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關于工業用變送器衛生設計相關標準與要求的探究
發布時間:2018-07-23   點擊次數:100次

變送器是現代化工業生產中不可或缺的過程監控的重要裝置,對于一般性的石化企業,不存在衛生設計的要求,但是由于在食品工業,制藥工業中也需要使用到大量的變送器,這就對于變送器在安裝使用過程中要符合現場的衛生要求提出了課題。目前國內關于這個還未有相關的國家標準,許多涉及到此項要求的都在參照美國3-A衛生標準等指標,但這并不能完全符合國內目前的情況,我們需要有自已的一套關于變送器衛生設計的相關標準,本文就是基于針對接觸表面與非接觸表面的衛生設計原則進行了分析和探討,得到了具有實用性的技術要點,為制定相關國家標準、促進我國變送器產業發展提供了啟示。
   變送器是食品與藥品生產設備過程監控的重要部件。隨著我國生產工藝與技術的日益提高,變送器產業也取得了長足發展,其質量與性能逐步向國際水平靠近。但由于我國變送器產業起步較晚,變送器設計標準相對落后與欠缺,特別是變送器衛生設計仍處于相對空白的階段[1-5]。因此,開展變送器衛生設計的研究,提出具體指標,具有重要的現實意義。
  1 術語約定
  1.1 衛生標準
  關于變送器衛生標準,主要以美國的“3-A衛生標準”與德國的“EHEDG標準”為主,其中美國“3-A衛生標準”中的“74-06”主要是針對傳感器及其配件與連接件的衛生標準。這兩個標準組織承擔了對世界各國有衛生要求的設備產品及供應商開展有關衛生指標測試、認證和復檢的服務,并對符合要求的產品頒發衛生認證證書(3-A證書和EHEDG證書)。目前,國外很多變送器企業都獲得了這些證書。隨著國內對變送器衛生要求越來越嚴格,國內各大變送器生產與使用企業也都在爭取獲得這些證書。
  1.2 衛生設計
  所謂衛生設計,是指使得食品與藥品等在生產、收獲、加工、運輸、貯藏、銷售等各個環節不被有害物質污染的設計。變送器衛生型設計的目的是為了滿足生產現場的清洗要求,即確保清洗達到清潔度要求,保證產品不被二次污染,最終達到衛生要求。
  1.3 接觸表面與非接觸表面
  變送器衛生設計勢必涉及兩個概念:接觸表面與非接觸表面。接觸表面是指所有與被測產品接觸的表面,或被測產品有可能排出、漏出、擴散或進入的表面。非接觸表面是指所有被測產品不會排出、漏出、擴散或進入的表面。
  2 變送器結構及其材料選用
  2.1 變送器結構
  變送器一般由過程連接與傳感器、變送電路模塊與出線保護組成。圖1和圖2分別為DIN接頭式變送器和殼體式變送器的結構示意圖。
  2.2 變送器材料選用
