隨著社會(huì)的發(fā)展及人們生活水平的提高，對(duì)消費(fèi)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了更高的要求,，要求灌裝裝置系統(tǒng)能夠快速,、安全、準(zhǔn)確地完成灌裝,。無(wú)菌灌裝系統(tǒng)以其固有的優(yōu)點(diǎn)，在食品,、飲料,、制藥等行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。無(wú)菌灌裝系統(tǒng)的要求使用于灌裝定量控制的方式發(fā)生了變化,，一些專業(yè)灌裝用途流量計(jì)進(jìn)入灌裝應(yīng)用領(lǐng)域,，這種動(dòng)態(tài)在線的測(cè)量和控制方式帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，使用中不僅需要考慮流量計(jì)本身的安裝和使用,，還要綜合考慮流量計(jì)集成在系統(tǒng)中時(shí)和其他部分的相互影響,。

    1 無(wú)菌灌裝系統(tǒng)介紹

    1.1 無(wú)菌灌裝系統(tǒng)的要求

    （1）易于清洗和消毒殺菌；（2）高產(chǎn)量,、周期短,；（3）高精度和高重復(fù)性；（4）低消耗和損耗,；（5）快速處理不同產(chǎn)品灌裝和不同批量灌裝,；（6）對(duì)產(chǎn)品和產(chǎn)品質(zhì)量因素有較高的透明度；（7）不用維護(hù)或者易于維修,。

    1.2 無(wú)菌灌裝的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

    （1）機(jī)器的簡(jiǎn)單化,；（2）表面光滑、無(wú)凹凸,、*,、氣密密封性好；（3）排水流暢,，無(wú)積水,；（4）閉密性要好,，防止外界微生物深入；（5）選擇適當(dāng)材料,，耐高溫,、耐化學(xué)腐蝕；（6）自動(dòng)化的CIP（原位清洗）/SIP（原位殺菌）,；（7）關(guān)鍵設(shè)備的定期養(yǎng)護(hù),；（8）劃分生產(chǎn)區(qū)域，無(wú)菌和非無(wú)菌,，生產(chǎn)區(qū)域物料,、人等隔離和管制。

    1.3 灌裝定量控制

    在各個(gè)分系統(tǒng)中,，灌裝的定量控制系統(tǒng)是zui核心的系統(tǒng)之一,，整個(gè)灌裝機(jī)的灌裝速度和精度往往由該系統(tǒng)的性能所決定。灌裝定量控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件包括流量計(jì),、控制器,、閥門（如圖1）。灌裝量的測(cè)量由流量計(jì)完成,，它能快速,、準(zhǔn)確地計(jì)量灌裝頭的連接管道中的流體流量，并把信號(hào)上傳到控制器,，由控制器根據(jù)設(shè)定的定量,，控制灌裝閥門的啟/停，以達(dá)到準(zhǔn)確灌裝,。

圖1 灌裝系統(tǒng)關(guān)鍵部件示意圖

    1.4 無(wú)菌灌裝對(duì)流量計(jì)的要求

    1.4.1 快速反應(yīng)能力和準(zhǔn)確的測(cè)量能力,。每次灌裝通常持續(xù)2~5秒，這要求流量計(jì)的測(cè)量速度非?？?，測(cè)量間隔短，只有這樣才能跟得上流量的變化曲線,。

    1.4.2 衛(wèi)生型設(shè)計(jì)和連接。特殊的材質(zhì)和連接方式,。

    1.4.3 CIP和SIP的要求,。原位清洗和殺菌涉及到酸堿等腐蝕性介質(zhì)，如果采用高溫蒸汽殺菌,，則過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)約140℃的溫度,。

    1.4.4 穩(wěn)定性和重復(fù)性好。

    2 Dosimag電磁流量計(jì)簡(jiǎn)介

    Dosimag系列流量計(jì)是某儀表公司自行研發(fā)的專業(yè)灌裝電磁流量計(jì)，能保證很高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性,，緊湊的外形結(jié)構(gòu)確保了在灌裝生產(chǎn)線的各個(gè)單元能安裝得很近,。有快速準(zhǔn)確的測(cè)量能力，測(cè)量周期短,，測(cè)量頻率高,。

