Точное регулирование температуры и давления в процессе вакуумной концентрации с помощью нового ПИД-регулятора и быстродействующего электрического игольчатого клапана.

Аннотация: В процессе вакуумной концентрации основными параметрами управления являются температура и давление. В данной статье подробно рассматривается подход к улучшению низкой точности и больших колебаний регулирования давления в существующих приборах и оборудовании для концентрации, а также предлагается новый двухканальный сверхточный многофункциональный ПИД-регулятор и высокоскоростной электронный игольчатый клапан для достижения целевой температуры в процессе концентрации.

1. Вопрос

Принцип работы вакуумного концентрирования заключается в использовании вакуума и нагрева для быстрого испарения растворителя в образце и концентрирования или сушки образца с помощью методов лиофилизации, центрифужного концентрирования и роторного испарения. Поскольку разные образцы имеют разное значение энтропии в зависимости от температуры, и существует сильная корреляция между давлением и температурой, возможность точного контроля температуры и давления концентрирования в процессе вакуумного концентрирования стала наиболее актуальной проблемой для пользователей. В используемом в настоящее время вакуумном концентрировании оборудовании по-прежнему существуют следующие проблемы:

(1) Точность измерения и контроля давления, как правило, невысока, особенно в случае низкого давления, что в основном связано с недостаточной точностью датчиков, используемых контроллерами. Недостаточная точность контроля давления серьезно повлияет на температуру.

(2) В приборах и оборудовании для измерения концентрации обычно используется метод регулирования давления на выходе, то есть между контейнером и вакуумным насосом устанавливается электронный игольчатый клапан для регулирования скорости откачки из контейнера в режиме реального времени. Этот метод на выходе подходит для точного регулирования более высоких давлений, но трудно обеспечить стабильное и точное регулирование при низких давлениях ниже 10 мбар.

(3) В настоящее время подавляющее большинство электронных игольчатых клапанов используют электрические приводы, и время от закрытия до полного открытия составляет, как правило, более 10 секунд. При таком значительном гистерезисе трудно обеспечить точность управления и стабильность скорости регулировки клапана.

(4) В связи с выходом двухфазной среды, состоящей из воды и пара, в процессе концентрирования, эта среда часто является коррозионно-активной, что предъявляет высокие требования к коррозионной стойкости регулирующего клапана, расположенного ниже по потоку.

2. Решение

2.1 Использование высокоточного датчика давления

Для процесса вакуумной концентрации датчик давления необходим для обеспечения управляемости всего процесса. Настоятельно рекомендуется использовать высокоточный датчик давления для обеспечения точности измерения степени и количества вакуума, а также контроля. В основном, в процессе вакуумного контроля используется механический вакуумный насос, который при низком давлении (абсолютном давлении) не превышает 0,01 мбар, а при высоком давлении может достигать почти атмосферного давления. Поэтому рекомендуется использовать емкостные пленочные датчики давления для высокоточных измерений, как показано на рисунке 1. Точность абсолютного измерения может достигать ±0,2%. Если диапазон давления, используемый прибором и оборудованием для концентрации, достаточно широк, рекомендуется использовать два датчика с разными диапазонами, например, 10 Торр и 1000 Торр. При использовании других типов вакуумных датчиков требуется определенная степень точности.

2.2 Использование высокоточного двухканального ПИД-регулятора

В системах измерения и контроля вакуумного давления для полного использования точности измерения вышеупомянутого диафрагменного манометра требуется как минимум 16-битные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи для сбора данных и управления контроллером. В настоящее время выпущен универсальный ПИД-контроллер с точностью измерения и управления 24 бита, как показано на рисунке 2. Для управления процессом вакуумной концентрации эта серия ПИД-контроллеров обладает следующими характеристиками:

(1) Высокая точность: 24-битный АЦП, 16-битный ЦАП.

(2) Многоканальный: независимый 1-канальный и 2-канальный. 2-канальный позволяет одновременно измерять и контролировать температуру и давление.

(3) Многофункциональность: 47 типов входных сигналов (термопара, терморезистор, постоянное напряжение) позволяют одновременно тестировать, отображать и контролировать различные параметры. Также возможно прямое и обратное управление (двусторонний режим управления).

(4) ПИД-регулирование: Усовершенствованный алгоритм ПИД-регулирования поддерживает дифференциальное и дифференциальное опережение PV. Имеется 20 групп ПИД-регуляторов.

(5) Переключение двух датчиков: Каждый канал может поддерживать переключение двух датчиков для высоких и низких температур, а также высокого и низкого вакуума. Два канала могут образовывать комбинацию управления с подключением в общей сложности четырех датчиков.