  過程連接與傳感器是變送器安裝與感壓部件,需要直接或間接與被測產品接觸,即變送器接觸表面。變送電路模塊與出線保護是變送器用于傳輸信號的部件,無需直接與被測產品接觸,即變送器非接觸表面。兩者材料選用不合理,分別會直接和間接決定變送器是否符合衛生要求。
  2.2.1 接觸表面材料
  變送器接觸表面材料通常采用優質不銹鋼,常用的有304(06Cr19Ni10)、316(06Cr17Ni12Mo2)、304L(022Cr19Ni10)和316L(022Cr17Ni12Mo2)。根據3-A衛生標準要求,需符合 AISI(美國鋼鐵技術協會)300系列不銹鋼(301、302和303除外)或ACI類,同時不銹鋼材質的任何成分不允許與被測試產品相腐蝕,且必須無毒、無吸收。當有焊接要求時,要求不銹鋼碳含量不能超過0.08%,且不允許使用含鉛、可濾取銅或其他有毒物質的合金材質。非金屬材料也常被用作變送器接觸表面材料,一般常用各類橡膠與塑料。非金屬材料常用作輔助密封材料,選用時需進行衛生認證(如美國FDA認證)。
  2.2.2 非接觸表面材料
  相較于接觸表面材料,非接觸表面材料的選用更加廣泛。首先,必須抗腐蝕、表面無吸收性;其次,必須耐用、易清潔。如表面有涂層,其附著力要好。拆卸清洗的部件不可涂裝。
  3 接觸表面衛生設計
  3.1 表面粗糙度
  衛生設計的關鍵點在于產品是否滿足各種生產現場的清洗要求。產品在生產加工過程中受環境溫度與產品本身性能的影響,會有一些殘留物不可避免地附著在變送器表面,如果不及時清洗,就會產生二次污染。根據3-A衛生標準,接觸表面粗糙度Ra至少應為0.8 μm。通常變送器接觸表面粗糙度通過機械加工設備來控制,也可以通過表面處理(如機械拋光、電解拋光、氧化處理等)來實現。在保證生產工藝的同時,必須用專用的粗糙度檢測儀器進行接觸表面粗糙度的過程控制。
  3.2 焊接
  變送器通常通過焊接的方式實現感壓膜片、封裝接頭等的連接與安裝。焊接工藝的好壞是衡量衛生設計的重要一環。首先,焊接必須是連續焊,一般不允許加料焊接,如確實需加料焊接,需確保焊料材質滿足衛生要求;其次,焊接表面必須光滑均勻,不允許在凹陷、褶皺、裂紋、裂縫等部位存在。
  3.3 密封
變送器安裝時通常采用墊圈、O型密封圈或硬密封進行密封。密封材料需要與被測產品相接觸,且要防止向外泄漏。墊圈式密封設計須可拆卸或粘合,便于滿足各種應用場合的清洗與更換。墊圈凹槽設計的深度應小于其寬度,對于橫截面尺寸大于1/4 in的可拆卸墊圈,凹槽在深度上不應超過1/4 in或在寬度上不應小于1/4 in。根據3-A衛生標準,對于橫截面尺寸≤1/4 in的密封設計,也應符合相關要求。在O型密封圈設計與硬密封設計中,O型密封圈與硬密封接觸線均應與安裝接觸面大致齊平,使得O形密封圈或硬密封接觸線部分表面暴露于清洗介質中,便于清洗,不藏污納垢(分別如圖3與圖4所示)。

