6.9 DETECTIE VAN PRODUCTVREEMDE BESTANDDELEN. J.H. van Helvoirt, L.B.J. van Boxtel & R. van Dijk TNO Voeding Zeist

C.V.I. § 6.9 Detectie van productvreemde bestanddelen

6 6.9

KWALITEITSZORG DETECTIE VAN PRODUCTVREEMDE BESTANDDELEN

Auteur :

J.H. van Helvoirt, L.B.J. van Boxtel & R. van Dijk TNO Voeding Zeist

juni 2002

blad 1 van 23


INHOUDSOPGAVE 1 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4 4.1 4.2 5

INLEIDING.................................................................................................................... 3 METAALDETECTIE .................................................................................................... 3 Algemeen..................................................................................................................... 3 Uitgebalanceerd spoel systeem ................................................................................... 7 Factoren van invloed op de gevoeligheid van metaaldetectie................................... 10 Statisch magnetisch veld systeem ............................................................................. 14 Gevoeligheidstandaards, routinebewaking en testprocedures .................................. 14 Behandeling van uitgeworpen product...................................................................... 15 Kostenaspecten.......................................................................................................... 16 RÖNTGENDETECTIE................................................................................................ 16 Inleiding..................................................................................................................... 16 Principe...................................................................................................................... 17 Beeldanalyse en interpretatie..................................................................................... 18 ‘Dual energy’............................................................................................................. 19 Detectie mogelijkheden en begrenzingen.................................................................. 19 Plaatsing in lijn .......................................................................................................... 20 Kalibratie en bedrijfstesten........................................................................................ 20 Kostenaspecten.......................................................................................................... 21 ULTRASONE TECHNIEK / ECHOGRAFIE............................................................. 21 Inleiding..................................................................................................................... 21 Principe...................................................................................................................... 22 LITERATUUR ............................................................................................................. 23

blad 2 van 23


1

INLEIDING

Een probleem waar de voedingsmiddelensector in zijn algemeenheid, maar zeker ook de vleessector mee geconfronteerd wordt, is de aanwezigheid van ongewenste en productvreemde bestanddelen. Deze kunnen via de verwerkte grond- en hulpstoffen of door de procesvoering in het eindproduct terechtkomen. Incidenten op dit vlak kunnen een grote impact hebben op de marktpositie van het betrokken product in zijn algemeenheid en/of de positie van de producent (imago beschadiging, claims et cetera) in het bijzonder. De oorzaken van de aanwezigheid van productvreemde bestanddelen in voedingsmiddelen zijn divers. Ze kunnen worden ‘ingesleept’ via de gebruikte grond- en hulpstoffen, door onvoldoende scheiding bij verwerking van verpakte grond- en hulpstoffen, door aanwezigheid in het gebruikte eindverpakkingsmateriaal, door losraken van onderdelen van productiemachines, vanuit de productieruimte in de productstroom terechtkomen en door onachtzaamheid en (niet altijd uit te sluiten) opzet van personeel. Het bewerkstelligen van een ‘schone’ werkvloer, waar alle onnodige materialen worden verbannen, is één van te treffen maatregelen. Het verpakkingsmateriaal van de grondstoffen dient zoveel mogelijk te worden gescheiden van de grondstof voordat deze de feitelijke bewerkingsruimte in komt. Het gebruik van blauwgekleurde verpakkingsmaterialen voor de vleesgrondstoffen maakt het gemakkelijker eventuele meegesleepte resten te herkennen in de massa. Deze maatregel kan ook worden gebruikt voor wegwerpkleding, zoals handschoenen, schorten en hoofdbedekking. Dit type maatregelen wordt al op veel plaatsen in de sector toegepast. Voor schrapers, begeleidingslabels van productstromen en pleisters kan men dat ook toepassen. Met metaal- of röntgensystemen detecteerbare pleisters zijn overigens ook verkrijgbaar. Deze bezitten ten behoeve van de detectie -naast een opvallende blauwe kleur- ook nog minieme metaaldeeltjes. Metaaldetectoren behoren in de voedingsmiddelensector en in het bijzonder in de vleessector tot één van de meest toegepaste en ingeburgerde geautomatiseerde in-line inspectietechnieken. Minder ingeburgerd is de röntgentechniek. De principes, mogelijkheden, beperking en kostenaspecten van metaaldetectie en röntgeninspectie worden uitgebreid aan de orde gesteld. Eveneens wordt kort stilgestaan bij de nieuwe ontwikkeling van het zogenaamde ‘dual energy’ röntgensysteem en het gebruik van ultrageluidsgolven (echografie).

2

METAALDETECTIE

2.1 Algemeen De elektrische en magnetische eigenschappen van metalen verschillen in belangrijke mate van de elektrische en magnetische eigenschappen van voedingsmiddelen. Daarnaast zijn deze eigenschappen te meten zonder direct contact met het te controleren product. Om deze redenen zijn metaaldetectoren in de voedingsmiddelenindustrie ook gebaseerd op het meten van deze eigenschappen. Deze eigenschappen kunnen op verschillende manieren worden gemeten, volgens het dynamoprincipe of volgens het transformatorprincipe. Dynamoprincipe Volgens het dynamoprincipe vindt detectie alleen plaats door meting van de magnetische eigenschappen van metaaldeeltjes. Een metaaldetector volgens het dynamoprincipe kan uit één detectiespoel bestaan. De productstroom wordt vóór het bereiken van de detectiespoel eerst in een sterk magnetisch veld gebracht. Hierin worden eventueel aanwezige magnetiseerbare deeltjes of ferro-metalen, zoals ijzer, gemagnetiseerd. Wanneer deze gemagnetiseerde deeltjes door de detectiespoel worden geleid, ontstaat een wisselend magnetisch veld in de detectiespoel en wordt in de spoel een meetbaar elektrisch signaal opgewekt.

blad 3 van 23


Een nadeel van deze methode is dat er alleen ferro-metalen kunnen worden gedetecteerd. Verdere toelichting vindt plaats onder 2.4. Transformatorprincipe Een meer gecompliceerde vorm is gebaseerd op het transformatorprincipe. Hierbij zijn zowel de elektrische als de magnetische eigenschappen van invloed op de detectie. Als op een spoel van elektrisch geleidend materiaal, zoals koper, een elektrische wisselspanning wordt aangesloten, gaat door deze spoel een elektrische stroom lopen. Ten gevolge van de elektrische stroom door de (primaire) spoel ontstaat om de spoel een wisselend magnetisch veld. Dit veld is in fase met de stroom. Als een tweede spoel van elektrisch geleidend materiaal zich in de nabijheid van de eerste spoel bevindt, wordt daarin ten gevolge van het wisselend magnetisch veld van de eerste spoel, weer een elektrische spanning opgewekt. Voorwaarde hierbij is dat door de tweede spoel een stroom moet kunnen vloeien, met andere woorden dat er een stroomkring wordt gevormd. Is dit niet het geval dan functioneert de ‘transformator’ slechts als een enkele spoel. De stroom die dan door de primaire spoel loopt, leidt in het ideale geval niet tot opname van energie, maar wordt weer aan de elektrische voeding ‘teruggegeven’ (slingereffect). Op het moment dat op een spoel een wisselspanning wordt aangesloten, is de (wisselstroom-)weerstand van de spoel op tijdstip t = 0, oneindig hoog. De spoel heeft namelijk de eigenschap dat hij veranderingen van de elektrische potentiaal tegenwerkt, evenredig met de snelheid van de verandering (frequentie van de wisselspanning). De koperdraad waaruit de spoel bestaat, heeft echter een bepaalde elektrische weerstand, ook wel de ‘gelijkstroomweerstand’ genoemd (ohmse component). Deze ‘gelijkstroomweerstand’ blijft gelijk. Op het moment dat de spanning, die de sinuskromme volgt, minder stijgt, neemt de wisselstroomweerstand af en neemt de stroom toe, enzovoorts. Deze stroom is in fase verschoven, heeft dezelfde sinusvorm als de spanning, maar ijlt 90° ná op de spanning (reactieve component). Er wordt altijd een hoeveelheid energie opgenomen en omgezet in warmte (ohmse component). De ohmse component wordt veroorzaakt door de (gelijkstroom-)weerstand, onder andere ten gevolge van de koperdraad waaruit de spoel is samengesteld en de elektrisch geleidende materialen die zich in het magnetisch veld van de spoel bevinden. Het opgewekte magnetische veld is in fase met de elektrische stroom door de primaire spoel. De aard van de belasting (apparaat dat is aangesloten) van de tweede spoel bepaalt de faseverschuiving tussen stroom en spanning in de tweede spoel. Als op de tweede spoel een ohmse belasting wordt aangesloten, zijn stroom en spanning in de tweede spoel met elkaar in fase. Een belangrijke factor bij het ‘transformatorprincipe’ is de efficiëntie waarmee het magnetisch veld van de eerste spoel op de tweede spoel wordt overgebracht (magnetische koppeling tussen de spoelen). Hoe beter de veldlijnen van het magnetisch veld van de eerste spoel de tweede spoel omvatten, des te groter deze efficiëntie. Hierbij spelen twee factoren een belangrijke rol: 1. Concentratie van magnetische veldlijnen 2. Verdringing van magnetische veldlijnen Om zeer gevoelig te kunnen meten, wordt bij toepassing van metaaldetectie, gebaseerd op het transformatorprincipe, van een derde spoel gebruik gemaakt. Deze spoelen zijn niet −zoals bij een transformator− over elkaar heen gewikkeld om de magnetische veldlijnen van de eerste spoel zo goed mogelijk de tweede spoel te laten omvatten, maar zijn in de lengte achter elkaar geplaatst. De spanningen over deze spoelen worden van elkaar afgetrokken, zodat alleen het verschilsignaal wordt gemeten (‘uitgebalanceerd spoelprincipe’, zie verderop onder §2.2).

