ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДОЗАТОР С ОТМЕРИВАНИЕМ ДОЗЫ ПО УРОВНЮ ЖИДКОСТИ В ТАРЕ
PNEUMATIC DISPENSER WITH DOSE MEASUREMENT BY LIQUID LEVEL IN CONTAINER

Изобретение относится к области дозирования жидкостей, а именно к дозаторам с контролем отмеривания дозы по уровню и может быть использовано для автоматизации процессов расфасовки технических жидкостей в тару, в том числе мало пенящихся продуктов бытовой химии, парфюмерии, продуктов лакокрасочной промышленности и др.
Известны установки розлива жидких продуктов для наполнения тары моделей ДУЭТ, ДУЭТ-П и ДУЭТ-П.2 с кондуктометрическими датчиками уровня компании ИТП «Промбиофит» (https://www.prombiofit.com/ud.html).
Недостатками этих установок является ограниченность их области применения электропроводящими жидкостями и внутренним диаметром заливной горловины тары (не менее 20-30 мм), сложность конструкции сменных (для различного диаметра заливной горловины тары) механическим узлов заливочных устройств, высокая стоимость оборудования.
Известно дозирующее устройство (RU 2342313 С2, 27.12.2008), содержащее разливочную головку, линию подачи жидкости в дозатор с запорным органом на линии, канал истечения жидкости в тару, воздушные трубки, внутреннюю цилиндрическую камеру с размещенным в ней вакуумобразующим эжектором, мембрану, размещенную на верхней части головки, и управляющее устройство.
Недостатками этого устройства являются чрезвычайно сложная конструкция разливочной головки и необходимость герметизации заливной горловины тары в процессе ее наполнения.
Известен дозатор жидкости по уровню (RU 2295490 С2, 20.03.2007), принятый за прототип.
Дозатор-прототип содержит разливочную головку, воздушную трубку, запорный орган на линии подачи жидкости в дозатор, датчик наличия тары и управляющее устройство. Дозатор снабжен дополнительно трубкой подачи жидкости в тару, датчиком давления воздуха в таре, датчиком давления жидкости на входе в дозатор и дополнительной воздушной трубкой. Трубка подачи жидкости в тару расположена внутри разливочной головки и сообщена с линией подачи жидкости в дозатор. Дополнительная воздушная трубка расположена концентрично на нижней части основной воздушной трубки. Датчик давления воздуха в таре сообщен с воздушным пространством тары.
Дозатор-прототип имеет следующие недостатки:
- сложность конструкция разливочной головки и необходимость герметизации заливной горловины тары в процессе ее наполнения;
- низкая точность дозирования из-за ее существенной зависимости от скорости наполнения тары, что связано с инерционностью воздушного пространства над жидкостью (как глухой пневматической камеры) к повышению давления в момент окончания наполнения тары;
- необходимость проектирования индивидуальных конструкций разливочной головки для тары с различными типоразмерами заливной горловины.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности дозирования за счет увеличения чувствительности воздушной трубки и коэффициента усиления датчика уровня, а также упрощение конструкции и повышение степени универсальности чувствительного элемента датчика уровня и узла залива тары в целом по отношению к ее типоразмерам и физико-химическим свойствам дозируемой жидкости (вязкости, пенообразованию, агрессивности, содержанию мелкодисперсных взвесей).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности дозирования, а также упрощение конструкции и повышение степени универсальности узла залива тары по отношению к ее типоразмерам и физико-химическим свойствам дозируемой жидкости.
