啤酒灌裝中的幾個問題探討.docx

啤酒灌裝中的幾個問題探討(上) 自上世紀(jì)80年代開始，在消化吸收國外先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們在國內(nèi)首先開發(fā)出了具有自己特色的啤酒灌裝機(jī)液氣控制系統(tǒng)，發(fā)展至今己經(jīng)過了近二十年，現(xiàn)己發(fā)展到第四代，與國際上灌裝機(jī)液氣控制技術(shù)的發(fā)展基本上同步。在此過程中，通過對啤酒灌裝物理過程的研究、與國內(nèi)外裝備制造商的交流和討論，發(fā)現(xiàn)有些問題需要澄清，有些問題需要說明，另一些問題值得進(jìn)一步研究和探討。在討論具體問題之前，首先對啤酒灌裝的內(nèi)涵，給予科學(xué)的分析。 啤酒是通過生化反應(yīng)釀造而制成的液態(tài)食品，它的基體是水，應(yīng)遵循流體力學(xué)的基本定理，如能量守恒、流體連續(xù)和力平衡等。它的主體是微生物和生化反應(yīng)的代謝物以及某些無機(jī)物。其中微生物和代謝物中的二氧化碳和蛋白質(zhì)，是啤酒灌裝過程中必須正視的主要因素，這也是啤酒灌裝區(qū)別于其它液態(tài)食品灌裝的難度所在。如盡量減少增氧量以減少微生物的生存空間；遵循物理化學(xué)中氣體溶解量的亨利定理，根據(jù)二氧化碳含量和灌裝溫度確定背壓高低；蛋白質(zhì)在二氧化碳?xì)怏w作用下易起泡，且持泡時間較長等。 灌裝指的是商品灌裝，是要在市場上進(jìn)行交易的商品，因此必須要計量容積、質(zhì)量或一定容器下的液位高度。 任何食品包裝都不可能提高其品質(zhì)，而且必然會有所影響，包裝工藝的原則是將不利影響減至最小。、啤酒灌裝技術(shù)的核心是灌裝閥 在我國的媒體和專業(yè)會議上，經(jīng)?？梢钥吹胶吐牭揭恍┱f法，將灌裝閥數(shù)量的增加當(dāng)作技術(shù)進(jìn)步來宣傳，制造廠家也以此來做廣告，似乎灌裝頭越多灌裝技術(shù)越先進(jìn)，灌裝流速越快。實際上無論閥的數(shù)量多少，就每一個灌裝閥而言，工作狀態(tài)和過程都是一樣的，閥數(shù)量增多僅僅是酒缸直徑大了，所需的動力和傳動有些變化，灌裝技術(shù)無進(jìn)步可言。所謂高速灌裝的高速，指的是進(jìn)出瓶的切線速度增快，單位時間內(nèi)灌裝的瓶數(shù)增多。而灌裝機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度卻是一樣的，即灌裝每瓶啤酒所需的時間無任何變化，對每個灌裝閥而言，仍然是轉(zhuǎn)圈完成灌裝流程。真正變化的是輸送系統(tǒng)，高速無壓力輸送和無阻塞輸送系統(tǒng)才是高速灌裝的核心技術(shù)。只要灌裝閥的功能和結(jié)構(gòu)相同，其灌裝的技術(shù)性能也就相同，對每個灌裝閥而言，排除機(jī)械加工和裝配誤差，在理論上應(yīng)完全相同。決定灌裝質(zhì)量和技術(shù)水平的是灌裝閥本身，而不是閥的數(shù)量多少。如德國的KHS和KRONES公司，都是以灌裝閥的功能和結(jié)構(gòu)來分類并形成各自的產(chǎn)品系列；而國內(nèi)的企業(yè)，多數(shù)在頭數(shù)上做文章，還未形成以閥為核心技術(shù)的產(chǎn)品系列。目前在國內(nèi)，據(jù)我所知僅有南輕的外置式機(jī)械灌裝閥，其性能優(yōu)于現(xiàn)有的其他機(jī)械閥，是唯一具有自己知識產(chǎn)權(quán)的灌裝核心技術(shù)。為此，兩年前本人曾在有關(guān)報刊上撰文宣傳這一創(chuàng)新成果。 在2000年中國國際啤酒、飲料制造技術(shù)及設(shè)備展覽會后，本人對國外和國內(nèi)參展品的差異，曾發(fā)表過評論，國外參展商主要展示的是技術(shù)，而國內(nèi)參展商主要展示的是加工能力和制造水平。說明我國的企業(yè)尚未真正成為技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新的主體。 