科里奧利流量計(jì)如何用于食品廠的在線質(zhì)量監(jiān)控

來源：作者：發(fā)布日期：2021-08-21

根據(jù)接受審查的產(chǎn)品，食品和飲料工廠經(jīng)理可能必須滿足食品和藥物管理局 (FDA)、歐盟 (EU) 以及其他機(jī)構(gòu)的要求。適用的法規(guī)可能包括 cGMP、GFSI、ISO、HACCP、SQF、SID 等。

這些要求和法規(guī)規(guī)定了適當(dāng)?shù)某煞�、程序和衛(wèi)生條件。在許多情況下，要遵守這些法規(guī)，需要在生產(chǎn)期間和之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試（圖 1），技術(shù)人員會定期抽取樣品，將其帶到現(xiàn)場設(shè)施進(jìn)行分析，并將結(jié)果傳達(dá)給工廠人員。操作員和維護(hù)人員然后進(jìn)行調(diào)整和糾正，以改進(jìn)對過程的控制，或在需要時(shí)進(jìn)行維修。

圖 1：從采樣到分析可能需要幾個(gè)小時(shí)。

這會帶來一些問題，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室分析不是實(shí)時(shí)完成的、耗時(shí)的、勞動密集型的，并且增加了人為錯(cuò)誤的可能性。即使采集樣本、分析樣本和報(bào)告結(jié)果需要 30 分鐘，這些信息也代表了 30 分鐘前的過程——而不是現(xiàn)在。結(jié)果可能是一批變質(zhì)了。

如果測量是在線完成的，則會檢測到突然的偏差。在線測量還可用于實(shí)現(xiàn)手動測量無法實(shí)現(xiàn)的自動閉環(huán)控制。典型的閉環(huán)控制策略使用在線測量作為 PID 控制器的過程變量輸入�？刂破鬏敵鲵�(qū)動某種類型的調(diào)節(jié)裝置，例如控制閥。PID 控制器不斷地自動調(diào)整其輸出，以維持接近設(shè)定值的所需值。

許多業(yè)內(nèi)人士經(jīng)常忽視科里奧利流量計(jì)用于質(zhì)量控制的能力。本文展示了如何在食品工業(yè)中使用科里奧利流量計(jì)來監(jiān)控過程并減少或消除實(shí)驗(yàn)室分析的需要。

需要測試

檢查產(chǎn)品純度和質(zhì)量很重要，但滿足消費(fèi)者對適當(dāng)口味和質(zhì)地的期望也很重要。

例如，啤酒廠中的冷麥汁和熱麥汁測量對于確保非常佳質(zhì)量和產(chǎn)量以及口味非常重要。

粘度測量可以測試豆類、洋蔥、肉類和家禽的面糊涂層的一致性。測量番茄醬的白利糖度有助于控制切割過程中添加的番茄醬量。

單個(gè)科里奧利流量計(jì)（圖 2）可以同時(shí)測量多個(gè)參數(shù)，包括密度、濃度、粘度、白利糖度、柏拉圖、體積、質(zhì)量流量和溫度——通常無需多臺儀器。

圖 2：科里奧利流量計(jì)（例如 Endress+Hauser Promass®）進(jìn)行多次測量，可用于在線質(zhì)量控制。

例如，流量計(jì)的高精度密度功能可用于測量白利糖度和柏拉圖值，以確保成分的質(zhì)量。粘度讀數(shù)提供連續(xù)測量，以非常大限度地減少生產(chǎn)不合格產(chǎn)品的機(jī)會。

科里奧利流量計(jì)內(nèi)置的診斷功能有助于識別過程問題。例如，管線中夾帶的空氣會影響產(chǎn)品質(zhì)量。操作員需要知道外部空氣是否是通過泄漏的密封件、空化泵或空的平衡罐吸入的。

科里奧利流量計(jì)在夾帶大量空氣時(shí)無法正常工作，因此它具有診斷功能來檢測這種情況。在 Endress+Hauser 科里奧利流量計(jì)中，診斷值顯示管振蕩處于良好范圍內(nèi)，表明沒有夾帶空氣。如果管線中出現(xiàn)空氣，診斷值將發(fā)生變化（圖 3），從而向操作員發(fā)出警報(bào)。

圖 3：科里奧利流量計(jì)中的診斷可以確定是否存在夾帶空氣（圖中紫色跡線）。此數(shù)據(jù)可用作操作員警報(bào)并在設(shè)置過程中提供幫助。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在流體流經(jīng)管道時(shí)同時(shí)測量其密度和流速（圖 4）。這些裝置原則上基于科里奧利效應(yīng)，即管內(nèi)流體路徑的偏轉(zhuǎn)。勵磁線圈在諧振頻率的非常好個(gè)節(jié)點(diǎn)處使管振蕩，振蕩頻率隨流體密度而變化。

