随着社會的(de)發展及人們生活(huo)水平的提高，對消(xiao)費産品💋質量和生(shēng)産效率提出了更(geng)高的要求，要求灌(guàn)裝裝置系統能🐇夠(gou)快速、安🍉全、準确地(dì)完成灌裝。無菌灌(guan)裝系統以其固有(yǒu)的優點，在食品、飲(yǐn)料、制藥等行業得(de)到越來越廣泛的(de)應用。無💚菌灌裝系(xì)👌統的要求使用于(yú)灌裝🧡定量控制的(de)方式發生了變化(huà)，一些專💃🏻業灌裝用(yong)途電磁流量計 進(jin)入灌裝應用領域(yù)，這種動态在線的(de)測量和控制方式(shì)帶🧑🏾‍🤝‍🧑🏼來了新的挑戰(zhan)，使用中不僅需要(yao)考慮流量計本🧑🏽‍🤝‍🧑🏻身(shen)的安裝和使🛀🏻用，還(hái)要綜合考慮流量(liang)計集成在系統中(zhōng)時和其他部分的(de)相互影響。
1 無菌灌(guàn)裝系統介紹
1.1 無菌(jun1)灌裝系統的要求(qiú)
（1）易于清洗和消毒(du)殺菌；（2）高産量、周期(qī)短；（3）精度佳和高重(zhòng)複性；（4）低消耗和損(sǔn)耗；（5）快速處理不同(tóng)産品灌裝和不同(tong)批量灌裝；（6）對産品(pǐn)和産品質量因素(su)有較高的透明度(dù)；（7）不用維護或者易(yì)于維修。
1.2 無菌灌裝(zhuāng)的設計特點
（1）機器(qì)的簡單化；（2）表面光(guang)滑、無凹凸、無死角(jiao)、氣密密封性好；（3）排(pai)📞水流暢，無積水；（4）閉(bi)密性要好，防止外(wai)界微生💘物深入；（5）選(xuan)擇适當材料，耐高(gao)溫、耐化學腐蝕；（6）自(zi)動化的CIP（原位清洗(xi)）/SIP（原位殺菌）；（7）關鍵設(she)備的定期養護；（8）劃(hua)分生産區域，無菌(jun1)和非無菌，生産區(qu)域物料🥰、人等隔離(li)🌍和管制。
1.3 灌裝定量(liàng)控制
　　在各個分系(xi)統中，灌裝的定量(liang)控制系統是zui核心(xin)的系統之一，整🌂個(ge)灌裝機的灌裝速(su)度和精度往往由(you)該系統的性能所(suo)決🤞定。灌😘裝定量控(kòng)制系統關鍵部件(jiàn)包括流量計🌈、控制(zhi)器、閥門（如圖1）。灌裝(zhuang)量的測量由流量(liàng)計完成，它能快速(su)、準确地計量灌裝(zhuāng)頭的連接❗管道中(zhong)的流體流量，并把(bǎ)信号上傳到控制(zhì)器，由控🏃‍♂️制器根據(ju)設定💰的定量，控制(zhi)灌裝閥門的啓/停(ting)，以達到準确灌⛱️裝(zhuang)。
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1.4 無菌灌裝對流量(liang)計的要求
1.4.1 快速反(fǎn)應能力和準确的(de)測量能力。每次灌(guan)裝通常持續2~5秒，這(zhè)要求流量計的測(cè)量速度非常快，測(cè)量間隔短，隻有這(zhe)樣才能跟得上流(liu)量的變化曲線。
1.4.2 衛(wei)生型設計和連接(jie)。特殊的材質和連(lián)接方式。
1.4.3 CIP和SIP的要求(qiu)。原位清洗和殺菌(jun1)涉及到酸堿等腐(fu)蝕性🔞介質💘，如果采(cǎi)用高溫蒸汽殺菌(jun1)，則過程中會出現(xiàn)約💰140℃的溫度。
1.4.4 穩定性(xìng)和重複性好。
2 電磁(ci)流量計簡介
　　專業(ye)灌裝電磁流量計(jì)，能保證很高的準(zhun)确性和重複性，緊(jin)湊的外形結構确(què)保了在灌裝生産(chan)線的各個單元能(néng)⛷️安裝得很近。有🧑🏾‍🤝‍🧑🏼快(kuài)速準确的測量能(neng)力，測量周期短，測(ce)量頻率高👅。
　　流量計(jì)的測量原理：根據(ju)法拉第電磁感應(yīng)定律，因磁通🥵量變(bian)化🔴産生感應電動(dòng)勢，閉合電路的一(yi)部分導體在磁場(chang)中🏃‍♀️做切割磁感線(xian)運動，導體中就會(hui)産生感應電流。在(zài)電磁測✂️量原理中(zhōng)，流動的介質就相(xiàng)當于運動的導體(tǐ)，感應電壓和介質(zhi)的流速成正比✏️，并(bìng)且通過兩個電極(ji)直接送到放大器(qì)。流體的容積通過(guò)管道的截面積可(kě)以算出。

