明礬溶液流量計在無(wú)菌灌裝系統中的應用
點(diǎn)擊次數：1908 發(fā)布時(shí)間：2020-08-15 07:05:58
現代社會(huì )的飛速發(fā)展，隨著(zhù)人們的生活水平的提高和生活節奏的加快，出現了許多方便攜帶飲用的瓶裝、罐裝和袋裝型食品及飲料。在制藥企業(yè)中，也同樣有大量的瓶裝和袋裝的液體藥品。這些生產(chǎn)場(chǎng)合的液體飲料和液體藥品都需要無(wú)菌灌裝系統，要求灌裝裝置系統能夠快速、安全、準確地完成灌裝。相比較以前傳統的固定容積式的灌裝系統，該系統具有更穩定的安全性，包裝內容液體的衛生狀況大幅改善，無(wú)菌灌裝系統的要求使用于灌裝定量控制的方式發(fā)生了變化，一些專(zhuān)業(yè)灌裝用途流量計進(jìn)入灌裝應用領(lǐng)域，這種動(dòng)態(tài)在線(xiàn)的測量和控制方式帶來(lái)了新的挑戰，在線(xiàn)直接測量和控制流量的定量控制方法需要專(zhuān)業(yè)的流量計來(lái)滿(mǎn)足灌裝的特殊需求，使用中不僅需要考慮流量計本身的安裝和使用，還要綜合考慮流量計集成在系統中時(shí)和其他部分的相互影響。文章詳細介紹了灌裝用明礬溶液流量計的特點(diǎn)以及使用明礬溶液流量計的灌裝定量系統的灌裝精度的影響因素。
1．無(wú)菌灌裝系統介紹
1.1 無(wú)菌灌裝系統的要求
（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）不用維護或者易于維修。
1.2 無(wú)菌灌裝的設計特點(diǎn)
（1）機器的簡(jiǎn)單化；（2）表面光滑、無(wú)凹凸、無(wú)死角、氣密密封性好；（3）排水流暢，無(wú)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(xué)腐蝕；（6）自動(dòng)化的CIP（原位清洗）/SIP（原位殺菌）；（7）關(guān)鍵設備的定期養護；（8）劃分生產(chǎn)區域，無(wú)菌和非無(wú)菌，生產(chǎn)區域物料、人等隔離和管制。
1.3 灌裝定量控制
在各個(gè)分系統中，灌裝的定量控制系統是最核心的系統之一，整個(gè)灌裝機的灌裝速度和精度往往由該系統的性能所決定。灌裝定量控制系統關(guān)鍵部件包括流量計、控制器、閥門(mén)（如圖1）。灌裝量的測量由流量計完成，它能快速、準確地計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，由控制器根據設定的定量，控制灌裝閥門(mén)的啟/停，以達到準確灌裝。
圖1 灌裝系統關(guān)鍵部件示意圖
1.4 無(wú)菌灌裝對流量計的要求
1.4.1 快速反應能力和準確的測量能力。每次灌裝通常持續2~5秒，這要求流量計的測量速度非?？?，測量間隔短，只有這樣才能跟得上流量的變化曲線(xiàn)。
1.4.2 衛生型設計和連接。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(guò)程中會(huì )出現約140℃的溫度。
1.4.4 穩定性和重復性好。
2． Dosimag明礬溶液流量計簡(jiǎn)介
Dosimag系列流量計是某知名儀表公司自行研發(fā)的專(zhuān)業(yè)灌裝明礬溶液流量計，能保證很高的準確性和重復性，緊湊的外形結構確保了在灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的各個(gè)單元能安裝得很近。有快速準確的測量能力，測量周期短，測量頻率高。
Dosimag流量計的測量原理：根據法拉第電磁感應定律，因磁通量變化產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，閉合電路的一部分導體在磁場(chǎng)中做切割磁感線(xiàn)運動(dòng)，導體中就會(huì )產(chǎn)生感應電流。在電磁測量原理中，流動(dòng)的介質(zhì)就相當于運動(dòng)的導體，感應電壓和介質(zhì)的流速成正比，并且通過(guò)兩個(gè)電極直接送到放大器。流體的容積通過(guò)管道的截面積可以算出。
圖2 明礬溶液流量計原理示意圖
Ue=B×L×v
Q=A×v
Q=A×v=A×Ue/B×L
式中：Ue——感應電壓
B——磁場(chǎng)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(chǎng)強度和磁極間距一定時(shí)，流體流量和感應電壓成正比。
3． Dosimag流量計特性
3.1 特點(diǎn)
（1）快速測量能力，每秒鐘完成80次以上的準確測量；（2）流量達1.66L/s；（3）流體溫度可達130℃，半小時(shí)內耐受150℃；（4）工作壓力可達16bar；（5）可進(jìn)行在線(xiàn)原位清洗（CIP）和在線(xiàn)原位殺菌（SIP）；（6）特殊應用內襯：PFA（可溶性聚四氟乙烯）；（7）不銹鋼外殼。
3.2 應用領(lǐng)域
