Development of a high-speed sensing and detection system for automatic removal of packages with leaky seals from a high-speed food processing and packaging line

Contamination of packaged foods due to micro-organisms entering through air leaks can cause serious public health issues and cost companies large amounts of money due to product recalls, consumer impact and subsequent loss of market share. The main source of contamination is leaks in packaging which allow air, moisture and microorganisms to enter the package. In the food processing and packaging industry worldwide, there is an increasing demand for cost effective state of the art inspection technologies that are capable of reliably detecting leaky seals and delivering products at six-sigma. The new technology will develop non-destructive testing technology using digital imaging and sensing combined with a differential vacuum technique to assess seal integrity of food packages on a high-speed production line. The cost of leaky packages in Australian food industries is estimated close to AUD $35 Million per year. Contamination of packaged foods due to micro-organisms entering through air leaks can cause serious public health issues and cost companies large sums of money due to product recalls, compensation claims and loss of market share. The main source of contamination is leaks in packaging which allow air, moisture and micro-organisms to enter the package. Flexible plastic packages are widely used, and are the least expensive form of retaining the quality of the product. These packets can be used to seal, and therefore maximise, the shelf life of both dry and moist products. The seals of food packages need to be airtight so that the food content is not contaminated due to contact with microorganisms that enter as a result of air leakage. Airtight seals also extend the shelf life of packaged foods, and manufacturers attempt to prevent food products with leaky seals being sold to consumers. There are many current NDT (non-destructive testing) methods of testing the seal of flexible packages best suited to random sampling, and for laboratory purposes. The three most commonly used methods are vacuum/pressure decay, bubble test, and helium leak detection. Although these methods can detect very fine leaks, they are limited by their high processing time and are not viable in a production line. Two nondestructive in-line packaging inspection machines are currently available and are discussed in the literature review. The detailed design and development of the High-Speed Sensing and Detection System (HSDS) is the fundamental requirement of this project and the future prototype and production unit. Successful laboratory testing was completed and a methodical design procedure was needed for a successful concept. The Mechanical tests confirmed the vacuum hypothesis and seal integrity with good consistent results. Electrically, the testing also provided solid results to enable the researcher to move the project forward with a certain amount of confidence. The laboratory design testing allowed the researcher to confirm theoretical assumptions before moving into the detailed design phase. Discussion on the development of the alternative concepts in both mechanical and electrical disciplines enables the researcher to make an informed decision. Each major mechanical and electrical component is detailed through the research and design process. The design procedure methodically works through the various major functions both from a mechanical and electrical perspective. It opens up alternative ideas for the major components that although are sometimes not practical in this application, show that the researcher has exhausted all engineering and functionality thoughts. Further concepts were then designed and developed for the entire HSDS unit based on previous practice and theory. In the future, it would be envisaged that both the Prototype and Production version of the HSDS would utilise standard industry available components, manufactured and distributed locally. Future research and testing of the prototype unit could result in a successful trial unit being incorporated in a working food processing production environment. Recommendations and future works are discussed, along with options in other food processing and packaging disciplines, and other areas in the non-food processing industry.

Simulation of AE wave propagation in thin plate for source identification

In most materials, short stress waves are generated during the process of plastic deformation, phase transformation, crack formation and crack growth. These phenomena are applied in acoustic emission (AE) for the detection of material defects in wide spectrum areas, ranging from non-destructive testing for the detection of materials defects to monitoring of microeismical activity. AE technique is also used for defect source identification and for failure detection. AE waves consist of P waves (primary/longitudinal waves), S waves (shear/transverse waves) and Rayleight (surface) waves as well as reflected and diffracted waves. The propagation of AE waves in various modes has made the determination of source location difficult. In order to use the acoustic emission technique for accurate identification of source location, an understanding of wave propagation of the AE signals at various locations in a plate structure is essential. Furthermore, an understanding of wave propagation can also assist in sensor location for optimum detection of AE signals. In real life, as the AE signals radiate from the source it will result in stress waves. Unless the type of stress wave is known, it is very difficult to locate the source when using the classical propagation velocity equations. This paper describes the simulation of AE waves to identify the source location in steel plate as well as the wave modes. The finite element analysis (FEA) is used for the numerical simulation of wave propagation in thin plate. By knowing the type of wave generated, it is possible to apply the appropriate wave equations to determine the location of the source. For a single plate structure, the results show that the simulation algorithm is effective to simulate different stress waves.

