電磁流量計在無菌灌裝系統中的應用
發布日期:2019-03-28 15:08

電磁流量計在無菌灌裝系統中的應用
電磁流量計在无菌灌装系统中的作用在随着人们生活水平的快速提高,人们对消费的欧美成质量与欧美成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、制药等欧美成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,一些专业灌装用途流量計进入灌装应用领域,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計本身的安装和使用,还要综合考虑流量計集成在系统中时和其他部分的相互影响.

 
電磁流量計
1.電磁流量計无菌灌装系统介绍
1.1無菌灌裝系統的要求
(1)易于清洗和消毒殺菌;(2)高産量、周期短;(3)高精度和高重複性;(4)低消耗和損耗;(5)快速處理不同欧美成灌裝和不同批量灌裝;(6)對欧美成和欧美成質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)關鍵設備的定期養護;(8)劃分生産區域,無菌和非無菌,生産區域物料、人等隔離和管制.
1.3灌裝定量控制
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和精度往往由该系统的性能所决定.灌装定量控制系统关键部件包括流量計、控制器、阀门(如图1).灌装量的测量由流量計完成,它能快速、准确地计量灌装头的连接管道中的流体流量,并把信号上传到控制器,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.
 
灌裝系統關鍵部件示意圖
图1灌裝系統關鍵部件示意圖
1.4无菌灌装对流量計的要求
1.4.1快速反应能力和准确的测量能力.每次灌装通常持续2~5秒,这要求流量計的测量速度非常快,测量间隔短,只有这样才能跟得上流量的变化曲线.
1.4.2衛生型設計和連接.特殊的材質和連接方式.
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,如果采用高溫蒸汽殺菌,則過程中會出現約140℃的溫度.
1.4.4穩定性和重複性好.
2.電磁流量計简介
Dosimag系列流量計是某知名仪表公司自行研发的专业灌装電磁流量計,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欧美成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.
Dosimag流量計的测量原理:根据法拉第電磁感应定律,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.在電磁测量原理中,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.
 

電磁流量計原理示意圖
图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,每秒鍾完成80次以上的准確測量;(2)流量達1.66L/s;(3)流體溫度可達130℃,半小時內耐受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)特殊應用內襯:PFA(可溶性聚四氟乙烯);(7)不鏽鋼外殼.
3.2應用領域
可用于導電率大于等于5μs/cm的液體測量,如食品欧美成、化妝品欧美成、制藥欧美成、化學藥品欧美成3.3食品/衛生欧美成相關認證3A認證/EHEDG測試/符合FDA要求.
4.電磁流量計安装方式、使用条件及注意事项
4.1電磁流量計安装条件
(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
灌装流量計安装调试简单;对管道的震动不是很敏感.灌装流量計只有在管道完全满地条件下才能正确测量,基于这个原因,建议在批量欧美成前要做灌装试验.
 
安裝直管段示意圖
图3安裝直管段示意圖
4.2.1安裝方式一般來講有旋轉灌裝模式和線形灌裝模式,如圖4和圖5所示:
 
旋轉灌裝模式
图4旋轉灌裝模式
 
線形灌裝模式
图5線形灌裝模式
4.2.2安装位置.安装在阀门附近,灌装流量計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,这样会严重影响下个周期的测量.

流量計和阀门的安装位置示意图
图6流量計和阀门的安装位置示意图(1代表灌装流量計)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.
 
安裝示意圖
图7安裝示意圖(1代表灌装流量計)
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
图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流量計的计量精度:该项指标受流速、灌装持续时间、测量流体情况等影响.
表1灌裝時間和重複性的關系
4.3.2灌裝系統中可動部件的動作速度和機械重複性:主要是切斷閥的開啓和關閉操作的速度和一致性.
4.3.3灌裝機械中流體的狀態穩定性,包括溫度變化(影響密度)、背壓是否穩定(影響流速)、液位高低.
4.3.4控制系統的工作方式和控制程序設計是否優化.
5..
灌装流量計的實際應用問題分析
下面以灌装流量計在国内某企业使用过程中出现重复性差的问题为例来分析.
5.1電磁流量計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;流量計后方,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該應用中影響精度的原因
電磁流量計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,那麽流過各灌裝管內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:当電磁阀接收到PLC的输出信号(由PLC采集灌装流量計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上运动,阀芯和阀座分开,流体通过阀座进入灌装管道,开始灌装,当電磁阀接收到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,流体从上向下流经整个阀体,阀杆的动作行程分两级,对应于小流量和较大流量.
開啓時,閥杆向上擡起,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,閥杆向下壓下,對于管道中的流體産生加速,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,在從小流量變換爲大流量時,閥杆的二次動作使管道內的流速顯著減小,增大了測量誤差(圖9).灌裝控制閥的結構和工作方式,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,可以通過調整閥杆的行程來改善.
 
未加處理的閥門二行程的流量曲線
图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在系統發出閥門切斷指令到閥門完全關閉的延遲時間段中.
本灌裝系統中的上部罐體尺寸較小,約60L.如果液位控制在80%,則上部的氣體空間爲12L,下部液體空間爲48L;若每次灌裝250mL,2s內完成,則20個瓶需要5000mL,即5L,對液位的影響爲8%,對氣壓的影響爲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,過程爲非連續穩定狀態,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秒鍾以內的阻尼,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.
部分为DN25的管道,灌装流量計及流量計之上的管道内径为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,表现为流量計处快,下部管道内慢.考虑到阀杆的影响,则流速相差约1倍.
灌裝頭的zui終出口部分爲10~14mm的可更換縮口.通過縮口,可以産生背壓,一般縮口內置蜂窩狀虹吸管,保證灌裝前後的管道滿管.從測試的流量波形上看,10mm的灌裝頭産生適當的阻尼效果,流量曲線較穩定.
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啓和閉合.
測試結果:流量平穩度增加,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,降低閥杆第二次上台的速度,見圖10:
 
流量曲線
图10增加排气过滤阀,减缓小流量转大流量时的阀杆上抬速度后的流量曲線方案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.

 


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