電磁流量計在無菌灌裝系統(tǒng)中的應(yīng)用

歐陽曉燕　李聚剛

摘要：無菌灌裝系統(tǒng)在食品、飲料和制藥等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，該技術(shù)的要求使得控制灌裝量的傳統(tǒng)固定容積式的方法不再適合，在線直接測量和控制流量的定量控制方法需要專業(yè)的流量計來滿足灌裝的特殊需求。文章詳細(xì)介紹了灌裝用電磁流量計的特點以及使用電磁流量計的灌裝定量系統(tǒng)的灌裝精度的影響因素。

關(guān)鍵詞：電磁流量計；無菌灌裝；定量控制；誤差分析

中圖分類號：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）11-0055-04

隨著社會的發(fā)展及人們生活水平的提高，對消費產(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。無菌灌裝系統(tǒng)以其固有的優(yōu)點，在食品、飲料、制藥等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。無菌灌裝系統(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)灌裝用途流量計進(jìn)入灌裝應(yīng)用領(lǐng)域，這種動態(tài)在線的測量和控制方式帶來了新的挑戰(zhàn)，使用中不僅需要考慮流量計本身的安裝和使用，還要綜合考慮流量計集成在系統(tǒng)中時和其他部分的相互影響。

1 無菌灌裝系統(tǒng)介紹

1.1 無菌灌裝系統(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 無菌灌裝的設(shè)計特點

（1）機(jī)器的簡單化；（2）表面光滑、無凹凸、無死角、氣密密封性好；（3）排水流暢，無積水；（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，無菌和非無菌，生產(chǎn)區(qū)域物料、人等隔離和管制。

1.3 灌裝定量控制

在各個分系統(tǒng)中，灌裝的定量控制系統(tǒng)是最核心的系統(tǒng)之一，整個灌裝機(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、控制器、閥門（如圖1）。灌裝量的測量由流量計完成，它能快速、準(zhǔn)確地計量灌裝頭的連接管道中的流體流量，并把信號上傳到控制器，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。

1.4 無菌灌裝對流量計的要求

1.4.1 快速反應(yīng)能力和準(zhǔn)確的測量能力。每次灌裝通常持續(xù)2～5秒，這要求流量計的測量速度非?？欤瑴y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，則過程中會出現(xiàn)約140℃的溫度。

1.4.4 穩(wěn)定性和重復(fù)性好。

2 Dosimag電磁流量計簡介

Dosimag系列流量計是某知名儀表公司自行研發(fā)的專業(yè)灌裝電磁流量計，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)線的各個單元能安裝得很近。有快速準(zhǔn)確的測量能力，測量周期短，測量頻率高。

Dosimag流量計的測量原理：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)電動勢，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。在電磁測量原理中，流動的介質(zhì)就相當(dāng)于運動的導(dǎo)體，感應(yīng)電壓和介質(zhì)的流速成正比，并且通過兩個電極直接送到放大器。流體的容積通過管道的截面積可以算出。

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)磁場強(qiáng)度和磁極間距一定時，流體流量和感應(yīng)電壓成正比。

3 Dosimag流量計特性

3.1 特點

（1）快速測量能力，每秒鐘完成80次以上的準(zhǔn)確測量；（2）流量達(dá)1.66L/s；（3）流體溫度可達(dá)130℃，半小時內(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測試/符合FDA要求。

4 安裝方式、使用條件及注意事項

4.1 安裝條件

（1）進(jìn)口管道長度大于5倍DN，如圖3；（2）出口管道長度大于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

灌裝流量計安裝調(diào)試簡單；對管道的震動不是很敏感。灌裝流量計只有在管道完全滿地條件下才能正確測量，基于這個原因，建議在批量生產(chǎn)前要做灌裝試驗。

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

4.2.2 安裝位置。安裝在閥門附近，灌裝流量計不能安裝在控制閥的下游（圖6），如果裝在控制閥的下游，在一個灌裝周期結(jié)束后，傳感器的測量管道完全排空，這樣會嚴(yán)重影響下個周期的測量。

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

4.2.4 安裝注意事項。

（1）在過熱的條件中使用時（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熱的風(fēng)險，如圖8。

（2）在震動非常厲害的條件下，要確保管道和傳感器的安全。

4.3 影響灌裝的一般因素

4.3.1 流量計的計量精度：該項指標(biāo)受流速、灌裝持續(xù)時間、測量流體情況等影響。

4.3.2 灌裝系統(tǒng)中可動部件的動作速度和機(jī)械重復(fù)性：主要是切斷閥的開啟和關(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)計是否

