5第五章 产品计量方法25p.docx

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第6章包装生产中的计量技术

第一节包装计量方法与原理

包装生产中的计量工序具有十分重要的作用，它负责对包装物料单位量的划分与控制。

计量工作的好坏将直接影响到包装产品的质量，精确计量可避免不必要的溢装和法规不允许的短装。

在自动包装线中，计量装置既可作为包装机线的组成部分，也可作为单独的计量机。

计量装置或机构一般含机械、电子与电气、光学、气动与液动等技术成分，自动化程度较高，同时具备某些智能化的功能。

包装计量工序的具体内容大致为：

（1）将被包装材料划分为若干规定的数量，确保形成便于运输或销售的单位包装量；

（2）对被包装的物料按规定的误差要求，在生产线上直接进行计算（包括度、量、衡）；

（3）对已完成包装的产品进行鉴别计算，用于产品计算精度控制或产品的分类及选别。

包装计量方法一般分为计数法、定容法和称重法三类。

　　一.计数法

计数法是用来测定每一规定批次的产品数量。

计数法在条形、块形、片形、颗粒形产品包装中广泛采用。

计数法装置由三个基本功能系统组成：

内装物件数检测；内装物件数显示；产品的递送。

1.计数检测系统

依据人工检测产品数量时用眼看和用手摸的原理，计数检测仪有光学系统（模拟眼看）和非光学系统（模拟触摸）两大类。

（1）光学系统类

它安装有一个光敏接收装置，等待计数的产品一个个地在光敏接收器的规定距离内通过。

按实际元件不同，可分为数字光电检测系统和电子模拟检测系统。

①光电元件检测系统

一旦进入光电接收器的光线被遮断，表明一个产品通过了检测区，把这一次隔断纪录为一个产品的件数。

这一方法适用于大多数能有效遮断光线的产品的计数。

但对于那些透明的，折叠形的、双环形的或两部分连接成的、带有孔的物品则不很有效，因为当他们通过时可能不触发或不止一次地触发光电元件。

②电子模拟检测系统

　　最常见的是模拟照相系统。

这个系统在记录检测前采用光学照相阴影检测器来建立供被测物体对照用的某些参量。

当产品进入检测区时产生特定尺寸的阴影，其速度快、适应性强、精确度高。

每个被检单元的阴影在被记录计数前必须满足预先设定的那些参量。

这样，可能两次触发光电元件的o形垫圈状物体和无法触发光电元件的透明的物体都可投下被检测阴影。

（2）非光学系统类

　　即触摸式计数装置，它可包括含摆轮装置、电气触头或磁场触头。

摆轮装置

某个摆轮装置只能适用于某个特定的产品。

每个产品必须是固定的形状尺寸，才能顺利通过机械性接收装置，并输出与记下具体数目。

此系统很精确，对于相同大小的药丸，药片的高速计数很适合。

电气和电磁触头

电气触头的原理：

每个产品通过检测区与开关接触一次，电气开关就反应一次，记录下一个计数单位。

磁场触头的原理：

每个待计数的产品必须与电磁源传来的磁通接触或扰乱磁通，当每个产品进入磁场时纪录为一个计数单位。

以上技术装置中，光学照相系统及摆轮装置具有对物体的记忆判别能力，是技术功能更为完善精确。

2.单件计数法

即产品每通过一件便记一数，并显示已装件数。

现以螺钉形产品为例说明单件计数的基本原理。

图６-1为装置简图。

电机8经传动系统驱动刮板给料器1作垂直方向回转，他所带的杂乱状态的物件从上部滑落到两个平行供料辊2之间，又顺着倾斜的供料辊向下部的滑槽4流动。

再由拨料轮3将重叠的产品扫除，仅剩一列恰好进入滑槽4中，再顺序滑落到装有关电计数器5和磁性闸门6的下端。

当产品通过光电技术器5时可触发信号，输入计数电路进行计数，并由数码管显示累计数字。

达到规定数量后即发出控制信号关闭磁性闸门，完成一次计数循环。

1—刮板式提升给料器；2—供料器；3—拨料轮；4—滑槽；5—光电计数器；6—磁性闸门；7—包装容器；8—电动机

图６-1　螺钉形产品单件及计数装置

3.多件计数法

按规定的数量，如5件为一组或10件为一组计数一次并显示。

图６-2所示为条烟装箱机的计数装置。

图６－２　条烟多件计数装置

１—条烟；２—上压板；３—触电开关；４—下托板；５—水平推板；６—输送带

以10条为一组的条烟1分五路进入计量工位。

计量室的一端装有五个触电开关3，当条烟触到开关时，即可发出信号，表明计量室内已满10条，接着启动上压板2和下托板4使其下移一条烟的厚度距离，上压板退回上位，腾出空位供随后的条烟进入计量室。

如此重复五次后，再由底部的触电开关发出信号指令水平推板5向前移动，直至五十条烟为一组进入侧向开口的纸箱内。

4.转盘计数法

图６-3和图６-4所示为转盘计数装置，常用于药片、药丸、巧克力糖球等规则形物品的计数定量包装。

其中图6-3为工作原理图，图6-4为装置实体图。

图6－３　转盘计数装置工作原理示意图

１—孔盘；２—固定盘；３—卸料斗；４—包装容器；５、８—手轮；６—手柄；７—槽轮机构；９—电动机

图6-4　转盘计数装置实体图

1—电磁振动器；２—下料斗；３—固定托盘；４—孔盘；５—压轮；６—蜗杆；７—大齿轮；８—换档手柄；９—槽轮；１０—曲柄轮；１１—小齿轮；１２—闸门蜗轮；１３—转臂；１４—闸门凸轮；１５—料盘蜗轮；１６—电机；１７—调节闸门

