JP3881813B2 - 容器内液体充填高さ計測装置及び流量制御式充填方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば飲料充填機械等で、容器に充填された液体の充填高さを計測する容器内液体充填高さ計測装置及び流量制御式充填方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、飲料充填機械では、容器に定量の飲料を充填した後、最終検査工程で容器に正しく飲料が充填されているか否かをチェックしている。上記容器としては、例えばガラスビン、ＰＥＴボトル、アルミ缶、鉄缶、紙パック、アルミパック等が用いられる。
【０００３】
上記容器内の飲料高さを計測する方法としては、ガラスビンやＰＥＴボトルのように内容液が目視でも見えるものは、可視光や近赤外線光を使用し、飲料により透過光量が減衰することを利用して飲料高さを計測する方法、あるいは可視光や近赤外線光にて照明された液面部分をカメラで撮影し、画像処理によって液界面を抽出する方法等が用いられている。
【０００４】
また、上記アルミ缶、鉄缶、紙パック、アルミパック等では、内容液が不可視なため、Ｘ線やγ線を用いて飲料の有無を確認する方法、あるいはＸ線カメラを用いて液面部分を撮影し、画像処理にて容器内の液界面を抽出する方法等が用いられる。
【０００５】
上記容器外部から放射される赤外線量を計測し、液面を抽出するような技術は、例えば実開平４−１０９３２９号（容器内液面位置検知装置）に開示されている。図５は上記実開平４−１０９３２９号に開示された容器内液面位置検知装置の要部構成図を示したものである。同図に示すように液体用容器１内に液体２、例えば水、油、その他、化学薬品類が入っており、液体２の上面が液面である。この場合、液体２の温度と気体６の温度により、容器１の外表面は、それぞれＴ１とＴ２の温度となり、これによりステファンボルツマンの法則に従う赤外線が放射される。この赤外線を赤外線カメラ３で捉え、赤外線画像処理装置４により処理してディスプレイ５上に表示する。これによりＴ１とＴ２の温度差を計測することができる。このときのＴ１とＴ２の温度境界位置から液面位置を確定させる。また、上記計測に際し、赤外ヒータ等で強制的に容器１を加熱して熱容量の違いにより温度上昇の差を測定する。
【０００６】
一般に容器内に液体がある状態とは、底面側に液体があり、この液体の上面側に空間が存在する。液体は空間側にある空気に比較して熱容量が大きく、このため周囲温度変化があると気体部と液体部に温度差が生じる。従って、この温度差から容器内液面位置を検知することができる。また、上記のように計測時に赤外ヒータ等で積極的に熱エネルギを与えると、熱容量の差による温度差が顕著になり、容器内液面位置を容易に計測することができる。
【０００７】
また、類似の技術として特開平９−３３３２０号に開示された容器内の液面探査装置がある。図６は、上記容器内の液面探査装置の構成図である。図６において、１１は容器で、この容器１１内に気体１２と液体１３が収納されており、その側壁１１ａには、内部に収納されている液体１３のレベルＬを観察するための窓１１ｂが形成されている。容器１１の本体部分は、鉄合金等で形成されており、窓１１ｂは強化プラスチック等の熱伝導率が低く、強度の大きな透明部材で覆われている。また、容器１１の側壁１１ａを加熱するための熱源１４が設けられる。また、容器１１の側壁１１ａと熱源１４との間に必要に応じて熱遮蔽板１５が設けられる。この熱遮蔽板１５は、容器１１の側壁１１ａを所望温度まで加熱した後、熱源１４と容器１１の側壁１１ａとの間を熱的に遮蔽するためのものである。更に、加熱された容器１１の側壁１１ａを撮像するための赤外線カメラ１６が設けられる。この赤外線カメラ１６で撮像され画像は、画像処理装置１７へ送られて処理される。
【０００８】
上記の構成において、熱源１４により容器１１の内部を所望温度まで加熱し、容器１１内部の気体１２と液体１３とが所望温度に上昇した後、熱源１４を熱遮蔽板１５により遮断する。その後、容器１１の側壁１１ａの加熱箇所を赤外線カメラ１６で撮像して放熱状態を示す熱画像を画像処理装置１７に入力する。この画像処理装置１７は、上記赤外線カメラ１６で撮像された熱画像を記憶し、気体１２と液体１３と両者の境界領域とにおけるそれぞれ温度分布を熱画像から目視により判別して容器１１内の気体１２と液体１３の液面レベルを判定する。
【０００９】
上記のようにして容器１１内部の液体１３の残量を非接触で判定することができると共に、窓１１ｂが汚れている場合であってもそのままの状態で液面レベルを判定することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記実開平４−１０９３２９号に開示された容器内液面位置検知装置は、赤外ヒータ等で強制的に容器１を加熱して熱容量の違いにより温度上昇の差を測定しているので、容器内液面位置を容易に計測することが可能であるが、ヒータの熱が直接容器１に当り、容器１の表面で反射されてホットスポットとして映ったり、ヒータ加熱むらが赤外線カメラ３に映ってしまうという問題がある。
【００１１】
また、特開平９−３３３２０号に開示された容器内の液面探査装置は、容器１１内部の液体１３の残量を非接触で判定することができると共に、窓１１ｂが汚れている場合であってもそのままの状態で液面レベルを判定することができるが、熱源１４により容器１１の内部を所望温度まで加熱し、容器１１内部の気体１２と液体１３とが所望温度に上昇した後、熱源１４を熱遮蔽板１５により遮断しなければならない。
【００１２】
飲料充填機械において、飲料の充填高さを検出することは、飲料製品の出荷検査上重要である。また、近年、リターナブル化が容易なガラスビンが見直されてきている。しかし、ガラスビンは、容器成形精度が良くないために定量充填を採用することができないという問題がある。通常の赤外線カメラと画像処理装置を用いた容器内液体充填高さ計測装置は、ガラスビンとＰＥＴボトルに適用されているが、ガラスビンでは印刷された文字、また、ＰＥＴボトルではラベルと強度を強化するために入っている絞り縞により誤検知する場合がある。更に、内部不可視の缶では、Ｘ線や放射線が用いられているが、据付け時に線源の強度調整が大変で、被曝の危険性もある。また、缶内液揺れに対しては透過線量で計測するため計測誤差が大きくなる。
