題記：世界各地的啤酒狂熱愛好者都知道口味*且非常受歡迎的比利時啤酒商——Duvel Moortgat（督威）啤酒廠生產(chǎn)的啤酒，從金黃Ales啤酒到Trappist啤酒。然而，能夠生產(chǎn)這些口味*的啤酒，沒有資金的投入是不可能做到的。

　　督威啤酒廠的生產(chǎn)工藝與其它啤酒廠的生產(chǎn)工藝不同，它采用了pH值控制技術(shù)，而其它廠家采用的是電導(dǎo)率測量技術(shù)。督威啤酒廠在采用pH計時也曾遇到過一些應(yīng)用挑戰(zhàn)，下面將介紹督威啤酒廠是如何通過使用新的長壽命pH傳感器來克服這些挑戰(zhàn)的。這種長壽命pH傳感器在許多食品飲料行業(yè)都取得了成功的應(yīng)用經(jīng)驗。

　　釀造工藝中的pH值控制

　　在釀造工藝的多個環(huán)節(jié)，pH值測量都起著非常重要的作用。在糊化過程，pH值影響酶的活性，決定淀粉轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖的效率。在釀造罐，監(jiān)測麥芽的pH值可以確定啤酒花的溶解性，進(jìn)而控制影響人的身體、味覺、以及影響啤酒透明度的各種因素。在灌裝工序，監(jiān)測啤酒的pH值可以確保zui終進(jìn)入消費市場的產(chǎn)品的質(zhì)量，即用于灌裝啤酒的容器不能含任何化學(xué)清洗成分。

　　督威啤酒釀造工藝有多個pH值檢測點，這些測點的測量結(jié)果有助于操作人員確定工序是處于釀造階段，還是處于酸堿液在線清洗（CIP）階段、或者啤酒水沖洗階段。督威的釀造工藝：麥芽首先快速加熱至90°C，并維持90 分鐘時間，在麥芽冷卻后，用啤酒水將麥芽送至發(fā)酵容器。通常，釀造工藝是以電導(dǎo)率作為臨界控制點，根據(jù)電導(dǎo)率值的變化，確定什么時候麥芽進(jìn)入下一個工序，是否需要大量的進(jìn)水。但是，要優(yōu)化工藝過程，就需要更加嚴(yán)格的控制參數(shù)，如果太多的水進(jìn)入發(fā)酵容器，則為了得到高品質(zhì)的啤酒，必將需要更多的加工工序。

　　然而，作為督威品牌，麥芽的電導(dǎo)率值和沖洗水的電導(dǎo)率值沒有什么差別，但是，兩種溶液的pH值卻明顯不同。因此，采用pH值控制可以正確區(qū)分兩個工序，確保沒有大量的進(jìn)水，從而保證啤酒的質(zhì)量。在該應(yīng)用中，由于pH傳感器要長時間地暴露在熱的腐蝕性溶液里，所以pH傳感器的壽命縮短。這是因為如果pH傳感器長時間受到強烈的熱沖擊，會導(dǎo)致傳感器的玻璃球膜破裂，進(jìn)而傳感器失效。此外，如果傳感器的參比電極液接面積較小，則參比電極容易被污物覆蓋，導(dǎo)致傳感器響應(yīng)遲緩，測量偏差大。有些應(yīng)用，如果溶液中含有硫化物，則這種溶液會導(dǎo)致參比電極嚴(yán)重?fù)p壞，進(jìn)而產(chǎn)生測量偏差。

