質(zhì)量流量計(jì)在桶裝液體灌裝線中的實(shí)際應(yīng)用

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(duì)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(jì)式,其中電子稱重方式國(guó)內(nèi)已有大量的應(yīng)用，由于流量計(jì)技術(shù)的發(fā)展，特別是這幾年我們采用質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量的成功經(jīng)驗(yàn)，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(jì)計(jì)量更為合理，現(xiàn)介紹我們自主開(kāi)發(fā)的一條采用質(zhì)量流量計(jì)高精度計(jì)量強(qiáng)腐蝕粘性液體的自動(dòng)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(jī)酸約1.2g/cm3、有機(jī)酸鹽約1.3g/cm3
3）物料粘度：有機(jī)酸約50CP、有機(jī)酸鹽約150CP
4）進(jìn)料管道進(jìn)口壓力：≥0.2Mpa，波動(dòng)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(cè)定位——灌裝頭下降——灌裝閥打開(kāi)——開(kāi)始灌裝——質(zhì)量計(jì)量——到達(dá)90%×（設(shè)定值-補(bǔ)償值）——調(diào)節(jié)閥節(jié)流變小——到達(dá)100%×（設(shè)定值-補(bǔ)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(gè)灌裝系統(tǒng)有質(zhì)量流量計(jì)、控制閥、灌裝頭、支架、導(dǎo)軌、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成（見(jiàn)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(jì)的精度、灌裝速度和系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。
（2）過(guò)流量控制
　　灌裝時(shí)實(shí)際灌裝量肯定大于質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)定流量，必須通過(guò)PLC程序的設(shè)定，要求流量計(jì)提前發(fā)出信號(hào)來(lái)控制灌裝閥的關(guān)閉，從而保證實(shí)際灌裝量與質(zhì)量流量計(jì)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(jì)為快慢二檔，流量控制閥通過(guò)控制流量大小自動(dòng)控制灌裝速度的快慢。由于該控制閥的開(kāi)度精確量不會(huì)影響到灌裝精度，使用目前市場(chǎng)上的自動(dòng)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(jì)的三位蝶閥，即最大開(kāi)度（完全開(kāi)啟）、1/3開(kāi)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(shí)間才能流盡，這樣物料就會(huì)滴到容器外表造成污染，該灌裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用真空發(fā)生器回吸系統(tǒng)確保無(wú)滴漏。真空發(fā)生器抽吸流量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)的氣動(dòng)截至閥，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)合迅速、易清洗、密封好，采用氟橡膠密封符合食品級(jí)。
2.4 流量計(jì)選擇
　　流量計(jì)種類繁多，流量計(jì)的選擇主要根據(jù)物料特性和現(xiàn)場(chǎng)工藝條件決定，對(duì)于精度要求很高的灌裝一般只能選擇質(zhì)量流量計(jì)。
　　一臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量系統(tǒng)包括一臺(tái)傳感器和一臺(tái)用于信號(hào)處理的變送器。質(zhì)量流量計(jì)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(diǎn)以速度V在對(duì)P軸作角速度ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)受兩個(gè)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(yùn)動(dòng)，在質(zhì)點(diǎn)的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對(duì)質(zhì)點(diǎn)作用著一個(gè)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(dòng)時(shí)，任何一段長(zhǎng)度Δx的管道將受到一個(gè)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(cè)量在旋轉(zhuǎn)管中流動(dòng)流體的科里奧利力就可以測(cè)得質(zhì)量流量。

圖2
　　綜合性能比較好的質(zhì)量流量計(jì)現(xiàn)有EMERSON、E+H、KROHNE等，對(duì)現(xiàn)有灌裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量而言，流量計(jì)本身的計(jì)量誤差有兩部分組成：名義測(cè)量誤差和零點(diǎn)穩(wěn)定性誤差，即：最大測(cè)量誤差=名義測(cè)量誤差±零點(diǎn)穩(wěn)定性誤差。
　　流量計(jì)的精度是整個(gè)灌裝系統(tǒng)灌裝精度的最關(guān)鍵因素，從整個(gè)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(jì)對(duì)保證系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)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(jiàn)圖3

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成
2.5.2控制方案說(shuō)明
　　為盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)布線，使系統(tǒng)更合理，功能更完備，操作更方便，在PLC1處設(shè)立一個(gè)MB+主站，在生產(chǎn)線上輸入輸出設(shè)備較為集中的地方設(shè)立幾個(gè)MB+分站，如上圖。
　　由于系統(tǒng)的灌裝精度要求極高，如果采用一般的流量?jī)x表和模擬量數(shù)據(jù)采集計(jì)算，將無(wú)法達(dá)到使用要求，因此，我們?cè)诜桨冈O(shè)計(jì)上除了選用國(guó)際上知名品牌的質(zhì)量流量計(jì)作為測(cè)量?jī)x表外，還在數(shù)據(jù)采集和控制終端上采用了國(guó)際上最先進(jìn)的施耐德公司的QUANTUM系列產(chǎn)品作為主控制器；為快速采集12臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)的頻率輸出脈沖，又配置了三個(gè)高速計(jì)數(shù)模塊（5通道/模塊，100kHz），其采集速度快，硬件配置簡(jiǎn)單、方便。
3 整條生產(chǎn)線特點(diǎn)
（1）整條線主體材質(zhì)為316L,流體密封采用EPDM，滿足防強(qiáng)腐蝕和食品級(jí)的要求。
（2）自動(dòng)化程度高，控制技術(shù)先進(jìn)。
（3）采用質(zhì)量流量計(jì)的灌裝速度是電子稱重式的接近兩倍；
（4）采用質(zhì)量流量計(jì)的灌裝精度比電子稱重式的更高，最高達(dá)到0.1%以內(nèi),而且正負(fù)偏差可以人為設(shè)定；
（5）設(shè)備簡(jiǎn)潔，占地面積小，工作可靠，維修少。
4 結(jié)論
　　對(duì)于大容量液體的高精度灌裝采用質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量是一種可靠、簡(jiǎn)潔的技術(shù)方案，和電子稱重式比較具有更高的灌裝精度和灌裝速度，且投資少，是一種值得推廣的灌裝技術(shù)。