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

　　督威啤酒廠的生產工藝與其它啤酒廠的生產工藝不同，它采用了pH值控制技術，而其它廠家采用的是電導率測量技術。督威啤酒廠在采用pH計時也曾遇到過一些應用挑戰，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的。這種長壽命pH傳感器在全球許多食品飲料行業都取得了成功的應用經驗。

　　釀造工藝中的pH值控制

　　在釀造工藝的多個環節，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，決定淀粉轉化為可發酵糖的效率。在釀造罐，監測麥芽的pH值可以確定啤酒花的溶解性，進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，監測啤酒的pH值可以確保最終進入消費市場的產品的質量，即用于灌裝啤酒的容器不能含任何化學清洗成分。

　　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酵容器。通常，釀造工藝是以電導率作為臨界控制點，根據電導率值的變化，確定什么時候麥芽進入下一個工序，是否需要大量的進水。但是，要優化工藝過程，就需要更加嚴格的控制參數，如果太多的水進入發酵容器，則為了得到高品質的啤酒，必將需要更多的加工工序。

　　然而，作為督威品牌，麥芽的電導率值和沖洗水的電導率值沒有什么差別，但是，兩種溶液的pH值卻明顯不同。因此，采用pH值控制可以正確區分兩個工序，確保沒有大量的進水，從而保證啤酒的質量。在該應用中，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，會導致傳感器的玻璃球膜破裂，進而傳感器失效。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，導致傳感器響應遲緩，測量偏差大。有些應用，如果溶液中含有硫化物，則這種溶液會導致參比電極嚴重損壞，進而產生測量偏差。

　　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。最初，pH傳感器的使用壽命是2-4周，后來，由于工廠的產能提高，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，由于麥芽的電導率和沖洗水的電導率差別太小，使得工藝無法準確區分兩個工序，不能保證督威啤酒的品牌質量，所以，很快這一做法被放棄。督威啤酒廠的技術人員只好通過人工的方法，區分兩個工序，即派一名技術人員，監督由工藝管線流入現場玻璃杯中溶液的狀況，以此來區分兩個工序，并手動關閉閥門。正如評論員所說：“技術人員非常不開心”。

　　人工/手動控制生產是不能維持的，督威啤酒廠的技術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品。在開始測試時，技術人員曾對PERpH-X的性能持懷疑態度，因為，此前他們測試了多個品牌傳感器，最長的使用壽命不到一周！技術人員先安裝了一臺PERpH-X傳感器，之后他們驚喜地發現，不經意中，該傳感器居然使用了3個多月！在它最終失效后，督威啤酒廠的技術人員與艾默生聯系，要求再更換1臺傳感器。這次更令他們驚奇的是，當艾默生技術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控制回路又恢復至自動控制狀態！

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

　　工作原理

　　在測試前，督威啤酒廠的技術人員對所謂長壽命傳感器持懷疑態度并不奇怪。過去這些年，盡管pH傳感器的設計在不斷改進，但是近一個世紀，pH測量的基本原理沒有變。因為在絕大多數情況下，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，當其與被測溶液接觸時，玻璃電極產生與被測溶液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的pH傳感器，但是，在極端溫度，這種傳感器通常測量不準確，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，極端溫度會加速電極的老化，導致電極頂部的填充液凍結或沸騰，從而使玻璃破裂。玻璃老化進而使傳感器響應遲緩。

　　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。要得到精確的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。

　　長壽命設計

　　新的長壽命傳感器設計沒有改變pH傳感器的基本測量原理，而是對每個易損壞的部件進行了改進。科研人員首先在高溫工況下，研究pH敏感玻璃材料的老化機理。有趣的是他們發現：絕大多數老化出現在pH敏感玻璃的凝膠層，根據這一發現，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出超常耐高溫（高達155°C）的pH玻璃電極，將由于熱應力或撞擊產生的玻璃破損因素降到最低，并且，改善傳感器的響應速度。通常，這種長壽命的傳感器在極端溫度工況下使用數個月后，還能保持精確地測量。此外，艾默生還增加了一些保護設計，如在玻璃電極下端球膜處，設計了一個帶槽的卡環，其作用是保護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計改進，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。長壽命傳感器的設計解決了這個問題，該傳感器使用特殊設計的多孔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象。此外，內參比電極的液體接界（電解液滲透膜）是陶瓷材質，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。總之，長壽命pH傳感器設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）。

　　為了進一步延長傳感器的使用壽命，在設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，以便在一些特定應用中，能夠優化傳感器的性能，如：抗生物膜電解液；抗油脂電解液；抗結垢電解液等。此外，傳感器的護套是抗化學腐蝕的、耐熱的Ryton和鈦材。

　　督威啤酒廠勇于采用具有挑戰性的工藝設施，對pH值精確測量有絕對的需求，對于這樣的廠商，以上這些長壽命pH傳感器的創新設計無疑是天賜之物。正如督威啤酒廠技術運維人員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，其有助于我們確保獨特的督威啤酒的品質和信譽。”

　　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市場部經理，他在該行業有19年的工作經驗。