Технический результат в предлагаемом пневматическом дозаторе с отмериванием дозы по уровню жидкости в таре, содержащем узел залива тары с воздушной трубкой (чувствительным элементом датчика уровня) и сливной трубкой, сообщающейся через запорный орган с линией подачи жидкости в тару, и управляющее устройство, достигается тем, что узел залива тары дополнительно содержит сенсорную пусковую пневмокнопку операции «Дозирование», установленный в вертикальном положении двухвходовый пневмоцилиндр с командным входом «Z+» (перемещение вниз) в верхнюю камеру, с командным входом «Z-» (перемещение вверх) в нижнюю камеру через установленный перед ней постоянный дроссель (стеклянный капилляр с внутренним диаметром 0,5 мм) и с жестко закрепленной на штоке пневмоцилиндра пластиной, имеющей монтажные отверстия для установки сливной и воздушной трубок, причем запорный орган представляет собой пневмоклапан в виде шарового крана с двухсторонним пневмоприводом с положительным «Z+» («клапан открыть») и отрицательным «Z-» («клапан закрыть») командными входами, а управляющее устройство подсоединено к технологическим элементам узла залива тары импульсными трубками через штуцеры «1»-«4» внешних соединений, при этом сенсорная пусковая пневмокнопка и воздушная трубка подключены, соответственно, к штуцерам «1» и «2», командные входы «Z+» пневмоклапана и пневмоцилиндра объединены и подключены к штуцеру «3», а их командные входы «Z-» объединены и подключены к штуцеру «4» внешних соединений управляющего устройства.
Управляющее устройство содержит пневмотумблер, задатчик давления, первый постоянный и регулируемый дроссели в цепях пневмопитания сенсорной пусковой пневмокнопки и воздушной трубки, соответственно, второй постоянный дроссель, триггер с раздельными входами, логические элементы «НЕ» и «Запрет», трехмембранный элемент сравнения с положительным и отрицательным входами, пятимембранный элемент сравнения с двумя положительными и двумя отрицательными входами, нормально открытый пневмоклапан с камерами давления подпора и командного сигнала, первый и второй двухкаскадные усилители давления и мощности и технический манометр, причем выход пневмотумблера соединен с входами питания вторых каскадов первого и второго усилителей давления и мощности, выход задатчика давления подключен к соплу питания трехмембранного элемента сравнения и к камере давления подпора нормально открытого пневмоклапана, выход первого постоянного дросселя подсоединен к штуцеру «1» и к командному входу первого двухкаскадного усилителя давления и мощности, выход которого подключен к взводящему входу триггера, выход регулируемого дросселя подключен к штуцеру «2» и к отрицательному входу трехмембранного элемента сравнения, выход которого соединен с техническим манометром, с отрицательными входами пятимембранного элемента сравнения и через пневмоконтакт «сопло - заслонка» нормально открытого пневмоклапана - с его положительными входами, выход триггера подключен к штуцеру «3», к входу логического элемента «НЕ», выход которого соединен со штуцером «4», а также - к запрещающему входу логического элемента «Запрет» и к входу второго постоянного дросселя, выход которого соединен с прямым входом логического элемента «Запрет» и с камерой командного сигнала нормально открытого пневмоклапана, а выход пятимембранного элемента сравнения подключен к входу второго усилителя давления и мощности, выход которого соединен со сбрасывающим входом триггера, и - к дополнительному штуцеру внешних соединений управляющего устройства «5» с заглушкой.
Положение сливной и воздушной трубок вдоль вертикальной оси может регулироваться и фиксироваться стопорными винтами, а ход пневмоцилиндра при его движении «вниз» ограничен установленным на его штоке отрезком толстостенного, например, дюритового шланга-амортизатора, длина L которого рассчитывается по формуле: L=X-Н, где X - полный ход пневмоцилиндра, Н - высота тары.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого пневматического дозатора с отмериванием дозы по уровню жидкости в таре, который содержит узел залива тары (УЗ) 1 и пневматическое управляющее устройство (УУ) 2.
