電磁流量計在無菌灌裝系統(tǒng)中的應用
電磁流量計在無菌灌裝系統(tǒng)中的作用在隨著人們生活水平的快速提高,人們對消費的產(chǎn)品質(zhì)量與生產(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**的應用.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**灌裝用途流量計進入灌裝應用領(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.

 
電磁流量計
1.電磁流量計無菌灌裝系統(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)不用維護或者易于維修.
1.2無菌灌裝的設計特點
(1)機器的簡單化;(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)選擇適當材料,耐高溫、耐化學腐蝕;(6)自動化的CIP(原位清洗)/SIP(原位殺菌);(7)關(guān)鍵設備的定期養(yǎng)護;(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zui核心的系統(tǒng)之一,整個灌裝機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)設定的定量,控制灌裝閥門的啟/停,以達到準確灌裝.
 
灌裝系統(tǒng)關(guān)鍵部件示意圖
圖1灌裝系統(tǒng)關(guān)鍵部件示意圖
1.4無菌灌裝對流量計的要求
1.4.1快速反應能力和準確的測量能力.每次灌裝通常持續(xù)2~5秒,這要求流量計的測量速度非常快,測量間隔短,只有這樣才能跟得上流量的變化曲線.
1.4.2衛(wèi)生型設計和連接.特殊的材質(zhì)和連接方式.
1.4.3CIP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)定性和重復性好.
2.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**灌裝電磁流量計,能保證很高的準確性和重復性,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)法拉第電磁感應定律,因磁通量變化產(chǎn)生感應電動勢,閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動,導體中就會產(chǎn)生感應電流.在電磁測量原理中,流動的介質(zhì)就相當于運動的導體,感應電壓和介質(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.
 
電磁流量計原理示意圖
圖2電磁流量計原理示意圖
Ue=B×L×v
Q=A×v
Q=A×v=A×Ue/B×L
式中:Ue——感應電壓
B——磁場強度
L——磁極間距
v——流體速度
Q——流體流量
A——管道截面積
I——電流強度
從以上公式可以看出,當磁場強度和磁極間距一定時,流體流量和感應電壓成正比.
3.電磁流量計Dosimag流量計特性
3.1特點
(1)快速測量能力,每秒鐘完成80次以上的準確測量;(2)流量達1.66L/s;(3)流體溫度可達130℃,半小時內(nèi)耐受150℃;(4)工作壓力可達16bar;(5)可進行在線原位清洗(CIP)和在線原位殺菌(SIP);(6)特殊應用內(nèi)襯:PFA(可溶性聚四氟乙烯);(7)不銹鋼外殼.
3.2應用領(lǐng)域
可用于導電率大于等于5μs/cm的液體測量,如食品行業(yè)、化妝品行業(yè)、制藥行業(yè)、化學藥品行業(yè)3.3食品/衛(wèi)生行業(yè)相關(guān)認證3A認證/EHEDG測試/符合FDA要求.
4.電磁流量計安裝方式、使用條件及注意事項
4.1電磁流量計安裝條件
(1)進口管道長度大于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.
 
安裝直管段示意圖
圖3安裝直管段示意圖
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:
 
旋轉(zhuǎn)灌裝模式
圖4旋轉(zhuǎn)灌裝模式
 
線形灌裝模式
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,這樣會嚴重影響下個周期的測量.

流量計和閥門的安裝位置示意圖
圖6流量計和閥門的安裝位置示意圖(1代表灌裝流量計)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.
 
安裝示意圖
圖7安裝示意圖(1代表灌裝流量計)
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.
 
避免變送器過熱的安裝方向示意圖
圖8避免變送器過熱的安裝方向示意圖
4.3影響灌裝的一般因素
4.3.1流量計的計量精度:該項指標受流速、灌裝持續(xù)時間、測量流體情況等影響.
表1灌裝時間和重復性的關(guān)系
4.3.2灌裝系統(tǒng)中可動部件的動作速度和機械重復性: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計是否優(yōu)化.
5..灌裝流量計的實際應用問題分析
下面以灌裝流量計在國內(nèi)某企業(yè)使用過程中出現(xiàn)重復性差的問題為例來分析.
5.1電磁流量計現(xiàn)場灌裝的基本情況
直線式灌裝模式,灌裝機上安裝有20臺Dosimag5BH12/15,分別對應于20根灌裝頭,如圖5所示的線性安裝方式;灌裝液體來自于設備上方的儲罐,通過下流管道進入兩路分流支總管(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.管道的選型和排設對液體的流速會有影響.如本應用中,如果下流管道進入兩路分流支總管遠小于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,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,流體通過閥座進入灌裝管道,開始灌裝,當電磁閥接收到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,從而切斷流體達到結(jié)束灌裝.本應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.
 
未加處理的閥門二行程的流量曲線
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zui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?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:
 
流量曲線
圖10增加排氣過濾閥,減緩小流量轉(zhuǎn)大流量時的閥桿上抬速度后的流量曲線方案3:適當降低液位,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.