Как рентгеновские системы находят загрязнители?

Рентгеновские лучи являются одним из нескольких естественных источников излучения и представляют собой невидимую форму электромагнитного излучения, например, радиоволны.

Все типы электромагнитного излучения являются частью единого континума, известного как электромагнитный спектр, который располагается по частоте и длине волны. Он проходит от радиоволн на одном конце (которые имеют длинную длину волны) до гамма-лучей на другом (которые имеют короткую длину волны).

Короткая длина волны рентгеновских лучей позволяет им проходить сквозь материалы, непрозрачные для видимого света, но они не проходят через все материалы одинаково легко. Прозрачность материала для рентгеновских лучей в целом связана с его плотностью — чем плотнее материал, тем меньше рентгеновских лучей проходит. Скрытые загрязнители, включая стекло, кальцифицированные кости и металл, проявляются потому, что поглощают больше рентгеновских лучей, чем окружающий продукт.

Проще говоря, рентгеновская система использует генератор рентгеновских лучей для проекции пучка низкоэнергетических рентгеновских лучей на датчик или детектор.

Рентгеновская инспекция включает пропускание продукта или упаковки через рентгеновский пучок до того, как он достигнет детектора. Количество рентгеновской энергии, поглощённой при прохождении пучка через продукт, зависит от толщины, плотности и атомного номера продукта.

Когда продукт проходит через рентгеновский луч, к детектору поступает только остаточная энергия. Измерение различий в поглощении между продуктом и загрязнителем лежит в основе обнаружения инородных тел при рентгеновской проверке.

Существует три ключевых компонента рентгеновской инспекции:

• Генератор рентгеновских лучей
• Детектор
• Панель управления

Рентгеновский пучок генерируется рентгеновской трубкой, помещённой в генератор. Он выходит через выходное окно и проходит по прямой линии через коллиматор (устройство для сужения потока рентгеновских лучей до меньшего вентилятора). Затем рентгеновский луч проходит через продукт или пакет, который проверяется, прежде чем наконец достигать детектора. Достигнув детектора, диоды преобразуют уровень света от луча в электрический сигнал, который передаётся обратно на панель управления. Панель управления затем создаёт рентгеновское изображение в «оттенках серого», которое проверяется и анализируется рентгеновским программным обеспечением, которое затем определяет, принять или отклонить проверенный продукт.

Рентгеновский генератор содержит рентгеновскую трубку, которая генерирует рентгеновский луч.

Современные рентгеновские трубки состоят из стеклянной оболочки, катода нити, медного анода и вольфрамовой мишени. Катод, являющийся источником электронов, представляет собой вольфрамовую нить, нагреваемую до раскаления электрическим током. Электроны ускоряются к цели за счёт подачи высокого напряжения между анодом и катодом. Когда электроны попадают в вольфрамовую мишень, установленную внутри медного анода, они быстро замедляются, и это замедление приводит к рентгеновским излучениям.

Существует два типа рентгеновских трубок, используемых для инспекции пищевых продуктов и фармацевтических исследований. Разница заключается в фильтрационном материале, используемом для рентгеновского луча. Это может быть либо стекло/алюминиевый фильтр (чаще всего распространённый), либо бериллиевый фильтр. Бериллиевая фильтрация обеспечивает улучшенный контраст изображения и повышенную чувствительность к загрязнителям меньшей плотности, таким как стекло, камень и кости, однако преимущества ограничиваются более тонкими пакетами и продуктами с объёмным потоком.

Выбор правильной системы является основой успеха рентгеновской инспекции, поскольку системы не могут оптимально обнаруживать загрязнители, если только каждый элемент — от угла луча до механизма отклонения — не выбран для наилучшего применения. Рентгеновские системы делятся на три категории: вертикальный луч, горизонтальный пучок и системы, являющиеся их сочетанием.

