Cómo determinar el mejor sensor para aplicaciones de llenado

En la aplicación Pap Eggs, se llena una bolsa de plástico con huevos y líquido conservante mientras se pesa en una suspensión estable de tres puntos con una precisión de pesaje de 10 gramos, antes de envasarla. Fuente: Ingeniería PENKO.

Welcome Food Ingredients actualizó su sistema de manipulación/reenvasado de azúcar a un sistema a granel automatizado de Flexicon que incluye un descargador de supersacos, un sistema de pesaje por lotes con transportador de tornillo flexible integral y una tolva de pesaje (todo visible en las fotos superiores). Las bolsas de diez kg se llenan con contenidos pesados ​​automáticamente alimentados desde el transportador de tornillo a la tolva de pesaje (abajo, izquierda). Cuando está llena, la bolsa está atada y lista para usar (abajo, a la derecha).

En la aplicación Pap Eggs, para garantizar que la cantidad de líquido conservante sea siempre suficiente, todos los sistemas utilizan pesaje de tara automático, autoaprendizaje inteligente y corrección en vuelo. Fuente: Ingeniería PENKO.

Los caudalímetros Dosimass Coriolis de Endress+Hauser, diseñados específicamente para aplicaciones de llenado y embotellado, miden el volumen y el caudal másico directamente con compensación de temperatura y densidad para garantizar la repetibilidad. Fuente: Endress+Hauser.

Los sistemas de rayos X no solo pueden rechazar una botella defectuosa (arriba), sino que también pueden encontrar un envase de yogur sin llenar (abajo). Fuente: Inspección de productos Eagle.

Los sistemas de inspección por rayos X de la serie X37 de METTLER-TOLEDO Safeline para cajas de cartón, latas de metal y recipientes de plástico y vidrio no solo comprueban si hay objetos extraños, sino que también se pueden utilizar para comprobar los niveles de llenado. Fuente: METTLER-TOLEDO Safeline.

Los sensores de nivel de radar sin contacto, como el NCR-80 de BinMaster, cuentan con una operación de 80 GHz con un ángulo de haz de 4° para apuntar con precisión y evitar la estructura interna, la corriente de flujo o la acumulación de paredes laterales. Trabajan en altos niveles de polvo con harinas, sémolas, granos, gránulos, gránulos, polvos y lodos. Fuente: BinMaster.

Ya sea que compren una libra de mantequilla o 10 toneladas métricas de harina para una panadería, los clientes esperan obtener lo que pagan, no menos, tal vez un poco más, porque si está ligeramente por debajo del peso indicado, un procesador técnicamente está infringiendo la ley. Pero, por supuesto, el producto regalado podría desviar las ganancias poco a poco hasta que sume una gran suma al final del año.

Es ese poquito lo que puede doler profundamente. Por ejemplo, Scott Duncan, gerente de productos, sensores y básculas de Hardy Process Solutions, relata una historia que no es atípica en la industria de alimentos y bebidas: un gran fabricante de bocadillos tenía un problema con el sobrellenado, pero no estaba seguro de cuánto. problema era. Entonces, el procesador introdujo la maquinaria de control de peso de Hardy en múltiples líneas en su planta. Cada línea produce 120 paquetes por minuto con un tiempo de actividad del 85 por ciento al año. El sobrellenado típicamente medía dos gramos por paquete. Si bien el costo del producto fue solo una décima parte de un centavo por gramo, el costo de sobrellenado por año se calculó en $107,222 por línea. Por lo tanto, reducir el sobrellenado en solo un gramo por paquete ahorraría $53,611 por año, por línea. Por supuesto, para reducir el peso adicional sería necesario observar más de cerca el proceso de llenado y los sensores en uso.

Aunque existen varios métodos y sensores para verificar los niveles de llenado y el peso, este último parece ser una variable de proceso más importante que la masa, la densidad, el nivel o el volumen. ¿Por qué? Vincent M. van der Wel, director de PENKO Engineering BV, una empresa holandesa especializada en el diseño de sistemas de pesaje, sugiere que el peso es el meollo del asunto.

“Como cada átomo o molécula tiene su propio peso, al pesar estamos más o menos contando moléculas”, dice.

