原位清洗技术CIP(即cleaning in place的简称，也称定位清洗技术)是指在一定流量/压力的条件下，在原位自动用水和清洗液对设备管道进行循环冲洗而无需拆解设备的一种清洗技术。目前，CIP清洗系统在国内大中型乳品企业中已得到较为广泛的应用，是质量把控的重要环节。CIP清洗系统中在线电导率的监测对清洗液投料控制和清洁度检测起到重要作用，但由于电导率传感器处于高温、强酸、强碱的管路环境中且拆卸困难，它的量值溯源一直是个难题，准确性也难以保障，乳品CIP在线电导率仪计量问题日益凸显。研发乳品CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置和在线电导率计量校准方法，实现电导率的实时在线检测和校准，开发故障诊断、漂移诊断和寿命监测功能，为CIP在线电导率仪的量值准确和溯源、为电导率传感器生命周期管理提供重要保障，对提高乳品生产质量和保证质量可靠性具有重要意义。
1 .在线电导率监测设备在乳品CIP清洗系统中的应用
乳品加工企业CIP清洗系统广泛使用自动化程度较高的成套设备，通过清洗液的化学作用、物理作用以及机械冲刷作用清洗设备和管道，无需拆开设备管道，无需人工清洗和冲刷,降低劳动强度，提高清洗效率，已成为保障乳品卫生质量和设备正常运转的必要手段。
影响乳品生产线CIP清洗效果的主要因素有清洗剂种类、清洗液的浓度、清洗时间、清洗流量、清洗温度等。CIP清洗系统要求确保清洗液浓度能够维持在合适、均匀、稳定的浓度范围内，酸碱残液冲洗后要达到规定的清洁度。监测在线电导率可实现对清洗液的浓度和清洗后的清洁度的实时监测，所以在线电导率是实现CIP系统监测与控制的最主要参数之一。
作为CIP系统的关键清洗参数电导率值，需要进行实时监控并形成记录，以便在系统异常时查询原因，为保证量值准确，需要定期对仪表进行校准和维护。如果乳品加工工艺中采用的电导率传感器设备的准确性和稳定性不可靠，就无法判断巴氏消毒CIP清洗洁净度电导率数据、清洗液浓度数据以及传感器生命周期管理是否准确，甚至会造成乳产品质量事故。
2 乳品CIP在线电导率监测设备量值溯源的现状
目前用于电导率仪、在线电导率仪、水质分析仪(包含电导率部分)的国外标准、国家标准、计量技术规范、行业标准很多，包括国际标准化组织(ISO)发布的ISO 15839—2003水质.水用在线传感器/分析设备.规范及性能试验、美国材料与试验标准协会(ASTM)发布的ASTM D3864—2012水质分析连续在线监测系统标准指南、英国环境署(EA)发布的连续水监测设备的性能标准和测试程序、国内发布的国标GB/T 20245.1—2013电化学分析器性能表示 第 3部分：电解质电导率、GB/T 26800—2011电导电极、GB/T 11007—2008电导率仪试验方法、HJ/T 97—2003电导率水质自动分析仪技术要求、JB/T 6855—2017工业电导率仪等，但是尚没有专门针对乳品CIP在线电导率监测仪的国际标准和国家标准。
乳品CIP在线电导率仪需要定期校准和维护，然而由于使用操作环境为高温、强酸、强碱使电导率探头不易拆卸，而且电导率探头送检周期长影响生产等原因造成服役期内乳品CIP在线电导率仪溯源困难，传统在线电导率仪计量方法不能满足其使用要求。由于乳品CIP在线电导率设备存在计量溯源的难题，无法判断乳品CIP在线电导率准确性、管道清洗洁净度以及在线传感器使用寿命，因此研发有效的计量校准装置和校准方法具有重要的应用价值和社会意义。
3 乳品CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置的研究
乳品CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置遵循计量性设计理念,采用计量测试与设计制造一体化的思路，将计量校准功能植入到装置中使之成为产品的一部分。CIP在线电导率计量校准装置采用双数字传感器冗余设计，在电导率监测系统的电极的前端流路中，设置一套电导率标准溶液储存系统，通过切换到校准流路，可以把标准溶液导入到流路中，实现电导率监测系统的计量校准，如图1所示。
图1 乳品CIP数字化双电极在线电导率 计量校准装置安装原理图
数字化双电极在线电导率计量校准装置由进样单元、试剂储存单元、分析检测单元和控制单元组成。进样单元包括试样、标准溶液、试剂等的导入部分及计量功能。试剂储存单元包括存放电导率标准物质和试剂的功能单元，确保标准物质和试剂存放安全和质量。分析检测单元为通过控制单元完成对待测物质的自动在线分析并将测定值转换成电信号输出的部分。控制单元包括系统控制的硬件和软件部分，可实现进样、排液等操作的自动控制。同时具有数据采集、处理、显示存储、安全管理、数据和运行日志查询输出等功能，具备输出留样、触发采样等功能，控制单元实现以上功能时均能提供对应的通讯协议。
乳品CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置量值溯源可采用比对法或直接测量法，采用通过计算双传感器的测量值的差值或标准物质测量值的误差来判断设备可能出现的传感器故障和漂移，使在线电导率监测的实时在线校准成为可能，有效保障CIP清洗系统电导率监测的现场数据准确可靠和量值溯源。
