《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 測(cè)試測(cè)量 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 長(zhǎng)壽命pH傳感器在啤酒廠應(yīng)用
長(zhǎng)壽命pH傳感器在啤酒廠應(yīng)用
Dave Anderson
艾默生過(guò)程管理公司羅斯蒙特分析部
摘要: 督威啤酒廠的生產(chǎn)工藝與其它啤酒廠的生產(chǎn)工藝不同,它采用了pH值控制技術(shù),而其它廠家采用的是電導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)。督威啤酒廠在采用pH計(jì)時(shí)也曾遇到過(guò)一些應(yīng)用挑戰(zhàn),下面將介紹督威啤酒廠是如何通過(guò)使用新的長(zhǎng)壽命pH傳感器來(lái)克服這些挑戰(zhàn)的。這種長(zhǎng)壽命pH傳感器在全球許多食品飲料行業(yè)都取得了成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。  
Abstract:
Key words :

  世界各地的啤酒狂熱愛(ài)好者都知道口味獨(dú)特且非常受歡迎的比利時(shí)啤酒商——Duvel Moortgat(督威)啤酒廠生產(chǎn)的啤酒,從金黃Ales啤酒到Trappist啤酒。然而,能夠生產(chǎn)這些口味獨(dú)特的啤酒,沒(méi)有資金的投入是不可能做到的。
 
  督威啤酒廠的生產(chǎn)工藝與其它啤酒廠的生產(chǎn)工藝不同,它采用了pH值控制技術(shù),而其它廠家采用的是電導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)。督威啤酒廠在采用pH計(jì)時(shí)也曾遇到過(guò)一些應(yīng)用挑戰(zhàn),下面將介紹督威啤酒廠是如何通過(guò)使用新的長(zhǎng)壽命pH傳感器來(lái)克服這些挑戰(zhàn)的。這種長(zhǎng)壽命pH傳感器在全球許多食品飲料行業(yè)都取得了成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
 
釀造工藝中的pH值控制
 
  在釀造工藝的多個(gè)環(huán)節(jié),pH值測(cè)量都起著非常重要的作用。在糊化過(guò)程,pH值影響酶的活性,決定淀粉轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖的效率。在釀造罐,監(jiān)測(cè)麥芽的pH值可以確定啤酒花的溶解性,進(jìn)而控制影響人的身體、味覺(jué)、以及影響啤酒透明度的各種因素。在灌裝工序,監(jiān)測(cè)啤酒的pH值可以確保最終進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品的質(zhì)量,即用于灌裝啤酒的容器不能含任何化學(xué)清洗成分。
 
  督威啤酒釀造工藝有多個(gè)pH值檢測(cè)點(diǎn),這些測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果有助于操作人員確定工序是處于釀造階段,還是處于酸堿液在線清洗(CIP)階段、或者啤酒水沖洗階段。督威的釀造工藝:麥芽首先快速加熱至90?C,并維持90 分鐘時(shí)間,在麥芽冷卻后,用啤酒水將麥芽送至發(fā)酵容器。通常,釀造工藝是以電導(dǎo)率作為臨界控制點(diǎn),根據(jù)電導(dǎo)率值的變化,確定什么時(shí)候麥芽進(jìn)入下一個(gè)工序,是否需要大量的進(jìn)水。但是,要優(yōu)化工藝過(guò)程,就需要更加嚴(yán)格的控制參數(shù),如果太多的水進(jìn)入發(fā)酵容器,則為了得到高品質(zhì)的啤酒,必將需要更多的加工工序。
 
  然而,作為督威品牌,麥芽的電導(dǎo)率值和沖洗水的電導(dǎo)率值沒(méi)有什么差別,但是,兩種溶液的pH值卻明顯不同。因此,采用pH值控制可以正確區(qū)分兩個(gè)工序,確保沒(méi)有大量的進(jìn)水,從而保證啤酒的質(zhì)量。在該應(yīng)用中,由于pH傳感器要長(zhǎng)時(shí)間地暴露在熱的腐蝕性溶液里,所以pH傳感器的壽命縮短。這是因?yàn)槿绻鹥H傳感器長(zhǎng)時(shí)間受到強(qiáng)烈的熱沖擊,會(huì)導(dǎo)致傳感器的玻璃球膜破裂,進(jìn)而傳感器失效。此外,如果傳感器的參比電極液接面積較小,則參比電極容易被污物覆蓋,導(dǎo)致傳感器響應(yīng)遲緩,測(cè)量偏差大。有些應(yīng)用,如果溶液中含有硫化物,則這種溶液會(huì)導(dǎo)致參比電極嚴(yán)重?fù)p壞,進(jìn)而產(chǎn)生測(cè)量偏差。
 