可用于導電率大于等于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/衛生行業(yè)相關(guān)認證
3A認證/EHEDG測試/符合FDA要求。
4． 安裝方式、使用條件及注意事項
4.1 安裝條件
（1）進(jìn)口管道長(cháng)度大于5倍DN，如圖3；（2）出口管道長(cháng)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
灌裝流量計安裝調試簡(jiǎn)單；對管道的震動(dòng)不是很敏感。灌裝流量計只有在管道完全滿(mǎn)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。
圖3 安裝直管段示意圖
4.2.1 安裝方式一般來(lái)講有旋轉灌裝模式和線(xiàn)形灌裝模式，如圖4和圖5所示：
圖4 旋轉灌裝模式
圖5 線(xiàn)形灌裝模式
4.2.2 安裝位置。安裝在閥門(mén)附近，灌裝流量計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)灌裝周期結束后，傳感器的測量管道完全排空，這樣會(huì )嚴重影響下個(gè)周期的測量。
圖6 流量計和閥門(mén)的安裝位置示意圖（1代表灌裝流量計）
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）
4.2.4 安裝注意事項。
（1）在過(guò)熱的條件中使用時(shí)（比如在線(xiàn)清洗和在線(xiàn)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(guò)熱的風(fēng)險，如圖8。
（2）在震動(dòng)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(guò)熱的安裝方向示意圖
4.3 影響灌裝的一般因素
4.3.1 流量計的計量精度：該項指標受流速、灌裝持續時(shí)間、測量流體情況等影響。
表1 灌裝時(shí)間和重復性的關(guān)系
4.3.2 灌裝系統中可動(dòng)部件的動(dòng)作速度和機械重復性：主要是切斷閥的開(kāi)啟和關(guān)閉操作的速度和一致性。
4.3.3 灌裝機械中流體的狀態(tài)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(yōu)化。
5． Dosimag灌裝流量計的實(shí)際應用問(wèn)題分析
下面以灌裝流量計在國內某企業(yè)使用過(guò)程中出現重復性差的問(wèn)題為例來(lái)分析。
5.1 現場(chǎng)灌裝的基本情況
直線(xiàn)式灌裝模式，灌裝機上安裝有20臺Dosimag5BH12/15，分別對應于20根灌裝頭，如圖5所示的線(xiàn)性安裝方式；灌裝液體來(lái)自于設備上方的儲罐，通過(guò)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；流量計后方，灌裝口上方100mm處安裝有氣動(dòng)切斷閥（結構較特殊，兩級行程，切斷閥桿位于管道內流體中）；每次灌裝約220mL，但是誤差不穩定，從偏差1~2mL到5~6mL。
5.2 該應用中影響精度的原因
明礬溶液流量計屬于速度式流量?jì)x表，它通過(guò)測量管道流速來(lái)計算體積流量，流速的突變會(huì )一定程度增大測量誤差。本應用中，影響精度的原因是管道內的液體流速，通過(guò)試驗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。管道的選型和排設對液體的流速會(huì )有影響。如本應用中，如果下流管道進(jìn)入兩路分流支總管遠小于DN40，那么流過(guò)各灌裝管內的液體流速會(huì )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(wú)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。
在灌裝系統中用到快速切斷閥（定量閥）來(lái)控制灌裝的啟停?？焖偾袛嚅y的控制原理：當電磁閥接收到PLC的輸出信號（由PLC采集灌裝流量計的脈沖信號后處理的輸出信號）時(shí)開(kāi)始動(dòng)作，通過(guò)執行機構帶動(dòng)閥桿和閥芯向上運動(dòng)，閥芯和閥座分開(kāi)，流體通過(guò)閥座進(jìn)入灌裝管道，開(kāi)始灌裝，當電磁閥接收到PLC輸出信號關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，閥桿向下運動(dòng)，帶動(dòng)閥芯向下運動(dòng)，使閥芯和閥座接觸，從而切斷流體達到結束灌裝。本應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(dòng)作行程分兩級，對應于小流量和較大流量。