Ue=B×L×v
Q=A×v
Q=A×v=A×Ue/B×L
式中：Ue——感(gǎn)應電壓
B——磁場強度(dù)
L——磁極間距
v——流體速(sù)度
Q——流體流量
A——管道(dào)截面積
I——電流強度(du)
從以上公式可以(yi)看出，當磁場強度(dù)和磁極間距一🔴定(dìng)時，流體流量和感(gan)應電壓成正比。
3 Dosimag流(liu)量計特性
3.1 特點
（1）快(kuài)速測量能力，每秒(miǎo)鍾完成80次以上的(de)準确測量；（2）流量🔅達(da)1.66L/s；（3）流體溫度可達130℃，半(bàn)小時内耐受150℃；（4）工作(zuò)壓力可達🏃🏻‍♂️16bar；（5）可進行(hang)在線原位清洗（CIP）和(he)在線原位殺菌（SIP）；（6）特(te)殊應用内襯：PFA（可溶(rong)性聚四氟乙烯）；（7）不(bú)鏽鋼外殼🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。
3.2 應用領(lǐng)域
可用于導電率(lü)大于等于5μs/cm的液體(tǐ)測量，如食品行業(yè)、化🐇妝品😘行業、制藥(yào)行業、化學藥品行(hang)業
3.3 食品/衛生行業(ye)相關認證
3A認證/EHEDG測(cè)試/符合FDA要求。
4 安裝(zhuang)方式、使用條件及(jí)注意事項
4.1 安裝條(tiao)件
（1）進口管道長度(dù)大于5倍DN，如圖3；（2）出口(kou)管道長度大于2倍(bei)DN，如圖📐3；（3）傳感🤟器和變(biàn)送器必須接地；（4）傳(chuán)感器在管道中👄居(jū)中安裝。
4.2 安裝方式(shì)及位置
　　灌裝流量(liàng)計安裝調試簡單(dān)；對管道的震動不(bú)是很⛹🏻‍♀️敏感。灌裝流(liu)量計隻有在管道(dào)完全滿地條件下(xià)才能正确測量，基(jī)于這💃🏻個原💁因，建議(yi)在批量生産
4.2.1 安裝(zhuang)方式一般來講有(yǒu)旋轉灌裝模式和(hé)線形灌裝模式，如(ru)圖4和圖5所示：


4.2.2 安裝(zhuāng)位置。安裝在閥門(men)附近，灌裝流量計(jì)不能安裝在控制(zhi)閥的🌏下遊（圖6），如果(guǒ)裝在控制閥的下(xia)遊，在一🤞個灌裝周(zhou)❤️期結束後，傳感器(qì)的測量管道完全(quán)排空🧡，這樣會嚴重(zhòng)影響下個周期的(de)測量。

4.2.3　安裝方向。合(he)理的安裝方向（圖(tu)7），可以避免空氣在(zài)測量管⭕道中的堆(dui)積和存放。

4.2.4 安裝注(zhu)意事項。
（1）在過熱的(de)條件中使用時（比(bi)如在線清洗和在(zai)線消毒），強烈要求(qiu)變送器裝在下面(mian)，這樣可以降低變(bian)送器部分過熱的(de)風險，如圖8。
（2）在震動(dong)非常厲害的條件(jiàn)下，要确保管道和(he)傳感器的安全。

4.3 影(ying)響灌裝的一般因(yin)素
4.3.1 流量計的計量(liang)精度：該項指标受(shou)流速、灌裝持續時(shí)間、測量流體情況(kuàng)等影響。

