随着社會(huì)的發展及(jí)人們生活(huo)水平的提(tí)高，對消費(fèi)✨産品❄️質🍉量(liang)和生産效(xiào)率提出了(le)更高的要(yào)求，要求灌(guan)裝裝置系(xì)統能夠快(kuai)速、安全、準(zhun)确地完成(cheng)灌裝。無菌(jun)灌裝系🧑🏽‍🤝‍🧑🏻統(tǒng)以其固有(yǒu)的優點，在(zai)食品、飲料(liao)、制藥等行(hang)業得到越(yuè)來越廣泛(fàn)的應用。無(wu)菌灌裝系(xì)統的要求(qiú)使用于灌(guan)裝定量控(kong)制的方式(shì)發生了變(bian)化，一些專(zhuān)♌業灌裝用(yong)途電磁流(liu)量計 進入(ru)灌裝應用(yòng)領域，這種(zhong)動态在線(xiàn)的測量和(hé)控制方式(shì)帶來了新(xīn)的挑戰，使(shǐ)用中不僅(jin)需要考慮(lü)流量計本(ben)身的安裝(zhuang)和使用，還(hai)要綜合考(kao)慮流量計(ji)集成在系(xi)統中時和(he)其他部🏃分(fen)的相互影(yǐng)響。
1 無菌灌(guàn)裝系統介(jiè)紹
1.1 無菌灌(guan)裝系統的(de)要求
（1）易于(yu)清洗和消(xiao)毒殺菌；（2）高(gao)産量、周期(qī)短；（3）精度佳(jiā)和高重複(fu)性🈚；（4）低消🌈耗(hao)和損耗；（5）快(kuài)速處理不(bú)同産品灌(guan)裝和不同(tong)批量🛀灌裝(zhuang)；（6）對産品和(he)産品質量(liang)因素有較(jiào)高的透明(míng)度；（7）不用維(wéi)護或者易(yì)于維修。
1.2 無(wu)菌灌裝的(de)設計特點(diǎn)
（1）機器的簡(jian)單化；（2）表面(mian)光滑、無凹(āo)凸、無死角(jiǎo)、氣密密封(feng)性好；（3）排水(shui)流暢，無積(jī)水；（4）閉密性(xìng)要好，防止(zhǐ)外界微生(shēng)物深入；（5）選(xuǎn)擇适當材(cái)料，耐高溫(wen)、耐化學腐(fu)蝕；（6）自動化(huà)💋的CIP（原位清(qīng)洗）/SIP（原位殺(sha)菌）；（7）關鍵設(she)備的定㊙️期(qi)養護；（8）劃分(fen)🐇生産區域(yù)♋，無菌和非(fei)無菌，生産(chan)區域物料(liao)、人等隔離(li)和管制。
1.3 灌(guan)裝定量控(kong)制
　　在各個(ge)分系統中(zhong)，灌裝的定(dìng)量控制系(xi)統是zui核心(xīn)的系統之(zhi)👈一，整個灌(guan)裝機的灌(guan)裝速度和(he)精度往往(wang)由該系統(tǒng)的性能所(suǒ)決定。灌裝(zhuang)定量控制(zhi)系統關鍵(jian)部件包括(kuò)流量計、控(kong)制器、閥門(mén)（如✏️圖1）。灌裝(zhuāng)💘量的測量(liang)由🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量計(jì)完成，它能(néng)快速、準确(que)地計量灌(guan)裝頭的連(lián)接管道中(zhōng)的流體流(liu)量，并把信(xin)号上傳到(dao)控制器，由(yóu)控🔴制器根(gēn)據設定的(de)定量，控制(zhì)灌裝閥門(mén)的啓/停，以(yi)達到準确(que)灌裝。
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1.4 無菌(jun1)灌裝對流(liú)量計的要(yao)求
1.4.1 快速反(fan)應能力和(hé)準确的測(cè)量能力。每(měi)次灌裝通(tōng)常☀️持續📱2~5秒(miǎo)，這🐆要求流(liu)量計的測(ce)量速度非(fēi)常快，測量(liàng)間🆚隔短，隻(zhī)有⛹🏻‍♀️這樣🐇才(cai)能跟得上(shàng)流量的變(biàn)化曲線。
1.4.2 衛(wei)生型設計(ji)和連接。特(tè)殊的材質(zhì)和連接方(fāng)式。
1.4.3 CIP和SIP的要(yào)求。原位清(qīng)洗和殺菌(jun1)涉及到酸(suān)堿等腐蝕(shí)性介㊙️質，如(rú)㊙️果🧑🏽‍🤝‍🧑🏻采☂️用高(gāo)溫蒸汽殺(sha)菌，則過程(cheng)中會出現(xian)約140℃的溫♉度(dù)。
1.4.4 穩定性和(hé)重複性好(hao)。
2 電磁流量(liàng)計簡介
　　專(zhuān)業灌裝電(diàn)磁流量計(jì)，能保證很(hěn)高的準确(que)性和重👅複(fu)性，緊湊的(de)外形結構(gou)确保了在(zài)灌裝生産(chǎn)線的各個(ge)單⭕元能安(ān)裝🐅得很近(jin)。有快速準(zhǔn)确的測量(liang)能力，測量(liàng)周期短，測(ce)量頻率高(gāo)。
　　流量計的(de)測量原理(lǐ)：根據法拉(la)第電磁感(gǎn)應定律，因(yin)磁通量變(biàn)化産生感(gǎn)應電動勢(shi)，閉合電路(lu)的一部分(fèn)導體在磁(ci)場中做切(qiē)🌐割磁感線(xian)運動，導體(ti)中就會産(chǎn)生感應電(dian)流。在電磁(cí)測量原理(lǐ)🛀🏻中，流動的(de)介質就相(xiàng)當于運動(dong)的導體，感(gan)應電壓和(hé)介質的流(liu)🈲速成正比(bǐ)，并且通過(guò)兩個電極(ji)直接送到(dao)放大器。流(liu)體的容積(ji)通過管道(dào)的截面積(ji)可以算出(chu)。

