ИЗМЕРЕНИЕ МАССОВОГО РАСХОДА
MEASUREMENT OF MASS FLOW RATE

Изобретение относится к способу определения удельного массового расхода высоковязкого пищевого продукта с вязкостью более 100 сП, в частности более 1000 сП, причем пищевой продукт является, в частности, высоковязкой до пастообразной исходной смесью плавленого сыра, подаваемой или отводимой во время переработки в виде непрерывного потока в накопительную емкость или из неё. Изобретение относится также к системе осуществления этого способа.
Как известно, измерение массового расхода текучего продукта возможно посредством обычных измерительных датчиков массового расхода. Для этого применяют, в частности, магнитно-индуктивные расходомеры (MID/МИР), в которых продукт, по меньшей мере, с малой проводимостью протекает через металлическую трубу с наведенным магнитным полем. В этой трубе установлены измерительные электроды, измеряющие вызванное потоком продукта изменение индуктивного измеренного напряжения. В случае смесей плавленого сыра такие МИРы, в частности, из-за налипания продукта в трубе и на датчиках обеспечивают через короткое время только условно точные измеренные значения.
Кроме этого известны проточные расходомеры, основанные на принципе Кориолиса. В этих проточных расходомерах в колене трубы с протекающем в нем продуктом вызывают колебания, измеряемые датчиками, установленными на концах колена трубы, причем по разнице фаз определяют массовый расход. Для измерения высоковязких продуктов, например, исходных смесей плавленого сыра, такие датчики непригодны, так как происходит быстрое засорение изогнутых трубопроводов. Кроме этого проточные расходомеры относительно дороги.
На практике массовый расход такого высоковязкого продукта определяют посредством подающего насоса, прокачивающего продукт во время переработки через трубопроводы. Это определение основано на упрощенном предположении, что количество оборотов насоса с линейной характеристикой прямо пропорционально перекачиваемой массе. Однако, у такого продукта, как исходная смесь плавленого сыра, такое предположение из-за значительных перепадов плотности или пористости оправдано только частично, так что измерение, в частности, для меняющихся продуктов быстро достигает своих границ, как только со временем в насосе изменяется буксование. Поэтому предположение линейного массового расхода хотя и оправдано для известных рабочих режимов и имеет достаточную точность измерения массового расхода, однако на перспективу систему необходимо постоянно калибровать.
В остальных случаях расход определяют по времени изменения массы продукта в накопительной емкости в качестве квази “плавающего среднего” посредством взвешивающего устройства. При этом замеряют уменьшение веса накопительной емкости за счет убытия продукта из накопительной емкости в последующие ступени переработки. Эта так называемая „Loss in Weight Feeding" (“убыль массы загрузки”) обеспечивает возможность достаточно точной оценки усредненного массового расхода независимо от продукта и его плотности. Такие способы известны, например, из US 2004/0186621 A1, US 4,796,782 и US 3,252,618. Однако, этот метод „Loss in Weight Feeding" (“убыль массы загрузки”) не обеспечивает возможность фиксирования кратковременных колебаний в рамках измерительного интервала.
Из JP 2003-075213 A известна такая „Loss in Weight Feeding" (“убыль массы загрузки”), при которой измеряют дополнительно рабочий параметр подающего насоса для возможности математического определения объема пропускной способности.
Таким образом, задачей изобретения является предложить просто и трудоемко реализуемый способ, обеспечивающий возможность надежного определения фактического и удельного массового расхода высоковязкого пищевого продукта в частности исходной смеси плавленого сыра, во время переработки и регулирование мощности подающего насоса при различных состояниях пищевого продукта. Задачей изобретения является также создание соответствующей системы для осуществления способа.
