XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение. Современные предприятия за счет внедрения автоматизированных конвейерных линий розлива и продуманной логистики способны покрыть огромный спрос мегаполисов в промышленных и продуктово-бытовых бутилированных жидкостях, однако несовершенство используемых стандартных методов и средств [1, 2, 3] не позволяет осуществлять оперативный контроль качества каждого продукта в партии. Несовершенство законодательной и нормативно-технической базы, как и правоприменительной системы в части выявления и изъятия контрафакта, являются «брешью» в «Национальной системе управления качеством фасованных жидких продуктов», что содействует проникновению некачественной продукции на российский рынок, подрывает здоровье и благополучие наших граждан. В свою очередь, ужесточение мер регулирования рынка жидких фасованных продуктов только способствует еще большему внедрению контрафактных продуктов в розничную продажу [2].

Как показали наши исследования [1, 2], для преодоления проблемы контрафактной продукции необходимо разработать и внедрить непосредственно на производстве систему сплошного выходного контроля, которая должна удовлетворять следующим требованиям:

- идентификация параметров жидкого продукта не должна негативно отражаться на производительности автоматизированной линии розлива;

- идентификация параметров жидкого продукта должна осуществляться в промежутке между фасовкой и этикетированием;

- идентификация параметров жидкого продукта должна осуществляться без нарушения герметичности тары и отбора пробы (т.н. неразрушающий контроль);

- внедрение системы сплошного контроля не должно значительно удорожать стоимость выпуска продукта.

Цель исследования. Целью исследования является повышение эффективности контроля качества жидких фасованных продуктов.

Материалы и методы исследования. В исследовании задействован метод весовой импедансной электрометрии (ВИЭМ), который описан в патенте РФ RU 2696810 C1 «Способ экспресс-анализа жидких фасованных продуктов и установка для его реализации».

В Донском государственном техническом университете (ДГТУ) на базе кафедры «Системы приводов и автоматизированного контроля» собран стационарный исследовательский стенд (рисунок 1) по экспресс-идентификации параметров жидкого продукта.

Рисунок 1 – структура исследовательского стенда

В состав стенда входит:

- Измеритель иммитанса E7-20 – прецизионный прибор класса точности 0,1;

- Весы фасовочные настольные, RS-232;

- Цифровой датчик температуры DS18b20;

- Коммутатор и специальный датчик-крышка (рисунок 2);

- Компьютер со специализированным ПО, реализующий автоматизированный сбор и обработку данных.

Алгоритм идентификации параметров жидкого фасованного продукта:

- сперва совершается определение массы (m) и температуры (T) продукта;

- затем компьютер осуществляет расчет текущей плотности ( ) по формуле (1), а также плотностей при стандартных положительных и отрицательных температурах ( ) по формуле (2);

- измеритель иммитанса E7-20 передает данные об электропроводности (G), сопротивлении (R), емкости (C) или индуктивности (L), тангенсах углов потерь (tgδ) и токах утечки (I) датчика-крышки внутри герметичной тары в газовой среде (при нормальном положении) и в жидкой среде (при перевороте тары), на фиксированных значениях частот измерений из рабочего диапазона устройства [1, 4];

- полученные данные образуют спектры значений, записываемые компьютером и используются для последующих вычислений относительной диэлектрической проницаемости ( ) воды по формуле (3), ее динамической вязкости ( ) по формуле (4), для чего вычисляются макро- ( и микроскопические времена ( релаксации по формулам (5 и 6), а кинематическая вязкость (ν), обуславливаемая температурой, вычисляется по формулам (7, 8 и 9) [1, 4]:

,	(1)
,	(2)
	(3)
,	(4)
,	(5)
,	(6)
,	(7)
,	(8)
,	(9)

где – измеренный вес i-го образца в фасованной таре, кг;

– вес j-ой эталонной тары, кг;

=0.5,1.5…Nл – эталонный объем тары;

– температурная поправка к плотности на один градус;

– искомая температура, ;

– плотность жидкости при текущей температуре и при ;

– емкость датчика в воздухе;

– емкость датчика в жидкости;

– динамическая вязкость;

– циклическая частота;

и – табличные данные воздуха, загруженные в компьютер;

aиb – эмпирические коэффициенты;

и – стандартная температура жидких и вязких сред.

