一种膨化机用在线粘度控制出料装置及控制方法与流程

本发明涉及膨化机械领域，尤其涉及一种膨化机用出料装置及控制方法。

背景技术：

目前大多数食品以及饲料加工行业为了实现高熟化程度的产品，基本都会选用膨化机进行生产，目前市场上的膨化主要分为两种，一种是干法膨化，即在挤压熟化的过程中，更多的通过机械能(sme)使得物料熟化，机械能(sme：specificmechanicalenergy)：每小时电机带动螺杆转动提供给膨化腔内每吨物料的能量(千瓦时/吨)；另一种是湿法膨化，湿法膨化主要是在挤压之前先通过调质器进行预熟化，然后再进入挤压机中进行挤压熟化，采用湿法膨化节省了更多的机械能，使得产量更高并且设备寿命也得到增长，而通过该种方法进行膨化的产品的品质与诸多因素有关，如螺杆转速、出料口的开度、水汽添加量等。

目前市场上的膨化机基本都湿采用人工经验进行调节操控，这样操控的缺陷有以下两点：

1.准确性不够好，生产效率比较低，不能进行实时的参数调节，使得最后的产品参数误差可能比较大；

2.对膨化机操作人员的依赖性太强，很难进行多条生产线同时生产。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是提供一种利用流体粘度控制出料膨化腔出料量与喂水量的方法，以解决现有控制方法中准确性不够好的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案，一种利用流体粘度控制出料膨化腔出料量与喂水量的方法，包括如下步骤：

步骤一：针对膨化机出料膨化腔内物料的配方，采用在线粘度计，测得流变曲线eq1、eq2；

其中eq1的公式为

μ＝kγ^n-1；

eq2的公式为

eq1、eq2公式中的μ为熔融体物料出模前粘度，γ为剪切率，k为流变系数，n为流变指数(n<1)，sme0分别为出料膨化腔出料量大小对应的机械能临界值，mc0与膨化机相连的水汽添加装置喂水量临界值，α，β为回归系数；k0为拟合系数；e为自然常数；sme为实际生产中出料膨化腔出料量大小对应的机械能值；mc为实际生产中与膨化机相连的水汽添加装置喂水量值；膨化产品容重与熔融体物料出模前粘度的关系经验方程eq3，eq4；

其中eq3的公式为

eq4的公式为

δp＝pdie-ps；

eq3、eq4公式中的bd为容重，l为模孔长直段长度，d为模孔直径，δp为出模前后压差，pdie为熔融体物料模前压力，ps为饱和蒸汽压力，μ为熔融体物料出模前粘度，b为拟合系数，θ为拟合指数，a，c为拟合常数；

步骤二：利用在线粘度计连续测得实时粘度和压力，根据容重经验公式eq3，eq4，计算应调整的出料膨化腔出料量对应的所需sme值以及应调整喂水量mc值。

本发明的第二个目的是提供一种膨化机用在线粘度控制出料装置，以解决现有膨化机自动化程度不高、调节准确度不高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案，一种膨化机用在线粘度控制出料装置，其特征在于，所述在线粘度控制出料装置采用权利要求1所述的方法实现控制，具体包括：出料膨化腔，以及；

在线粘度检测装置，所述在线粘度监测装置与出料膨化腔连接，以及；

机械能控制装置，包括有出料通道，所述机械能控制装置的出料通道的进料端与在线粘度检测装置连接，以及；

扩流出料装置，扩流出料装置的进料端与所述机械能控制装置的出料通道的出料端连接，扩流出料装置的出料端安装有模板，所述模板上开设有模孔；

可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器分别与在线粘度监测装置、机械能控制装置电连接；权利要求1所述的eq1、eq2、eq3和eq4写入可编程逻辑控制器中作为核心控制逻辑；

在线粘度检测装置连续测得熔融体物料模前实时粘度，压力传感器得到熔融体物料模前实时压力，并将粘度信号和压力信号输入可编程逻辑控制器中；可编程逻辑控制器根据所述eq3和eq4，输出给机械能控制装置所需的sme信号，机械能控制装置根据输出sme信号调整出料通道的开口大小。

本发明通过在出料膨化腔末端安装在线粘度检测仪对物料的实时检测，并通过事先输入可编程逻辑控制器的经验公式算得所需要的sme信号和喂水量信号等对机械能控制装置的出料通道的开口大小进行实时的控制，确保膨化产品的质量；

