Aplicación de la válvula de aguja eléctrica y el controlador de doble canal en el control de presión de alta precisión de la liofilización al vacío

Resumen: Los manómetros capacitivos se han utilizado ampliamente en el proceso de liofilización al vacío en la actualidad, lo que hace que el controlador de presión y la válvula eléctrica de regulación de la entrada de aire estén emparejados con los manómetros capacitivos. Estos dos enlaces principales que afectan a la precisión y la repetibilidad del control de la presión, particularmente prominente. Con el fin de resolver el problema de la precisión del control, este artículo presenta las funciones, los indicadores técnicos y las aplicaciones del último controlador de presión PID de alta precisión de 2 canales y 24 bits y de la válvula de aguja eléctrica accionada por un motor paso a paso. Se ha verificado mediante experimentos que el uso de la válvula de aguja eléctrica y el controlador de alta precisión en el modo de control aguas arriba puede controlar con precisión la presión dentro de ±1%. Este controlador también puede utilizarse para controlar el manómetro de vacío Pirani durante el proceso de liofilización para ajustarse automáticamente al punto final del proceso de liofilización inicial.

1. Preguntas
El control de la presión es un proceso importante en el proceso de liofilización al vacío. Su precisión de control afecta gravemente a la calidad del producto, especialmente en el caso de la liofilización de algunos productos sensibles. Por lo tanto, para lograr un proceso de liofilización fiable con una alta repetibilidad, la presión debe medirse y controlarse con precisión y repetidamente en la sala de secado, lo que constituye uno de los indicadores importantes para examinar la capacidad del equipo de liofilización. Debido a que la presión o el grado de vacío durante el secado primario afecta directamente a la temperatura de la interfaz de sublimación del producto al mismo tiempo, el control preciso y estable de la presión es muy importante para el proceso de secado primario. Sin embargo, en el proceso real de liofilización al vacío, siguen existiendo los siguientes problemas en cuanto al control preciso de la presión:
(1) El problema de los controladores de presión desajustados: Aunque el proceso y el equipo de liofilización están equipados con manómetros capacitivos de alta precisión, la precisión puede alcanzar de 0,2% a 0,5% de la escala completa, pero en la actualidad, la mayoría de los soportes localizados utilizan PLC para la medición de la presión capacitiva. Para la medición y el control de la señal de tensión continua, la precisión de la conversión A/D y D/A del PLC es obviamente insuficiente, lo que afecta seriamente a la precisión de la medición y el control de la presión. La precisión de la conversión A/D y D/A debe alcanzar al menos 16 bits para satisfacer las necesidades del proceso de liofilización.
(2) El desajuste de la válvula de control de entrada de aire: Para el control de la presión de vacío en la liofilización, la presión constante es básicamente del orden de unos pocos Pa, por lo que generalmente se utiliza el modo de control de admisión de aire aguas arriba. Es decir, cuando las velocidades de bombeo de la bomba de vacío son constantes, se aumenta el flujo de entrada de aire a través de la válvula de regulación eléctrica para reducir la presión, y se reduce el flujo de entrada de aire para aumentar la presión. Sin embargo, en la actualidad, las válvulas de solenoide con gran histéresis todavía se utilizan ampliamente en China para el ajuste, lo que afecta seriamente a la precisión y la repetibilidad del control de la presión. En la actualidad, se han utilizado en el mundo muchas válvulas de control eléctrico de baja histéresis accionadas por motores paso a paso.
Con el fin de resolver los problemas anteriores de control de la presión en el proceso de liofilización, este artículo presentará las funciones, los indicadores técnicos y las aplicaciones del último controlador de presión PID de alta precisión de 2 canales y 24 bits localizado y la válvula de aguja eléctrica. Después de la evaluación y verificación de aplicaciones específicas, el uso de la válvula de aguja eléctrica y el controlador de presión PID de alta precisión en el modo de control aguas arriba puede controlar con precisión la presión dentro de ±1%. El controlador PID de 2 canales también puede utilizarse para la supervisión y el registro del manómetro Pirani durante la liofilización.