blad 4 van 23


Reactieve component Bij de ohmse component zijn stroom en spanning in fase. De reactieve component (veroorzaakt door de wisselstroomweerstand) kan een capacitief karakter (stroom ijlt 90° vóór) of een inductief karakter (stroom ijlt 90° ná) bezitten. Voor een beter begrip kan dit worden vergeleken met een waterreservoir met een tappunt, dat via een bron van water wordt voorzien. Vanuit het tappunt wordt continu een hoeveelheid water afgenomen. Hierbij is de waterdruk synoniem met de elektrische spanning en de grootte van de waterstroom met de elektrische stroom. Vanuit de bron wordt in een bepaalde golfbeweging water toe- en afgevoerd. De hoeveelheid toegevoerd water is altijd iets groter dan de hoeveelheid die terugstroomt. Het deel dat per golfbeweging in het reservoir stroomt, is de totale (water)stroom. De ohmse component is te vergelijken met het deel van de waterstroom dat uit het tappunt vloeit en dus daadwerkelijk wordt verbruikt. De resterende component is het reactieve deel. Non-ferro metaaldeeltjes Materialen, die magnetische veldlijnen verdringen, zijn materialen met een goede elektrische geleidbaarheid. Dit zijn met name de non-ferro metalen, zoals koper (waar ook de wikkelingen van de transformator uit bestaan), maar ook bijvoorbeeld een vloeistof met een voldoende hoge ionenconcentratie, zoals een zoutoplossing. Het magnetisch veld veroorzaakt ‘kortsluitstroompjes’ (of wervelstroompjes) in het elektrisch goed geleidende materiaal. Hierdoor zal de elektrische stroom in de primaire spoel toenemen (de wisselstroomweerstand van de primaire spoel neemt af). Daar dit een ohmse component betreft zal ook de faseverschuiving tussen stroom en spanning in de primaire spoel afnemen. De wervelstroompjes genereren echter ook weer een magnetisch veld. Dit magnetisch veld is tegengesteld gericht aan het oorspronkelijke magnetisch veld, waardoor plaatselijke verdringing van het magnetisch veld optreedt. Het veld in de spoel, waar het deeltje zich bevindt, zal daardoor verzwakken en dus ook het elektrisch signaal dat deze spoel genereert. Een non-ferro metaaldeeltje leidt tot de volgende vier effecten, welke ook in figuur 1 schematisch zijn weergegeven. 1. Verlaging van de elektrische spanning bij de spoel (tweede of derde) waar het deeltje zich bevindt; 2. Verhoging van de elektrische spanning bij de andere (tweede of derde) spoel; 3. Verhoging van de elektrische stroom door de primaire spoel; 4. Verkleining van de faseverschuiving tussen stroom en spanning in de primaire spoel. De elektrische stromen zijn in fase met het magnetisch veld. De elektrische spanning in de tweede en derde spoel zijn in fase met de elektrische stroom in deze spoelen. Dit betekent dat het faseverschil tussen stroom en spanning in de primaire spoel gelijk is aan het faseverschil tussen de spanning over de primaire spoel en de spanning over één van de andere spoelen. Vanuit praktische overwegingen wordt daarom meestal het faseverschil gemeten tussen de spanning over de primaire spoel en de spanning over één van de andere spoelen. Ferro metaaldeeltje Materialen, die magnetische veldlijnen goed geleiden/concentreren, zijn ferrometalen zoals ijzer. Deze materialen concentreren de veldlijnen omdat de magnetische veldlijnen de weg van de minste weerstand volgen. Bij een transformator is de kern van dit type materiaal gemaakt en zorgt ervoor dat het magnetisch veld van de primaire spoel zo efficiënt mogelijk de tweede spoel omsluit. De mate van efficiëntie bepaalt de kwaliteit van de koppeling van de spoelen. Ideaal is een koppeling van 100 % en geen warmteontwikkeling. In dat geval is de aard van de belasting van de tweede spoel ook voor 100 % bepalend voor de faseverschuiving tussen stroom en spanning in de primaire spoel.

blad 5 van 23


Bij een koppeling van 0 % is er voor de primaire spoel eigenlijk geen tweede spoel aanwezig en functioneert de primaire spoel als losstaande spoel en zijn in een ideale situatie stroom en spanning 90° in fase verschoven. Als de tweede en derde spoel nauwelijks belast zijn, wordt de faseverschuiving dus voornamelijk bepaald door de mate van warmteontwikkeling. Figuur 1 Schematische voorstelling van de effecten van een metaaldeeltje op het spoelsignaal van een metaaldetector

Als er een stukje ferrometaal tussen de spoelen door beweegt, zullen de magnetische veldlijnen zich verdichten rond het ferrometaaldeeltje. Dit betekent dat het wisselende magnetisch veld in de eerste spoel waar het ferrometaaldeeltje zich bevindt, sterker zal zijn dan het magnetisch veld in de tweede spoel waar het ferrometaaldeeltje nog doorheen moet Een sterker magnetisch veld heeft een sterker elektrisch signaal tot gevolg. Hierdoor zal het elektrische signaal bij de eerste spoel sterker worden en bij de tweede spoel zwakker. Als het ferrometaaldeeltje bij de tweede spoel aankomt, zal het omgekeerde het gevolg zijn. Door de concentratie van magnetische veldlijnen versterkt het metaaldeeltje de inductieve werking van de spoel. Hierdoor neemt de wisselstroomweerstand toe en zal de reactieve component in verhouding toenemen. Behalve dat ferrometalen magnetische veldlijnen goed geleiden, bezitten deze materialen vaak (evenals de non-ferrometalen) een goede elektrische geleidbaarheid. Deze geleidbaarheid heeft een grotere invloed naar mate de frequentie van de wisselstroom toeneemt. Daarnaast wordt ten gevolge van het wisselende magnetische veld, het ferrometaal telkens gedemagnetiseerd en weer in een andere richting gemagnetiseerd. Dit gaat ook gepaard met energieverlies en warmteontwikkeling in het metaal (hysteresis-verliezen). Bij zeer hoge frequenties zullen de invloed van de hysteresis-verliezen en de verliezen ten gevolge van de elektrische geleidbaarheid bij ferrometalen de invloed van de magnetische geleidbaarheid overheersen. Het voordeel van het geleiden van het magnetisch veld, waardoor de koppeling tussen de spoelen wordt verbeterd, weegt dan niet meer op tegen de verliezen. De wervelstroom- en hysteresis-verliezen leiden tot toename van de ohmse component. De frequentie en de magnetische en elektrische eigenschappen van het ferrometaaldeeltje bepalen uiteindelijk de invloed op het faseverschil tussen stroom en spanning in de primaire wikkeling.

blad 6 van 23


Een ferrometaaldeeltje leidt dus tot de volgende drie effecten (zie ook figuur 1): 1. Verhoging van de elektrische spanning bij de spoel (tweede of derde) waar het deeltje zich bevindt; 2. Verlaging van de elektrische spanning bij de andere spoel; 3. Verandering van de faseverschuiving tussen stroom en spanning in de primaire spoel. De mate waarin de genoemde effecten optreden zijn afhankelijk van de aard, grootte en samenstelling van de deeltjes en van de samenstelling van het product dat wordt gecontroleerd.