Design and control of MIRA: A lightweight climbing robot for ship inspection

The inspection of marine vessels is currently performed manually. Inspectors use tools (e.g. cameras and devices for non-destructive testing) to detect damaged areas, cracks, and corrosion in large cargo holds, tanks, and other parts of a ship. Due to the size and complex geometry of most ships, ship inspection is time-consuming and expensive. The EU-funded project INCASS develops concepts for a marine inspection robotic assistant system to improve and automate ship inspections. In this paper, we introduce our magnetic wall–climbing robot: Marine Inspection Robotic Assistant (MIRA). This semiautonomous lightweight system is able to climb a vessels steel frame to deliver on-line visual inspection data. In addition, we describe the design of the robot and its building subsystems as well as its hardware and software components.

A magnetic climbing robot for marine inspection services

Currently, the inspection of sea-going vessels is performed manually. Ship surveyors do a visual inspection; in some cases they also use cameras and non-destructive testing methods. Prior to a ship surveying process a lot of scaffolding has to be provided in order to make every spot accessible for the surveyor. In this work a robotic system is presented, which is able to access many areas of a cargo hold of a ship and perform visual inspection without any scaffolding. The paper also describes how the position of the acquired data is estimated with an optical 3D tracking unit and how critical points on the hull can be marked via a remote controlled marker device. Furthermore first results of onboard tests with the system are provided.

Statistical, electrical and mathematical analysis of water treed cross-linked polyethylene cable insulation

This work examined a new method of detecting small water filled cracks in underground insulation ('water trees') using data from commecially available non-destructive testing equipment. A testing facility was constructed and a computer simulation of the insulation designed in order to test the proposed ageing factor - the degree of non-linearity. This was a large industry-backed project involving an ARC linkage grant, Ergon Energy and the University of Queensland, as well as the Queensland University of Technology.

Leak Detection In Pressure Tubes Of A Pressurized Heavy-Water Reactor By Acoustic-Emission Technique

Leak detection in the fuel channels is one of the challenging problems during the in-service inspection (ISI) of Pressurised Heavy Water Reactors (PHWRs). In this paper, the use of an acoustic emission (AE) technique together with AE signal analysis is described, to detect a leak that was ncountered in one (or more) of the 306 fuel channels of the Madras Atomic Power Station (PHWR), Unit I. The paper describes the problems encountered during the ISI, the experimental methods adopted and the results obtained. Results obtained using acoustic emission signal analysis are compared with those obtained from other leak detection methods used in such cases.

Model track studies on fouled ballast using ground penetrating radar and multichannel analysis of surface wave

Ballast fouling is created by the breakdown of aggregates or outside contamination by coal dust from coal trains, or from soil intrusion beneath rail track. Due to ballast fouling, the conditions of rail track can be deteriorated considerably depending on the type of fouling material and the degree of fouling. So far there is no comprehensive guideline available to identify the critical degree of fouling for different types of fouling materials. This paper presents the identification of degree of fouling and types of fouling using non-destructive testing, namely seismic surface-wave and ground penetrating radar (GPR) survey. To understand this, a model rail track with different degree of fouling has been constructed in Civil engineering laboratory, University of Wollongong, Australia. Shear wave velocity obtained from seismic survey has been employed to identify the degree of fouling and types of fouling material. It is found that shear wave velocity of fouled ballast increases initially, reaches optimum fouling point (OFP), and decreases when the fouling increases. The degree of fouling corresponding after which the shear wave velocity of fouled ballast will be smaller than that of clean ballast is called the critical fouling point (CFP). Ground penetrating radar with four different ground coupled antennas (500 MHz, 800 MHz, 1.6 GHz and 2.3 GHz) was also used to identify the ballast fouling condition. It is found that the 800 MHz ground coupled antenna gives a better signal in assessing the ballast fouling condition. Seismic survey is relatively slow when compared to GPR survey however it gives quantifiable results. In contrast, GPR survey is faster and better in estimating the depth of fouling. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Simulações de problemas inversos com aplicações em engenharia nuclear usando técnicas de transporte de partículas neutras monoenergéticas na formulação unidimensional de ordenadas discretas