Es por eso que esta técnica no se ve influenciada por las diferencias de densidad o temperatura, e incluso la aireación no tiene ningún efecto sobre el resultado final: el peso del producto.

Si alguna vez ha visto una nueva línea de embotellado o enlatado de Krones en funcionamiento, el movimiento puede hacer que su cabeza dé vueltas. Las máquinas de llenado de Krones utilizan válvulas de llenado con medidores de flujo (inductivos o de flujo másico) para mediciones volumétricas o celdas de pesaje para llenados basados ​​en gravimetría, dice Barry Fenske, ventas norteamericanas - tecnología de llenado.

Estas máquinas pueden llenar productos desde agua hasta lodos: carbonatados, no carbonatados, de llenado en caliente, de llenado en frío, productos conductivos, productos no conductivos, partículas o no. La selección de la válvula de llenado depende del producto, así como del recipiente a llenar. Krones ha visto interés en las máquinas llenadoras basadas en el peso para algunos productos.

Por ejemplo, en aplicaciones de embotellado de gama alta, como aceites comestibles, cambiar de una llenadora volumétrica convencional a una llenadora de pesaje puede generar dinero y sentido. NT GmbH, un productor húngaro de aceites comestibles, consideró por primera vez en sus operaciones una llenadora por peso Modufill NJW de Krones en lugar de una llenadora volumétrica.

"Creemos que esto nos dará una mayor precisión de llenado, independientemente de la temperatura de llenado y la viscosidad del producto", dice Milan Kunciř, director general de NT.

El Modufill asegura cantidades de llenado precisas ya que las células de pesaje monitorean el aceite entrante durante toda la operación de llenado. Una vez alcanzado el peso deseado, la válvula se cierra y el producto puede asentarse brevemente. Luego, se vuelve a verificar el peso. Dos velocidades de llenado diferentes garantizan un comportamiento de flujo perfecto. Los enderezadores de flujo en la válvula producen una operación de llenado con espuma y turbulencia minimizadas.

Si bien es posible que los depósitos volumétricos no siempre proporcionen un peso perfecto, una forma de resolver el problema es el enfoque que adopta Unifiller Systems Inc.

"Al final del proceso de fabricación de llenado y porcionado, incorporamos nuestros depositadores volumétricos servoaccionados con una celda de carga", dice Stewart Macpherson, vicepresidente de ventas y marketing.

Una aplicación de comidas preparadas podría ser conectarse a un sistema de control de peso con cinta transportadora, donde un ejemplo podría ser controlar el peso de un paquete familiar que contiene pechugas de pollo y luego enviar esa información al servo depositador. Debido a que las piezas de pollo varían en peso y tamaño, Unifiller calcula la cantidad de salsa de crema que se debe agregar para llevar el paquete al peso neto requerido. Esto da como resultado que todos los paquetes contengan el mismo peso final.

Pap Eggs, un proveedor holandés de huevos cocidos y pelados, ha elegido un equipo de pesaje y conteo para el proceso que sigue a los pasos de cocción y pelado. Desde un punto de vista técnico, el pesaje es ideal debido a su insensibilidad a las diferencias de densidad. Otro factor es la higiene. Los sensores de pesaje están ubicados fuera del flujo de huevos cocidos. Otro factor importante es que Pap procesa tanto huevos cocidos sólidos como líquidos conservantes. Entonces, al contar y pesar, una combinación de sistemas de medición es suficiente.

Para garantizar la calidad de los huevos cocidos durante el almacenamiento y el transporte, se envasan previamente con un líquido conservante. El cliente decide, en función de la aplicación, el tipo de conservante, que luego se prepara con Pap en diferentes cantidades, según el envase. Esta combinación de múltiples tipos de líquidos en diferentes cantidades requiere un sistema de producción flexible. Pap utiliza un tanque de mezcla en el que los distintos componentes se dosifican uno tras otro. Debido a la flexibilidad requerida, los diferentes tipos de líquidos y las cantidades requeridas, un PENKO FLEX-2100 controla el pesaje y la dosificación, cumpliendo con todas las especificaciones de peso gubernamentales relevantes.