УЗ 1 содержит следующее технологическое оборудование:
- сенсорную пусковую пневмокнопку 3 операции «Дозирование»;
- пневмоклапан 4 в виде шарового крана с двухсторонним пневмоприводом в качестве запорного устройства на линии 5 подачи жидкости в тару 6;
- смонтированный в вертикальном положении двухвходовый пневмоцилиндр 7 с верхней (8) и нижней (9) камерами управления;
- установленный на входе в камеру 9 стеклянный капилляр 10 с внутренним диаметром 0,5 мм, обеспечивающий плавность хода штока 11 пневмоцилиндра;
- установленный на штоке 11 пневмоцилиндра 7 ограничитель его хода 12 в виде толстостенного дюритового шланга-амортизатора, длина L которого рассчитывается по формуле: L=X-Н, где X - полный ход пневмоцилиндра, Н - высота тары;
- жестко закрепленная гайкой на штоке пневмоцилиндра монтажная пластина 13 с отверстиями для установки и фиксации стопорными винтами 14 и 15 положений сливной (16) и воздушной (17) трубок.
2
УУ 2 построено на элементной базе Универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) [Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации ГСП. Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики УСЭППА. Каталог, Том 5, выпуск 1. 1975. 44 с.]. Питание пневмоэементов УУ производится от пневмосети через понижающий стабилизатор, настраиваемый на выходное давление, равное 1,4 кгс/см. (Стабилизатор на чертеже не показан).
В состав УУ входят пневмоэлементы следующего функционального назначения:
- первый постоянный (18) и регулируемый (19) дроссели, предназначенные для ограничения расхода воздуха в канале пусковой пневмокнопки 3 и воздушной трубки 17, соответственно;
- пневмотумблер 20 питания вторых каскадов первого (21) и второго (22) двухкаскадных пороговых усилителей давления и мощности;
2
- задатчик 23 давления подпора нормально открытого пневмоклапана 24 и давления питания трехмембранного элемента сравнения 25, выполняющего функцию первого каскада усиления выходного сигнала (давления р) воздушной трубки 17;
- пятимембранный элемент сравнения 26 в качестве второго каскада усиления выходного сигнала воздушной трубки 17;
- второй постоянный дроссель 27 на входе в командную камеру нормально открытого пневмоклапана 24 с логическим элементом «Запрет» 28 для стравливания воздуха за дросселем 27 в атмосферу;
- малогабаритный технический манометр 29 для настройки и контроля выходного давления трехмембранного элемента сравнения 25;
- триггер с раздельными входами 30 с логическим элементом «НЕ» 31 для включения в работу элементов датчика уровня и управления работой пневмоклапана 4 и пневмоцилиндра 7 на операции «Дозирование».
Связи между элементами УУ и УЗ осуществляются импульсными трубками из ПВХ через штуцеры «1»-«4» внешних соединений УУ. Дополнительный штуцер внешних соединений «5» заглушен и используется для настройки выходного давления пятимембранного элемента сравнения 26. (Линия подсоединения пятимембранного элемента сравнения 26 к штуцеру «5» показана на чертеже пунктиром).
Для подготовки дозатора к работе необходимо произвести сборку и монтаж элементов узла залива тары и настройку пневмоэлементов УУ: выходных давлений задатчика 23 и элементов сравнения 25 и 26 и расхода воздуха, поступающего в воздушную трубку 17 через регулируемый дроссель 19.
Настройка пневмоэлементов УУ осуществляется при включенном давлении питания по следующей методике.
2
2
2
Задатчик 23 настраивается на выходное давление питания элемента сравнения 25, равное 0,8 кгс/см. Выходные давления элементов сравнения 25 и 26 настраиваются посредством специальной регулировки пневмоконтактов элементов - положений их сопл питания и сопл стравливания воздуха в атмосферу относительно заслонок. Для элемента сравнения 25 номинальное значение выходного давления, контролируемого по манометру 29, составляет 0,4 кгс/см. Начальное давление на выходе элемента сравнения 26 должно составлять порядка 10-20 мм. вод.ст. (0,001-0,002 кгс/см) и может быть проконтролировано по образцовому манометру (на чертеже не показан), подключаемому к штуцеру «5» внешних соединений УУ. Настройка проводимости регулируемого дросселя 19 настраивается посредством ввода воздушной трубки 17 в вспомогательную емкость с водой и визуального контроля частоты отделения пузырьков воздуха от торца трубки. Эта частота должна составлять 1-2 гц.
