液面検知におけるマシンビジョン

産業オートメーションにおいて、正確な液面検知は製品品質、プロセス効率、運転安全性を確保するために極めて重要です。非接触かつ高精度な技術であるマシンビジョンは、液体レベル検査における強力なソリューションとして注目されています。本記事では、液面検知のためのマシンビジョンシステムの主要コンポーネントと、それらが業界でどのように応用されているかについて考察します。

液面検知のためのマシンビジョンシステムのコアコンポーネント

カメラ：高精度な画像取得

カメラはシステムの「目」として、液体表面の画像を取得します。液面検知においては 解像度 (微細な変化を捉えるため5MPから20MP)が必要です。 フレームレート (高速ラインでは60+ fps)が重要です。CCDセンサーは暗所に適しており、CMOSセンサーは高スループットに必要な速度を提供します。 グローバルシャッター 可動容器に伴う歪みを防止します。

レンズ：正確性に焦点を当てて

レンズは液体レベルにシャープな焦点を合わせるために重要であり、選定は 動作距離 , 視野 (FOV) および 拡大 に基づきます。狭い画角と高倍率はバイアルなどの小型容器に適しています。テレセントリックレンズは、視差による歪みを最小限に抑え、容器の位置がわずかにずれても液面測定値を一定に保つため最適です。

照明：液体-ガス界面を照らし出す

照明は液体、容器、空気の間のコントラストを生み出します。 バックライト 透明な容器にはバックライトを使用して液面をシルエットで捉える方法が有効です。不透明または非定型の容器の場合、 同軸照明 表面の反射を低減します。 カラフルLED カラフル／反射性液体とのコントラストを高め、拡散によりぎらつきを防ぎます。

画像処理ソフトウェア：データの分析

専用ソフトウェアが画像を処理し、液体のレベルを判断します。アルゴリズムによりエッジを検出し、基準点（容器の上部や液体の表面など）間の距離を測定し、しきい値と比較します。高度なシステムでは、曲がった液面や気泡などの課題を、フィルター処理、パターン認識、または機械学習によって適応的に処理することが可能です。

マシンビジョンによる液面検出の実用例

1. 飲料・食品産業

飲料ボトリング工場では、機械視覚システムによって、水やソーダ、ジュースのボトル充填量を毎分最大1,000本の速度で検査します。コンベヤーベルトの上部または側面に設置されたカメラは、顧客満足度に悪影響を与える恐れのある不足充填（アンダーフィル）や、こぼれや廃棄物を引き起こす過充填（オーバーフィル）をチェックします。例えば、主要なソフトドリンク製造会社では、12MPカメラとバックライトを用いたビジョンシステムを導入し、プラスチックボトルの充填量を±0.5mm以内の精度で一貫性ある状態に保ち、年間の製品廃棄量を3%削減しました。

2. 医薬品および医療機器

医薬品の製造においては、バイアル、注射器、点滴バッグにおける充填量を厳密に管理する必要があります。これにより、投薬量の正確性を確保します。この用途では、マシンビジョンシステムが小型の容器や透明な液体を処理する必要があり、また（例：FDAガイドラインなどの）規格基準にも適合しなければなりません。インスリンペンを製造するある医薬品会社では、1mL注射器内の充填レベルを検出するためにテレセントリックレンズと同軸照明を使用し、±0.02mmの精度を達成しています。これにより、目視検査を排除し、人的誤りを減らしながらバッチ検証を迅速化しています。

3. 化学・石油産業

化学プロセスにおいて、正確な液体レベルの監視は危険物質のあふれを防ぎ、適切な混合比率を確保します。頑丈なカメラ（粉塵、湿気、腐食性ガスに耐性がある）を搭載したマシンビジョンシステムは、酸、溶剤、燃料などを含む大型タンクやドラムを点検します。例えば、石油精製所では、可視光システムと共にサーモグラフィカメラを使用して、高温の貯蔵タンク内の液体レベルを検出します。この環境では、従来のセンサーは極端な熱により故障するため適しません。

4. 自動車および航空宇宙

自動車製造において、マシンビジョンはエンジンオイル、ブレーキ液、冷却液などの液体レベルを車両部品内で検査します。例えば、ラジエーターの組立時に、カメラは密封前に冷却液のレベルが仕様を満たすことを確認し、漏れを防ぎ、エンジン性能を保証します。航空宇宙分野では、この技術は飛行機の油圧作動油タンクを検査し、安全性に不可欠な精度を確保します。

従来の方法に対する利点

マシンビジョンは液面検出においていくつかの主要な利点を提供します：

接触のない測定 ：汚染のリスクを排除するため、無菌環境（例：医薬品業界）に適しています。

高速かつ高精度 ：高速ラインに対応し、サブミリメートルレベルの精度を達成します。

多用途性 ：最小限の再設定でさまざまな容器の形状、サイズ、液体の種類に適応できます。

データ統合 ：プロセス最適化と品質管理レポートのためにリアルタイムデータを提供します。

まとめ

マシンビジョンは、高精度・高速・柔軟性を組み合わせることで液面検出技術を革新しました。適切なカメラ、レンズ、照明システムを選定することにより、従来方式の限界を克服し、製品品質の一貫性を確保することが可能です。飲料の瓶詰めから航空宇宙製造に至るまで、この技術は重要なプロセスにおける効率性と信頼性を高め続けており、現代の自動化において不可欠なツールとなっています。