在图６-3中，变换手柄6的位置，使齿轮8的转轴通过槽轮机构7或齿轮5的转动，使孔盘1能做间歇的或连续的转动。

转盘上每隔一定角度扇形分布一定数量的小孔而形成若干组均分的间隔孔区，改变每一扇形区的孔数即可改变计数值。

小孔孔径稍大于物料直径，盘厚度略大于物料厚度以确保每孔容纳一颗物料。

当孔盘倾斜转动时，物料靠自重落入孔中，并由固定盘2托住物料，当盘上某一孔区转到卸料斗3上方时，物料滑落到包装容器4中。

二.定容法

对于密度较稳定的粉末、细颗粒、膏状物料采用预容积的计量方法较合适。

定容法计量装置有量杯式、螺杆式、活塞式等不同的类型。

定容法构造简单，造价低，计量速度快，但精度稍低。

在液料灌装中，定容计量与灌装往往连为一体，其结构方案也更多，如活塞式、隔膜泵式、定量杯式、滑轮计式等（请参阅第十章罐装技术）。

1.量杯式

量杯式结构也有多种，包括转盘式、转鼓式、插管式等。

图6-5所示为量杯式定容计量与充填装置。

它采用由上量杯3和下量杯4组成的可调式量杯，可以补偿物料密度变化造成的数量差。

当料盘10转动时，料仓1内的物料靠自重直接灌入量杯，并由刮板2刮去杯顶面的物料。

当转到卸料位时，由凸轮8打开量杯4的底门9，物料靠自重卸入容器内。

旋转手轮7可通过凸轮8让下量杯4中的连接支架在垂直轴上作上下升降运动，实现上下量杯的相对位置的调整，即计量容积的调整。

也可加上物重自动检测装置来测量物料密度瞬时变化造成的数量差，发出调节信号，由伺服电机带动调节机构，实现量杯容积的自动微调。

2.螺杆式

螺杆式定容计量装置实际是一种螺旋推进器，通常适用于食品、医药、化工等行业的粉料或颗粒料的包装前计量。

图6-5量杯式定容计量充填装置

1—料仓；2—刮板；3—上量杯；4—下量杯；5—包装容器；6—卸料槽；7—手轮；8—凸轮；9—底门；10—料盘

如图6-6所示，物料从料仓1经水平螺杆式供料器3进入垂直料室下部，经搅拌器5和垂直给料器6的搅动，落到输出导管9内。

此装置采用料位高度检测器4来控制水平进料器的进料量，由电磁离合器控制螺杆的转角。

出料闸口的开放度用闸门7来控制。

3.柱塞式

当活塞向上移动时，把产品从供料槽吸到料缸中，到达预定容积量后料缸下部的控制阀旋转，活塞向下推动，使缸中的产品流入容器内。

三.称重法

有许多物料常容易受潮而结块，使颗粒大小不均、密度变化幅度较大，此类产品适合采用称重法计量，以保证精度。

称重分为称毛重（包装后的产品加容器的重量）和净重（包装前的产品重量），称净重往往在包装机线上间歇或连续性进行。

各种称重系统中用到的传感元件有：

计力传感器；气动压差开关；光电传感器；近控开关；低载应变仪；水银开关；线性电压差接变压器等。

用到的信息显示方法有：

示波器（CRT）；发光二极管（LED）;液晶显示器（LCD）；硬拷贝显示等。

1.称毛重

毛重称量法通常用于产品在称重料斗中因有粘连现象而损害称量系统精确度的场合。

图6-7所示为一袋装毛重称重器，可用于中等容量的自动称重，适于细末、粗糙、难以流动的物料。