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(chang)強度
L——磁極(jí)間距
v——流體(tǐ)速度
Q——流體(tǐ)流量
A——管道(dao)截面積
I——電(diàn)流強度
從(cóng)以上公式(shi)可以看出(chu)，當磁場強(qiáng)度和磁極(ji)間距一🈲定(ding)時，流體流(liu)🚶量和感應(ying)電壓成正(zheng)比。
3 Dosimag流量計(ji)特性
3.1 特點(dian)
（1）快速測量(liàng)能力，每秒(miǎo)鍾完成80次(ci)以上的準(zhun)确測量；（2）流(liu)量達1.66L/s；（3）流體(tǐ)👈溫度可達(da)130℃，半小時内(nei)耐受150℃；（4）工作(zuò)壓力可達(dá)16bar；（5）可進行在(zai)線原位清(qing)洗（CIP）和在線(xiàn)原位殺菌(jun1)（SIP）；（6）特殊應用(yòng)内襯：PFA（可溶(rong)性聚四氟(fu)乙🔱烯）；（7）不鏽(xiu)🏃‍♂️鋼外殼。
3.2 應(ying)用領域
可(ke)用于導電(dian)率大于等(děng)于5μs/cm的液體(ti)測量，如食(shi)品行業🌐、化(huà)🛀妝品🔞行業(ye)🏃‍♂️、制藥行業(yè)、化學藥品(pǐn)行業
3.3 食品(pǐn)/衛生行業(yè)相關認證(zheng)
3A認證/EHEDG測試(shi)/符合FDA要求(qiu)。
4 安裝方式(shì)、使用條件(jiàn)及注意事(shi)項
4.1 安裝條(tiao)件
（1）進口管(guǎn)道長度大(da)于5倍DN，如圖(tú)3；（2）出口管道(dào)長度大于(yú)2倍DN，如圖3；（3）傳(chuán)感器和變(bian)送器必須(xū)接地；（4）傳感(gǎn)器在管道(dao)中🌈居中安(ān)裝。
4.2 安裝方(fang)式及位置(zhì)
　　灌裝流量(liang)計安裝調(diao)試簡單；對(dui)管道的震(zhèn)動不是很(hen)敏感。灌裝(zhuāng)❌流量計隻(zhī)有在管道(dào)完全滿地(di)條件下才(cai)能正确測(cè)量，基🌈于這(zhe)個原因，建(jiàn)議在批量(liang)生産
4.2.1 安裝(zhuāng)方式一般(ban)來講有旋(xuán)轉灌裝模(mo)式和線形(xing)灌裝模式(shi)，如圖4和圖(tú)5所示：


