Hur hittar röntgensystem föroreningar?

Röntgenstrålar är en av flera naturligt förekommande strålningskällor och är en osynlig form av elektromagnetisk strålning, såsom radiovågor.

Alla typer av elektromagnetisk strålning ingår i ett enda kontinuum känt som det elektromagnetiska spektrumet, som är ordnat efter frekvens och våglängd. Den sträcker sig från radiovågor i ena änden (som har en lång våglängd) till gammastrålar i den andra (som har en kort våglängd).

Röntgenstrålarnas korta våglängd gör att de kan passera genom material som är ogenomskinliga för synligt ljus, men de passerar inte lika lätt genom alla material. Transparensen mellan ett material och röntgenstrålar är i stort sett relaterad till dess densitet – ju tätare materialet är, desto färre röntgenstrålar passerar igenom. Dolda föroreningar, inklusive glas, förkalkat ben och metall, visar sig eftersom de absorberar mer röntgenstrålar än den omgivande produkten.

Enkelt uttryckt använder ett röntgensystem en röntgengenerator för att projicera en stråle av lågenergiröntgenstrålar på en sensor eller detektor.

Röntgeninspektion innebär att en produkt eller förpackning passerar genom röntgenstrålen innan den når detektorn. Mängden röntgenenergi som absorberas under strålens passage genom en produkt påverkas av produktens tjocklek, densitet och atomnummer.

När produkten passerar genom röntgenstrålen når endast restenergin detektorn. Mätningen av skillnaderna i absorption mellan produkten och en förorening är grunden för upptäckt av främmande föremål vid röntgeninspektion.

Det finns tre nyckelkomponenter i ett röntgeninspektionssystem:

• En röntgengenerator
• En detektor
• En kontrollpanel

Röntgenstrålen genereras av ett röntgenrör inneslutet i röntgengeneratorn. Den lämnar genom ett utgångsfönster och färdas i en rak linje genom en kollimator (en anordning för att smalna av röntgenstrålar till en mindre fläktstråle). Röntgenstrålen passerar sedan genom produkten eller paketet som inspekteras, innan den slutligen når detektorn. När dioderna når detektorn omvandlar de ljusnivån från strålen till en elektrisk signal, som skickas tillbaka till kontrollpanelen. Kontrollpanelen skapar sedan en 'gråskala'-röntgenbild som inspekteras och analyseras av ett röntgenprogram, som sedan avgör om den inspekterade produkten ska accepteras eller avkastas.

Röntgengeneratorn innehåller ett röntgenrör som genererar en röntgenstråle.

Moderna röntgenrör består av ett glashölje, en filamentkatod, en kopparanod och ett wolframmål. Katoden som är källan till elektronerna är en volframtråd som värms upp till glöd av en elektrisk ström. Elektronerna accelereras till målet genom att en hög spänning appliceras mellan anoden och katoden. När elektronerna träffar volframmålet som är monterat inuti kopparanoden, bromsar de snabbt och denna inbromsning skapar röntgenutsläpp.

Det finns två typer av röntgenrör som används för livsmedels- och läkemedelsinspektion. Skillnaden ligger i filtreringsmaterialet som används för röntgenstrålen. Detta kan vara antingen ett glas-/aluminiumfilter (vanligast) eller alternativt ett berylliumfilter. Berylliumfiltrering möjliggör förbättrad bildkontrast och ökad känslighet för föroreningar med lägre densitet såsom glas, sten och ben, men fördelarna är begränsade till tunnare förpackningar och bulkflödesprodukter.

Att välja rätt system är grundläggande för att röntgeninspektionen ska lyckas eftersom systemen inte optimalt kan upptäcka föroreningar om inte varje element från strålvinkel till avvisningsmekanism har valts för att bäst passa tillämpningen. Röntgensystem delas in i tre kategorier: vertikal stråle, horisontell stråle och system som är en kombination av de två.

