ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДОЗАТОР С ОТМЕРИВАНИЕМ ДОЗЫ ПО УРОВНЮ ЖИДКОСТИ В ТАРЕ Российский патент 2021 года по МПК B67C3/20 

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.

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/см². (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;

- задатчик 23 давления подпора нормально открытого пневмоклапана 24 и давления питания трехмембранного элемента сравнения 25, выполняющего функцию первого каскада усиления выходного сигнала (давления р₂) 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.

Задатчик 23 настраивается на выходное давление питания элемента сравнения 25, равное 0,8 кгс/см². 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/см². Начальное давление на выходе элемента сравнения 26 должно составлять порядка 10-20 мм. вод.ст. (0,001-0,002 кгс/см²) 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.

Налив жидкости в тару производится автоматически при касании оператором отверстия сенсорной пусковой пневмокнопки 3. При касании отверстия кнопки повышается избыточное давление p₁, 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.

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 р₂ 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).

Изобретение относится к области дозирования жидкостей, а именно к дозаторам с контролем отмеривания дозы по уровню жидкости в таре, и может быть использовано для автоматизации процессов расфасовки технических жидкостей, в том числе малопенящихся продуктов бытовой химии, парфюмерии, продуктов лакокрасочной промышленности и др. Пневматический дозатор содержит узел залива тары (1) с воздушной трубкой (17) (чувствительным элементом датчика уровня) и сливной трубкой (16), сообщающейся через запорный орган с линией подачи жидкости в тару, и управляющее устройство (2). Узел залива тары (1) дополнительно содержит сенсорную пусковую пневмокнопку (3) операции «Дозирование», установленный в вертикальном положении двухвходовый пневмоцилиндр (7) с командным входом «Z+» (перемещение вниз) в верхнюю камеру (8), с командным входом «Z-» (перемещение вверх) в нижнюю камеру (9) через установленный перед ней постоянный дроссель (10) (стеклянный капилляр с внутренним диаметром 0,5 мм) и с жестко закрепленной на штоке пневмоцилиндра пластиной (13), имеющей монтажные отверстия (14 и (15) для установки сливной (16) и воздушной трубок (17). Запорный орган представляет собой пневмоклапан (4) в виде шарового крана с двухсторонним пневмоприводом с положительным «Z+» («клапан открыть») и отрицательным «Z-» («клапан закрыть») командными входами. Управляющее устройство (2) подсоединено к технологическим элементам узла залива тары импульсными трубками через штуцеры «1» и «4» внешних соединений. Сенсорная пусковая пневмокнопка (3) и воздушная трубка (17) подключены, соответственно, к штуцерам «1» и «2». Командные входы «Z+» пневмоклапана (4) и пневмоцилиндра (7) объединены и подключены к штуцеру «3», а их командные входы «Z-» объединены и подключены к штуцеру «4» внешних соединений управляющего устройства (2). Обеспечивается 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. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пневматический дозатор с отмериванием дозы по уровню жидкости в таре, содержащий 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, отличающийся 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.

2. Дозатор по п. 1, отличающийся тем, что 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.

3. Дозатор по п. 1, отличающийся тем, что 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.