriolis che agisce sulla coppia di tubi genera uno sfasamento nelle vibrazioni. Ciò permette di calcolare la massa di liquido che è passata attraverso i tubi. Questo metodo è adatto anche per i liquidi non conduttivi. È però estremamente costoso poiché richiede un processo di taratura molto lungo in fase di produzione del sensore.

Confronto tra i diversi metodi di riempimento

In conclusione, possiamo affermare che il metodo scelto dipende dai valori e dalle proprietà del liquido utilizzato per il riempimento. Inoltre, i diversi metodi differiscono notevolmente in termini di precisione e velocità di riempimento.

Precisione:

Il riempimento gravimetrico che utilizza la tecnologia di pesatura è molto più preciso di tutti gli altri metodi di misurazione e riempimento. Il metodo con sensore di livello presenta una deviazione standard pari a circa il due-cinque percento del peso del riempimento nelle bottiglie di vetro, mentre nel caso del metodo volumetrico tale deviazione è pari allo 0,5-1 percento. Il risultato migliore che si può ottenere con il metodo della portata massica è pari allo 0,2 percento. Il riempimento con la tecnologia di pesatura consente di raggiungere una deviazione pari a circa lo 0,1 percento del peso di riempimento.

Velocità di riempimento:

I vari metodi di misurazione raggiungono velocità di riempimento diverse. Con il riempimento con sensore di livello, una bottiglia può essere riempita in un tempo compreso tra 2 e 4 secondi. Con la tecnologia di pesatura o il metodo della portata massica, si impiegano circa cinque secondi per riempire una bottiglia. La misurazione della portata subisce le fluttuazioni maggiori per quanto riguarda la velocità di riempimento, con tempi compresi tra due e cinque secondi.

Il metodo di riempimento a peso è la soluzione ideale per molte proprietà dei prodotti

Il riempimento a peso è una procedura adatta per praticamente tutti i liquidi, indipendentemente dalla conducibilità, dal contenuto solido e dalla velocità di scorrimento. Con il riempimento a peso è possibile ottenere quantità di contenuto incredibilmente precise. Il costoso troppo pieno di sicurezza viene quindi ridotto al minimo, consentendo un risparmio notevole, specialmente nel caso di prodotti di alta qualità come cosmetici e oli. Per i prodotti le cui proprietà rendono più difficile l’imbottigliamento, come quelli con elevata viscosità o un alto contenuto solido, la misurazione gravimetrica con cella di carico garantisce una maggiore certezza dei risultati rispetto agli altri metodi di misurazione.

L’unica scelta effettiva per i produttori che desiderano rispondere alla domanda crescente di riempitrici asettiche è tra la misurazione della portata massica e il riempimento gravimetrico a peso. Se confrontiamo questi due metodi direttamente, il principio della misurazione gravimetrica offre dei vantaggi evidenti: grazie alla sua maggiore igiene, è il modo più semplice per ottenere un riempimento asettico a freddo senza pastorizzazione. Inoltre, il riempimento a peso è molto meno costoso e molto più preciso della misurazione della portata massica. Per questo, per i produttori di impianti di imbottigliamento, il riempimento gravimetrico a peso costituisce il metodo ideale per sviluppare sistemi di riempimento competitivi.