De flesta röntgensystem använder en vertikal röntgenstråle från generatorn för att skanna produkten när den passerar genom röntgensystemet. Snabbrörliga konsumentvaror är vanligtvis mindre i djup än i bredd och längd, så att inspektera dem genom det vertikala tvärsnittet där minst produktdjup är ger bäst känslighet. Maskiner för förseglade förpackningar, inklusive produkter i flowwraps, påsar, kompositkartonger eller brickor, tenderar att ha vertikala balksystem.

Horisontella system använder en sidomonterad röntgengenerator för att skanna produkter som passerar på transportbandet och används främst för förpackade produkter som är högre än breda. Eftersom en nyckelfaktor för detektionskänslighet är produktdjupet som röntgenstrålarna måste passera genom, erbjuder horisontella system vanligtvis bättre detektering för dessa produkter eftersom de kan skanna genom sidan av behållare.

Ett röntgeninspektionssystem är i grunden en skanningsenhet. När en produkt passerar genom systemet med konstant hastighet fångar interna sensorer en 'gråskala'-bild av produkten, som genereras genom att mäta mängden röntgenenergi som når detektorn.

Varje bild består av pixlar och varje pixel har ett värde som betecknar ett värde i gråskalan (från svart 0 till vitt 255). När produkten eller paketet passerar över detektorn byggs varje rad grånivådata om för att ge en komplett produktbild.

Programvara inom röntgensystemet analyserar bilden och jämför den med en förutbestämd acceptabel standard. Baserat på denna jämförelse accepterar eller avvisar systemet antingen bilden och vid avslag skickar programvaran en signal till ett automatiskt refuserat system, som sedan tar bort produkten från produktionslinjen.

Dioderna (detektorns enskilda element) finns i olika storlekar för att ge olika bildupplösning. Mindre dioder kräver högre nivåer av milliampere (mA) för att bibehålla bildkvaliteten, så detta är ofta en kompromiss i detta område.

En av de viktigaste anledningarna till att röntgeninspektion snabbt blir ett vanligt inslag inom livsmedels- och läkemedelsindustrin världen över är att ett brett spektrum av fysiska föroreningar (både metalliska och icke-metalliska) absorberar mer röntgenstrålar än den omgivande produkten och därför syns tydligt på en röntgenbild.

Kontamineringsdetektion är direkt kopplat till produktens och föroreningens densitet. De flesta livsmedel har en liknande densitet som vatten, som har en specifik vikt (SG) på 1,0. Som en allmän regel är det svårt att upptäcka en potentiell förorening i vattnet med röntgenundersökning.

Röntgeninspektion har kapacitet att upptäcka många föroreningar, inklusive glas, mineralsten, förkalkat ben samt högdensitetsplaster och gummiföreningar. Formen, storleken och placeringen av en förorening i en produkt eller typen av förpackning som används kan påverka känslighetsnivåerna. Röntgeninspektion erbjuder också exceptionella nivåer av detektering av rostfritt stål samt järn- och icke-järnmetaller, även i produkter förpackade i burkar, metalliserad film eller folie.

Röntgensystem kan användas för att upptäcka föroreningar i olika skeden av produktionsprocessen, i en rad olika tillämpningar från råvaror i bulkflöde till förpackade färdigmål, samt produkter som pumpas genom en pipeline till produkter i glasburkar, flaskor eller metallburkar.

Röntgensystem kan upptäcka föroreningar i olika storlekar, och sannolikheten för upptäckt varierar beroende på flera faktorer, inklusive materialens tjocklek, homogenitet, densitet och storlek. Till exempel har röntgeninspektionssystem ofta bättre detektionsgrad med homogena produkter, som ost, eftersom de ger klarare bilder jämfört med icke-homogena produkter, såsom en flingpaket med olika komponenter av olika densitet, t.ex. flingor, nötter och torkad frukt.

Röntgensystem inspekterar lösa bulkprodukter innan de packas eller tillsätts som ingredienser till en färdig produkt. Typiska användningsområden inkluderar nötter, extruderade snacks, torkad frukt, processat kött samt spannmål och spannmål.