对本发明做进一步改进，所述出料膨化腔与在线粘度检测装置之间安装有汇流连接板，所述汇流连接板上开设有贯穿的过渡出料孔。

对本发明做进一步改进，所述过渡出料孔包括一对部分重叠的锥形槽和一个通孔，锥形槽小直径端位于在汇流连接板进料端，通孔位于一对锥形槽的部分重叠的位置。

对本发明做进一步改进，所述机械能控制装置还包括：

伺服电机；

壳体，所述伺服电机安装在壳体的外端，壳体上开设有出料通道；

驱动伸缩连杆装置，所述驱动伸缩连杆装置安装在壳体内并与伺服电机连接；

活塞，所述活塞与驱动伸缩连杆装置连接，并可通过伺服电机带动驱动伸缩连杆装置使得活塞上下移动从而控制出料通道的大小。

本发明机械能控制装置相对于一般膨化机中的使用的阀门来说，使用范围更广，并且本发明中的机械能控制装置可以设置多个出料通道并利用活塞进行控制，可以适用于各种类型的膨化机的出料装置中。

对本发明做进一步改进，所述在线粘度检测装置包含有内腔，内腔形成流体通道，所述内腔中安装有震动测试元件探头，所述震动测试元件探头朝向出料膨化腔出料，所述震动测试元件探头根据震动值和设定值转换成粘度值，并将模拟量信号传输至可编程逻辑控制器。

对本发明做进一步改进，所述扩流出料装置包括：

扩流体，所述扩流体的进料端与机械能控制装置连接，扩流体内设置锥形扩流腔；

孔板，所述孔板安装在扩流体出料端上并且孔板上开设有若干孔；

分流锥，所述分流锥安装在扩流体的扩流腔中，并且分流锥的尖端朝向扩流体的进料端；

模板，所述模板安装在扩流体的出料端。

为解决膨化机主机喂水量的无法精确控制的技术问题，对本发明做进一步改进，所述出料装置还包括膨化机和水汽添加装置，水汽添加装置与膨化机相连接，水汽添加装置上设有调节阀，调节阀与可编程逻辑控制器电连接；

可编程逻辑控制器根据所述eq3和eq4，输出给调节阀所需的应调整喂水量mc信号，调节阀根据应调整喂水量mc信号调整调节阀的开度。

附图说明

图1为本发明的控制示意图；

图2为本发明汇流连接板的主视图；

图3为本发明汇流连接板的剖视图；

图4为本发明扩流出料装置的剖视图；

图5为本发明膨化机用在线粘度控制出料装置的侧视图；

图6是本发明实施例3的流变曲线图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，现针对上述附图进行详细的解释，应该了解的是，说明书和权利要求书中提到的“连接”，既可以是直接的相连，也可以是间接的相连接，文中同一个部件的“进料端“、“出料端”是指从生产工序来说物料进入或者排出的位置，同时文中的“连接于“、“安装于”等方式均可以采用现有技术中的连接方式，例如螺栓连接、抱箍连接等，在此就不在赘述。

实施例1

利用流体粘度控制出料膨化腔出料量与喂水量的方法，包括如下步骤：

步骤一：针对膨化机出料膨化腔内物料的配方，采用在线粘度计，测得流变曲线eq1、eq2；

其中eq1的公式为

μ＝kγ^n-1；

eq2的公式为

eq1、eq2公式中的μ为熔融体物料出模前粘度，γ为剪切率，k为流变系数，n为流变指数(n<1)，sme0分别为出料膨化腔出料量大小对应的机械能临界值，mc0与膨化机相连的水汽添加装置喂水量临界值，α，β为回归系数；k0为拟合系数；e为自然常数；sme为实际生产中出料膨化腔出料量大小对应的机械能值；mc为实际生产中与膨化机相连的水汽添加装置喂水量值；膨化产品容重与熔融体物料出模前粘度的关系经验方程eq3，eq4；

其中eq3的公式为

eq4的公式为

δp＝pdie-ps；

eq3、eq4公式中的bd为容重，l为模孔长直段长度，d为模孔直径，δp为出模前后压差，pdie为熔融体物料模前压力，ps为饱和蒸汽压力，μ为熔融体物料出模前粘度，b为拟合系数，θ为拟合指数，a，c为拟合常数；

步骤二：利用在线粘度计连续测得实时粘度和压力，根据容重经验公式eq3，eq4，计算应调整的出料膨化腔出料量对应的所需sme值以及应调整喂水量mc值。

实施例2

本发明构思：针对膨化生产过程开机参数调节存在的问题和不准确性，设计本发明膨化机在线粘度监测出料装置，达到高效，精准调节膨化机操作参数，及数字化，自动化，智能化控制膨化机的目的。