Las celdas de carga son los sensores de peso más utilizados, especialmente para sólidos como harinas y azúcares, según Kevin Wilson, ingeniero de procesos sénior de Stellar.

"Son fáciles de configurar y de usar, y proporcionarán información precisa siempre que se recalibren periódicamente", dice.

Las celdas de carga proporcionan una salida de peso directa, lo que significa que no es necesario calcular las densidades y los volúmenes. Además, dado que generalmente se montan en el exterior del producto, los sensores de carga son relativamente fáciles de mantener y son más seguros para los alimentos.

"La única desventaja real de las celdas de carga es que pueden recalibrarse incorrectamente durante el mantenimiento debido a un error del usuario", dice Wilson. "Esto sucede en ocasiones y puede hacer que los recipientes se sobrellenen".

Spiroflow Systems fabrica llenadores de supersacos y descargadores de supersacos, junto con estaciones de descarga de supersacos. Según Dave Hesketh, director de ingeniería y desarrollo de productos, la mayoría de estos productos y sus diferentes versiones usan celdas de carga para leer los pesos cuando las unidades se están llenando o descargando. Todos los equipos están diseñados para materiales secos a granel y las diferentes dinámicas que esos materiales aportan al proceso de llenado o descarga. Cuando se trata de llenar o descargar gravimétricamente, se prefieren las celdas de carga debido a su mayor precisión.

"Hay momentos en los que se requiere una selección de nivel adicional, como sondas de capacitancia, diapasones o sensores giratorios, pero todos dependen del tipo de material seco a granel que se utiliza", agrega Hesketh. "La gama de máquinas que fabricamos para aplicaciones de llenado comienza con un sistema de llenado volumétrico alimentado por gravedad".

Dicho sistema comprende un marco de soporte para el contenedor vacío (generalmente un supersaco) y una conexión hermética al polvo al tubo de llenado. Por lo general, una válvula o dispositivo de alimentación introduce material en la máquina de llenado y se envía una señal de retroalimentación al dispositivo de alimentación para detener el flujo del producto cuando el contenedor está lleno. Algunas máquinas utilizan un sensor de alto nivel para evitar el llenado excesivo, pero las máquinas más sofisticadas incluyen una plataforma de pesaje con celdas de carga para monitorear la tasa de llenado y el cumplimiento del peso objetivo, que también evita el llenado excesivo o insuficiente.

Las celdas de carga que normalmente se usan en una plataforma de pesaje para verificar el peso de llenado de una gran cantidad de harina, digamos mil libras, no proporcionarán un método preciso para agregar solo una libra o dos de sal al mismo recipiente.

"Cuanto mayor sea la disparidad de peso entre el producto y su recipiente, menos precisa será la medición", dice Wilson de Stellar.

Las celdas de carga más grandes simplemente no son tan sensibles a cambios menores en el peso en comparación con sus contrapartes más pequeñas.

"Por ejemplo, actualmente estoy trabajando en una receta de masa que involucra de 400 a 600 libras de harina y microingredientes [que pesan de una a dos libras cada uno] que se mezclan con la masa", agrega Wilson. "Estoy usando una tolva más grande para acomodar la gran cantidad de harina. El grado de precisión con la harina es generoso en comparación con los microproductos, por lo que la celda de carga más grande no es un problema.

"Sin embargo, el rango permitido de una a dos libras de sal es menos indulgente: una fracción por encima del límite puede resultar en una masa mala y demasiado salada. Por lo tanto, estoy usando una tolva más pequeña (y, por lo tanto, una celda de carga más pequeña) para la sal para garantizar la mayor precisión de este microingrediente".

Un controlador de alimentador o controlador de tasa, que mide el peso por tasa, es un método para entregar una cantidad precisa de material a un lote.

"En el modo gravimétrico, el punto de referencia variable del peso se divide por una variable de tiempo [p. ej., lbs./min.] para determinar el flujo másico", dice Duncan de Hardy.

Por lo tanto, un material se mueve a una velocidad controlada alrededor del punto de ajuste dado. Este flujo se puede utilizar en un proceso continuo o por lotes.