自动称重器与灌袋夹持器相组装，可实现包装袋的定量灌装。

图（a）为称重机构，上为纯机械式，下为机械—电子式，图（b）为袋夹持器。

图6-6螺杆式定容计量装置

1—料仓；2—插板；3—水平螺旋给料器；4—料位检测器；5—搅拌器；6—垂直螺旋给料器；7—闸门；8—容器；9—输出导管

（a）称重机构　　　　　　　　　　　　　　　（b）袋夹持器

　　　　　　　　　　图6-7　毛重称重器

2.间歇式称重

（1）单台秤。

采用单台秤称重，生产效率较低，且称重速度加快时精度就降低。

图6-8为离心等分式计量装置，其称重速度较快、精度也较高，特别适用于密度均一的散体物料。

先将物料用单台称称重，倒入料仓1，通过搅拌器2和大小离心甩盘3、4，使物料经离心作用等分成若干份。

此种等分计量精度要求稍低些。

图6-8离心等分式计量装置

1—料仓；2—搅拌器；3—小甩盘；4—大甩盘；5—卸料槽；6—包装容器

图6-9高精度计量组合秤

1—中央料斗；2—分料斗；3—秤斗；4—显示板；5—控制机构；6—秤内计算机；7—重量选择输入

（2）多台秤。

采用多台称计量可大幅度地提高生产率。

它尤其适合于粗粒和块状物料的高精度计量。

图6-9所示为高精度计量组合秤。

此装置一般可配备多达9~14个秤斗，成水平辐射状排列，物料从中央料斗再进入分料斗和各秤斗。

每一秤斗都配有重量传感器，可分别同时精确测出各斗中物料重量。

然后根据选定的组合数目，借助电子计算机作快速计量，从至少511种物种组合中挑选出等于或略大于标重的最佳秤斗组合，作为包装物料重量。

这种组合秤误差一般不超过±1%，每分钟称重60~120次。

装置中包括中央料斗、分料斗、秤斗、显示器、机内计算机、重量选择输入器等部件。

表6-1为计量方式示例。

若标定计量值为100g，通过计算可作多种秤斗组合计算选择，结果判定第58号组合方式为最佳（即第1、3、9号秤斗组合而成）。

组合称量技术是针对传统称量方法中存在的问题而开发的。

表6-1高精度计量组合成的计量方式示例

称重组合序号

秤斗组合标号

计量总值（g）

计算机判定

1

1

28

否

54

1，3，5

92

否

55

1，3，6

107

否

56

1，3，7

101

否

57

1，3，8

96

否

58

1，3，9

100

最佳（标定量）

59

1，4，5

97

否

60

1，4，6

112

否

511

1，2，3，4，5，6，7，8，9

298

否

图6-11为一种台式电子组合秤的外形图。

图6-12为一含有电子组合成的包装生产线上的称量工位示意图。

3.连续式称重

连续式定时计量称重是通过控制物料流量及流动时间间隔来计量。

根据物料流量=物料流速╳时间╳流道横截面积的关系式，当物料密度变化时，可借调节物料流的横截面积或移动速度来达到流量的稳定。

