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，在原位自動用水和清洗液對設備管道進行循環(huán)沖洗而無需拆解設備的一種清洗技術(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，但由于電導率傳感器處于高溫、強酸、強堿的管路環(huán)境中且拆卸困難，它的量值溯源一直是個難題，準確性也難以保障，乳品CIP在線電導率儀計量問題日益凸顯。研發(fā)乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置和在線電導率計量校準方法，實現(xiàn)電導率的實時在線檢測和校準，開發(fā)故障診斷、漂移診斷和壽命監(jiān)測功能，為CIP在線電導率儀的量值準確和溯源、為電導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 .在線電導率監(jiān)測設備在乳品CIP清洗系統(tǒng)中的應用
乳品加工企業(yè)CIP清洗系統(tǒng)廣泛使用自動化程度較高的成套設備，通過清洗液的化學作用、物理作用以及機械沖刷作用清洗設備和管道，無需拆開設備管道，無需人工清洗和沖刷,降低勞動強度，提高清洗效率，已成為保障乳品衛(wèi)生質(zhì)量和設備正常運轉(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到規(guī)定的清潔度。監(jiān)測在線電導率可實現(xiàn)對清洗液的濃度和清洗后的清潔度的實時監(jiān)測，所以在線電導率是實現(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)電導率值，需要進行實時監(jiān)控并形成記錄，以便在系統(tǒng)異常時查詢原因，為保證量值準確，需要定期對儀表進行校準和維護。如果乳品加工工藝中采用的電導率傳感器設備的準確性和穩(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確，甚至會造成乳產(chǎn)品質(zhì)量事故。
2 乳品CIP在線電導率監(jiān)測設備量值溯源的現(xiàn)狀
目前用于電導率儀、在線電導率儀、水質(zhì)分析儀(包含電導率部分)的國外標準、國家標準、計量技術(shù)規(guī)范、行業(yè)標準很多，包括國際標準化組織(ISO)發(fā)布的ISO 15839—2003水質(zhì).水用在線傳感器/分析設備.規(guī)范及性能試驗、美國材料與試驗標準協(xié)會(ASTM)發(fā)布的ASTM D3864—2012水質(zhì)分析連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)標準指南、英國環(huán)境署(EA)發(fā)布的連續(xù)水監(jiān)測設備的性能標準和測試程序、國內(nèi)發(fā)布的國標GB/T 20245.1—2013電化學分析器性能表示 第 3部分：電解質(zhì)電導率、GB/T 26800—2011電導電極、GB/T 11007—2008電導率儀試驗方法、HJ/T 97—2003電導率水質(zhì)自動分析儀技術(shù)要求、JB/T 6855—2017工業(yè)電導率儀等，但是尚沒有專門針對乳品CIP在線電導率監(jiān)測儀的國際標準和國家標準。
乳品CIP在線電導率儀需要定期校準和維護，然而由于使用操作環(huán)境為高溫、強酸、強堿使電導率探頭不易拆卸，而且電導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在線電導率儀溯源困難，傳統(tǒng)在線電導率儀計量方法不能滿足其使用要求。由于乳品CIP在線電導率設備存在計量溯源的難題，無法判斷乳品CIP在線電導率準確性、管道清洗潔凈度以及在線傳感器使用壽命，因此研發(fā)有效的計量校準裝置和校準方法具有重要的應用價值和社會意義。
3 乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置的研究
乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置遵循計量性設計理念,采用計量測試與設計制造一體化的思路，將計量校準功能植入到裝置中使之成為產(chǎn)品的一部分。CIP在線電導率計量校準裝置采用雙數(shù)字傳感器冗余設計，在電導率監(jiān)測系統(tǒng)的電極的前端流路中，設置一套電導率標準溶液儲存系統(tǒng)，通過切換到校準流路，可以把標準溶液導入到流路中，實現(xiàn)電導率監(jiān)測系統(tǒng)的計量校準，如圖1所示。
圖1 乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導率 計量校準裝置安裝原理圖
數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置由進樣單元、試劑儲存單元、分析檢測單元和控制單元組成。進樣單元包括試樣、標準溶液、試劑等的導入部分及計量功能。試劑儲存單元包括存放電導率標準物質(zhì)和試劑的功能單元，確保標準物質(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，可實現(xiàn)進樣、排液等操作的自動控制。同時具有數(shù)據(jù)采集、處理、顯示存儲、安全管理、數(shù)據(jù)和運行日志查詢輸出等功能，具備輸出留樣、觸發(fā)采樣等功能，控制單元實現(xiàn)以上功能時均能提供對應的通訊協(xié)議。
乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置量值溯源可采用比對法或直接測量法，采用通過計算雙傳感器的測量值的差值或標準物質(zhì)測量值的誤差來判斷設備可能出現(xiàn)的傳感器故障和漂移，使在線電導率監(jiān)測的實時在線校準成為可能，有效保障CIP清洗系統(tǒng)電導率監(jiān)測的現(xiàn)場數(shù)據(jù)準確可靠和量值溯源。
在乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置的設計、生產(chǎn)制造、試驗應用階段進行整體規(guī)劃，以乳品生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境和實際應用工況需求作為基礎，根據(jù)使用環(huán)境和不便拆卸的特點，研制的裝置融入計量需求，采用雙數(shù)字傳感器冗余設計，引入電導率溫度補償、標注物質(zhì)流路和電極生命周期管理，實現(xiàn)從對電極的特定環(huán)境離線計量轉(zhuǎn)變?yōu)槿^程植入式在線計量校準的方式，避免電導率傳感器的拆卸不便和停工，實現(xiàn)了對CIP在線電導率的監(jiān)測和量值溯源以及電導率傳感器的故障診斷和漂移診斷，可對CIP原位清洗系統(tǒng)清洗液濃度的進行準確控制，對清洗效果進行有效評價，有助于監(jiān)控生產(chǎn)過程、設備故障診斷、漂移診斷、在線電導率儀全壽命周期管理。
為打破空間、時間、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)進行數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化設計。目前，一般電導率測量采用傳感器和信號調(diào)理電路分離的方式進行測量。這種方式，一方面要求設計時考慮和克服傳感器引線或電纜上的絕緣阻抗、分布電容、導線電阻等的影響，另一方面每個傳感器都需要連接一個二次儀表，導致了使用不便。數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置采用智能化、數(shù)字化電導率測試方式，即采用電路提供電導率電極(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，同時利用Pt1000和調(diào)理電路監(jiān)測溫度，提供溫度補償，實現(xiàn)雙路集成控制來顯示電導率值。
乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置采用數(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)絡化信息化技術(shù)、云存儲和云計量技術(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)絡化，實現(xiàn)對電導率值和計量校準結(jié)果數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)測、網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡故障預警和排查等。特別是可利用統(tǒng)計學原理，根據(jù)裝置日常運行的海量數(shù)據(jù)，評估電導率監(jiān)測傳感器的運行狀況是常態(tài)還是非常態(tài)，實現(xiàn)故障預判和故障預警，可有效識別在線電導率傳感器故障以及異常漂移，進一步提高在線電導率測量的準確度和可靠性，提供更優(yōu)化的電導率監(jiān)測、計量服務方案。
4 功能應用和校準方法
根據(jù)研制的乳品加工CIP數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置及其使用環(huán)境，裝置的功能應用和校準方法主要包括以下內(nèi)容。
4.1 裝置的功能應用
(1)預警和報警：
為了盡早的指示故障的發(fā)生，設立初始的預警和報警準則，報警的依據(jù)可以是單值的或多參量的。
(2)在線電導率監(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)在和將來故障的預期進展。
4.2 校準方法
校準前應做如下準備：乳品CIP數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置安裝到待測管路中，將整個流路系統(tǒng)穩(wěn)定運行30 min以上。
(1)示值誤差：
在裝置的前端流路中的標準溶液儲液罐中加入電導率校準用標準物質(zhì)，通過對測量和校準流路的切換，把標準物質(zhì)導入到數(shù)字化雙電極在線電導率計量校準裝置的流路中，對在線電導率傳感器進行校準。對標準物質(zhì)溶液進行3次重復測量，計算在線電導率儀的測量平均值與標準物質(zhì)的電導率標準值之差。
(2)重復性：
將電極系統(tǒng)浸入一定濃度KCl標準物質(zhì)中，重復測定6次。計算測量結(jié)果的相對標準偏差。
(3)穩(wěn)定性：
裝置監(jiān)測時間較長且連續(xù)測試，因而對設備穩(wěn)定性要求較高。按要求做好校準前準備工作，記錄裝置的電導率測量值作為起始值，連續(xù)記錄24 h后，計算最大漂移量。
4.3 對比驗證
裝置中兩個電導率電極位置接近，它們測試的液體和工作環(huán)境也幾乎相同，對兩套電導率傳感器的測量結(jié)果進行對比驗證，可提高電導率監(jiān)測的準確性。監(jiān)測和計算裝置中兩套電導率傳感器的結(jié)果差異，如果兩個電導率傳感器的示值差異超出規(guī)定范圍，則報警提示電導率傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)可疑，裝置出現(xiàn)問題和故障，提示人員對裝置進行相應的維護。
5 結(jié)論
乳品CIP在線電導率監(jiān)測在實現(xiàn)CIP原位清洗系統(tǒng)清洗液濃度的監(jiān)測控制和評價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在線電導率監(jiān)測水平和計量準確性，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率計量校準裝置能夠在CIP清洗系統(tǒng)和乳制品管線不停機的情況下進行電導率傳感器的在線驗證和計量校準，從人工干預傳統(tǒng)計量轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊嬃浚Ｕ?/span>CIP清洗系統(tǒng)和在線電導率監(jiān)測設備的穩(wěn)定可靠運行，為準確地判斷清洗液濃度和清洗清潔度，提升清洗流程精準化，節(jié)省物料保障質(zhì)量提供技術(shù)支撐，具有良好的應用前景和市場價值。乳品行業(yè)對在線動態(tài)計量技術(shù)具有旺盛需求，植入計量功能的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、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率計量校準裝置的研發(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)測校準裝置的研發(fā)也有借鑒意義。
