灌装流量计的实际应用问题分析

    下面以灌装流量计在国内某企业使用过程中出现重复性差的问题为例来分析。

一、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。

二、该应用中影响{**}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{**}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。

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。

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：当电磁阀接收到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，当电磁阀接收到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。

    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，瞬间减小管道流速；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，瞬间增大管道流速（图9）。

    本应用中的灌装控制阀有两级行程，在从小流量变换为大流量时，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。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。

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断指令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250mL，2s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，实际上可能有1~2秒钟以内的阻尼，实际过程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，保证灌装前后的管道满管。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。

三、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。

    测试结果：流量平稳度增加，灌装的误差显著减小。

    方案2：对灌装阀的二次行程变化进行控制，通过减缓阀的气动排气，降低阀杆二次上台的速度，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。

    灌装流量计作为测量的关键元件，它是保证罐装{**}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部件，如控制阀，并{**}化控制方式，将各种可能的干扰因素降到低，以实现系统误差小。