開(kāi)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(dòng)作使管道內的流速顯著(zhù)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(lái)源。但試驗證明，可以通過(guò)調整閥桿的行程來(lái)改善。
圖9 未加處理的閥門(mén)二行程的流量曲線(xiàn)。
5.2.3 液位控制及背壓控制。液位和背壓影響灌裝過(guò)程中的流速，流速的波動(dòng)會(huì )造成灌裝量的波動(dòng)。該波動(dòng)的影響主要體現在系統發(fā)出閥門(mén)切斷指令到閥門(mén)完全關(guān)閉的延遲時(shí)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%，則上部的氣體空間為12L，下部液體空間為48L；若每次灌裝250mL，2s內完成，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(dòng)控制來(lái)說(shuō)，過(guò)程為非連續穩定狀態(tài)，控制的難度比一般過(guò)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?xún)鹊淖枘?，?shí)際過(guò)程中的快速波動(dòng)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，灌裝流量計及流量計之上的管道內徑為15mm/16mm。二者管道截面積相差近2倍。在穩定流量下，則這兩部分的流速相差近2倍，表現為流量計處快，下部管道內慢?？紤]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(guò)縮口，可以產(chǎn)生背壓，一般縮口內置蜂窩狀虹吸管，保證灌裝前后的管道滿(mǎn)管。從測試的流量波形上看，10mm的灌裝頭產(chǎn)生適當的阻尼效果，流量曲線(xiàn)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(kāi)啟和閉合。
測試結果：流量平穩度增加，灌裝的誤差顯著(zhù)減小。
方案2：對灌裝閥的第二次行程變化進(jìn)行控制，通過(guò)減緩閥的氣動(dòng)排氣，降低閥桿第二次上臺的速度，見(jiàn)圖10：
圖10 增加排氣過(guò)濾閥，減緩小流量轉大流量時(shí)的閥桿上抬速度后的流量曲線(xiàn)
方案3：適當降低液位，如控制在50%或更低，以減小批次灌裝對背壓的影響，同時(shí)有助于提高背壓穩定性。
6 結語(yǔ)
從本文的分析可以看出，灌裝流量計作為測量的關(guān)鍵元件，它是保證罐裝精度實(shí)現的要素之一，整個(gè)罐裝系統的設計在滿(mǎn)足無(wú)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穩定、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)現系統誤差最小。
1．無(wú)菌灌裝系統介紹
1.1 無(wú)菌灌裝系統的要求
（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）不用維護或者易于維修。
1.2 無(wú)菌灌裝的設計特點(diǎn)
（1）機器的簡(jiǎn)單化；（2）表面光滑、無(wú)凹凸、無(wú)死角、氣密密封性好；（3）排水流暢，無(wú)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(xué)腐蝕；（6）自動(dòng)化的CIP（原位清洗）/SIP（原位殺菌）；（7）關(guān)鍵設備的定期養護；（8）劃分生產(chǎn)區域，無(wú)菌和非無(wú)菌，生產(chǎn)區域物料、人等隔離和管制。
1.3 灌裝定量控制
在各個(gè)分系統中，灌裝的定量控制系統是最核心的系統之一，整個(gè)灌裝機的灌裝速度和精度往往由該系統的性能所決定。灌裝定量控制系統關(guān)鍵部件包括流量計、控制器、閥門(mén)（如圖1）。灌裝量的測量由流量計完成，它能快速、準確地計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，由控制器根據設定的定量，控制灌裝閥門(mén)的啟/停，以達到準確灌裝。
圖1 灌裝系統關(guān)鍵部件示意圖
1.4 無(wú)菌灌裝對流量計的要求
1.4.1 快速反應能力和準確的測量能力。每次灌裝通常持續2~5秒，這要求流量計的測量速度非?？?，測量間隔短，只有這樣才能跟得上流量的變化曲線(xiàn)。
1.4.2 衛生型設計和連接。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(guò)程中會(huì )出現約140℃的溫度。
1.4.4 穩定性和重復性好。
