Controllo preciso della temperatura e della pressione nel processo di concentrazione sotto vuoto mediante un nuovo controllore PID e una valvola ad ago elettrica veloce

Abstract: Nel processo di concentrazione sotto vuoto, la temperatura e la pressione di concentrazione sono i parametri di controllo fondamentali. Questo articolo si concentra su un approccio dettagliato per migliorare la scarsa precisione e l'ampia fluttuazione del controllo della pressione negli attuali strumenti e attrezzature per la concentrazione e propone un nuovo controllore PID multi-funzione a doppio canale ad altissima precisione e una valvola a spillo elettronica ad alta velocità per raggiungere la temperatura target nel processo di concentrazione.

1. Domanda
Il principio di funzionamento della concentrazione sottovuoto consiste nell'utilizzare la tecnologia del vuoto e del riscaldamento per vaporizzare rapidamente il solvente in un campione e concentrarlo o un sistema di campioni secchi sottoposti a liofilizzazione rapida, concentrazione centrifuga ed evaporazione rotativa. Poiché campioni diversi hanno un diverso valore di entropia rispetto alla temperatura e vi è una forte correlazione tra pressione e temperatura, la capacità di controllare accuratamente la temperatura e la pressione di concentrazione durante il processo di concentrazione sotto vuoto è diventata la questione più importante per gli utenti. Nelle attuali apparecchiature di concentrazione sotto vuoto comunemente utilizzate, esistono ancora i seguenti problemi:
(1) L'accuratezza della misurazione e del controllo della pressione non è generalmente elevata, soprattutto nel caso di basse pressioni, e ciò è dovuto principalmente all'insufficiente accuratezza dei sensori utilizzati dai regolatori. L'accuratezza del controllo della pressione non è elevata e avrà un grave impatto sulla temperatura.
(2) Il metodo di controllo della pressione a valle è generalmente adottato negli strumenti e nelle apparecchiature di concentrazione, ovvero una valvola a spillo elettronica viene installata tra il contenitore e la pompa del vuoto per controllare il tasso di scarico del contenitore in tempo reale. Questo metodo a valle è adatto per un controllo accurato delle pressioni più elevate, ma è difficile ottenere un controllo stabile e accurato per le basse pressioni inferiori a 10mbar.
(3) Attualmente, la stragrande maggioranza delle valvole elettroniche a spillo utilizza attuatori elettrici e il tempo che intercorre tra la chiusura e la completa apertura è sostanzialmente superiore a 10 secondi. È difficile garantire l'accuratezza del controllo e la stabilità della velocità di regolazione della valvola con un'isteresi così grave.
(4) A causa dello scarico del mezzo bifase acqua e vapore nel processo di concentrazione, il mezzo è spesso corrosivo, il che comporta elevati requisiti di resistenza alla corrosione della valvola di regolazione a valle.

2. Soluzione

2.1 Adozione di un sensore di pressione ad alta precisione
Per il processo di concentrazione sotto vuoto, il sensore di pressione deve garantire il controllo dell'intero processo di concentrazione. Si raccomanda vivamente di utilizzare un sensore di pressione ad alta precisione per garantire la misurazione del grado di vuoto, la quantità e l'accuratezza del controllo. Il processo generale di controllo del vuoto adotta fondamentalmente una pompa del vuoto meccanica, che a bassa pressione (pressione assoluta) non supera gli 0,01 mbar, mentre ad alta pressione può raggiungere quasi la pressione atmosferica, per cui si raccomanda l'uso di manometri capacitivi per sensori di pressione ad alta precisione, come mostrato nella Figura 1. La precisione di misurazione assoluta può raggiungere ±0,5 mbar. La precisione di misura assoluta può raggiungere ±0,2%. Se l'intervallo di pressione utilizzato dallo strumento e dall'apparecchiatura di concentrazione è relativamente ampio, si consiglia di utilizzare due sensori con intervalli diversi da coprire, ad esempio 10 Torr e 1000 Torr. Se si utilizzano altri tipi di sensori di vuoto, è necessario un certo grado di precisione.