4.3.2 灌裝系統(tong)中可動部件的動(dòng)作速度和機械重(zhòng)複性：主要是切斷(duan)閥的開啓和關閉(bì)操作的速度和一(yi)緻性。
4.3.3 灌裝機械中(zhong)流體的狀态穩定(ding)性，包括溫度變化(hua)（影響密度）、背壓是(shi)否穩定（影響流速(su)）、液位高低。
4.3.4 控制系(xì)統的工作方式和(he)控制程序設計是(shì)否優化。
5 Dosimag灌裝流量(liang)計的實際應用問(wèn)題分析
下面以灌(guan)裝流量計在國内(nèi)某企業使用過程(cheng)中出現重🌍複性差(chà)的問題爲例來分(fèn)析。
5.1 現場灌裝的基(jī)本情況
　　直線式灌(guan)裝模式，灌裝機上(shang)安裝有20台Dosimag5BH12/13，分别對(dui)應于20根灌裝頭，如(ru)圖5所示的線性安(ān)裝方式；灌裝液體(tǐ)來自于設備上方(fāng)的儲罐，通過下流(liú)管道進入兩路分(fen)流支總管（DN40），每分流(liú)支總管下帶10個DN15的(de)灌裝管；流量計後(hòu)方，灌裝口上方100mm處(chu)安裝有氣動切斷(duan)閥（結構較特殊，兩(liǎng)級行程，切斷閥杆(gan)位于管道内流體(ti)中）；每次灌裝約220mL，但(dàn)是誤差不穩定，從(cóng)偏差1~2mL到5~6mL。
5.2 該應用中(zhōng)影響精度的原因(yīn)
　　電磁流量計 屬于(yú)速度式流量儀表(biǎo)，它通過測量管道(dào)流速來計算體🌂積(ji)流量，流速的突變(bian)會一定程度增大(da)測量誤🔆差。影響精(jīng)🙇‍♀️度的原因是管道(dào)内的液體流速，通(tōng)過試🤟驗分析液體(ti)的流速受以下三(san)個方面的影響。
5.2.1 工(gōng)藝影響。管道的選(xuǎn)型和排設對液體(tǐ)的流速會有影響(xiang)。如果下流管道進(jin)入兩路分流支總(zong)管遠小于DN40，那麽流(liu)過各灌裝管内的(de)液體流速會有比(bi)較大的偏差，選✔️用(yòng)合适的總支管和(he)正确的排設，可以(yi)改善灌裝管内液(ye)體流速‼️的不平衡(heng)☔性。
5.2.2 其他元件的影(ying)響。在無菌灌裝系(xi)統中，一般用到四(si)👣種閥，即定量閥（加(jia)料閥）、導向閥、壓力(lì)控制閥、控制閥。
　　在(zài)灌裝系統中用到(dào)快速切斷閥（定量(liang)閥）來控制灌裝的(de)啓停。快速切斷閥(fá)的控制原理：當電(dian)磁閥接收到PLC的輸(shū)出信号（由PLC采集灌(guan)裝流量計的脈沖(chong)信号後處理的輸(shu)出信号）時開始動(dòng)作，通過執行機構(gòu)帶動閥杆和閥芯(xīn)向上運🌏動，閥芯和(he)閥座分開🌍，流體通(tōng)過閥座進入灌裝(zhuang)管道，開始灌裝，當(dāng)電磁閥接收到PLC輸(shu)出信号關閉閥門(mén)時，閥杆向下運動(dong)，帶動閥芯向下運(yùn)動，使閥芯和閥🙇‍♀️座(zuò)接觸，從而切斷流(liú)體達到結束灌裝(zhuang)。控制閥的閥杆在(zai)管道中，流體從🌂上(shàng)向下流經整個閥(fa)體，閥杆的動作行(hang)程分兩級，對應于(yú)小流量🥰和較大流(liú)量。
　　開啓時，閥杆向(xiàng)上擡起，逆流而上(shang)，對于管道中的流(liú)體造成逆❓沖，瞬間(jiān)減小管道流速；相(xiang)對速度越大，影響(xiang)越大；閉合時💚，閥杆(gan)向下壓下，對于管(guǎn)道中的流體🧑🏾‍🤝‍🧑🏼産生(shēng)加❗速，瞬間增大管(guan)🥵道流速（圖9）。
　　灌裝控(kòng)制閥有兩級行程(chéng)，在從小流量變換(huan)爲大流量時，閥杆(gan)的⭐二次動作使管(guǎn)道内的流速顯著(zhe)減小，增大了測量(liàng)誤差（圖9）。灌裝❓控制(zhi)閥的結構和工作(zuo)方式，影響了管道(dao)🍉中的液體流速✂️，是(shi)誤差的主要形成(cheng)因素來源。但試驗(yàn)證明，可以通🔴過調(diào)整閥杆的行程來(lai)改善。

