CN1730166B - 动态配料液体后喷洒系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态配料液体后喷洒系统。主要解决了现有系统不能对固态物料进行定量定流控制的不足、在微量液计量上因种种原因造成计量不准确的问题。本系统分三大部分：包括连续流物料精密定量控制器、液体处理系统、流量控制机构。连续流物料精密定量控制器包括：能量转换机构、流量检测机构、流量控制机构和机壳，液体处理系统包括定量液体添加装置、载体定量装置、现场液体混合装置和喷雾装置。电脑控制系统包括：硬件系统、软件系统。本系统弥补了现有系统不能对固态物料进行定量定流控制的不足；定量液体添加装置采用了实时失重比对法控制微量液精度；系统采用了嵌入式核心技术开发的控制系统，集软硬件功能于一体。

Description

动态配料液体后喷洒系统

技术领域

本发明涉及一种能在常温下动态地将微量液体用喷雾的方式均匀添加到物料中的自动化系统——动态配料液体后喷洒(PPLA)系统(Proportionate Dosing Post Pelleting LiquidApplication(PPLA)System)，该系统特点在于其在常温下全自动的动态工作方式，微小的喷涂剂量(添加量小于万分之一)及精确性(±1.5％)。

PPLA系统采用ARM嵌入式核心技术控制，可远程集控或单独控制。系统涉及的液体全自动后置添加技术是集成了流体工艺、机械工艺、化工工艺、电气控制、气动控制、液压控制及计算机软硬件控制等技术于一体的全新的综合技术领域。

背景技术

液体的后置添加技术是一个全新的技术领域，世界上研究这项技术的只有欧美少数几个工业发达国家，所开发的系统大多数由控制柜、喷涂机、液体计量系统、液体罐、液体泵和喂料器6个部分组成。由于喷涂机类型和液体计量系统的不同，各国公司所开发出的系统也有所不同。液体喷涂机是系统的核心设备，目前国际上主要运用的喷涂机有以下几种类型：

(1)普通喷涂机其主要包括旋转喷雾添加机和两圆盘旋转添加机。

(2)真空喷涂机包括双轴桨叶式真空喷涂机、旋转式真空喷涂机(RVC)和立式真空喷涂机(VAC)。

根据液体计量系统的不同又分为以下几种：

(1)德国Amandus Kahl公司开发的Amandus Kahl系统，液体配料和后置添加的工艺组合。

(2)加拿大Advanced Automations公司开发的D.W.Robot系统。该系统含有3种计量方法：从液体罐中减重法加入，从散装罐控制时间的正压压入和从散装罐经脉冲流量计流入。

(3)美国Beta Reven公司开发的Liquidmaster系统，该系统由一些液体秤组成。

对于后置添加，要提高喷涂均匀性，必须同时精密控制微量液喷涂的流量和固态物料的流量与厚度，即必须同时进行精密的固态物料计量与微量液计量。

对固态物料计量，现有系统只是定性地使物料产生均匀涡流运动，从直观上能形成较大的帘宽并产生液体与固体物料充分接触的感觉，并没有对固态物料流量进行精密定量与定流控制的装置。

而对微量液计量，现有系统主要有流量计量和重量计量两种，其中大部分采用成本较低的流量计量方式。流量计量是由控制系统发出信号启动喷涂泵，并打开喷液电磁阀，液体通过流量计时，流量计的脉冲信号发生器向控制系统发出脉冲，一个脉冲代表一定量的液体，控制系统累计脉冲数，当达到所设定脉冲数以后，控制系统发出信号关闭喷液电磁阀。但大部分控制系统读取脉冲的频率不高，流量计的精度范围一般为±0.25％～±0.5％。同时流量计的校正通常是在流量计后设一个旁路来检测流量，但由于实际喷涂管路的阻力和用来检测的旁路的阻力不一致，造成校正费时。同时计量不准确的因素还有：齿轮泵自身存在较大的流量脉动和压力脉动；采用流量计量时，如果管路中气体分离不彻底，这些空气会作为“液体”而计量；流量计和齿轮泵运转件的磨损、腐蚀会降低系统的稳定性；计量系统的控制部分受自身噪音和环境杂波的影响，会导致脉冲信号失真。

