JP3856478B2 - 閉じられた容器中のパラメータ、例えば、充填レベル、圧力またはガス組成を決定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、閉じられた容器中のパラメータ、例えば、充填レベル、圧力、頭部空間中のガス組成、および材料条件を決定するための方法に関するものである。この場合、容器の壁は、励起されて機械的振動を生じさせ、生じた振動は、拾い上げられ、それらの時間的なシーケンスまたはそれらの周波数スペクトルに関して解析される。
容器中の液体の充填レベルは、通常、光のバリヤを用いて光学的に容器の重量をチェックすることによって、あるいは容器によって吸収された高周波数電磁輻射を測定することによって決定される。
容器の蓋を電磁的に励起して、洩れに関して容器を検査し、また内部圧力を測定するための方法が、知られている（ＵＳ １，９５６，３０１）。さらに、容器の状態の推定が、容器の壁の変位からだけでなく、その振動周波数からもまたなされ得ることが知られている（ＵＳ ２，３２０，３９０）。まず最初、容器の壁の変位および振動が機械的に測定された。これらの振動は、音響信号を生じさせるので、マイクロフォン装置のような電子回路（ＵＳ ３，２９０，９２２）、または静電センサ（ＵＳ ３，４４１，１３２）がまた、この目的のために使用され得る。
信号スペクトルの部分的な範囲だけが、強度または圧力の測定に関係していることによって、エレクトロニクスによる測定は、特定の周波数範囲の評価にまで簡単化され得ることが、また知られている（ＵＳ ３，８０２，２５２）。すなわち、濾波された振動信号をデジタル化し、圧力を測定するために、測定間隔中の周波数をカウントすることが可能となった（ＵＳ ４，１８７，７１８）。蓋の振動の正確な周波数がより長い時間間隔にわたって一定に測定され得るようにするため、振動信号の励起装置へのフィードバックによって、蓋の振動を伴う繰り返される励起を通じて、減衰されない蓋の振動が達成されるような測定方法がとられていた（ＵＳ ４，４０６，１５７）。さらに、振動信号の評価において、１つの周波数範囲に集中する代わりに、信号プロセッサを用いることによって全信号を解析することが可能である。第１に、特定周波数が存在する場合にだけスペクトルが測定され、それによって、欠陥の存在または不存在が認識された（ＵＳ ５，１４４，８３８）。後日、測定された周波数スペクトルを、すでに知られた圧力を伴う容器の記録された参照スペクトルと比較することによって、実際の容器に対する圧力値を決定することをが可能になった（ＵＳ ５，３５３，６３１）。
本発明の課題は、非常にわずかなコストでもって実行され、非常に正確な結果をもたらし得る、容器の広範囲にわたる品質検査を行うための方法を提供することにある。この課題は、本発明によれば、最初に述べたような形式の方法であって、蓋の第１の機械的振動によって励起され、その励起された容器の壁において、容器中に生成された第２の振動が拾い上げられて解析される方法を提供することによって解決される。
もし容器の一方側、例えば、清涼飲料容器の蓋が、短時間電磁的パルスによって持ち上げられた後、解放されるならば、それは励起され、自由な第１の振動を生じさせる。この振動の周波数は、なかんづく、容器中において支配的な圧力によって決定される蓋の歪みの尺度となる。ドラムヘッドの歪みがドラムの音を決定するのと同様に、蓋の振動は容器の内部圧力に依存して変化する。蓋のこの第１の振動は急速に減衰し、その結果、内部圧力によって決定された振動は素早く消失する。しかしながら、短い振動の持続は、容器外側の空間内および容器内部に音響信号を生じさせるのには十分である。もしこの信号が、振動ピックアップ、例えば、マイクロフォン装置によって拾い上げられるならば、比較的簡単な回路によって、この第１の振動の周波数は、振動周期の持続の測定にわたる第１の時間測定窓において確立され得る。この測定窓の位置および長さは、それぞれの容器のタイプに独立に適合せしめられる。例えば、王冠状の栓の場合、この第１の時間測定窓は、蓋の振動の励起の後約０．３ｍｓで始まり、約０．４ｍｓの間続く。