2.2

Uitgebalanceerd spoelsysteem

Voor het detecteren van metaalverontreinigingen in de voedingsmiddelenindustrie onderscheidt men twee typen metaaldetectoren. Deze onderscheiden zich door het gebruikte principe waarop de detectie is gebaseerd. Men kent het zogenaamde ‘uitgebalanceerde spoel systeem’ (‘balanced coil system’) welke gebaseerd is op het in § 2.1 beschreven ‘transformatorprincipe’. Daarnaast komt het ‘statisch magnetisch veld systeem’ (‘magnetic field system’ of ‘ferrousin-foil system’) voor, hetgeen functioneert volgens het eveneens in § 2.1 behandelde ‘dynamoprincipe’. De meeste van de toegepaste metaaldetectoren zijn van het ‘uitgebalanceerd spoel systeem’. Een principe schets van de detector is gegeven in figuur 2. Figuur 2 Uitgebalanceerd spoel principe van een metaaldetector

De detectorkop bevat een drietal spoelen (wikkelingen) die de productdoorvoeropening omvatten. De productdoorvoer kan rechthoekig of rond zijn. In het midden bevindt zich de zogenaamde zenderspoel die verbonden is met een hoogfrequent oscillerend circuit. Dit zendt een elektromagnetisch veld uit in een frequentiegebied dat, afhankelijk van de toepassing, kan liggen tussen 25 tot 800 kHz. Dit zendergebied wordt ook gebruikt voor radio uitzendingen op de AM-band. Aan elke zijde en op gelijke afstanden van de zendspoel bevindt zich een ontvangerspoel, die de uitgezonden zendergolven opvangen en als een soort antenne functioneren.

blad 7 van 23


Bij een ongestoorde ontvangst zien alle twee ontvangerspoelen bij een exacte gelijke afstand tot de zender een gelijk signaal. De beide ontvangerspoelen zijn zo verbonden dat de opgewekte spanning van elkaar worden afgetrokken zodat er als resultante een spanning van 0 volt ontstaat als outputwaarde. De spoelen zijn met elkaar in evenwicht vandaar ook de naam ‘balanced coil’.

Figuur 3 Doorsnede elektromagnetisch veld en de interferentie met een ferro metaaldeeltje (2) en een non-ferro metaaldeeltje (3) [Bron 1]

Als een geleidend ferro (= ijzerhoudend) of non-ferro (= niet-ijzerhoudend) metaaldeeltje in het hoog-frequente veld komt, worden de veldlijnen verstoord. Dit is geïllustreerd in figuur 3. Door een ferro-metaaldeeltje zoals ijzer; magnetische edelstaalsoorten en ferrieten treedt er een veldlijn-concentratie (situatie 2 in figuur 3). De optredende inhomogeniteit van het zenderveld leidt tot verschillen in inductieve spanningen op de beide ontvangerspoelen en leiden tot een netto uitgangssignaal met een overheersende reactieve oftewel een Xcomponent.

blad 8 van 23


Dia- of paramagnetische metalen (niet-magnetische edelstaal zoals sommige soorten roestvaststaal en non-ferro metalen zoals aluminium, messing en brons) vertonen door hun permeabiliteit geen veldverdichting maar juist een veldverdringing. Door het wisselveld van de zender wordt er in dergelijke metaaldeeltjes een spanning geïnduceerd die, afhankelijk van de geleidbaarheid van het deeltje, leidt tot de ontwikkeling van wervelstroompjes. Deze zorgen ervoor dat om het deeltje een eigen magneetveld ontstaat dat tegengesteld gericht is aan het zenderveld. De beiden velden stoten elkaar af, zodat het tot een veldverdringing komt (situatie 3 in figuur 3). Deze inhomogeniteit in het zenderveld leidt het ontstaan van een afwijkende meetspanning over de beide uitgebalanceerde spoelen van de detector. Door de ontstane wervelstroompjes wordt energie onttrokken aan de zender. Dit effect duidt men aan met de weerstands- oftewel ohmse component (ook wel R-component genoemd). In de praktijk treden veldverdringing en veldconcentratie vaak in combinatie op. Veelal is de reactieve component groter dan de weerstandscomponent. Figuur 4 illustreert hoe het signaal, bestaande uit de verschilspanning tussen beide ontvangstspoelen, er uitziet bij het passeren van een metaaldeeltje. Als het metaaldeeltje de doorgang binnenkomt, zal de eerste spoel meer door de verstoring van het veld worden beïnvloed dan de tweede. Figuur 4 Detector amplitude signaal bij het passeren van een metaaldeeltje

De amplitude van het verschilspanningssignaal is maximaal bij passage van de eerste ontvangerspoel, neemt vervolgens af tot nul midden onder de zendspoel en neemt vervolgens weer toe tot maximaal bij passage van de tweede ontvangstspoel. De elektromagnetische koppeling tussen de twee spoelen neemt toe als het zenderveld wordt geconcentreerd door een passerend ferro metaaldeeltje (zie situatie 2 in figuur 3). De onbalans die hierdoor ontstaat tussen de beide ontvangerspoelen door het toegenomen koppel wordt als reactief (X) effect aangeduid. Niet-magnetische non-ferro metalen veroorzaken, afhankelijk van de mate van hun geleidingsvermogen, een meer of minder sterke veldverdringing (situatie 3 in figuur 2) die de koppeling tussen de beide ontvangerspoelen reduceert. Wervelstroompjes, die zowel in ferro als in non-ferro deeltjes ontstaan als gevolg van hun geleidbaarheid, veroorzaken een warmte-effect als gevolg van de materiaalweerstand en leiden tot een vermogensopname die we met de weerstand/ohmse (R) onbalans aanduiden. Deze R-onbalans treedt op bij alle materialen en vaak ook door het product en heeft steeds dezelfde positieve richting. Moderne elektronica is in staat het ongebalanceerde signaal van de ontvangstspoelen verder te analyseren. Naast de amplitude wordt het faseverschil ten opzichte van een referentiesignaal bepaald. Het signaal wordt verder in een R- en X- component opgesplitst.

blad 9 van 23


Een grotere verontreiniging geeft een groter signaalamplitude te zien. Elk type materiaal, dat de detector passeert, zal een bepaalde faseverschuiving geven, ongeacht de andere materiaalfactoren. Al deze signalen kunnen nu als een vectordiagram worden weergegeven waarbij de vectorlengte de sterkte van het signaal voorstelt en de richting de faseverschuiving. Hieruit kan de bijdrage van de reactieve component (y-as) en de ohmse component (xas) worden afgeleid. Zie als voorbeeld figuur 5. In deze figuur staan voor roestvaststaal (rvs) twee vectoren, die verschillende soorten rvs vertegenwoordigen (magnitiseerbaar rvs 304 en niet-magnitiseerbaar rvs (316)). Figuur 5 Vector voorstelling ontvangen signalen in een metaaldetector [Bron 8]

Bijna ieder product heeft zelf een zeker mate van geleidend vermogen en veroorzaakt derhalve een achtergrond detectorsignaal (ohmse component). Bij vleesproducten is, door het aanwezige zout, dit achtergrondsignaal aanzienlijk. Het signaal verwerkingsalgoritme brengt om dit product veroorzaakt achtergrondsignaal (producteffect signaal) een veiligheidszone aan. Detectiesignalen die binnen dit gebied vallen, leiden niet tot alarmering of activering van een uitwerpmechanisme. In figuur 5 is zo een ellipsvormige zone om het productsignaal heen getekend. 2.3

Factoren van invloed op de gevoeligheid van metaaldetectie

De gevoeligheid van een metaal-detectiesysteem op basis van het ‘uitgebalanceerde spoel’ principe, wordt beïnvloed door de volgende factoren: 1. De frequentie van de zendspoel; 2. De aard van de metaalverontreiniging; 3. De vorm van de deeltjes en hun oriëntatie in het detectorveld; 4. De aard van het product (producteffect); 5. De doorlaatopening van de detector; 6. De achtergrondruis; 7. De snelheid van doorvoer; 8. De invloed van lusvorming. ad 1 Frequentie Amplitude, faseverschuiving, reactieve en ohmse component zijn afhankelijk van de zenderfrequentie. Toegepaste frequenties variëren van 20 tot 800 kHz. Bij een lagere frequentie is bijvoorbeeld de positieve reactieve signaalcomponent voor ferro metalen relatief hoog en deze neemt met het opvoeren van de frequentie af.