　　每3天壞一個傳感器

　　督威啤酒廠在以往使用pH傳感器過程中，曾遇到一些問題。zui初，pH傳感器的使用壽命是2-4周，后來，由于工廠的產(chǎn)能提高，酸堿液在線清洗（CIP）的流速增加了33%。從此以后，pH傳感器的使用壽命只能維持2-3天，工藝人員不得不停止了pH測量，而改用電導(dǎo)率測量。這樣做，雖然消除了熱和腐蝕的影響，但是，由于麥芽的電導(dǎo)率和沖洗水的電導(dǎo)率差別太小，使得工藝無法準(zhǔn)確區(qū)分兩個工序，不能保證督威啤酒的品牌質(zhì)量，所以，很快這一做法被放棄。督威啤酒廠的技術(shù)人員只好通過人工的方法，區(qū)分兩個工序，即派一名技術(shù)人員，監(jiān)督由工藝管線流入現(xiàn)場玻璃杯中溶液的狀況，以此來區(qū)分兩個工序，并手動關(guān)閉閥門。正如評論員所說：“技術(shù)人員非常不開心”。

　　人工/手動控制生產(chǎn)是不能維持的，督威啤酒廠的技術(shù)人員開始尋找長壽命的pH傳感器。艾默生的PERpH-X高性能pH傳感器是他們評估后選擇的一個產(chǎn)品。在開始測試時，技術(shù)人員曾對PERpH-X的性能持懷疑態(tài)度，因為，此前他們測試了多個品牌傳感器，zui長的使用壽命不到一周!技術(shù)人員先安裝了一臺PERpH-X傳感器，之后他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，不經(jīng)意中，該傳感器居然使用了3個多月!在它zui終失效后，督威啤酒廠的技術(shù)人員與艾默生，要求再更換1臺傳感器。這次更令他們驚奇的是，當(dāng)艾默生技術(shù)人員給傳感器參比電極填充了電解液后，這臺傳感器又恢復(fù)了工作。只用了不到10分鐘的時間，一填充完電解液，pH控制回路又恢復(fù)至自動控制狀態(tài)!

　　無需再說什么，督威啤酒廠已經(jīng)看到相當(dāng)大的差異，從此以后，釀造工藝不再需要每隔3-7天換一個pH傳感器，極大地降低了設(shè)備運行成本，縮短了儀表安裝時間，更重要的是現(xiàn)在可以確保由測量參數(shù)控制工藝過程，節(jié)省了技術(shù)人員的寶貴時間，減少了技術(shù)人員的無效勞作。

　　工作原理

　　在測試前，督威啤酒廠的技術(shù)人員對所謂長壽命傳感器持懷疑態(tài)度并不奇怪。過去這些年，盡管pH傳感器的設(shè)計在不斷改進(jìn)，但是近一個世紀(jì)，pH測量的基本原理沒有變。因為在絕大多數(shù)情況下，pH傳感器的性能是可靠的，只是在高溫或污濁的被測溶液中，pH傳感器的反應(yīng)滯后，測量不可靠。

　　pH傳感器采用特殊成分的、對pH值具有敏感特性的玻璃材料，當(dāng)其與被測溶液接觸時，玻璃電極產(chǎn)生與被測溶液pH值成比例的電極電位（毫伏電壓信號）。市場上也有非玻璃材質(zhì)的pH傳感器，但是，在溫度，這種傳感器通常測量不準(zhǔn)確，而且，如果用于酸堿液在線清洗工藝過程，其壽命縮短。與有些食品飲料行業(yè)不同，由于在整個啤酒釀造工藝中，有多個過濾步驟，所以，啤酒釀造要使用玻璃傳感器。

　　pH值測量還取決于參比電極，參比電極的作用是在某一給定溫度下，維持恒定的參比電位。玻璃電極和參比電極共同構(gòu)成pH測量電路，玻璃電極和參比電極的電位差（毫伏電壓信號）與被測溶液的pH值成比例。

　　此外，pH值隨被測溶液的溫度不同而變化，溫度會加速電極的老化，導(dǎo)致電極頂部的填充液凍結(jié)或沸騰，從而使玻璃破裂。玻璃老化進(jìn)而使傳感器響應(yīng)遲緩。

　　通常，參比電極是銀-氯化銀電極，即在銀絲上鍍上一層氯化銀，然后懸吊在氯化鉀溶液中。要得到的pH值測量，氯化鉀填充液就必須不能被污染，同時，參比電極要通過被測溶液，與玻璃電極連接，形成測量電路。如果被測溶液粘稠或者含有一定濃度的離子，則上述兩個條件就很容易得不到滿足，從而在參比電極液體接界（電解液滲透膜）形成沉淀的覆著物，毒化填充的電解液。