第２の振動の励起のための、十分な数の第１の振動振幅を維持するため、本発明による方法は、まず最初、少なくとも１つの剛性をもった容器の壁、例えば、金属製の王冠状の栓を備えた容器に対して用いられる。プラスチック製の容器、またはプラスチック製の栓を備えた容器は、あまり適していない。容器の壁、例えば、栓の固有周波数は、好ましくは、第２の振動の１／１０〜１０回の励起信号の範囲内にあり、例えば、清涼飲料ボトルの場合には、２〜１２ｋＨｚの範囲内にある。
容器内において、蓋の信号は、頭部空間内においては、気体の音速で伝播し、または液体の音速で伝播する。液体と気体との間の境界面、および液体と容器材料との間の境界面は、それぞれ、音波を反射し、その結果、定常波が第２の振動として容器内に形成される。頭部空間中の定常波の波長および液体中の定常波の波長は、位相遷移の間隔に依存するので、もし、頭部空間中のガス組成が知られているならば、第２の振動の周波数は容器内の充填レベルの尺度となる。容器内の第２の振動は、まず元の第１の蓋の振動によって励起された後、エネルギーとともに供給されるので、定常波は、急激に減衰した蓋の信号の消失の後にはっきり現れ、振動信号、例えば、音響信号として容器、特に蓋の特別の振動を通じて検出され得る。すなわち、この信号がまた、振動ピックアップによって拾い上げられること、そして、容器中の充填レベルが第２の測定窓の適当な選択を通じて決定されることが可能となる。
したがって、本発明の第１の実施例では、キッャプの第１の振動は、容器の頭部空間内および液体中において、この振動によって励起された定常波または第２の振動から区別され、第２の測定窓が、蓋の第１の振動が実質上消失し、それ故、拾い上げられた振動の信号が、実質上、定常波または第２の振動から生じるように配置される。
もし２つの測定窓が十分に離れていなければ、第１の蓋の振動の有効時間は、頭部空間内に形成される定常波によって、影響され続ける。しかしながら、もし第２の測定窓の消失、充填レベル情報の定常波の周波数および第１の蓋の振動の周波数が、知られているならば、充填レベル情報はまた、測定精度の範囲内において、圧力情報が、損なわれることを十分に補うために用いられ得る。単一の信号の時間によって、区別された解析のさらなる発展が明らかとなることは、確かに、これとの関連においてもたらされる。なぜなら、異なるセンサの間の如何なる特徴をも必要ではなく、よって、簡単な手段を用いて高い精度が達成するからである。
閉じられた容器のパラメータに関するさらなる情報が、第１および第２の振動の信号から得られ得る。第２の振動の周波数は、主として、充填レベル、温度およびガス組成、例えば、２種類のガスの混合比に依存する。もし充填レベルが、従来の方法で、例えば、重量の決定を通じて、または光のバリヤを用いて測定され、さらに、温度が、知られているかまたは一定であるならば、そのとき、第２の振動の周波数は、ガス組成、例えば、２種類のガスの混合比とともにのみ変化する。したがって、本発明による方法によれば、既知のまたは一定の温度および既知の充填レベルによって、周波数から音速を決定し、よって、ガス組成を決定することが可能である。したがって、この方法は、また、炭酸ガスを含む清涼飲料のＣＯ₂含有量を決定するために用いられ得る。
すなわち、本発明による方法によれば、閉じられた容器の充填レベル、内部圧力、およびガス組成に関する情報が、技術的に簡単に、振動信号から選択的に決定される。これらの情報は、互いに時間に関して独立に得られ得るので、個々の情報はまた組み合わせにおいても得られ得る。
本発明による方法の第２の実施例では、頭部空間中および液体中における蓋の振動と定常波とは、測定窓の適当な選択によってだけでなく、必要な場合には付加的に、それらの周波数が区別される両振動間における周波数解析（例えば、フーリエ解析）によってもまた区別される。例えば、蓋の振動は７ｋＨｚとなり得るし、定常波の周波数は８ｋＨｚとなり得る。容器の頭部空間中および液体中における定常波の確立された周波数に基づいて、そして、既知のガス組成によって、充填レベルは、０．１〜０．２ｍｍの精度で決定され得る。
音波はまた、同一の励起原理に基づいて容器材料中を伝播し、これらの音波は各容器の特徴を示している。標準的な周波数からのずれは、材料の欠陥を検出するのに役立つ。振動振幅の比に基づいて、容器の振動の振動成分は個別には検出されないが、周波数解析後の全スペクトル中において明瞭に識別され得る。
加えて、この新しい方法を、既知の方法に属する周波数スペクトル解析と結び付けることが可能である。得られた個々の情報は、個々の周波数の正確な割当を許容するので、それらは、全スペクトルのよりよい理解および評価のために用いられ得る。その結果、容器材料のチェックがまた可能になる。
