Control preciso de la temperatura y la presión en el proceso de concentración al vacío mediante un nuevo controlador PID y una válvula de aguja eléctrica rápida

Resumen: En el proceso de concentración al vacío, la temperatura y la presión de concentración son los parámetros centrales de control. Este artículo se centra en un enfoque detallado para mejorar la escasa precisión y la gran fluctuación del control de la presión en los instrumentos y equipos de concentración actuales, y propone un nuevo controlador PID multifunción de doble canal y una válvula de aguja electrónica de alta velocidad para alcanzar la temperatura objetivo en el proceso de concentración.

1. Pregunta
El principio de funcionamiento de la concentración al vacío consiste en utilizar la tecnología de vacío y calentamiento para vaporizar el disolvente de una muestra rápidamente y concentrar o un sistema de muestra seca bajo liofilización rápidamente, concentración centrífuga y evaporación rotatoria. Dado que las diferentes muestras tienen un valor de entropía diferente con respecto a la temperatura, y que existe una fuerte correlación entre la presión y la temperatura, la capacidad de controlar con precisión la temperatura y la presión de concentración durante el proceso de concentración al vacío se ha convertido en la cuestión que más preocupa a los usuarios. En los equipos de concentración al vacío que se utilizan actualmente, siguen existiendo los siguientes problemas:
(1) La precisión de la medición y el control de la presión no suele ser alta, especialmente en el caso de la baja presión, lo que se debe principalmente a la insuficiente precisión de los sensores que utilizan los controladores. La precisión del control de la presión no es alta y tendrá un grave impacto en la temperatura.
(2) El método de control de la presión aguas abajo se adopta generalmente en los instrumentos y equipos de concentración, es decir, se instala una válvula de aguja electrónica entre el recipiente y la bomba de vacío para controlar la velocidad de escape del recipiente en tiempo real. Este método aguas abajo es adecuado para el control preciso de las presiones más altas, pero es difícil lograr un control estable y preciso para las presiones bajas por debajo de 10mbar.
(3) En la actualidad, la gran mayoría de las válvulas de aguja electrónicas utilizan actuadores eléctricos, y el tiempo que transcurre desde el cierre hasta la apertura total es básicamente superior a 10 segundos. Es difícil garantizar la precisión del control y la estabilidad de la velocidad de ajuste de la válvula con una histéresis tan grave.
(4) Debido a la descarga del medio bifásico de agua y vapor en el proceso de concentración, el medio es a menudo corrosivo, lo que plantea altos requisitos de resistencia a la corrosión de la válvula reguladora aguas abajo.

2. Solución

2.1 Adopción de un sensor de presión de alta precisión
Para el proceso de concentración al vacío, el sensor de presión es para asegurar que todo el proceso de concentración es controlable. Se recomienda encarecidamente utilizar un sensor de presión de alta precisión para garantizar la medición del grado de vacío, la cantidad y la precisión del control. El proceso general de control del vacío adopta básicamente una bomba de vacío mecánica, que a baja presión (presión absoluta) no supera los 0,01mbar, mientras que a alta presión puede llegar a acercarse a una presión atmosférica, por lo que se recomienda utilizar medidores de película capacitiva para los sensores de presión de alta precisión, como se muestra en la figura 1. La precisión absoluta de la medición puede alcanzar ±0,2%. Si el rango de presión utilizado por el instrumento y el equipo de concentración es relativamente amplio, se recomienda utilizar dos sensores con diferentes rangos a cubrir, como 10 Torr y 1000 Torr. Si se utilizan otros tipos de sensores de vacío, se debe exigir un cierto grado de precisión.

2.2 Adopción de un controlador PID de doble canal de alta precisión
En la medición y el control de la presión de vacío, para aprovechar al máximo la precisión de la medición del manómetro de membrana mencionado anteriormente, se necesitan convertidores analógico-digital y digital-analógico de al menos 16 bits para la adquisición de datos y el control del controlador. En la actualidad, se ha puesto en marcha el controlador PID de uso común con una precisión de medición y control de 24 bits, como se muestra en la figura 2. Para el control del proceso de concentración de vacío, esta serie de controladores PID tiene las siguientes características:
(1) Alta precisión: adquisición A/D de 24 bits, salida D/A de 16 bits.
(2) Multicanal: 1 canal y 2 canales independientes. Los 2 canales pueden alcanzar la medición y el control simultáneos de la temperatura y la presión.
(3) Multifunción: 47 tipos de señales de entrada (termopar, resistencia térmica, tensión continua) pueden alcanzar simultáneamente la comprobación, visualización y control de diferentes parámetros. También puede realizar el control de avance y retroceso (modo de control bidireccional).
(4) Control PID: El algoritmo PID mejorado puede soportar el control diferencial PV y el control de avance diferencial. Hay 20 grupos de PID de grupo.
(5) Conmutación de sensor dual: Cada canal puede soportar la conmutación de sensor dual de alta y baja temperatura y de alto y bajo vacío. Dos canales pueden formar una combinación de control con un total de cuatro sensores conectados.
(6) Control de programas: Se pueden establecer y almacenar hasta 20 tipos de programas de concentración por sí mismos. Al concentrarse, basta con seleccionar y llamar para empezar (modo de control de programa).

