长寿命pH传感器在啤酒厂应用

世界各地的啤酒狂热爱好者都知道口味独特且非常受欢迎的比利时啤酒商——Duvel Moortgat（督威）啤酒厂生产的啤酒，从金黄Ales啤酒到Trappist啤酒。然而，能够生产这些口味独特的啤酒，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传感器在全球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值可以确保最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90C，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。最初，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，最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！在它最终失效后，督威啤酒厂的技术人员与艾默生联系，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精确控制工艺过程，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，在极端温度，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，极端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。要得到精确的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155C）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最低，并且，改善传感器的响应速度。通常，这种长寿命的传感器在极端温度工况下使用数个月后，还能保持精确地测量。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值精确测量有绝对的需求，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Jo Van Roy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，其有助于我们确保独特的督威啤酒的品质和信誉。”

作者介绍：Dave Anderson是艾默生过程管理公司罗斯蒙特分析部的工业市场部经理，他在该行业有19年的工作经验。

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