在線雙數字電極測量裝置的開發及應用

(1.北京華科儀科技股份有限公司，北京 100162；2.華能北方聯合電力有限責任公司呼和浩特金橋熱電廠，呼和浩特 010070)

1 前 言

在乳制品加工過程中，生產管線中的奶垢不但會影響設備傳熱效率，使得殺菌不徹底，而且還是細菌迅速繁殖的理想基質。因此，如果不及時、徹底地進行清洗，會影響到乳制品產品的衛生質量安全。以前的乳制品加工生產設備多采用人工清洗方式，勞動強度大、清洗效果不易控制，因此近年來我國的大中型乳制品企業多廣泛采用原地清洗系統[1]。

原地清洗(Cleaning In Place，CIP)又稱為“在線清洗”，是指大型設備、管線或系統，在原安裝位置不作拆卸及移動的條件下，采用高溫、高濃度的清洗液對管路設備進行的強力清洗作業，從而實現管路設備的凈化，滿足產品生產衛生要求。CIP是一種發展于20世紀50年代乳制品企業生產加工過程中的技術和設備，其清洗方式包括超聲波清洗、干冰清洗、高壓水射流清洗、化學清洗等，目前國內乳制品企業常用的是化學清洗。化學清洗在清洗過程中要嚴格控制清洗液的溫度和酸堿度，過酸或過堿不僅會促進設備的腐蝕，縮短機器使用壽命，增加乳制品廠運行成本[2]，而且會影響清洗效果，進而影響乳制品產品質量，表明食品生產加工過程中管道清洗環節存在著較大的安全風險[3]，應引起乳制品生產企業的高度重視。因此，在原地清洗過程中對清洗液和管道內殘留化學物質的全面、準確監測顯得尤為重要。

2 CIP系統清潔程度監測現狀及研究內容

2.1 CIP系統現狀

目前，CIP系統清洗過程中潔凈程度的判斷方法主要有兩種：一種為采用pH試紙、pH計或酸堿滴定等方法，人工檢測CIP結束前沖洗水pH的HACCP(危害分析與關鍵控制點)體系[4]，可以靈敏地檢測出是否有強酸或強堿殘留，但需要人工測量，費時費力。另一種為基于監測管路內沖洗水電導率的HACCP體系，通過在清洗液回液管彎道處設置電導率監測儀來判斷生產管線的清潔程度以及控制CIP各清洗環節時間節點。

CIP系統一般由酸罐、堿罐、熱水罐、清水罐、清洗出/回液泵、板式熱交換器和各種啟動閥門及清洗管路等組成[5]。典型的清洗流程為：水沖洗→堿液洗→水沖洗→酸液洗→水沖洗→殺菌等多個步驟，每個清洗流程的切換是基于監測電導率的HACCP體系，即根據清洗液電導率大小作為系統流程切換的判斷依據。也有一些企業根據清洗對象和清洗頻率的不同，對上述清洗流程進行了適當簡化,采用堿清洗、酸清洗或熱水清洗等簡易步驟。

以國內S乳制品廠收奶線清洗流程為例，整個清洗流程分為5個清洗子流程，分別為預沖洗、堿循環、中間沖洗、酸循環、最終沖洗。其中堿循環采用1.5%～2.0%氫氧化鈉溶液對生產管線進行沖洗；酸循環采用1.0%～1.5%硝酸溶液對生產管線進行沖洗，清洗子流程、原位電導率預設閾值、沖洗時間等如表1所示。圖1所示為S乳制品廠收奶線清洗流程圖。

表1 國內S乳制品廠收奶線清洗流程

2.2 存在的技術難點

首先會存在生產管線清潔程度判斷問題，主要體現在兩個方面。第一是酸堿殘留的檢測。電導率是溶液傳導電流的能力，電導率無法表征沖洗水的pH值是否合格，參照國家生活飲用水衛生標準[6]，沖洗水的pH在6.5～8.5范圍內時，可認為沒有殘留的強酸或強堿；第二是生產管線欠清洗或過清洗問題。生產管線內脂肪、蛋白質、礦物質等沉積物的量隨著時間和清洗次數變化，沖洗時間長短應根據沉積物在生產管線中的沉積量進行動態調整，而目前多數CIP系統采用固定電導率值結合固定沖洗時間，會存在欠清洗或過清洗問題。

其次是對CIP系統原位電導率校準困難的問題。對目前多數僅基于監測電導率的CIP系統來說，對其單支電導率傳感器性能要求較高，其準確性、可靠性至關重要，需要定期校準，但目前只能通過停機、拆除電導率傳感器并送檢的方式進行校準。一旦該電導率傳感器出現問題，無法在不停機的情況下進行檢修，停機進行維護造成的經濟損失較大，對生產和運行會有一定影響。

