액체의 자동 충진을 위한 중량 계측 기술의 원리

제품 분류, 대량 계측, 액체의 보틀링 등 공정 말미에 포장 내 제품 수량이 정확한지를 확인하는 포장 공정은 자동화 산업에 있어 매우 중요한 부분입니다. 이 공정의 공통 과제는 정해진 수량의 제품을 정확하게 포장해야 한다는 것입니다. 예를 들어, 보틀(병) 충진량이 너무 적을 경우 EU 포장 지침 76/211/EEC와 독일 포장 제품 법(§22 FPackV)에 위배됩니다. 상기 지침과 법에는 생산 배치의 최소 충진량이 백분율로 명시되어 있습니다. 이를 "위반할" 경우 생산 정지를 포함하는 처벌을 받게 될 수 있습니다.

따라서 생산 과정에서 제조업체들은 포장의 최소량을 초과하는 경우가 종종 있습니다. 그러나 안전을 위한 이러한 과다 충진은 비용의 증가를 야기합니다. 중국의 유제품 생산업체는 하루에 코코넛 밀크 약 100,000 병을 충진합니다. 이 회사는 새로운 정밀 중량 계측 기술로 개별 병의 과다 충진을 줄여 연간 수백만 유로를 아꼈습니다. 따라서 보틀링 설비 제조업체들은 충진량을 매우 정밀하게 측정하여 과다 충진을 최소로 유지하는 시스템을 제공해야 합니다.

액체 충진량을 측정하는 네 가지 방법

특히 액체의 충진량을 측정하는 방법이 다양하게 개발되었습니다. 각 기법이 모든 액체에 적합한 것은 아닙니다. 그리고 정밀성의 측면에서 상당한 차이도 있습니다. 그러나 모든 생산 공정에는 공통점이 있습니다. 즉, 액체가 보틀링 기계의 파이프를 통과하며 흐르는 압력이 일정하지 않다는 것입니다. 액체 속 기포와 온도 또는 레시피 변화로 인해 밀도가 달라질 수 있습니다. 따라서 시간만으로 정확한 충진량을 결정할 수 없습니다.

충진량을 측정하는 방법이 네 가지 있습니다. 이 방법들은 비용, 정확도, 속도 및 위생에서 차이가 있습니다. 모든 방법이 모든 액체에 적합할 수는 없습니다. 음료의 경우 위생이 특히 중요하며, 고가의 화장품은 정밀도가 특히 중요하고, 엔진 오일은 광천수와 유동 특성이 다릅니다. 이 논문에서 소개하는 네 가지 방법은 다음과 같습니다.

 

  1. 로드셀을 이용한 중량 측정

  2. 레벨 센서를 이용한 측정

  3. 부피 측정

  4. 질량 유량 측정

First Method: Gravimetric filling using a load cell

중량 측정법, 즉 중량 중진 방법은 디지털 또는 아날로그 로드셀로 빈 병과 충진 내용물의 중량을 측정합니다. 로드셀에는 이 용도의 스트레인 게이지가 있는데 충진 공정 시 중량 변화를 정밀하게 감지합니다. 스트레인 게이지의 작동 방식은 HBM 논문 "로드셀은 어떻게 작동하는가?” 에 자세한 설명이 나옵니다. 디지털 로드셀의 장점은 디지털 I/O를 통해 PLC와 간단하게 통신한다는 것입니다. 그렇지만 아날로그 로드셀도 PAD 앰프 를 사용하여 신속하고 간편하게 디지털화 할 수 있습니다.

병을 충진할 때 먼저 충진기가 플랫폼에 병을 올리거나 포크의 목 부분에 겁니다. 이때 충진기가 빈 병의 중량을 잽니다. 충진기가 병을 채우는 동안 로드셀이 전체 중량 변화를 측정합니다. 사전에 정의되어 있는 전체 중량에 도달하면 충진 공정이 자동으로 멈추고 병은 캡핑 스테이션(capping station)으로 이송됩니다. 20 ~ 80개의 충진 헤드가 있는 회전식 충진기에서 이 공정에 걸리는 시간은 일반 1리터 병이 약 5~8초입니다. 중량별로 매우 정밀하게 충진하는 것 외에 훨씬 더 많은 장점이 있습니다.