(6) Программное управление: Можно установить и сохранить до 20 программ концентрации. При концентрации достаточно выбрать и запустить (режим программного управления).

2.3 Увеличение контроля над подачей воздуха на входе и двухсторонний режим управления

В настоящее время наиболее распространенный режим управления потоком воздуха на выходе больше подходит для процессов концентрирования, где давление близко к атмосферному, но для процессов концентрирования при низком давлении ниже 10 мбар необходимо ввести режим управления потоком воздуха на входе, то есть увеличить впускной канал в емкости для концентрирования и регулировать подачу воздуха с помощью электронного игольчатого клапана. Поток воздуха, поступающего в воздуховод, может быть использован для точного регулирования давления.

Как показано на рисунке 3, в настоящее время доступны электронные игольчатые клапаны местного производства с различными расходами. В сочетании с вакуумным насосом, расположенным ниже по потоку, точное управление высоким вакуумом (низким давлением) может быть достигнуто в режиме работы на входе. Для обеспечения точного управления полным диапазоном низкого и высокого давления одновременно можно использовать двухсенсорный и двухсторонний режим управления, как показано на рисунке 4. В режиме управления, показанном на рисунке 4, необходимо использовать функции прямого и обратного управления и автоматического переключения двух датчиков вышеупомянутого двухканального контроллера серии VPC-2021, то есть в процессе управления различным давлением воздуха контроллер автоматически переключает соответствующий диапазон вакуумметра и выбирает для управления соответствующий электронный игольчатый клапан и высокоскоростной электрический шаровой клапан.

2.4 Использование высокоскоростного электронного игольчатого клапана

Так называемый высокоскоростной клапан обычно означает, что время срабатывания электронного игольчатого клапана от полного закрытия до открытия составляет менее 1 секунды, что очень важно для регулирования потока газа и давления. Особенно в процессе вакуумной концентрации быстрая реакция системы регулирования давления воздуха может обеспечить точность, безопасность и повысить скорость испарения при концентрировании.

В настоящее время разработаны локализованные высокоскоростные электронные игольчатые клапаны, как показано на рисунке 5. Миниатюрные высокоскоростные клапаны серии FC являются усовершенствованной версией широко используемых в настоящее время электрических дисковых затворов. В сочетании с регулятором температуры/давления серии VPC2021 они позволяют сформировать быструю и точную систему управления вакуумным давлением с обратной связью. Подробнее см. на сайте https://ru.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

2.5 Использование регулятора вакуумного контроля

В современных вакуумных концентрирующих приборах и оборудовании концентрация происходит в герметичном контейнере. Вакуумный насос используется для откачки воздуха из герметичного контейнера, а давление воздуха внутри контейнера поддерживается постоянным на заданном уровне путем регулирования расхода воздуха. Это типичный режим регулирования давления с регулированием расхода. Этот метод регулирования давления с регулированием расхода эквивалентен методу управления с разомкнутым контуром. Внутри контейнера образуется самопроизвольно генерируемый газ, который не имеет явной закономерности (например, изменения линейности), что вредно для точного контроля внутреннего давления в контейнере. Для этого типа регулирования давления с регулированием расхода, как показано на рисунке 2, в передней части концентрирующего контейнера добавляется воздухозаборный канал, и регулируется поток воздуха для поддержания внутреннего вакуума в контейнере на стабильном заданном уровне.

Для некоторых вакуумных концентрационных приборов и оборудования добавление дополнительных каналов для подачи воздуха не допускается, и в этом случае можно использовать регулятор давления, показанный на рисунке 6.

Электронный вакуумный регулятор представляет собой интегрированный блок, включающий встроенный датчик вакуумного давления, микроконтроллер, камеру и два электронных игольчатых клапана. В процессе регулирования вакуумного давления встроенный датчик измеряет давление в камере. Если давление меньше заданного значения, клапан на входном отверстии для воздуха открывается до тех пор, пока давление не сравняется с заданным значением. Если давление больше заданного значения, клапан на выпускном отверстии открывается до тех пор, пока давление не сравняется с заданным значением. Необходимо обеспечить постоянное поддержание давления в камере на заданном уровне и связь полости регулятора с концентрирующим контейнером, то есть давление в полости регулятора всегда должно быть равно давлению в концентрирующем контейнере.

Как видно, регулятор давления представляет собой независимый вакуумный регулятор давления со своим собственным воздухозаборным клапаном. Как показано на рисунке 6, регулятор давления также может быть подключен к внешнему датчику, а заданное значение может быть установлено вручную или с помощью ПИД-регулятора. Для получения дополнительной информации об электронных вакуумных регуляторах посетите https://www.genndih.com/proportional-pressure-regulator/Electronic-Vacuum-Regulator-1-0bar.html

2022-03-10