艾默生长寿pH传感器在督威啤酒厂应用

　　世界各地的啤酒狂热爱好者都知道口味*且非常受欢迎的比利时啤酒商——DuvelMoortgat（督威）啤酒厂生产的啤酒，从金黄Ales啤酒到Trappist啤酒。然而，能够生产这些口味*的啤酒，没有资金的投入是不可能做到的。
　　
　　督威啤酒厂的生产工艺与其它啤酒厂的生产工艺不同，它采用了pH值控制技术，而其它厂家采用的是电导率测量技术。督威啤酒厂在采用pH计时也曾遇到过一些应用挑战，下面将介绍督威啤酒厂是如何通过使用新的长寿命pH传感器来克服这些挑战的。这种长寿命pH传感器在许多食品饮料行业都取得了成功的应用经验。
　　
　　酿造工艺中的pH值控制
　　
　　在酿造工艺的多个环节，pH值测量都起着非常重要的作用。在糊化过程，pH值影响酶的活性，决定淀粉转化为可发酵糖的效率。在酿造罐，监测麦芽的pH值可以确定啤酒花的溶解性，进而控制影响人的身体、味觉、以及影响啤酒透明度的各种因素。在灌装工序，监测啤酒的pH值可以确保zui终进入消费市场的产品的质量，即用于灌装啤酒的容器不能含任何化学清洗成分。
　　
　　督威啤酒酿造工艺有多个pH值检测点，这些测点的测量结果有助于操作人员确定工序是处于酿造阶段，还是处于酸碱液在线清洗（CIP）阶段、或者啤酒水冲洗阶段。督威的酿造工艺：麦芽首先快速加热至90C，并维持90分钟时间，在麦芽冷却后，用啤酒水将麦芽送至发酵容器。通常，酿造工艺是以电导率作为临界控制点，根据电导率值的变化，确定什么时候麦芽进入下一个工序，是否需要大量的进水。但是，要优化工艺过程，就需要更加严格的控制参数，如果太多的水进入发酵容器，则为了得到高品质的啤酒，必将需要更多的加工工序。
　　
　　然而，作为督威品牌，麦芽的电导率值和冲洗水的电导率值没有什么差别，但是，两种溶液的pH值却明显不同。因此，采用pH值控制可以正确区分两个工序，确保没有大量的进水，从而保证啤酒的质量。在该应用中，由于pH传感器要长时间地暴露在热的腐蚀性溶液里，所以pH传感器的寿命缩短。这是因为如果pH传感器长时间受到强烈的热冲击，会导致传感器的玻璃球膜破裂，进而传感器失效。此外，如果传感器的参比电极液接面积较小，则参比电极容易被污物覆盖，导致传感器响应迟缓，测量偏差大。有些应用，如果溶液中含有硫化物，则这种溶液会导致参比电极严重损坏，进而产生测量偏差。
　　
　　每3天坏一个传感器
　　
　　督威啤酒厂在以往使用pH传感器过程中，曾遇到一些问题。zui初，pH传感器的使用寿命是2-4周，后来，由于工厂的产能提高，酸碱液在线清洗（CIP）的流速增加了33%。从此以后，pH传感器的使用寿命只能维持2-3天，工艺人员不得不停止了pH测量，而改用电导率测量。这样做，虽然消除了热和腐蚀的影响，但是，由于麦芽的电导率和冲洗水的电导率差别太小，使得工艺无法准确区分两个工序，不能保证督威啤酒的品牌质量，所以，很快这一做法被放弃。督威啤酒厂的技术人员只好通过人工的方法，区分两个工序，即派一名技术人员，监督由工艺管线流入现场玻璃杯中溶液的状况，以此来区分两个工序，并手动关闭阀门。正如评论员所说：“技术人员非常不开心”。
　　
　　人工/手动控制生产是不能维持的，督威啤酒厂的技术人员开始寻找长寿命的pH传感器。艾默生的PERpH-X高性能pH传感器是他们评估后选择的一个产品。在开始测试时，技术人员曾对PERpH-X的性能持怀疑态度，因为，此前他们测试了多个品牌传感器，zui长的使用寿命不到一周！技术人员先安装了一台PERpH-X传感器，之后他们惊喜地发现，不经意中，该传感器居然使用了3个多月！在它zui终失效后，督威啤酒厂的技术人员与艾默生，要求再更换1台传感器。这次更令他们惊奇的是，当艾默生技术人员给传感器参比电极填充了电解液后，这台传感器又恢复了工作。只用了不到10分钟的时间，一填充完电解液，pH控制回路又恢复至自动控制状态！
　　
　　无需再说什么，督威啤酒厂已经看到相当大的差异，从此以后，酿造工艺不再需要每隔3-7天换一个pH传感器，极大地降低了设备运行成本，缩短了仪表安装时间，更重要的是现在可以确保由测量参数控制工艺过程，节省了技术人员的宝贵时间，减少了技术人员的无效劳作。
