原位清洗技術(shù)CIP(即cleaning in place的簡稱，也稱定位清洗技術(shù))是指在一定流量/壓力的條件下，在原位自動(dòng)用水和清洗液對設(shè)備管道進(jìn)行循環(huán)沖洗而無需拆解設(shè)備的一種清洗技術(shù)。目前，CIP清洗系統(tǒng)在國內(nèi)大中型乳品企業(yè)中已得到較為廣泛的應(yīng)用，是質(zhì)量把控的重要環(huán)節(jié)。CIP清洗系統(tǒng)中在線電導(dǎo)率的監(jiān)測對清洗液投料控制和清潔度檢測起到重要作用，但由于電導(dǎo)率傳感器處于高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的管路環(huán)境中且拆卸困難，它的量值溯源一直是個(gè)難題，準(zhǔn)確性也難以保障，乳品CIP在線電導(dǎo)率儀計(jì)量問題日益凸顯。研發(fā)乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置和在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)在線檢測和校準(zhǔn)，開發(fā)故障診斷、漂移診斷和壽命監(jiān)測功能，為CIP在線電導(dǎo)率儀的量值準(zhǔn)確和溯源、為電導(dǎo)率傳感器生命周期管理提供重要保障，對提高乳品生產(chǎn)質(zhì)量和保證質(zhì)量可靠性具有重要意義。
1 .在線電導(dǎo)率監(jiān)測設(shè)備在乳品CIP清洗系統(tǒng)中的應(yīng)用
乳品加工企業(yè)CIP清洗系統(tǒng)廣泛使用自動(dòng)化程度較高的成套設(shè)備，通過清洗液的化學(xué)作用、物理作用以及機(jī)械沖刷作用清洗設(shè)備和管道，無需拆開設(shè)備管道，無需人工清洗和沖刷,降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高清洗效率，已成為保障乳品衛(wèi)生質(zhì)量和設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要手段。
影響乳品生產(chǎn)線CIP清洗效果的主要因素有清洗劑種類、清洗液的濃度、清洗時(shí)間、清洗流量、清洗溫度等。CIP清洗系統(tǒng)要求確保清洗液濃度能夠維持在合適、均勻、穩(wěn)定的濃度范圍內(nèi)，酸堿殘液沖洗后要達(dá)到規(guī)定的清潔度。監(jiān)測在線電導(dǎo)率可實(shí)現(xiàn)對清洗液的濃度和清洗后的清潔度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，所以在線電導(dǎo)率是實(shí)現(xiàn)CIP系統(tǒng)監(jiān)測與控制的最主要參數(shù)之一。
作為CIP系統(tǒng)的關(guān)鍵清洗參數(shù)電導(dǎo)率值，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并形成記錄，以便在系統(tǒng)異常時(shí)查詢原因，為保證量值準(zhǔn)確，需要定期對儀表進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)。如果乳品加工工藝中采用的電導(dǎo)率傳感器設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不可靠，就無法判斷巴氏消毒CIP清洗潔凈度電導(dǎo)率數(shù)據(jù)、清洗液濃度數(shù)據(jù)以及傳感器生命周期管理是否準(zhǔn)確，甚至?xí)斐扇楫a(chǎn)品質(zhì)量事故。
2 乳品CIP在線電導(dǎo)率監(jiān)測設(shè)備量值溯源的現(xiàn)狀
目前用于電導(dǎo)率儀、在線電導(dǎo)率儀、水質(zhì)分析儀(包含電導(dǎo)率部分)的國外標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量技術(shù)規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)很多，包括國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布的ISO 15839—2003水質(zhì).水用在線傳感器/分析設(shè)備.規(guī)范及性能試驗(yàn)、美國材料與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASTM)發(fā)布的ASTM D3864—2012水質(zhì)分析連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)指南、英國環(huán)境署(EA)發(fā)布的連續(xù)水監(jiān)測設(shè)備的性能標(biāo)準(zhǔn)和測試程序、國內(nèi)發(fā)布的國標(biāo)GB/T 20245.1—2013電化學(xué)分析器性能表示 第 3部分：電解質(zhì)電導(dǎo)率、GB/T 26800—2011電導(dǎo)電極、GB/T 11007—2008電導(dǎo)率儀試驗(yàn)方法、HJ/T 97—2003電導(dǎo)率水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求、JB/T 6855—2017工業(yè)電導(dǎo)率儀等，但是尚沒有專門針對乳品CIP在線電導(dǎo)率監(jiān)測儀的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。
乳品CIP在線電導(dǎo)率儀需要定期校準(zhǔn)和維護(hù)，然而由于使用操作環(huán)境為高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿使電導(dǎo)率探頭不易拆卸，而且電導(dǎo)率探頭送檢周期長影響生產(chǎn)等原因造成服役期內(nèi)乳品CIP在線電導(dǎo)率儀溯源困難，傳統(tǒng)在線電導(dǎo)率儀計(jì)量方法不能滿足其使用要求。由于乳品CIP在線電導(dǎo)率設(shè)備存在計(jì)量溯源的難題，無法判斷乳品CIP在線電導(dǎo)率準(zhǔn)確性、管道清洗潔凈度以及在線傳感器使用壽命，因此研發(fā)有效的計(jì)量校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義。
3 乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置的研究
乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置遵循計(jì)量性設(shè)計(jì)理念,采用計(jì)量測試與設(shè)計(jì)制造一體化的思路，將計(jì)量校準(zhǔn)功能植入到裝置中使之成為產(chǎn)品的一部分。CIP在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置采用雙數(shù)字傳感器冗余設(shè)計(jì)，在電導(dǎo)率監(jiān)測系統(tǒng)的電極的前端流路中，設(shè)置一套電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)溶液儲(chǔ)存系統(tǒng)，通過切換到校準(zhǔn)流路，可以把標(biāo)準(zhǔn)溶液導(dǎo)入到流路中，實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率監(jiān)測系統(tǒng)的計(jì)量校準(zhǔn)，如圖1所示。
圖1 乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率 計(jì)量校準(zhǔn)裝置安裝原理圖
數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置由進(jìn)樣單元、試劑儲(chǔ)存單元、分析檢測單元和控制單元組成。進(jìn)樣單元包括試樣、標(biāo)準(zhǔn)溶液、試劑等的導(dǎo)入部分及計(jì)量功能。試劑儲(chǔ)存單元包括存放電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和試劑的功能單元，確保標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和試劑存放安全和質(zhì)量。分析檢測單元為通過控制單元完成對待測物質(zhì)的自動(dòng)在線分析并將測定值轉(zhuǎn)換成電信號輸出的部分?？刂茊卧ㄏ到y(tǒng)控制的硬件和軟件部分，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣、排液等操作的自動(dòng)控制。同時(shí)具有數(shù)據(jù)采集、處理、顯示存儲(chǔ)、安全管理、數(shù)據(jù)和運(yùn)行日志查詢輸出等功能，具備輸出留樣、觸發(fā)采樣等功能，控制單元實(shí)現(xiàn)以上功能時(shí)均能提供對應(yīng)的通訊協(xié)議。
乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置量值溯源可采用比對法或直接測量法，采用通過計(jì)算雙傳感器的測量值的差值或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量值的誤差來判斷設(shè)備可能出現(xiàn)的傳感器故障和漂移，使在線電導(dǎo)率監(jiān)測的實(shí)時(shí)在線校準(zhǔn)成為可能，有效保障CIP清洗系統(tǒng)電導(dǎo)率監(jiān)測的現(xiàn)場數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠和量值溯源。
在乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)應(yīng)用階段進(jìn)行整體規(guī)劃，以乳品生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境和實(shí)際應(yīng)用工況需求作為基礎(chǔ)，根據(jù)使用環(huán)境和不便拆卸的特點(diǎn)，研制的裝置融入計(jì)量需求，采用雙數(shù)字傳感器冗余設(shè)計(jì)，引入電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償、標(biāo)注物質(zhì)流路和電極生命周期管理，實(shí)現(xiàn)從對電極的特定環(huán)境離線計(jì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槿^程植入式在線計(jì)量校準(zhǔn)的方式，避免電導(dǎo)率傳感器的拆卸不便和停工，實(shí)現(xiàn)了對CIP在線電導(dǎo)率的監(jiān)測和量值溯源以及電導(dǎo)率傳感器的故障診斷和漂移診斷，可對CIP原位清洗系統(tǒng)清洗液濃度的進(jìn)行準(zhǔn)確控制，對清洗效果進(jìn)行有效評價(jià)，有助于監(jiān)控生產(chǎn)過程、設(shè)備故障診斷、漂移診斷、在線電導(dǎo)率儀全壽命周期管理。
為打破空間、時(shí)間、人員的局限性，優(yōu)化解決數(shù)據(jù)傳輸和量值溯源等問題，裝置的核心零部件和核心控制技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化設(shè)計(jì)。目前，一般電導(dǎo)率測量采用傳感器和信號調(diào)理電路分離的方式進(jìn)行測量。這種方式，一方面要求設(shè)計(jì)時(shí)考慮和克服傳感器引線或電纜上的絕緣阻抗、分布電容、導(dǎo)線電阻等的影響，另一方面每個(gè)傳感器都需要連接一個(gè)二次儀表，導(dǎo)致了使用不便。數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置采用智能化、數(shù)字化電導(dǎo)率測試方式，即采用電路提供電導(dǎo)率電極(可視為可變電阻)和參比電阻(為固定電阻)需要的激勵(lì)電壓，并把電極和參比電阻輸出的電壓信號分別轉(zhuǎn)換為適合A/D輸入范圍的電壓，再經(jīng)A/D分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，單片機(jī)利用電阻電壓的比值關(guān)系處理后再傳送給二次儀表，同時(shí)利用Pt1000和調(diào)理電路監(jiān)測溫度，提供溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)雙路集成控制來顯示電導(dǎo)率值。
乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置采用數(shù)字化傳感器使無線傳輸和組網(wǎng)更加靈活方便，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化信息化技術(shù)、云存儲(chǔ)和云計(jì)量技術(shù),使數(shù)據(jù)記錄收集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理分析數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)對電導(dǎo)率值和計(jì)量校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警和排查等。特別是可利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，根據(jù)裝置日常運(yùn)行的海量數(shù)據(jù)，評估電導(dǎo)率監(jiān)測傳感器的運(yùn)行狀況是常態(tài)還是非常態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判和故障預(yù)警，可有效識(shí)別在線電導(dǎo)率傳感器故障以及異常漂移，進(jìn)一步提高在線電導(dǎo)率測量的準(zhǔn)確度和可靠性，提供更優(yōu)化的電導(dǎo)率監(jiān)測、計(jì)量服務(wù)方案。
