洗瓶机碱溶液浓度在线测量仪的研制*

王 玥，李宏义

（新乡职业技术学院机电工程系，河南 新乡 453006）

洗瓶是啤酒工艺流程中不可缺少的重要一环，瓶子的清洗是否达到工艺要求直接影响到生产成本和啤酒的质量。洗瓶工艺一般是先预浸泡，对瓶子进行升温，清除瓶上附着的浮物，再传送到碱槽，经过碱液的化学作用，灭菌并去除瓶子内外的脏物、霉斑、油脂、商标等，最后经过清水喷淋将碱液除去。碱液浓度一般是2.5%，温度为75～85℃，如果不能按机型技术参数控制碱液温度和浓度，就会出现出瓶挂标和瓶内壁有异物。碱液除标的机理是碱液渗透标纸分解胶体，碱液也同时从标贴侧面渗入，剥离商标。碱液浓度如果太低就不能去除污物和瓶标，浓度太高既浪费了苛性碱又容易将瓶标溶成纸浆进入碱液，影响碱液循环利用。碱液浓度逐渐降低，需及时添加。碱液属于强腐蚀性化学品，人工向洗瓶机添加碱液时，必须戴手套、眼镜等防护器具，要求工人精神高度集中，否则容易出现事故。随着啤酒、饮料业的迅速发展，包装生产线自动化程度要求越来越高，洗瓶机迫切要求采用自动添加碱液技术来代替人工操作。图1是人工加碱和采用自动加碱工艺的对比曲线。

通过曲线可以看出采用自动加碱方式明显减少了碱的浪费和瓶洗不净的问题。由于在洗瓶过程中不断消耗碱液，故在连续生产中，需不断补充浓碱液，并在线检测和实时控制碱液浓度，以达到稳定良好的洗瓶效果，因此在线检测碱液浓度是实现自动加碱的前提。

图1 典型浓度运行曲线

1 电解质溶液浓度与电导率的关系

不同的电解质溶液有不同的导电能力，当电流通过电解质溶液时呈现出与金属一样的电阻Rs，溶液的电导G用其电阻Rs的倒数表示:

式中，L—电解质溶液的导电长度(cm);

A—电解质溶液的导电截面积(cm2);

S—电解质溶液的电导率(S/cm)。

S与溶液的浓度有关:

式中，λ—当量电导率(Sl/cm);

χ—溶液浓度(g/l);

δ—溶质的克当量(g)

可以看出，当 λ、s为常数时，电导率S仅是浓度x的函数。当溶液浓度较低时，当量电导率λ近似为常数，故电导率S与浓度x接近线性关系，通过测量溶液的电导率就可以计算出溶液的浓度。但溶液的温度对电解质溶液的电导率产生较大的影响，溶液的电导率、电离度、浓度和温度之间的关系比较复杂，很难精确计算，还有啤酒厂采购的NaOH纯度也影响测量的准确性，因此采用通过实验来测定各种不同浓度溶液的电导率的方法，将测定的数据制成数据库供程序调用。

2 测量系统单元设计

测量溶液的电导率如果采用常规的电极类电导率计，电极易发生极化作用，在电极表面形成双电层或使电极附近溶液的浓度发生变化，而且电极易被污染或结垢，使其测量准确性大大降低，甚至无法测量，尤其在强腐蚀性和高浓度溶液中更加突出。因此，只能采用非接触式测量，用耐腐蚀材料将传感部件密封起来，避免电极腐蚀极化。

该系统通过电磁感应原理检测碱液电导率变化，来实现对碱液浓度的测量。该测量仪探头由初、次级线圈构成一个变压器，每个线圈各自绕在一个直径50mm的铁氧体磁环上，每个磁环用漆包线均匀绕500匝，用耐酸耐碱抗高温的聚四氟乙烯棒材加工出一个外壳，将两磁环叠放在一起放进外壳内，并将一个Pt100铂电阻放在磁环附近，灌入树脂，将它们和外壳浇注成一体，但磁环孔要通透，碱液会在该孔内形成一个涡流，是测量仪工作的关键。它的电路原理图如图2所示。

图2 电磁式浓度测量仪原理图

加在探头初级的激励信号由AD9833芯片产生。AD9833是ADI公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器，采用直接数字频率合成技术DDS，能够产生正弦波、三角波、方波输出，输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节。利用Mega88PA的PB0输出的1MHz时钟信号做主频时钟时，输出波形精度可以达到0.004Hz。根据实验优化，采用10KHz正弦波作为初级激励源，探头次级感应到的交流信号通过LTC1967转换成直流信号送给Mega88PA的ADC1进行模数转换。凌力尔特公司的单片真有效值/直流转换器(RMS－DC)LTC1967在转换过程中采用△∑计算技术，具有很好的稳定性。接受单端或差动输入信号(可抑制EMI/RFI)，差动输入范围为1Vp－p，具有优异的线性度。LTC1967对电路板的焊接方式、应力及工作温度都不敏感，为得到精确的交流信号有效值提供了保证。AD9833在 Mega88PA控制下产生10KHz的交流电压驱动传感器中的励磁绕组(初级)，在环状的被测溶液中产生感生电流，该感生电流又在检测绕组(次级)中产生交变感生电动势，该感生电动势与被测溶液的电导率成正比。将这个感生电动势通过真有效值/直流转换器整流后由Mega88PA采样，同时温度传感器也将溶液温度信号送至Mega88PA进行采样和依照溶液的特性曲线，进行高精度的(每0.5℃校正一次)温度补偿运算和非线性校正运算。计算后得到的碱液浓度值经D/A转换电路变成4～20mA标准电流信号远传输出。

3 结束语

以前对碱液浓度的测定一般采用人工取样、化学滴定的方法，在环境恶劣、在线检测控制场合受到极大限制。在洗瓶机碱液浓度在线测量系统中采用电磁感应原理对碱液的浓度进行实时监测控制，有效保证了产品质量，操作方便，改善了劳动条件，降低了生产成本，经新乡亚啤和焦作月山啤酒厂连续几月的试用，有效地降低了苛性碱的消耗量，提高了洗瓶机洗瓶质量，证明该产品具有很大的推广价值。

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