blad 10 van 23


De ohmse component daarentegen gedraagt zich omgekeerd en neemt bij stijgende frequentie relatief sterk toe in positieve zin. Voor een non-ferro metaal is het reactieve signaalaandeel ook positief, doch veel kleiner dan voor een ferro-metaal en is in mindere mate frequentie-afhankelijk. De detectie van metaaldeeltjes leent zich dan bij voorkeur voor hogere frequenties en discriminatie op basis van de ohmse component. Voor natte geleidende producten is de ohmse component van het product groot, zodat het aanbeveling verdient lagere frequenties te gebruiken en de discriminatie voor een belangrijk deel te baseren op de reactieve component in het detectorsignaal [Bron 2]. ad 2 Aard van de metaalverontreiniging De soort metaalverontreinigingen, waarmee men meestal te maken krijgt in de voedingsmiddelenindustrie, vallen in drie hoofdcategorieën: ferro (ijzer), non-ferro (koper, lood, messing, brons) en roestvaststaal (verschillende soorten). Het gemak waarmee ze met een metaaldetector kunnen worden opgespoord, hangt af van de eigenschappen magnetische permeabiliteit en elektrische geleidbaarheid van de metaalsoort. In tabel 1 is dit en het daaruit volgende detecteergemak weergegeven. Tabel 1 Metaal eigenschappen en gevoeligheid metaaldetector [Bron 4] type metaal magnetische permeabi- elektrische geleidbaarliteit heid ferro hoog hoog non-ferro laag hoog tot zeer hoog roestvaststaal soorten meestal laag gering

detectie gevoeligheid goed redelijk goed relatief laag

Roestvaststaal is er in meerdere varianten; sommigen zijn magnetisch (magnetische permeabiliteit relatief hoog) tot niet-magnetisch en de geleidbaarheid is variabel. In de voedingsmiddelenindustrie worden vooral de typen 304L en 316 gebruikt, welke beiden relatief moeilijk zijn te detecteren ook in moderne detectiesystemen. Opsporing in ‘natte’ en zelf relatief goed geleidende producten maakt de opgave nog moeilijker. ad 3 Vorm en oriëntatie van de deeltjes De gevoeligheid van een metaaldetector wordt vaak gedefinieerd als de diameter van ronde metalen kogeltjes van een specifiek materiaal dat juist detecteerbaar is in het centrum van de metaaldetector opening. De geometrische vorm en aard van metaalsoort in relatie tot de doorvoerrichting door de metaaldetector-opening hebben een belangrijke invloed op de feitelijke detectiegrens. Een lang dun ijzerdraadje (ferro metaal) dat in zijn lengte richting door het veld wordt geleid, is met hogere gevoeligheid te detecteren dan bij dwars doorgeleiding. Voor een non-ferro metaaldraadje geldt juist het omgekeerde (zie figuur 6. Het is daarom oppassen bij het interpreteren van standaard gevoeligheidsgegevens. Zij bieden dan ook alleen maar een richtlijn om vast te stellen wat de kleinste vorm is die nog kan worden opgespoord. Grotere deeltjes, ook al zijn ze langgerekt, worden gedetecteerd. Echter dunne en dan zelfs fors langgerekte deeltjes kunnen onopgemerkt blijven. Vorm en plaatsing/richting in de opening bepalen het uiteindelijk resultaat van wel of niet detecteren. In tabel 2 is ter illustratie weergegeven welke draadlengte bij een gegeven draaddiameter en metaalsoort wordt ontdekt bij een gegeven gevoeligheid voor een kogeltje van hetzelfde materiaal [ Bron 2, 3]. Als de kans op een voorkeur oriëntatie bestaat in het product met contaminaties van langgerekte structuur (bijvoorbeeld door de wijze van verwerking) zou men kunnen scannen onder een bepaalde hoek tussen product en band. Beter en meer zekerheid biedt het plaatsen van twee detectoren onder een hoek (twee dimensionaal).

blad 11 van 23


Bij een vereiste extreem grote mate van zekerheid kan men voor rechthoekige producten zelfs overwegen in alledrie hoofdrichtingen te scannen. (x, y en z). Dit bijvoorbeeld door het product op gecontroleerde wijze te keren vóór een volgende scan. Figuur 6 Effect oriëntatie metaaldeeltjes op detectiegevoeligheid [Bron 7]

Tabel 2 Relatie tussen de sferische gevoeligheid van een metaaldetector en het vermogen om draadvormige objecten op te sporen [Bron 4] sferische gevoe- staal (paperclip) koperdraad, verkoperdraad roestvaststaal 304L ligheid Ø 0,95 mm tind; Ø 0,91 mm Ø1,37 mm Ø1,60 mm Ø 1,2 mm 1,5 mm lang 3,5 mm lang altijd altijd Ø 1,5 mm 3,0 mm lang 9,0 mm lang 3,0 mm lang 8,0 mm lang Ø 2,0 mm 6,0 mm lang 26,0 mm lang 8,0 mm lang 24,0 mm lang Ø 2,5 mm 11,0 mm lang 55,0 mm lang 18,0 mm lang 64,0 mm lang

ad 4 Producteffect Het ‘ideale’ product dat niet-magnetisch en niet-geleidend is, produceert geen spanningsverschil over de ontvangstspoelen en genereert derhalve geen detectorsignaal bij het passeren van de spoelen in een metaaldetector. In dat geval is een product achtergrondsignaal afwezig. Echter in de praktijk handelt het bijna altijd om producten die wel in meer of mindere mate geleidend zijn. Droge of ingevroren producten zijn in dat opzicht gunstig; echter zuur, zout en water bevattende voedingsmiddelen kunnen een behoorlijk groot producteffect vertonen in het detector-signaal (sterk ohmse component). De metaaldetector moet voor dit producteffect worden ingeregeld (gaat heden ten dage met de digitale systemen veelal automatisch) en de keuze van de frequentie kan een belangrijke rol spelen bij het inregelen en/of ‘engineering’ van het in te zetten systeem. In sterke geleidende producten is men vaak genoodzaakt de detectiefrequentie terug te brengen tot beneden 100 kHz. ad 5 Doorlaatopening van de detector Bepalend voor de detectiegevoeligheid, in geval van een rechthoekige doorlaatopening, zijn de afmetingen van de doorlaat. Hoe smaller de opening des te gevoeliger het systeem kan zijn. Hoe geringer de kleinste afmeting, ingeval van een vierkante doorvoeropening, is des te beter de gevoeligheid uitpakt. De grootte van de langste zijde van de doorvoeropnening is minder belangrijk. Er moet ook rekening mee worden gehouden, dat op de geometrische middenlijn van de doorvoer, de detectie het minst gevoelig is en in de hoeken juist het meest gevoelig.

blad 12 van 23


Deze gevoeligheidsgradiënt van het systeem moet minimaal zijn anders is het systeem ongeschikt voor gebruik. In onderstaande tabel 3 is met voorbeelden geïllustreerd hoe de gevoeligheid voor een kogelvormig metaaldeeltje beïnvloed wordt door de ‘smalheid’ (genoemd in tabel 3) van de doorvoer bij een ‘droog’ en ‘nat’ product. Tabel 3 Relatie tussen doorvoerhoogte en kogelgevoeligheid van een metaaldetector [Bron 4] hoogte opening droog product; afstelling nat product; afstelling nat product; afstelling op ferro+non-ferro op uitsluitend ferro op ferro+non-ferro tot 50 mm Ø 1,0 mm Ø 1,5 mm Ø 2,0 mm 125 mm Ø 1,5 mm Ø 2,0 mm Ø 2,5 mm 200 mm Ø 2,0 mm Ø 2,5 mm Ø 3,0 mm