4.2.2 安裝(zhuāng)位置。安裝(zhuāng)在閥門附(fu)近，灌裝流(liu)量計不能(neng)安裝在控(kong)制閥的下(xia)遊（圖6），如果(guo)裝在控制(zhi)閥的下遊(yóu)，在一🧑🏾‍🤝‍🧑🏼個灌(guan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻裝周‼️期結(jie)束後，傳感(gǎn)器的測量(liàng)管道完全(quan)排空，這樣(yàng)會嚴重影(yǐng)響下個㊙️周(zhōu)期的測量(liàng)。

4.2.3　安裝方向(xiàng)。合理的安(an)裝方向（圖(tú)7），可以避免(miǎn)空氣在測(cè)量管🌐道中(zhōng)的堆積和(he)存放。

4.2.4 安裝(zhuang)注意事項(xiang)。
（1）在過熱的(de)條件中使(shi)用時（比如(ru)在線清洗(xi)和在線消(xiāo)毒），強烈🔞要(yào)求變送器(qì)裝在下面(miàn)，這樣可以(yi)降低變送(song)器部分過(guò)熱的風險(xiǎn)，如圖8。
（2）在震(zhèn)動非常厲(li)害的條件(jiàn)下，要确保(bǎo)管道和傳(chuán)感器的安(ān)🌈全💃🏻。

4.3 影響灌(guan)裝的一般(ban)因素
4.3.1 流量(liang)計的計量(liang)精度：該項(xiàng)指标受流(liú)速、灌裝持(chí)續時間、測(cè)量流體情(qíng)況等影響(xiang)。