優(yōu)化。

5 Dosimag灌裝流量計的實際應(yīng)用問題分析

下面以灌裝流量計在國內(nèi)某企業(yè)使用過程中出現(xiàn)重復(fù)性差的問題為例來分析。

5.1 現(xiàn)場灌裝的基本情況

直線式灌裝模式，灌裝機(jī)上安裝有20臺Dosimag5BH12/15，分別對應(yīng)于20根灌裝頭，如圖5所示的線性安裝方式；灌裝液體來自于設(shè)備上方的儲罐，通過下流管道進(jìn)入兩路分流支總管（DN40），每分流支總管下帶10個DN15的灌裝管；流量計后方，灌裝口上方100mm處安裝有氣動切斷閥（結(jié)構(gòu)較特殊，兩級行程，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

電磁流量計屬于速度式流量儀表，它通過測量管道流速來計算體積流量，流速的突變會一定程度增大測量誤差。本應(yīng)用中，影響精度的原因是管道內(nèi)的液體流速，通過試驗分析液體的流速受以下三個方面的影響。

5.2.1 工藝影響。管道的選型和排設(shè)對液體的流速會有影響。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，那么流過各灌裝管內(nèi)的液體流速會有比較大的偏差，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）來控制灌裝的啟停。快速切斷閥的控制原理：當(dāng)電磁閥接收到PLC的輸出信號（由PLC采集灌裝流量計的脈沖信號后處理的輸出信號）時開始動作，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動閥桿和閥芯向上運動，閥芯和閥座分開，流體通過閥座進(jìn)入灌裝管道，開始灌裝，當(dāng)電磁閥接收到PLC輸出信號關(guān)閉閥門時，閥桿向下運動，帶動閥芯向下運動，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)整個閥體，閥桿的動作行程分兩級，對應(yīng)于小流量和較大流量。

開啟時，閥桿向上抬起，逆流而上，對于管道中的流體造成逆沖，瞬間減小管道流速；相對速度越大，影響越大；閉合時，閥桿向下壓下，對于管道中的流體產(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行程，在從小流量變換為大流量時，閥桿的二次動作使管道內(nèi)的流速顯著減小，增大了測量誤差（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源。但試驗證明，可以通過調(diào)整閥桿的行程來改善。

5.2.3 液位控制及背壓控制。液位和背壓影響灌裝過程中的流速，流速的波動會造成灌裝量的波動。該波動的影響主要體現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)出閥門切斷指令到閥門完全關(guān)閉的延遲時間段中。

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個瓶需要5000mL，即5L，對液位的影響為8%，對氣壓的影響為5L/12L=40%；由于灌裝有間歇性停頓，對于液位和背壓的自動控制來說，過程為非連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，控制的難度比一般過程要大（壓力變送器上看到有壓力值的變化，實際上可能有1～2秒鐘以內(nèi)的阻尼，實際過程中的快速波動可能更大）。

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，灌裝流量計及流量計之上的管道內(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。

灌裝頭的最終出口部分為10～14mm的可更換縮口。通過縮口，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。從測試的流量波形上看，10mm的灌裝頭產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖枘嵝Ч?，流量曲線較穩(wěn)定。

5.3 解決方案

方案1：采用灌裝閥一級控制，即采用小流量行程的單次開啟和閉合。

測試結(jié)果：流量平穩(wěn)度增加，灌裝的誤差顯著減小。

方案2：對灌裝閥的第二次行程變化進(jìn)行控制，通過減緩閥的氣動排氣，降低閥桿第二次上臺的速度，見圖10：

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，以減小批次灌裝對背壓的影響，同時有助于提高背壓穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

從本文的分析可以看出，灌裝流量計作為測量的關(guān)鍵元件，它是保證罐裝精度實現(xiàn)的要素之一，整個罐裝系統(tǒng)的設(shè)計在滿足無菌灌裝的工藝要求和生產(chǎn)效率要求的前提下，必須考慮如何保證罐裝流量計穩(wěn)定、可靠地工作以及如何選用合適的部件，如控制閥，并優(yōu)化控制方式，將各種可能的干擾因素降到最低，以實現(xiàn)系統(tǒng)誤差最小。

參考文獻(xiàn)

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[2]DosimagTechnicalinformation.E+H.2012

[3]DosingSystemLaunch.E+H.2013

作者簡介：歐陽曉燕（1974—），女，上海人，上海?？怂共_有限公司工程師，研究方向：過程自動化控制和機(jī)電檢測；李聚剛（1974—），男，上海人，上海恩德斯豪斯自動化設(shè)備有限公司工程師，工程碩士，研究方向：過程檢測儀表應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：吳 濤）