　　
　　工作原理
　　
　　在测试前，督威啤酒厂的技术人员对所谓长寿命传感器持怀疑态度并不奇怪。过去这些年，尽管pH传感器的设计在不断改进，但是近一个世纪，pH测量的基本原理没有变。因为在绝大多数情况下，pH传感器的性能是可靠的，只是在高温或污浊的被测溶液中，pH传感器的反应滞后，测量不可靠。
　　
　　pH传感器采用特殊成分的、对pH值具有敏感特性的玻璃材料，当其与被测溶液接触时，玻璃电极产生与被测溶液pH值成比例的电极电位（毫伏电压信号）。市场上也有非玻璃材质的pH传感器，但是，在温度，这种传感器通常测量不准确，而且，如果用于酸碱液在线清洗工艺过程，其寿命缩短。与有些食品饮料行业不同，由于在整个啤酒酿造工艺中，有多个过滤步骤，所以，啤酒酿造要使用玻璃传感器。
　　
　　pH值测量还取决于参比电极，参比电极的作用是在某一给定温度下，维持恒定的参比电位。玻璃电极和参比电极共同构成pH测量电路，玻璃电极和参比电极的电位差（毫伏电压信号）与被测溶液的pH值成比例。
　　
　　此外，pH值随被测溶液的温度不同而变化，温度会加速电极的老化，导致电极顶部的填充液冻结或沸腾，从而使玻璃破裂。玻璃老化进而使传感器响应迟缓。
　　
　　通常，参比电极是银-氯化银电极，即在银丝上镀上一层氯化银，然后悬吊在氯化钾溶液中。要得到的pH值测量，氯化钾填充液就必须不能被污染，同时，参比电极要通过被测溶液，与玻璃电极连接，形成测量电路。如果被测溶液粘稠或者含有一定浓度的离子，则上述两个条件就很容易得不到满足，从而在参比电极液体接界（电解液渗透膜）形成沉淀的覆着物，毒化填充的电解液。
　　
　　长寿命设计
　　
　　新的长寿命传感器设计没有改变pH传感器的基本测量原理，而是对每个易损坏的部件进行了改进。科研人员首先在高温工况下，研究pH敏感玻璃材料的老化机理。有趣的是他们发现：绝大多数老化出现在pH敏感玻璃的凝胶层，根据这一发现，科研人员离析、研制出耐高温的凝胶层。这一研究成果使他们开发出超常耐高温（高达155C）的pH玻璃电极，将由于热应力或撞击产生的玻璃破损因素降到zui低，并且，改善传感器的响应速度。通常，这种长寿命的传感器在温度工况下使用数个月后，还能保持地测量。此外，艾默生还增加了一些保护设计，如在玻璃电极下端球膜处，设计了一个带槽的卡环，其作用是保护玻璃球膜免受过程流体（含颗粒物）的直接冲击。以上对玻璃电极的设计改进，使督威啤酒厂深刻感受到pH传感器性能的变化。
　　
　　pH传感器的绝大多数故障都是前面提到的、由于参比电极的电解液被污染、或参比电极的液体接界（电解液渗透膜）被堵塞所造成的。长寿命传感器的设计解决了这个问题，该传感器使用特殊设计的多孔Teflon液体接界，液体接界的表面积较大，孔隙率较高，从而保证参比电极与被测溶液具有良好的接触，且抗堵塞能力强，即使传感器用在比较污浊的液体，其也能保持稳定的参比信号。其次，参比电极的电解液是氯化钾凝胶液，具有一定的化学粘滞阻力，可以抵抗由于温度、压力变化造成的参比路径堵塞现象。此外，内参比电极的液体接界（电解液渗透膜）是陶瓷材质，孔径小，孔隙率低，所以抗中毒能力强，从而降低对主参比电极液体接界（电解液渗透膜）的损耗，延长传感器的整体寿命。总之，长寿命pH传感器设计综合了参比电极液体接界的两个特性，即高孔隙率液体接界的测量精度（高）和低孔隙率的液体接界的使用寿命（长）。
　　
　　为了进一步延长传感器的使用寿命，在设计上还考虑了可以更换被堵塞的参比电极液体接界（电解液渗透膜），重新填充电解液，这样能够使绝大多数失效的传感器得以再生。重要的是传感器还配制了多种特殊的电解液，以便在一些特定应用中，能够优化传感器的性能，如：抗生物膜电解液；抗油脂电解液；抗结垢电解液等。此外，传感器的护套是抗化学腐蚀的、耐热的Ryton和钛材。
　　
　　督威啤酒厂勇于采用具有挑战性的工艺设施，对pH值测量有的需求，对于这样的厂商，以上这些长寿命pH传感器的创新设计无疑是天赐之物。正如督威啤酒厂技术运维人员JoVanRoy所说：“pH计的测量从以前不确定的几天延长至现在的几个月，且无需人员看管，这确实为督威啤酒厂的财政带来了很大变化，其有助于我们确保*的督威啤酒的品质和信誉。”