啤酒灌裝技術(shù)的核心是灌裝閥，有閥才有機(jī)；機(jī)隨閥而分。灌裝技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在閥的技術(shù)性能上，而不是閥的數(shù)量多少。開展灌裝閥單閥技術(shù)的研究，才是提高灌裝技術(shù)水平的關(guān)鍵。二、啤酒平穩(wěn)灌裝的關(guān)鍵是灌裝閥等壓開閥 上世紀(jì)80年代，我國從德國引進(jìn)兩種類型的機(jī)械閥灌裝機(jī)的制造技術(shù)，一種是SEN公司的外置式長管機(jī)，另一種是H&K公司的內(nèi)置式短管機(jī)，由于種種原因，主要是我國的玻璃瓶制造很不規(guī)范，在我國的啤酒廠中絕大部分都采用短管機(jī)，這里就以短管機(jī)為例來討論啤酒平穩(wěn)灌裝。 啤酒泡沫是啤酒風(fēng)味的特色，是評價啤酒品質(zhì)的主要指標(biāo)之一，喝啤酒應(yīng)喝帶泡沫的啤酒。但啤酒的這一特色給灌裝帶來很大的麻煩，在啤酒廠的灌裝現(xiàn)場經(jīng)常能看到反泡現(xiàn)象。引起啤酒反泡的原因可能有以下幾方面：瓶子定位對中不到位、瓶口缺損密封不嚴(yán)和密封圈老化而形成非等壓灌裝；二氧化碳含量過高或背壓過低使二氧化碳從酒液中大量溢出；流動速度過快或未形成沿瓶內(nèi)壁面的流動引起對啤酒的擾動過大等。泡沫一旦形成則需一定時間才能消失，浮在啤酒液面上的泡沫一旦到回氣管的底口，將影響正常的回氣速度，造成液位參差不齊。 機(jī)械閥是在彈簧力的作用力下開閥，理論上應(yīng)當(dāng)在瓶內(nèi)充氣壓力等于酒缸內(nèi)背壓時開閥，彈簧力的大小僅用以克服酒缸內(nèi)液面至閥口間靜壓差，而實際上還需要克服閥門開啟時的摩擦力，且必需留有余地，即實際上是在充氣壓力低于背壓時閥門就開啟。因此，所有由彈簧開閥的灌裝，在開閥時推動流體流動的作用力多了一個背壓與瓶內(nèi)壓力的差壓，是差壓開閥。閥門開啟后，由于回氣管與缸內(nèi)背壓連通，開閥時附加作用力消失，形成等壓灌裝。但是，差壓開閥時作用力較大所產(chǎn)生的泡沫卻不會消失，它將影響整個灌裝流程，加上彈簧力大小不一致，附加的作用力不相等所造成的擾動強(qiáng)度不一樣，液位的高低不齊是其必然結(jié)果。這就是國產(chǎn)機(jī)械閥短管機(jī)灌裝液位一致性較差的主要原因，這與彈簧的材質(zhì)和工藝以及灌裝閥的制造工藝水平和質(zhì)量管理有關(guān)。經(jīng)觀察就會發(fā)現(xiàn)：德國KHS和KRONES公司的機(jī)械閥灌裝機(jī)，在正常運轉(zhuǎn)情況下，若打開灌裝機(jī)的后擋板觀察其灌裝過程，就見到形成一條斜線的高低液面，浮在液面上的泡沫數(shù)量相差不多，灌裝后液位高度的一致性也較好。深究其原因，一是閥門開度的一致性較好，二是開閥的彈簧作用力和閥開啟所需克服的靜摩擦力一致性較好。 解決問題的途徑是提高閥的制造工藝，達(dá)到KHS和KRONES的水平，但這還是沒有消除開閥時的附加作用力。另一種方法是干脆不用彈簧開閥，像電子灌裝閥那樣在等壓時主動開閥，從源頭上消除開閥時的附加作用力，實現(xiàn)等壓開閥灌裝，這就是南京輕機(jī)外置式灌裝閥的核心原理。其實它的道理很簡單，即在啤酒灌裝時的灌裝速度應(yīng)遵循慢-快-慢規(guī)律。開始慢是為了防止產(chǎn)生大量泡沫，終結(jié)慢是為了降低流動慣性使液位準(zhǔn)確。而中間的快也不是越快越好，應(yīng)以不起泡為界限，何況流量受回氣管外徑和瓶口內(nèi)徑的制約。在傳統(tǒng)的機(jī)械閥中，由于采用彈簧開閥是差壓開閥而未能實現(xiàn)開始慢，啤酒在開閥時起泡就不可避免，因此液位就不可能很準(zhǔn)確。另外，彈簧差壓開閥在第一次抽空后充氣時，充氣時間必須調(diào)短些以避免酒閥誤開，這無形中損害了抽空的效果。于是就出現(xiàn)了能克服這一缺陷的電子灌裝閥，南京輕機(jī)的外置式機(jī)械灌裝閥同樣也可以達(dá)到這一目的。 