洗瓶機堿溶液濃度在線測量儀的研制*

王 玥，李宏義

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，河南 新鄉(xiāng) 453006）

洗瓶是啤酒工藝流程中不可缺少的重要一環(huán)，瓶子的清洗是否達到工藝要求直接影響到生產(chǎn)成本和啤酒的質(zhì)量。洗瓶工藝一般是先預浸泡，對瓶子進行升溫，清除瓶上附著的浮物，再傳送到堿槽，經(jīng)過堿液的化學作用，滅菌并去除瓶子內(nèi)外的臟物、霉斑、油脂、商標等，最后經(jīng)過清水噴淋將堿液除去。堿液濃度一般是2.5%，溫度為75～85℃，如果不能按機型技術(shù)參數(shù)控制堿液溫度和濃度，就會出現(xiàn)出瓶掛標和瓶內(nèi)壁有異物。堿液除標的機理是堿液滲透標紙分解膠體，堿液也同時從標貼側(cè)面滲入，剝離商標。堿液濃度如果太低就不能去除污物和瓶標，濃度太高既浪費了苛性堿又容易將瓶標溶成紙漿進入堿液，影響堿液循環(huán)利用。堿液濃度逐漸降低，需及時添加。堿液屬于強腐蝕性化學品，人工向洗瓶機添加堿液時，必須戴手套、眼鏡等防護器具，要求工人精神高度集中，否則容易出現(xiàn)事故。隨著啤酒、飲料業(yè)的迅速發(fā)展，包裝生產(chǎn)線自動化程度要求越來越高，洗瓶機迫切要求采用自動添加堿液技術(shù)來代替人工操作。圖1是人工加堿和采用自動加堿工藝的對比曲線。

通過曲線可以看出采用自動加堿方式明顯減少了堿的浪費和瓶洗不凈的問題。由于在洗瓶過程中不斷消耗堿液，故在連續(xù)生產(chǎn)中，需不斷補充濃堿液，并在線檢測和實時控制堿液濃度，以達到穩(wěn)定良好的洗瓶效果，因此在線檢測堿液濃度是實現(xiàn)自動加堿的前提。

圖1 典型濃度運行曲線

1 電解質(zhì)溶液濃度與電導率的關(guān)系

不同的電解質(zhì)溶液有不同的導電能力，當電流通過電解質(zhì)溶液時呈現(xiàn)出與金屬一樣的電阻Rs，溶液的電導G用其電阻Rs的倒數(shù)表示:

式中，L—電解質(zhì)溶液的導電長度(cm);

A—電解質(zhì)溶液的導電截面積(cm2);

S—電解質(zhì)溶液的電導率(S/cm)。

S與溶液的濃度有關(guān):

式中，λ—當量電導率(Sl/cm);

χ—溶液濃度(g/l);

δ—溶質(zhì)的克當量(g)

可以看出，當 λ、s為常數(shù)時，電導率S僅是濃度x的函數(shù)。當溶液濃度較低時，當量電導率λ近似為常數(shù)，故電導率S與濃度x接近線性關(guān)系，通過測量溶液的電導率就可以計算出溶液的濃度。但溶液的溫度對電解質(zhì)溶液的電導率產(chǎn)生較大的影響，溶液的電導率、電離度、濃度和溫度之間的關(guān)系比較復雜，很難精確計算，還有啤酒廠采購的NaOH純度也影響測量的準確性，因此采用通過實驗來測定各種不同濃度溶液的電導率的方法，將測定的數(shù)據(jù)制成數(shù)據(jù)庫供程序調(diào)用。

2 測量系統(tǒng)單元設計

測量溶液的電導率如果采用常規(guī)的電極類電導率計，電極易發(fā)生極化作用，在電極表面形成雙電層或使電極附近溶液的濃度發(fā)生變化，而且電極易被污染或結(jié)垢，使其測量準確性大大降低，甚至無法測量，尤其在強腐蝕性和高濃度溶液中更加突出。因此，只能采用非接觸式測量，用耐腐蝕材料將傳感部件密封起來，避免電極腐蝕極化。

該系統(tǒng)通過電磁感應原理檢測堿液電導率變化，來實現(xiàn)對堿液濃度的測量。該測量儀探頭由初、次級線圈構(gòu)成一個變壓器，每個線圈各自繞在一個直徑50mm的鐵氧體磁環(huán)上，每個磁環(huán)用漆包線均勻繞500匝，用耐酸耐堿抗高溫的聚四氟乙烯棒材加工出一個外殼，將兩磁環(huán)疊放在一起放進外殼內(nèi)，并將一個Pt100鉑電阻放在磁環(huán)附近，灌入樹脂，將它們和外殼澆注成一體，但磁環(huán)孔要通透，堿液會在該孔內(nèi)形成一個渦流，是測量儀工作的關(guān)鍵。它的電路原理圖如圖2所示。

圖2 電磁式濃度測量儀原理圖

加在探頭初級的激勵信號由AD9833芯片產(chǎn)生。AD9833是ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波輸出，輸出頻率和相位都可通過軟件編程，易于調(diào)節(jié)。利用Mega88PA的PB0輸出的1MHz時鐘信號做主頻時鐘時，輸出波形精度可以達到0.004Hz。根據(jù)實驗優(yōu)化，采用10KHz正弦波作為初級激勵源，探頭次級感應到的交流信號通過LTC1967轉(zhuǎn)換成直流信號送給Mega88PA的ADC1進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。凌力爾特公司的單片真有效值/直流轉(zhuǎn)換器(RMS－DC)LTC1967在轉(zhuǎn)換過程中采用△∑計算技術(shù)，具有很好的穩(wěn)定性。接受單端或差動輸入信號(可抑制EMI/RFI)，差動輸入范圍為1Vp－p，具有優(yōu)異的線性度。LTC1967對電路板的焊接方式、應力及工作溫度都不敏感，為得到精確的交流信號有效值提供了保證。AD9833在 Mega88PA控制下產(chǎn)生10KHz的交流電壓驅(qū)動傳感器中的勵磁繞組(初級)，在環(huán)狀的被測溶液中產(chǎn)生感生電流，該感生電流又在檢測繞組(次級)中產(chǎn)生交變感生電動勢，該感生電動勢與被測溶液的電導率成正比。將這個感生電動勢通過真有效值/直流轉(zhuǎn)換器整流后由Mega88PA采樣，同時溫度傳感器也將溶液溫度信號送至Mega88PA進行采樣和依照溶液的特性曲線，進行高精度的(每0.5℃校正一次)溫度補償運算和非線性校正運算。計算后得到的堿液濃度值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路變成4～20mA標準電流信號遠傳輸出。

3 結(jié)束語

以前對堿液濃度的測定一般采用人工取樣、化學滴定的方法，在環(huán)境惡劣、在線檢測控制場合受到極大限制。在洗瓶機堿液濃度在線測量系統(tǒng)中采用電磁感應原理對堿液的濃度進行實時監(jiān)測控制，有效保證了產(chǎn)品質(zhì)量，操作方便，改善了勞動條件，降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)新鄉(xiāng)亞啤和焦作月山啤酒廠連續(xù)幾月的試用，有效地降低了苛性堿的消耗量，提高了洗瓶機洗瓶質(zhì)量，證明該產(chǎn)品具有很大的推廣價值。

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