Новые методы дозирования

Метод весового дозирования жидких и вязких веществ используется в промышленности уже более 100 лет. Отличительными чертами такого оборудования является точность, простота настройки и обслуживания, надежность, а также возможность многоцелевого использования.

Учитывая, что весовые дозаторы без конструктивных изменений позволяют заполнять контейнеры самых различных форм и размеров широким ассортиментом продуктов, можно смело говорить о неисчерпаемости их возможных областей применения.

Для организации весового дозирования жидких и вязких веществ необходимо объединить три основных компонента:


систему подачи дозируемого продукта, которая осуществляет подачу вещества к дозировочной машине;
дозировочную головку, осуществляющую поступление дозируемого продукта в заполняемый контейнер и контролирующую его поток;
систему взвешивания, которая определяет вес дозируемого вещества и управляет дозировочной головкой.

Достоинство оборудования для весового дозирования состоит в том, что различные типы указанных систем могут свободно сочетаться в различных комбинациях, чтобы удовлетворить решению конкретной задачи.

Система подачи

Система подачи должна удовлетворять единственному условию: обеспечение регулярного потока дозируемого вещества. Для жидкостей со слабой вязкостью можно использовать гравитационную подачу из бака, установленного выше дозировочной машины. Для дозируемых веществ с большей вязкостью можно применять роторные насосы. В случае очень большой вязкости рекомендуется использовать шнековые насосы. Для различных дозируемых веществ подачу продукта можно организовать разными способами, оптимальными для конкретной задачи, не меняя дозировочного оборудования.

Дозировочная головка

В зависимости от типа дозируемого продукта и требований производства, машина может быть укомплектована самыми различными дозировочными головками, как самыми простыми, для дозирования жидких не пенящихся продуктов, так и более сложными, укомплектованными рассекателями для исключения эффекта расплескивания при дозировании в открытые ведра. При переходе на другой дозируемый продукт возможна быстрая смена дозировочных головок. Большинство жидкостей можно дозировать с помощью стандартных головок (внутренний или внешний затворный клапан). Удлиненные дозировочные головки применяются для дозирования «снизу-вверх», чтобы исключить пенообразование легко пенящихся веществ, например, таких, как моющие средства. Для дозирования таких продуктов, как шпатлевки, можно использовать гильотину. Специальные дозировочные клапаны разработаны для дозирования абразивных паст, смол, веществ с вкраплением твердых сминаемых частиц и чрезвычайно густых клеев. В отличие от дозаторов другого принципа действия, установки весового дозирования используют дозировочную головку только для «старта» и «остановки» подачи дозируемого продукта. Кроме того, дозировочные головки могут изготавливаться из различных материалов, разрешенных для контакта с конкретным дозируемым веществом. Дозировочная головка не является элементом системы измерения, и это позволяет свободно менять типы дозировочных головок и материалы, контактирующие с дозируемым веществом, и добиваться наилучших результатов дозирования конкретных продуктов на одной машине.

Система взвешивания

 Система взвешивания осуществляет измерение веса дозируемого продукта. Оборудование может использовать простой механический балансир, механические или электронные весы. Производимые сегодня дозаторы обычно оборудуются балансиром или электронными весами. Каждый вариант может иметь свои преимущества по цене и рабочим характеристикам, и оптимальный выбор делается, исходя из требований конкретной задачи.