在乳品CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置的设计、生产制造、试验应用阶段进行整体规划，以乳品生产的现场环境和实际应用工况需求作为基础，根据使用环境和不便拆卸的特点，研制的装置融入计量需求，采用双数字传感器冗余设计，引入电导率温度补偿、标注物质流路和电极生命周期管理，实现从对电极的特定环境离线计量转变为全过程植入式在线计量校准的方式，避免电导率传感器的拆卸不便和停工，实现了对CIP在线电导率的监测和量值溯源以及电导率传感器的故障诊断和漂移诊断，可对CIP原位清洗系统清洗液浓度的进行准确控制，对清洗效果进行有效评价，有助于监控生产过程、设备故障诊断、漂移诊断、在线电导率仪全寿命周期管理。
为打破空间、时间、人员的局限性，优化解决数据传输和量值溯源等问题，装置的核心零部件和核心控制技术进行数字化、网络化、智能化设计。目前，一般电导率测量采用传感器和信号调理电路分离的方式进行测量。这种方式，一方面要求设计时考虑和克服传感器引线或电缆上的绝缘阻抗、分布电容、导线电阻等的影响，另一方面每个传感器都需要连接一个二次仪表，导致了使用不便。数字化双电极在线电导率计量校准装置采用智能化、数字化电导率测试方式，即采用电路提供电导率电极(可视为可变电阻)和参比电阻(为固定电阻)需要的激励电压，并把电极和参比电阻输出的电压信号分别转换为适合A/D输入范围的电压，再经A/D分别转换为数字量，单片机利用电阻电压的比值关系处理后再传送给二次仪表，同时利用Pt1000和调理电路监测温度，提供温度补偿，实现双路集成控制来显示电导率值。
乳品CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置采用数字化传感器使无线传输和组网更加灵活方便，结合网络化信息化技术、云存储和云计量技术,使数据记录收集、数据传输和数据处理分析数字化、网络化，实现对电导率值和计量校准结果数据进行动态监测、网络管理、网络故障预警和排查等。特别是可利用统计学原理，根据装置日常运行的海量数据，评估电导率监测传感器的运行状况是常态还是非常态，实现故障预判和故障预警，可有效识别在线电导率传感器故障以及异常漂移，进一步提高在线电导率测量的准确度和可靠性，提供更优化的电导率监测、计量服务方案。
4 功能应用和校准方法
根据研制的乳品加工CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置及其使用环境，装置的功能应用和校准方法主要包括以下内容。
4.1 装置的功能应用
(1)预警和报警：
为了尽早的指示故障的发生，设立初始的预警和报警准则，报警的依据可以是单值的或多参量的。
(2)在线电导率监测测量的采样频率：
根据要检测的故障类型及其产生、发展的速率(如相关参数的变化率),电导率数据采样频率满足故障信号的特征提取和数据分析准确性的要求。
(3)监测数据的分析处理：
状态监测过程通过将测量结果与过去的历史趋势比较，可以指示现在和将来故障的预期进展。
4.2 校准方法
校准前应做如下准备：乳品CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置安装到待测管路中，将整个流路系统稳定运行30 min以上。
(1)示值误差：
在装置的前端流路中的标准溶液储液罐中加入电导率校准用标准物质，通过对测量和校准流路的切换，把标准物质导入到数字化双电极在线电导率计量校准装置的流路中，对在线电导率传感器进行校准。对标准物质溶液进行3次重复测量，计算在线电导率仪的测量平均值与标准物质的电导率标准值之差。
(2)重复性：
将电极系统浸入一定浓度KCl标准物质中，重复测定6次。计算测量结果的相对标准偏差。
(3)稳定性：
装置监测时间较长且连续测试，因而对设备稳定性要求较高。按要求做好校准前准备工作，记录装置的电导率测量值作为起始值，连续记录24 h后，计算最大漂移量。
4.3 对比验证
装置中两个电导率电极位置接近，它们测试的液体和工作环境也几乎相同，对两套电导率传感器的测量结果进行对比验证，可提高电导率监测的准确性。监测和计算装置中两套电导率传感器的结果差异，如果两个电导率传感器的示值差异超出规定范围，则报警提示电导率传感器监测数据可疑，装置出现问题和故障，提示人员对装置进行相应的维护。
5 结论
乳品CIP在线电导率监测在实现CIP原位清洗系统清洗液浓度的监测控制和评价CIP原位清洗系统清洗效果等方面起到重要作用。提高乳品CIP在线电导率监测水平和计量准确性，对保障乳制品卫生质量、提高企业竞争力具有重要作用，需要予以足够的重视。乳品加工CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置能够在CIP清洗系统和乳制品管线不停机的情况下进行电导率传感器的在线验证和计量校准，从人工干预传统计量转变为自动化计量，保障CIP清洗系统和在线电导率监测设备的稳定可靠运行，为准确地判断清洗液浓度和清洗清洁度，提升清洗流程精准化，节省物料保障质量提供技术支撑，具有良好的应用前景和市场价值。乳品行业对在线动态计量技术具有旺盛需求，植入计量功能的数字化、网络化、智能化的在线监测仪表装置是发展的必然趋势，乳品加工CIP数字化双电极在线电导率计量校准装置的研发理念和思路对温度、酸碱度等其他参数的在线仪表监测校准装置的研发也有借鉴意义。