Se puede agregar un ingrediente a una mezcla usando un sistema de pérdida de peso o de ganancia de peso con un controlador de tasa. Al igual que con la medición de sal anterior, los volúmenes pequeños pueden dosificarse con mayor precisión en el lote utilizando una medición de pérdida de peso frente a una medición de ganancia de peso para un lote grande y pesado.

"Cuando se controla una tasa de flujo de pérdida de peso, se usa un controlador Hardy con un dispositivo de alimentación apropiado en la báscula para lograr tasas de flujo precisas, incluso en gramos por minuto", dice Duncan.

Usando el control PID, un controlador puede entregar pesos precisos de ingredientes de forma continua o única (por lotes).

El control de aumento de peso puede funcionar consistentemente bien para bolsas pequeñas si el sistema está diseñado para ellas. Por ejemplo, Welcome Food Ingredients Ltd., ubicada en Huthwaite, Nottinghamshire, Reino Unido, necesitaba una forma de dejar de transferir el azúcar recibido en palés de una tonelada que contenían cuarenta sacos de azúcar de 25 kg a bolsas de plástico manejables de 10 kg. El manejo manual, el llenado y el pesaje resultaron ser demasiado laboriosos y una pérdida de tiempo, al punto de volver a embolsar 30 toneladas de azúcar por semana. La empresa instaló un sistema de dosificación por peso con un transportador de tornillo integral de Flexicon Europe.

La solución de Flexicon cambió la forma en que se recibía el azúcar en el muelle a sacos a granel de una tonelada, que la máquina vacía según sea necesario en una tolva de 110 litros. Desde la tolva, un transportador de tornillo flexible de 3,0 m de largo y 115 mm de diámetro transporta el azúcar a una tolva de pesaje cónica de 40 litros de capacidad que descansa sobre tres celdas de carga. Un sistema de control de aumento de peso dosifica el azúcar en la tolva de pesaje a la máxima velocidad de alimentación hasta que alcanza un peso de 10 kg. Cuando está llena, un operador llena una bolsa de polietileno de 10 kg y la ata, y está lista para funcionar, sin polvo ni derrames.

Hoy en día, ya sea que las máquinas de llenado utilicen tecnología basada en el peso o sistemas volumétricos, todas dependen de sensores en lugar de sistemas mecánicos para el control del nivel de llenado.

"Las llenadoras de tipo sensor son más caras que sus predecesoras más antiguas, las máquinas mecánicas", dice Fenske de Krones. "Pero los mejores rendimientos y el menor mantenimiento necesario [piezas y mano de obra] compensan [las máquinas más antiguas]".

Los llenados volumétricos se pueden medir de varias maneras: desde pistones y cavidades y similares hasta caudalímetros de alta gama, sensores de nivel (de los cuales hay muchos tipos) e incluso infrarrojos (IR) y rayos X. Depende de la aplicación.

"La mayoría de nuestras soluciones de llenado extraen el producto de tolvas cónicas o de lados inclinados, donde el cambio de gravedad puede afectar la precisión si no se controla", dice Macpherson de Unifiller. "Estamos hablando del nivel de producto en la tolva que puede afectar la cantidad de llenado volumétrico si varía el nivel en la tolva. La forma de superar eso es llenar la tolva con una de nuestras bombas de transferencia de producto [el Hopper Topper] y use una fotocélula de detección de nivel IR, que mantiene un nivel constante en la tolva en todo momento, lo que resulta en un mayor control de las porciones".

En algunas aplicaciones, una inspección por rayos X al final de la línea puede cumplir una doble función: no solo verificar los defectos y la contaminación del producto, sino también verificar la masa correcta del producto. Según Christy Draus, gerente de marketing de Eagle Product Inspection, los sistemas de inspección de rayos X en línea de la compañía son totalmente capaces de determinar la masa del producto. Esta capacidad de dar pesos de paquetes precisos ayuda a los fabricantes a cumplir con las regulaciones locales para el cumplimiento del peso de los paquetes y elimina la necesidad de comprar sistemas de control de peso. Los conteos de componentes mediante inspección zonal, por ejemplo, para comidas preparadas, se pueden realizar sin necesidad de cálculos de peso promedio. (Una controladora de peso solo puede convertir el peso total en conteos individuales si se conoce el peso promedio de la pieza).