发明内容

本发明主要解决了现有系统不能对固态物料进行定量定流控制不足、以及在微量液计量上因种种原因造成计量不准确的问题，提供了一种采用计量部分和实时失重比对法控制微量液精度的动态配料液体后喷洒系统。该系统是经过对后置添加从接收、处理、储存、压力源、计量和喷涂等各个环节进行严格设计与反复实验的基础上研制的，本系统还专门对信息的接收、处理和储存等被现有系统忽视的部分进行了全面的开放性设计。

一、系统增加了对连续流固态物料的精密定量与定流控制，弥补了现有系统不能对固态物料进行定量定流控制的不足：

系统利用了独特动力学原理开发设计的连续流物料精密定量控制器，独创性地利用了无阻尼的线性位移传感器(LVDT)将待加工的大宗散状物质进行不间断、连续性的精密流量检测，由计算机得到瞬时流量值后，将物料厚度进行精确限定。在定量和定流的基础上，再利用专门设计的微量液体雾化喷加装置，对目标物体进行微小剂量(添加量小于万分之一)的添加，达到其他工艺手段无法完成的加工要求。

系统主要分为三大部分：

连续流物料精密定量控制器：由一个能量转换机构，一个流量检测机构，一个流量控制机构及机壳组成；

液体处理系统：由一个定量液体添加装置，一个载体定量装置，一个现场液体混合装置，一个喷雾装置及三个机箱所组成；

电脑控制系统：由硬件系统及软件系统所组成；

其特征在于：

所述连续流物料精密定量控制器，其中：

能量转换机构：由滑槽，传递长轴，前、后四方形平衡架，弹簧钢板，压板和中间夹板组成，其中弹簧钢板左右各1～5块，横排成一组，压板前后各2块共4块，中间夹板左右各2块共4块；

流量检测机构：由位移传递支架，位移传感器固定座，位移传感器，模拟量采集板组成；

流量控制机构：由步进电机，步进电机控制器，蜗轮蜗杆减速箱，圆弧门，支撑圆弧门的轴承座和轴承组成；

机壳：由导流缓冲接口，焊接式刚性机架墙板，控制元件封密壳体与物料流动壳体组成，墙板前后各一块；

所述液体处理系统，其中：

定量液体添加装置：主要由不锈钢液体容器，重力传感器，Y型过滤器，计量泵，有泄压功能的背压阀或计量泵专用单向阀、脉动稳压器和流量开关构成的整体，再配上截止阀，弯头，三通用PVC液体管道与塑料软管联结并在机箱固定而成，所述重力传感器设有3个，3个传感器合成一路信号进入变频器；

载体定量装置：主要由过滤器，不锈钢液体容器，Y型过滤器，增压泵，压力表，再配上截止阀，弯头、三通用PVC液体管道与塑料软管联结并在机箱固定而成；

现场液体混合装置：主要由载体流量计、载体流量电感传感器或流量开关、微量液流量计、微量液流量电感传感器或流量开关、单向阀，混合器、压力表，再配上截止阀、弯头、三通用PVC液体管道与塑料软管联结并在机箱固定而成；

喷雾装置：由电磁阀，减压阀，扇形喷嘴或空气雾化喷嘴配上用弯头、三通若干以PVC液体管道制成的喷嘴支架用强磁铁吸着或用紧固件固定在连续流物料精密定量控制器下部；

所述电脑控制系统，其中：

硬件系统：主要由远程集中控制计算机，主控制板，模拟量采集板和液晶触摸屏及步进电机控制器，位移传感器变频器组成；

软件系统：主要由现场系统管理软件和远程控制管理平台二部分组成。

二、系统包含的定量液体添加装置采用了实时失重比对法控制微量液精度。即：

先应用高精度重力传感器22实时称量微量液重量。传感器电流变化经A/D转换把数字信号传给计算机处理，可得到计量泵10每秒钟输出的微量液重量，当每秒钟微量物的量与理论值误差超出设定值(最小±4g)时，计算机可立即反馈到计量泵，并改变计量泵脉冲数，直到消除误差为止。采用实时失重比对法控制微量液精度，优点是液体添加误差可永远控制在设定值(最小±4g)以内，无累计误差。