圖1 S乳制品廠收奶線清洗流程圖

2.3 研究內容

本研究針對CIP系統對生產管線清洗的清潔程度判斷和傳感器在線校準問題，結合CIP系統清洗過程中潔凈程度的兩種判斷方法，研發了在線雙數字電極測量裝置。采用該裝置對乳制品CIP系統清潔程度的在線綜合判斷技術及在不停機情況下雙數字電極的在線校準方法進行了研究，并在S乳制品廠進行了實踐。

3 在線雙數字電極測量裝置

3.1 裝置的原理

純水在25℃時pH為7.0，但只要與空氣接觸一段時間后，因為一部分水與CO2反應生產了碳酸，而使pH降到5.5左右。或者在純水中加入少量強酸或強堿，pH也會發生顯著變化[7]。在CIP系統或生產管線中即使殘留極少量的強酸、強堿都會引起生產管線中最終沖洗流程清洗液pH的劇烈變化，結合CIP結束前沖洗水pH的HACCP體系的檢測方法，在CIP系統中監測電導率的同時增加在線pH監測儀，使得CIP系統清洗過程中對清洗液和管道內殘留強酸強堿的監測更加全面、準確。

裝置采用統計某一時間段內測量數據方差的方法進行測量數據穩定性的判斷，當清洗液的pH和電導率測量數據穩定且在規定范圍內時說明清洗完成。pH對時間的一階導數可得到pH斜率的變化幅度，可對清洗液pH的變化做出進一步判斷。冗余設計是有效提高產品可靠性技術水平的有效手段之一，合理選擇冗余方式能有效提高設計的可靠性，使設計更優化[8]。在線雙數字電極測量裝置依據并聯系統冗余設計。圖2為并聯系統冗余設計原理，在提高可靠性的同時實現CIP系統不停機情況下監測傳感器的在線校準量值傳遞。

圖2 雙數字傳感器并聯系統原理圖

3.2 裝置技術方案

本研究針對生產管線清潔程度準確判斷問題，提出了采用雙數字pH和雙數字電導率傳感器對清洗液進行監測，實現生產管線清潔程度的判斷。通過統計某一時間段內測量數據方差的方法實現測量數據穩定性及清洗液清潔程度的判斷。pH關于時間的一階導數得的到pH斜率變化幅度，可對清洗液清潔程度作出進一步判斷。沖洗時間進行動態調整，可使沖洗時間更加合理，避免欠清洗或過清洗等情況出現，實現保證安全生產前提下節水、節能的目的。

針對目前CIP原位監測儀器無法在線校準的問題，提出了雙數字電極的技術方案。雙數字電極的冗余設計，首先可以提高測量裝置的可靠性，即使其中一支數字電極由于故障無法運行或者校準時，另外一支數字電極也可以實現不間斷監測，可避免停機對CIP系統進行維護；其次可以提高測量準確性，當兩支數字電極測量值偏差過大時，可提示運行維護人員對數字電極進行校準或維護；最后可以實現校準的量值傳遞，即將雙數字電極其中一支進行拆取，通過計量部門計量檢定后將其校準數據在在線裝置上對未拆解的數字電極進行量值傳遞，實現CIP系統在不停機、不影響乳品企業生產運行的情況下對測量電極進行校準。

如圖3所示為在線雙數字電極測量裝置技術方案路線圖。

3.3 裝置結構組成

在線雙數字電極測量裝置主要由穩流罐、雙路控制器、雙數字pH電極及流通池、雙數字電導率電極及流通池、轉子流量計、清洗液瓶、標液瓶、閥等組成，裝置示意圖如圖4所示。

首先，沖洗水樣品經電磁閥進入穩流罐，壓力和流量達到監測儀表適用范圍；其次，穩流罐中樣水分兩路經流量調節后進入雙數字pH和電導率電極流通池中進行監測；最后，單獨對雙數字pH或電導率電極進行準確性判斷或者校準時，裝置關閉穩流罐和流量計之間的閥，依次開啟或關閉pH或電導率校準液閥控制標液瓶中校準液進入電極流通池，準確性或校準結束后，清洗液的閥開啟，對流通池及管路進行清洗。

圖3 在線雙數字電極測量裝置技術方案路線圖

圖4 在線雙數字電極測量裝置組成示意圖1.閥；2.穩流罐；3.清洗液；4.電導率校準液；5.pH校準液；6.雙數字電導率電極及流通池；7.數字電導率雙路控制器；8.數字pH雙路控制器；9.雙數字pH電極及流通池；10 .流量計

4 在線雙數字電極測量裝置在乳品企業CIP系統中的應用

在雙數字電極測量裝置研制過程中，因實際的乳制品CIP系統需要優先保證產線的使用,停機進行施工、測試的成本過大，因此前期先研制了一套模擬現場乳制品CIP系統和收奶線的循環裝置，對現場CIP系統以及管線系統清洗過程進行模擬，通過對CIP系統沖洗水pH、電導率的監測，實現對CIP牛奶管線的清洗清潔程度進行判斷。