要完成这一密度变化反馈与即时流动参数调节的连续过程，要求具有闭环控制回路。

连续式称重时，物料在秤盘上没有停顿时间，称量速度很快，一般达到150~300件/min。

因属动态称重，物料在运动中难免会有振动或冲击等现象，影响到称量精度。

（1）带式秤。

带式秤尤其适合于能连续依靠带式运输机输送的颗粒状散体物料，如粮食、盐等的包装计量。

图6-13所示为一典型的带式秤结构简图。

图6-13板簧杠杆式皮带秤

1—料斗；2—闸门；3—称重调节器；4—秤架；5—输送带；6—传感器；7—限位器；8—阻尼器；9—平行板簧；10—配重；11—弹性支点

此带式秤主体由称架和平行板簧组成，另配有传感器和限位器、组尼器等。

工作时，物料由料斗1流到传送带5上，当物流经过皮带下方的秤架平台4时即可被测出该段物料的实际重量。

若物料密度有变，秤架将会产生上下位移，并由传感器6转换成电信号反馈给称重调节器3，使控制阀门2的开启度得到微调，达到维持物料流量恒定的目标。

为了提高秤体的工作速度，可以采用比较平衡法，即使秤架和物料的总重量与外加配重相平衡。

先行设定使平行板簧9成水平状态的基准值，当物重偏离基准值时，平行板簧则因受力而变形。

若是线性弹簧，则位移量与重量偏差量成正比，由此推算物料的实际重量。

（2）螺旋推进连续秤。

螺杆推进器连续秤适用于不会发生粘连和起拱的颗粒状物料。

图6-16为其工作原理示意图。

物料经螺杆推进器2流到斜向挡板3上，根据物料下落的冲力的水平或垂直分量，经电子秤4转换成与该冲力成比例的电信号，通过控制器5调节给料器2的转速，达到准确定时称量的目的。

物料的降落速度及对挡板的下冲角度和接触面积是影响螺旋推进连续秤正常工作的主要因素。

第二节　　自动检重与物重选别机

一．自动检重器

在包装生产线上组合进一台自动检重器，比普通仅用于剔除不合格品的物重选别机可发挥更大的功能。

它与生产线以外的静态检重仪不同，不需要中断产品的输送。

在生产中也不需要操作者看管即可完成对100%的产品的重量检验。

自动检重器中心部分为称重传感器（一般为应变仪式负荷传感器），其他部分有上游位的产品的输入装置、下游位的产品输出装置，确保维持一定的生产节拍。

还有再下游位的不合格产品剔出装置，它接收信号，并用剔除机构把不合格的产品带到另一方向（横向或纵向）排出。

各种剔除装置有滑动承载板式、空气冲吹式、气压推杆式、摇摆闸门式及落下通过式。

自动检重器一般具有以下三种功能：

（1）使产品符合质量要求。

这里指的主要是满足包装单位重量要求，方便于将超过误差范围的产品剔除。

（2）对工艺工程进行控制管理。

在注明重量的零售产品中，往往因密度变化使包装重量偏差超过允许范围。

密度的变化尤其容易发生在对湿度敏感的吸潮产品上。

这是适合使用自动检重器的信号反馈，对上游生产工作调节控制。

图6-17为利用检重器对充填器作反馈控制示意图，检重器及伺服控制机3负责向充填器的伺服电机2发出反馈信号，有伺服电机控制充填器闸门的开启度，达到稳定充填重量的目的。