【００１３】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、内部を目視可能なガラスビン、ＰＥＴボトル等の容器だけでなく、内部不可視の缶、紙パック、アルミパック等の容器に対しても迅速かつ確実に液面高さを計測し得る容器内液体充填高さ計測装置、及び上記容器に液体を正確に充填し得る流量制御式充填方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る容器内液体充填高さ計測装置は、液体が充填された容器を搬送する搬送手段と、この搬送手段により搬送される容器に風を吹き付け、該容器内の気液界面に対する容器外側の表面温度差を強調する送風機と、前記容器表面から放射される赤外線放射エネルギを撮影する赤外線カメラと、前記搬送手段により搬送される容器の両側に配置される第１のミラーと、この第１のミラーにより反射される前記容器表面からの赤外線放射エネルギを前記赤外線カメラに導く第２のミラーと、前記赤外線カメラにより撮影された画像を処理し濃淡変化の著しい部分を気液界面として検出する画像処理手段とを具備し、容器の全外周に亘って気液界面を計測することを特徴とする。
【００１５】
第２の発明に係る容器内液体充填高さ計測装置は、前記送風機及び赤外線カメラを計測箱内に設けて計測することを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係る容器内液体充填高さ計測装置は、前記送風機の吹出し口に整流格子やパンチングメタルによる整流装置を設けたり、容器形状に合せた送風を行なうことにより、容器に当たる面的な風速むらを無くし、容器外部の熱伝達条件を均一にして計測することを特徴とする。
【００１８】
第４の発明に係る流量制御式充填方法は、複数の定量充填部に設置した検出器部に、流量計測手段と、液体が充填された容器を搬送する搬送手段と、この搬送手段により搬送される容器に風を吹き付け、該容器内の気液界面に対する容器外側の表面温度差を強調する送風機と、前記容器表面から放射される赤外線放射エネルギを撮影する赤外線カメラと、前記搬送手段により搬送される容器の両側に配置される第１のミラーと、この第１のミラーにより反射される前記容器表面からの赤外線放射エネルギを前記赤外線カメラに導く第２のミラーと、前記搬送手段により搬送される容器表面からの赤外線放射エネルギを前記赤外線カメラにより撮影された画像を処理し濃淡変化の著しい部分を気液界面として検出する画像処理手段とからなる容器内液体充填高さ計測装置を設け、前記容器内液体充填高さ計測装置の計測結果に基づいて前記各定量充填部に取付けてある流量計の設定値を変更することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る液面高さ計測装置の全体構成を示すシステム構成図である。図１において、２０は内部が断熱された計測箱で、この計測箱２０内を液体例えば飲料が既に充填された容器２２がコンベア２１により順次搬送される。上記計測箱２０を通過した容器２２は、主搬送コンベア２３により次工程へ搬送されるが、不良品についてはリジェクタ２４によりリジェクトされ、不良品ゾーン２５へ送られる。
【００２１】
また、上記計測箱２０内には、コンベア２１上の容器２２に風を送る送風機２６が設けられると共に、上記容器２２を撮影する赤外線カメラ２７が設けられる。この赤外線カメラ２７により撮影された画像は、画像処理装置２８へ送られる。上記赤外線カメラ２７により容器２２を撮影する際、計測箱２０の内面板が背景板２０ａとして利用される。また、この背景板２０ａは、計測箱２０の内面板を利用せずに独立して設けてもよい。また、上記計測箱２０は、例えば太陽光や照明光等の外乱となる熱の侵入を除去する役割も有している。
【００２２】
上記画像処理装置２８は、制御コンピュータ２９により制御されるもので、処理画像を表示装置３０に出力して表示すると共に、制御コンピュータ２９へ出力する。この制御コンピュータ２９は、画像処理装置２８の処理結果から容器２２へ飲料が正常に充填されているか否かを判断し、その判定結果に応じてリジェクタ２４に制御指令を出力する。すなわち、制御コンピュータ２９は、計測箱２０から送り出された容器２２が正常品、すなわち容器２２に液体が正常に充填されている場合であればリジェクタ２４を作動させず、容器２２を主搬送コンベア２３により次工程へ搬送させ、計測箱２０から送り出された容器２２が異常、すなわち、容器２２への液体充填量が異常であった場合には、リジェクタ２４を作動させて容器２２を別のコンベアラインにより不良品ゾーン２５へ退避させる。
【００２３】
次に上記実施形態の動作を説明する。
計測箱２０内に搬入される容器２２には、前工程で既に飲料が充填されており、図２に示すように下部側に液体３２が入り、その上部が気体３３となっている。なお、図２は、赤外線カメラ２７から出力される赤外線強度画像３１を上記画像処理装置２８に取り込んだ画像、すなわち赤外線強度を例えば「０−２５５」で正規化した濃淡画像を示したものである。
【００２４】
そして、上記飲料が充填された容器２２が計測箱２０内に搬入されると、送風機２６により風が当てられ、次に赤外線カメラ２７により撮影される。
【００２５】
飲料充填された直後の容器２２では、液体３２側と気体３３側とで大きな温度差があるが、容器２２がコンベア２１等で移動中に容器２２の熱の分布が緩和され、気液界面の温度分布が緩やかになる。そこで、飲料充填された容器２２に外部から強制的に風を送ることにより、容器表面の熱伝達を向上させ、容器２２表面の温度を急速に変化させることができる。この場合、容器上部の気体３３部分は、気体３３の持つ熱量が小さく、また、容器２２内側の熱伝達率は無風であるので非常に小さい。このため容器２２の液体３２部分は、気体３３に比較して熱量が大きく、また、容器２２との熱伝達率も大きい。このため風を与えることにより、容器２２内部の液体３２の温度が風温に近づく速度は、上部の気体３３部分に比べて遅い。
【００２６】