Преимущества весового дозирования

Самый широкий диапазон дозируемых веществ. Возможность использования различных дозировочных головок и систем подачи дозируемых веществ позволяет весовым дозаторам работать с самым широким диапазоном продуктов (как по физическим, так и по химическим свойствам), по сравнению с любыми другими типами дозирования. Объемные дозаторы ограничены характеристиками установленных поршней и клапанов, смена которых сложна или даже не представляется возможной. Машины для дозирования по уровню используют дозировочную головку в качестве системы измерения, которая работает исключительно с жидкостями и может адаптироваться только к диаметру тары.
Отсутствие влияния температуры. При дозировании по уровню или объему необходимо учитывать влияние температурного расширения дозируемого продукта. Например, некоторые продукты питания и многие смазочные материалы необходимо дозировать при температурах, когда их объем может на 5 % более превышать нормальный, при температуре 20–25° С. Изменение температуры со временем, при дозировании по объему, приводит к изменению количества дозированного продукта в таре при тех же настройках оборудования. Весовой метод дозирования учитывает объективный параметр — вес, который не меняется при изменении температуры. При дозировании на производстве, на складе вес постоянен.
Широкий диапазон размеров тары. Один и тот же весовой дозатор может применяться для дозирования в тару 0,25–10 л или 1–25 л, или 20–220 л. Если продукция должна разливаться в контейнеры разного объема, оборудование для весового дозирования предоставляет самый широкий диапазон возможностей, по сравнению с другими типами дозировочного оборудования.
Высокая скорость заполнения тары. При использовании объемного дозатора, сечение дозировочного тракта ограничено клапаном дозировочного цилиндра, который имеет характерный диаметр около 13 мм. Кроме того, дозируемый продукт совершает движение сначала в поршень, а потом из поршня в тару. Это снижает скорость поступления дозируемого продукта в тару. Положительным отличием оборудования для весового дозирования является возможность использования дозировочных головок большого сечения (30 мм и более) для тары большой емкости, что способствует быстрому прохождению продукта по дозировочному тракту. Например, с помощью весового метода можно точно дозировать продукцию в 205-литровые бочки менее чем за 1 мин. Дозирование происходит напрямую из резервуара в контейнер. Поток дозируемого продукта открывается и перекрывается дозировочной головкой — единственной движущейся частью, участвующей в процессе дозирования. Конструкция весовых дозаторов предельно проста, что делает их очень надежными машинами.
Простая конструкция и высокая надежность оборудования. Простая конструкция весового дозатора не требует квалифицированного обслуживающего персонала. Исправление возможных поломок не требует больших расходов (т .к. в конструкции отсутствуют сложные элементы). Простая конструкция машины снижает вероятность поломок и обеспечивает высокую надежность весового оборудования.
Высокая точность. Весовые дозаторы обеспечивают очень высокую точность дозирования, недостижимую другими методами, особенно при дозировании в крупную тару. Так, весовое оборудование позволяет заполнять 205-литровые бочки с разбросом в пределах 100 г, что составляет менее 0,05 %. В случае использования дозирования по уровню, большой диаметр тары приводит к большим погрешностям. Объем поршня объемного дозатора ограничен величиной около 5 л. Это вызывает необходимость в аналогичных условиях выполнять несколько циклов дозирования, что неизбежно снижает точность полученного результата.

Ограничения

Время дозирования. Процесс взвешивания требует некоторого интервала времени. Как показывает практика, минимальное время взвешивания, необходимое для удовлетворения требованиям точности, должно составлять порядка 7 с. Это приводит к тому, что в большинстве случаев для дозирования только в тару, объемом менее 1 л, применение весовых дозаторов не является предпочтительным.
Автоматизация. В процессе взвешивания весовые платформы и контейнеры не должны касаться друг друга или других объектов, в противном случае, результат измерения веса будет искажен. Это создает определенные сложности при автоматизации процесса весового дозирования, особенно для небольших контейнеров. Как правило, автоматические модели весовых дозаторов не применяются для дозирования в тару менее 4 л.
Выравнивание продукта в контейнере. Дозируемый продукт должен иметь способность растекаться в заполняемом контейнере под своим весом, иначе это может привести к переполнению контейнера. Однако это условие выполнимо не только для веществ с низкой вязкостью, но и для ряда очень вязких продуктов. Следует отметить, что подобное условие не является специфическим для весового дозирования, а в равной степени относится и к дозаторам иного типа действия.

Динамическое взвешивание

Обычные весы предназначены для статического взвешивания, когда некоторый объект помещается на весовую платформу. Через некоторое время останавливаются колебания, и определяется его вес.

Процесс весового дозирования имеет динамическую природу. В процессе дозирования вес продукта постоянно изменяется. Кроме того, на весы действуют и другие силы: вибрация (V), вызванная поступлением новых порций дозируемого продукта, и динамическое давление (F) поступающего потока продукта. Кроме того, за интервал времени от появления сигнала закончить подачу продукта до фактического прекращения потока, некоторое количество дозируемого вещества неизбежно попадет в контейнер. Рассмотрим, как минимизируется влияние таких факторов в конструкции современного американского оборудования весового дозирования Crandall International.