    Dosimag流量計(jì)的測(cè)量原理：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng),，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。在電磁測(cè)量原理中,，流動(dòng)的介質(zhì)就相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體,，感應(yīng)電壓和介質(zhì)的流速成正比，并且通過(guò)兩個(gè)電極直接送到放大器,。流體的容積通過(guò)管道的截面積可以算出,。

圖2 電磁流量計(jì)原理示意圖

    Ue=B×L×v

    Q=A×v

    Q=A×v=A×Ue/B×L

    式中：Ue——感應(yīng)電壓

    B——磁場(chǎng)強(qiáng)度

    L——磁極間距

    v——流體速度

    Q——流體流量

    A——管道截面積

    I——電流強(qiáng)度

    從以上公式可以看出，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁極間距一定時(shí),，流體流量和感應(yīng)電壓成正比,。

    3 Dosimag流量計(jì)特性

    3.1 特點(diǎn)

    （1）快速測(cè)量能力，每秒鐘完成80次以上的準(zhǔn)確測(cè)量,；（2）流量達(dá)1.66L/s,；（3）流體溫度可達(dá)130℃，半小時(shí)內(nèi)耐受150℃,；（4）工作壓力可達(dá)16bar；（5）可進(jìn)行在線原位清洗（CIP）和在線原位殺菌（SIP）,；（6）特殊應(yīng)用內(nèi)襯：PFA（可溶性聚四氟乙烯）,；（7）不銹鋼外殼。

    3.2 應(yīng)用領(lǐng)域

    可用于導(dǎo)電率大于等于5μs/cm的液體測(cè)量,，如食品行業(yè),、化妝品行業(yè)、制藥行業(yè),、化學(xué)藥品行業(yè)

    3.3 食品/衛(wèi)生行業(yè)相關(guān)認(rèn)證

    3A認(rèn)證/EHEDG測(cè)試/符合FDA要求,。

    4 安裝方式、使用條件及注意事項(xiàng)

    4.1 安裝條件

    （1）進(jìn)口管道長(zhǎng)度大于5倍DN,，如圖3,；（2）出口管道長(zhǎng)度大于2倍DN，如圖3,；（3）傳感器和變送器必須接地,；（4）傳感器在管道中居中安裝。

    4.2 安裝方式及位置

    灌裝流量計(jì)安裝調(diào)試簡(jiǎn)單,；對(duì)管道的震動(dòng)不是很敏感,。灌裝流量計(jì)只有在管道*滿地條件下才能正確測(cè)量,，基于這個(gè)原因，建議在批量生產(chǎn)前要做灌裝試驗(yàn),。

圖3 安裝直管段示意圖

    4.2.1 安裝方式一般來(lái)講有旋轉(zhuǎn)灌裝模式和線形灌裝模式,，如圖4和圖5所示：

圖4 旋轉(zhuǎn)灌裝模式

圖5 線形灌裝模式

    4.2.2 安裝位置。安裝在閥門附近,，灌裝流量計(jì)不能安裝在控制閥的下游（圖6）,，如果裝在控制閥的下游，在一個(gè)灌裝周期結(jié)束后,，傳感器的測(cè)量管道*排空,，這樣會(huì)嚴(yán)重影響下個(gè)周期的測(cè)量。

圖6 流量計(jì)和閥門的安裝位置示意圖（1代表灌裝流量計(jì)）

    4.2.3　安裝方向,。合理的安裝方向（圖7）,，可以避免空氣在測(cè)量管道中的堆積和存放。

圖7 安裝示意圖（1代表灌裝流量計(jì)）

    4.2.4 安裝注意事項(xiàng),。

    （1）在過(guò)熱的條件中使用時(shí)（比如在線清洗和在線消毒）,，強(qiáng)烈要求變送器裝在下面，這樣可以降低變送器部分過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn),，如圖8,。