これにより気液界面の容器外側の表面温度を強調することができるので、容器２２の表面から放射される赤外線放射強度を赤外線カメラ２７で計測する。この計測した赤外線の強度に容器表面の放射率を掛け合わせたものが容器表面温度を表しているので、その赤外線強度をある任意の範囲で正規化し、そのスケールを例えば「０−２５５」にすることにより、温度の低い所を「０」、温度の高い所を「２５５」で表現することができる。このスケールは、通常カメラで使用する濃淡画像処理装置に対し濃淡（グレースケール）画像として入力することができる。この濃淡変化の著しい部分を画像処理装置２８で画像処理して抽出する。上記濃淡変化の著しい部分は、温度変化の著しい部分であるので、容器２２表面の温度変化の著しい部分、すなわち気液界面を検出することができる
画像処理装置２８は、上記抽出した気液界面の画像上での位置を計測し、液面位置として判定し、液位不良の容器２２があれば制御コンピュータ２９を介してリジェクタ２４にリジェクト指令を送り、その容器２２を不良品ゾーン２５へ導く。
【００２７】
次に具体的な例として、５℃の炭酸飲料が充填されたアルミニウム製缶を容器２２として用いた場合について説明する。
【００２８】
５℃の炭酸飲料が充填されたアルミニウムでできた缶の容器２２内は、コンベア２１により搬送させる間に気体温度も飲料温度に近づき、表面温度も全体的５℃に近づく。この容器２２に周囲温度と同じ温度の空気を送風機２６にて吹き付ける。このとき送風機２６からの空気はやや広がり、送風機２６の正面に位置する容器２２の数本分に吹き付ける。この吹き付ける範囲は、コンベア速度と容器材質と厚み、容器２２内の液体３２の温度、周囲温度に依存するので、条件によって可変設定する。この空気を吹き付けられた容器２２の外表面から熱輻射された赤外線放射エネルギを赤外線カメラ２７で計測する。この赤外線カメラ２７により撮影された画像は、最低温度０℃〜最高温度５０℃で正規化された濃淡画像（画像中の各画素毎に赤外線強度を「０−２５５」で数値化した画像）であるので、この画像を画像処理装置２８で濃淡画像処理を行なう。液面は、赤外線強度画像３１に対して水平方向にあるので、縦方向に微分を取る。通常、赤外線強度画像３１には、細かなノイズが含まれているので、通常行なわれている３画素間の差分処理よりも５画素間や７画素間の差分処理を行なった方がノイズに強くなる。また、事前に数画素（３〜７）で平滑化処理を行なった後、実施しても対ノイズ性を向上することができる。
【００２９】
上記微分処理で強調された温度勾配の大きな部分（ピーク）を抽出するか、ある閾値で２値化、すなわち閾値以下の時は「０」、閾値以上の時は「２５５」化する。そして、２値化画像を横方向にヒストグラム処理を行ない、最も頻度の高い部分が温度勾配の高い部分、つまり気液界面となる。
また、高速化が必要な場合は、１画素の縦方向に移動平均を取りながら、その差分演算をする濃度変化点検出を行ない、気液界面を抽出する。
【００３０】
赤外線カメラ２７は固定されているので、抽出した気液界面の画像中の位置はそのまま実際の容器内の液面高さとなる。従って、この抽出した位置で判定値以上若しくは判定範囲内かどうかを判定し、表示装置３０には計測した赤外線強度画像３１とその判定結果を表示する。この判定の結果、良品であれば、容器２２はリジェクタ２４を素通りし、そのまま主搬送コンベア２３により次工程へ搬送される。また、上記判定の結果、不良品であれば、リジェクタ２４により不良品ゾーン２５へ移動させられる。
【００３１】
上記のように計測箱２０内に送風機２６を設けて容器２２に送風することにより、容器２２の表面の熱伝達が促進され、容器外部に内部温度情報が伝達される。この結果、容器上部の気体３３部分は、送風された空気温度に近づき、容器下部の液体３２部分は、液体３２の温度に近くなる。また、送風機２６により温度強調することにより、容器自身が熱外乱とならず、容器外部との温度強調が可能になる。このため非常に高い応答性（例えば２５Ｈｚ（１５００ｃａｎ／ｍｉｎ）以上）が得られると共に、±０．３ｍｍ程度の高い計測精度が得られる。また、上記実施形態において、計測環境にあるものは、送風機２６、赤外線カメラ２７及び背景板２０ａ（若しくは計測箱２０の内面板）である。上記送風機２６による送風温度はほぼ周囲温度であり、赤外線カメラ２７及び背景板２０ａも周囲温度と等しい温度となっている。このため容器２２表面の赤外線放射を計測する際に誤差要因を与えることなく、容器２２の表面温度を正しく計測することができる。
【００３２】
また、検査効率を上げる目的で、検査装置前段で温風や冷風、冷水、温水で容器２２全体の温度を変化させた後、図１に示した検査装置で検査しても良い。 更に、安定性と効果を上げる目的で、計測箱２０内の温度を調節したり、設定温度を上げ下げしても良い。この場合、予め設定した温度で送風するように構成しても、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、送風機２６を複数台使用し、各送風口に整流装置を設けることにより、送風ムラを低減して容器２２外部の熱伝達を促進させることができる。例えば前記送風機の吹出し口に整流格子やパンチングメタルによる整流装置を設けたり、容器形状に合せた送風を行なうことにより、容器に当たる面的な風速むらを無くし、容器外部の熱伝達条件を均一にして計測することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について説明する。
図３は本発明の第２実施形態に係る容器内液体充填高さ計測装置の概略構成図である。この第２実施形態は、容器２２内に充填した液体３２が搬送途中で揺れている場合であっても、その液面高さを正確に計測できるようにしたものである。この第２実施形態では、計測箱２０に搬入された容器２２に対し、その上部にミラー４１を斜めに配置すると共に、例えば搬送される容器２２の両側に位置するようにミラー４２ａ、４２ｂを斜めに配置している。そして、上記ミラー４１の側方に位置するように赤外線カメラ２７を配置している。すなわち、容器２２の周面から輻射される赤外線放射エネルギをミラー４２ａ、４２ｂで上方に反射させ、この反射赤外線を更にミラー４１で反射させて赤外線カメラ２７に入射するようにしている。上記図３は、ミラー４１、４２ａ、４２ｂ及び赤外線カメラ２７の配置関係を示したもので、図１に示したコンベア２１、送風機２６等については省略している。
【００３５】