Ahora también es posible eliminar por completo la participación del operador al permitir que el sistema de rayos X envíe información a la máquina llenadora automáticamente, una característica que es particularmente beneficiosa cuando se procesan alimentos y bebidas líquidos, dice Draus. Se pueden realizar ajustes automáticos mientras la línea aún está en pleno funcionamiento, lo que reduce al mínimo absoluto el tiempo de inactividad, el desperdicio y la interacción humana con la línea.

Los sistemas IR y de rayos X como los de Krones también tienen su lugar en los modernos sistemas de embotellado.

"Usamos diferentes tipos de sensores para verificar las alturas de llenado", dice Fenske. "Rayos X, gamma, IR, cámara: depende de lo que el cliente quiera buscar y también de la tecnología que desee. Relleno excesivo o insuficiente: comprobamos ambos".

Los sensores más convencionales se utilizan a menudo en aplicaciones de llenado. Las máquinas y equipos de llenado eficientes se basan en una multitud de instrumentación definida por el tipo de producto que se llena. Para sólidos como polvos, granos y astillas, el nivel en los silos de alimentación debe controlarse para garantizar un llenado ininterrumpido. Endress+Hauser proporciona sensores de nivel continuo y de nivel puntual, como radares de ondas guiadas y de espacio libre, así como sensores de nivel ultrasónicos, dice Ola Wesstrom, gerente de la industria de alimentos y bebidas.

"Para detectar obstrucciones en tolvas o para productos transportados neumáticamente, un sensor Doppler es una excelente manera de reducir el costoso tiempo de inactividad", afirma Wesstrom.

Para los productos líquidos, el nivel del recipiente de llenado es fundamental para el rendimiento del llenador, por lo tanto, a menudo se usan 2-4 sensores de capacitancia u otros sensores para obtener el nivel promedio, agrega Wesstrom.

"La tendencia actual es ir hacia máquinas de llenado basadas en medidores donde se utiliza un caudalímetro de caudal másico o de volumen magnético Coriolis en cada cabezal de llenado para optimizar los niveles de llenado, reduciendo así el desperdicio".

Si bien se pueden usar otros medidores de flujo, Wilson de Stellar recomienda revisar la aplicación cuidadosamente y, antes de elegir uno, considerar las tolerancias, los requisitos de precisión y el líquido que se está midiendo.

Por ejemplo, una consideración es la conductividad en relación con los sólidos disueltos, dice Fenske. Si es 20 TDS (sólidos disueltos totales en partes por millón) o más, un medidor de flujo inductivo será la opción de medición. Si es inferior a 20 TDS o no tiene ninguna conductividad, la solución es un caudalímetro másico.

Además de elegir un caudalímetro magnético (o inductivo) para productos conductores y un caudalímetro másico Coriolis para productos no conductores, Wesstrom sugiere que Coriolis es una buena opción cuando el producto se vende por peso frente a volumen.

"El flujo másico de Coriolis también es más preciso y, por lo tanto, se usa con frecuencia para productos de mayor valor", dice.

El siguiente paso es el dimensionamiento adecuado del medidor y la selección de una válvula de alta velocidad para garantizar la precisión y la repetibilidad.

Los sensores de nivel ultrasónicos utilizan el diferencial de tiempo de la interacción de las ondas sonoras para medir un cambio de nivel y se pueden utilizar tanto para productos sólidos como líquidos. Además, son relativamente económicos y fáciles de instalar.

"Sin embargo, los sensores de nivel ultrasónicos pueden ser menos precisos que las celdas de carga porque hay más oportunidades de error", dice Wilson de Stellar. "El sensor se instala directamente sobre el producto y debe calibrarse cuidadosamente para garantizar una medición adecuada del cambio de distancia".

Dado que los sensores ultrasónicos miden un cambio de nivel, los cambios volumétricos calculados a partir del cambio de nivel y densidad se multiplican para calcular la masa total, agrega Wilson. Dado que las densidades pueden variar ampliamente con los cambios de temperatura y otras influencias externas, solo hay unas pocas situaciones en las que se puede aplicar esta tecnología.