圖 4：測量科里奧利流量計(jì)中流量管的偏轉(zhuǎn)允許儀表測量流量、質(zhì)量流量、密度、濃度和其他參數(shù)。

非常初，當(dāng)沒有流動時(shí)，管子同步振蕩，但隨著流體開始流動，入口和出口彎頭上的傳感器開始以相移非同步方式振蕩。測量振蕩頻率可提供確定流量、質(zhì)量流量、密度、濃度等的數(shù)據(jù)。

流量計(jì)安裝了 RTD 以測量流體的溫度。RTD 還測量管子的溫度，這是必需的，因?yàn)楣茏訌椥噪S溫度變化。彈性的變化會影響管子的彎曲方式，從而影響密度測量，因此密度計(jì)算需要溫度補(bǔ)償因子。

下面描述的應(yīng)用包括測量濃度、粘度和密度，但這些只是科里奧利流量計(jì)可能進(jìn)行的一些在線質(zhì)量測量。

檢查濃度使啤酒更好

濃度測量由啤酒廠進(jìn)行，需要控制麥芽汁的糖含量以確定啤酒的酒精強(qiáng)度。糖含量與柏拉圖度數(shù) (°P) 相關(guān)；例如，1°P 麥芽汁每 100 克麥芽汁將含有 1 克糖分。

科里奧利流量計(jì)提供精確的密度和溫度測量，這兩者都是確定柏拉圖度數(shù)所必需的�？评飱W利流量計(jì)還具有使用測量的密度和溫度來計(jì)算濃度的集成公式。

在啤酒廠中，谷物經(jīng)過發(fā)芽和碾磨后，醪液進(jìn)入過濾器，這是一種用于將醪液與麥芽汁分離的容器。當(dāng)麥芽汁離開過濾器運(yùn)行時(shí)進(jìn)行密度和濃度測量。

有多種方法 (Ref.1) 可以測量糖含量，包括手動和自動。然而，手動測量通常在過濾過程完成后進(jìn)行，而在線測量允許對過程進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，通常通過閉環(huán)控制通過自動化方式進(jìn)行。非常終結(jié)果是減少了不良批次造成的浪費(fèi)，并且無需手動采樣麥汁，從而減少了時(shí)間和勞動力。

驗(yàn)證粘度

水果加工廠需要生果溫度、密度、白利糖度、粘度、流速和總流量的歷史記錄。

科里奧利流量計(jì)測量密度，因此它可以計(jì)算出與水中蔗糖含量成正比的白利糖度。該測量提供了傳入水果的狀況和質(zhì)量的圖片。例如，仍呈實(shí)心塊狀的硬水果將顯示出低糖度。相比之下，高白利糖度測量值可能表明過熟的糊狀水果，幾乎沒有完整的固體。操作員或控制系統(tǒng)可以使用白利糖度測量來確定如何處理傳入的水果。

測量水果產(chǎn)品的粘度以確定非常終產(chǎn)品質(zhì)量。粘度描述了流體的流動特性，它取決于分子之間作用的力。流體越粘稠，分子間作用力越強(qiáng)。因此，必須克服更大的內(nèi)部阻力才能移動流體或?qū)ζ涫┘恿�。粘度是對產(chǎn)品一致性和質(zhì)量的間接測量。

科里奧利流量計(jì)可以使用兩個(gè)同時(shí)驅(qū)動的頻率來測量質(zhì)量流量和粘度。扭轉(zhuǎn)或粘度模式使用更高的頻率在流體上產(chǎn)生剪切速率（圖 5），管內(nèi)的剪切力是剪切速率和粘度的函數(shù)。通過測量驅(qū)動電流，可以計(jì)算粘度。

在新型科里奧利流量計(jì)中，測量管上的激勵器會激發(fā)兩種本征模式：彎曲模式和扭轉(zhuǎn)模式。彎曲模式?jīng)Q定了流體密度和質(zhì)量流量，而粘度是基于扭轉(zhuǎn)模式計(jì)算的。

粘度通常在實(shí)驗(yàn)室條件下在實(shí)驗(yàn)室中測量。在過程中直接測量粘度的優(yōu)勢在于它真實(shí)反映了過程條件，避免了將樣品帶到實(shí)驗(yàn)室的延遲。如果粘度超出產(chǎn)品的公差范圍，通常可以通過自動化方式對過程進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

冰淇淋溢出

食品通常用氣體發(fā)泡以達(dá)到所需的稠度。例如，當(dāng)生產(chǎn)冰淇淋時(shí)就會發(fā)生這種情況（圖 6）。在冷凍過程中注入氣體，將微泡捕獲到冰淇淋中，使其具有奶油質(zhì)地。此過程適用于高脂肪和低脂肪冰淇淋。