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                      电磁流量计在无菌灌装系统中应用
                      发布时间2019-04-22

                      随着社会的发展及人们生活水平的提高对消费产?#20998;?#37327;和生产效率提出了更高的要求要求灌装装置系统能够快速安全准确地完成灌装无菌灌装系统以其固有的优点在食品饮料制药等行业得到越来越广泛的应用无菌灌装系统的要求使用于灌装定量控制的方式发生了变化一些专业灌装用途电磁流量计进入灌装应用领域这种动态在线的测量和控制方式带来了新的挑战使用中不仅需要考虑流量计本身的安装和使用还要综合考虑流量计集成在系统中时和其他部分的相互影响
                      1 无菌灌装系统介绍
                      1.1 无菌灌装系统的要求
                      1易于清洗和消毒杀菌2高产量周期短3高精度和高重复性4低消耗和损耗5快速处理不同产品灌装和不同批量灌装6对产品和产?#20998;?#37327;因素有较高的透明度7不用维护或者易于维修
                      1.2 无菌灌装的设计特点
                      1机器的简单化2表面光滑无凹凸无死角气密密封性好3排水流畅无积水4闭密性要好防止外界微生物深入5选择适当材料耐高温耐化学腐蚀6自动化的CIP原位清洗/SIP原位杀菌7关键设备的定期养护8划分生产区域无菌和非无菌生产区域物料人等隔离和管制
                      1.3 灌装定量控制
                      在各个分系统中灌装的定量控制系统是zui核心的系统之一整个灌装机的灌装速度?#36884;?#24230;往往由该系统的性能所决定灌装定量控制系统关键?#32771;?#21253;括流量计控制器阀门如图1灌装量的测量由流量计完成它能快速准确地计量灌装头的连接管道中的流体流量并?#30740;?#21495;上传到控制器由控制器根据设定的定量控制灌装阀门的启/停以达到准确灌装
                      ??????????????
                      1.4 无菌灌装对流量计的要求
                      1.4.1 快速反应能力和准确的测量能力每次灌装通常?#20013;?~5秒这要求流量计的测量速度非常快测量间隔短只有这样才能跟得上流量的变化曲线
                      1.4.2 卫生型设计和连接特殊的材质和连接方式
                      1.4.3 CIP和SIP的要求原位清洗和杀菌涉及到酸碱等腐蚀性介质如果采用高温蒸汽杀菌则过程中会出现约140的温度
                      1.4.4 稳定性和重复性好
                      2 电磁流量计简介
                      专业灌装电磁流量计能保证很高的准确性和重复性紧凑的外形结构确保了在灌装生产线的各个单元能安装得很近有快速准确的测量能力测量周期短测量频率高
                      流量计的测量原理根据法拉第电磁感应定律因磁通量变化产生感应电动势闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动导体中就会产生感应电流在电磁测量原理中流动的介质就相当于运动的导体感应电压和介质的流速成正比并且通过两个电极直接送到放大器流体的容积通过管道的截面积可以算出
                      电磁流量计原理图
                      Ue=BLv
                      Q=Av
                      Q=Av=AUe/BL
                      式中Ue感应电压
                      B磁场强度
                      L磁极间距
                      v流体速度
                      Q流体流量
                      A管道截面积
                      I电流强度
                      从以上公式可以看出当磁场强度和磁极间距一定时流体流量和感应电压成正比
                      3 Dosimag流量计特性
                      3.1 特点
                      1快速测量能力每秒钟完成80?#25105;E系?#20934;确测量2流量达1.66L/s3流体温度可达130棬半小时内耐受150棻4工作压力可达16bar5可进行在线原位清洗CIP和在线原位杀菌SIP6特殊应用内衬PFA可溶性聚四氟乙烯7不锈钢外壳
                      3.2 应用领域
                      可用于导电率大于等于5s/cm的液体测量如食品行业化妆品行业制药行业化学药品行业
                      3.3 食品/卫生行业相关?#29616;?
                      3A?#29616;?EHEDG测试/符合FDA要求
                      4 安装方式使用条件及注意事项
                      4.1 安装条件
                      1进口管道长度大于5倍DN如图32出口管道长度大于2倍DN如图33传感器和变送器必须接地4传感器在管道中居中安装
                      4.2 安装方式及位置
                      灌装流量计安装调试简单对管道的震动不是很敏感灌装流量计只有在管道完全满地条件下才能正确测量基于这个原因建议在批量生产
                      4.2.1 安装方式一般来讲有旋转灌装模式和线形灌装模式如图4和图5所示


                      4.2.2 安装位置安装在阀门附近灌装流量计不能安装在控制阀的下游图6如果装在控制阀的下游在一个灌装周期结束后传感器的测量管道完全排空这样会?#29616;?#24433;响下个周期的测量

                      4.2.3安装方向合理的安装方向图7可以避免空气在测量管道中的堆积和存放

                      4.2.4 安装注意事项
                      1在过热的条件中使用时比如在线清洗和在线消毒强烈要求变送器装在下面这样可以降低变送器部分过热的风险如图8
                      2在震动非常厉害的条件下要确保管道和传感器的安全

                      4.3 影响灌装的一般因素
                      4.3.1 流量计的计量精度该项指标受流速灌装?#20013;?#26102;间测量流体情况等影响