上記のようにミラー４１、４２ａ、４２ｂを配置して容器２２の全周を計測することにより、容器２２内に充填した液体３２が搬送途中で揺れている場合であっても、その液面高さを正確に計測することができる。また、その他、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
なお、上記実施形態では、飲料を容器２２に充填する場合について示したが、本発明は飲料に限らず、その他の液体を容器２２に充填する場合に実施し得るものである。
【００３７】
（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態について図４を参照して説明する。
この第３実施形態は、ロータリ式充填機における流量制御式充填方法について示したものである。図４はロータリ式充填機５０の一部を示したもので、このロータリ式充填機５０には、容器２２に液体を充填する充填バルブ５２、この各充填バルブ５２により充填される液体の流量を計測する電磁流量計（図示せず）等が設けられている。ロータリ式充填機５０は、充填に際してロータリ回転台５１により容器２２を取り込み、ＣＯ2 で容器内をガス置換したあと、充填バルブ５２を開いて充填を開始する。
【００３８】
上記充填中、電磁流量計から出力される流量パルスをある設定になるまでカウントした後、充填バルブ５２を閉じる。次いで、送風機２６により容器表面温度差を強調した後、赤外線カメラ２７にて容器２２の表面から放射される赤外線放射エネルギを計測する。容器表面からの赤外線放射エネルギに放射率をかけたものが容器表面温度となるので、上記実施形態で示したように常に同じ材質の容器２２を計測する場合、赤外線放射エネルギ画像でそのまま処理する事が可能である。この画像を画像処理装置２８に入力し、液面の抽出処理を行なった後、液面を計測する。上記画像処理装置２８の処理結果は表示装置３０に表示されると共に制御コンピュータ２９へ送られる。なお、上記赤外線カメラ２７等による液面計測部には、ロータリ回転台５１により搬送される容器２２の背面側に断熱板５３が設けられている。
【００３９】
上記制御コンピュータ２９は、画像処理装置２８により求め液面高さデータに基づいて、次の容器２２に対する液体の充填量を調整する。一般にアルミ缶やＰＥＴボトルの様な容器の成形精度の高いものは一定の高さが充填されればほぼ一定の容量の液が充填された事と等しくなる。このため画像処理装置２８は、上記液面高さデータがある基準の高さより高ければ、容器２２の内容積に応じた分の電磁流量計からの出力パルスのカウント数を減らし、また、反対に少なければ、電磁流量計からの出力パルスのカウント数を増やすように制御指令を出力する。実際にはこのカウント数制御には数ボトル程度の平均値を用いて、設定の時定数を下げ、精度を向上させる。上記ロータリ式充填機５０の場合、ロータリ回転台５１により搬送される容器２２は、充填を完了した後、次の工程に送られるまでの周期が長く、その間、液面の揺れが少なく、安定した状態に保たれるので、液面の計測を確実に行なうことができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、液体が充填された容器に空気を吹き付け、容器表面から放射される赤外線放射エネルギを計測し、その赤外線放射エネルギの大きさにより容器内の液体充填高さを計測するようにしたので、容器における気液界面の温度強調が可能になり、内部を目視できるガラスビン、ＰＥＴボトル等の容器だけでなく、内部不可視の缶、紙パック、アルミパック等に対しても迅速かつ確実に液面高さを計測することができる。また、容器の外周に沿って、搬送手段により搬送される容器の両側に配置される第１のミラーと、この第１のミラーにより反射される容器表面からの赤外線放射エネルギを赤外線カメラに導く第２のミラーとを配置して容器全周の液面高さを計測できるようにしたので、容器内に充填した液体が搬送途中で揺れている場合であっても、その液面高さを正確に計測することができる。
また、送風機の吹出し口に整流格子やパンチングメタルによる整流装置を設けたり、容器形状に合せた送風を行なうことにより、容器に当たる面的な風速むらを無くし、容器外部の熱伝達条件を均一にして計測することができる。
【００４１】
更に、各充填バルブ毎に対応させたこの計測装置で計測した液面高さデータを基に充填バルブに取付けてある流量計からのパルス数で、充填バルブを閉止するための積算パルス数の設定値を自動修正することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る容器内液体充填高さ計測装置のシステム構成図。
【図２】同実施形態における赤外線強度画像例を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る容器内液体充填高さ計測装置の要部を示す構成図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る流量制御式充填方法の要部を示す構成図。
【図５】従来における容器内液面位置検知装置の要部を示す構成図。
【図６】従来における容器内液面探査装置の構成図。
【符号の説明】
２０ 計測箱
２１ コンベア
２２ 容器
２３ 主搬送コンベア
２４ リジェクタ
２５ 不良品ゾーン
２６ 送風機
２７ 赤外線カメラ
２８ 画像処理装置
２９ 制御コンピュータ
３０ 表示装置
３１ 赤外線強度画像
３２ 液体
３３ 気体
４１、４１ａ、４１ｂ ミラー
５０ ロータリ式充填機
５１ ロータリ回転台
５２ 充填バルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば飲料充填機械等で、容器に充填された液体の充填高さを計測する容器内液体充填高さ計測装置及び流量制御式充填方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、飲料充填機械では、容器に定量の飲料を充填した後、最終検査工程で容器に正しく飲料が充填されているか否かをチェックしている。上記容器としては、例えばガラスビン、ＰＥＴボトル、アルミ缶、鉄缶、紙パック、アルミパック等が用いられる。
【０００３】
上記容器内の飲料高さを計測する方法としては、ガラスビンやＰＥＴボトルのように内容液が目視でも見えるものは、可視光や近赤外線光を使用し、飲料により透過光量が減衰することを利用して飲料高さを計測する方法、あるいは可視光や近赤外線光にて照明された液面部分をカメラで撮影し、画像処理によって液界面を抽出する方法等が用いられている。