4.3.2 灌裝系統(tǒng)中可動部(bù)件的動作(zuo)速度和機(jī)械重複性(xing)♻️：主要是♌切(qiē)斷閥的開(kai)啓和關閉(bi)操作的速(sù)度和一緻(zhì)性。
4.3.3 灌裝機(ji)械中流體(ti)的狀态穩(wěn)定性，包括(kuò)溫度變化(hua)（影㊙️響密度(du)🈲）、背壓是否(fou)穩定（影響(xiǎng)流速）、液位(wèi)高低。
4.3.4 控制(zhì)系統的工(gōng)作方式和(he)控制程序(xu)設計是否(fou)優化。
5 Dosimag灌裝(zhuang)流量計的(de)實際應用(yòng)問題分析(xī)
下面以灌(guan)裝流量計(ji)在國内某(mǒu)企業使用(yong)過程中出(chu)現重複❌性(xìng)差的問題(ti)爲例來分(fèn)析。
5.1 現場灌(guan)裝的基本(běn)情況
　　直線(xiàn)式灌裝模(mó)式，灌裝機(jī)上安裝有(yǒu)20台Dosimag5BH12/15，分别對(dui)應于🍓20根灌(guàn)裝頭❤️，如🛀🏻圖(tu)5所示的線(xian)性安裝方(fang)式；灌裝液(yè)體來自于(yu)設備上方(fang)的儲🌏罐，通(tōng)過下流管(guan)道進入兩(liang)路分流支(zhi)總管（DN40），每分(fen)流支總🌈管(guǎn)下帶10個DN15的(de)灌裝管；流(liú)量計後方(fāng)，灌裝口上(shàng)方100mm處安裝(zhuāng)有氣動切(qie)斷閥（結構(gòu)較特殊，兩(liǎng)級行程，切(qie)斷閥杆位(wei)于管道内(nei)流體中）；每(mei)次灌⭐裝約(yue)220mL，但是誤🐅差(cha)不穩定，從(cóng)偏差1~2mL到5~6mL。
5.2 該(gāi)應用中影(ying)響精度的(de)原因
　　電磁(cí)流量計 屬(shu)于速度式(shi)流量儀表(biǎo)，它通過測(ce)量管道流(liu)速來計算(suàn)體積流🔞量(liàng)，流速的突(tu)變會一定(dìng)程度增大(dà)測量誤差(chà)。影響精度(dù)的原因🚶‍♀️是(shi)管道内的(de)液體流速(sù)，通過試驗(yàn)分析液體(ti)的流速受(shòu)以下三♊個(gè)方面的影(ying)響。
5.2.1 工藝影(yǐng)響。管道的(de)選型和排(pái)設對液體(tǐ)的流速會(hui)有影響。如(ru)💘果下流管(guan)道進入兩(liang)路分流支(zhī)總管遠小(xiao)于DN40，那麽🤞流(liu)過♈各灌裝(zhuang)管内的💋液(yè)體流速會(huì)有比較大(da)的✔️偏差，選(xuǎn)用合适的(de)總支管和(hé)正确的排(pái)設，可以改(gai)善灌裝管(guǎn)内液體流(liú)速的不平(píng)衡性。
5.2.2 其他(tā)元件的影(yǐng)響。在無菌(jun1)灌裝系統(tong)中，一般用(yong)到四種閥(fa)，即定量閥(fá)（加料閥）、導(dǎo)向閥、壓力(li)控制閥、控(kong)制閥。
　　在灌(guan)裝系統中(zhōng)用到快速(su)切斷閥（定(ding)量閥）來控(kòng)制灌裝🌈的(de)啓停。快速(sù)切斷閥的(de)控制原理(li)：當電磁閥(fá)接收到PLC的(de)輸出信号(hào)👈（由PLC采集灌(guàn)裝流量計(jì)的脈沖信(xin)号後😄處理(li)的輸出信(xin)号）時開始(shi)動作，通過(guò)執🈲行機構(gou)帶動閥杆(gǎn)和閥芯向(xiang)上運動，閥(fa)芯和閥座(zuo)分開，流體(ti)通過🙇🏻閥座(zuo)進入灌裝(zhuāng)管道，開始(shi)灌裝，當電(diàn)磁閥接收(shōu)到PLC輸出信(xìn)号關閉閥(fá)門時，閥杆(gǎn)向下👌運動(dong)，帶動閥芯(xin)向下運動(dong)，使閥♈芯和(hé)閥座接觸(chu)，從而切斷(duan)流體達到(dao)結束灌☂️裝(zhuāng)。控制閥的(de)閥杆在管(guǎn)道中，流體(ti)從🏃‍♂️上向下(xia)流經💜整個(ge)閥體，閥杆(gan)的動作行(háng)程分兩級(jí)，對應于小(xiǎo)流量‼️和較(jiào)大流量。
　　開(kai)啓時，閥杆(gǎn)向上擡起(qǐ)，逆流而上(shàng)，對于管道(dao)中的流體(ti)👅造成逆沖(chong)🈲，瞬間減小(xiao)管道流速(su)；相對速度(dù)越大，影響(xiǎng)越😘大；閉合(he)時，閥杆✨向(xiàng)下壓下，對(dui)于管道中(zhōng)的流體産(chǎn)生加速，瞬(shùn)間增大管(guǎn)道流速（圖(tu)9）。
　　灌裝控制(zhi)閥有兩級(ji)行程，在從(cong)小流量變(biàn)換爲大流(liu)量時，閥杆(gan)的二次動(dong)作使管道(dào)内的流速(sù)顯著減小(xiao)，增大🔞了測(cè)🤟量誤差（圖(tú)9）。灌裝控制(zhi)閥的結構(gòu)和工作方(fang)式，影響了(le)管道中的(de)液體流速(sù)㊙️，是誤差👉的(de)主要形成(cheng)因素來源(yuan)🧡。但試驗證(zhèng)明，可以通(tōng)過調整閥(fa)杆的行程(cheng)來改善。