　　長壽命設(shè)計

　　新的長壽命傳感器設(shè)計沒有改變pH傳感器的基本測量原理，而是對每個易損壞的部件進(jìn)行了改進(jìn)?？蒲腥藛T首先在高溫工況下，研究pH敏感玻璃材料的老化機理。有趣的是他們發(fā)現(xiàn)：絕大多數(shù)老化出現(xiàn)在pH敏感玻璃的凝膠層，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，科研人員離析、研制出耐高溫的凝膠層。這一研究成果使他們開發(fā)出超常耐高溫（高達(dá)155°C）的pH玻璃電極，將由于熱應(yīng)力或撞擊產(chǎn)生的玻璃破損因素降到zui低，并且，改善傳感器的響應(yīng)速度。通常，這種長壽命的傳感器在溫度工況下使用數(shù)個月后，還能保持地測量。此外，艾默生還增加了一些保護(hù)設(shè)計，如在玻璃電極下端球膜處，設(shè)計了一個帶槽的卡環(huán)，其作用是保護(hù)玻璃球膜免受過程流體（含顆粒物）的直接沖擊。以上對玻璃電極的設(shè)計改進(jìn)，使督威啤酒廠深刻感受到pH傳感器性能的變化。

　　pH傳感器的絕大多數(shù)故障都是前面提到的、由于參比電極的電解液被污染、或參比電極的液體接界（電解液滲透膜）被堵塞所造成的。長壽命傳感器的設(shè)計解決了這個問題，該傳感器使用特殊設(shè)計的多孔Teflon液體接界，液體接界的表面積較大，孔隙率較高，從而保證參比電極與被測溶液具有良好的接觸，且抗堵塞能力強，即使傳感器用在比較污濁的液體，其也能保持穩(wěn)定的參比信號。其次，參比電極的電解液是氯化鉀凝膠液，具有一定的化學(xué)粘滯阻力，可以抵抗由于溫度、壓力變化造成的參比路徑堵塞現(xiàn)象。此外，內(nèi)參比電極的液體接界（電解液滲透膜）是陶瓷材質(zhì)，孔徑小，孔隙率低，所以抗中毒能力強，從而降低對主參比電極液體接界（電解液滲透膜）的損耗，延長傳感器的整體壽命?？傊?，長壽命pH傳感器設(shè)計綜合了參比電極液體接界的兩個特性，即高孔隙率液體接界的測量精度（高）和低孔隙率的液體接界的使用壽命（長）。

　　為了進(jìn)一步延長傳感器的使用壽命，在設(shè)計上還考慮了可以更換被堵塞的參比電極液體接界（電解液滲透膜），重新填充電解液，這樣能夠使絕大多數(shù)失效的傳感器得以再生。重要的是傳感器還配制了多種特殊的電解液，以便在一些特定應(yīng)用中，能夠優(yōu)化傳感器的性能，如：抗生物膜電解液;抗油脂電解液;抗結(jié)垢電解液等。此外，傳感器的護(hù)套是抗化學(xué)腐蝕的、耐熱的Ryton和鈦材。

　　督威啤酒廠勇于采用具有挑戰(zhàn)性的工藝設(shè)施，對pH值測量有的需求，對于這樣的廠商，以上這些長壽命pH傳感器的創(chuàng)新設(shè)計無疑是天賜之物。正如督威啤酒廠技術(shù)運維人員Jo Van Roy所說：“pH計的測量從以前不確定的幾天延長至現(xiàn)在的幾個月，且無需人員看管，這確實為督威啤酒廠的財政帶來了很大變化，其有助于我們確保*的督威啤酒的品質(zhì)和信譽。”

　　作者介紹：Dave Anderson是艾默生過程管理公司羅斯蒙特分析部的工業(yè)市場部，他在該行業(yè)有19年的工作經(jīng)驗。