                      4.3.2 灌装系统中可动?#32771;?#30340;动作速度和机械重复性主要是切断阀的开启和关闭操作的速度和一致性
                      4.3.3 灌装机械中流体的状态稳定性包括温度变化影响密度背压是否稳定影响流速液位高低
                      4.3.4 控制系统的工作方式和控制程序设计是否优化
                      5 Dosimag灌装流量计的?#23548;?#24212;用问题分析
                      下面以灌装流量计在国内某企业使用过程中出?#31181;?#22797;性差的问题为例来分析
                      5.1 现场灌装的基本情况
                      直线式灌装模式灌装机上安装有20台Dosimag5BH12/15分别对应于20根灌装头如图5所示的线性安装方式灌装液体来自于设备上方的储罐通过下流管道进入两路分流支总管DN40每分流支总管下带10个DN15的灌装管流量计后方灌装口上方100mm处安装有气动切断阀结构较特殊两级行程切断阀杆位于管道内流体中每次灌装约220mL但是误差不稳定从偏差1~2mL到5~6mL
                      5.2 该应用中影响精度的原因
                      电磁流量计属于速度式流量仪表它通过测量管道流速来计算体积流量流速的突变会一定程度增大测量误差本应用中影响精度的原因是管道内的液体流速通过试验分析液体的流速受以下三个方面的影响
                      5.2.1 工艺影响管道的选型和排设对液体的流速会有影响如本应用中如果下流管道进入两路分流支总管远小于DN40那么流过各灌装管内的液体流速会有比较大的偏差选用合适的总支管和正确的排设可以改善灌装管内液体流速的不平衡性
                      5.2.2 其他元件的影响在无菌灌装系统中一般用到四种阀即定量阀加料阀导向阀压力控制阀控制阀
                      在灌装系统中用到快速切断阀定量阀来控制灌装的启停快速切断阀的控制原理当电磁阀?#37038;?#21040;PLC的输出信号由PLC采集灌装流量计的脉冲信号后处理的输出信号时开始动作通过执行机构带动阀杆和阀芯向?#26174;?#21160;阀芯和阀座分开流体通过阀座进入灌装管道开始灌装当电磁阀?#37038;?#21040;PLC输出信号关闭阀门时阀杆向下运动带动阀芯向下运动使阀芯和阀座接触从而切断流体达到结束灌装本应用中控制阀的阀杆在管道中流体?#30001;?#21521;下流经整个阀体阀杆的动作行程分两级对应于小流量和较大流量
                      开启时阀杆向上抬起逆流而上对于管道中的流体造成逆冲?#24067;?#20943;小管道流速相对速度越大影响越大闭合时阀杆向下压下对于管道中的流体产生加速?#24067;?#22686;大管道流速图9
                      本应用中的灌装控制阀有两级行程在?#26377;?#27969;量变换为大流量时阀杆的二次动作使管道内的流速显著减小增大了测量误差图9灌装控制阀的结构和工作方式影响了管道中的液体流速是误差的主要形成因素来源但试验证明可以通过调整阀杆的行程来改善

                      5.2.3 液位控制及背压控制液位和背压影响灌装过程中的流速流速的波动会造成灌装量的波动该波动的影响主要体现在系统发出阀门切?#29616;?#20196;到阀门完全关闭的延迟时间段中
                      本灌装系统中的上部罐体尺寸较小约60L如果液位控制在80%则上部的气体空间为12L下部液体空间为48L若每次灌装250mL2s内完成则20个瓶需要5000mL即5L对液位的影响为8%对气压的影响为5L/12L=40%由于灌装有间歇性停顿对于液位和背压的自动控制来说过程为非连续稳定状态控制的难度比一般过程要大压力变送器上看到有压力值的变化?#23548;?#19978;可能有1~2秒钟以内的阻尼?#23548;使?#31243;中的快速波动可能更大
                      灌装头由于安装灌装控制阀的需要在灌装控制阀及下部的灌装头共约400mm
                      部分为DN25的管道灌装流量计及流量计之?#31995;?#31649;道内径为15mm/16mm二者管道截面积相差近2倍在稳定流量下则这两部分的流速相差近2倍表现为流量计处快下部管道内慢考虑到阀杆的影响则流速相差约1倍
                      灌装头的zui终出口部分为10~14mm的可更换缩口通过缩口可以产生背压一般缩口内置蜂窝状虹吸管保证灌装前后的管?#32518;?#31649;从测试的流量波形上看10mm的灌装头产生适当的阻尼效果流量曲线较稳定
                      5.3 解决方案
                      方案1采用灌装阀一级控制即采用小流量行程的单次开启和闭合
                      测?#36234;?#26524;流量平稳度增加灌装的误差显著减小
                      方案2对灌装阀的第二次行程变化进行控制通过减缓阀的气动排气降低阀杆第二次上台的速度见图10

                      方案3适当降低液位如控制在50%或更低以减小批次灌装对背压的影响同时有助于提高背压稳定性
                      6 结语
                      从本文的分析可以看出灌装电磁流量计作为测量的关键元件它是保证罐装精度实现的要素之一整个罐装系统的设计在满足无菌灌装的工艺要求和生产效率要求的前提下必须考虑如何保证罐装流量计稳定可靠地工作以及如何选用合适的?#32771;?#22914;控制阀并优化控制方式将各种可能的干扰因素降到最低以实现系统误差最小

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