一種液體自動灌裝系統的研究

劉洪波

(吉林師范大學 信息技術學院，吉林 四平136000)

1 系統總體設計方案

本液體自動灌裝系統由溫度檢測部分、電熱絲加熱控制部分、液體流量檢測部分、液體管道電磁閥控制部分、包裝薄膜長度控制部分、控制面板即鍵盤參數輸入與顯示控制部分以及微處理器C8051F020等七部分構成。其系統組成原理如圖1所示。

圖1 液體自動灌裝設備系統原理圖

2 系統工作原理

系統啟動以后，首先對薄膜封口的電熱絲進行上電加熱，溫度檢測部分對加熱溫度進行實時數據采集，采集得到的溫度數據通過C8051單片機的A/D端口傳送給單片機，與預先通過鍵盤設定的預置溫度值進行比較，如果低于預置溫度則繼續加熱，當加熱溫度與預置溫度相同時則停止加熱，此時，薄膜進行輸送，液體進行灌裝。薄膜輸送長度由電磁離合器控制，而電磁離合器得電與否可以通過C8051單片機內部定時器決定。由于薄膜輸送過程中是以勻速輸送的，因此，根據包裝所需薄膜長度以及輸送速度很容易就能計算出所需輸送時間，從而通過鍵盤對定時器進行設定。在薄膜輸送的同時，液體進行灌裝，同時，流量檢測部分開始進行流量檢測，并把檢測到的模擬信號也通過C8051單片機的A/D端口傳送給單片機，從而進行計量，一旦達到通過鍵盤設定的預置流量值，控制液體流通的電磁閥便得電動作，關閉管道，禁止液體流通，薄膜加熱封裝裝置進行熱封口，并切斷已經灌裝足夠液體的該薄膜封裝。這樣就完成了一次定量液體封裝，如此周而復始進行生產加工流水作業。

3 系統硬件設計

3.1 單片機系統

該系統的核心器件是單片機, 主要完成溫度采集、流量檢測、參數設定、電熱絲的加熱控制、電磁閥的開關以及薄膜輸送離合器的控制。由于該系統涉及模擬量到數字量的轉換，因此，選用內部集成有高精度A/D轉換電路的單片機。本系統選用Silicon Labs公司的C8051F020單片機[2-3], 該種微處理器內部集成了8 路12位A/D轉換器、8路8位A/D轉換器和2路D/A轉換器, 使用片內的兩路12 位A/D轉換器進行溫度信號采集和流量信號采集。C8051單片機內部還集成了64k 程序FLASH，4k數據RAM, 5個16 位定時器，如此豐富的在片外圍電路大大簡化了單片機系統的設計。C8051 單片機的最高時鐘頻率可達25MHz, 完全能夠滿足溫度數據采集的實時性要求。為了提高A/D 轉換精度, 不采用C8051 單片機內部的電壓參考源, 而選用外部精密參考源作為A/D 轉換的基準電源。本系統設計中選用REF191 精密參考源芯片，其輸出參考電壓為2.048 V，1000 h的長期穩定性為1.2 mV, 相對誤差小于0.05%。

3.2 測溫電路

設計系統中采用鉑電阻Pt102作為測溫元件[4-5], 根據測得的電阻值, 按照鉑電阻的溫度-電阻特性, 可以很容易計算出相應的溫度值。鉑電阻Pt102溫度感應電阻值與溫度之間的函數關系式，可表示為：

低溫區域：-200℃～0℃

RPt=R0[1+ At+ Bt2+ Ct3(t- 100)]

(1)

高溫區域：0℃～500℃

RPt=R0[1+ At+ Bt2]

(2)

式中，R0-----0℃時的電阻值，其值為100Ω；

A = 3.90802×10- 3，

B =-5.80195×10- 7，

C= - 4.27350×10- 12。

為保證測量精度, 鉑電阻測得的電壓信號需要經過預處理。處理過程為：信號經調理電路進行信號放大、電平偏移，使其變換到C8051單片機內部A/D轉換電路所需的輸入電壓范圍內。本系統采用的信號調理電路如圖 2 所示。