【０００４】
また、上記アルミ缶、鉄缶、紙パック、アルミパック等では、内容液が不可視なため、Ｘ線やγ線を用いて飲料の有無を確認する方法、あるいはＸ線カメラを用いて液面部分を撮影し、画像処理にて容器内の液界面を抽出する方法等が用いられる。
【０００５】
上記容器外部から放射される赤外線量を計測し、液面を抽出するような技術は、例えば実開平４−１０９３２９号（容器内液面位置検知装置）に開示されている。図５は上記実開平４−１０９３２９号に開示された容器内液面位置検知装置の要部構成図を示したものである。同図に示すように液体用容器１内に液体２、例えば水、油、その他、化学薬品類が入っており、液体２の上面が液面である。この場合、液体２の温度と気体６の温度により、容器１の外表面は、それぞれＴ１とＴ２の温度となり、これによりステファンボルツマンの法則に従う赤外線が放射される。この赤外線を赤外線カメラ３で捉え、赤外線画像処理装置４により処理してディスプレイ５上に表示する。これによりＴ１とＴ２の温度差を計測することができる。このときのＴ１とＴ２の温度境界位置から液面位置を確定させる。また、上記計測に際し、赤外ヒータ等で強制的に容器１を加熱して熱容量の違いにより温度上昇の差を測定する。
【０００６】
一般に容器内に液体がある状態とは、底面側に液体があり、この液体の上面側に空間が存在する。液体は空間側にある空気に比較して熱容量が大きく、このため周囲温度変化があると気体部と液体部に温度差が生じる。従って、この温度差から容器内液面位置を検知することができる。また、上記のように計測時に赤外ヒータ等で積極的に熱エネルギを与えると、熱容量の差による温度差が顕著になり、容器内液面位置を容易に計測することができる。
【０００７】
また、類似の技術として特開平９−３３３２０号に開示された容器内の液面探査装置がある。図６は、上記容器内の液面探査装置の構成図である。図６において、１１は容器で、この容器１１内に気体１２と液体１３が収納されており、その側壁１１ａには、内部に収納されている液体１３のレベルＬを観察するための窓１１ｂが形成されている。容器１１の本体部分は、鉄合金等で形成されており、窓１１ｂは強化プラスチック等の熱伝導率が低く、強度の大きな透明部材で覆われている。また、容器１１の側壁１１ａを加熱するための熱源１４が設けられる。また、容器１１の側壁１１ａと熱源１４との間に必要に応じて熱遮蔽板１５が設けられる。この熱遮蔽板１５は、容器１１の側壁１１ａを所望温度まで加熱した後、熱源１４と容器１１の側壁１１ａとの間を熱的に遮蔽するためのものである。更に、加熱された容器１１の側壁１１ａを撮像するための赤外線カメラ１６が設けられる。この赤外線カメラ１６で撮像され画像は、画像処理装置１７へ送られて処理される。
【０００８】
上記の構成において、熱源１４により容器１１の内部を所望温度まで加熱し、容器１１内部の気体１２と液体１３とが所望温度に上昇した後、熱源１４を熱遮蔽板１５により遮断する。その後、容器１１の側壁１１ａの加熱箇所を赤外線カメラ１６で撮像して放熱状態を示す熱画像を画像処理装置１７に入力する。この画像処理装置１７は、上記赤外線カメラ１６で撮像された熱画像を記憶し、気体１２と液体１３と両者の境界領域とにおけるそれぞれ温度分布を熱画像から目視により判別して容器１１内の気体１２と液体１３の液面レベルを判定する。
【０００９】
上記のようにして容器１１内部の液体１３の残量を非接触で判定することができると共に、窓１１ｂが汚れている場合であってもそのままの状態で液面レベルを判定することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記実開平４−１０９３２９号に開示された容器内液面位置検知装置は、赤外ヒータ等で強制的に容器１を加熱して熱容量の違いにより温度上昇の差を測定しているので、容器内液面位置を容易に計測することが可能であるが、ヒータの熱が直接容器１に当り、容器１の表面で反射されてホットスポットとして映ったり、ヒータ加熱むらが赤外線カメラ３に映ってしまうという問題がある。
【００１１】
また、特開平９−３３３２０号に開示された容器内の液面探査装置は、容器１１内部の液体１３の残量を非接触で判定することができると共に、窓１１ｂが汚れている場合であってもそのままの状態で液面レベルを判定することができるが、熱源１４により容器１１の内部を所望温度まで加熱し、容器１１内部の気体１２と液体１３とが所望温度に上昇した後、熱源１４を熱遮蔽板１５により遮断しなければならない。
【００１２】
飲料充填機械において、飲料の充填高さを検出することは、飲料製品の出荷検査上重要である。また、近年、リターナブル化が容易なガラスビンが見直されてきている。しかし、ガラスビンは、容器成形精度が良くないために定量充填を採用することができないという問題がある。通常の赤外線カメラと画像処理装置を用いた容器内液体充填高さ計測装置は、ガラスビンとＰＥＴボトルに適用されているが、ガラスビンでは印刷された文字、また、ＰＥＴボトルではラベルと強度を強化するために入っている絞り縞により誤検知する場合がある。更に、内部不可視の缶では、Ｘ線や放射線が用いられているが、据付け時に線源の強度調整が大変で、被曝の危険性もある。また、缶内液揺れに対しては透過線量で計測するため計測誤差が大きくなる。
【００１３】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、内部を目視可能なガラスビン、ＰＥＴボトル等の容器だけでなく、内部不可視の缶、紙パック、アルミパック等の容器に対しても迅速かつ確実に液面高さを計測し得る容器内液体充填高さ計測装置、及び上記容器に液体を正確に充填し得る流量制御式充填方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る容器内液体充填高さ計測装置は、液体が充填された容器を搬送する搬送手段と、この搬送手段により搬送される容器に風を吹き付け、該容器内の気液界面に対する容器外側の表面温度差を強調する送風機と、前記容器表面から放射される赤外線放射エネルギを撮影する赤外線カメラと、前記搬送手段により搬送される容器の両側に配置される第１のミラーと、この第１のミラーにより反射される前記容器表面からの赤外線放射エネルギを前記赤外線カメラに導く第２のミラーと、前記赤外線カメラにより撮影された画像を処理し濃淡変化の著しい部分を気液界面として検出する画像処理手段とを具備し、容器の全外周に亘って気液界面を計測することを特徴とする。