Эти задачи решают посредством способа по пункту 1 формулы изобретения и системы по пункту 9 формулы. Предпочтительные варианты выполнения раскрыты в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Основная идея изобретения, согласно формуле, представляет собой комбинацию двух вышеописанных способов. Согласно изобретению, с одной стороны, посредством взвешивающего устройства определяют изменение по времени массы (∆m/∆t) пищевого продукта в накопительной емкости за определенный промежуток времени, составляющий, в частности, от одной до нескольких минут. Одновременно за этот же промежуток времени регистрируют параметр подающего насоса, на основе которого делают вывод о пропорциональности заданной мощности подачи. Такому параметру соответствует, например, частота инвертора, подающего команды управления на мотор подающего насоса. Эта частота определенно пропорциональна количеству оборотов подающего насоса. Согласно изобретению, изменения выбранного параметра насоса фиксируют за промежуток времени, определяя, таким образом, средний показатель и, тем самым, едний параметр насоса”. На основе этих измеренных величин затем высчитывают величину фактического “удельного” массового расхода в качестве частного изменения по времени массы ∆m/∆t и зафиксированного за это же время параметра насоса и выводят для дальнейшей переработки. Параметр удельного массового расхода обеспечивает с учетом линейности параметра насоса возможность регулировать, в свою очередь, фактический массовый расход.
Способ обеспечивает особенно точные измеренные параметры, так как, с одной стороны, посредством подающего насоса, используя параметр насоса, например, “количество оборотов” – соответственно используя пропорциональную ему частоту инвертора в [Гц] – фиксируют кратковременные колебания, а взвешивающее устройство, с другой стороны, обеспечивает возможность точно определить среднее изменение массы в весовых единицах, например, килограммах или фунтах. На основе изменения веса в накопителе за промежуток времени и среднего количества оборотов подающего насоса с линейной характеристикой насоса высчитывают параметр “удельной мощности подачи” в единицах “масса на параметр насоса”, в частности масса на количество оборотов или частоту инвертора, например, в кг/Гц или фунт/Гц, в том числе за определенный промежуток времени. Умножением этого параметра “удельной мощности подачи” и актуального установленного параметра насоса, например, частоты, затем высчитывают фактический массовый расход.
Способ по данному изобретению обеспечивает возможность переработки пищевых продуктов с разной консистенцией и температурой. Способ особенно пригоден для переработки пастообразных и/или кусковых сырных смесей и/или сырных продуктов, для переработки мясных продуктов, например, фарша и кусковой мясной массы, для переработки фруктов и овощей с кусковой или протертой консистенцией, для переработки детского питания и корма для животных, а также для переработки любого прокачиваемого продукта питания.
Способ по данному изобретению особенно предпочтителен, обеспечивая возможность точного определения фактического массового расхода очень холодного или очень горячего перерабатываемого пищевого продукта в любой момент времени и, тем самым, точного соблюдения рецептуры этого продукта с возможностью добавления, например, воды, приправ и красителей.
Предпочтительно временной промежуток определения изменения массы и фиксирования параметра насоса задают в зависимости от характеристики пищевого продукта и его состояния при переработке. Главным образом, продолжительность временного промежутка определяют с возможностью выявления заданных кратковременных колебаний. С другой стороны, временной промежуток не должен быть большим, чтобы продукт питания не изменял характеристику и состояние в процессе переработки. Для изготовления плавленых сыров себя зарекомендовали временные промежутки от полминуты до нескольких минут.
Так как удельную мощность подачи измеряют соответственно в текущий момент времени, на способ по данному изобретению не влияют изменения таких характеристик, как свойства насоса и свойства прокачиваемого продукта, вязкость, пористость, плотность и коэффициент трения которого могут меняться в процессе переработки. В частности, независимость от высокой вязкости и пористости делает способ особенно пригодным для применения при переработке исходных смесей плавленого сыра. Результаты постоянных измерений в текущий момент времени учитывают соответственно износ насоса.