每3天壞一個(gè)傳感器

 
  督威啤酒廠在以往使用pH傳感器過(guò)程中,曾遇到一些問(wèn)題。最初,pH傳感器的使用壽命是2-4周,后來(lái),由于工廠的產(chǎn)能提高,酸堿液在線清洗(CIP)的流速增加了33%。從此以后,pH傳感器的使用壽命只能維持2-3天,工藝人員不得不停止了pH測(cè)量,而改用電導(dǎo)率測(cè)量。這樣做,雖然消除了熱和腐蝕的影響,但是,由于麥芽的電導(dǎo)率和沖洗水的電導(dǎo)率差別太小,使得工藝無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分兩個(gè)工序,不能保證督威啤酒的品牌質(zhì)量,所以,很快這一做法被放棄。督威啤酒廠的技術(shù)人員只好通過(guò)人工的方法,區(qū)分兩個(gè)工序,即派一名技術(shù)人員,監(jiān)督由工藝管線流入現(xiàn)場(chǎng)玻璃杯中溶液的狀況,以此來(lái)區(qū)分兩個(gè)工序,并手動(dòng)關(guān)閉閥門。正如評(píng)論員所說(shuō):“技術(shù)人員非常不開(kāi)心”。
 
  人工/手動(dòng)控制生產(chǎn)是不能維持的,督威啤酒廠的技術(shù)人員開(kāi)始尋找長(zhǎng)壽命的pH傳感器。艾默生的PERpH-X高性能pH傳感器是他們?cè)u(píng)估后選擇的一個(gè)產(chǎn)品。在開(kāi)始測(cè)試時(shí),技術(shù)人員曾對(duì)PERpH-X的性能持懷疑態(tài)度,因?yàn)?,此前他們測(cè)試了多個(gè)品牌傳感器,最長(zhǎng)的使用壽命不到一周!技術(shù)人員先安裝了一臺(tái)PERpH-X傳感器,之后他們驚喜地發(fā)現(xiàn),不經(jīng)意中,該傳感器居然使用了3個(gè)多月!在它最終失效后,督威啤酒廠的技術(shù)人員與艾默生聯(lián)系,要求再更換1臺(tái)傳感器。這次更令他們驚奇的是,當(dāng)艾默生技術(shù)人員給傳感器參比電極填充了電解液后,這臺(tái)傳感器又恢復(fù)了工作。只用了不到10分鐘的時(shí)間,一填充完電解液,pH控制回路又恢復(fù)至自動(dòng)控制狀態(tài)!
 
  無(wú)需再說(shuō)什么,督威啤酒廠已經(jīng)看到相當(dāng)大的差異,從此以后,釀造工藝不再需要每隔3-7天換一個(gè)pH傳感器,極大地降低了設(shè)備運(yùn)行成本,縮短了儀表安裝時(shí)間,更重要的是現(xiàn)在可以確保由測(cè)量參數(shù)精確控制工藝過(guò)程,節(jié)省了技術(shù)人員的寶貴時(shí)間,減少了技術(shù)人員的無(wú)效勞作。
 
工作原理
 
  在測(cè)試前,督威啤酒廠的技術(shù)人員對(duì)所謂長(zhǎng)壽命傳感器持懷疑態(tài)度并不奇怪。過(guò)去這些年,盡管pH傳感器的設(shè)計(jì)在不斷改進(jìn),但是近一個(gè)世紀(jì),pH測(cè)量的基本原理沒(méi)有變。因?yàn)樵诮^大多數(shù)情況下,pH傳感器的性能是可靠的,只是在高溫或污濁的被測(cè)溶液中,pH傳感器的反應(yīng)滯后,測(cè)量不可靠。
 
  pH傳感器采用特殊成分的、對(duì)pH值具有敏感特性的玻璃材料,當(dāng)其與被測(cè)溶液接觸時(shí),玻璃電極產(chǎn)生與被測(cè)溶液pH值成比例的電極電位(毫伏電壓信號(hào))。市場(chǎng)上也有非玻璃材質(zhì)的pH傳感器,但是,在極端溫度,這種傳感器通常測(cè)量不準(zhǔn)確,而且,如果用于酸堿液在線清洗工藝過(guò)程,其壽命縮短。與有些食品飲料行業(yè)不同,由于在整個(gè)啤酒釀造工藝中,有多個(gè)過(guò)濾步驟,所以,啤酒釀造要使用玻璃傳感器。
 
  pH值測(cè)量還取決于參比電極,參比電極的作用是在某一給定溫度下,維持恒定的參比電位。玻璃電極和參比電極共同構(gòu)成pH測(cè)量電路,玻璃電極和參比電極的電位差(毫伏電壓信號(hào))與被測(cè)溶液的pH值成比例。
 
  此外,pH值隨被測(cè)溶液的溫度不同而變化,極端溫度會(huì)加速電極的老化,導(dǎo)致電極頂部的填充液凍結(jié)或沸騰,從而使玻璃破裂。玻璃老化進(jìn)而使傳感器響應(yīng)遲緩。
 
