高精度桶裝液體灌裝生產(chǎn)線的研制

摘要：本文主要介紹了質(zhì)量流量計在桶裝液體灌裝線中的應(yīng)用，以及整條自動灌裝生產(chǎn)線的特點。
關(guān)鍵詞：質(zhì)量流量計；高精度計量；桶裝；灌裝生產(chǎn)線；控制系統(tǒng)
1、 前言
在化工和食品工業(yè)中桶裝液體的灌裝非常普遍，對于中等以上的灌裝量(10Kg以上),灌裝方式一般采用電子稱重式和流量計式,其中電子稱重方式國內(nèi)已有大量的應(yīng)用，由于流量計技術(shù)的發(fā)展,特別是這幾年我們采用質(zhì)量流量計計量的成功經(jīng)驗,我們認(rèn)為中等容量以上的高精度灌裝采用質(zhì)量流量計計量更為合理，現(xiàn)介紹我們自主開發(fā)的一條采用質(zhì)量流量計高精度計量強腐蝕粘性液體的自動生產(chǎn)線，該線幾乎涵蓋桶裝液體灌裝線的各方面功能，具有典型意義。
2、灌裝生產(chǎn)線概述
2.1 物料特性及工藝條件
1）灌裝物料溫度： 5~35℃
2）物料密度：有機酸約1.2g/cm3、有機酸鹽約1.3g/cm3
3）物料粘度：有機酸約50CP、有機酸鹽約150CP
4）進(jìn)料管道進(jìn)口壓力：≥0.2Mpa，波動范圍±10%
5）整套裝置符合GMP衛(wèi)生要求
灌裝容量：25L（方桶）；200L（圓桶）；1000L（IBC桶）
灌裝精度：（質(zhì)量精度）： 0.1%，灌裝精度符合歐洲“OIML R61-1 1996 issue”標(biāo)準(zhǔn)
灌裝速度：25L桶（30Kg）：6桶/分鐘；200L桶(250 Kg)：1桶/分鐘；1000L桶（1200 Kg）：1桶/4分鐘
2.2 工藝流程
空桶整理——空桶進(jìn)灌裝工位——檢測定位——灌裝頭下降——灌裝閥打開——開始灌裝——質(zhì)量計量——到達(dá)90%×（設(shè)定值-補償值）——調(diào)節(jié)閥節(jié)流變小——到達(dá)100%×（設(shè)定值-補償值）——灌裝閥關(guān)閉——真空吸附——滿桶出灌裝工位——轉(zhuǎn)向——掛蓋——旋蓋——貼標(biāo)——碼垛——纏繞——成品輸出
2.3 灌裝系統(tǒng)概述
整個灌裝系統(tǒng)有質(zhì)量流量計、控制閥、灌裝頭、支架、導(dǎo)軌、氣動執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成（見原理圖）
（1）灌裝系統(tǒng)精度
灌裝系統(tǒng)精度主要取決于質(zhì)量流量計的精度、灌裝速度和系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。
（2）過流量控制
灌裝時實際灌裝量肯定大于質(zhì)量流量計的設(shè)定流量，必須通過PLC程序的設(shè)定，要求流量計提前發(fā)出信號來控制灌裝閥的關(guān)閉，從而保證實際灌裝量與質(zhì)量流量計的設(shè)定量一致。
（3）流量控制（灌裝速度控制）
為了保證灌裝系統(tǒng)的精度，灌裝系統(tǒng)的灌裝速度設(shè)計為快慢二檔，流量控制閥通過控制流量大小自動控制灌裝速度的快慢。由于該控制閥的開度精確量不會影響到灌裝精度，使用目前市場上的自動調(diào)節(jié)閥，既成本昂貴且體積巨大安裝不便又需要增加控制要求，所以流量控制閥采用自行設(shè)計的三位蝶閥，即最大開度（完全開啟）、1/3開度（可手工設(shè)定和調(diào)節(jié)）、完全關(guān)閉，其優(yōu)越性突出，性能穩(wěn)定。
（4）防滴漏
灌裝完畢后，殘留在灌裝頭表面的粘性物料要一定的時間才能流盡，這樣物料就會滴到容器外表造成污染，該灌裝系統(tǒng)設(shè)計時采用真空發(fā)生器回吸系統(tǒng)確保無滴漏。真空發(fā)生器抽吸流量大、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、真空產(chǎn)生及解除快、安裝維修方便。
（5）灌裝頭
灌裝頭的灌裝閥采用自行設(shè)計的氣動截至閥，結(jié)構(gòu)簡單、開合迅速、易清洗、密封好，采用氟橡膠密封符合食品級。

2.4 流量計選擇
流量計種類繁多，流量計的選擇主要根據(jù)物料特性和現(xiàn)場工藝條件決定，對于精度要求很高的灌裝一般只能選擇質(zhì)量流量計。
一臺質(zhì)量流量計的計量系統(tǒng)包括一臺傳感器和一臺用于信號處理的變送器。質(zhì)量流量計依據(jù)牛頓第二定律：力=質(zhì)量×加速度（F=ma）
如圖2所示，當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)點以速度V在對P軸作角速度ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動時，質(zhì)點受兩個分量的加速度及其力：
（1）法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于2ωr，朝向P軸；
（2）切向角速度αt，即科里奧利加速度，其值等于2ωV，方向與αr垂直。由于復(fù)合運動，在質(zhì)點的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對質(zhì)點作用著一個反向力-Fc=-2ωVm。
當(dāng)密度為ρ的流體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度V流動時，任何一段長度Δx的管道將受到一個切向科里奧利力ΔFc：
ΔFc=2ωVρAΔx （1）
式中，A—管道的流通截面積。
由于存在關(guān)系式：mq=ρVA
所以：ΔFc =2ωqmΔx （2）
因此，直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管中流動流體的科里奧利力就可以測得質(zhì)量流量。

圖2

綜合性能比較好的質(zhì)量流量計現(xiàn)有EMERSON、E+H、KROHNE等，對現(xiàn)有灌裝系統(tǒng)的設(shè)計流量而言，流量計本身的計量誤差有兩部分組成：名義測量誤差和零點穩(wěn)定性誤差，即：最大測量誤差=名義測量誤差±零點穩(wěn)定性誤差。
流量計的精度是整個灌裝系統(tǒng)灌裝精度的最關(guān)鍵因素，從整個灌裝系統(tǒng)考慮，選用精度較高、重復(fù)性較好、性能穩(wěn)定的質(zhì)量流量計對保證系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求至關(guān)重要。
2.5 控制系統(tǒng)組成和控制方案
2.5.1 控制系統(tǒng)組成，見圖3

圖3 自動控制系統(tǒng)組成