    （2）在震動(dòng)非常厲害的條件下，要確保管道和傳感器的安全,。

圖8 避免變送器過(guò)熱的安裝方向示意圖

    4.3 影響灌裝的一般因素

    4.3.1 流量計(jì)的計(jì)量精度：該項(xiàng)指標(biāo)受流速,、灌裝持續(xù)時(shí)間、測(cè)量流體情況等影響,。

表1 灌裝時(shí)間和重復(fù)性的關(guān)系

    4.3.2 灌裝系統(tǒng)中可動(dòng)部件的動(dòng)作速度和機(jī)械重復(fù)性：主要是切斷閥的開(kāi)啟和關(guān)閉操作的速度和一致性,。

    4.3.3 灌裝機(jī)械中流體的狀態(tài)穩(wěn)定性，包括溫度變化（影響密度）,、背壓是否穩(wěn)定（影響流速）,、液位高低。

    4.3.4 控制系統(tǒng)的工作方式和控制程序設(shè)計(jì)是否優(yōu)化,。

    5 Dosimag灌裝流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題分析

    下面以灌裝流量計(jì)在國(guó)內(nèi)某企業(yè)使用過(guò)程中出現(xiàn)重復(fù)性差的問(wèn)題為例來(lái)分析,。

    5.1 現(xiàn)場(chǎng)灌裝的基本情況

    直線式灌裝模式，灌裝機(jī)上安裝有20臺(tái)Dosimag5BH12/15,，分別對(duì)應(yīng)于20根灌裝頭,，如圖5所示的線性安裝方式；灌裝液體來(lái)自于設(shè)備上方的儲(chǔ)罐,，通過(guò)下流管道進(jìn)入兩路分流支總管（DN40）,，每分流支總管下帶10個(gè)DN15的灌裝管；流量計(jì)后方，灌裝口上方100mm處安裝有氣動(dòng)切斷閥（結(jié)構(gòu)較特殊,，兩級(jí)行程,，切斷閥桿位于管道內(nèi)流體中）；每次灌裝約220mL,，但是誤差不穩(wěn)定,，從偏差1~2mL到5~6mL。

    5.2 該應(yīng)用中影響精度的原因

    電磁流量計(jì)屬于速度式流量?jī)x表,，它通過(guò)測(cè)量管道流速來(lái)計(jì)算體積流量,，流速的突變會(huì)一定程度增大測(cè)量誤差。本應(yīng)用中,，影響精度的原因是管道內(nèi)的液體流速,，通過(guò)試驗(yàn)分析液體的流速受以下三個(gè)方面的影響。

    5.2.1 工藝影響,。管道的選型和排設(shè)對(duì)液體的流速會(huì)有影響,。如本應(yīng)用中，如果下流管道進(jìn)入兩路分流支總管遠(yuǎn)小于DN40,，那么流過(guò)各灌裝管內(nèi)的液體流速會(huì)有比較大的偏差,，選用合適的總支管和正確的排設(shè)，可以改善灌裝管內(nèi)液體流速的不平衡性,。

    5.2.2 其他元件的影響,。在無(wú)菌灌裝系統(tǒng)中，一般用到四種閥,，即定量閥（加料閥）,、導(dǎo)向閥、壓力控制閥,、控制閥,。

    在灌裝系統(tǒng)中用到快速切斷閥（定量閥）來(lái)控制灌裝的啟停?？焖偾袛嚅y的控制原理：當(dāng)電磁閥接收到PLC的輸出信號(hào)（由PLC采集灌裝流量計(jì)的脈沖信號(hào)后處理的輸出信號(hào)）時(shí)開(kāi)始動(dòng)作，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥桿和閥芯向上運(yùn)動(dòng),，閥芯和閥座分開(kāi),，流體通過(guò)閥座進(jìn)入灌裝管道，開(kāi)始灌裝,，當(dāng)電磁閥接收到PLC輸出信號(hào)關(guān)閉閥門時(shí),，閥桿向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng),，使閥芯和閥座接觸,，從而切斷流體達(dá)到結(jié)束灌裝。本應(yīng)用中控制閥的閥桿在管道中，流體從上向下流經(jīng)整個(gè)閥體,，閥桿的動(dòng)作行程分兩級(jí),，對(duì)應(yīng)于小流量和較大流量。

    開(kāi)啟時(shí),，閥桿向上抬起,，逆流而上，對(duì)于管道中的流體造成逆沖,，瞬間減小管道流速,；相對(duì)速度越大，影響越大,；閉合時(shí),，閥桿向下壓下，對(duì)于管道中的流體產(chǎn)生加速,，瞬間增大管道流速（圖9）,。

    本應(yīng)用中的灌裝控制閥有兩級(jí)行程，在從小流量變換為大流量時(shí),，閥桿的二次動(dòng)作使管道內(nèi)的流速顯著減小,，增大了測(cè)量誤差（圖9）。灌裝控制閥的結(jié)構(gòu)和工作方式,，影響了管道中的液體流速,，是誤差的主要形成因素來(lái)源。但試驗(yàn)證明,，可以通過(guò)調(diào)整閥桿的行程來(lái)改善,。

圖9 未加處理的閥門二行程的流量曲線。

    5.2.3 液位控制及背壓控制,。液位和背壓影響灌裝過(guò)程中的流速,，流速的波動(dòng)會(huì)造成灌裝量的波動(dòng)。該波動(dòng)的影響主要體現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)出閥門切斷指令到閥門*關(guān)閉的延遲時(shí)間段中,。

    本灌裝系統(tǒng)中的上部罐體尺寸較小,，約60L。如果液位控制在80%,，則上部的氣體空間為12L,，下部液體空間為48L；若每次灌裝250mL,，2s內(nèi)完成,，則20個(gè)瓶需要5000mL，即5L,，對(duì)液位的影響為8%,，對(duì)氣壓的影響為5L/12L=40%,；由于灌裝有間歇性停頓，對(duì)于液位和背壓的自動(dòng)控制來(lái)說(shuō),，過(guò)程為非連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài),，控制的難度比一般過(guò)程要大（壓力變送器上看到有壓力值的變化，實(shí)際上可能有1~2秒鐘以內(nèi)的阻尼,，實(shí)際過(guò)程中的快速波動(dòng)可能更大）,。

    灌裝頭由于安裝灌裝控制閥的需要，在灌裝控制閥及下部的灌裝頭共約400mm,。

    部分為DN25的管道,，灌裝流量計(jì)及流量計(jì)之上的管道內(nèi)徑為15mm/16mm。二者管道截面積相差近2倍,。在穩(wěn)定流量下,，則這兩部分的流速相差近2倍，表現(xiàn)為流量計(jì)處快,，下部管道內(nèi)慢,。考慮到閥桿的影響,，則流速相差約1倍,。

    灌裝頭的zui終出口部分為10~14mm的可更換縮口。通過(guò)縮口,，可以產(chǎn)生背壓,，一般縮口內(nèi)置蜂窩狀虹吸管，保證灌裝前后的管道滿管,。從測(cè)試的流量波形上看,，10mm的灌裝頭產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖枘嵝Ч髁壳€較穩(wěn)定,。

    5.3 解決方案

    方案1：采用灌裝閥一級(jí)控制,，即采用小流量行程的單次開(kāi)啟和閉合。

    測(cè)試結(jié)果：流量平穩(wěn)度增加,，灌裝的誤差顯著減小,。

    方案2：對(duì)灌裝閥的第二次行程變化進(jìn)行控制，通過(guò)減緩閥的氣動(dòng)排氣,，降低閥桿第二次上臺(tái)的速度,，見(jiàn)圖10：

圖10 增加排氣過(guò)濾閥，減緩小流量轉(zhuǎn)大流量時(shí)的閥桿上抬速度后的流量曲線

    方案3：適當(dāng)降低液位,，如控制在50%或更低，以減小批次灌裝對(duì)背壓的影響,，同時(shí)有助于提高背壓穩(wěn)定性,。

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