2. Controlador de presión PID localizado de 2 canales y 24 bits de alta precisión
Para aprovechar al máximo la precisión de la medición del manómetro capacitivo, la adquisición de datos y el control del controlador requieren al menos convertidores analógico-digital y digital-analógico de 16 bits. En los últimos años, KaoLu ha desarrollado la serie FC de controladores PID de propósito general de 24 bits de alta precisión, como se muestra en la figura 1. Esta serie de controladores PID es mucho más potente que los productos extranjeros, pero su precio es sólo una octava parte de los productos extranjeros. Sus principales indicadores de rendimiento son los siguientes:
(1) Precisión: A/D de 24 bits, D/A de 16 bits.
(2) Multicanal: 1 canal o 2 canales independientes. Los 2 canales pueden alcanzar la medición y el control simultáneos de los sensores dobles.
(3) Una variedad de parámetros de salida: 47 tipos de señales de entrada (termopar, resistencia térmica, voltaje DC) pueden alcanzar la prueba simultánea, la visualización y el control de diferentes parámetros.
(4) Multifunción: control de avance, retroceso, avance y retroceso en dos direcciones.
(5) Control del programa PID: El algoritmo PID mejorado soporta el control diferencial PV y el control de avance diferencial. Puede almacenar 20 grupos de PID y soportar 20 curvas de programa (50 segmentos cada una).
(6) Comunicación: RS485 de dos hilos, protocolo de comunicación estándar MODBUS RTU.

En el juicio del punto final de la liofilización primaria, el controlador de 2 canales de la serie FC-20 puede conectarse a un manómetro capacitivo y a un manómetro Pirani al mismo tiempo. El manómetro capacitivo se utiliza para el control de la presión de vacío, y el manómetro Pirani se utiliza para controlar el cambio de vapor de agua durante el proceso de liofilización, cuando la diferencia entre los dos manómetros de vacío desaparece, se considera que el proceso de liofilización primaria ha terminado. La curva de cambio típica de todo el proceso se muestra en la figura 2.

3. El motor paso a paso localizado acciona la válvula de aguja eléctrica
Para lograr un ajuste de alta precisión de la válvula de admisión de aire, hemos desarrollado una serie de válvulas de aguja eléctricas con diferentes caudales basadas en la válvula de aguja que utiliza motores de paso. La histéresis magnética es mucho menor que la de la válvula solenoide. Como se muestra en la figura 3, el precio es sólo un tercio de los productos extranjeros, y los indicadores técnicos detallados se muestran en la figura 4.

Gas inerte y líquidoAcero inoxidable-1 ~ 7bar

Modelo	FC-20	FC-120	FC-300	FC-1000
Tipo de válvula	Válvula de aguja
Diámetro de la deriva del carrete	0,9mm	2,25mm	2,75mm	4.10mm
Actuador	Control de motores paso a paso bipolares
Tiempo de respuesta	0,8seg (de apertura a cierre)
Tamaño estándar	G1/8"			G3/8"
Fluido	Gas inerte y líquido
Materiales de contacto	Acero inoxidable
Rango de presión	-1 ~ 7bar			-1 ~ 5bar
Flujo máximo	50L/min @7bar	240L/min @7bar	290L/min @7bar	600L/min @7bar

 

Linealidad	±2%	±0,1 ~ 1%	±0,2 ~ 5%	±11%
Repetibilidad (Escala completa)	±0,1%
Resolución de flujo (longitud de paso)	0,1L/min	0,1 ~ 0,2L/min	0,2 ~ 0,75L/min	1L/min
Resolución de desplazamiento (longitud de paso)	12,7um		25,4um
Rango de temperatura de funcionamiento	0 ~ 84ºc
Sello	FKM estándar u otras opciones de juntas
Señal de control	DC: 0 ~ 10V (o 4 ~ 20mA)
Fuente de alimentación	DC: 24V (12W)

(Figura4 Indicadores técnicos de la válvula de aguja eléctrica FC de KaoLu)

4. Prueba de evaluación del controlador PID doméstico y de la válvula de aguja electrónica En la prueba de evaluación, se utilizó un manómetro de capacitancia con un rango de 1 Torr, y la válvula de aguja electrónica se utilizó como válvula de admisión para llevar a cabo la prueba de control en el modo ascendente. Primero se enciende la bomba de vacío y se hace que bombee a toda velocidad, y luego se autoajustan los parámetros PID del controlador PID a unos 68Pa. Una vez completado el autoajuste, se controlan 8 puntos de ajuste de 12, 27, 40, 53, 67, 80, 93 y 107 Pa respectivamente. El cambio del grado de vacío durante todo el proceso de control se muestra en la figura 5.

El efecto de control de la curva de la figura 5 se expresa en términos de tasa de fluctuación, y se obtiene la tasa de fluctuación bajo diferentes presiones de vacío, como se muestra en la figura 6. Se puede ver en la Figura 6 que la tasa de fluctuación es mayor que 1% sólo cuando el control de 12Pa está en todo el rango de presión. Obviamente, no es adecuado aplicar los parámetros PID obtenidos por el autoajuste a 68Pa al control de la presión de 12Pa. También se requiere un autoajuste de los parámetros PID por separado.

La válvula de aguja electrónica introducida se introduce en https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm