灌裝流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題分析
下面以灌裝流量計(jì)在國(guó)內(nèi)某企業(yè)使用過(guò)程中出現(xiàn)重復(fù)性差的問(wèn)題為例來(lái)分析。
一、現(xiàn)場(chǎng)灌裝的基本情況
直線(xiàn)式灌裝模式，灌裝機(jī)上安裝有20臺(tái)Dosimag5BH12/15，分別對(duì)應(yīng)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(shè)備上方的儲(chǔ)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(jì)后方，灌裝口上方100mm處安裝有氣動(dòng)切斷閥（結(jié)構(gòu)較特殊，兩級(jí)行程，切斷閥桿位于管道內(nèi)流體中）；每次灌裝約220mL，但是誤差不穩(wěn)定，從偏差1~2mL到5~6mL。
二、該應(yīng)用中影響{**}度的原因
電磁流量計(jì)屬于速度式流量?jī)x表，它通過(guò)測(cè)量管道流速來(lái)計(jì)算體積流量，流速的突變會(huì)一定程度增大測(cè)量誤差。本應(yīng)用中，影響{**}度的原因是管道內(nèi)的液體流速，通過(guò)試驗(yàn)分析液體的流速受以下三個(gè)方面的影響。
1.工藝影響。
管道的選型和排設(shè)對(duì)液體的流速會(huì)有影響。如本應(yīng)用中，如果下流管道進(jìn)入兩路分流支總管遠(yuǎn)小于DN40，那么流過(guò)各灌裝管內(nèi)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(shè)，可以改善灌裝管內(nèi)液體流速的不平衡性。
2.其他元件的影響。
在無(wú)菌灌裝系統(tǒng)中，一般用到四種閥，即定量閥（加料閥）、導(dǎo)向閥、壓力控制閥、控制閥。
在灌裝系統(tǒng)中用到快速切斷閥（定量閥）來(lái)控制灌裝的啟停。快速切斷閥的控制原理：當(dāng)電磁閥接收到PLC的輸出信號(hào)（由PLC采集灌裝流量計(jì)的脈沖信號(hào)后處理的輸出信號(hào)）時(shí)開(kāi)始動(dòng)作，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥桿和閥芯向上運(yùn)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(dāng)電磁閥接收到PLC輸出信號(hào)關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，閥桿向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，使閥芯和閥座接觸，從而切斷流體達(dá)到結(jié)束灌裝。本應(yīng)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(jí)，對(duì)應(yīng)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(duì)于管道中的流體造成逆沖，瞬間減小管道流速；相對(duì)速度越大，影響越大；閉合時(shí)，閥桿向下壓下，對(duì)于管道中的流體產(chǎn)生加速，瞬間增大管道流速（圖9）。
本應(yīng)用中的灌裝控制閥有兩級(jí)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(nèi)的流速顯著減小，增大了測(cè)量誤差。灌裝控制閥的結(jié)構(gòu)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(yàn)證明，可以通過(guò)調(diào)整閥桿的行程來(lái)改善。
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(xiàn)在系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)完成，則20個(gè)瓶需要5000mL，即5L，對(duì)液位的影響為8%，對(duì)氣壓的影響為5L/12L=40%；由于灌裝有間歇性停頓，對(duì)于液位和背壓的自動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，過(guò)程為非連續(xù)穩(wěn)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)?nèi)的阻尼，實(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(jì)及流量計(jì)之上的管道內(nèi)徑為15mm/16mm。二者管道截面積相差近2倍。在穩(wěn)定流量下，則這兩部分的流速相差近2倍，表現(xiàn)為流量計(jì)處快，下部管道內(nèi)慢。考慮到閥桿的影響，則流速相差約1倍。
灌裝頭的終出口部分為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(nèi)置蜂窩狀虹吸管，保證灌裝前后的管道滿(mǎn)管。從測(cè)試的流量波形上看，10mm的灌裝頭產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖枘嵝Ч髁壳�(xiàn)較穩(wěn)定。
三、解決方案
方案1：采用灌裝閥一級(jí)控制，即采用小流量行程的單次開(kāi)啟和閉合。
測(cè)試結(jié)果：流量平穩(wěn)度增加，灌裝的誤差顯著減小。
方案2：對(duì)灌裝閥的二次行程變化進(jìn)行控制，通過(guò)減緩閥的氣動(dòng)排氣，降低閥桿二次上臺(tái)的速度，見(jiàn)圖10：
方案3：適當(dāng)降低液位，如控制在50%或更低，以減小批次灌裝對(duì)背壓的影響，同時(shí)有助于提高背壓穩(wěn)定性。
灌裝流量計(jì)作為測(cè)量的關(guān)鍵元件，它是保證罐裝{**}度實(shí)現(xiàn)的要素之一，整個(gè)罐裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)穩(wěn)定、可靠地工作以及如何選用合適的部件，如控制閥，并{**}化控制方式，將各種可能的干擾因素降到低，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差小。