質量流量計在桶裝液體灌裝線中的實際應用

1、 前言
　　在化工和食品工業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已有大量的應用，由于流量計技術的發展，特別是這幾年我們采用質量流量計計量的成功經驗，我們認為中等容量以上的高精度灌裝采用質量流量計計量更為合理，現介紹我們自主開發的一條采用質量流量計高精度計量強腐蝕粘性液體的自動生產線，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）進料管道進口壓力：≥0.2Mpa，波動范圍±10%
5）整套裝置符合GMP衛生要求
灌裝容量：25L（方桶）；200L（圓桶）；1000L（IBC桶）
灌裝精度：（質量精度）： 0.1%，灌裝精度符合歐洲“OIML R61-1 1996 issue”標準
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——空桶進灌裝工位——檢測定位——灌裝頭下降——灌裝閥打開——開始灌裝——質量計量——到達90%×（設定值-補償值）——調節閥節流變小——到達100%×（設定值-補償值）——灌裝閥關閉——真空吸附——滿桶出灌裝工位——轉向——掛蓋——旋蓋——貼標——碼垛——纏繞——成品輸出
2.3 灌裝系統概述
　　整個灌裝系統有質量流量計、控制閥、灌裝頭、支架、導軌、氣動執行機構、控制系統等組成（見原理圖）

（1）灌裝系統精度
　　灌裝系統精度主要取決于質量流量計的精度、灌裝速度和系統的穩定程度。
（2）過流量控制
　　灌裝時實際灌裝量肯定大于質量流量計的設定流量，必須通過PLC程序的設定，要求流量計提前發出信號來控制灌裝閥的關閉，從而保證實際灌裝量與質量流量計的設定量一致。
（3）流量控制（灌裝速度控制）
　　為了保證灌裝系統的精度，灌裝系統的灌裝速度設計為快慢二檔，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節閥，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計的三位蝶閥，即最大開度（完全開啟）、1/3開度（可手工設定和調節）、完全關閉，其優越性突出，性能穩定。
（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，該灌裝系統設計時采用真空發生器回吸系統確保無滴漏。真空發生器抽吸流量大、結構簡單、成本低、真空產生及解除快、安裝維修方便。
（5）灌裝頭
　　灌裝頭的灌裝閥采用自行設計的氣動截至閥，結構簡單、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物料特性和現場工藝條件決定，對于精度要求很高的灌裝一般只能選擇質量流量計。
　　一臺質量流量計的計量系統包括一臺傳感器和一臺用于信號處理的變送器。質量流量計依據牛頓第二定律：力=質量×加速度（F=ma）
　　如圖2所示，當質量為m的質點以速度V在對P軸作角速度ω旋轉的管道內移動時，質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。由于復合運動，在質點的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對質點作用著一個反向力-Fc=-2ωVm。
　　當密度為ρ的流體在旋轉管道中以恒定速度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。
由于存在關系式：mq=ρVA
所以：ΔFc =2ωqmΔx （2）
因此，直接或間接測量在旋轉管中流動流體的科里奧利力就可以測得質量流量。

圖2
　　綜合性能比較好的質量流量計現有EMERSON、E+H、KROHNE等，對現有灌裝系統的設計流量而言，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定性誤差，即：最大測量誤差=名義測量誤差±零點穩定性誤差。
　　流量計的精度是整個灌裝系統灌裝精度的最關鍵因素，從整個灌裝系統考慮，選用精度較高、重復性較好、性能穩定的質量流量計對保證系統達到設計要求至關重要。
2.5 控制系統組成和控制方案
2.5.1 控制系統組成，見圖3

圖3 自動控制系統組成
2.5.2控制方案說明
　　為盡可能減少現場布線，使系統更合理，功能更完備，操作更方便，在PLC1處設立一個MB+主站，在生產線上輸入輸出設備較為集中的地方設立幾個MB+分站，如上圖。
　　由于系統的灌裝精度要求極高，如果采用一般的流量儀表和模擬量數據采集計算，將無法達到使用要求，因此，我們在方案設計上除了選用國際上知名品牌的質量流量計作為測量儀表外，還在數據采集和控制終端上采用了國際上最先進的施耐德公司的QUANTUM系列產品作為主控制器；為快速采集12臺質量流量計的頻率輸出脈沖，又配置了三個高速計數模塊（5通道/模塊，100kHz），其采集速度快，硬件配置簡單、方便。
3 整條生產線特點
（1）整條線主體材質為316L,流體密封采用EPDM，滿足防強腐蝕和食品級的要求。
（2）自動化程度高，控制技術先進。
（3）采用質量流量計的灌裝速度是電子稱重式的接近兩倍；
（4）采用質量流量計的灌裝精度比電子稱重式的更高，最高達到0.1%以內,而且正負偏差可以人為設定；
（5）設備簡潔，占地面積小，工作可靠，維修少。
4 結論
　　對于大容量液體的高精度灌裝采用質量流量計計量是一種可靠、簡潔的技術方案，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。