三、系统采用了嵌入式核心技术开发的控制系统，集软硬件功能于一体，专门对信息的接收、处理和储存等被现有系统忽视的部分进行了全面的开放性设计。

硬件系统的主控制板以ARM微处理器为核心，对工业控制中各种开关信号的输入、模拟信号接收、A/D转换及处理、输出等所有过程在外围电路的核心板中进行了多端口集成，并内置256M闪存，足可存储10年以上的批量生产计录，这是现有所有系统远远不及的。

软件系统是基于核心技术开发的开放式工业控制管理平台，支持触摸屏操作。系统具备对多种不同比重的物料精密的流量设定和自动踪迹跟踪能力，对上游设备和下游设备有协调控制能力，兼备远程控制和远程通讯能力，便于中央集中控制。还具备故障诊断，数据统计与分析能力。

通过对系统的多样化组合，还可使系统的应用也具有重要的开放性功能，应用领域可涉及到化工行业，药品行业，水泥加工业(连续性的配料与计量)，面粉加工业(连续准确地润麦，连续性配粉)，粮食种子加工业，饲料加工业等所有需要对连续流动物料进行不间断计量及需要动态添加微量液体的行业。

连续流物料精密定量控制器包含的流量检测机构，利用了无阻尼的线性位移传感器(LVDT)10为主控制板提供物料流量相关的实时信号，动态检测连续流物料20的流量，达到连续流物料精密定量控制的目的。具体实现过程为：

小颗粒物料20在重力作用下的势能经过能量吸收滑槽4后，其冲量产生的位移被传递长轴3传递，由能量单一性转换装置——水平四方形平衡架转换成弹性势能并产生按线性比例缩小了的水平位移，水平位移由位移传递支架11等值传递到精密位移传感器(LVDT)10并被实时测量，测量到的位移值以电流的形式经A/D转换板转换为数字信号输送到主控制板进行处理。主控制板将接收到的数据换算成实时流量并与理论流量值进行比较后把信号反馈到步进电机控制器，控制步进电机12正反转，转动力经蜗轮蜗杆减速箱14放大后，引起流量控制圆弧门2的微小开闭，达到了实时调整物料流量的目的。

液体处理系统包含的定量液体添加装置采用实时失重比对法控制微量液精度。即：

先应用高精度重力传感器22实时称量微量液重量。传感器电流变化经A/D转换把数字信号传给计算机处理，可得到计量泵10每秒钟输出的微量液重量，当每秒钟微量物的量与理论值误差超出设定值(最小±4g)时，计算机可立即反馈到计量泵，并改变计量泵脉冲数，直到消除误差为止。采用实时失重比对法控制微量液精度，优点是液体添加误差可永远控制在设定值(最小±4g)以内，无累计误差。

电脑控制系统是应用嵌入式核心技术开发的集软硬件功能于一体的开放式工业自动化控制系统。

硬件系统的主控制板以ARM微处理器为核心，对工业控制中信号的输入、输出、A/D转换及处理等所有过程在外围电路的核心板中进行了多端口集成。

软件系统是基于核心技术开发的开放式工业控制管理平台，支持触摸屏操作。系统具备对多种不同比重的物料精密的流量设定和自动踪迹跟踪能力，对上游设备和下游设备有协调控制能力，兼备远程控制和远程通讯能力，便于中央集中控制。还具备故障诊断，数据统计与分析能力。

液体处理系统在具体喷涂环境下可以有灵活的设计变化，但液体处理的原理都相同(见附图二)。

附图说明

附图1是本发明的一种流程控制图；

附图2是本发明液体处理系统的一种结构示意图。

具体实施方式

一、连续流物料精密定量控制器实施方式：

能量转换机构：小颗粒物料20在重力作用下的势能经过能量吸收滑槽4后，其冲量产生的位移被传递长轴3传递，由能量单一性转换装置——水平四方形平衡架转换成弹性势能并产生按线性比例缩小了的水平位移，水平位移等值传递到流量检测机构后能被精密位移传感器LVDT测量得到。

流量检测机构：能量转换机构输出的位移由位移传递支架11等值传递到用位移传感器固定座9固定的精密位移传感器(LVDT)10并被实时测量，测量到的位移值以电流的形式经A/D转换板组成转换为数字信号输送到主控制板进行处理。