图6-18为某一产品采用检重器前后重量分布比较。

此产品在使用检重器前平均重量大约在293g，才能保证不会让小于标定重量283g的产品出厂。

安装使用自动检重器后，产品的平均重量可减至289g，只需剔除小于1%的不足283g重量产品后，99%的产品可合格出厂。

原来每包装件平均超重10g，现在每件可减少4g，节约产品1.4%，按照此产品年产量900t，价格0.75美元/kg计算，此检重器的投资成本1万美元一年即可收回。

图6-17检重器对充填器的反馈控制

1—充填器；2——伺服电机；3—检重器及伺服控制机；4—产品

又如午餐肉切片包装生产中，肉的密度变化后使规定的片数不能确保达到包装规格重量。

在生产线上添置一台自动检重器，可准确地称量每次离开切片机的肉片，如有重量偏差即可反馈到切片机，对每一肉片厚度进行微调。

（3）完成生产报告。

自动检重机的生产报告能提供运行分析数据。

检重器输出的瞬时生产数据传给打印机、计算机及其他终端收集器，并可自动贮存。

这样大大有利于实现工艺过程控制（SPC），进行合格率和不合格率的统计，从而提供客户真实可靠的质量数据。

二．物重选别机

包装物料计量中，由于各种因素影响，包装物料实际重量必然有一定偏差。

物重选别即可完成对包装好的产品的逐件称量，将不合格品排除，故它是自动包装生产线上必须的辅助设备。

常用的物重选别机有以下几种形式：

1.托盘连续式

图6-19为典型的托盘式物重选别机工作原理图，此机型多用于小型袋装、盒装、盘装产品的物重选别。

其称重带由一条宽带或几条窄带组成。

其称重部分与其他连续带式称重机相似，主要特点是含有对不合格品的剔除机构，对所有动作控制形成闭环系统，比起单纯称重机要复杂。

其称重鉴别仪除了称重器常有元件外，还有AD变换器、差动变压器、振荡器、比较电路、欠量输出、超量输出等电子器件。

2.带盘连续式

见图6-20。

此机型的秤盘本身配有输送带驱动装置，避免了输送带张力对称重精度的影响。

电机及传动系统置于秤盘内部，秤盘质量大，影响到称重反应速度，称重速度在80次/min，适用于大中型物件。

3.皮带间歇式

见图6-21。

此机工作原理：

当物件移到秤盘上时，暂时停顿，待称重完毕再送出。

这种静态称重法避免了振动冲击等因素对称重精度的影响。

称重范围在100~1000g的精度为正负0.5g，但生产速度较低，不超过60件/min。

图6-21中，由若干根间隔平行带或绳组成物料输送带，处于下方的秤盘上开有数条对应的凹槽，可让传送带通过。

当物件移动到秤台2上方时，借助气缸8、9作用升起秤盘平面，托起物体进行称重，称完后秤盘下降，物体落到传送带上继续送出。

图6-21皮带式间歇物重选别机

1—输送带；2—秤盘；3—光电检测器；4—砝码；5—阻尼器；6—传感器；7—Ω形弹簧；8、9—气缸；10—驱动电机

4.物重选别单机　

图6-22（a）（b）为两种可以单独作业也可组合到生产线上的物重选别机，但都是人工操作。

其中，（a）机的特点是：

传送部件脱卸简便，清洗方便，可煮沸消毒；称重选别条件可自由设定，生产是操作单键按钮即可完成；适用于卫生管理严格的食品加工线，甚至可以达到GMP药品生产管理要求；并兼有金属物检测功能。

问题与习题

1.包装计量工序主要工作内容是什么？

2.包装计量方法有哪些？

3.什么叫光学系统和非光学系统计数检测法？

4.为什么对有些物件计数时还需要识别功能？

哪些技术装置有此功能？

5.简述图6-1中产品单件计数装置的基本组成部分。

6.请简述转盘计数法的基本工作原理。

7.简述图6-5量杯式定容计量充填装置中定容计量及充填的工作机构原理。

8.称重系统中用到哪些传感元件和显示元件？

9.多台组合式秤为什么能达到高精度称重计量？

10.请简述连续式皮带电子秤的基本称重与控制原理。

11.自动检重器在包装生产线上起什么作用？

如何对工艺过程进行有效反馈控制？

并举例说明其效果。

12.常用物重选别机有几种形式？

在包装线上起什么作用？

13.请为下列产品选定合适的计量方法及装置：

奶粉；牙膏体；火柴梗；药丸；透明塑料盒；钢o型垫圈；形状复杂的元件

14.