綜上所述，啤酒平穩(wěn)灌裝的關(guān)鍵是灌裝閥等壓開閥，或者說關(guān)鍵是開閥時盡量避免啤酒起泡。啤酒灌裝中的幾個問題探討(上) 自上世紀(jì)80年代開始，在消化吸收國外先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們在國內(nèi)首先開發(fā)出了具有自己特色的啤酒灌裝機(jī)液氣控制系統(tǒng)，發(fā)展至今己經(jīng)過了近二十年，現(xiàn)己發(fā)展到第四代，與國際上灌裝機(jī)液氣控制技術(shù)的發(fā)展基本上同步。在此過程中，通過對啤酒灌裝物理過程的研究、與國內(nèi)外裝備制造商的交流和討論，發(fā)現(xiàn)有些問題需要澄清，有些問題需要說明，另一些問題值得進(jìn)一步研究和探討。在討論具體問題之前，首先對啤酒灌裝的內(nèi)涵，給予科學(xué)的分析。 啤酒是通過生化反應(yīng)釀造而制成的液態(tài)食品，它的基體是水，應(yīng)遵循流體力學(xué)的基本定理，如能量守恒、流體連續(xù)和力平衡等。它的主體是微生物和生化反應(yīng)的代謝物以及某些無機(jī)物。其中微生物和代謝物中的二氧化碳和蛋白質(zhì)，是啤酒灌裝過程中必須正視的主要因素，這也是啤酒灌裝區(qū)別于其它液態(tài)食品灌裝的難度所在。如盡量減少增氧量以減少微生物的生存空間；遵循物理化學(xué)中氣體溶解量的亨利定理，根據(jù)二氧化碳含量和灌裝溫度確定背壓高低；蛋白質(zhì)在二氧化碳?xì)怏w作用下易起泡，且持泡時間較長等。 灌裝指的是商品灌裝，是要在市場上進(jìn)行交易的商品，因此必須要計量容積、質(zhì)量或一定容器下的液位高度。 任何食品包裝都不可能提高其品質(zhì)，而且必然會有所影響，包裝工藝的原則是將不利影響減至最小。 、啤酒灌裝技術(shù)的核心是灌裝閥 在我國的媒體和專業(yè)會議上，經(jīng)?？梢钥吹胶吐牭揭恍┱f法，將灌裝閥數(shù)量的增加當(dāng)作技術(shù)進(jìn)步來宣傳，制造廠家也以此來做廣告，似乎灌裝頭越多灌裝技術(shù)越先進(jìn)，灌裝流速越快。實際上無論閥的數(shù)量多少，就每一個灌裝閥而言，工作狀態(tài)和過程都是一樣的，閥數(shù)量增多僅僅是酒缸直徑大了，所需的動力和傳動有些變化，灌裝技術(shù)無進(jìn)步可言。所謂高速灌裝的高速，指的是進(jìn)出瓶的切線速度增快，單位時間內(nèi)灌裝的瓶數(shù)增多。而灌裝機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度卻是一樣的，即灌裝每瓶啤酒所需的時間無任何變化，對每個灌裝閥而言，仍然是轉(zhuǎn)圈完成灌裝流程。真正變化的是輸送系統(tǒng)，高速無壓力輸送和無阻塞輸送系統(tǒng)才是高速灌裝的核心技術(shù)。只要灌裝閥的功能和結(jié)構(gòu)相同，其灌裝的技術(shù)性能也就相同，對每個灌裝閥而言，排除機(jī)械加工和裝配誤差，在理論上應(yīng)完全相同。決定灌裝質(zhì)量和技術(shù)水平的是灌裝閥本身，而不是閥的數(shù)量多少。如德國的KHS和KRONES公司，都是以灌裝閥的功能和結(jié)構(gòu)來分類并形成各自的產(chǎn)品系列；而國內(nèi)的企業(yè)，多數(shù)在頭數(shù)上做文章，還未形成以閥為核心技術(shù)的產(chǎn)品系列。目前在國內(nèi)，據(jù)我所知僅有南輕的外置式機(jī)械灌裝閥，其性能優(yōu)于現(xiàn)有的其他機(jī)械閥，是唯一具有自己知識產(chǎn)權(quán)的灌裝核心技術(shù)。為此，兩年前本人曾在有關(guān)報刊上撰文宣傳這一創(chuàng)新成果。 在2000年中國國際啤酒、飲料制造技術(shù)及設(shè)備展覽會后，本人對國外和國內(nèi)參展品的差異，曾發(fā)表過評論，國外參展商主要展示的是技術(shù)，而國內(nèi)參展商主要展示的是加工能力和制造水平。