流量控制机构：主控制板将接收到的数据换算成实时流量并与理论流量值进行比较后把信号反馈到步进电机控制器，控制步进电机12正反转，转动力经蜗轮蜗杆减速箱14放大后，引起流量控制圆弧门2的微小开闭，以达到实时调整物料流量的目的。

机壳：上部导流缓冲接口1，焊接式刚性机架分为控制元件封密壳体与物料流动壳体组成。

二、液体处理系统实施方式：

定量液体添加装置：定量液体添加装置精密控制微量液体的输出量，确保添加过程中微量液体流量的稳定。不锈钢液体容器21，被重力传感器22吊起，以便控制系统的计算机能根据传感器上电流的微小变化实时检测容器中微量液的失重量并与理论值进行比对，根据比对结果再反馈控制计量泵23的输出脉冲数以达到精确控制微量液流量的目的。容器底部的载止阀打开后容器中的微量液经Y型过滤器24流到计量泵23进行定量供液，有泄压功能背压阀25(或计量泵专用单向阀+脉动稳定器+流量开关)作为计量泵附件确保计量泵工作在最佳状态并有保护计量泵的功能。整个装置还包括截止阀6，弯头26、三通7等若干，再配以PVC液体管道与塑料软管按附图原理联结并在机箱固定而成(说明书附图1：液体处理系统左侧流程图)。

载体定量装置：载体定量装置保证一定量的载体与微量液按一定比例在现场液体混合装置中进行稀释，以增加喷涂的均匀性。液体载体经过滤器27进入不锈钢液体载体容器21，再经Y型过滤器24进入增压泵28，通过调节增压泵出口处的截止阀再配合压力表29上的显示压力，可以把液体载体的输出压力值控制在所需的范围。整个装置还包括截止阀，弯头、三通等若干，再配以PVC液体管道与塑料软管按附图原理联结并在机箱固定而成(说明书附图1：液体处理系统右侧流程图)。

现场液体混合装置：现场液体混合装置保证微量液与载体混合后的质量不因混合时间过久而有所下降并保证二种液体混合均匀。载体流量计30与载体流量电感传感器31(或用流量开关)确保混合前载体流量的稳定，微量液流量计32与微量液流量电感传感器33(或用流量开关)确保混合前微量液的流量稳定。由于载体流的压力大于微量液体流的压力，为防止载体流把微量液体流压回引起微量液逆流，在二种液体汇合处使用单向阀34，保证微量液正常汇入载体流，混合流经特殊设计的混合器38后混合均匀，压力表35、36观察混合前后液体流的压力。整个装置需配上截止阀，弯头、三通等若干，再用PVC液体管道与塑料软管按附图原理联结并在机箱固定而成(说明书附图1：液体处理系统中间流程图)。

喷雾装置：经现场液体混合装置混合均匀后的液体通过塑料软管传输，经电磁阀控制后进入以PVC液体管道制成的，用强磁铁吸着或用紧固件固定在连续流物料精密定量控制器下部的喷雾装置，液体从喷雾装置上的扇形喷嘴或空气雾化喷嘴(需要经减压阀控制的压缩空气)上喷出后变成扇形状的雾，喷在从连续流物料精密定量控制器控制后的物料上，达到动态物料微量液精密定量添加的目的。(说明书附图1：连续流物料精密定量控制器下部)。

Claims (4)

1.一种动态配料液体后喷洒系统，系统主要分三大部分：

连续流物料精密定量控制器：由一个能量转换机构，一个流量检测机构，一个流量控制机构及机壳组成；

液体处理系统：由一个定量液体添加装置，一个载体定量装置，一个现场液体混合装置，一个喷雾装置及三个机箱所组成；

电脑控制系统：由硬件系统及软件系统所组成；

其特征在于：

所述连续流物料精密定量控制器，其中：

能量转换机构：由滑槽(4)，传递长轴(3)，前、后四方形平衡架(15)、(18)，弹簧钢板(16)，压板(8)和中间夹板(17)组成，其中弹簧钢板左右各1～5块，横排成一组，压板前后各2块共4块，中间夹板左右各2块共4块；