ad 6 Achtergrondruis Achtergrondruis in hetdetectorsignaal moet te allen tijde geminimaliseerd worden. Achtergrondruis is sterk bepalend voor de ‘performance’ van een systeem. De belangrijkste bronnen voor storende achtergrondruis zijn: elektronische / elektrische ruis in het interne detectorcircuit, trillingen van de behuizing, nabijheid van metaalmassa, temperatuurfluctuaties en het producteffect. Het producteffect is een gegeven waarvoor geldt dat een goed systeem hiervoor automatisch kan corrigeren, echter grotere producteffecten en variaties bepalen de instelling van de drempelwaarde en daardoor het realiseerbare detectieniveau. Elektrische en elektronische ruis zijn een gegeven van het ontwerp en de kwaliteit van de metaaldetector. Afhankelijk van het ontwerp, afscherming en doorvoeropening vereist iedere metaaldetector een metaalvrije zone om de apparatuur. Grofweg geldt voor de vereiste metaalvrije zone 1,5 x de hoogte van de doorvoeropening voor een vaste en stilstaande opstelling en 2 x voor ‘bewegend metaal’ in de buurt. Voor temperatuurfluctuaties geldt dat deze zoveel mogelijk dienen te worden voorkomen. Een belangrijke verstorende factor kunnen trillingen zijn in de detectorkop. De behuizing van de detectorkop dient dan ook zeer solide te zijn. Dit geldt zowel voor trillingen van de ingebouwde spoelen ten opzichte van elkaar als voor de afschermende behuizing. Hoewel de meeste fabrikanten hieraan zorgvuldig aandacht besteden, is een trillingsvrije montage aan te bevelen. Ook de keuze van een juiste doorvoerband vergt aandacht. Deze dient absoluut metaalvrij te zijn en zonder lasnaad (band uit één stuk). Een alternatief is een doorvoerband met een onder een hoek geplaatste lasnaad, waardoor minder storing plaats zal vinden. Verder moet men er uiteraard voor zorgen dat er geen vervuiling (met metaalspikkeltjes) ontstaat tijdens bedrijf. ad 7 Doorvoersnelheid De inspectiesnelheid vormt zelden een probleem voor de metaaldetector als zodanig. Over het algemeen geldt zelfs dat hogere snelheden leiden tot een verbeterde gevoeligheid. Soms is het zelfs nodig om een productversnelling te laten plaatsvinden voor doorvoer door de detector. Typische snelheden voor het te inspecteren product liggen in de orde van grootte van 0,3 tot 0,4 m/s. Echter snelheden van 0,5 m/s, bijvoorbeeld in pijplijn-systemen, leiden tot zeer goede resultaten. ad 8 De invloed van lusvorming Lusvorming (eddy current loops) vormt één van de grotere problemen bij metaaldetectie. Lusvorming wordt vaak veroorzaakt door de gebruikte transportinstallaties. Veelal zijn dit van geleide-/steun-rollen voorziene transportbanden. De elektrische weerstand is door de draaiende delen niet constant. De metaaldetector zal dan een instabiel gedrag vertonen. Lusvorming is in de praktijk lastig op te sporen. Grofweg geldt dat de metaaldetector last kan hebben van lusvorming tot een afstand van 5x de kleinste maat (meestal de hoogte van de doorvoeropening). Er hoeft geen mechanische verbinding te zijn om last te hebben van een lus. Daardoor kan een metaaldetector last hebben van een in een transportband die, weliswaar vrij, in de buurt van het detectiesysteem staat.

blad 13 van 23


2.4

Statisch magnetisch veld systeem

Metaaldetectoren gebaseerd op het magnetisch veldprincipe worden beperkt toegepast. Zij zijn hoofdzakelijk in staat ijzerhoudende (ferro) deeltjes op te sporen, maar kunnen dat wel terwijl het product bijvoorbeeld verpakt is in aluminiumfolie. De detectoren bestaan uit een tunnel of doorvoeropening waarin het passerend product aan een sterk statisch magnetisch veld wordt onderworpen, zodat aanwezig magnetisch materiaal (ferro metalen) wordt voorgemagnetiseerd (‘dynamoprincipe’, zie § 2.1). In de tunnel of doorvoeropening bevindt zich een aantal spoelen. Passeren er gemagnetiseerde metaaldeeltjes dan wordt er in deze spoelen een inductiestroom opgewekt die, na versterking door de elektronica, wordt gebruikt om een detectorsignaal te genereren. Secundaire effecten, die ontstaan door de beweging van geleidend materiaal in een magnetisch veld, activeren ook signalen bij niet-magnetische metalen. Deze zijn echter veel minder sterk. Het gevolg is dat voor dergelijke geleidende non-ferro metalen, zoals bepaalde typen roestvaststaal, alleen relatief grote verontreinigingen kunnen worden opgespoord. In principe is deze techniek dus alleen toepasbaar voor opsporen van ferro-metalen en dan ook nog met een niet te lage detectiegrens (meer dan 1 mm). Moeten er echter producten verpakt in aluminium folie worden geïnspecteerd dan is dit de enige mogelijkheid. Het verdient dan echter wel aanbeveling te overwegen de inspectie voor het verpakken uit te voeren, zodat er met de meer gevoelige techniek van het ‘uitgebalanceerde coil’ systeem kan worden gewerkt. Als er verpakt wordt in folie waarop slechts een dunne laag aluminium folie is opgedampt, kan men vaak ook uit de voeten met het ‘uitgebalanceerd coil’ systeem. Dan moet men wel enige concessies moet doen aan de detectiegrenzen. De in de dunne film aluminium folie opgewekte wervelstroompjes verhogen de weerstandscomponent die zich als een verhoogd producteffect openbaart. 2.5

Gevoeligheidstandaards, routinebewaking en testprocedures

Voor de keuze van een metaaldetectie-systeem, bepaling van de juiste locatie in een lijn en de ‘engineering’ van de installatie verdient het aanbeveling de hulp en assistentie in te roepen van een betrouwbare en gerenommeerde leverancier/installateur op dit gebied. Een ‘second opinion’ van een onafhankelijke expert verdient aanbeveling. Het is zaak binnen het bedrijf eventueel in nauw overleg met de leverancier te komen tot een minimum standaard voor de gevoeligheid waarop de detectie-apparatuur moet reageren. Deze ‘minimum’ gevoeligheid van de apparatuur hangt nauw samen met de hoogte van de doorlaatopening van de detector. In tabel 4 staan exemplarische voorbeelden gegeven van minimale kogelgevoeligheden voor een opstelling bedoeld voor droge producten. De apparatuur dient bij een juiste instelling te reageren op de gegeven testkogel afmetingen. Tabel 4. Richtwaarden kogelgevoeligheden in relatie tot de spleethoogte [Bron 4 ] spleethoogte droog product droog product ferro + non-ferro niet-magnetisch roestvast staal meetkop tot 50 mm Ø 0,8 mm Ø 1,2 mm 125 mm Ø 1,2 mm Ø 1,6 mm 200 mm Ø 1,6 mm Ø 2,2 mm

Op basis van de vastgestelde vereiste en haalbare minimale detectiegevoeligheid wordt een test-set met metaal-kogeltjes van de correcte afmetingen gemaakt, die bij de regelmatig uit te voeren routinetesten worden gebruikt voor het vaststellen van de juiste werking van het apparaat.

blad 14 van 23


Veelal kan de leverancier van het systeem ook standaard teststaafjes/plaatjes leveren met verschillende soorten metaal met nauwkeurig gespecificeerde afmetingen. Deze kunnen gemakkelijk in het testproduct worden aangebracht. De routinebewaking en de uit te voeren routinetests dienen duidelijk schriftelijk vastgelegd te zijn en bekend te zijn bij het bedienend personeel. Routinematig dient de werking van de metaaldetector ten aanzien van de minimale gevoeligheid te worden geverifieerd. Hierbij kan de eerder genoemde test-set worden ingezet. Tijdens de controletesten dienen de werkelijke productiecondities te worden gesimuleerd. Dat wil zeggen dat de testkogeltjes moeten worden aangebracht in, op of aan een producteenheid. Deze moet wel duidelijk gemarkeerd zijn, zodat eenduidig kan worden vastgesteld of deze eenheden ook daadwerkelijk worden uitgeworpen. De producteenheden, die worden gebruikt bij deze testen, dienen uiteraard in overeenstemming te zijn met het te inspecteren product qua verpakking, versheid, temperatuur en samenstelling. Gebruikelijk is routinetesten uit te voeren bij: - Iedere opstart van het systeem; - Bij verandering van het te inspecteren product (maat, soort, samenstelling); - Met regelmatige intervallen tussen de productie door; - Aan het einde van iedere productierun. De frequentie van de tussentijdse controletesten varieert en hangt mede af van de ouderdom en het ontwerp van de installatie. De tijd tussen de tests moet zo kort zijn dat, bij falen of gebleken tekortkomingen bij de laatst doorgevoerde test, de producten nog kunnen worden achterhaald zodat deze geblokkeerd kunnen worden en opnieuw kunnen worden geïnspecteerd ná herstel van de juiste werking. Het interval bij continu produceren behoort echter ook bij moderne apparatuur niet groter te zijn dan acht uur. Gebruikelijk is bij moderne apparatuur toch 2 tot 4 uur als interval aan te houden. Moderne metaaldetectoren zijn vaak voorzien van een zogenaamde ‘Performance Validation’ routine of systeem (PVR of PVS). Het systeem is dan door de fabrikant voorzien van een voorziening dat om een bepaald interval zelf vraagt om de testroutine uit te voeren. Het niet op juiste wijze opvolgen hiervan kan tot gevolg hebben dat de installatie verder dienst weigert. 2.6