针对特定配方，采用所述实验机专用在线粘度计测得其包含机械能及喂水量在内的流变曲线；

将所述不同配方所对应的流变曲线以及容重经验公式写入可编程逻辑控制器作为核心控制逻辑；

在保证流变特性一致的同系列双螺杆膨化机，采用所述商业化在线粘度计，通过粘度信号及压力信号输入可编程逻辑控制器控制系统，根据所述预期膨化产品品质，通过所述流变曲线输出机械能以及喂水量的控制信号；

机械能控制装置由所述机械能信号控制；调制器水汽添加管路调节阀开度由喂水量信号控制；根据此技术方案，最终形成“粘度-机械能/喂水量-膨化产品品质”控制闭环。

如图1至图5所示，双螺杆膨化机的出料膨化腔2与汇流连接板3连接，汇流连接板3开设有贯穿的过渡出料孔301，过渡出料孔301为在与出料膨化腔2连接的汇流连接板3的一端开设一对部分重叠的锥形槽和一个通孔，并且通孔位于一对锤形槽的部分重叠的位置，这样的过渡出料孔301可以将膨化机中出来的物料进一步的压缩，并形成一定的压力，导致物料在末端形成一定长度的柱塞流，从而更好的熟化物料并使得熔融的物料具有更好的流动性和均匀性，应该理解的是本图中采用的是双螺杆膨化机，但并不局限于双螺杆膨化机的使用，同样也可以适用于单螺杆或者多螺杆膨化机的使用。

汇流连接板3的另一端与在线粘度检测装置4连接，在线粘度检测装置4包括外壳体402，外壳体402内腔中设有现有的震动元件测试探头401，震动元件测试探头401的朝向出料膨化腔2出料的一端，在线粘度检测装置4通过线缆403与可编程逻辑控制器(例如plc)8连接，在线粘度检测装置4后接机械能控制装置5。

机械能控制装置5包括伺服电机501、驱动伸缩连杆装置502、壳体503，活塞504，壳体503上开设有出料通道，出料通道的进料端与在线粘度检测装置4的出料端连接，伺服电机501安装在壳体503的外部，驱动伸缩连杆装置502安装在壳体503的内部并与伺服电机501连接，驱动伸缩连杆装置502具体采用电缸带动，电缸将旋转转换成直线运动。活塞504与驱动伸缩连杆装置502连接，活塞504上开设有贯穿的出料口，即伺服电机501可以控制驱动伸缩连杆装置502带动活塞504改变出料通道的开口截面积大小，当活塞504的出料口与外壳的出料通道重合时，此时出料通道的面积最大，当需要改变出料通道的大小时，通过伺服电机501控制活塞504上下移动即可，应该理解的是上述机械能控制装置5的实施例仅仅是针对本附图中的一个方式，在针对不同的膨化机或者需要多通道出料时可以相应的在壳体上改变或者增加出料通道的数量，同时将活塞的结构或者大小进行相应的改变，同样能起到实施控制出口通道开口大小的问题。

机械能控制装置5的出料端连接扩流出料装置6的进料端，如图4所示，扩流出料装置6包括扩流体601、孔板602、分流锥603、模板604，扩流体601的进料端与机械能控制装置5连接，扩流体601进料端逐渐向内扩大并形成两个出料端从而形成扩流腔，孔板602安装在扩流体601的出料端，孔板602上开设有若干孔，能够起到整流和过滤纤维的作用，同时扩流腔里还安装有分流锥603，分流锥603的尖端朝向扩流体601的进料端，能够起到均匀分流的作用，防止物料过多堵塞模板，模板604安装在扩流体601的出料端，并且模板604上开设有模孔，即当物料经过孔板602后经由模板604挤压成型。

双螺杆膨化机的出料膨化腔2内设置压力传感器9，压力传感器9与可编程逻辑控制器8电连接。压力传感器9在在线粘度检测装置4与机械能控制装置之间。

工作原理：膨化机通过挤压后，物料通过挤压螺杆1进入出料膨化腔2，并通过汇流连接板3再次挤压形成柱塞状的物料进入在线粘度检测装置4，在线粘度检测装置4中的震动元件测试探头7会对根据震动值和设定值转换成粘度值并将模拟数据经由线缆403传送至可编程逻辑控制器8中，压力传感器9测得实时熔融体物料模前压力传送至可编程逻辑控制器8中，可编程逻辑控制器8会计算出应调整的机械能(sme)信号以及应调整的喂水量信号传输给机械能控制装置5以及膨化机外接的水汽添加装置7，从而控制机械能控制装置5以及水汽添加装置7中的调节阀的开口大小，从而获得质量较好的膨化物料，从机械能控制装置5出料通道出来的物料进入扩流出料装置6并通过分流锥17进行分流，从而均匀的进入扩流出料装置6的出料端，经过孔板602过滤再经模板604成型，最后成型的物料可以通过后接的切割装置进行切割。