 

중량별 충진의 장점

  • 로드셀이 각 병의 중량을 측정한 후에 충진이 시작됩니다. 깨진 병은 허용되는 최소 중량보다 가볍기 때문에 쉽게 감지되어 바로 제거할 수 있습니다.
  • 병이 허용 중량을 초과한다면 세정제와 소독제가 남아 있기 때문일 수 있습니다. 충진기가 이러한 병을 바로 제거하여 건강 위험 요소를 방지합니다
  • 충진 과정에서 병의 전체 중량이 지정된 속도만큼 증가하지 않을 경우는 액체가 새고 있기 때문입니다. 기계가 충진 공정을 멈추어 제품에 의한 오염을 방지합니다.
  • 세정은 비용과 시간이 많이 든다는 점에서 로드셀은 시스템 가용성을 높게 유지하는 데 기여합니다

간단한 로드셀 프로그래밍 및 보정

중량별 충진은 정밀한 결과가 나오는 공정입니다. 포장에 명시된 내용물을 그램 단위까지 정확하게 채울 수 있습니다. 그리고 로드셀은 주방 저울 같은 보정 웨이트로 매우 간편하게 보정할 수 있습니다. 따라서 병에 실제로 표시된 1,000그램이 담깁니다. 생산업체는 물론 기계 제조업체에게도 디지털 중량 계측 기술이 도움이 됩니다. 기계 제어 시스템의 충진 알고리즘을 프로그래밍하는 것이 결코 쉽지 않기 때문입니다. 충진 공정의 유량 비율을 정확하게 달성하기가 매우 까다롭습니다. 필터, 제어 기술, 안정 시간 및 반응 시간을 알아야 합니다. 수십 년 동안 쌓은 중량 충진 경험이 반영된 충진 알고리즘이 통합되어 있는 HBM의 디지털 로드셀을 사용하면 이 설정 과정을 상당히 쉽게 진행할 수 있습니다. 무료로 제공되는 PanelX 구성 소프트웨어로 알고리즘을 간편하게 조정할 수 있습니다. 로드셀은 독립된 유닛으로 작동하며, I/O 또는 필드버스를 통해 기계 제어 시스템과 통신하거나, 회사에서 자체 충진 알고리즘을 사용하고자 할 경우에는 필터링된 측정값을 제어 시스템에 연속으로 공급할 수 있습니다. 중량별 충진은 센서가 제품에 닿지 않기 때문에 식품 산업에 특히 적합합니다. HBM의 모든 로드셀은 보호 등급이 최고 수준인 IP68/69K이기 때문에 연속 침적 및 고압 세척을 견딜 수 있습니다. PW27 같은 로드셀은 EHEDG 인증을 받아 특히 엄격한 위생 요건을 충족합니다. 예를 들어, 전해연마를 통해 완벽하게 라운딩된 로드셀의 접촉면에서 단백질이나 설탕 속 박테리아가 자라지 못합니다. 이것은 저온 살균과 보존제 첨가 없이 무균 저온 충진하는 최신 포장 동향에도 적합합니다.

두 번째 방법: 레벨 센서를 이용한 측정

레벨 센서 방법은 병 속의 액체 수위에 초점을 맞춥니다. 레벨 센서를 병 입구에 넣고 액체가 센서에 도달할 때까지 병을 채웁니다. 따라서 전도성 제품(예: 최소한의 염분이 함유된 액체)만 이 공정에 적합합니다. 예를 들어, 식물성 오일과 미네랄 오일에는 염분이 거의 없습니다. 레벨 센서 방법은 정확도가 가장 낮은 측정 기법입니다. 특히 유리병의 경우 용기의 용적이 급변하기 때문에 충진량 결과가 가장 산발적으로 나옵니다. 따라서 레벨 센서는 주로 가격이 저렴한 전도성 제품에 사용됩니다. 또 다른 큰 단점은 센서가 제품에 닿는다는 것입니다. 따라서 한 병의 제품이 다른 병으로 약간 옮겨가 위생적인 보틀링으로는 적합하지 않습니다.