Känsligheten för detektering i bulkflödesprodukter är vanligtvis bättre än i slutna förpackningar eftersom produktens djup vanligtvis är mycket mindre. Ett enda produktlager, eller ett konstant produktflödesdjup, kan uppnås och förbättrar känsligheten vid detektering.

Man bör ta hänsyn till var dessa maskiner befinner sig på produktionslinjen. Till exempel, när de placeras tidigt i processen kan de inspektera inkommande varor eller råvaror, vilket gör att föroreningar kan tas bort vid källan och omedelbart spåras tillbaka till leverantören. Föroreningar i inkommande varor är som störst och lättast att upptäcka, men längre nedströms finns en risk att de kan brytas upp i mindre, mindre upptäckbara fragment under tillverkningsprocessen, för att inte tala om att de kan utgöra en potentiell risk för skador på maskiner. Att eliminera främmande kroppar tidigt i produktionsprocessen har många fördelar, bland annat att förhindra att ytterligare värde tillförs produkter genom bearbetning och förpackning, vilket minimerar svinn och totala produktionskostnader.

Dessa system är utformade för att inspektera pumpade produkter, vanligtvis vätskor, slurryer och pastor innan slutlig förpackning och ytterligare värde tillförs. Användningsområden inkluderar såser, sylt, köttfä, fågel, choklad, fruktpuré och mejeripålägg.

En stråle skannar produkten när den passerar genom ett rör och detekterar produkt som innehåller en förorening, som sedan leds bort från den goda produkten via en avkastavledarventil. Liksom bulkflödesmaskiner är röntgenledningssystemet vanligtvis placerat uppströms för att inspektera produkten i ett tidigt skede och erbjuder förbättrade detektionsnivåer eftersom produkten är homogen. Att hitta en förorening i ett rörledningssystem är mycket enklare än att hitta den i en glasburk, även om glasförpackning medför egna risker och det kan finnas behov av mer än en Critical Control Point (CCP) på en produktionslinje.

Detaljhandelsprodukter kan inspekteras med en rad röntgensystem beroende på den enskilda tillämpningen. Dessa röntgensystem kan delas in i tre kategorier (eller tre typer av kabinettsystem): vertikala strålsystem, horisontella strålsystem och system som är en kombination av de två.

Vertikala balksystem för förpackade produkter

Röntgeninspektionssystem med vertikala strålar används ofta på bulk- och pipelineproduktionslinjer samt på detaljhandelsprodukter. Förpackade produkter som inspekteras på vertikala balksystem är vanligtvis mindre i djup (dvs. höjd) än i bredd och längd. Vertikala balksystem inspekterar produkter genom deras vertikala tvärsnitt (som har minst produktdjup), vilket gör det lättare att se de interna komponenterna. Bilden som skapas med denna strålgeometri är en planvy av paketet som möjliggör detaljerad analys av paketet, vilket slutligen ger hög känslighet och detektering.

Horisontella balksystem för förpackade produkter

Horisontella röntgensystem används främst för produkter i förpackningar där packets höjd är större än dess bredd (höga, styva behållare). Eftersom en nyckelfaktor för detektionskänslighet är produktdjupet som röntgenstrålarna måste passera genom, resulterar en horisontell skanning vanligtvis i bättre detektionshastigheter för paket av denna design. Horisontella balksystem finns i en- eller flerbalkgeometrier, beroende på den specifika tillämpningen.

Flerbalkssystem

Även om teknologin är densamma (som horisontella strålsystem) kan röntgensystem anpassas för att passa specifika tillämpningar för att optimera sannolikheten för upptäckt i tillämpningar som glasburkar och andra typer av höga och styva behållare.

Två röntgenstrålar från en enda generator (kallad delad stråle) ökar sannolikheten för upptäckt av föroreningar, eftersom två bilder skapas från olika vinklar samtidigt.

Detta är särskilt användbart för förpackningar som metallburkar där det är svårt att upptäcka föroreningar i basen eller sidoväggarna på burken.