Se pueden usar otros dispositivos para monitorear los niveles continuos de productos secos en los contenedores, como el peso y el cable, los escáneres 3D, el radar al aire libre y los dispositivos láser. Un libro blanco de BinMaster, titulado "Cómo seleccionar un sensor de nivel continuo", proporciona criterios de selección para los tipos más populares.

Los sensores de proximidad pueden usar tecnologías ultrasónicas, inductivas, fotoeléctricas y ultrasónicas y proporcionar un grado de medición de nivel. Los sensores de proximidad se pueden usar para permitir el llenado de contenedores hasta que se alcanza un cierto nivel, luego proporcionan una señal de parada para detener la máquina de llenado en un nivel predefinido, dice Macpherson de Unifiller. Dichos productos pueden incluir ensaladas de mariscos con trozos, carnes de cangrejo, ensaladas de frutas, ensalada de papa y ensalada de col.

"Teníamos un fabricante de mezcla para brownies que necesitaba Spiroflow para dispensar con precisión la cantidad correcta de producto de una bolsa a granel en el proceso", dice Hesketh. "El diseño de nuestro equipo que utiliza sensores de proximidad permitió al fabricante mejorar la precisión de los lotes y [la empresa] pudo aumentar la cantidad de lotes para superar la cantidad solicitada originalmente".

Finalmente, los interruptores de nivel de punto pueden ser una solución simple.

"Fabricamos interruptores de nivel de punto [es decir, nivel alto, nivel bajo] y transmisores continuos para monitorear y/o controlar equipos", dice Dean Mallon, gerente nacional de productos de nivel de Endress+Hauser. "Como inventores de la tecnología vibrónica en aplicaciones de proceso, ofrecemos interruptores de estilo de varilla simple y de horquilla vibratoria para satisfacer aplicaciones exigentes que van desde medios agresivos secos hasta líquidos y lodos".

La elección del sensor adecuado para una aplicación de pesaje/llenado depende literalmente del peso del producto. La capacidad máxima/mínima determinará el tamaño del sensor que desea utilizar. Si está llenando 1¼ oz. bolsas de papas fritas, los sensores necesitan medir en fracciones de una onza, dice Duncan de Hardy. Si está llenando 200 lb. bolsas de papas o harina, sus sensores y método de manejo deben seleccionarse en consecuencia.

El controlador de peso, el alimentador o el dispensador/llenador normalmente pueden manejar cualquier peso especificado. Solo es necesario cambiar los sensores y los métodos de manipulación. Muchas de las mismas consideraciones se aplican a los líquidos, aunque pueden aplicarse factores como la temperatura, la densidad, la masa, el volumen y otras variables del proceso. Cuando los procesadores tienen una descripción completa de sus aplicaciones de llenado, los proveedores están listos para ayudar y, a menudo, hay muchas ayudas informáticas y de aplicaciones disponibles en los sitios web de los proveedores.

Un documento, "Una guía para el pesaje dinámico para la industria", está disponible en el Instituto de Medición y Control y cubre varias configuraciones de pesadoras para operaciones por lotes y continuas y analiza alimentadores, medidores de flujo másico y mucho más. Otro documento, "NIST Handbook 133, Cuarta edición, Verificación del contenido neto de los productos empacados", analiza métodos y procedimientos de prueba para verificar el peso de paquetes secos y líquidos de varios tamaños y brinda varios ejemplos.

Para más información:

scott duncan, Hardy Process Solutions, 858-278-2900, [email protected], www.hardysolutions.com

Vicente M. van der Wel, Ingeniería PENKO, 31 318 525630, [email protected], www.penko.com

barry fenske, Krones EE. UU., 414-409-4000, [email protected], www.kronesusa.com

Ola Wesström, Endress+Hauser, 888-363-7377,[email protected], www.us.endress.com

stewart macpherson, Unifiller Systems Inc., 604-940-2233, [email protected], www.unifiller.com

kevin wilson, estelar, 904-260-2900, [email protected], www.stellar.net

Dave Hesketh, Sistemas Spiroflow, 888-909-7674, [email protected], www.spiroflow.com

christy draus, Inspección de productos Eagle, [email protected], www.eaglepi.com

Decano Mallon, Endress+Hauser, 888-363-7377,[email protected], www.us.endress.com