実際、測定窓並びに周波数解析を用いることは、一般に有益である。フーリエ解析によって得られた周波数スペクトルは、一般に複雑である。なぜなら、信号の経過は、幾つかのピークを有しているからである。振動の時間的シーケンスは周波数スペクトルから読み取られ得ないから、振動周波数の割当てはしばしば一義的ではない。同一の容器タイプの場合、内部圧力、よって、一方において蓋の歪み、他方において充填レベルが互いに変動することによって、第１の振動および第２の振動が同一の周波数を有するという状況が生じうる。しかしながら、周波数解析を測定窓における周波数の直接測定と結び付けることは、各々の場合において、周波数解析の完全な解釈を与える。この目的のために、個々のピークの位置が、自動的な測定法において決定され、また、２つの測定窓から得られた個々の結果の一致が確認される。第１の測定窓から得られた別々の値と最も良好に適合する周波数のピークは、圧力振動に対応している。第２の測定窓から得られた結果の値と最も良好に適合する周波数のピークは、充填レベルの値に対応している。比較の結果は、充填レベルの値に対して、さらに別のピークが存在することによって確認され、それらは、１／２対２／２対３／２の比において互いに存在する。同様に、副周波数は、圧力の振動に対しては見いだされない。こうして、割当がなされた後、一般に、スペクトル中にはっきり現れた単一のピークが残る。これは、容器材料中の振動に対応する。
見出された測定値が多数のパラメータに依存することが、知られている。すなわち、例えば、欠陥のない完全な容器の場合、内容物の温度が、また内部圧力を決定する。それ故、通常、一定な充填工程の中断は、温度の揺らぎ、よって測定された値の変動を生ぜしめ得る。したがって、現実の測定装置においては、温度に関する変動を補償することが必要となる。したがって、本発明による方法は、付加的なセンサによって温度情報を拾い上げ、測定された値の変動を十分に補償するように構成されている。
もし測定装置が、高いノイズレベルを伴った環境中において作動しなければならないならば、音響信号の処理は妨害によって害され得る。信号対ノイズ比は、能動的および受動的な測定によって改善され、これらの潜在的な妨害は十分に減じられ得る。したがって、本発明による方法は、装置のノイズを減衰させるケーシングと並んで、現実の測定用マイクロフォンが、適当な個数の付加的な、適切に配置されたマイクロフォンによって補われることを予め考慮している。例えば、簡単な構成において、反対方向に向けられた第２のマイクロフォンを挿入することが可能である。測定された信号からの周囲のノイズの除去は、有効な信号を強め得る。より複雑な装置においては、数個のマイクロフォンが、その面が、検査された容器の中心軸に対して垂直になり、かつその中点が、検査された容器のまさに中心軸上にある円内に配置される。この装置は、有効な信号が、すべてのマイクロフォンよって同位相で拾い上げられる一方で、すべての妨害ノイズは、異なるマイクロフオンによって同位相で拾い上げられるという長所を有している。こうして、個々のマイクロフォン信号の単純な付加は、信号対ノイズ比を改善する。
充填レベル、内部圧力および容器の状態に関する個々の情報、並びに組み合わされた情報は、種々の面から評価され得る。第１に、個々の情報の予め決定された限界値に対する特徴の比較は、不十分に充填され、しっかり閉められず、あるいは損傷した容器の明確な識別を可能とする。第２に、製造ライン全体にわたるまたは製造ラインの選択され得る部分にわたる統計的な評価は、検査された容器の品質を反映し得る。個々の分布の平均値の解析は、現実の充填容積および達成された容器の圧力を、生産仕様と比較する可能性、そして、必要に応じて、生産工程を制御する可能性をもたらす。個々の分布の広がりは、生産工程の一定性を反映し、その評価は、工程全体、生産サイクルの予防的メンテナンスおよび最適化の質的な評価を可能とする。
連続的な統計的評価は、また、個々の容器の判定を生産平均値の瞬間的な状態に結び付ける可能性、および測定値の変動の評価を統計的な標準偏差に対して実行する可能性をもたらす。こうして、統計的なモニタリングは、限界値の可能な敏感な追跡、したがって、生産条件が変化する状況においてさえも、欠陥を有する容器の良好な検出を達成する。