說明我國的企業(yè)尚未真正成為技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新的主體。 啤酒灌裝技術(shù)的核心是灌裝閥，有閥才有機(jī)；機(jī)隨閥而分。灌裝技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在閥的技術(shù)性能上，而不是閥的數(shù)量多少。開展灌裝閥單閥技術(shù)的研究，才是提高灌裝技術(shù)水平的關(guān)鍵。 二、啤酒平穩(wěn)灌裝的關(guān)鍵是灌裝閥等壓開閥 上世紀(jì)80年代，我國從德國引進(jìn)兩種類型的機(jī)械閥灌裝機(jī)的制造技術(shù)，一種是SEN公司的外置式長管機(jī)，另一種是H&K公司的內(nèi)置式短管機(jī)，由于種種原因，主要是我國的玻璃瓶制造很不規(guī)范，在我國的啤酒廠中絕大部分都采用短管機(jī)，這里就以短管機(jī)為例來討論啤酒平穩(wěn)灌裝。 啤酒泡沫是啤酒風(fēng)味的特色，是評價啤酒品質(zhì)的主要指標(biāo)之一，喝啤酒應(yīng)喝帶泡沫的啤酒。但啤酒的這一特色給灌裝帶來很大的麻煩，在啤酒廠的灌裝現(xiàn)場經(jīng)常能看到反泡現(xiàn)象。引起啤酒反泡的原因可能有以下幾方面：瓶子定位對中不到位、瓶口缺損密封不嚴(yán)和密封圈老化而形成非等壓灌裝；二氧化碳含量過高或背壓過低使二氧化碳從酒液中大量溢出；流動速度過快或未形成沿瓶內(nèi)壁面的流動引起對啤酒的擾動過大等。泡沫一旦形成則需一定時間才能消失，浮在啤酒液面上的泡沫一旦到回氣管的底口，將影響正常的回氣速度，造成液位參差不齊。 機(jī)械閥是在彈簧力的作用力下開閥，理論上應(yīng)當(dāng)在瓶內(nèi)充氣壓力等于酒缸內(nèi)背壓時開閥，彈簧力的大小僅用以克服酒缸內(nèi)液面至閥口間靜壓差，而實際上還需要克服閥門開啟時的摩擦力，且必需留有余地，即實際上是在充氣壓力低于背壓時閥門就開啟。因此，所有由彈簧開閥的灌裝，在開閥時推動流體流動的作用力多了一個背壓與瓶內(nèi)壓力的差壓，是差壓開閥。閥門開啟后，由于回氣管與缸內(nèi)背壓連通，開閥時附加作用力消失，形成等壓灌裝。但是，差壓開閥時作用力較大所產(chǎn)生的泡沫卻不會消失，它將影響整個灌裝流程，加上彈簧力大小不一致，附加的作用力不相等所造成的擾動強(qiáng)度不一樣，液位的高低不齊是其必然結(jié)果。這就是國產(chǎn)機(jī)械閥短管機(jī)灌裝液位一致性較差的主要原因，這與彈簧的材質(zhì)和工藝以及灌裝閥的制造工藝水平和質(zhì)量管理有關(guān)。經(jīng)觀察就會發(fā)現(xiàn)：德國KHS和KRONES公司的機(jī)械閥灌裝機(jī)，在正常運轉(zhuǎn)情況下，若打開灌裝機(jī)的后擋板觀察其灌裝過程，就見到形成一條斜線的高低液面，浮在液面上的泡沫數(shù)量相差不多，灌裝后液位高度的一致性也較好。深究其原因，一是閥門開度的一致性較好，二是開閥的彈簧作用力和閥開啟所需克服的靜摩擦力一致性較好。 解決問題的途徑是提高閥的制造工藝，達(dá)到KHS和KRONES的水平，但這還是沒有消除開閥時的附加作用力。另一種方法是干脆不用彈簧開閥，像電子灌裝閥那樣在等壓時主動開閥，從源頭上消除開閥時的附加作用力，實現(xiàn)等壓開閥灌裝，這就是南京輕機(jī)外置式灌裝閥的核心原理。其實它的道理很簡單，即在啤酒灌裝時的灌裝速度應(yīng)遵循慢-快-慢規(guī)律。開始慢是為了防止產(chǎn)生大量泡沫，終結(jié)慢是為了降低流動慣性使液位準(zhǔn)確。而中間的快也不是越快越好，應(yīng)以不起泡為界限，何況流量受回氣管外徑和瓶口內(nèi)徑的制約。在傳統(tǒng)的機(jī)械閥中，由于采用彈簧開閥是差壓開閥而未能實現(xiàn)開始慢，啤酒在開閥時起泡就不可避免，因此液位就不可能很準(zhǔn)確。