Genom att slå två separata detektorer övervinner det delade dubbelstrålesystemet denna utmaning eftersom varje burk avbildas två gånger, och varje bild representerar en annan betraktningsvinkel, vilket ökar täckningen inuti behållaren och sannolikheten för upptäckt.

Dubbla röntgenstrålar från två separata generatorer ökar på liknande sätt detektionen genom att ge bilder från två motsatta vinklar.

Produkter som är förpackade i glasflaskor och burkar är bland de svåraste att inspektera eftersom basen, sidoväggarna och halsen kan orsaka 'blinda fläckar' när de inspekteras med en enda röntgenstråle. Sannolikheten för upptäckt kan förbättras genom att använda flera röntgenstrålar—en kombination av vertikala och horisontella strålar. Till exempel kommer en vertikal och tre horisontella röntgenstrålar att skanna produkten samtidigt för att producera en serie bilder från olika vinklar, vilket minskar döda fläckar och optimerar detekteringen. Strålens orientering kan också optimeras i olika vinklar för att passa behållarens typ och produkttyp.

Att välja rätt balktyp för en specifik applikation är ett komplext beslut och ett "en lösning passar alla"-alternativ är sällan möjligt. Av denna anledning rekommenderas att ytterligare rådgivning inhämtas från erfarna produktinspektionsproffs och i många fall genomförs individuella produkttester.

Tillverkare använder inte bara röntgeninspektion för att upptäcka föroreningar; Röntgensystem kan samtidigt utföra ett brett spektrum av inline-kontroller av produktintegritet och kvalitet.

De ytterligare kontroller ett röntgensystem kan utföra inkluderar:

• Mätning av zonindelad och bruttomassa
• Räkna komponenter
• Identifiera saknade eller trasiga produkter
• Övervakning av fyllnadsnivåer
• Inspektion av tätningsintegritet
• Kontroll av skadad produkt och förpackning
• Upptäckt av agglomerat som smak och pulverklumpar
• Mätning av huvudutrymme

Med allt hårdare livsmedels- och läkemedelssäkerhetsregler ökar efterlevnad och spårbarhet i varje steg av en produkts livscykel i allt större betydelse, och röntgeninspektion används i allt högre grad av tillverkare av välkända varumärken för att upptäcka och avvisa kontaminerade produkter.

Röntgeninspektionssystem kan hitta föroreningar i varje produktionssteg för lösa, bulk-, pump- och förpackade produkter, men teknikens effektivitet beror på produktens densitet, tjocklek och homogenitet.

Röntgenstrålar passerar inte lika lätt genom alla material och att mäta skillnader i absorption mellan produkten och en förorening är grunden för upptäckt av främmande föremål vid röntgeninspektion. Transparensen mellan ett material och röntgenstrålar är i stort sett relaterad till dess densitet – ju tätare en produkt är, desto fler röntgenstrålar absorberas och dolda föroreningar, inklusive främmande ämnen som glas, ben och metall, syns eftersom de absorberar fler röntgenstrålar än den omgivande produkten, vilket innebär att de ser mörkare ut på en gråskalebild.

Även om grundprinciperna för röntgeninspektion är desamma, är det en mångsidig teknik och olika tillämpningar kräver olika röntgensystem. Att välja rätt system är avgörande för att röntgeninspektionen ska lyckas eftersom föroreningar inte kan upptäckas om inte varje element, från strålvinkel till avkastmekanism, har valts för att passa linjen och produkten. En förståelse för de olika formaten och deras lämplighet för olika typer av utmaningar med kontamineringsdetektering ligger därför till grund för systemspecifikation och val.

En sak är dock säker: produkter som framgångsrikt passerar röntgeninspektionssystem stärker livsmedels- och läkemedelstillverkares förtroende för kvaliteten och säkerheten på sina produkter, vilket hjälper dem att uppfylla branschstandarder som Global Food Safety Initiative (GFSI), British Retail Consortium (BRC), Food Safety System Certification 22000 (FSSC 22000), den kinesiska livsmedelssäkerhetslagen och International Featured Standard for Food (IFS).