Большинство рентгеновских систем используют вертикальный рентгеновский пучок от генератора для сканирования продукта по мере его прохождения через рентгеновскую систему. Быстро движущиеся потребительские товары обычно имеют меньшую глубину, чем по ширине и длине, поэтому их осмотр через вертикальное сечение, где наименьшая глубина продукта, обеспечивает наилучшую чувствительность. Машины для изготовления герметичных упаковок, включая продукты в проточных упаковках, пакетах, композитных коробках или лотках, обычно имеют вертикальные балочные системы.

Горизонтальные системы используют боковой рентгеновский генератор для сканирования продуктов, проходящих по конвейерной ленте, и в основном применяются для упакованных продуктов, которые выше, чем ширины. Поскольку ключевым фактором чувствительности к обнаружению является глубина продукта, через который проходят рентгеновские лучи, горизонтальные системы обычно обеспечивают более эффективное обнаружение таких продуктов, так как они могут сканировать боковую часть контейнеров.

Система рентгеновской инспекции по сути является сканирующим устройством. Когда продукт проходит через систему с постоянной скоростью, внутренние датчики фиксируют «серое» изображение продукта, которое формируется путем измерения количества рентгеновской энергии, поступающей на детектор.

Каждое изображение состоит из пикселей, и каждый пиксель имеет значение, обозначающее значение в оттенках серого (от чёрного 0 до белого 255). Когда продукт или пакет проходит через детектор, каждая строка серых уровней данных восстанавливается, чтобы получить полный образ продукта.

Программное обеспечение в рентгеновской системе анализирует изображение и сравнивает его с заранее установленным приемлемым стандартом. На основе этого сравнения система либо принимает, либо отклоняет изображение, а в случае отклонения программное обеспечение отправляет сигнал в систему автоматического отклонения, которая затем удаляет продукт с производственной линии.

Диоды (отдельные элементы детектора) доступны в разных размерах для получения разного разрешения изображения. Меньшие диоды требуют более высокого количества миллиампер (мА) для поддержания качества изображения, поэтому это часто является компромиссом в этой области.

Одна из ключевых причин, по которой рентгеновские исследования быстро становятся распространённой в пищевой и фармацевтической промышленности по всему миру, заключается в том, что широкий спектр физических загрязнителей (как металлических, так и неметаллических) поглощает больше рентгеновских лучей, чем окружающий продукт, и поэтому чётко отображается на рентгеновском снимке.

Обнаружение загрязнения напрямую связано с плотностью продукта и загрязнителя. Большинство пищевых продуктов имеют плотность, схожую с водой, у которой удельный вес (SG) равен 1,0. В целом, если потенциальный загрязнитель плавает в воде, его будет сложно обнаружить с помощью рентгеновской проверки.

Рентгеновская инспекция способна выявлять множество загрязнителей, включая стекло, минеральный камень, кальцифицированные кости, а также высокоплотные пластики и резиновые соединения. Форма, размер и расположение загрязнителя внутри продукта, а также тип используемой упаковки могут влиять на уровень чувствительности. Рентгеновская инспекция также обеспечивает исключительный уровень обнаружения нержавеющей стали и железных и цветных металлов, даже в изделиях, упакованных в банки, металлизированную пленку или фольгу.

Рентгеновские системы могут использоваться для обнаружения загрязнителей на различных этапах производственного процесса — от сырья в массовом потоке до упакованных готовых продуктов и продуктов, перекачиваемых по трубопроводу в стеклянные банки, бутылки или металлические банки.

Рентгеновские системы могут обнаруживать загрязнители разного размера, и вероятность обнаружения варьируется в зависимости от нескольких факторов, включая толщину, однородность, плотность и размер продуктов. Например, рентгеновские инспекционные системы часто имеют более высокие показатели обнаружения однородных продуктов, таких как сыр, поскольку они создают более чёткие изображения по сравнению с неоднородными продуктами, такими как коробка хлопьев с различными компонентами разной плотности, например, хлопьями, орехами и сухофруктами.

Рентгеновские системы проверяют рыхлые оптовые продукты перед их упаковкой или добавлением ингредиентов в готовый продукт. Типичные применения включают орехи, экструдированные закуски, сухофрукты, обработанное мясо, а также злаки и зерновые.