另外，彈簧差壓開閥在第一次抽空后充氣時，充氣時間必須調(diào)短些以避免酒閥誤開，這無形中損害了抽空的效果。于是就出現(xiàn)了能克服這一缺陷的電子灌裝閥，南京輕機(jī)的外置式機(jī)械灌裝閥同樣也可以達(dá)到這一目的。 綜上所述，啤酒平穩(wěn)灌裝的關(guān)鍵是灌裝閥等壓開閥，或者說關(guān)鍵是開閥時盡量避免啤酒起泡。啤酒灌裝中的幾個問題探討(下)三、關(guān)于啤酒灌裝機(jī)的超速運轉(zhuǎn) 目前啤酒灌裝基本上按以下的工藝流程： 進(jìn)瓶抽真空充二氧化碳抽真空充二氧化碳灌裝靜置泄壓出瓶 機(jī)械閥和電子閥，在工藝流程上是一樣的。在時間分配上，機(jī)械閥一般以旋轉(zhuǎn)角的形式進(jìn)行分配，因為控制抽真空、充氣、開閉酒閥(傳統(tǒng)機(jī)械閥僅有閉閥)和泄壓等動作的滑塊或撥桿，均按旋轉(zhuǎn)角的大小安置在控制環(huán)上，而實際上這些旋轉(zhuǎn)角的大小是由時間來確定的，是在正常運行轉(zhuǎn)速下示出的相應(yīng)轉(zhuǎn)角，廠家給出的技術(shù)數(shù)據(jù)仍然是時間。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于正常運行轉(zhuǎn)速時，整個流程完成的時間就增長，反之超速運轉(zhuǎn)時時間就縮短。因此用機(jī)械閥灌裝啤酒超速運轉(zhuǎn)可能影響灌裝質(zhì)量，如增氧量增大和液位不齊，甚至出現(xiàn)反泡現(xiàn)象。因為在超速運作時，所有閥的控制均由控制環(huán)上滑塊或撥桿來完成，酒閥通過滑塊或撥桿間的時間必然減少，將影響整個灌裝流程的灌裝質(zhì)量。 電子灌裝閥控制是按時序來控制，轉(zhuǎn)速變化時完成灌裝流程的每一工序的時間始終保持不變。若程序中沒有限速，超速影響的也僅僅是泄壓時間縮短，即影響最后一道工序，不會對前面的工序，如抽空、灌裝等產(chǎn)生任何影響?？傊?，當(dāng)灌裝閥確定之后，完成灌裝流程的各分段的時間也就確定了，除非在設(shè)計或給出技術(shù)數(shù)據(jù)時各分段均有較大的余量，否則必然對灌裝質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，若想提高生產(chǎn)效率，應(yīng)當(dāng)從提高整線效率和提高運行可靠性著手，而不是靠提高灌裝機(jī)的轉(zhuǎn)速。四、灌裝缸內(nèi)啤酒液位的控制 上世紀(jì)80年代末，我們?yōu)閺V輕生產(chǎn)的2萬瓶/時灌裝機(jī)研制了我國首臺啤酒灌裝機(jī)液氣控制系統(tǒng)，當(dāng)時在燕京第三包裝車間進(jìn)行試運行。在調(diào)試時，有時出現(xiàn)空缸和滿缸現(xiàn)象，經(jīng)分析后確定此現(xiàn)象的出現(xiàn)是由酒缸內(nèi)背壓的波動所引起。當(dāng)采取措施穩(wěn)定了背壓后，酒缸內(nèi)液位控制除開機(jī)和停機(jī)時有波動外，在正常運行時液位穩(wěn)定在某一位置，但操作工仍需隨時觀察液位，調(diào)節(jié)二氧化碳補(bǔ)氣流量調(diào)節(jié)高低，實質(zhì)上是微調(diào)背壓高低。這種酒缸內(nèi)液位的控制方案來自德國H&K公司，它當(dāng)時使用泰勒公司的氣動儀表，用測量進(jìn)酒管處靜壓的辦法來控制酒缸內(nèi)液位。開始我們對此控制方案未做深入分析也沿用此方法，僅僅將氣動儀表改為電氣儀表，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍采用氣動閥。當(dāng)在調(diào)試現(xiàn)場遇到上述問題后，我們用流體力學(xué)的基本原理進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)這種控制方案的確存在缺陷。 因為進(jìn)酒管處的靜壓不僅受酒缸內(nèi)液位的影響，而且還受酒缸內(nèi)背壓的影響。