本发明还提供了上述出料装置的控制方法:

步骤一:针对特定材料的配方，采用所专用在线粘度计测得其包含机械能sme及喂水量mc在内的流变曲线eq1、eq2；

其中eq1的公式为μ＝kγ^n-1；

eq2的公式为

eq1、eq2公式中的μ为熔融体物料出模前粘度，γ为剪切率，k为流变系数，n为流变指数(n<1)，sme0分别为出料膨化腔出料量大小对应的机械能临界值，mc0与膨化机相连的水汽添加装置喂水量临界值，α，β为回归系数；k0为拟合系数；e为自然常数；sme为实际生产中出料膨化腔出料量大小对应的机械能值；mc为实际生产中与膨化机相连的水汽添加装置喂水量值；

膨化产品容重与熔融体物料出模前粘度的关系经验方程eq3，eq4；

步骤二：将eq1、eq2以及容重经验公式eq3，eq4写入可编程逻辑控制器中作为核心控制逻辑；

其中eq3的公式为

eq4的公式为δp＝pdie-ps；

eq3、eq4公式中的bd为容重，l为模孔长直段长度，d为模孔直径，δp为出模前后压差，pdie为熔融体物料模前压力，ps为饱和蒸汽压力，μ为熔融体物料出模前粘度，b为拟合系数，θ为拟合指数，a，c为拟合常数；

步骤三：采用所述在线粘度检测装置连续测得实时粘度，并将粘度信号和压力信号输入可编程逻辑控制器中；

步骤四：可编程逻辑控制器会根据步骤二中的容重经验公式输出所需sme信号以及应调整喂水量信号，机械能控制装置会根据输出的sme信号调整出料通道的开口大小，水汽添加管路调节阀会根据输出的调整喂水量信号调整调节阀的开度，从而形成控制闭环，使得膨化机出料装置根据在线粘度测试实现自动化控制。

实施例3

以下以加州鲈鱼作为具体说明，加州鲈鱼对应的配方一般为以小麦粉或者普通面粉为主要淀粉源。

步骤一：针对上述配方采用实用型膨化机测得物料流变特性，通过doe及matlabcurvefitting得到以sme及喂水量为自变量的流变曲线，见图6。即：

eq5：μ＝1920×e^{{0.53×[0.0028(sme-28)+10.91(mc-0.24)]}}×γ^0.53-1

其中其预期容重bd为395g/l，设定开机参数为sme：27kwhr/mton，喂水量：26％，

步骤二：将上述所对应的流变曲线eq5以及容重经验公式eq6写入可编程逻辑控制器中；

步骤三：在线粘度检测装置会实时测得鱼料粘度，并将粘度信号和压力信号反馈到plc中；

根据预期容重395g/l及流变曲线所得剪切率与粘度关系对照结果，见表1。商业化在线粘度计测得粘度误差对比结果，见表1。

表1剪切率与粘度关系对照、粘度误差对比

表1中，n/a的含义为数值未知。

步骤四：机械能控制装置会根据输出的sme信号以及调整喂水量信号对机械能控制装置的出料通道以及调节阀的开口大小进行调整，以下根据预期容重410g/l，plc以eq5所示特定配方流变曲线及eq6所示容重与粘度关系经验方程为核心逻辑计算，得到出模粘度及对应的sme、机械能控制机sdtv开度及喂水量，计算过程具体为：

(4-1)5.0mm加州鲈鱼(模孔直径d＝5mm)产能q＝5500kg/hr，模板开孔n＝66个，出模前熔融体密度ρ＝540g/l，通过公式

其中，γ为剪切率，得到单模孔出模剪切率为

(4-2)将预期容重410g/l及出模压差δp＝2.6mpa，带入eq6中得到需要调整出模粘度为μ＝46.5pas；

(4-3)将步骤1中计算得到剪切率γ及及步骤2中计算得到出模粘度μ带入eq5，计算得到需要调整机械能为43千瓦时/吨，其对应机械能控制开度为25％，结果见表2。

表2出模粘度及对应的sme、sdtv开度及喂水量