Neste trabalho, três técnicas para resolver numericamente problemas inversos de transporte de partículas neutras a uma velocidade para aplicações em engenharia nuclear são desenvolvidas. É fato conhecido que problemas diretos estacionários e monoenergéticos de transporte são caracterizados por estimar o fluxo de partículas como uma função-distribuição das variáveis independentes de espaço e de direção de movimento, quando os parâmetros materiais (seções de choque macroscópicas), a geometria, e o fluxo incidente nos contornos do domínio (condições de contorno), bem como a distribuição de fonte interior são conhecidos. Por outro lado, problemas inversos, neste trabalho, buscam estimativas para o fluxo incidente no contorno, ou a fonte interior, ou frações vazio em barras homogêneas. O modelo matemático usado tanto para os problemas diretos como para os problemas inversos é a equação de transporte independente do tempo, a uma velocidade, em geometria unidimensional e com o espalhamento linearmente anisotrópico na formulação de ordenadas discretas (SN). Nos problemas inversos de valor de contorno, dado o fluxo emergente em um extremo da barra, medido por um detector de nêutrons, por exemplo, buscamos uma estimativa precisa para o fluxo incidente no extremo oposto. Por outro lado, nos problemas inversos SN de fonte interior, buscamos uma estimativa precisa para a fonte armazenada no interior do domínio para fins de blindagem, sendo dado o fluxo emergente no contorno da barra. Além disso, nos problemas inversos SN de fração de vazio, dado o fluxo emergente em uma fronteira da barra devido ao fluxo incidente prescrito no extremo oposto, procuramos por uma estimativa precisa da fração de vazio no interior da barra, no contexto de ensaios não-destrutivos para aplicações na indústria. O código computacional desenvolvido neste trabalho apresenta o método espectronodal de malha grossa spectral Greens function (SGF) para os problemas diretos SN em geometria unidimensional para gerar soluções numéricas precisas para os três problemas inversos SN descritos acima. Para os problemas inversos SN de valor de contorno e de fonte interior, usamos a propriedade da proporcionalidade da fuga de partículas; ademais, para os problemas inversos SN de fração de vazio, oferecemos a técnica a qual nos referimos como o método físico da bissecção. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a precisão das três técnicas, conforme descrito nesta tese.

Estimativa de espessura do concreto utilizando o método do eco - impacto

Nesta pesquisa utilizou-se um equipamento experimental que utiliza o método do eco-impacto produzido no Laboratório de Ensaios Físicos do Instituto Politécnico do Rio de Janeiro (UERJ/IPRJ), para estimar a espessuras de placas de concreto através da propagação de ondas de tensão geradas por um impacto. Para determinação dessa espessura, foram investigados vários mecanismos de estruturação do protótipo do equipamento com objetivo de se obter a melhor leitura possível, por meio das literaturas existentes. Entre parâmetros avaliados no estudo, estava o modelo de sensor a ser utilizado, o tipo de impactor, a precisão relacionada à aquisição de dados e o tratamento do mesmo, a distância entre o ponto de impacto e o transdutor (sensor), e o local de teste. Os resultados experimentais concordam com as previsões teóricas e revelam que este método é eficiente para análise de estrutura de concreto. A análise da espessura e resposta em frequência de um novo protótipo desenvolvido e os testes realizados possibilitou um erro médio de espessura real para amostras sem agregados de 0,39% e para as amostras com agregados com de 0,64%. Esses resultados apontam que o equipamento produzido tem potencial e que o mesmo pode ser utilizado para avaliação de estrutura de concreto.

Estudo da inspeção e caracterização de materiais compósitos por ultrassom

O presente trabalho foi desenvolvido com o intuito de estudar a utilização do método de ensaio não destrutivo de ultrassom para inspecionar e caracterizar materiais compósitos. Os objetivos principais da pesquisa foram medir a espessura, encontrar e dimensionar delaminações em reparo de material compósito laminado para tubulações e medir a velocidade do som no concreto para o cálculo do módulo de elasticidade. Inicialmente foram estudados os parâmetros físicos relevantes inerentes a cada material para o método de ultrassom, para então estabelecer uma metodologia de inspeção. A técnica de pulso-eco foi capaz de encontrar as descontinuidades no compósito laminado. Para a determinação do módulo de elasticidade do concreto, a técnica de transmissão foi utilizada obtendo-se resultados satisfatórios.

Caracterização de um sistema digital de aquisição de imagens radiográficas utilizando nêutrons térmicos e raios gama para a inspeção de componentes mecânicos.