【００１５】
第２の発明に係る容器内液体充填高さ計測装置は、前記送風機及び赤外線カメラを計測箱内に設けて計測することを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係る容器内液体充填高さ計測装置は、前記送風機の吹出し口に整流格子やパンチングメタルによる整流装置を設けたり、容器形状に合せた送風を行なうことにより、容器に当たる面的な風速むらを無くし、容器外部の熱伝達条件を均一にして計測することを特徴とする。
【００１８】
第４の発明に係る流量制御式充填方法は、複数の定量充填部に設置した検出器部に、流量計測手段と、液体が充填された容器を搬送する搬送手段と、この搬送手段により搬送される容器に風を吹き付け、該容器内の気液界面に対する容器外側の表面温度差を強調する送風機と、前記容器表面から放射される赤外線放射エネルギを撮影する赤外線カメラと、前記搬送手段により搬送される容器の両側に配置される第１のミラーと、この第１のミラーにより反射される前記容器表面からの赤外線放射エネルギを前記赤外線カメラに導く第２のミラーと、前記搬送手段により搬送される容器表面からの赤外線放射エネルギを前記赤外線カメラにより撮影された画像を処理し濃淡変化の著しい部分を気液界面として検出する画像処理手段とからなる容器内液体充填高さ計測装置を設け、前記容器内液体充填高さ計測装置の計測結果に基づいて前記各定量充填部に取付けてある流量計の設定値を変更することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る液面高さ計測装置の全体構成を示すシステム構成図である。図１において、２０は内部が断熱された計測箱で、この計測箱２０内を液体例えば飲料が既に充填された容器２２がコンベア２１により順次搬送される。上記計測箱２０を通過した容器２２は、主搬送コンベア２３により次工程へ搬送されるが、不良品についてはリジェクタ２４によりリジェクトされ、不良品ゾーン２５へ送られる。
【００２１】
また、上記計測箱２０内には、コンベア２１上の容器２２に風を送る送風機２６が設けられると共に、上記容器２２を撮影する赤外線カメラ２７が設けられる。この赤外線カメラ２７により撮影された画像は、画像処理装置２８へ送られる。上記赤外線カメラ２７により容器２２を撮影する際、計測箱２０の内面板が背景板２０ａとして利用される。また、この背景板２０ａは、計測箱２０の内面板を利用せずに独立して設けてもよい。また、上記計測箱２０は、例えば太陽光や照明光等の外乱となる熱の侵入を除去する役割も有している。
【００２２】
上記画像処理装置２８は、制御コンピュータ２９により制御されるもので、処理画像を表示装置３０に出力して表示すると共に、制御コンピュータ２９へ出力する。この制御コンピュータ２９は、画像処理装置２８の処理結果から容器２２へ飲料が正常に充填されているか否かを判断し、その判定結果に応じてリジェクタ２４に制御指令を出力する。すなわち、制御コンピュータ２９は、計測箱２０から送り出された容器２２が正常品、すなわち容器２２に液体が正常に充填されている場合であればリジェクタ２４を作動させず、容器２２を主搬送コンベア２３により次工程へ搬送させ、計測箱２０から送り出された容器２２が異常、すなわち、容器２２への液体充填量が異常であった場合には、リジェクタ２４を作動させて容器２２を別のコンベアラインにより不良品ゾーン２５へ退避させる。
【００２３】
次に上記実施形態の動作を説明する。
計測箱２０内に搬入される容器２２には、前工程で既に飲料が充填されており、図２に示すように下部側に液体３２が入り、その上部が気体３３となっている。なお、図２は、赤外線カメラ２７から出力される赤外線強度画像３１を上記画像処理装置２８に取り込んだ画像、すなわち赤外線強度を例えば「０−２５５」で正規化した濃淡画像を示したものである。
【００２４】
そして、上記飲料が充填された容器２２が計測箱２０内に搬入されると、送風機２６により風が当てられ、次に赤外線カメラ２７により撮影される。
【００２５】
飲料充填された直後の容器２２では、液体３２側と気体３３側とで大きな温度差があるが、容器２２がコンベア２１等で移動中に容器２２の熱の分布が緩和され、気液界面の温度分布が緩やかになる。そこで、飲料充填された容器２２に外部から強制的に風を送ることにより、容器表面の熱伝達を向上させ、容器２２表面の温度を急速に変化させることができる。この場合、容器上部の気体３３部分は、気体３３の持つ熱量が小さく、また、容器２２内側の熱伝達率は無風であるので非常に小さい。このため容器２２の液体３２部分は、気体３３に比較して熱量が大きく、また、容器２２との熱伝達率も大きい。このため風を与えることにより、容器２２内部の液体３２の温度が風温に近づく速度は、上部の気体３３部分に比べて遅い。
【００２６】
これにより気液界面の容器外側の表面温度を強調することができるので、容器２２の表面から放射される赤外線放射強度を赤外線カメラ２７で計測する。この計測した赤外線の強度に容器表面の放射率を掛け合わせたものが容器表面温度を表しているので、その赤外線強度をある任意の範囲で正規化し、そのスケールを例えば「０−２５５」にすることにより、温度の低い所を「０」、温度の高い所を「２５５」で表現することができる。このスケールは、通常カメラで使用する濃淡画像処理装置に対し濃淡（グレースケール）画像として入力することができる。この濃淡変化の著しい部分を画像処理装置２８で画像処理して抽出する。上記濃淡変化の著しい部分は、温度変化の著しい部分であるので、容器２２表面の温度変化の著しい部分、すなわち気液界面を検出することができる
画像処理装置２８は、上記抽出した気液界面の画像上での位置を計測し、液面位置として判定し、液位不良の容器２２があれば制御コンピュータ２９を介してリジェクタ２４にリジェクト指令を送り、その容器２２を不良品ゾーン２５へ導く。
【００２７】
次に具体的な例として、５℃の炭酸飲料が充填されたアルミニウム製缶を容器２２として用いた場合について説明する。
【００２８】