依據S乳制品廠CIP系統和收奶線現場實際連接情況和清洗流程，研制了一套實驗室模擬循環裝置，如圖5所示。在模擬循環裝置收奶線上原位電導率管線附近，設置一個采樣點，對S乳制品廠CIP系統和收奶線的模擬循環裝置中清洗水樣進行采樣，采樣點通過管路與在線雙數字電極測量裝置連接，對清洗水pH和電導率同時監測，實現管線清潔程度的綜合判斷。

圖5 CIP清洗系統和收奶線實驗室模擬循環裝置1.酸循環泵；2.堿循環泵；3.純水泵；4.預沖洗泵；5.出口酸循環閥；6.出口堿循環閥；7.出口純水閥；8.出口預沖洗閥；9.流量計；10.原位電導率；11.入口酸循環閥；12.入口堿循環閥；13.入口純水閥；14.排污閥；15.廢液收集罐；16.回水罐；17.純水；18.堿罐；19.酸罐

依照S乳制品廠收奶線實際清洗流程在實驗室模擬循環裝置上依次進行預沖洗、堿循環、中間沖洗、酸循環、最終沖洗等清洗環節，圖6所示為CIP系統和收奶線各清洗環節的原位電導率、在線雙數字電極測量裝置的pH和電導率變化趨勢。

依據測量數據在某一時間段內測量數據方差的方法進行測量數據穩定性趨勢的判斷，按照公式(1)對數字pH1和pH2、數字電導率1和2、原位電導率測量值穩定性趨勢進行判斷，從而實現乳制品生產管線清潔程度的判斷，如表2所示為中間沖洗和最終沖洗pH、電導數據每隔5min進行1次測量數據方差的計算結果，用來判斷中間沖洗和最終沖洗時pH、電導穩定性趨勢。

(1)

式中：

s2——測量數據方差；

xi——pH或電導率第i次測量數據；

n——數據數量。

依據pH關于時間的一階導數可得到pH斜率的變化幅度，按照公式(2)對數字pH1、數字pH2進行計算，可得到圖7 pH斜率變化曲線。

(2)

式中：

k—pH斜率變化；

pH—數字pH電極測量值；

圖6 模擬循環裝置模擬循環裝置和在線雙數字電極測量裝置監測的水質變化情況

表2 國內S乳制品廠收奶線清洗流程

圖7 pH斜率變化曲線

從表2清洗水數據變化穩定性趨勢方差數據和圖7 pH斜率變化可以看出，在乳制品CIP系統清洗過程中，清洗水電導率在50～53min開始低于5μs/cm且方差較小逐漸趨于穩定，并且pH處于6.5～8.0的區間、pH斜率變化趨于零，此時如果仍然僅依靠固定電導率作為監測依據結合系統預設固定沖洗時間(預設沖洗時間大于實際需要沖洗時間的情況下)進行清洗的話會存在嚴重浪費水的問題，即過沖洗；從表2也可以看出清洗水電導率在39～43min較快趨于穩定時，圖6和圖7中可看出此時清洗水的pH值還未穩定，中間沖洗步驟結束時有繼續降低的趨勢而且斜率變化逐漸趨于平緩，在最終沖洗步驟結束時有繼續升高的趨勢而且斜率變化逐漸趨于平緩，能較好地反映出清洗水pH變化規律和清洗水的清潔程度。上述結果可看出在線雙數字電極測量裝置可對生產管線清潔程度進行更加有效和靈敏的判斷，在保證乳制品生產加工質量安全的前提下，達到生產過程節水、節能等目的。

5 在線雙數字電極測量裝置在線校準方法

在線雙數字電極測量裝置能夠對收奶線等管路中清洗溶液或清洗水的pH、電導率進行在線測量，同時實現不停機校準。具體方法為：

方法一：在線雙數字電極測量裝置的前端流路中各設計一套在線電導率的標準溶液校準系統和在線pH的標準溶液校準系統，通過對這兩套系統中測量和校準流路的切換，把標準溶液導入到在線雙數字電極測量裝置的pH和電導率測量系統流路中，對在線雙數字電極測量裝置的pH和電導率進行校準。

方法二：將在線雙數字電極測量裝置某個指標的數字電極拆除，將拆除的數字電極送到計量部門對其進行校正，校正后的數字傳感器重新安裝到在線雙數字電極測量裝置中，根據校準的數字電極對雙傳感器系統中的另一個數字電極進行驗證和校準，從而實現數字電極的原位傳遞校準。

6 結語

針對目前乳制品廠CIP系統清潔程度判斷問題和原位電導率校準困難的問題進行了研究，研制了一套模擬現場乳制品CIP系統及收奶線的循環裝置和一套雙數字電極測量裝置，提供了一種采用同時測量沖洗水pH和電導率兩種參數、綜合判斷管路清潔程度的測量系統及方法；而且，該雙數字電極測量裝置能夠在CIP系統和乳制品管線不停機的情況下進行pH和電導率傳感器的在線驗證和校準，避免停機以進行傳感器的拆卸，能夠準確地判斷清洗質量，為清洗流程精準化調整提供依據，可以節省電力、蒸汽和清洗水等物力的消耗，具有良好的應用前景和市場價值。