Сборка и монтаж элементов узла залива тары производится в следующей последовательности:
- установить на шток 11 пневмоцилиндра 7 ограничитель хода 12, соответствующей по длине L высоте тары Н (L=X-Н, где X - полный ход пневмоцилиндра);
- закрепить монтажную пластину 13 на штоке 11 пневмоцилиндра 7;
- включить давление питания УУ;
- установить тару 6 на позицию налива;
- установить сливную (16) и воздушную (17) трубки в отверстия монтажной пластины 13 и зафиксировать стопорным винтом 14 положение сливной трубки 16 над заливной горловиной тары с небольшим (2-3 мм) зазором;
- отключить пневмопитание УУ, переместить шток 11 пневмоцилиндра в нижнее положение и зафиксировать стопорным винтом 15 положение воздушной трубки 17 на высоте, соответствующей заданному положению уровня жидкости в таре.
Дозатор работает следующим образом.
При подаче давления питания на УУ пневмоклапан 4 закрывается (Z+=0, Z-=1), и шток 11 пневмоцилиндра 7 перемещается в исходное верхнее положение.
1
Налив жидкости в тару производится автоматически при касании оператором отверстия сенсорной пусковой пневмокнопки 3. При касании отверстия кнопки повышается избыточное давление p, срабатывает двухкаскадный усилитель 21 и взводится триггер 30; при этом открывается пневмоклапан 4 (Z+=1, Z-=0), и шток пневмоцилиндра 7 перемещается в нижнее положение, обеспечивая плавное (без вспенивания и образования пузырьков воздуха на поверхности жидкости) наполнение тары 6 дозируемой жидкостью.
2
При достижении уровнем жидкости в таре торцевой кромки воздушной трубки 17, из-за образования пузырька воздуха на границе раздела «газ-жидкость» происходит скачкообразное повышение давления р и, соответственно, - усиленное по амплитуде скачкообразное уменьшение давления на выходе элемента сравнения 25. Уменьшение давления на выходе элемента сравнения 25, ввиду наличия в схеме датчика уровня нормально открытого пневмоклапана 24, плавно замыкаемого после включения подачи жидкости в тару, вызывает скачкообразное повышение давления на выходе элемента сравнения 25, переключение с "0" на "1" усилителя 22 и сброс на "0" триггера 30. При этом закрывается пневмоклапан 4 и прекращается подачи жидкости в тару (Z+=0, Z-=1). Элементы УЗ и УУ переходят в исходное состояние. Цикл операций наполнения тары повторяется при очередной подаче команды от кнопки 3.
Таким образом, сутью предлагаемого технического решения, обеспечивающего повышение точности дозирования, является использование в качестве чувствительного элемента датчика уровня воздушной трубки, продуваемой сжатым воздухом с малым расходом, подключенной к двухкаскадному аналоговому усилителю давления (на элементах сравнения 25 и 26) с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления (порядка 1600). При этом выходной аналоговый сигнал усилителя преобразуется в дискретный командный сигнал на отключение подачи жидкости в тару посредством порогового двухкаскадного усилителя давления и мощности (22) с низким порогом срабатывания (порядка 120 мм. вод.ст). Это обеспечивает реакцию датчика на образование воздушного пузырька на границе раздела «газ-жидкость» в момент достижения уровнем жидкости в наполняемой таре заданного положения, совпадающего с положением торцевой кромки воздушной трубки.
Преимуществами предложенного устройства являются также:
- существенное упрощение конструкции узла залива тары и повышение надежности выполнения операции отмеривания дозы за счет исключения необходимости герметизации заливной горловины тары в процессе ее наполнения;
- повышение степени универсальности чувствительного элемента датчика уровня и узла залива тары в целом по отношению к ее типоразмерам и физико-химическим свойствам дозируемой жидкости (вязкости, пенообразованию, агрессивности, содержанию мелкодисперсных взвесей).