Behandeling van uitgeworpen product

Zoals eerder is vastgesteld, dient uitgeworpen product bij voorkeur te worden opgevangen in een afgesloten reservoir. De uitgestoten producten dienen nader te worden onderzocht door een bevoegd en gekwalificeerd persoon. Dit nader onderzoek houdt in dat het product buiten de feitelijke productie om in eerste instantie in dezelfde oriëntatierichting (bijvoorbeeld in de x-richting) opnieuw door de detector wordt geleid. Herhaal dit daarna met een oriëntatie in de twee andere richtingen (y- en z-richting). Als er geen detectie optreedt kan het product alsnog als veilig worden beschouwd. Bij positieve detectie is het verstandig het product in kleinere delen te snijden en deze delen dan afzonderlijk te inspecteren en hiermee door te gaan totdat de verontreiniging is gevonden. Het is dan zaak de oorsprong van de verontreiniging verder te achterhalen en aan het lijnpersoneel de opgespoorde verontreiniging te tonen. Gegevens over onder andere aantallen, aard en mogelijke oorsprong van de aangetroffen verontreinigingen dienen te worden geregistreerd in een logboek en dient een onderdeel te zijn van een goed HACCP-systeem.

blad 15 van 23


2.7

Kostenaspecten

De investeringskosten voor een metaal-inspectiesysteem zijn moeilijk in het algemeen te geven. Één en ander hangt sterk af van de wensen en vraagstelling (dimensies detectie-kop, gevoeligheid, uitvoering, aansturing en opties) en de bedrijfssituatie waarin het systeem komt te staan. Voor de feitelijke metaaldetectie unit moet men toch rekenen op een investering in de orde van grootte van € 9.000 tot € 11.000. Met de detectie-unit alleen is men er meestal niet. Er hoort de nodige randapparatuur bij, zoals doorvoersysteem, uitwerpmechanisme en opvangsysteem voor producten met defecten. Afhankelijk van de geavanceerdheid komt een in de lijn geïntegreerd systeem ruwweg op een totaal investeringsbedrag van € 13.000 tot € 21.000. Bij beoordeling van de werkelijke operationele kosten moet (naast afschrijving) ook rekening gehouden worden met kostenposten zoals onderhoud, service, bediening en aanhouden van reserve-onderdelen. Daarnaast zijn er extra kosten voor controle, kalibratie en testen van de werking van de apparatuur, productieverliezen tijdens dergelijke routinetesten en kalibratie, nadere analyses van de uitstoot en herinspecties plus bijkomende administratieve procedures (‘record keeping’). Tegenover deze kosten staat echter bij een goed werkend en onderhouden systeem potentiële besparingen in de sfeer van faalkosten of afhankelijk van de plaatsing in het begin van de verwerkingslijn besparingen in de termen van minder beschadiging aan overige procesapparatuur in de lijn.

3

RÖNTGENDETECTIE

3.1

Inleiding

De eerste toepassingen van röntgen-inspectietechnieken in de voedingsmiddelenindustrie stammen uit de midden jaren zestig. De eerst gerapporteerde toepassing is bij een Zweedse chocoladefabrikant, die het systeem inzette om te controleren of in de eindverpakking van een hoogwaardig chocoladeproduct alle bedoelde eenheden en op de correcte positie aanwezig waren [5]. Pas de laatste tien jaar is het gebruik in de voedingsmiddelenindustrie wat algemener geworden. Dit heeft met name te maken met de verbeterde en maar vooral ook met de toegenomen snelheid van de beeldverwerking passend bij de lijnsnelheid en de ruime ervaring die men inmiddels met bagage inspectiesystemen op luchthavens heeft opgedaan. Röntgen oftewel X-rays zijn kortgolvige, energierijke elektromagnetische stralen met een golflengte in het gebied van 10-9 tot 10-13 meter. Ze zijn in staat diep door te dringen in biologische weefsels en andere materialen die voor zichtbare lichtgolven niet transparant zijn. De X-ray bundel wordt door het materiaal gestuurd en de uittredende intensiteit aan de andere zijde wordt gemeten (transmissiemeting). Meer of minder geabsorbeerde energie kan met een opnemer worden gekwantificeerd, tot een beeld worden omgevormd en biedt daarmee informatie over het inwendige van het object. De mate van absorptie van de invallende röntgen-energie hangt af van de aard van het materiaal. Het is een gegeven materiaaleigenschap. Grofweg kan men stellen dat de optische dichtheid voor röntgenstralen samenhangt met de dichtheid (soortelijk gewicht). Hoe hoger de dichtheid des te hoger de absorptie en dus de optische dichtheid. Waterrijke voedingsmiddelen hebben over het algemeen een optische dichtheid die in de buurt van water ligt. Voor metalen is deze vele malen hoger dan voor water (lood dempt röntgenstralen zelfs helemaal). Voor glas is de optische dichtheid ook fors hoger. Ook in kalkrijk botweefsel is de absorptie vergroot ten opzichte van water.

blad 16 van 23


Voor veel gebruikte kunststofverpakkingsmaterialen, zoals polyetheen en polypropeen, is dit echter niet het geval. Als vuistregel kan men stellen dat met de röntgen inspectietechniek in natte (waterrijke) voedingsmiddelen verontreinigingen kunnen worden opgespoord die bezinken in water, drijvende delen niet en de zwevende meestal ook niet. 3.2

Principe

In figuur 7 is op schematische wijze weergegeven de opbouw van een röntgen doorlichtingmachine welke gebaseerd is op het ‘lineaire array detector’ principe. Figuur 7 Principe schets van de opbouw van een röntgen-inspectiesysteem [Bron 6]

Voor de detectie van de getransmitteerde röntgenstralen en dus de beeldvorming worden er voor de voedingsmiddelenindustrie op dit moment twee systemen gebruikt’: 1. Bij een beeldvorming op basis van het ‘image intensifier’ principe vallen de röntgenstralen die na passage door het product een uiteenlopende intensiteit hebben, direct op een fosfor-scintillatie-scherm. Het ontstane beeld wordt na versterking door een camera opgenomen. Dit camerabeeld kan verder visueel worden beoordeeld of digitaal worden bewerkt. 2. De nieuwere generatie systemen maken gebruik van het ‘lineaire array detector’ systeem. Het door het product heen schijnende smalle gordijn van röntgenstralen, haaks gericht op de transportrichting van het passerende product, valt na passage op de detector die bestaat uit een rij die opgebouwd is uit afzonderlijke röntgen-gevoelige elementen (fotodiodes). Iedere diode vormt één pixel van het op te bouwen beeld van het product. De grootte van deze elementjes bepaalt de resolutie. Zijn deze elementjes bijvoorbeeld 1 bij 1 mm dan zal de verkregen intensiteitswaarde van de pixel hooguit een gemiddelde waarde weergeven van het doorgelichte 1 mm2 productoppervlak. Het product, dat onder het röntgengordijn passeer,t wordt lijn voor lijn gescand. De afstand tussen opgenomen lijnen hangt af van de product-doorvoersnelheid en de frequentie van de uitlezing van de ‘lineaire array detector’ elementen. De pixelinformatie van de afzonderlijke lijnen wordt tot een totaal beeld van het product omgevormd. Als de uitlezing van de fotodiodes met een 12-bits analoge /digitale conversie gebeurt, worden er per pixel maximaal 4096 verschillende grijswaarden erkend. Bij een systeem met 8-bits uitlezing is dit maximaal 256.

