CN101590994A - 液体定量灌装控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体定量灌装控制技术领域，特别涉及一种可用于流速非恒定的液体定量灌装控制方法，能动态地根据当前流速自动调整提前量，确保流速非恒定的液体定量灌装的精确度；本发明的液体定量灌装控制方法，包括如下步骤：1)启动灌装；2)计算阀门全开后一个时间段内的平均流速v；3)根据平均流速v计算从启动阀门关闭至阀门完全关闭期间的流出液体重量Q₁；4)计算应当启动阀门关闭时的灌装量Q₀；5)判断当前灌装量是否达到Q₀，如是，则执行步骤6)；6)启动阀门关闭。

Description

液体定量灌装控制方法

技术领域

本发明涉及液体定量灌装控制技术领域，特别涉及一种可用于流速非恒定的液体定量灌装控制方法。

背景技术

液体定量灌装的精确控制在工业产品、医药产品、日常生活用品产品的生产过程中是广泛需要的。不借助泵的动力之自流灌装方式中，当液源容器相对于被灌容器大到后者可以忽略，在灌装过程中，液面下降极慢，则可以认为灌装时液体的流速是恒定的。这一类灌装的定量控制以现有的多种控制方法，可以达到足够精确的效果。当液源容器与被灌容器的容积差别远未达到前述程度，在逐件灌装过程中液源容器中的液面高变化较为明显，则灌装流速必会相应地发生变化，此种情况即称为流速非恒定。

目前，流速非恒定的定量灌装采用称重方式进行控制，其精确度普遍偏低。例如，较小规格发动机缸套毛坯离心浇铸时，希望铁水量尽可能逼近一只工件的所需量，但在实际工艺过程中，受现行重量控制方法所限，铁水量往往偏差较大。铁水量偏少，则毛坯件为废品，铁水量偏多则造成①浪费铁水；②浪费能源；③毛坯件加工余量过大。显然，需要有新的控制方法使灌装量足够精确。

现有的液体定量灌装通常采用称重控制方式进行，现有的液体定量灌装***包括液源容器、被灌容器和控制装置，所述液源容器通过电磁阀控制阀门开闭，还设置有重力传感装置对被灌容器进行采集，重力传感器和电磁阀均与控制装置连接，通过设置适量提前量，即当装入液体重量达到所需量之前的某一设定值即发出“关门”动作，期望关门截断灌装口期间的流入量恰好等于提前量，以达到灌装量的精确控制目的。这种控制方法缺乏自适应能力，在流速恒定的场合尚可确保足够精确度，若流速为非恒定，则不能进行精确的控制。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供一种液体定量灌装控制方法，能动态地根据当前流速自动调整提前量，确保流速非恒定的液体定量灌装的精确度。

本发明的目的是这样实现的：液体定量灌装控制方法，包括如下步骤：

1)启动灌装；

2)计算阀门全开后一个时间段内的平均流速v；

3)根据平均流速v计算从启动阀门关闭至阀门完全关闭期间的流出液体重量Q₁；

4)计算应当启动阀门关闭时的灌装量Q₀

5)判断当前灌装量是否达到Q₀，如是，则执行步骤6)；

6)启动阀门关闭。

进一步，所述步骤2)具体包括如下步骤：

21)启动灌装后，判断灌装阀门是否全开，若全开，则执行步骤22)

22)采集被灌容器的当前重量M₁，并启动计时；

23)判断灌装是否达到x％Q，其中Q为所需灌装量，x的取值使剩余的灌装时间足以进行余下的控制步骤；

24)采集被灌容器的当前重量M₂和时间T；

25)计算阀门全开后的平均流速v＝(M₂-M₁)/T；

进一步，步骤3)中，根据如下公式进行计算Q₁：

$Q_1=\frac{1}{2}v\×L;$

式中，L为关闭阀门所需的时间；

进一步，步骤4)中根据下式进行计算：

$Q_0=Q-Q_1-\frac{1}{2}\mathrm{\ΔQ}-Q_2;$

式中，ΔQ为上一次灌装的偏差量；Q₂为常量，其值等于出口面积、出口与开始关门时刻被灌容器液面间的距离、被灌液体比重三者的乘积；步骤6)之后还包括步骤7)，记录本次灌装的偏差量。

本发明的液体定量灌装控制方法，根据当前流速，对提前量进行自适应调整，能保证流速非恒定的液体定量灌装的精确度，节约灌装原料和后续工序，提高良品率。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了液体定量灌装控制方法的流程示意图；

图2为液源容器圆形出口阀门关闭过程示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图1，本实施例的液体定量灌装控制方法，包括如下步骤：

1)启动灌装；

2)计算阀门全开后一个时间段内的平均流速v，具体包括如下步骤：

21)启动灌装后，判断灌装阀门是否全开，若全开，则执行步骤22)

22)采集被灌容器的当前重量M₁，并启动计时；

23)判断灌装是否达到x％Q，其中Q为所需灌装量，x的取值范围为1-100，x取值越大，最终的定量灌装越精确，但x的取值必须使剩余的灌装时间足以进行余下的计算、控制步骤，通常以70-80为宜，如，当灌装达到所需灌装量的70％时，执行以下步骤；

24)采集被灌容器的当前重量M₂和时间T；

25)计算阀门全开后的平均流速v＝(M₂-M₁)/T；

3)通过下式计算从启动阀门关闭至阀门完全关闭期间的流出液体重量Q₁：

$Q_1=\frac{1}{2}v\×L;$

式中，L为关闭阀门所需的时间；

4)计算应当启动阀门关闭时的灌装量Q₀：

$Q_0=Q-Q_1-\frac{1}{2}\mathrm{\ΔQ}-Q_2;$

式中，ΔQ为上一次灌装的偏差量，第一次灌装时，可根据历史数据预设；Q₂为常量，其值等于出口面积、出口与开始关门时刻被灌容器液面间的距离、被灌液体比重三者的乘积，其物理意义为开始关门时刻悬于出口与被灌容器液面间的液体；