Влияние вибрации исключается использованием системы подачи продукта и дозировочных головок, которые обеспечивают ровное, без пульсаций, поступление дозируемого вещества, по крайней мере, в области, близкой к заданному весу дозы. Кроме того, ровный поток дозируемого продукта создает постоянное динамическое давление и обеспечивает постоянное остаточное количество вещества, успевающего попасть в контейнер после сигнала остановки дозирования. Как только эти факторы начинают иметь регулярный характер, появляется возможность применить меры компенсации для учета их влияния. Например, если заданный вес дозы составляет 20,0 кг, а суммарное влияние таких факторов дает систематическую ошибку — 100 г, мы можем настроить весы так, чтобы сигнал прекращения подачи дозируемого продукта выдавался в тот момент, когда показания весов будет равно 19,9 кг. Это позволит нам иметь фактический вес дозы около заданной величины 20,0 кг.

При использовании электронных весов мы сталкиваемся с еще одним фактором: циклом взвешивания, которым определяется, сколько раз считываются показания весов за 1 с. В зависимости от модели весов и заданной точности, это может составлять от 5 до 30 раз в секунду. За время между актами считывания веса, некоторое количество дозируемого продукта попадает в контейнер. Например, пусть заданный вес составляет 20 тыс. кг, а количество дозируемого вещества, попадающего в контейнер между считываниями показаний весов, составляет 100 г. Сигнал закрыть дозировочную головку не появится, пока показания весов остаются на уровне менее 19,999.

Однако следующие показания окажутся уже 20,099, что превышает заданный вес на 99 г. Для уменьшения влияния этого фактора, предлагается использовать систему, которая снижает скорость подачи дозируемого продукта в конце процесса дозирования. При этом 90–99 % заданной дозы вещества заливается в контейнер при большой скорости (в случае дозирования в бочки, это может достигать до 400 л в минуту), а остаток — медленно. Когда вес дозируемого продукта близок к заданному, появляется дополнительный сигнал, который частично закрывает дозировочную головку. При уменьшении скорости потока на 90 % количество дозируемого продукта, поступающего в контейнер за интервал времени между считываниями показаний весов, пропорционально снизится на те же 90 %. В нашем примере это снизит систематическую погрешность измерения веса с 99 до 10 г.

Фаза уменьшения потока дозируемого вещества также снижает как влияние вибрации, так и динамическое давление. Это позволяет очень быстро дозировать продукцию в тару от 10 и более килограмм, так как большая часть дозы заливается в контейнер при большой скорости потока продукта.

Для контейнеров менее 4 л снижение скорости потока в конце процесса дозирования не приносит подобной выгоды, однако дозирование в подобные контейнеры осуществляется дозировочными головками небольшого сечения, что автоматически снижает систематическую погрешность, связанную с циклом взвешивания.

По всему миру

Итог нашего обзора можно сформулировать следующим образом: весовой метод дозирования обеспечивает значительные преимущества по точности и универсальности для большинства задач дозирования химической, пищевой и продукции нефтехимии. При дозировании в тару более 4 л, этот метод дозирования является предпочтительным.

Оборудование весового дозирования успешно используется для широкого ассортимента веществ, например: кислоты, клеи, сельскохозяйственные химикаты и жидкие удобрения, битумы, моющие средства, бензины, керосины, моторные масла и другие смазочные материалы, краски, лаки и их растворители, спирты, уксусы, овощные пюре, майонезы, джемы и многие другие жидкие и вязкие вещества, горячие или холодные, однородные или с вкраплением твердых сминаемых частиц, горючие или химически агрессивные.

Согласно данным, любезно предоставленным компанией Crandall International, оборудование весового дозирования используется такими известными компаниями, как:


нефтехимия: Shell, BP/Castrol, Exxon/Mobil, Chevron/Texaco, Bardahl, Valvoline Oil Co., Emirates Lube Oil, Conoco, Petromin, Pennzoil;
химия: Morton, Witco, Scott Bader, Ecolab, S. C Johnson & Son (Johnson`s Wax), Valspar, Sherwin-Williams, Chemguard, Rochester Midland, 3M Co., DuPont, W. R. Grace, Roche, Pfizer, Church & Dwight, Lilly, Kimberley Clark, Glaxo, Millenium Chemical, Xerox;
продукты питания: International Flavors & Fragrances, Phillip Morris, Sethness, Archer Daniels Midland (ADM), Pillsbury, General Foods, Unilever, Dean Foods, A. Smith Bowman Distillery.Это оборудование успешно работает уже более чем в 50 странах мира от Аргентины до Ямайки, в том числе и в России.



Keith A. Crandall,Андрей Чернышев,компания Potomac

2003 #2

Версия для печати