Чувствительность к обнаружению в продуктах массового потока обычно выше, чем в конечных закрытых пакетах, так как глубина продукта обычно значительно меньше. Можно достичь одного слоя продукта или постоянной глубины потока продукта, что повышает чувствительность к обнаружению.

Следует учитывать расположение этих машин на производственной линии. Например, при ранней установке процесса они могут проверять поступающие товары или сырьё, что позволяет удалить загрязняющие вещества с источника и немедленно отследить до поставщика. Загрязнители в поступающих товарах наиболее заметны и наиболее легко обнаруживаемы, однако дальше по процессу производства есть риск, что они могут быть разрушены на более мелкие, менее заметные фрагменты, не говоря уже о потенциальной угрозе повреждения оборудования. Удаление чужеродных тел на раннем этапе производства имеет множество преимуществ, включая предотвращение добавления дополнительной ценности продукции через переработку и упаковку, что минимизирует отходы и общие производственные затраты.

Эти системы предназначены для инспекции перекачиваемых продуктов, обычно жидкостей, шламов и паст, перед окончательной упаковкой и добавлением дополнительной ценности. Применения включают соусы, джемы, фарш, птицу, шоколад, фруктовое пюре и молочные намазки.

Луч сканирует продукт по мере его прохождения через трубу и обнаруживает продукт, содержащий загрязнитель, который затем отводится от хорошего продукта через отклоняющий клапан. Как и машины с объемным потоком, рентгеновская трубопроводная система обычно расположена выше по потоку для ранней инспекции продукции и обеспечивает повышенные уровни обнаружения, поскольку продукт однороден. Найти загрязнитель в трубопроводной системе гораздо проще, чем в стеклянной банке, хотя поскольку стеклянная упаковка несёт свои риски, на производственной линии может понадобиться более одного критического контрольного пункта (CCP).

Розничная упаковка может быть проверена различными рентгеновскими системами в зависимости от конкретного применения. Эти рентгеновские системы можно разделить на три категории (или три типа шкафовых систем): вертикальные лучевые системы, горизонтальные лучевые системы и системы, сочетающие их обоих.

Вертикальные лучевые системы для упакованной продукции

Рентгеновские инспекционные системы с использованием вертикальных лучей широко применяются на производственных линиях насыпного и трубопроводного производства, а также в розничной упаковке. Упакованные изделия, проверяемые в вертикальных лучевых системах, обычно имеют меньшую глубину (то есть высоту), чем по ширине и длине. Вертикальные балки инспектируют продукты через их вертикальное сечение (с наименьшей глубиной продукта), что облегчает обзор внутренних компонентов. Изображение, созданное с использованием этой геометрии пучка, представляет собой планный вид пакета, позволяющий провести детальный анализ пакета, что в конечном итоге обеспечивает высокий уровень чувствительности и обнаружения.

Горизонтальные балочные системы для упакованной продукции

Горизонтальные рентгеновские системы в основном используются для продуктов в упаковках, где высота упаковки превышает его ширину (высокие, жёсткие контейнеры). Поскольку ключевым фактором чувствительности к обнаружению является глубина продукта, через который должны проходить рентгеновские лучи, горизонтальное сканирование обычно обеспечивает лучшие частоты обнаружения для пакетов такого дизайна. Горизонтальные балки доступны в геометрии одного или нескольких лучей, в зависимости от конкретного применения.

Многолучевые системы

Хотя технология остаётся прежней (как и в горизонтальных системах), рентгеновские системы могут быть адаптированы под конкретные применения, чтобы оптимизировать вероятность обнаружения в таких случаях, как стеклянные банки и другие типы высоких и жестких контейнеров.

Два рентгеновских луча от одного генератора (известного как расщеплённый пучок) увеличивают вероятность обнаружения загрязнителей, поскольку два изображения создаются одновременно с разных углов.

Это особенно полезно для упаковки, например, металлических банок, где сложно обнаружить загрязнение в основании или боковых стенках банки.