5)判断当前灌装量是否达到Q₀，如是，则执行步骤6)；

6)启动阀门关闭；

7)记录本次灌装的偏差量。

关于 $Q_1=\frac{1}{2}v\×L$ 的理论推证

参见图2，其中阴影部分表示阀门遮挡部分。由图可见，阀门由完全开通到完全关闭的过程，就是点u由-R移动至R的过程。取长度单位为m，并认为阀门是匀速关闭的。

在阀门关闭过程中，液源容器出口的面积随点u的变化而变化，可由下式确定：

$A\left(u\right)=2{\∫}_u^R\sqrt{R^2-x^2}\mathrm{dx}$

$=x\sqrt{R^2-x^2}+R^2\arcsin \frac{x}{R}{|}_U^R$

$=\frac{\mathrm{\πr}}{2}{R}^2-u\sqrt{R^2-u^2}-R^2\sin \frac{u}{R}(-R\≤u\≤R)$

设园形出口处从开始关阀门到完全关闭出口所用的时间为L，即当0≤t≤L时，-R≤u≤R，作代换：

$t=\frac{L}{2R}(u+R)$ 或 $u=\frac{2R}{L}t-R$

则液源容器出口面积随关门时间t变化的规律为：

$A\left(t\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}{R}^2-R^2(\frac{2}{L}t-1)\sqrt{1-{(\frac{2}{L}t-1)}^2}-R^2\sin (\frac{2}{L}t-1)$

设容器出口处液体流速为v＝am/s

在时间区间[t，t+dt]上的流量微元：

$\mathrm{dQ}=\mathrm{aA}\left(t\right)\mathrm{dt}=a[\frac{\mathrm{\π}}{2}{R}^2-R^2(\frac{2}{L}t-1)\sqrt{1-{(\frac{2}{L}t-1)}^2}-R^2\sin (\frac{2}{L}t-1)]\mathrm{dt}$

从启动关阀门到完全关闭容器出口的时间过程[0，L]所通过的流量：

$Q_1=a{\∫}_0^L[\frac{\mathrm{\π}}{2}{R}^2-R^2(\frac{2}{L}t-1)\sqrt{1-{(\frac{2}{L}t-1)}^2}-R^2\sin (\frac{2}{L}t-1)]\mathrm{dt}$

$=a{[\frac{\mathrm{\π}}{2}{R}^{2}t+\frac{R^{2}L}{2}\cos (\frac{2}{L}t-1)]}_0^L-{\mathrm{aR}}^2\underset{0}{\overset{L}{\∫}}(\frac{2}{L}t-1)\sqrt{1-{(\frac{2}{L}t-1)}^2}\mathrm{dt}$

$=\frac{1}{2}\mathrm{a\π}{R}^{2}L\left(m^3\right)$

上式中的积分经变量代换 $z=\frac{2}{L}t-1,$ 可得：

$a{R}^2\∫(\frac{2}{L}t-1)\sqrt{1-{(\frac{2}{L}t-1)}^2}\mathrm{dt}=\frac{L}{2}a{R}^2\underset{-1}{\overset{1}{\∫}}z\sqrt{1-z^2}\mathrm{dz}=0$ (奇函数在对称区间上的积分)

如果没有启动关阀门，即容器出口全开的状态下，在[0，L]时间段将通过的流量为：

$Q_2=a\underset{0}{\overset{L}{\∫}}\mathrm{\π}{R}^2\mathrm{dt}=\mathrm{a\π}{R}^{2}L\left(m^3\right)$

可得：Q₂＝2Q₁.

即推证表明：在阀门匀速关闭过程中通过容器出口的流量，刚好为容器出口全开时在相同时间内所通过的流量的一半。这一结论证明了 $Q_1=\frac{1}{2}v\×L$ 是正确的。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的技术思想和方案范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.液体定量灌装控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)启动灌装；

2)计算阀门全开后一个时间段内的平均流速v；

3)根据平均流速v计算从启动阀门关闭至阀门完全关闭期间的流出液体重量Q₁；

4)计算应当启动阀门关闭时的灌装量Q₀；

5)判断当前灌装量是否达到Q₀，如是，则执行步骤6)；

6)启动阀门关闭。

2.如权利要求1所述的液体定量灌装控制方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括如下步骤：

21)启动灌装后，判断灌装阀门是否全开，若全开，则执行步骤22)

22)采集被灌容器的当前重量M₁，并启动计时；

23)判断灌装是否达到x％Q，其中Q为所需灌装量，x的取值使剩余的灌装时间足以进行余下的控制步骤；

24)采集被灌容器的当前重量M₂和时间T；

25)计算阀门全开后的平均流速v＝(M₂-M₁)/T。

3.如权利要求2所述的液体定量灌装控制方法，其特征在于：步骤3)中，根据如下公式进行计算Q₁：

$Q_1=\frac{1}{2}v\×L;$

式中，L为关闭阀门所需的时间。

4.如权利要求3所述的液体定量灌装控制方法，其特征在于：步骤4)中根据下式进行计算：

$Q_0=Q-Q_1-\frac{1}{2}\mathrm{\ΔQ}-Q_2;$

式中，ΔQ为上一次灌装的偏差量；Q₂为常量，其值等于出口面积、出口与开始关门时刻被灌容器液面间的距离、被灌液体比重三者的乘积；步骤6)之后还包括步骤7)，记录本次灌装的偏差量。

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