关于工业用变送器卫生设计相关标准与要求的探究

引言

       变送器是现代化工业生产中不可或缺的过程监控的重要装置，对于一般性的石化企业，不存在卫生设计的要求，但是由于在食品工业，制药工业中也需要使用到大量的变送器，这就对于变送器在安装使用过程中要符合现场的卫生要求提出了课题。目前国内关于这个还未有相关的国家标准，许多涉及到此项要求的都在参照美国3-A卫生标准等指标，但这并不能完全符合国内目前的情况，我们需要有自已的一套关于变送器卫生设计的相关标准，本文就是基于针对接触表面与非接触表面的卫生设计原则进行了分析和探讨，得到了具有实用性的技术要点，为制定相关国家标准、促进我国变送器产业发展提供了启示。


　　 变送器是食品与药品生产设备过程监控的重要部件。随着我国生产工艺与技术的日益提高，变送器产业也取得了长足发展，其质量与性能逐步向国内水平靠近。但由于我国变送器产业起步较晚，变送器设计标准相对落后与欠缺，特别是变送器卫生设计仍处于相对空白的阶段[1-5]。因此，开展变送器卫生设计的研究，提出具体指标，具有重要的现实意义。
　　1 术语约定
　　1.1 卫生标准
　　关于变送器卫生标准，主要以美国的“3-A卫生标准”与德国的“EHEDG标准”为主，其中美国“3-A卫生标准”中的“74-06”主要是针对传感器及其配件与连接件的卫生标准。这两个标准组织承担了对世界各国有卫生要求的设备产品及供应商开展有关卫生指标测试、认证和复检的服务，并对符合要求的产品颁发卫生认证证书（3-A证书和EHEDG证书）。目前，国内很多变送器企业都获得了这些证书。随着国内对变送器卫生要求越来越严格，国内各大变送器生产与使用企业也都在争取获得这些证书。
　　1.2 卫生设计
　　所谓卫生设计，是指使得食品与药品等在生产、收获、加工、运输、贮藏、销售等各个环节不被有害物质污染的设计。变送器卫生型设计的目的是为了满足生产现场的清洗要求，即确保清洗达到清洁度要求，保证产品不被二次污染，终达到卫生要求。
　　1.3 接触表面与非接触表面
　　变送器卫生设计势必涉及两个概念：接触表面与非接触表面。接触表面是指所有与被测产品接触的表面，或被测产品有可能排出、漏出、扩散或进入的表面。非接触表面是指所有被测产品不会排出、漏出、扩散或进入的表面。
　　2 变送器结构及其材料选用
　　2.1 变送器结构
　　变送器一般由过程连接与传感器、变送电路模块与出线保护组成。图1和图2分别为DIN接头式变送器和壳体式变送器的结构示意图。


　　2.2 变送器材料选用
　　过程连接与传感器是变送器安装与感压部件，需要直接或间接与被测产品接触，即变送器接触表面。变送电路模块与出线保护是变送器用于傳输信号的部件，无需直接与被测产品接触，即变送器非接触表面。两者材料选用不合理，分别会直接和间接决定变送器是否符合卫生要求。
　　2.2.1 接触表面材料
　　变送器接触表面材料通常采用不锈钢，常用的有304（06Cr19Ni10）、316（06Cr17Ni12Mo2）、304L（022Cr19Ni10）和316L（022Cr17Ni12Mo2）。根据3-A卫生标准要求，需符合 AISI（美国钢铁技术协会）300系列不锈钢（301、302和303除外）或ACI类，同时不锈钢材质的任何成分不允许与被测试产品相腐蚀，且必须无毒、无吸收。当有焊接要求时，要求不锈钢碳含量不能超过0.08%，且不允许使用含铅、可滤取铜或其他有毒物质的合金材质。非金属材料也常被用作变送器接触表面材料，一般常用各类橡胶与塑料。非金属材料常用作辅助密封材料，选用时需进行卫生认证（如美国FDA认证）。
　　2.2.2 非接触表面材料
　　相较于接触表面材料，非接触表面材料的选用更加**。*先，必须抗腐蚀、表面无吸收性；其次，必须耐用、易清洁。如表面有涂层，其附着力要好。拆卸清洗的部件不可涂装。
　　3 接触表面卫生设计
　　3.1 表面粗糙度
　　卫生设计的关键点在于产品是否满足各种生产现场的清洗要求。产品在生产加工过程中受环境温度与产品本身性能的影响，会有一些残留物不可避免地附着在变送器表面，如果不及时清洗，就会产生二次污染。根据3-A卫生标准，接触表面粗糙度Ra至少应为0.8 μm。通常变送器接触表面粗糙度通过机械加工设备来控制，也可以通过表面处理（如机械抛光、电解抛光、氧化处理等）来实现。在保证生产工艺的同时，必须用专用的粗糙度检测仪器进行接触表面粗糙度的过程控制。
　　3.2 焊接
　　变送器通常通过焊接的方式实现感压膜片、封装接头等的连接与安装。焊接工艺的好坏是衡量卫生设计的重要一环。*先，焊接必须是连续焊，一般不允许加料焊接，如确实需加料焊接，需确保焊料材质满足卫生要求；其次，焊接表面必须光滑均匀，不允许在凹陷、褶皱、裂纹、裂缝等部位存在。
　　3.3 密封
变送器安装时通常采用垫圈、O型密封圈或硬密封进行密封。密封材料需要与被测产品相接触，且要防止向外泄漏。垫圈式密封设计须可拆卸或粘合，便于满足各种应用场合的清洗与更换。垫圈凹槽设计的深度应小于其宽度，对于横截面尺寸大于1/4 in的可拆卸垫圈，凹槽在深度上不应超过1/4 in或在宽度上不应小于1/4 in。根据3-A卫生标准，对于横截面尺寸≤1/4 in的密封设计，也应符合相关要求。在O型密封圈设计与硬密封设计中，O型密封圈与硬密封接触线均应与安装接触面大致齐平，使得O形密封圈或硬密封接触线部分表面暴露于清洗介质中，便于清洗，不藏污纳垢（分别如图3与图4所示）。