Ensaio não destrutivo é uma ferramenta essencial quando um equipamento, dispositivo ou componente não pode ser submetido a procedimentos destrutivos ou invasivos devido a razões de segurança, alto custo ou outras restrições físicas ou logísticas. Dentro deste quadro radiografias por transmissão com raios gama e nêutrons térmicos são técnicas singulares para inspecionar um objeto e desvendar sua estrutura interna devido à capacidade de atravessar uma vasta gama de materiais utilizados na indústria. Grosso modo, raios gama são mais atenuados por materiais pesados enquanto nêutrons térmicos são mais atenuados por materiais mais leves, tornando-as ferramentas complementares. Este trabalho apresenta os resultados obtidos na inspeção de vários componentes mecânicos, através da radiografia por transmissão com nêutrons térmicos e raios gama. O fluxo de nêutrons térmicos de 4,46x105 n.cm-2.s-1 disponível no canal principal do reator de pesquisa Argonauta do Instituto de Engenharia Nuclear foi usado como fonte para as imagens radiográficas com nêutrons. Raios dekeV emitidos pelo 198Au, também produzido no reator, foram usados como fonte de radiação para radiografias . Imaging Plates, especificamente produzidos para operar com nêutrons térmicos ou com raios X, foram empregados como detectores e dispositivos de armazenamento e captação de imagens para cada uma dessas radiações. Esses dispositivos exibem varias vantagens quando comparados ao filme radiográfico convencional. Com efeito, além de maior sensibilidade e serem reutilizáveis não são necessários câmaras escuras e processamento químico para a revelação. Em vez disso, ele é lido por um feixe de laser que libera elétrons armadilhados na rede cristalina durante a exposição à radiação, fornecendo uma imagem final digital. O desempenho de ambos os sistemas de aquisição de imagens, assim constituído, foi avaliado com respeito à sensibilidade, resolução espacial, linearidade e range dinâmico, incluído uma comparação com sistemas radiográficos com nêutrons empregando filmes e folhas de gadolínio como conversor de nêutrons em partículas carregadas. Além desta caracterização, diversos equipamentos e componentes foram radiografados com ambos os sistemas visando-se avaliar suas capacidades de desvendar a estrutura interna desses objetos e detectar estruturas e estados anormais. Dentro desta abordagem, uma neutrongrafia detectou a presença de material cerâmico remanescente empregado como molde no processo de fabricação nos canais de refrigeração de uma aleta do estator de uma turbina tipo turbo-fan, que deveria estar livre desse material. O reostato danificado de um sensor de pressão automotivo, foi identificado por neutrongrafia, embora nesse caso a radiografia também conseguiu realizar essa tarefa com melhor resolução, corroborando assim as curvas de resolução espacial obtidas na caracterização dos dois sistemas. A homogeneidade da distribuição do material encapsulado em uma gaxeta explosiva de chumbo utilizada na indústria aeroespacial foi igualmente verificada por neutrongrafia porque esse metal é relativamente transparente para nêutrons, mas suficientemente opaco para o explosivo rico em hidrogênio. Diversos outros instrumentos e componentes tais como variômetro, altímetro, bússola aeronáutica, injetor automotivo de combustível, foto-camera, disco rígido de computador, motor de passo, conectores eletrônicos e projéteis foram radiografados com ambos os sistemas visando avaliar suas habilidades em desvendar diferentes peculiaridades em função do agente interrogador.

Microbial carbonate precipitation: Correlation of S-wave velocity with calcite precipitation

The use of microbial induced precipitation as a soil improvement technique has been growing in geotechnical domains where ureolytic bacteria that raise the pH of the system and induce calcium carbonate (CaCO3) precipitation are used. For many applications, it is useful to assess the degree of CaCO 3 precipitation by non-destructive testing. This study investigates the feasibility of S-wave velocity measurements to evaluate the amount of calcite precipitation by laboratory testing. Two sets of cemented specimen were tested. The first were samples terminated at different stages of cementation. The second were samples that went through different chemical treatments. These variations were made to find out if these factors would affect the S-wave velocity- cementation relationship. If chemical reaction efficiency was assumed to be constant throughout each test, the relationship between S-wave velocity (Vs) and the amount of CaCO3 precipitation was found to be approximately linear. This correlation between S-wave velocity and calcium carbonate precipitation validates its use as an indicator of the amount of calcite precipitation © 2011 ASCE.