本発明の実施例が、以下において、図面を参照しながら、より詳細に説明される。
図１は、蓋によって閉じられた容器中の液体の充填レベルを決定するための装置の断面図である。
図２は、信号振幅の時間につれてのグラフを示した図である。
図３は、周波数解析を説明するグラフを示した図である。
図１に示された実施例の場合、液体容器は、王冠状の栓１２を備えた通常の０．５１入りビール瓶１０からなっている。瓶１０は、搬送機１４上に達していて、リンクチェイン１６によって測定システム２０の下を通って搬送される。
測定システム２０は、光のバリヤ２２を有し、この光のバリヤの光線は、王冠状の栓１２によって閉じられた開口部のすぐ下において、瓶１０を直射する。磁気コイル２４が、王冠状の栓１２の上方に３〜１０ｍｍの間隔をあけて配置され、この磁気コイルの軸は、垂直にのび、よって、瓶１０の長さ方向の軸に平行にのびている。磁気コイル２４は、軸方向の孔２８を備えたコア２６を有し、この軸方向の孔２８の下端には、マイクロフォン３０が配置されている。
搬送機１４の上方における光のバリヤ２２の高さ、そして、同様に、光のバリヤ２２と、磁気コイル２４およびマイクロフォン３０との間の垂直距離は、異なった大きさおよび形状の瓶、並びにそれ以外の容器が測定され得るように変化せしめられ得る。
作動時、光のバリヤ２２は、王冠状の栓１２が、磁気コイル２４の下に位置する瞬間に、トリガー信号を発生し、このトリガー信号は、波長の短い電流パルスによって、磁気コイル２４を励起する。生ぜしめられた短時間の磁場は、金属製の王冠状の栓１２に対して、短時間だけ王冠状の栓１２に第１の機械的振動を引き起こす上向きの力を及ぼす。この振動は、典型的には、７ｋＨｚの周波数を有しており、よって、音響信号としてマイクロフォン３０によって拾い上げられ得る。
王冠状の栓１２の第１の振動は、約２ｍｓの間に、迅速に減衰する。同時に、この王冠状の栓１２の第１の振動は、王冠状の栓１２と瓶１０内に存在する液体との間の、空気またはガスコラム内および液体中に音響定常波を励起する。これらの定常波は、第２の振動として存在し、この振動は、王冠状の栓１２の第１の振動に対して時間的にずれており、例えば、８ｋＨｚの周波数を有している。それらは、王冠状の栓１２の第１の振動が消失した後も存在し続け、マイクロフォン３０によって、王冠状の栓１２を通して拾い上げられ得る。
図２は、マイクロ秒のオーダーの時間にわたっての信号振幅（相対的な単位）の特徴を示したものである。このようなグラフは、第１の評価過程に対して用いることができ、この場合、第１および第２の振動モードの間の時間間隔は、区別のために利用することができ、マイクロフォン３０によって拾い上げられた音響信号は、主として、磁気パルス（＝０ｍｓ）の後の、例えば、０．３〜０．７ｍｓの第１の測定窓Ｆ１において、王冠状の栓１２の第１の自然の振動から生じる。瓶１０の内部において、支配的な圧力は、測定された周波数から決定され得る。磁気パルスの後の、例えば、３〜４．８ｍｓの第２の測定窓Ｆ２において、マイクロフォン３０によって拾い上げられた音響信号は、主として、瓶１０の内部で定常波として形成された第２の振動から生じている。これらの定常波の周波数は、充填レベルを特徴付ける。例えば、もし、液体の表面と王冠状の栓１２との間の５ｃｍの高さの空間に対応する設定充填レベルをもつ瓶１０が、８ｋＨｚの周波数を有しているならば、そのとき、０．５ｃｍ以下の充填の場合には、周波数は、７．２５ｋＨｚとなる。
図３は、可能な第２の評価法をもたら、周波数解析の結果を示すものであり、ここに、磁気パルスの後の、例えば、１０ｍｓの時間内に拾い上げられた音響信号はすべて、フーリエ解析を受ける。図３の実施例の場合、周波数スペクトルは、王冠状の栓１２の第１の振動に対応する７．２ｋＨｚでのピークＰ１と、瓶１０の内部での定常波の第２の振動に対応する６ｋＨｚでの第２のピークＰ２とを有しており、この周波数は、充填レベルに依存する。さらに、別の振幅のピークが、別の周波数に対して確立される。もし、ピークＰ２の周波数が、λによって表されるならば、そのとき、周波数λ／３および３λ／２に対して、それぞれ第２の周波数の共鳴を引き起こすピークＰ３およびＰ４が生じ、同様に、容器材料の振動によって引き起こされるピークＰ５が、識別可能である。瓶１０の壁におけるひび割れまたは亀裂が、この周波数振幅Ｐ５を多周波数の場合の振幅ピーク上に分配することによって、あるいは別の周波数までずらすことによって、あるいはピークＰ５を完全に消失させることによって認識され得る。
