電磁流量計(jì)在無菌灌裝系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(jì)特點(diǎn)

（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(gè)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(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 無菌灌裝對流量計(jì)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(jì)的測量速度非?？?，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(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(jì)簡介

Dosimag系列流量計(jì)是某知名儀表公司自行研發(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)確的測量能力，測量周期短，測量頻率高。

Dosimag流量計(jì)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(yùn)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(yùn)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(gè)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。

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(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(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(xiàng)

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(jì)安裝調(diào)試簡單；對管道的震動不是很敏感。灌裝流量計(jì)只有在管道完全滿地條件下才能正確測量，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，傳感器的測量管道完全排空，這樣會嚴(yán)重影響下個(gè)周期的測量。

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熱的風(fēng)險(xiǎn)，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。

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(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(jì)是否優(yōu)化。

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

下面以灌裝流量計(jì)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(gè)DN15的灌裝管；流量計(jì)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(jì)屬于速度式流量儀表，它通過測量管道流速來計(jì)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(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(jì)的脈沖信號后處理的輸出信號）時(shí)開始動作，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動閥桿和閥芯向上運(yùn)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(shí)，閥桿向下運(yùn)動，帶動閥芯向下運(yùn)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yàn)證明，可以通過調(diào)整閥桿的行程來改善。

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(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(shí)際上可能有1~2秒鐘以內(nèi)的阻尼，實(shí)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(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：

圖10 增加排氣過濾閥，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，以減小批次灌裝對背壓的影響，同時(shí)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(jì)作為測量的關(guān)鍵元件，它是保證罐裝精度實(shí)現(xiàn)的要素之一，整個(gè)罐裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差最小