圖2 鉑電阻P t102測溫電路

其中，AD581為10Volt穩壓IC，其輸入電壓VCC可為12V～40V的直流電壓。

3.3 流量檢測

本系統的流量檢測部分采用超聲流量檢測技術。通過在流體管道外側安裝超聲波傳感器進行流量檢測[6-7]，在該種流量檢測技術中系統采用傳播-時間法檢測流量。傳播-時間法檢測流量的檢測原理如圖 3 所示。

圖3 傳播-時間法檢測流量的原理圖

T1和T2為一組分別都能發射和接收超聲波的傳感器，超聲波傳播路徑為A→B (或B→A )，AB與液體灌裝管道軸線夾角為θ，管道內徑為D, 管道內流體平均流速為V, 流體聲音傳播速度為C。超聲波在傳感器T2和T1之間傳播的時間受到流經液體流速影響, 從傳感器T2發射到T1的超聲波因流體而加速 (設速度為V2) , 從傳感器T1發射到T2的超聲波因流體而減速 (設速度為V1)。V2-V1的時間差值與流體的流速成正比。當T2發射T1接收時，在B→A 路徑上的超聲波速度為C+Vcosθ, 則超聲波傳播時間為：

(3)

當T1發射T2接收時, 在A→B 路徑上的超聲波速度為C-Vcosθ, 則超聲波傳播時間為：

(4)

由于C>>V, 則可求出時間差值Δt為：

(5)

從而可計算液體流速為：

(6)

式(6)中θ、D和C均為已知，所以在測定并計算Δt值后便可求出流速V。

用Q表示管道中流體的流量，對于內徑為D的管道, 計算出流速V后便可求出流量:

(7)

由于超聲波傳播速度很快，Δt數量級很小，往往在10-6～10-9之間 , 所以很難做到準確測量，這就需要對傳播-時間法加以改進。循環檢測的方式是一種經常采用的測量微小單位物理量方法，因此，選用循環檢測的方法以進一步降低誤差。超聲波循環檢測法就是用一個已知的高頻(f) 脈沖信號作為基準, 經過微小時間t后產生N個高頻脈沖, 那么，m微小時間m×t以后, 將會累積產生n個高頻脈沖, 這時總時間可根據測量累積高頻脈沖數計算為n/f, 即可求得t：t=n/ (f×m)(s)。因此，在求取超聲波順流和逆流傳播時間差值Δt時, 可先測得m個微小時間t1和m個微小時間t2, 即mt1=n1/f和mt2=n2/f, 最后盡可能地求得Δt的準確測量值。

3.4 加熱控制與薄膜傳輸控制

加熱控制可以由C8051單片機I/O口輸出控制電熱絲得電與否來控制，當封裝溫度低于預置溫度時，C8051單片機I/O口輸出控制接通電熱絲供電，使其繼續加熱以達到要求的溫度。當封裝溫度等于預置溫度時，C8051驅動繼電器切斷電熱絲供電，避免封裝溫度過高。需要注意的是：該設計中由于C8051單片機為+5V電壓供電，而電熱絲加熱電壓要遠遠高于+5V，有的采用直流24V供電，也有的采用直流36V供電，或者直接采用交流220V及380V供電，因此，電熱絲不能直接由單片機的I/O口直接供電加熱。并且C8051單片機工作需要的低電壓與外電路電熱絲工作所需的高電壓之間，及交流電壓與直流電壓之間都需要電磁隔離電路或電平轉換電路。本液體自動灌裝系統設計中，采用兩級繼電器作為輸出控制端的電磁隔離及外電路的驅動控制。具體隔離及驅動電路如圖4所示。圖中繼電器或交流接觸器K2的常開觸點作為電熱絲加熱電路的自動斷開和閉合開關，以實現自動灌裝系統的薄膜熱封和切斷。系統工作時，C8051單片機I/O口的驅動輸出通過三極管以增加驅動能力，當I/O口輸出為高電平時，三極管導通，第一級5V中間繼電器K1線圈得電，繼電器K1的常開觸點閉合，第二級繼電器或交流接觸器K2線圈得電，K2的常開觸點同時也閉合，電熱絲工作所需的電源被接通，電熱絲開始加熱；當I/O口輸出為低電平時，三極管截止，第一級5V中間繼電器K1線圈斷電，繼電器K1的常開觸點斷開，第二級繼電器或交流接觸器K2線圈斷電，K2的常開觸點同時也斷開，電熱絲工作所需的電源被斷開，電熱絲停止加熱。