通俗地說，壓力傳感器測到的壓力變化分不清源頭，調(diào)節(jié)器只知道當(dāng)壓力低于設(shè)定值時讓調(diào)節(jié)閥開大，當(dāng)壓力低于設(shè)定值時讓調(diào)節(jié)閥關(guān)小。若是由液位變化引起壓力變化，控制就正常。若是液位未改變而是由背壓變化所引起，調(diào)節(jié)器照樣指示進(jìn)酒調(diào)節(jié)閥開大關(guān)小，致使液位失控，若是在破瓶和供氣不足情況下，就可能很快出現(xiàn)滿缸。這種相關(guān)量的控制是很難達(dá)到同步一致的，控制的精確度和穩(wěn)定性也不可能很好。 在90年代初，我們就提出將背壓和液位分別獨立進(jìn)行控制的控制方案，并為此研制了用于控制液位的傳感器。1995年燕京第二包裝車間在改進(jìn)后的廣輕60頭短管機(jī)上進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗，受到了操作工和廠方的歡迎和肯定。當(dāng)時我們在酒缸上只安裝了一個液位傳感器，發(fā)現(xiàn)在缸內(nèi)有酒而不進(jìn)瓶灌酒即空轉(zhuǎn)時，液位顯示值變化3個4個字且與轉(zhuǎn)速無關(guān)。經(jīng)分析這是由于酒缸的旋轉(zhuǎn)面與自然水平面不可能絕對平行所引起，即液位傳感器上某一點所走的圓的軌跡不可能落在自然水平面上，而是與水平面間有一夾角。若從通過旋轉(zhuǎn)中心的垂直平面上來觀察，這一夾角在旋轉(zhuǎn)平面與水平面的交線處為零，從交線處繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，夾角逐漸增大，等轉(zhuǎn)到 90度時夾角達(dá)到最大，即等于旋轉(zhuǎn)平面與水平面間的夾角。再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)夾角減小，轉(zhuǎn)到180度時到達(dá)交線時夾角又回到零。再繼續(xù)向同方向旋轉(zhuǎn)，夾角就變?yōu)樨?fù)方向增加，到270度時達(dá)到負(fù)值最大，然后就減小，到360度時回到原位，夾角又回到零。而傳感器上某一點至自然水平面的垂直距離，按數(shù)學(xué)定律應(yīng)為此點至旋轉(zhuǎn)中心的距離即旋轉(zhuǎn)半徑和夾角的正弦函數(shù)的乘積。其數(shù)值隨旋轉(zhuǎn)角而變，其變化的規(guī)律與夾角的變化規(guī)律完全一致，按正弦函數(shù)的規(guī)律變化。因此，為消除這一誤差可在同一旋轉(zhuǎn)半徑相位差為180度處，即在與旋轉(zhuǎn)中心對稱的地方，再安裝一同樣的傳感器，就可使旋轉(zhuǎn)測量液位所產(chǎn)生的誤差正負(fù)抵消而自動消除。目前，我國自己生產(chǎn)的灌裝機(jī)，尤其是酒缸直徑較大的灌裝機(jī)均采用此控制方案。 德國KHS和KRONES公司的灌裝機(jī)，在同一半徑上裝有四個傳感器，從數(shù)學(xué)的角度來說，完全沒有必要，其效果與兩個完全一樣。理論上只要在同一半徑上，在360度范圍內(nèi)，按角度均勻分布，如每隔120度一個是三個、每隔90度一個就是四個。所測得的液位高度是所有傳感器測量值之和再除以傳感器個數(shù)，兩個是除2，三個是除3、四個就是除4。 若從物理學(xué)的角度來看，灌裝機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，角速度很小，差不多十秒鐘才轉(zhuǎn)一圈，且每個灌裝閥的灌裝流量也很小，不可能對水平面的狀態(tài)造成明顯的影響。因此，我認(rèn)為用四個傳感器完全是多余，只需在同一圓周上軸對稱裝兩個即可。 灌裝缸內(nèi)酒液位的控制，對啤酒灌裝有較大的影響，液位波動將影響灌裝流速波動，不僅影響灌裝時間，對灌裝的平穩(wěn)性也有影響。當(dāng)然，只要保證缸內(nèi)有酒，液位有些小的波動也無關(guān)大局。