2.3 Aumento del control de la entrada de aire y del modo de control bidireccional
El modo de control corriente abajo es más adecuado para el proceso de concentración en el que la presión está cerca de la presión atmosférica, pero para el proceso de concentración de baja presión por debajo de 10mbar, es necesario introducir el modo de control de entrada de aire corriente arriba, es decir, aumentar el canal de entrada en el contenedor de concentración, y controlar la entrada de aire a través de la válvula de aguja electrónica. El flujo de entrada de aire del canal de aire se puede utilizar para lograr un control preciso de la presión.
Como se muestra en la figura 3, actualmente se dispone de válvulas de aguja electrónicas de fabricación local con varios caudales. En combinación con la bomba de vacío aguas abajo, se puede alcanzar un control preciso del alto vacío (baja presión) a través del modo aguas arriba. Para satisfacer el control preciso de la escala completa de baja y alta presión al mismo tiempo, se puede utilizar el sensor doble y el modo de control de dos vías como se muestra en la Figura 4. En el modo de control mostrado en la Figura 4, es necesario utilizar las funciones de control de avance y retroceso y de conmutación automática de doble sensor del controlador de doble canal de la serie VPC-2021 mencionado anteriormente, es decir, durante los diferentes procesos de control de la presión del aire, el controlador cambia automáticamente el rango correspondiente del vacuómetro, y selecciona la válvula de aguja electrónica y la válvula de bola eléctrica de alta velocidad correspondientes para el control.

2.4 Adopción de la válvula de aguja electrónica de alta velocidad
La llamada válvula de alta velocidad generalmente significa que el tiempo de acción de la válvula de aguja electrónica desde que se cierra completamente hasta que se abre es inferior a 1s, lo que es muy importante para el control del flujo de gas y de la presión. Especialmente para el proceso de concentración de vacío, la rápida respuesta del control de la presión del aire puede garantizar la precisión, la seguridad y aumentar la tasa de evaporación de la concentración.
En la actualidad, se han desarrollado válvulas de aguja electrónicas de alta velocidad localizadas, como se muestra en la figura 5. La serie FC de alta velocidad miniaturizada es un producto mejorado de la válvula de mariposa eléctrica utilizada actualmente. Combinada con el controlador de temperatura/presión de la serie VPC2021, puede formar un sistema de control de bucle cerrado de presión de vacío rápido y preciso. Por favor, visite https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

2.5 Adopción del regulador de control de vacío
En los actuales instrumentos y equipos de concentración al vacío, la concentración se produce en un recipiente hermético. La bomba de vacío se utiliza para extraer el aire del recipiente hermético, y la presión del aire en el recipiente hermético puede mantenerse constante en el valor establecido ajustando el caudal de aire. Este es un modo de presión constante típico del tipo de control de flujo. Este método de regulación de la presión controlado por el flujo es equivalente a un método de control de bucle abierto. Hay un gas autogenerado dentro del contenedor, y el gas autogenerado no tiene una regularidad obvia (como el cambio de linealidad), lo que es perjudicial para el control preciso de la presión interna del contenedor. Para este tipo de regulación de la presión controlada por flujo, como se muestra en la figura 2, se añade un canal de entrada de aire en el extremo delantero del contenedor de concentración, y el flujo de aire de entrada se ajusta para controlar el vacío interno del contenedor a un valor establecido estable.
Para algunos instrumentos y equipos de concentración de vacío, no está permitido añadir canales de entrada de aire adicionales, y en este caso se puede utilizar el regulador controlado por presión que se muestra en la figura 6.

Un regulador de vacío electrónico es en realidad una unidad integrada con un sensor de presión de vacío incorporado, un microcontrolador, una cámara y dos válvulas de aguja electrónicas. En el proceso de control de la presión de vacío, el sensor incorporado mide la presión en la cámara. Si la presión es menor que el valor establecido, la válvula en el puerto de entrada de aire se abrirá hasta que sea igual al valor establecido. Si la presión es mayor que el valor establecido, la válvula en el puerto de escape se abrirá hasta que sea igual al valor establecido. Se debe asegurar que la presión en la cámara se mantenga siempre en el valor establecido, y que la cavidad del regulador esté comunicada con el contenedor de concentración, es decir, que la presión de la cavidad del regulador sea siempre igual a la presión del contenedor de concentración.
Se puede ver que el regulador de presión controlado es un regulador de presión de vacío independiente con su propia válvula de entrada de aire. Como se muestra en la Figura 6, el regulador de presión controlado por presión también puede conectarse a un sensor externo, y el valor de ajuste puede fijarse manualmente o a través de un controlador PID. Para obtener más referencias sobre el regulador de vacío electrónico, visite https://www.genndih.com/proportional-pressure-regulator/Electronic-Vacuum-Regulator-1-0bar.html