2． Dosimag明礬溶液流量計簡(jiǎn)介
Dosimag系列流量計是某知名儀表公司自行研發(fā)的專(zhuān)業(yè)灌裝明礬溶液流量計，能保證很高的準確性和重復性，緊湊的外形結構確保了在灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的各個(gè)單元能安裝得很近。有快速準確的測量能力，測量周期短，測量頻率高。
Dosimag流量計的測量原理：根據法拉第電磁感應定律，因磁通量變化產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，閉合電路的一部分導體在磁場(chǎng)中做切割磁感線(xiàn)運動(dòng)，導體中就會(huì )產(chǎn)生感應電流。在電磁測量原理中，流動(dòng)的介質(zhì)就相當于運動(dòng)的導體，感應電壓和介質(zhì)的流速成正比，并且通過(guò)兩個(gè)電極直接送到放大器。流體的容積通過(guò)管道的截面積可以算出。
圖2 明礬溶液流量計原理示意圖
Ue=B×L×v
Q=A×v
Q=A×v=A×Ue/B×L
式中：Ue——感應電壓
B——磁場(chǎng)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(chǎng)強度和磁極間距一定時(shí)，流體流量和感應電壓成正比。
3． Dosimag流量計特性
3.1 特點(diǎn)
（1）快速測量能力，每秒鐘完成80次以上的準確測量；（2）流量達1.66L/s；（3）流體溫度可達130℃，半小時(shí)內耐受150℃；（4）工作壓力可達16bar；（5）可進(jìn)行在線(xiàn)原位清洗（CIP）和在線(xiàn)原位殺菌（SIP）；（6）特殊應用內襯：PFA（可溶性聚四氟乙烯）；（7）不銹鋼外殼。
3.2 應用領(lǐng)域
可用于導電率大于等于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/衛生行業(yè)相關(guān)認證
3A認證/EHEDG測試/符合FDA要求。
4． 安裝方式、使用條件及注意事項
4.1 安裝條件
（1）進(jìn)口管道長(cháng)度大于5倍DN，如圖3；（2）出口管道長(cháng)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
灌裝流量計安裝調試簡(jiǎn)單；對管道的震動(dòng)不是很敏感。灌裝流量計只有在管道完全滿(mǎn)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。
圖3 安裝直管段示意圖
4.2.1 安裝方式一般來(lái)講有旋轉灌裝模式和線(xiàn)形灌裝模式，如圖4和圖5所示：
圖4 旋轉灌裝模式
圖5 線(xiàn)形灌裝模式
4.2.2 安裝位置。安裝在閥門(mén)附近，灌裝流量計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)灌裝周期結束后，傳感器的測量管道完全排空，這樣會(huì )嚴重影響下個(gè)周期的測量。
圖6 流量計和閥門(mén)的安裝位置示意圖（1代表灌裝流量計）
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）
4.2.4 安裝注意事項。
（1）在過(guò)熱的條件中使用時(shí)（比如在線(xiàn)清洗和在線(xiàn)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(guò)熱的風(fēng)險，如圖8。
（2）在震動(dòng)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(guò)熱的安裝方向示意圖
4.3 影響灌裝的一般因素
4.3.1 流量計的計量精度：該項指標受流速、灌裝持續時(shí)間、測量流體情況等影響。
表1 灌裝時(shí)間和重復性的關(guān)系
4.3.2 灌裝系統中可動(dòng)部件的動(dòng)作速度和機械重復性：主要是切斷閥的開(kāi)啟和關(guān)閉操作的速度和一致性。
4.3.3 灌裝機械中流體的狀態(tài)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(yōu)化。
5． Dosimag灌裝流量計的實(shí)際應用問(wèn)題分析
下面以灌裝流量計在國內某企業(yè)使用過(guò)程中出現重復性差的問(wèn)題為例來(lái)分析。
5.1 現場(chǎng)灌裝的基本情況
直線(xiàn)式灌裝模式，灌裝機上安裝有20臺Dosimag5BH12/15，分別對應于20根灌裝頭，如圖5所示的線(xiàn)性安裝方式；灌裝液體來(lái)自于設備上方的儲罐，通過(guò)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；流量計后方，灌裝口上方100mm處安裝有氣動(dòng)切斷閥（結構較特殊，兩級行程，切斷閥桿位于管道內流體中）；每次灌裝約220mL，但是誤差不穩定，從偏差1~2mL到5~6mL。