blad 17 van 23


3.3

Beeldanalyse en interpretatie

Globaal kan men de methoden voor beeldinterpretatie verdelen in drie werkwijzen, te weten: 1 Visuele beeldinterpretatie Zwart-wit monitor als interface naar de operator geeft de opgevangen grijstinten weer. Dit is het meest nauwkeurig zeker als de mensen getraind zijn in het interpreteren van de ontvangen beelden. Vergt zeer hoge concentratie en de lijnsnelheden zijn beperkt. 2 ‘Treshold’ methode (Drempel) Beeldverwerkingtechniek waarbij om de grijswaarden van het product een drempelwaarde in de vorm van een bandbreedte (‘treshold’) wordt gelegd die de variërende productsamenstelling weergeeft. Elk signaal buiten deze band wordt als verdacht beschouwd en leidt tot uitstoot van het product. Bij zeer homogene producten kan deze band smal zijn en is detectiegevoeligheid scherp in te stellen. Maar bij een product, dat veel ‘achtergrond ruis’ geeft, veroorzaakt door heterogeniteit van samenstelling en onregelmatigheden in vorm moet een ruime drempelwaarde band worden gekozen en de gevoeligheid neemt dan navenant af. Een variant hierop is een methode waarbij de drempelwaarde methode wordt gecombineerd met maskering. Niet belangrijke of storende delen van het beeld worden door afdekking voor de computer ‘blind’ gemaakt. 3 Morfologische herkenning Deze beeldverwerkingtechniek met intelligente vormherkenning treffen we aan in de moderne systemen. Van ieder opgenomen beeldpunt (array-element) wordt de ‘grijswaarde’ in een driedimensionale ruimte geplaatst; de grijswaarden (z-as) tegen de ruimtelijke coördinaten (y- en x-as). Zo ontstaat een beeld zoals is weergegeven in figuur 8. In een pixel-bewerkingsroutine worden de contrasten vergeleken met de naburige pixels. In feite wordt er gekeken naar de helling (‘slope’) van de grijscontrasten. Daarom wordt dit ook wel ‘slope detection’ technologie genoemd. Bij deze bewerkingstechniek kan vaak worden ingesteld tot hoever de naburige pixels dienen te worden vergeleken. Uitschietende ‘pieken’ verraden op die wijze de aanwezigheid van een verontreiniging die relatief veel röntgenenergie heeft geabsorbeerd. Producten die het meest profiteren van deze morfologische herkenningstechniek zijn producten met een natuurlijke fluctuerende dichtheid, veroorzaakt door samenstelling, dikte en/of vorm. Scherpe uitschietende pieken in een beeld dat bezaaid is met piekjes kunnen, ook als deze op de flank van het beeld van de grijswaarden voorkomen (zie figuur 7), worden herkend als signaal voor een verdachte verontreiniging mits het algoritme goed is afgestemd. Verontreinigingen, die relatief sterker doorlatend zijn dan het feitelijke product, worden met deze techniek ook niet gedetecteerd tenzij ze relatief groot zijn en ten gevolge daarvan een scherpe dip veroorzaken in de grijswaarden. Mede bepalend voor het discriminerend vermogen van deze techniek is de kwaliteit van de gebruikte computeralgoritmen. Hoewel deze techniek relatief veel computercapaciteit vraagt, is dit tegenwoordig geen probleem. Op dit moment zijn met een dergelijk systeem inspectiesnelheden haalbaar bij een bandsnelheid van 0,5 m/s.

blad 18 van 23


Figuur 8 Driedimensionaal beeld van grijswaarden

3.4

‘Dual energy’

Een recente ontwikkeling in de röntgentechnologie heeft op dit moment de bijzondere aandacht van enkele belangrijke fabrikanten die zich bezig houden met de ontwikkelingen van röntgen-inspectiesystemen voor de voedingsmiddelenindustrie. Het gaat daarbij om toepassing van het ‘dual energy’ principe in röntgen- scanners. Met de toepassing van dit principe worden er verbeteringen verwacht op het vlak van de detectiemogelijkheden voor productvreemde bestanddelen die een gering optisch dichtheidsverschil vertonen met het feitelijke product. Men kan daarbij bijvoorbeeld denken aan botjes of botsplinters in vleesmassa. Het principe van ‘dual energy’ scanning is gebaseerd op het detecteren van intensiteitsverlies van door het product geleide röntgenstralen met twee verschillende energieniveaus. Door een X-ray bron wordt straling uitgezonden bestaande uit een spectrum dat een hoogenergetische (HE) en laag-energetische (LE) band bevat of er wordt gebruik gemaakt van twee separate smalbandige röntgenbronnen. De LE en HE intensiteiten worden vervolgens door een dubbel uitgevoerde lineaire array detector waargenomen (de een gevoelig voor de LE band en de ander voor de HE band). Door bewerking en combinatie van de onderscheiden LE en HE signalen kan het discriminerend vermogen ten opzichte van een enkelvoudig systeem worden opgevoerd. Voor meer informatie over de details van het werkingsprincipe wordt verwezen naar het in 1999 verschenen TNO rapport [bron 7]. 3.5

Detectie mogelijkheden en begrenzingen

De röntgen-inspectietechniek leent zich in principe voor de detectie van de volgende typen verontreinigingen: - Ferro, non ferro en roestvaststaal metalen. Door hun hoge dichtheid ten opzichte van het product zijn deze over het algemeen gemakkelijk te detecteren en evenaart deze techniek minstens de mogelijkheden van een goed metaal-inspectiesysteem. - Minerale steen. Met uitzondering van lage dichtheid steensoorten zoals bijvoorbeeld poreuze cokes, zijn de meeste steensoorten goed op te sporen.

blad 19 van 23


-

-

Glas. Is over het algemeen ook goed detecteerbaar behalve in producten die verpakt zijn in glas of metaal. Botmateriaal. Detectiemogelijkheden hangen af van het soort bot. Kalkrijke botten of fragmenten ervan vormen het minste probleem. Kraakbeen kan over het algemeen niet worden gedetecteerd, tenzij het om relatief grote stukken handelt. Verder leert de ervaring dat detectie in onverhit vlees, mits het om relatieve dunne delen gaat, succesvol kan zijn. Echter in verhitte vleesproducten zijn de detectiemogelijkheden beperkt. De hoop is er op gevestigd dat de nieuwere systemen die op het ‘dual energy’ principe zijn gebaseerd de detectiemogelijkheden zullen verbeteren. Rubber en plastics. Slechts hoge dichtheid rubber en plastics lenen zich voor detectie. Dit betekent dat bijvoorbeeld PVC wel kan worden gedetecteerd, maar de vaker gebruikte soorten zoals polypropeen (PP) en polyetheen (PE) niet. Mogelijk vormt HDPE (hoge dichtheid PE), dat veel wordt gebruikt als kratmateriaal, een uitzondering met de nieuwere apparatuur.

Tot de verontreinigingen die vooralsnog als niet-detecteerbaar moeten worden beschouwd in een product-matrix zijn: hout, papier, lage dichtheid kunststoffen, insecten, kraakbeen en haren. Los van de opsporing van productverontreinigingen biedt de röntgen-inspectietechniek additionele mogelijkheden bij verpakte eindproducten. Te denken valt daarbij aan positiecontrole, gebroken of missende producten in een verpakkingseenheid. 3.6

Plaatsing in lijn

De locatie van een röntgen-inspectiesysteem in een lijn wordt bepaald door een combinatie van factoren, zoals waar en op welk punt inspectie is gewenst en de kosten. Is het doel bijvoorbeeld inspecteren of een automatische ontbeningsmachine zijn werk goed heeft gedaan is het logisch de machine onmiddellijk volgend op deze processtap te plaatsen. Aan de andere kant is het beter indien het gaat om het monitoren van afwezigheid van verontreinigingen in het eindproduct de inspectie zo laat mogelijk in het proces te plaatsen. Bovendien moet in gedachte worden gehouden dat röntgen-inspectiesystemen een kostbare investering vormen, zodat veelal een separate installatie per proces/productlijn binnen de vleessector weinig reëel is. Er moet dan gezocht worden naar een haalbare en slimme combinatie om zoveel mogelijk productstromen over één machine te leiden. De doorvoersnelheid van een moderne röntgen-inspectiemachine is weliswaar niet echt laag, maar is veelal wel aan beperkingen gebonden (bijvoorbeeld 0,5 m/s) en is in vergelijking met een metaaldetector beperkt. Evenals bij een metaaldetectie-unit behoort een automatische installatie ook te zijn voorzien van een uitwerpmechanisme. 3.7