5.2.3 液(yè)位控制及(jí)背壓控制(zhì)。液位和背(bei)壓影響灌(guàn)裝過程中(zhong)的流速，流(liu)速的波動(dong)會造成灌(guan)裝量的波(bō)動。該波動(dong)的影響主(zhu)要體現在(zài)系統發出(chū)閥門切斷(duàn)指令到閥(fá)門完全關(guan)閉的延遲(chí)時間段🐪中(zhōng)。
　　灌裝系統(tong)中的上部(bù)罐體尺寸(cùn)較小，約60L。如(ru)果液位控(kong)制在80%，則🐪上(shàng)部😘的氣體(tǐ)空間爲12L，下(xia)部液體空(kōng)間爲48L；若每(měi)次灌裝250mL，2s内(nèi)完成，則20個(ge)瓶需要5000mL，即(jí)5L，對液位的(de)影響爲8%，對(dui)⛷️氣壓的影(ying)響爲✂️5L/12L=40%；由于(yú)灌裝有間(jiān)歇性停頓(dùn)，對于液位(wei)和背壓的(de)自動控制(zhì)來說，過程(cheng)爲非連續(xu)穩定狀态(tài)，控制的難(nan)度比一般(bān)過程要大(dà)（壓力變送(sòng)器上看到(dao)🐇有壓力值(zhí)的變化，實(shi)際上可能(néng)有1~2秒鍾以(yǐ)内的阻尼(ní)，實際過程(chéng)中的快速(sù)波動可能(neng)更大）。
灌裝(zhuang)頭由于安(an)裝灌裝控(kòng)制閥的需(xū)要，在灌裝(zhuāng)控制閥及(jí)下部㊙️的灌(guàn)裝頭共約(yuē)400mm。
　　部分爲DN25的(de)管道，灌裝(zhuang)流量計及(jí)流量計之(zhi)上的管道(dao)🍉内🥵徑爲15mm/16mm。二(er)者管道截(jié)面積相差(cha)近2倍。在穩(wen)定流量下(xià)，則這兩部(bu)分的流速(sù)💰相差近2倍(bei)，表現爲流(liú)量計處快(kuai)，下部管道(dao)内慢。考慮(lü)到閥杆的(de)影響，則⛹🏻‍♀️流(liu)速相差約(yue)1倍。
　　灌裝頭(tou)的zui終出口(kǒu)部分爲10~14mm的(de)可更換縮(suō)口。通過縮(suo)口，可以産(chǎn)生背🧡壓，一(yī)般縮口内(nèi)置蜂窩狀(zhuang)虹吸管，保(bao)證灌裝❗前(qian)後的管道(dao)滿📱管。從測(ce)試的流量(liang)波形上看(kàn)，10mm的灌裝頭(tou)産生适當(dang)的阻♉尼效(xiào)果，流量曲(qǔ)線較穩定(dìng)。
5.3 解決方案(àn)
方案1：采用(yong)灌裝閥一(yi)級控制，即(ji)采用小流(liu)量行程的(de)單次開❓啓(qi)和㊙️閉合。
測(cè)試結果：流(liu)量平穩度(du)增加，灌裝(zhuang)的誤差顯(xiǎn)著減小。
方(fang)案2：對灌裝(zhuang)閥的第二(er)次行程變(bian)化進行控(kong)制，通過減(jian)緩閥的氣(qì)動排氣，降(jiang)低閥杆第(dì)二次上台(tái)的速度，見(jiàn)圖10：

方案3：适(shi)當降低液(yè)位，如控制(zhì)在50%或更低(dī)，以減小批(pī)次灌裝🙇🏻對(duì)背壓的影(yǐng)響，同時有(yǒu)助于提高(gāo)背壓穩定(dìng)性。
6 結語
　　從(cong)分析可以(yi)看出，灌裝(zhuāng)電磁流量(liàng)計作爲測(cè)量的關鍵(jiàn)元件，它是(shì)保證罐裝(zhuang)精度實現(xian)的要素之(zhi)一，整個罐(guan)裝系統的(de)設計在滿(man)足✏️無菌灌(guan)裝的工藝(yi)要求和生(shēng)産效🤟率要(yao)求的前提(tí)下，必須考(kao)慮如✏️何保(bao)證罐裝流(liu)量計穩定(ding)、可靠地工(gōng)作以及如(rú)何選用🔞合(hé)适的部件(jian)，如控制閥(fa)，并優化控(kòng)制👅方式，将(jiāng)各種可能(neng)的幹擾因(yīn)素降到最(zuì)低，以實現(xiàn)系統誤差(cha)最小。

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