但是若不將液位和背壓分開獨立控制，將必然會增加灌裝機(jī)的停機(jī)次數(shù)、增加工人的操作強(qiáng)度、很難實現(xiàn)全自動化，何況從控制理論的角度來說，這種相關(guān)量的控制也是不合適的。五、無巴氏滅菌啤酒灌裝 啤酒釀造后要想成為商品，必須要進(jìn)行包裝，采用哪種包裝工藝和包裝物，則取決于市場運作和管理。這里所說的包裝工藝包括啤酒的終端處理，任何終端處理方法的目的都是為了延長商品貨架期，都是以損失啤酒風(fēng)味為代價而取得的，貨架期延得愈長，風(fēng)味損失也就愈大，反之損失就愈小?？谖蹲詈玫钠【剖菐л^多酵母未經(jīng)過濾的混濁啤酒，其次是經(jīng)濾掉大部分酵母的鮮啤酒。在歐洲尤其是在德國，除少數(shù)出口到遠(yuǎn)處的啤酒采用巴氏滅菌外，其他都采用無巴氏滅菌灌裝。這種啤酒包裝工藝實現(xiàn)的前提條件是純凈化釀造，其中包含著對微生物的有效控制和管理。對啤酒灌裝而言，主要是防止二次污染和微生物有效控制。 啤酒是食品不是針劑，有點無害菌也無妨，何況所有耗氧菌在啤酒中根本就無法生存。在啤酒灌裝中最重要的兩點：一是清洗滅菌，二是灌裝機(jī)的運行可靠性。其中最重要的是可靠性，而這一點正好是國產(chǎn)裝備的弱點，這也是為什么國內(nèi)灌裝生啤的灌裝機(jī)大部分采用進(jìn)口裝備的主要原因之一。灌裝閥的一致性和灌裝機(jī)運行的可靠性，是目前國產(chǎn)裝備與進(jìn)口裝備差距最為明顯的方面，也是最值得關(guān)注的方面。 年初在本刊上刊登的解讀“純生”啤酒一文中，曾有過專門的論述，這里不再多重復(fù)，在技術(shù)水平達(dá)到一定程度以后，可靠性將上升為首位。作者：張國權(quán) 中國計量科學(xué)研究院啤酒灌裝中的幾個問題探討(下) 三、關(guān)于啤酒灌裝機(jī)的超速運轉(zhuǎn) 目前啤酒灌裝基本上按以下的工藝流程： 進(jìn)瓶抽真空充二氧化碳抽真空充二氧化碳灌裝靜置泄壓出瓶 機(jī)械閥和電子閥，在工藝流程上是一樣的。在時間分配上，機(jī)械閥一般以旋轉(zhuǎn)角的形式進(jìn)行分配，因為控制抽真空、充氣、開閉酒閥(傳統(tǒng)機(jī)械閥僅有閉閥)和泄壓等動作的滑塊或撥桿，均按旋轉(zhuǎn)角的大小安置在控制環(huán)上，而實際上這些旋轉(zhuǎn)角的大小是由時間來確定的，是在正常運行轉(zhuǎn)速下示出的相應(yīng)轉(zhuǎn)角，廠家給出的技術(shù)數(shù)據(jù)仍然是時間。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于正常運行轉(zhuǎn)速時，整個流程完成的時間就增長，反之超速運轉(zhuǎn)時時間就縮短。因此用機(jī)械閥灌裝啤酒超速運轉(zhuǎn)可能影響灌裝質(zhì)量，如增氧量增大和液位不齊，甚至出現(xiàn)反泡現(xiàn)象。因為在超速運作時，所有閥的控制均由控制環(huán)上滑塊或撥桿來完成，酒閥通過滑塊或撥桿間的時間必然減少，將影響整個灌裝流程的灌裝質(zhì)量。 電子灌裝閥控制是按時序來控制，轉(zhuǎn)速變化時完成灌裝流程的每一工序的時間始終保持不變。若程序中沒有限速，超速影響的也僅僅是泄壓時間縮短，即影響最后一道工序，不會對前面的工序，如抽空、灌裝等產(chǎn)生任何影響?？傊?，當(dāng)灌裝閥確定之后，完成灌裝流程的各分段的時間也就確定了，除非在設(shè)計或給出技術(shù)數(shù)據(jù)時各分段均有較大的余量，否則必然對灌裝質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，若想提高生產(chǎn)效率，應(yīng)當(dāng)從提高整線效率和提高運行可靠性著手，而不是靠提高灌裝機(jī)的轉(zhuǎn)速。 四、灌裝缸內(nèi)啤酒液位的控制 上世紀(jì)80年代末，我們?yōu)閺V輕生產(chǎn)的2萬瓶/時灌裝機(jī)研制了我國首臺啤酒灌裝機(jī)液氣控制系統(tǒng)，當(dāng)時在燕京第三包裝車間進(jìn)行試運行。