圖4 電磁隔離及驅動電路

薄膜傳輸控制也由C8051單片機I/O口輸出驅動繼電器來控制電磁離合器得電與否來控制，當達到C8051內部定時器設定的時間即薄膜傳輸達到要求長度時，電磁離合器控制繼電器將斷電，停止薄膜傳輸，封裝結束后，電磁離合器重新得電吸合，薄膜傳輸繼續進行，封裝周期重新開始。該部分電路同時也涉及到C8051單片機I/O口不能直接驅動電磁離合器的問題，因此，同樣采用如圖4所示的兩級繼電器作為輸出控制端的電磁隔離及外電路的驅動控制。

4 系統實驗結果誤差分析

4.1 流量檢測方面

在測水試驗中, 系統溫度為常溫, 管徑為 50 mm ,可測量體積流速為0～8 m/s , 精度達到±1%。誤差原因主要包括：①聲波速度引起的誤差, 由式 (6)可以看到, 計算中有聲波的平方項, 無疑這是引入測量誤差的主要原因, 因為聲波速度隨溫度等變化而引起變化。②衰減導致的誤差, 由于超聲波在傳播過程中受流體中雜質吸收的影響, 回波幅值隨傳播距離成指數規律衰減 (即出現復雜波), 使得部分回波很難檢測。

4.2 薄膜傳輸方面

在薄膜傳輸實驗中，有時會出現封裝后的包裝袋或包裝盒在長度或高度上尺寸大小不一，造成此種誤差的原因主要包括：①電磁離合器工作電壓不穩定，造成電磁吸力不夠，帶動薄膜傳動時發生打滑現象，從而影響薄膜傳輸。②電磁離合器電磁吸盤表面不清潔，特別是機械機構工作時油污發生濺射，附著在電磁吸盤表面影響吸合程度，也會導致薄膜傳輸過程中出現誤差。

4.3 薄膜熱封效果方面

在薄膜熱封效果實驗中，偶爾會出現封裝液體滴漏現象。形成此種封裝誤差的原因主要包括：①薄膜熱封口溫度預設值過高或過低。溫度預設值過高時，薄膜在封口后熱切斷時，電熱絲使切口附近薄膜被燙壞，導致封裝液體滲漏；溫度預設值過低時，熱封所需熱量不足，使封口封合效果不佳，從而出現封裝液體滲漏。②電熱絲在安裝過程中發生形變。由于電熱絲發生形變，薄膜在封裝過程中受熱不均，封口的某些部位密封的不夠牢固，所以造成封裝液體滲漏*實驗中采用電熱絲覆蓋導熱膜直接封裝，如果采用機械封裝卡口，封裝卡口內使用加熱棒加熱，此種封裝液體滲漏現象可得到有效解決。。

5 結語

此液體自動灌裝系統通過C8051單片機控制，反應速度快、結構簡單、靈敏度高、 實時性強、 性價比高，具有良好的人機界面和很好的監控效果。由于其并非是針對某具體對象設計，故可用于灌裝各種液體，有較強的通用性。特別是隨著社會經濟水平的發展，人們物質生活水平得到極大提高的今天，各種奶制品及飲品的需求量日益增大，各種液體灌裝設備的需求也不斷地增多。因此，該種液體自動灌裝系統將有著極大的社會實用價值及社會經濟效益，同時也有著較好的應用前景。

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