５℃の炭酸飲料が充填されたアルミニウムでできた缶の容器２２内は、コンベア２１により搬送させる間に気体温度も飲料温度に近づき、表面温度も全体的５℃に近づく。この容器２２に周囲温度と同じ温度の空気を送風機２６にて吹き付ける。このとき送風機２６からの空気はやや広がり、送風機２６の正面に位置する容器２２の数本分に吹き付ける。この吹き付ける範囲は、コンベア速度と容器材質と厚み、容器２２内の液体３２の温度、周囲温度に依存するので、条件によって可変設定する。この空気を吹き付けられた容器２２の外表面から熱輻射された赤外線放射エネルギを赤外線カメラ２７で計測する。この赤外線カメラ２７により撮影された画像は、最低温度０℃〜最高温度５０℃で正規化された濃淡画像（画像中の各画素毎に赤外線強度を「０−２５５」で数値化した画像）であるので、この画像を画像処理装置２８で濃淡画像処理を行なう。液面は、赤外線強度画像３１に対して水平方向にあるので、縦方向に微分を取る。通常、赤外線強度画像３１には、細かなノイズが含まれているので、通常行なわれている３画素間の差分処理よりも５画素間や７画素間の差分処理を行なった方がノイズに強くなる。また、事前に数画素（３〜７）で平滑化処理を行なった後、実施しても対ノイズ性を向上することができる。
【００２９】
上記微分処理で強調された温度勾配の大きな部分（ピーク）を抽出するか、ある閾値で２値化、すなわち閾値以下の時は「０」、閾値以上の時は「２５５」化する。そして、２値化画像を横方向にヒストグラム処理を行ない、最も頻度の高い部分が温度勾配の高い部分、つまり気液界面となる。
また、高速化が必要な場合は、１画素の縦方向に移動平均を取りながら、その差分演算をする濃度変化点検出を行ない、気液界面を抽出する。
【００３０】
赤外線カメラ２７は固定されているので、抽出した気液界面の画像中の位置はそのまま実際の容器内の液面高さとなる。従って、この抽出した位置で判定値以上若しくは判定範囲内かどうかを判定し、表示装置３０には計測した赤外線強度画像３１とその判定結果を表示する。この判定の結果、良品であれば、容器２２はリジェクタ２４を素通りし、そのまま主搬送コンベア２３により次工程へ搬送される。また、上記判定の結果、不良品であれば、リジェクタ２４により不良品ゾーン２５へ移動させられる。
【００３１】
上記のように計測箱２０内に送風機２６を設けて容器２２に送風することにより、容器２２の表面の熱伝達が促進され、容器外部に内部温度情報が伝達される。この結果、容器上部の気体３３部分は、送風された空気温度に近づき、容器下部の液体３２部分は、液体３２の温度に近くなる。また、送風機２６により温度強調することにより、容器自身が熱外乱とならず、容器外部との温度強調が可能になる。このため非常に高い応答性（例えば２５Ｈｚ（１５００ｃａｎ／ｍｉｎ）以上）が得られると共に、±０．３ｍｍ程度の高い計測精度が得られる。また、上記実施形態において、計測環境にあるものは、送風機２６、赤外線カメラ２７及び背景板２０ａ（若しくは計測箱２０の内面板）である。上記送風機２６による送風温度はほぼ周囲温度であり、赤外線カメラ２７及び背景板２０ａも周囲温度と等しい温度となっている。このため容器２２表面の赤外線放射を計測する際に誤差要因を与えることなく、容器２２の表面温度を正しく計測することができる。
【００３２】
また、検査効率を上げる目的で、検査装置前段で温風や冷風、冷水、温水で容器２２全体の温度を変化させた後、図１に示した検査装置で検査しても良い。 更に、安定性と効果を上げる目的で、計測箱２０内の温度を調節したり、設定温度を上げ下げしても良い。この場合、予め設定した温度で送風するように構成しても、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、送風機２６を複数台使用し、各送風口に整流装置を設けることにより、送風ムラを低減して容器２２外部の熱伝達を促進させることができる。例えば前記送風機の吹出し口に整流格子やパンチングメタルによる整流装置を設けたり、容器形状に合せた送風を行なうことにより、容器に当たる面的な風速むらを無くし、容器外部の熱伝達条件を均一にして計測することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について説明する。
図３は本発明の第２実施形態に係る容器内液体充填高さ計測装置の概略構成図である。この第２実施形態は、容器２２内に充填した液体３２が搬送途中で揺れている場合であっても、その液面高さを正確に計測できるようにしたものである。この第２実施形態では、計測箱２０に搬入された容器２２に対し、その上部にミラー４１を斜めに配置すると共に、例えば搬送される容器２２の両側に位置するようにミラー４２ａ、４２ｂを斜めに配置している。そして、上記ミラー４１の側方に位置するように赤外線カメラ２７を配置している。すなわち、容器２２の周面から輻射される赤外線放射エネルギをミラー４２ａ、４２ｂで上方に反射させ、この反射赤外線を更にミラー４１で反射させて赤外線カメラ２７に入射するようにしている。上記図３は、ミラー４１、４２ａ、４２ｂ及び赤外線カメラ２７の配置関係を示したもので、図１に示したコンベア２１、送風機２６等については省略している。
【００３５】
上記のようにミラー４１、４２ａ、４２ｂを配置して容器２２の全周を計測することにより、容器２２内に充填した液体３２が搬送途中で揺れている場合であっても、その液面高さを正確に計測することができる。また、その他、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
なお、上記実施形態では、飲料を容器２２に充填する場合について示したが、本発明は飲料に限らず、その他の液体を容器２２に充填する場合に実施し得るものである。
【００３７】
（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態について図４を参照して説明する。
この第３実施形態は、ロータリ式充填機における流量制御式充填方法について示したものである。図４はロータリ式充填機５０の一部を示したもので、このロータリ式充填機５０には、容器２２に液体を充填する充填バルブ５２、この各充填バルブ５２により充填される液体の流量を計測する電磁流量計（図示せず）等が設けられている。ロータリ式充填機５０は、充填に際してロータリ回転台５１により容器２２を取り込み、ＣＯ2 で容器内をガス置換したあと、充填バルブ５２を開いて充填を開始する。