在調(diào)試時，有時出現(xiàn)空缸和滿缸現(xiàn)象，經(jīng)分析后確定此現(xiàn)象的出現(xiàn)是由酒缸內(nèi)背壓的波動所引起。當(dāng)采取措施穩(wěn)定了背壓后，酒缸內(nèi)液位控制除開機(jī)和停機(jī)時有波動外，在正常運行時液位穩(wěn)定在某一位置，但操作工仍需隨時觀察液位，調(diào)節(jié)二氧化碳補(bǔ)氣流量調(diào)節(jié)高低，實質(zhì)上是微調(diào)背壓高低。這種酒缸內(nèi)液位的控制方案來自德國H&K公司，它當(dāng)時使用泰勒公司的氣動儀表，用測量進(jìn)酒管處靜壓的辦法來控制酒缸內(nèi)液位。開始我們對此控制方案未做深入分析也沿用此方法，僅僅將氣動儀表改為電氣儀表，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍采用氣動閥。當(dāng)在調(diào)試現(xiàn)場遇到上述問題后，我們用流體力學(xué)的基本原理進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)這種控制方案的確存在缺陷。 因為進(jìn)酒管處的靜壓不僅受酒缸內(nèi)液位的影響，而且還受酒缸內(nèi)背壓的影響。通俗地說，壓力傳感器測到的壓力變化分不清源頭，調(diào)節(jié)器只知道當(dāng)壓力低于設(shè)定值時讓調(diào)節(jié)閥開大，當(dāng)壓力低于設(shè)定值時讓調(diào)節(jié)閥關(guān)小。若是由液位變化引起壓力變化，控制就正常。若是液位未改變而是由背壓變化所引起，調(diào)節(jié)器照樣指示進(jìn)酒調(diào)節(jié)閥開大關(guān)小，致使液位失控，若是在破瓶和供氣不足情況下，就可能很快出現(xiàn)滿缸。這種相關(guān)量的控制是很難達(dá)到同步一致的，控制的精確度和穩(wěn)定性也不可能很好。 在90年代初，我們就提出將背壓和液位分別獨立進(jìn)行控制的控制方案，并為此研制了用于控制液位的傳感器。1995年燕京第二包裝車間在改進(jìn)后的廣輕60頭短管機(jī)上進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗，受到了操作工和廠方的歡迎和肯定。當(dāng)時我們在酒缸上只安裝了一個液位傳感器，發(fā)現(xiàn)在缸內(nèi)有酒而不進(jìn)瓶灌酒即空轉(zhuǎn)時，液位顯示值變化3個4個字且與轉(zhuǎn)速無關(guān)。經(jīng)分析這是由于酒缸的旋轉(zhuǎn)面與自然水平面不可能絕對平行所引起，即液位傳感器上某一點所走的圓的軌跡不可能落在自然水平面上，而是與水平面間有一夾角。若從通過旋轉(zhuǎn)中心的垂直平面上來觀察，這一夾角在旋轉(zhuǎn)平面與水平面的交線處為零，從交線處繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，夾角逐漸增大，等轉(zhuǎn)到 90度時夾角達(dá)到最大，即等于旋轉(zhuǎn)平面與水平面間的夾角。再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)夾角減小，轉(zhuǎn)到180度時到達(dá)交線時夾角又回到零。再繼續(xù)向同方向旋轉(zhuǎn)，夾角就變?yōu)樨?fù)方向增加，到270度時達(dá)到負(fù)值最大，然后就減小，到360度時回到原位，夾角又回到零。而傳感器上某一點至自然水平面的垂直距離，按數(shù)學(xué)定律應(yīng)為此點至旋轉(zhuǎn)中心的距離即旋轉(zhuǎn)半徑和夾角的正弦函數(shù)的乘積。其數(shù)值隨旋轉(zhuǎn)角而變，其變化的規(guī)律與夾角的變化規(guī)律完全一致，按正弦函數(shù)的規(guī)律變化。因此，為消除這一誤差可在同一旋轉(zhuǎn)半徑相位差為180度處