流量检测机构：由位移传递支架(11)，位移传感器固定座(9)，位移传感器(10)，模拟量采集板组成；

流量控制机构：由步进电机(12)，步进电机控制器，蜗轮蜗杆减速箱(14)，圆弧门(2)，支撑圆弧门的轴承座和轴承组成；

机壳：由导流缓冲接口(1)，焊接式刚性机架墙板(19)，控制元件封密壳体与物料流动壳体组成，墙板前后各一块；

所述液体处理系统，其中：

定量液体添加装置：主要由不锈钢液体容器(21)，重力传感器(22)，Y型过滤器(24)，计量泵(23)，有泄压功能的背压阀(25)或计量泵专用单向阀、脉动稳压器和流量开关构成的整体，再配上截止阀(6)，弯头(26)，三通(7)用PVC液体管道与塑料软管联结并在机箱固定而成，所述重力传感器设有3个，3个传感器合成一路信号进入变频器；

载体定量装置：主要由过滤器(27)，不锈钢液体容器(21)，Y型过滤器(24)，增压泵(28)，压力表(29)，再配上截止阀，弯头、三通用PVC液体管道与塑料软管联结并在机箱固定而成；

现场液体混合装置：主要由载体流量计(30)、载体流量电感传感器(31)或流量开关、微量液流量计(32)、微量液流量电感传感器(33)或流量开关、单向阀(34)，混合器(38)、压力表(35、36)，再配上截止阀，弯头、三通用PVC液体管道与塑料软管联结并在机箱固定而成；

喷雾装置：由电磁阀，减压阀，扇形喷嘴或空气雾化喷嘴配上用弯头、三通若干以PVC液体管道制成的喷嘴支架用强磁铁吸着或用紧固件固定在连续流物料精密定量控制器下部；

所述电脑控制系统，其中：

硬件系统：主要由远程集中控制计算机，主控制板，模拟量采集板和液晶触摸屏及步进电机控制器，位移传感器变频器组成；

软件系统：主要由现场系统管理软件和远程控制管理平台二部分组成。

2.根据权利要求1所述的动态配料液体后喷洒系统，其特征在于：

所述连续流物料精密定量控制器包含的流量检测机构，利用了无阻尼的线性位移传感器(10)为主控制板提供物料流量相关的实时信号，动态检测连续流物料(20)的流量，具体实现过程为：

小颗粒物料(20)在重力作用下的势能经过能量吸收滑槽(4)后，其冲量产生的位移被传递长轴(3)传递，由水平四方形平衡架转换成弹性势能并产生按线性比例缩小了的水平位移，水平位移由位移传递支架(11)等值传递到精密位移传感器(10)并被实时测量，测量到的位移值以电流的形式经模拟量采集板转换为数字信号输送到主控制板进行处理。主控制板将接收到的数据换算成实时流量并与理论流量值进行比较后把信号反馈到步进电机控制器，控制步进电机(12)正反转，转动力经蜗轮蜗杆减速箱(14)放大后，引起流量控制圆弧门(2)的微小开闭。

3.根据权利要求1所述的动态配料液体后喷洒系统，其特征在于：

所述的液体处理系统包含的定量液体添加装置采用实时失重比对法控制微量液精度；即：

先应用高精度重力传感器(22)实时称量微量液重量；传感器电流变化经A/D转换把数字信号传给计算机处理，可得到计量泵(23)每秒钟输出的微量液重量，当每秒钟微量物的量与理论值误差超出设定值时，计算机可立即反馈到计量泵，并改变计量泵脉冲数，直到消除误差为止；采用实时失重比对法控制微量液精度，优点是液体添加误差可永远控制在设定值以内，无累计误差。

4.根据权利要求1所述的动态配料液体后喷洒系统，其特征在于：

所述的电脑控制系统是应用嵌入式核心技术开发的集软硬件功能于一体的开放式工业自动化控制系统；硬件系统的主控制板以ARM微处理器为核心，对工业控制中信号的输入、输出、A/D转换及处理所有过程在外围电路的核心板中进行了多端口集成；

软件系统是基于核心技术开发的开放式工业控制管理平台，支持触摸屏操作，系统具备对多种不同比重的物料精密的流量设定和自动踪迹跟踪能力，对上游设备和下游设备有协调控制能力，兼备远程控制和远程通讯能力，便于中央集中控制，还具备故障诊断，数据统计与分析能力。

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