王 玥，李宏義

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)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(dá)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(yù)浸泡，對(duì)瓶子進(jìn)行升溫，清除瓶上附著的浮物，再傳送到堿槽，經(jīng)過(guò)堿液的化學(xué)作用，滅菌并去除瓶子內(nèi)外的臟物、霉斑、油脂、商標(biāo)等，最后經(jīng)過(guò)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(jī)型技術(shù)參數(shù)控制堿液溫度和濃度，就會(huì)出現(xiàn)出瓶掛標(biāo)和瓶?jī)?nèi)壁有異物。堿液除標(biāo)的機(jī)理是堿液滲透標(biāo)紙分解膠體，堿液也同時(shí)從標(biāo)貼側(cè)面滲入，剝離商標(biāo)。堿液濃度如果太低就不能去除污物和瓶標(biāo)，濃度太高既浪費(fèi)了苛性堿又容易將瓶標(biāo)溶成紙漿進(jìn)入堿液，影響堿液循環(huán)利用。堿液濃度逐漸降低，需及時(shí)添加。堿液屬于強(qiáng)腐蝕性化學(xué)品，人工向洗瓶機(jī)添加堿液時(shí)，必須戴手套、眼鏡等防護(hù)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(dòng)化程度要求越來(lái)越高，洗瓶機(jī)迫切要求采用自動(dòng)添加堿液技術(shù)來(lái)代替人工操作。圖1是人工加堿和采用自動(dòng)加堿工藝的對(duì)比曲線。

通過(guò)曲線可以看出采用自動(dòng)加堿方式明顯減少了堿的浪費(fèi)和瓶洗不凈的問(wèn)題。由于在洗瓶過(guò)程中不斷消耗堿液，故在連續(xù)生產(chǎn)中，需不斷補(bǔ)充濃堿液，并在線檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制堿液濃度，以達(dá)到穩(wěn)定良好的洗瓶效果，因此在線檢測(cè)堿液濃度是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加堿的前提。

圖1 典型濃度運(yùn)行曲線

1 電解質(zhì)溶液濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系

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

式中，L—電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電長(zhǎng)度(cm);

A—電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電截面積(cm2);

S—電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率(S/cm)。

S與溶液的濃度有關(guān):

式中，λ—當(dāng)量電導(dǎo)率(Sl/cm);

χ—溶液濃度(g/l);

δ—溶質(zhì)的克當(dāng)量(g)

可以看出，當(dāng) λ、s為常數(shù)時(shí)，電導(dǎo)率S僅是濃度x的函數(shù)。當(dāng)溶液濃度較低時(shí)，當(dāng)量電導(dǎo)率λ近似為常數(shù)，故電導(dǎo)率S與濃度x接近線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量溶液的電導(dǎo)率就可以計(jì)算出溶液的濃度。但溶液的溫度對(duì)電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率產(chǎn)生較大的影響，溶液的電導(dǎo)率、電離度、濃度和溫度之間的關(guān)系比較復(fù)雜，很難精確計(jì)算，還有啤酒廠采購(gòu)的NaOH純度也影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此采用通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定各種不同濃度溶液的電導(dǎo)率的方法，將測(cè)定的數(shù)據(jù)制成數(shù)據(jù)庫(kù)供程序調(diào)用。

2 測(cè)量系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)

測(cè)量溶液的電導(dǎo)率如果采用常規(guī)的電極類電導(dǎo)率計(jì)，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(cè)量準(zhǔn)確性大大降低，甚至無(wú)法測(cè)量，尤其在強(qiáng)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(cè)量，用耐腐蝕材料將傳感部件密封起來(lái)，避免電極腐蝕極化。

該系統(tǒng)通過(guò)電磁感應(yīng)原理檢測(cè)堿液電導(dǎo)率變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)堿液濃度的測(cè)量。該測(cè)量?jī)x探頭由初、次級(jí)線圈構(gòu)成一個(gè)變壓器，每個(gè)線圈各自繞在一個(gè)直徑50mm的鐵氧體磁環(huán)上，每個(gè)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(gè)外殼，將兩磁環(huán)疊放在一起放進(jìn)外殼內(nèi)，并將一個(gè)Pt100鉑電阻放在磁環(huán)附近，灌入樹(shù)脂，將它們和外殼澆注成一體，但磁環(huán)孔要通透，堿液會(huì)在該孔內(nèi)形成一個(gè)渦流，是測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x原理圖

加在探頭初級(jí)的激勵(lì)信號(hào)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(guò)軟件編程，易于調(diào)節(jié)。利用Mega88PA的PB0輸出的1MHz時(shí)鐘信號(hào)做主頻時(shí)鐘時(shí)，輸出波形精度可以達(dá)到0.004Hz。根據(jù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，采用10KHz正弦波作為初級(jí)激勵(lì)源，探頭次級(jí)感應(yīng)到的交流信號(hào)通過(guò)LTC1967轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)送給Mega88PA的ADC1進(jìn)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(guò)程中采用△∑計(jì)算技術(shù)，具有很好的穩(wěn)定性。接受單端或差動(dòng)輸入信號(hào)(可抑制EMI/RFI)，差動(dòng)輸入范圍為1Vp－p，具有優(yōu)異的線性度。LTC1967對(duì)電路板的焊接方式、應(yīng)力及工作溫度都不敏感，為得到精確的交流信號(hào)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(dòng)傳感器中的勵(lì)磁繞組(初級(jí))，在環(huán)狀的被測(cè)溶液中產(chǎn)生感生電流，該感生電流又在檢測(cè)繞組(次級(jí))中產(chǎn)生交變感生電動(dòng)勢(shì)，該感生電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)溶液的電導(dǎo)率成正比。將這個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)通過(guò)真有效值/直流轉(zhuǎn)換器整流后由Mega88PA采樣，同時(shí)溫度傳感器也將溶液溫度信號(hào)送至Mega88PA進(jìn)行采樣和依照溶液的特性曲線，進(jìn)行高精度的(每0.5℃校正一次)溫度補(bǔ)償運(yùn)算和非線性校正運(yùn)算。計(jì)算后得到的堿液濃度值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路變成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)遠(yuǎn)傳輸出。

3 結(jié)束語(yǔ)

以前對(duì)堿液濃度的測(cè)定一般采用人工取樣、化學(xué)滴定的方法，在環(huán)境惡劣、在線檢測(cè)控制場(chǎng)合受到極大限制。在洗瓶機(jī)堿液濃度在線測(cè)量系統(tǒng)中采用電磁感應(yīng)原理對(duì)堿液的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，有效保證了產(chǎn)品質(zhì)量，操作方便，改善了勞動(dòng)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(jī)洗瓶質(zhì)量，證明該產(chǎn)品具有很大的推廣價(jià)值。

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