  通常,參比電極是銀-氯化銀電極,即在銀絲上鍍上一層氯化銀,然后懸吊在氯化鉀溶液中。要得到精確的pH值測(cè)量,氯化鉀填充液就必須不能被污染,同時(shí),參比電極要通過(guò)被測(cè)溶液,與玻璃電極連接,形成測(cè)量電路。如果被測(cè)溶液粘稠或者含有一定濃度的離子,則上述兩個(gè)條件就很容易得不到滿足,從而在參比電極液體接界(電解液滲透膜)形成沉淀的覆著物,毒化填充的電解液。
 
長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)
 
  新的長(zhǎng)壽命傳感器設(shè)計(jì)沒(méi)有改變pH傳感器的基本測(cè)量原理,而是對(duì)每個(gè)易損壞的部件進(jìn)行了改進(jìn)??蒲腥藛T首先在高溫工況下,研究pH敏感玻璃材料的老化機(jī)理。有趣的是他們發(fā)現(xiàn):絕大多數(shù)老化出現(xiàn)在pH敏感玻璃的凝膠層,根據(jù)這一發(fā)現(xiàn),科研人員離析、研制出耐高溫的凝膠層。這一研究成果使他們開(kāi)發(fā)出超常耐高溫(高達(dá)155?C)的pH玻璃電極,將由于熱應(yīng)力或撞擊產(chǎn)生的玻璃破損因素降到最低,并且,改善傳感器的響應(yīng)速度。通常,這種長(zhǎng)壽命的傳感器在極端溫度工況下使用數(shù)個(gè)月后,還能保持精確地測(cè)量。此外,艾默生還增加了一些保護(hù)設(shè)計(jì),如在玻璃電極下端球膜處,設(shè)計(jì)了一個(gè)帶槽的卡環(huán),其作用是保護(hù)玻璃球膜免受過(guò)程流體(含顆粒物)的直接沖擊。以上對(duì)玻璃電極的設(shè)計(jì)改進(jìn),使督威啤酒廠深刻感受到pH傳感器性能的變化。

  pH傳感器的絕大多數(shù)故障都是前面提到的、由于參比電極的電解液被污染、或參比電極的液體接界(電解液滲透膜)被堵塞所造成的。長(zhǎng)壽命傳感器的設(shè)計(jì)解決了這個(gè)問(wèn)題,該傳感器使用特殊設(shè)計(jì)的多孔Teflon液體接界,液體接界的表面積較大,孔隙率較高,從而保證參比電極與被測(cè)溶液具有良好的接觸,且抗堵塞能力強(qiáng),即使傳感器用在比較污濁的液體,其也能保持穩(wěn)定的參比信號(hào)。其次,參比電極的電解液是氯化鉀凝膠液,具有一定的化學(xué)粘滯阻力,可以抵抗由于溫度、壓力變化造成的參比路徑堵塞現(xiàn)象。此外,內(nèi)參比電極的液體接界(電解液滲透膜)是陶瓷材質(zhì),孔徑小,孔隙率低,所以抗中毒能力強(qiáng),從而降低對(duì)主參比電極液體接界(電解液滲透膜)的損耗,延長(zhǎng)傳感器的整體壽命??傊?,長(zhǎng)壽命pH傳感器設(shè)計(jì)綜合了參比電極液體接界的兩個(gè)特性,即高孔隙率液體接界的測(cè)量精度(高)和低孔隙率的液體接界的使用壽命(長(zhǎng))。
  為了進(jìn)一步延長(zhǎng)傳感器的使用壽命,在設(shè)計(jì)上還考慮了可以更換被堵塞的參比電極液體接界(電解液滲透膜),重新填充電解液,這樣能夠使絕大多數(shù)失效的傳感器得以再生。重要的是傳感器還配制了多種特殊的電解液,以便在一些特定應(yīng)用中,能夠優(yōu)化傳感器的性能,如:抗生物膜電解液;抗油脂電解液;抗結(jié)垢電解液等。此外,傳感器的護(hù)套是抗化學(xué)腐蝕的、耐熱的Ryton和鈦材。
  督威啤酒廠勇于采用具有挑戰(zhàn)性的工藝設(shè)施,對(duì)pH值精確測(cè)量有絕對(duì)的需求,對(duì)于這樣的廠商,以上這些長(zhǎng)壽命pH傳感器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)無(wú)疑是天賜之物。正如督威啤酒廠技術(shù)運(yùn)維人員Jo Van Roy所說(shuō):“pH計(jì)的測(cè)量從以前不確定的幾天延長(zhǎng)至現(xiàn)在的幾個(gè)月,且無(wú)需人員看管,這確實(shí)為督威啤酒廠的財(cái)政帶來(lái)了很大變化,其有助于我們確保獨(dú)特的督威啤酒的品質(zhì)和信譽(yù)。”
 
  作者介紹:Dave Anderson是艾默生過(guò)程管理公司羅斯蒙特分析部的工業(yè)市場(chǎng)部經(jīng)理,他在該行業(yè)有19年的工作經(jīng)驗(yàn)。
 
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。