5.2.3 液位控制及(jí)背壓控制。液位和(he)背壓影響灌裝過(guo)程🥰中的✂️流速✂️，流速(su)的波動會造成灌(guan)裝量的波動。該波(bō)動的影響主要體(tǐ)現在系統發出閥(fa)門切斷指令到閥(fa)門完全關閉的延(yán)遲時間段中。
　　灌裝(zhuang)系統中的上部罐(guàn)體尺寸較小，約60L。如(ru)果液位控制♻️在80%，則(ze)上部的氣體空間(jian)爲12L，下部液體空間(jiān)爲48L；若每次灌裝250mL，2s内(nèi)完成，則20個💋瓶需要(yao)5000mL，即5L，對液位的影響(xiǎng)爲8%，對氣壓的影響(xiǎng)爲🍉5L/12L=40%；由于灌裝有間(jiān)歇性停頓，對于液(yè)位和背壓的🌈自動(dong)控制來說，過程爲(wei)非連續穩定狀态(tài)，控制的難度比一(yi)般過程要大（壓力(li)變送器上看到有(you)壓力值的👄變化，實(shi)際上可能有1~2秒鍾(zhong)以内的阻尼，實際(ji)過程中的快速波(bō)動可能更大）。
灌裝(zhuāng)頭由于安裝灌裝(zhuang)控制閥的需要，在(zài)灌裝控制閥及下(xià)🏃部的灌裝頭共約(yue)400mm。
　　部分爲DN25的管道，灌(guàn)裝流量計及流量(liang)計之上的管道内(nei)徑爲15mm/16mm。二者管道截(jié)面積相差近2倍。在(zai)穩定流量下，則這(zhè)兩部分的🚶流速相(xiang)差近2倍，表現爲流(liú)量計處快，下部管(guan)道内慢。考慮到閥(fa)杆的影響，則流速(su)相差約1倍。
　　灌裝頭(tou)的zui終出口部分爲(wei)10~14mm的可更換縮口。通(tōng)過縮口，可⭐以🌈産👉生(shēng)背壓，一般縮口内(nèi)置蜂窩狀虹吸管(guǎn)，保證灌裝前後♍的(de)管‼️道滿管。從測試(shi)的流量波形上看(kan)，10mm的灌裝頭産生适(shi)當的阻尼效果，流(liú)量曲線較穩定。
5.3 解(jiě)決方案
方案1：采用(yòng)灌裝閥一級控制(zhì)，即采用小流量行(háng)程的單次開啓和(he)閉合。
測試結果：流(liú)量平穩度增加，灌(guan)裝的誤差顯著減(jian)小。
方案2：對灌裝閥(fá)的第二次行程變(bian)化進行控制，通過(guo)減⚽緩閥的氣㊙️動排(pái)氣，降低閥杆第二(èr)次上台的速度，見(jiàn)圖10：

方案3：适當降低(di)液位，如控制在50%或(huo)更低，以減小批次(ci)灌💃裝對背壓的影(ying)響，同時有助于提(ti)高背壓穩定性。
6 結(jie)語
　　從分析可以看(kan)出，灌裝電磁流量(liàng)計作爲測量的關(guan)鍵元件，它是😘保證(zhèng)罐裝精度實現的(de)要素之一，整個罐(guàn)裝🌈系統✊的設計在(zài)滿足🌈無菌灌裝的(de)工藝要求和生産(chan)效率要求的前提(ti)下，必須考慮如何(hé)保證罐裝流量計(ji)穩📱定、可靠地工作(zuo)以及如何選用合(hé)适的部件，如控制(zhi)閥，并優化控制方(fang)式，将各種可能的(de)幹擾👈因素降到最(zui)低，以實現系統誤(wu)差最小。

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