Kalibratie en bedrijfstesten

Een röntgen-inspectiesysteem moet vaak ‘zwaar’ getraind worden op het herkennen van de op te sporen verontreinigingen. De beeldinterpretatie software dient te worden gedefinieerd, hetgeen vaak een productspecifieke aanpak vereist en de detectiegevoeligheid moet worden geverifieerd. Vaak vereist elk specifiek inspectieprobleem een experimentele vaststelling van een operationele curve op grond waarvan een optimale instelling kan worden gebaseerd. Het aantal vals-positieven (ten onrechte goedgekeurd) en het aantal vals-negatieven (ten onrechte afgekeurd) dienen beide geminimaliseerd te zijn. Vele van de instructies en testprocedures, die zijn genoemd voor metaaldetectie, gelden in principe ook voor een röntgen-inspectie unit. Dat betekent dat er gekalibreerde en goed gedefinieerde test-verontreinigingen voorhanden moeten zijn van de soorten waarvan wordt verwacht dat ze in de productstroom worden opgespoord. Als het gaat om stukjes bot moeten het ook inderdaad de soorten zijn die moeten worden opgespoord (soort dier, type bot, grootte, enzovoorts).

blad 20 van 23


Uiteraard geldt ook hier weer dat de testen voor kalibratie en controleren van de functionaliteit dienen te worden uitgevoerd met test-verontreinigingen, die in het product zijn aangebracht. Routinematig dient de correcte werking van de apparatuur minstens te worden vastgesteld bij iedere opstart van het systeem en bij verandering van het te inspecteren product. Over het interval van de uit te voeren routinetesten tussen de productie door dient te worden overlegd met de leverancier van het systeem. 3.8

Kostenaspecten

Kostenposten die men bij gebruik van een röntgen-inspectiesysteem in ogenschouw moet nemen, zijn: - Systeemkosten Deze bestaan uit de pure systeemkosten van de inspectie-unit, voorzieningen voor doorvoer van product en het uitwerpmechanisme. Daarnaast vallen hieronder de kosten, verbonden aan de selectie van een bepaald systeem, inclusief proefnemingen en de speciale opties zoals software voor beeldverwerking enzovoorts. De pure systeemkosten een moderne machine bedragen in de orde van grootte van € 72.000 tot € 110.000. De prijs van de (komende) generatie machines werkend met het zogenaamde ‘dual energy’ principe zal afhankelijk van de gekozen configuratie naar verwachting een factor 1,2 tot 1,5 hoger uitvallen. - Installatiekosten Dit zijn de kosten voor aanbrengen van de nodige voorzieningen, zoals ruimtekosten, elektra, integratie in de productielijnen, enzovoorts. Het totaal van de investeringskosten voor implementatie van een systeem is moeilijk in zijn algemeenheid aan te geven maar kan, afhankelijk van de complexiteit, oplopen tot € 500.000 of meer. - Onderhoudskosten Naast de normale onderhoudskosten van dergelijke hoogwaardige installaties moet rekening worden gehouden met de regelmatige vervanging van de röntgenbuis. Algemeen wordt wel een levensduur van 3000 draaiuren genoemd. Vervanging ervan is specialistisch werk en dient in verband met de veiligheid bij voorkeur door de leverancier te geschieden. - Upgrading/updating Er dient rekening te worden gehouden met het feit dat de computer-algoritmen, die de beeldverwerking verzorgen, met enige regelmaat vernieuwing behoeven. Dit ter uitbreiding van de mogelijkheden dan wel voor aanpassing van een nieuw product of verpakkingsproces. De kosten van röntgendetectie zijn doorgaans 7 tot 10 maal zo hoog als die van metaaldetectie.

4

ULTRASONE TECHNIEK / ECHOGRAFIE

4.1

Inleiding

Ultrageluidsgolven in het frequentiegebied 20 kHz tot 5 MHz kunnen zich voortplanten in biologische materialen. Op grensvlakken van verschillende materialen worden de zich in een medium voortplantende akoestische golven uit het ultrasone spectrum deels gereflecteerd en deels door transmissie verder geleid. De mate waarin reflectie optreedt, is afhankelijk van de dichtheidsverschillen tussen de materialen en de geluidssnelheid. De gereflecteerde of getransmitteerde golven kunnen worden gedetecteerd en bevatten informatie over gepasseerde grensovergangen in het medium.

blad 21 van 23


4.2

Principe

Er zijn drie verschillende technieken te onderscheiden: 1. Enkel puntsmeting; 2. Het opnemen van opeenvolgende dwarsdoorsneden (‘slices’) door het product; 3. Een techniek waarbij door ‘time gating’ (looptijd metingen) van de signalen op een bepaalde diepte een peiling kan worden uitgevoerd. ad 1.Enkel puntsmeting De enkel puntstechniek geeft waarschijnlijk onvoldoende resolutie voor het detecteren van productvreemde bestanddelen. ad 2.Opeenvolgende dwarsdoorsneden (‘slices’) De informatie, verkregen uit de reflecties van opeenvolgende ‘slices’, ontstaan door een relatieve beweging tussen te inspecteren materiaal en sensor, lijken in principe geschikt voor het inspecteren van voedingsmiddelen. Er dient echter rekening te worden gehouden met de volgende ‘tegenstrijdigheid’: Hoe hoger de frequentie van de toegepaste akoestische golven des te beter de resolutie, en, hoe lager de frequentie des te beter de indringingsdiepte. Men zal dus altijd moeten kiezen tussen een compromis van resolutie en indringdiepte. ad 3.‘Time gating’ De ‘time gating’ techniek biedt de mogelijkheid door gebruik te maken computertopografie een driedimensionaal beeld op te bouwen. Deze techniek is echter te duur en te langzaam om dit toe te passen voor ‘in-line’ inspecties. Een groot bezwaar dat de toepassing van de akoestische techniek voor ‘in-line’ inspectie van voedingsmiddelen direct in de weg staat, is het feit dat signaal overdracht tussen zender/sensor en product een goede akoestische koppeling vereist. Helaas is de overgang van product via lucht zo groot, dat vrijwel alle golven aan deze overgang reflecteren. Het gevolg is, dat er bijna geen energie in het product doordringt. De energie van de golven die wel in het product doordringen moet na reflectie op de terugreis nogmaals dezelfde hindernis nemen, waardoor er vrijwel geen energie de sensorontvanger bereikt. Er zal derhalve een directe contactmeting moeten worden uitgevoerd waarbij een luchtovergang, hoe gering ook, uit den boze is of er moet gebruik gemaakt worden van een akoestisch medium zoals bijvoorbeeld water dat zorgt voor een verliesvrije koppeling.

blad 22 van 23


5

LITERATUUR

1 Strikwerda, F. Metaaldetectie in de voedingsmiddelenindustrie VMT 24 (1991)4, 14-18 2 Wolff, P. Metallteilen auf der Spur Lebensmitteltechnik 3/1998, 13-17 3 Lock, A. The guide to reducing metal contamination in the food processing industry Uitgegeven door safeline / Gelan Metaaldetectiesystemen, Sint-Michielsgestel, 1996 4 Loma Systems, R. Gruijters & A.E. Johnson Brochures ‘Richtlijnen voor de metaaldetectie in de voedingsmiddelenindustrie’ Helmond, Loma Systems BV 5 Dearden, R. Automatic X-ray inspection for the food industry Food Science & Technology Today 9 (1995)2, 87-90 6 Campbell, A. Guidelines for the prevention and control of foreign bodies in food Guideline No. 5, August 1995 Chipping Campden, Campden & Chorleywood Food Association 7 Boxtel, L.B.J. van Detectie van productvreemde bestanddelen in de vleessector Zeist, TNO Voeding, rapportnummer V98.1271, 1999 8 Tillaart, L van den Metaaldetectie in de vleesindustrie Vlees en Snack 7 (1983) 3, 17-19

blad 23 van 23

6.9 DETECTIE VAN PRODUCTVREEMDE BESTANDDELEN. J.H. van Helvoirt, L.B.J. van Boxtel & R. van Dijk TNO Voeding Zeist

Recommend Documents