Совокупность измеренных и вычисленных параметров образца формирует «образ жидкости» (таблица 1), который уже сравнивается с «образом эталона».

Таблица 1. Перечень параметров «образа» питьевой воды

№	Наименование параметра	Диапазон изменения
1	Масса продукта, m	0,25 – 20 кг
2	Объем продукта, V	(0,25 – 20) 10-3 м3
3	Плотность продукта, ρ	990-1000 кг/м3
4	Электропроводность, G	0,000001-0,2 См (1/Ом)
5	Сопротивление, R	5 - 106Ом
6	Ток утечки, I	10-6-0,2 A
7	Емкость, C	10-3 - 1012 пФ
8	Индуктивность, L	30 – 120 нГн
9	Температура, Т	1 – 50
10	Фактор потерь, tgδ	10-6-5-3б/р
11	Удельная электропроводность,	50-1500 мкСм/см
12	Магнитная проницаемость, 	(8 – 9)106Гн/м
13	Модуль комплексного сопротивления, |Z|	900 – 9500 Ом
14	Угол сдвига комплексного сопр., φ	минус 180°- плюс 180°
15	Кинематическая вязкость, ν	(0,3 – 1,8)10-6 м2/с
16	Динамическая вязкость, η	(0,3 – 1,8)10-3 Нс/м2
17	Частота, f	25 - 106 Гц
18	Диэлектрическая проницаемость, ε	60-90 Ф/м
19	Характеристическая частота,	2500-5450 кГц

Рисунок 2 – 3D-модель емкостно-индуктивного датчика-крышки.

На теле крышки сверху имеются контакты для подключения коммутатора. В зависимости от способа соединения возможно получить как индуктивный, так и емкостный датчик. Предполагается внедрение датчика на этапе фасовки.

Результаты исследования и обсуждение. Машины фасовочно-укупорочные с предварительным ополаскиванием или же «триблоки» (рисунок 3) – основа автоматизированной линии розлива, совмещающая несколько функций: ополаскивание тары, розлив жидкости и укупоривание. В большинстве случаев производительность всей автоматизированной линии розлива зависит от производительности триблока, а та, в свою очередь, прямо пропорциональна количеству дозирующих головок и обратно пропорциональна объему тары [5].

Так, например, триблоки розлива воды от ЗАО Кропоткинский завод МиССП на 1,5 л, 5 л и 19 л ПЭТ-тары (ТРБ 32-45-12, ТРБ 5 12-12-4 и ТРБ-100-19) имеют максимальную производительность 8000 б/ч (0,45 с на бутылку, 32 ополаскивающие головки, 45 разливочные головки), 1500 б/ч (2.4 с на бутылку, 12 ополаскивающих головок, 12 разливочных головок) и 100 б/ч (36 с на бутылку, 1 разливочная головка) [6, 7, 8].

В процессе работы оборудования держатель ополаскивателя захватывает зажимами горловину бутылки и перемещает ее по кругу, переворачивая при этом бутылку вверх дном, а после ополаскивания и стекания жидкости бутылка вновь переворачивается, возвращаясь в положение «дном вниз». Чистые бутылки с помощью промежуточной звездочки передаются на подъемные вилки машины розлива и точно позиционируются под разливочной головкой. Бутылка поднимается и опускается с помощью кулачкового механизма, и по сигналу с датчика последовательно осуществляется наполнение. Причем контроль дозировки осуществляется как оптически (по уровню), так и гравитационным способом (по весу). После окончания процесса наполнения бутылки перемещаются в укупорочный блок, где укупорочные головки совершают вращательно-поступательное движение, производится накручивание пробки на горлышко бутылки и, далее, передача бутылки на конвейерную ленту для последующей транспортировки [7].