【００３８】
上記充填中、電磁流量計から出力される流量パルスをある設定になるまでカウントした後、充填バルブ５２を閉じる。次いで、送風機２６により容器表面温度差を強調した後、赤外線カメラ２７にて容器２２の表面から放射される赤外線放射エネルギを計測する。容器表面からの赤外線放射エネルギに放射率をかけたものが容器表面温度となるので、上記実施形態で示したように常に同じ材質の容器２２を計測する場合、赤外線放射エネルギ画像でそのまま処理する事が可能である。この画像を画像処理装置２８に入力し、液面の抽出処理を行なった後、液面を計測する。上記画像処理装置２８の処理結果は表示装置３０に表示されると共に制御コンピュータ２９へ送られる。なお、上記赤外線カメラ２７等による液面計測部には、ロータリ回転台５１により搬送される容器２２の背面側に断熱板５３が設けられている。
【００３９】
上記制御コンピュータ２９は、画像処理装置２８により求め液面高さデータに基づいて、次の容器２２に対する液体の充填量を調整する。一般にアルミ缶やＰＥＴボトルの様な容器の成形精度の高いものは一定の高さが充填されればほぼ一定の容量の液が充填された事と等しくなる。このため画像処理装置２８は、上記液面高さデータがある基準の高さより高ければ、容器２２の内容積に応じた分の電磁流量計からの出力パルスのカウント数を減らし、また、反対に少なければ、電磁流量計からの出力パルスのカウント数を増やすように制御指令を出力する。実際にはこのカウント数制御には数ボトル程度の平均値を用いて、設定の時定数を下げ、精度を向上させる。上記ロータリ式充填機５０の場合、ロータリ回転台５１により搬送される容器２２は、充填を完了した後、次の工程に送られるまでの周期が長く、その間、液面の揺れが少なく、安定した状態に保たれるので、液面の計測を確実に行なうことができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、液体が充填された容器に空気を吹き付け、容器表面から放射される赤外線放射エネルギを計測し、その赤外線放射エネルギの大きさにより容器内の液体充填高さを計測するようにしたので、容器における気液界面の温度強調が可能になり、内部を目視できるガラスビン、ＰＥＴボトル等の容器だけでなく、内部不可視の缶、紙パック、アルミパック等に対しても迅速かつ確実に液面高さを計測することができる。また、容器の外周に沿って、搬送手段により搬送される容器の両側に配置される第１のミラーと、この第１のミラーにより反射される容器表面からの赤外線放射エネルギを赤外線カメラに導く第２のミラーとを配置して容器全周の液面高さを計測できるようにしたので、容器内に充填した液体が搬送途中で揺れている場合であっても、その液面高さを正確に計測することができる。
また、送風機の吹出し口に整流格子やパンチングメタルによる整流装置を設けたり、容器形状に合せた送風を行なうことにより、容器に当たる面的な風速むらを無くし、容器外部の熱伝達条件を均一にして計測することができる。
【００４１】
更に、各充填バルブ毎に対応させたこの計測装置で計測した液面高さデータを基に充填バルブに取付けてある流量計からのパルス数で、充填バルブを閉止するための積算パルス数の設定値を自動修正することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る容器内液体充填高さ計測装置のシステム構成図。
【図２】同実施形態における赤外線強度画像例を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る容器内液体充填高さ計測装置の要部を示す構成図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る流量制御式充填方法の要部を示す構成図。
【図５】従来における容器内液面位置検知装置の要部を示す構成図。
【図６】従来における容器内液面探査装置の構成図。
【符号の説明】
２０ 計測箱
２１ コンベア
２２ 容器
２３ 主搬送コンベア
２４ リジェクタ
２５ 不良品ゾーン
２６ 送風機
２７ 赤外線カメラ
２８ 画像処理装置
２９ 制御コンピュータ
３０ 表示装置
３１ 赤外線強度画像
３２ 液体
３３ 気体
４１、４１ａ、４１ｂ ミラー
５０ ロータリ式充填機
５１ ロータリ回転台
５２ 充填バルブ
Claims (4)
- 液体が充填された容器を搬送する搬送手段と、この搬送手段により搬送される容器に風を吹き付け、該容器内の気液界面に対する容器外側の表面温度差を強調する送風機と、前記容器表面から放射される赤外線放射エネルギを撮影する赤外線カメラと、前記搬送手段により搬送される容器の両側に配置される第１のミラーと、この第１のミラーにより反射される前記容器表面からの赤外線放射エネルギを前記赤外線カメラに導く第２のミラーと、前記赤外線カメラにより撮影された画像を処理し濃淡変化の著しい部分を気液界面として検出する画像処理手段とを具備したことを特徴とする容器内液体充填高さ計測装置。
- 前記送風機及び赤外線カメラを計測箱内に設けて計測することを特徴とする請求項１記載の容器内液体充填高さ計測装置。
- 前記送風機に整流手段を設けて計測することを特徴とする請求項１記載の容器内液体充填高さ計測装置。
- 複数の定量充填部に設置した検出器部に、流量計測手段と、液体が充填された容器を搬送する搬送手段と、この搬送手段により搬送される容器に風を吹き付け、該容器内の気液界面に対する容器外側の表面温度差を強調する送風機と、前記容器表面から放射される赤外線放射エネルギを撮影する赤外線カメラと、前記搬送手段により搬送される容器の両側に配置される第１のミラーと、この第１のミラーにより反射される前記容器表面からの赤外線放射エネルギを前記赤外線カメラに導く第２のミラーと、前記搬送手段により搬送される容器表面からの赤外線放射エネルギを前記赤外線カメラにより撮影された画像を処理し濃淡変化の著しい部分を気液界面として検出する画像処理手段とからなる容器内液体充填高さ計測装置を設け、前記容器内液体充填高さ計測装置の計測結果に基づいて前記各定量充填部に取付けてある流量計の設定値を変更することを特徴とする流量制御式充填方法。
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