레벨 센서를 이용한 충진 레벨 측정은 등압 충진에 적합합니다. 이 경우 파이프와 병 모두 동일한 압력 조건이 유지되어야 합니다(예: 맥주 병입용 막대 3개). 탄산 액체는 이런 종류의 환경이 필요합니다. 안 그러면 이산화탄소가 소실됩니다. 그리고 이 방법으로 음료수 병을 충진할 때 눈에 보이는 충진 레벨이 동일하게 나옵니다. 이점은 특히 맥주나 청량음료를 찾는 고객에게 중요한 기준입니다.

 

세 번째 방법: 부피 측정

부피 측정은 충진 밸브를 통과하는 액체의 양을 감지합니다. 따라서 병 속 액체의 부피를 자기 유도 방식으로 측정합니다. 통과하는 액체의 이온이 자기장에 의해 갈라져 측정 전극에서 전압이 생성됩니다. 이 전압을 측정하여 부피 유량을 계산할 수 있습니다. 이 절차는 전도성 액체에만 적합합니다. 그리고 각 제품마다 이온 수가 다르기 때문에 각 액체별로 충진기를 보정해야 합니다.

 

네 번째 방법: 질량 유량 측정

질량 유량 측정법은 코리올리 힘(Coriolis force)의 원리를 사용합니다. 진동하는 파이프 2개를 통해 액체가 병으로 흘러 들어갈 때 코리올리 힘이 두 파이프에 작용하며 위상 전이가 생깁니다. 따라서 파이프를 통과한 액체의 질량을 측정할 수 있습니다. 이 방법은 비-전도성 액체에도 적합합니다. 그러나 센서 생산 과정에서 보정 시간이 많이 소요되기 때문에 구입 가격이 매우 비쌉니다.

 

서로 다른 충진 방법 비교

결국에는 충진할 제품의 물성과 값에 따라 방법을 선택하게 됩니다. 그리고 방법마다 정밀도와 충진 속도에 큰 차이가 있습니다.

정밀도:

중량 계측 기술을 이용한 중량 충진은 나머지 모든 측정 및 충진 방법보다 훨씬 더 정밀합니다. 레벨 센서 방법은 표준 편차가 유리병 충진 무게의 약 2~5퍼센트이며, 부피 방법은 0.5~1퍼센트입니다. 질량 유량 방법으로 달성할 수 있는 최고는 0.2퍼센트입니다. 중량 계측 기술을 이용한 충진은 표준 편차가 달성할 충진 무게의 약 0.1입니다.

충진 속도:

측정 방법마다 충진 속도가 다릅니다. 레벨 센서로 충진할 때는 병이 채워지는 데 2~4초 걸릴 수 있습니다. 중량 계측 기술 또는 질량 유량 측정법을 사용하면 병을 채우는 데 약 5초 걸립니다. 유량 측정법은 충진 속도 변동이 가장 커서 2~5초의 시간 차이가 있습니다.

제품 물성이 다양하기 때문에 중량별 충진이 이상적인 충진 방법입니다.

중량별 충진은 전도성, 고형물 함량 및 유속과 상관없이 거의 모든 액체에 적합한 절차입니다. 중량별 충진은 내용물 수량을 매우 정밀하게 맞출 수 있습니다. 따라서 비용이 발생하는 안전 과다 충진을 최소로 줄일 수 있어, 특히 화장품과 오일 같은 고급 제품의 비용을 상당히 절감할 수 있습니다. 점도가 높거나 고형물 함량이 많은 제품처럼 보틀링이 더 어려운 물성을 지닌 제품은 로드셀을 이용한 중량 측정법은 다른 측정법보다 결과의 확실성이 훨씬 더 높습니다.

무균 충진기 수요 증가에 대응하려는 제조업체들은 실제로 질량 유량 측정과 중량별 중량 충진을 선택합니다. 직접 비교해보자면 중량 측정 원리는 확실한 장점이 있습니다. 즉, 매우 위생적이기 때문에 저온 살균 없이 가장 간단하게 무균 저온 충진을 할 수 있는 방법입니다. 그리고 중량별 충진은 값도 훨씬 저렴하고 질량 유량 측정보다 정밀합니다. 따라서 보틀링 설비 제조업체들에게는 중량별 중량 충진이 경쟁력 있는 충진기 시스템을 개발하기에 적합한 방법입니다.

 

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