5.2 該應用中影響精度的原因
明礬溶液流量計屬于速度式流量?jì)x表，它通過(guò)測量管道流速來(lái)計算體積流量，流速的突變會(huì )一定程度增大測量誤差。本應用中，影響精度的原因是管道內的液體流速，通過(guò)試驗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。管道的選型和排設對液體的流速會(huì )有影響。如本應用中，如果下流管道進(jìn)入兩路分流支總管遠小于DN40，那么流過(guò)各灌裝管內的液體流速會(huì )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(wú)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。
在灌裝系統中用到快速切斷閥（定量閥）來(lái)控制灌裝的啟停?？焖偾袛嚅y的控制原理：當電磁閥接收到PLC的輸出信號（由PLC采集灌裝流量計的脈沖信號后處理的輸出信號）時(shí)開(kāi)始動(dòng)作，通過(guò)執行機構帶動(dòng)閥桿和閥芯向上運動(dòng)，閥芯和閥座分開(kāi)，流體通過(guò)閥座進(jìn)入灌裝管道，開(kāi)始灌裝，當電磁閥接收到PLC輸出信號關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，閥桿向下運動(dòng)，帶動(dòng)閥芯向下運動(dòng)，使閥芯和閥座接觸，從而切斷流體達到結束灌裝。本應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(dòng)作行程分兩級，對應于小流量和較大流量。
開(kāi)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(dòng)作使管道內的流速顯著(zhù)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(lái)源。但試驗證明，可以通過(guò)調整閥桿的行程來(lái)改善。
圖9 未加處理的閥門(mén)二行程的流量曲線(xiàn)。
5.2.3 液位控制及背壓控制。液位和背壓影響灌裝過(guò)程中的流速，流速的波動(dòng)會(huì )造成灌裝量的波動(dòng)。該波動(dòng)的影響主要體現在系統發(fā)出閥門(mén)切斷指令到閥門(mén)完全關(guān)閉的延遲時(shí)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%，則上部的氣體空間為12L，下部液體空間為48L；若每次灌裝250mL，2s內完成，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(dòng)控制來(lái)說(shuō)，過(guò)程為非連續穩定狀態(tài)，控制的難度比一般過(guò)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?xún)鹊淖枘?，?shí)際過(guò)程中的快速波動(dòng)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，灌裝流量計及流量計之上的管道內徑為15mm/16mm。二者管道截面積相差近2倍。在穩定流量下，則這兩部分的流速相差近2倍，表現為流量計處快，下部管道內慢?？紤]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(guò)縮口，可以產(chǎn)生背壓，一般縮口內置蜂窩狀虹吸管，保證灌裝前后的管道滿(mǎn)管。從測試的流量波形上看，10mm的灌裝頭產(chǎn)生適當的阻尼效果，流量曲線(xiàn)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(kāi)啟和閉合。
測試結果：流量平穩度增加，灌裝的誤差顯著(zhù)減小。
方案2：對灌裝閥的第二次行程變化進(jìn)行控制，通過(guò)減緩閥的氣動(dòng)排氣，降低閥桿第二次上臺的速度，見(jiàn)圖10：
圖10 增加排氣過(guò)濾閥，減緩小流量轉大流量時(shí)的閥桿上抬速度后的流量曲線(xiàn)
方案3：適當降低液位，如控制在50%或更低，以減小批次灌裝對背壓的影響，同時(shí)有助于提高背壓穩定性。
6 結語(yǔ)
從本文的分析可以看出，灌裝流量計作為測量的關(guān)鍵元件，它是保證罐裝精度實(shí)現的要素之一，整個(gè)罐裝系統的設計在滿(mǎn)足無(wú)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穩定、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)現系統誤差最小。