これら２つの評価過程に対して用いられる現実の電子回路は、通常の構成を有しており、よって、ここでは説明されない。
振動の周波数は、時間間隔が、例えば、８ＭＨｚのクロック信号を用いて明確な個数の信号のゼロ交差、例えば、８個のゼロ交差の間に、測定される振動継続時間の直接の測定によって、明確に決定される。これらの信号は、測定された信号値から記録された危険値と比較することによって、都合よく評価される。

Claims (10)

1. 栓を含む容器の壁と、液体と、前記栓および前記液体の間に形成された空間と、を有する容器のパラメータを決定するための方法であって、
   前記容器の壁（１２）内に第１の機械的振動を励起するステップと、
   前記容器の壁（１２）内に励起された第１の機械的振動によって前記容器（１０）内に励起されて、前記栓（１２）および前記液体間の空間内に生じた第２の振動を拾い上げるステップと、を有しており、
   前記第１の振動が既に減衰している時間測定窓において発生した振動のみが拾い上げられるようなやり方で、前記第２の振動が前記第１の振動とは独立に拾い上げられるようになっており、さらに、
   前記拾い上げられた第２の振動を解析するステップと、
   前記拾い上げられた第２の振動の確立された周波数に基づいて前記パラメータを決定するステップと、を有していることを特徴とする方法。
2. 前記決定されたパラメータが充填レベルを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の振動の周波数を、その周波数スペクトルの解析から決定するステップをさらに有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１および第２の振動が、異なる時間測定窓（Ｆ１，Ｆ２）において拾い上げられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記拾い上げられた振動の信号を用いて周波数解析を行うステップをさらに有しており、前記第１および第２の振動が、異なる測定窓（Ｆ１，Ｆ２）において拾い上げられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 有効信号対ノイズ比を改善するために、信号がマイクロフォン装置によって拾い上げられ、前記マイクロフォン装置は、測定された信号から周囲のノイズを除去することにより、有効信号を強めるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 環状のマイクロフォン装置が用いられることによって、個々の信号の同位相による付加を通じて、有効信号が強められることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 異なる測定窓（Ｆ１，Ｆ２）から独立に得られた個々の情報が、相互の影響を補償するために用いられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
9. 前記第１の振動の周波数を、その周波数スペクトルの解析によって決定するステップをさらに有していることを特徴とする請求項２に記載の方法。
10. 栓を含む容器の壁と、液体と、前記栓および前記液体の間に形成された空間と、を有する容器の充填レベルを決定するための方法であって、
    前記容器の壁（１２）内において第１の機械的振動を励起するステップと、
    前記容器の壁（１２）内に励起された第１の機械的振動によって前記容器（１０）内に励起されて、前記栓（１２）および前記液体間の空間内に生じた第２の振動を拾い上げるステップと、を有しており、
    前記第１の振動が既に減衰している時間測定窓において発生した振動のみが拾い上げられるようなやり方で、前記第２の振動が前記第１の振動とは独立に拾い上げられるようになっており、さらに、
    前記拾い上げられた第２の振動を解析するステップと、
    前記第２の振動の確立された周波数から前記充填レベルを決定するステップと、を有していることを特徴とする方法。

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