Задействовав два отдельных детектора, система разделенного двойного луча решает эту проблему, так как каждая банка снимается дважды, и каждое изображение представляет разный угол обзора, что увеличивает покрытие внутри контейнера и вероятность обнаружения.

Двойные рентгеновские лучи от двух отдельных генераторов аналогично усиливают обнаружение, предоставляя изображения с двух противоположных углов.

Продукты, упакованные в стеклянные бутылки и банки, одни из самых сложных для осмотра, так как основание, боковые стенки и горлышко могут вызывать «слепые зоны» при осмотре одним рентгеновским лучом. Вероятность обнаружения можно повысить с помощью нескольких рентгеновских лучей — сочетания вертикальных и горизонтальных лучей. Например, один вертикальный и три горизонтальных рентгеновских луча одновременно сканируют продукт, чтобы получить серию изображений с разных углов, уменьшая слепые зоны и оптимизируя обнаружение. Ориентация балки также может быть оптимизирована под разными углами, чтобы соответствовать типу контейнера и типу продукта.

Выбор правильного типа луча для конкретного применения — сложное решение, и вариант «одно решение подходит всем» редко возможен. По этой причине рекомендуется получить дополнительные консультации от опытных специалистов по инспекции продукции, а во многих случаях проводить индивидуальные испытания продукции.

Производители используют не только рентгеновскую проверку для обнаружения загрязнителей; Рентгеновские системы могут одновременно выполнять широкий спектр проверок целостности и качества продукции в линии.

Дополнительные проверки, которые может выполнять рентгеновская система, включают:

• Измерение зонированной и валовой массы
• Компоненты подсчёта
• Выявление пропавших или сломанных изделий
• Мониторинг уровней заполнения
• Проверка целостности пломбы
• Проверка на повреждённый продукт и упаковку
• Обнаружение агломератов, таких как вкусовые и порошковые комки
• Измерение головного пространства

С ужесточением норм по безопасности пищевых продуктов и фармацевтики соблюдение и отслеживаемость на каждом этапе жизненного цикла продукта становятся всё важнее, и рентгеновская инспекция всё чаще используется производителями известных брендов для выявления и отторжения загрязнённых продуктов.

Рентгеновские инспекционные системы могут обнаруживать загрязнители на каждом этапе производства для рыхлых, оптных, насосных и упакованных продуктов, но эффективность технологии зависит от плотности, толщины и однородности продукта.

Рентгеновские лучи не проходят через все материалы одинаково легко, и измерение разницы в поглощении между продуктом и загрязнителем является основой обнаружения инородных тел при рентгеновском осмотре. Прозрачность материала для рентгеновских лучей в целом связана с его плотностью — чем плотнее продукт, тем больше рентгеновских лучей он поглощает, и скрытые загрязнения, включая инородные тела, такие как стекло, кости и металл, проявляются потому, что они поглощают больше рентгеновских лучей, чем окружающий продукт, то есть на снимке серого они кажутся темнее.

Хотя основные принципы рентгеновской инспекции одинаковы, это универсальная технология, и разные применения требуют разных рентгеновских систем. Выбор правильной системы имеет решающее значение для успешной рентгеновской проверки, поскольку загрязнители нельзя обнаружить, если каждый элемент — от угла луча до механизма отбрасывания — не был выбран для соответствия линии и продукту. Понимание различных форматов и их пригодности для различных типов задач обнаружения загрязнения лежит в основе спецификации и выбора системы.

Однако одно можно сказать наверняка: продукты, успешно проходившие системы рентгеновской инспекции, повышают доверие производителей пищевых продуктов и фармацевтических продуктов к качеству и безопасности своих продуктов, помогая им соответствовать отраслевым стандартам, включая Глобальную инициативу по безопасности пищевых продуктов (GFSI), Британский розничный консорциум (BRC), Сертификацию системы безопасности пищевых продуктов 22000 года (FSSC 22000), Закон о безопасности пищевых продуктов Китая и Международный стандарт пищевых продуктов (IFS).