Рисунок 3 – Триблок розлива воды и напитков в ПЭТ бутылки.

Заключение. Таким образом, современный триблок розлива уже на данный момент совершает ключевые операции, необходимые для адаптации метода весовой импедансной электрометрии: измерение веса, переворот и подъем/опускание бутылки, точное позиционирование и удерживание крышки. Блок розлива содержит датчик контроля тары и потенциально может быть дополнен контролем температуры, а контроль наполнения по весу позволит осуществить расчет текущей плотности, а также плотностей при стандартных положительных и отрицательных температурах. Блок укупорки за счет точного позиционирования и фиксации тары кулачковыми механизмами может быть дополнен коммутатором, позволяющим осуществить измерение параметров датчика-крышки «на воздухе», а переворот тары, осуществляемый таким же механизмом, как и при ополаскивании, позволит осуществить замер параметров датчика-крышки «в жидкой среде», вычислении прочих параметров, составлении «образа» исследуемого продукта и сравнение его с «образом» эталона.

С другой стороны, все еще остается не решенным вопрос о длительности идентификации продукта и, соответственно, влияние на производительность линии розлива, ведь как показывает расчет, в худшем случае, на малых объемах тары, времени на замеры, перевороты и расчеты будет не более 1 с. С увеличением же объема тары время, доступное для проведения идентификации, также увеличивается, однако возрастают требования к механизмам, осуществляющих переворот и транспортировку.

Список литературы

1. Martynov, V. V. Nanotechnology in the "National quality Management system of packaged liquid products". European Journal of Natural History. 2022. no. 6. P. 17-20.

2. Илихменов А.В., Бадалов Г.В., Белозеров В.В. Модель автоматизированной системы идентификации алкогольных напитков // Материалы XV Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: https://scienceforum.ru/2023/article/2018033316 (дата обращения: 28.11.2023).

3. Андреев В.В. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ МОЛОЧНОЙ ПРОДУКЦИИ МЕТОДОМ ВЕСОВОЙ ИМПЕДАНСНОЙ ЭЛЕКТРОМЕТРИИ ЕМКОСТНЫМ ДАТЧИКОМ // Материалы XV Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: https://scienceforum.ru/2023/article/2018033389 (дата обращения: 28.11.2023).

4. Способ экспресс-анализа жидких фасованных продуктов и установка для его осуществления : патент 2696810 Рос. Федерация : C1 G01N 11/00 / В.В. Белозеров, А.Д. Лукьянов, П.С. Обухов, Д.В. Абросимов, А.Ю. Любавский, Вл. В. Белозеров. — № 2018147515; заявл. 29.12.18; опубл. 06.08.19, Бюл. № 22. — 20 с.

5. Мартынов, В. В. О методах контроля параметров при розливе и реализации безалкогольных газированных сокосодержащих напитков / В. В. Мартынов, Д. Ю. Донской, А. А. Зотов // Научное обозрение. Педагогические науки. – 2019. – № 3-3. – С. 66-71.

6. ТРБ 32/45/12 – триблок розлива газ. Воды и напитков 8000 б/ч объемом 1,5 литра / Кропоткинский завод МиССП [сайт] – URL : https://missp.ru/catalog/rozliv/tribloki/trb-32-48-12/?ysclid=lpi3lu78y1300940578 (дата обращения: 28.11.2023).

7. ТРБ 5 12-12-4 – триблок розлива воды в 5 литровые бутылки 1500 б/ч / Кропоткинский завод МиССП [сайт] – URL : https://missp.ru/catalog/rozliv/tribloki/trb-5-12-12-4/?ysclid=lpi3ru3fd1113387856 (дата обращения: 28.11.2023).

8. ТРБ-199-19 – Триблок розлива 19 литров 100 б/ч / Кропоткинский завод МиССП [сайт] – URL : https://missp.ru/catalog/rozliv/tribloki/trb-5-12-12-4/?ysclid=lpi3ru3fd1113387856 (дата обращения: 28.11.2023).

Код для цитирования: Скопировать