4 功能應(yīng)用和校準(zhǔn)方法
根據(jù)研制的乳品加工CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置及其使用環(huán)境，裝置的功能應(yīng)用和校準(zhǔn)方法主要包括以下內(nèi)容。
4.1 裝置的功能應(yīng)用
(1)預(yù)警和報(bào)警：
為了盡早的指示故障的發(fā)生，設(shè)立初始的預(yù)警和報(bào)警準(zhǔn)則，報(bào)警的依據(jù)可以是單值的或多參量的。
(2)在線電導(dǎo)率監(jiān)測測量的采樣頻率：
根據(jù)要檢測的故障類型及其產(chǎn)生、發(fā)展的速率(如相關(guān)參數(shù)的變化率),電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采樣頻率滿足故障信號的特征提取和數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性的要求。
(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理：
狀態(tài)監(jiān)測過程通過將測量結(jié)果與過去的歷史趨勢比較，可以指示現(xiàn)在和將來故障的預(yù)期進(jìn)展。
4.2 校準(zhǔn)方法
校準(zhǔn)前應(yīng)做如下準(zhǔn)備：乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置安裝到待測管路中，將整個(gè)流路系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行30 min以上。
(1)示值誤差：
在裝置的前端流路中的標(biāo)準(zhǔn)溶液儲(chǔ)液罐中加入電導(dǎo)率校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，通過對測量和校準(zhǔn)流路的切換，把標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)導(dǎo)入到數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置的流路中，對在線電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液進(jìn)行3次重復(fù)測量，計(jì)算在線電導(dǎo)率儀的測量平均值與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)值之差。
(2)重復(fù)性：
將電極系統(tǒng)浸入一定濃度KCl標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中，重復(fù)測定6次。計(jì)算測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。
(3)穩(wěn)定性：
裝置監(jiān)測時(shí)間較長且連續(xù)測試，因而對設(shè)備穩(wěn)定性要求較高。按要求做好校準(zhǔn)前準(zhǔn)備工作，記錄裝置的電導(dǎo)率測量值作為起始值，連續(xù)記錄24 h后，計(jì)算最大漂移量。
4.3 對比驗(yàn)證
裝置中兩個(gè)電導(dǎo)率電極位置接近，它們測試的液體和工作環(huán)境也幾乎相同，對兩套電導(dǎo)率傳感器的測量結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，可提高電導(dǎo)率監(jiān)測的準(zhǔn)確性。監(jiān)測和計(jì)算裝置中兩套電導(dǎo)率傳感器的結(jié)果差異，如果兩個(gè)電導(dǎo)率傳感器的示值差異超出規(guī)定范圍，則報(bào)警提示電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)可疑，裝置出現(xiàn)問題和故障，提示人員對裝置進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)。
5 結(jié)論
乳品CIP在線電導(dǎo)率監(jiān)測在實(shí)現(xiàn)CIP原位清洗系統(tǒng)清洗液濃度的監(jiān)測控制和評價(jià)CIP原位清洗系統(tǒng)清洗效果等方面起到重要作用。提高乳品CIP在線電導(dǎo)率監(jiān)測水平和計(jì)量準(zhǔn)確性，對保障乳制品衛(wèi)生質(zhì)量、提高企業(yè)競爭力具有重要作用，需要予以足夠的重視。乳品加工CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置能夠在CIP清洗系統(tǒng)和乳制品管線不停機(jī)的情況下進(jìn)行電導(dǎo)率傳感器的在線驗(yàn)證和計(jì)量校準(zhǔn)，從人工干預(yù)傳統(tǒng)計(jì)量轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化計(jì)量，保障CIP清洗系統(tǒng)和在線電導(dǎo)率監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，為準(zhǔn)確地判斷清洗液濃度和清洗清潔度，提升清洗流程精準(zhǔn)化，節(jié)省物料保障質(zhì)量提供技術(shù)支撐，具有良好的應(yīng)用前景和市場價(jià)值。乳品行業(yè)對在線動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)具有旺盛需求，植入計(jì)量功能的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的在線監(jiān)測儀表裝置是發(fā)展的必然趨勢，乳品加工CIP數(shù)字化雙電極在線電導(dǎo)率計(jì)量校準(zhǔn)裝置的研發(fā)理念和思路對溫度、酸堿度等其他參數(shù)的在線儀表監(jiān)測校準(zhǔn)裝置的研發(fā)也有借鑒意義。