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 變送器在進行角度設計時,要盡量避免尖角,而是需做到無死角、可排凈和可清潔。根據3-A衛生標準,小于135°的角度需做圓角處理,且圓角半徑應≥1/8 in。對于無法達到此要求的情況,其圓角半徑至少應為1/32 in。為防止損壞,傳感膜片在配件表面內嵌超過1/32 in時,圓角半徑大小應大于或等于內嵌深度,而內嵌深度小于1/32 in時無需圓角半徑。在密封凹槽設計中,當密封圈橫截面尺寸≥1/4 in時,固定槽的圓角半徑最小應為3/32 in,而橫截面尺寸小于1/4 in時,參考表1。

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  對于非標準圓形、方形、矩形或其他形狀,若橫截面尺寸小于1/4 in,依舊參照表1。平面密封與產品接觸配合連接沒有最小圓角半徑要求。粘合的墊圈固定槽不適用寬度、深度和最小圓角半徑要求。在機加工部件90°位置,若因空間限制、材料厚度、管件本身墊圈干擾等因素無法實現最小圓角半徑要求,可以替換成一對135°角,但須檢查:兩個135°角的距離(圖5中“A”)應不小于1/32 in。

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  3.4 螺紋結構
  螺紋結構也是變送器常用的過程連接件。對于衛生型產品,一般不建議使用不易清洗的螺紋結構,以避免對被測產品造成不必要的污染。若無法變通,應避免產品接觸表面有開口螺紋,同時傳感器與管件附件不建議使用封閉螺紋連接,因為一旦主密封損壞,就極有可能導致產品泄露進螺紋中,難以清洗。使用封閉螺紋時,組裝應滿足的情況是:封閉螺紋僅用于組裝傳感器探頭于傳感器部件或適配器。安裝部件螺紋應在產品接觸面處密封,以防止產品,液體,或微生物進入后與螺紋相接觸。如果螺紋后存在空腔,任何通過螺紋的滲漏應直接或通過檢漏口連接空氣中。
  3.5 充灌液選用
  常規壓力類變送器一般采用充灌液來進行壓力傳遞。對于衛生設計而言,充灌液的選用也非常重要,因為一旦充灌液發生泄漏,就會直接泄漏至被測產品中,對產品產生污染。充灌液的選用必須無毒無害,即使萬一發生泄漏,也不會對被測產品產生二次污染。根據3-A衛生標準,充灌液必須選用通過美國FDA認證的產品。
  4 非接觸表面衛生設計
  4.1 表面處理
  非接觸表面應相對光滑,且無凹坑和裂縫,同時不得使用滾花表面。表面應設計和制造成易于清洗和檢查的結構,避免液體或產品殘留聚集,導致無法清洗。表面應設計成減少液體淤積,并保證液體不能流到被測產品接觸表面。如果變送器外表面不是防腐金屬,須噴漆或涂層。如果使用噴漆或涂層,應避免在預期使用環境下(包括清洗和滅菌)分層、凹痕、剝落、剝離、起泡或變形。
  4.2 焊接
  永久性連接應使用連續焊,焊接表面需要光滑均勻,不允許在凹陷、褶皺、裂紋、裂縫等存在,焊接好后可以不進行研磨或拋光。
  4.3 螺釘和螺紋
  一般情況下不得使用內六角螺釘,而是使用可排泄結構的螺釘,如一字盤頭螺釘。當然,如果遠離產品接觸面或與產品殘留物隔離開的位置,內六角螺釘也可使用,但仍應可排污。除了變送器外殼的銘牌,不可使用鉚釘。
  應盡量避免開口螺紋,如果一定需要,螺紋長度不應超過螺紋公稱直徑的1/2。對于在生產和清洗過程中會被飛濺到的螺紋,應使用封閉螺母覆蓋。
  4.4 標牌
  如果有信息指示牌和銘牌,應使用酸蝕刻或激光蝕刻,連續焊接,有效密封到變送器上。非金屬粘合的信息指示牌和銘牌亦可接受。信息指示牌和銘牌也可通過活動接頭連接到變送器上。
  4.5 毛細管和電線
  所有相互連接的毛細管與電線,其光導纖維應防腐,表面應光滑和可清洗。如果有鎧裝,應由螺旋不銹鋼和塑料覆蓋,不應裸露。
  5 結論與展望
  變送器衛生設計在食品、藥品制造生產過程中起到了重要作用,其設計與選用的合理性能夠減少清洗時間、提高作業效率,且有效降低產品受到二次污染的機率,最終保障食品與藥品生產安全。本文從材料與結構工藝兩方面對變送器衛生設計進行了探究,得到了有價值的研究成果。
  目前在保證變送器衛生設計發展中,最大的困難是對其衛生設計缺少必要的認識。國內沒有相關經驗與標準可供參考,對國外標準又缺乏真正了解。美國3-A標準只是從接觸表面與非接觸表面兩方面對傳感器類產品進行了技術性指導概述,沒有涉及具體行業衛生設計細節與方法,其設計操作性也比較模糊。隨著國內變送器產業的發展與壯大,越來越多的廠家為了進入國際市場,不得不花費昂貴價格進行國外標準與體系的認證。隨著我國產業發展與成熟,亟待借鑒美國、德國已有的標準與體系,建立自已的變送器衛生標準與認證管理體系,并力爭得到國際承認,促進我國變送器產業做大做強,走向世界。

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