*
Соответственно изобретение можно коротко охарактеризовать тем, что параметр массового расхода с указанными погрешностями, устанавливаемый по параметрам подающего насоса корригируют фактически измеренным и определенным параметром изменения массы, определяемым взвешиванием. Например, взвешивающее устройство выявило уменьшение массы в накопительной емкости на 50 кг за последнюю минуту. За этот временной промежуток подающий насос работал со средним количеством оборотов 3 оборота в секунду при соответственно установленной инвертором частоте 40 Гц. Согласно изобретению получают фактический удельный массовый расход 75 кг в (чГц).
Характерными параметрами при переработке исходной смеси плавленого сыра для количества оборотов подающего насоса являются не более 300 оборотов в минуту, что обусловлено количеством оборотов мотора подающего насоса не более 1500 оборотов в минуту и частотой инвертора 50 Гц.
*
*
Полученную таким образом величину называют “удельной мощностью подачи”, так как она в конечном итоге не зависит от времени. В заключении при расчетах можно было бы сократить единицу времени в виде [кг/(чГц)] = [кг/(ч(обороты/ч))] = [кг/оборот].
Учитывая то, что подающий насос имеет для зафиксированного параметра насоса линейную характеристику, полученную таким образом “удельную’ мощность подачи используют для точной регулировки заданного для процесса переработки высоковязкого продукта питания массового расхода в непрерывном режиме через задание параметра насоса, в частности, через задание частоты инвертора.
Способ по данному изобретению особенно предпочтителен при переработке продуктов питания, проявляющих только определенное число разных рабочих состояний, причем рабочие состояния определяют возможность прокачки подающим насосом. Указанные исходные смеси плавленых сыров являются продуктами питания только с небольшим количеством рабочих состояний, при которых характеристика подающего насоса остается соответственно линейной. Предпочтительно линейный характер рабочих состояний используют для регулировки подающего насоса и, в частности, для регулировки определенного подаваемого потока в рамках линии расфасовки.
Выяснилось, что способ по данному изобретению пригоден для переработки высоковязких и пастообразных продуктов питания, в частности исходных смесей плавленых сыров с вязкостью при их переработке более 1000 сП, в частности более 5000 сП. Например, типичные исходные смеси плавленых сыров имеют вязкость от 10000 сП до 40000 сП.
Далее изобретение более подробно раскрыто на основе показанного на фигуре примера его осуществления.
На фигуре показана схема системы для определения, согласно изобретению, удельного массового расхода высоковязкого пищевого продукта с вязкостью более 1000 сП. Показанная система встроена процесс обработки, при котором в данном случае разные сорта сычужного сыра смешивают в исходную смесь 1 плавленого сыра и по трубопроводу 3 подают в накопительную емкость 2. В рамках последующей ступени переработки эту исходную смесь плавленого сыра расплавляют и подают в заключении на линию расфасовки и упаковки продукта. Для транспортировки продукта по трубопроводам применяют подающий насос 4 соответствующей конструкции.
В показанном примере осуществления исходную смесь 1 плавленого сыра посредством подающего насоса 4 по трубопроводу 5 выводят из накопительной емкости 2. Для подающего насоса 4 предназначен прибор 6 управления, регулирующий через инвертор по двунаправленной линии 11 передачи данных количество оборотов и, тем самым, фактическую массу подачи. Накопительная емкость 2 установлена на взвешивающем устройстве 7, измеряющем за счет максимально непрерывного подаваемого потока уменьшение веса накопительной емкости 2 в качестве изменения по времени массы (∆m/∆t) и усредняющем его за заданный промежуток времени. Величину усредненного изменения по времени массы
По линии 8 передачи данных выдают на средство 9 расчета удельного массового расхода. При этом средство реализовано в виде компьютера 9.