 
　变送器在进行角度设计时，要尽量避免尖角，而是需做到无死角、可排净和可清洁。根据3-A卫生标准，小于135°的角度需做圆角处理，且圆角半径应≥1/8 in。对于无法达到此要求的情况，其圆角半径至少应为1/32 in。为防止损坏，传感膜片在配件表面内嵌超过1/32 in时，圆角半径大小应大于或等于内嵌深度，而内嵌深度小于1/32 in时无需圆角半径。在密封凹槽设计中，当密封圈横截面尺寸≥1/4 in时，固定槽的圆角半径小应为3/32 in，而横截面尺寸小于1/4 in时，参考表1。


　　对于非标准圆形、方形、矩形或其他形状，若横截面尺寸小于1/4 in，依旧参照表1。平面密封与产品接触配合连接没有小圆角半径要求。粘合的垫圈固定槽不适用宽度、深度和小圆角半径要求。在机加工部件90°位置，若因空间限制、材料厚度、管件本身垫圈干扰等因素无法实现小圆角半径要求，可以替换成一对135°角，但须检查：两个135°角的距离（图5中“A”）应不小于1/32 in。


　　3.4 螺纹结构
　　螺纹结构也是变送器常用的过程连接件。对于卫生型产品，一般不建议使用不易清洗的螺纹结构，以避免对被测产品造成不必要的污染。若无法变通，应避免产品接触表面有开口螺纹，同时传感器与管件附件不建议使用封闭螺纹连接，因为一旦主密封损坏，就极有可能导致产品泄露进螺纹中，难以清洗。使用封闭螺纹时，组装应满足的情况是：封闭螺纹仅用于组装传感器探头于传感器部件或适配器。安装部件螺纹应在产品接触面处密封，以防止产品，液体，或微生物进入后与螺纹相接触。如果螺纹后存在空腔，任何通过螺纹的渗漏应直接或通过检漏口连接空气中。
　　3.5 充灌液选用
　　常规压力类变送器一般采用充灌液来进行压力传递。对于卫生设计而言，充灌液的选用也非常重要，因为一旦充灌液发生泄漏，就会直接泄漏至被测产品中，对产品产生污染。充灌液的选用必须无毒无害，即使万一发生泄漏，也不会对被测产品产生二次污染。根据3-A卫生标准，充灌液必须选用通过美国FDA认证的产品。
　　4 非接触表面卫生设计
　　4.1 表面处理
　　非接触表面应相对光滑，且无凹坑和裂缝，同时不得使用滚花表面。表面应设计和制造成易于清洗和检查的结构，避免液体或产品残留聚集，导致无法清洗。表面应设计成减少液体淤积，并保证液体不能流到被测产品接触表面。如果变送器外表面不是防腐金属，须喷漆或涂层。如果使用喷漆或涂层，应避免在预期使用环境下（包括清洗和灭菌）分层、凹痕、剥落、剥离、起泡或变形。
　　4.2 焊接
　　**性连接应使用连续焊，焊接表面需要光滑均匀，不允许在凹陷、褶皱、裂纹、裂缝等存在，焊接好后可以不进行研磨或抛光。
　　4.3 螺钉和螺纹
　　一般情况下不得使用内六角螺钉，而是使用可排泄结构的螺钉，如一字盘头螺钉。当然，如果远离产品接触面或与产品残留物隔离开的位置，内六角螺钉也可使用，但仍应可排污。除了变送器外壳的铭牌，不可使用铆钉。
　　应尽量避免开口螺纹，如果一定需要，螺纹长度不应超过螺纹公称直径的1/2。对于在生产和清洗过程中会被飞溅到的螺纹，应使用封闭螺母覆盖。
　　4.4 标牌
　　如果有信息指示牌和铭牌，应使用酸蚀刻或激光蚀刻，连续焊接，有效密封到变送器上。非金属粘合的信息指示牌和铭牌亦可接受。信息指示牌和铭牌也可通过活动接头连接到变送器上。
　　4.5 毛细管和电线
　　所有相互連接的毛细管与电线，其光导纤维应防腐，表面应光滑和可清洗。如果有铠装，应由螺旋不锈钢和塑料覆盖，不应裸露。
　　5 结论与展望
　　变送器卫生设计在食品、药品制造生产过程中起到了重要作用，其设计与选用的合理性能够减少清洗时间、提高作业效率，且有效降低产品受到二次污染的机率，终保障食品与药品生产安全。本文从材料与结构工艺两方面对变送器卫生设计进行了探究，得到了有价值的研究成果。
　　目前在保证变送器卫生设计发展中，大的困难是对其卫生设计缺少必要的认识。国内没有相关经验与标准可供参考，对国内标准又缺乏真正了解。美国3-A标准只是从接触表面与非接触表面两方面对传感器类产品进行了技术性指导概述，没有涉及具体行业卫生设计细节与方法，其设计操作性也比较模糊。随着国内变送器产业的发展与壮大，越来越多的厂家为了进入国内市场，不得不花费昂贵价格进行国内标准与体系的认证。随着我国产业发展与成熟，亟待借鉴美国、德国已有的标准与体系，建立自已的变送器卫生标准与认证管理体系，并力争得到国内承认，促进我国变送器产业做大做强，走向世界。

上一条：简要介绍智能压力变送器的产品特点及其应用范围
下一条：未来电磁流量计测量技术的发展方向及趋势