Одновременно посредством соответствующего средства, в данном случае прибора 6 управления, определяют пропорциональный заданной мощности подачи параметр насоса, в данном случае, в частности, среднюю величину частоты подаваемых команд управления в Гц, пропорциональную количеству оборотов насоса. Эту величину
также выдают по линии 10 передачи данных на компьютер 9. По измеренному за заданный промежуток времени усредненному изменению массы и определенному примерно за этот же промежуток времени усредненному параметру насоса компьютер 9 рассчитывает фактический удельный массовый расход в качестве частного обеих входящих величин, в данном случае
Этот удельный массовый расход показан в виде возрастания прямой на диаграмме 12, на которой массовый поток в [кг/ч] нанесен против частоты инвертора в [кг/ч]. При этом удельный массовый расход зависит от рабочего состояния 13 продукта. Продукт, в частности исходная смесь плавленого сыра, имеет, например, в данном случае, мало, в частности только три, заданных (натуральных) рабочих состояния 13, различающихся по текучести. Во время переработки фактическое рабочее состояние 13 продукта и, тем самым, величина удельного массового расхода в любой момент времени известны.
По величине удельного массового расхода затем регулируют транспортируемый подающим насосом массовый расход путем задания определенной частоты инвертора:
Задаваемый таким образом массовый расход обеспечивает возможность мониторинга всего производственного процесса, в частности, подаваемого потока на линии расфасовки.
Особенно предпочтительное применение способа по данному изобретению при производстве плавленого сыра состоит в возможности установки или регулирования консистенции перерабатываемой исходной массы.
Как известно, расщепление белка в зависимости от степени зрелости использованного в плавленом сыре исходного сырного сырья прогрессирует с различной силой. При этом сыр по мере созревания теряет возможность структурообразования, так что необходимо устанавливать более высокое содержание сухой массы, чтобы обеспечить заданную консистенцию. С другой стороны, при использовании особенно молодого исходного сырья можно экономить сухую массу, причем специфицированные сухие массы необходимо считать нижней границей. Так как колебания степени зрелости применяемого исходного сырного сырья заметны только в процессе плавления, предпочтительно целенаправленное повышение содержания сухих масс в исходной смеси и регулировать точное добавление воды таким образом, чтобы конечная консистенция плавленого сыра соответствовала заданной. Однако чтобы при колебаниях производственных объемов обеспечить точную дозировку воды, необходимо знать массовый расход исходной сырной смеси.
Способ по данному изобретению измерения объема обеспечивает возможность точного регулирования этой величины, что обеспечивает возможность управления или регулирования консистенцию. При этом точную по объему подачу воды осуществляют посредством мембранного поршневого насоса с автоматической регулировкой по заданной вязкости, причем последнюю измеряют встроенным вискозиметром. Альтернативно регулирование подачи воды осуществляют также вручную. В этом случае обслуживающий персонал визуально получает данные об отклонении от заданной консистенции.
Способ по данному изобретению особенно предпочтительно применяют также для регулировки оборудования при непрерывном процессе нагревания. Оборудование регулируют для обеспечения нагрева заданного объема продукта в [кг/ч] до заданной температуры, причем объем продукта часто регулируют по косвенным параметрам, например, количеству оборотов насоса или частоте инвертора, а не по фактическому объему поданного продукта в [кг/ч]. Однако, регулировка по косвенным параметрам допустима только на время переработки однородного продукта с гомогенной плотностью и исходной температурой. Только в этом случае удельное количество оборотов насоса и частота инвертора коррелируют с удельной производительностью оборудования.
Как указано выше, исходные смеси плавленого сыра имеют иные характеристики. Так, например, в зависимости от рецептуры, жирности и температуры возможны отклонения в пористости и прокачиваемости. При одинаковой регулировке это обуславливает на практике, например, прокачку насосом от 80 до 110 кг/ч/Гц.
Согласно изобретению эту проблему решают, используя для регулировки вместо чистого количества оборотов насоса или частоты инвертора измеренный фактический объемный поток (кг/ч), не подверженный колебаниям прокачиваемости насоса и неоднородности характера продукта.