2.2 Adozione di un controllore PID a doppio canale ad alta precisione
Nella misurazione e nel controllo della pressione del vuoto, per sfruttare appieno l'accuratezza di misura del suddetto manometro a membrana, sono necessari convertitori analogico-digitali e digitale-analogici a 16 bit per l'acquisizione dei dati e il controllo del controllore. Attualmente, è stato lanciato un controllore PID comune con un'accuratezza di misura e controllo di 24 bit, come mostrato nella Figura 2. Per il controllo del processo di concentrazione del vuoto, questa serie di controllori PID presenta le seguenti caratteristiche:
(1) Alta precisione: acquisizione A/D a 24 bit, uscita D/A a 16 bit.
(2) Multicanale: 1 canale e 2 canali indipendenti. Il 2 canali può raggiungere la misura e il controllo simultanei di temperatura e pressione.
(3) Multifunzione: 47 tipi di segnali di ingresso (termocoppia, resistenza termica, tensione CC) possono raggiungere simultaneamente il test, la visualizzazione e il controllo di diversi parametri. Può inoltre eseguire il controllo in avanti e all'indietro (modalità di controllo bidirezionale).
(4) Controllo PID: L'algoritmo PID migliorato può supportare il controllo differenziale e l'anticipo differenziale del fotovoltaico. Sono presenti 20 gruppi di PID di gruppo.
(5) Commutazione a doppio sensore: ogni canale può supportare la commutazione a doppio sensore di alta e bassa temperatura e di alto e basso vuoto. Due canali possono formare una combinazione di controllo con un totale di quattro sensori collegati.
(6) Controllo del programma: È possibile stabilire e memorizzare fino a 20 tipi di programmi di concentrazione. Durante la concentrazione, è sufficiente selezionare e chiamare per avviare il programma (modalità di controllo del programma).

2.3 Aumento del controllo della presa d'aria a monte e modalità di controllo bidirezionale
La modalità di controllo a valle, attualmente comune, è più adatta per i processi di concentrazione in cui la pressione è vicina a quella atmosferica, ma per i processi di concentrazione a bassa pressione, inferiori a 10mbar, è necessario introdurre la modalità di controllo a monte della presa d'aria, ovvero aumentare il canale di aspirazione sul contenitore di concentrazione e controllare l'aspirazione dell'aria attraverso la valvola a spillo elettronica. Il flusso di aspirazione del passaggio d'aria può essere utilizzato per ottenere un controllo accurato della pressione.
Come mostrato nella Figura 3, sono attualmente disponibili valvole elettroniche a spillo di produzione locale con varie portate. In combinazione con la pompa del vuoto a valle, è possibile ottenere un controllo accurato dell'alto vuoto (bassa pressione) attraverso la modalità a monte. Per soddisfare il controllo accurato del fondo scala della bassa e dell'alta pressione allo stesso tempo, è possibile utilizzare la modalità di controllo a doppio sensore e a due vie, come mostrato nella Figura 4. Nella modalità di controllo illustrata nella Figura 4, è necessario utilizzare le funzioni di controllo in avanti e inverso e di commutazione automatica a doppio sensore del controllore a doppio canale della serie VPC-2021 di cui sopra; in altre parole, durante i diversi processi di controllo della pressione dell'aria, il controllore commuta automaticamente il campo corrispondente del vacuometro e seleziona la valvola a spillo elettronica e la valvola a sfera elettrica ad alta velocità corrispondenti per il controllo.

2.4 Adozione di una valvola a spillo elettronica ad alta velocità
La cosiddetta valvola ad alta velocità significa generalmente che il tempo di azione della valvola a spillo elettronica da completamente chiusa ad aperta è inferiore a 1s, il che è molto importante per il controllo del flusso di gas e della pressione. Soprattutto nel processo di concentrazione sotto vuoto, la risposta rapida del controllo della pressione dell'aria può garantire l'accuratezza, la sicurezza e aumentare il tasso di evaporazione della concentrazione.
Attualmente sono state sviluppate valvole elettroniche a spillo localizzate ad alta velocità, come illustrato nella Figura 5. La serie FC miniaturizzata ad alta velocità è un prodotto aggiornato della valvola a farfalla elettrica attualmente in uso. In combinazione con il regolatore di temperatura/pressione della serie VPC2021, può formare un sistema di controllo ad anello chiuso della pressione del vuoto rapido e preciso. Si prega di visitare https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

2.5 Adozione del regolatore di controllo del vuoto
Negli attuali strumenti e apparecchiature per la concentrazione sotto vuoto, la concentrazione avviene in un contenitore ermetico. La pompa del vuoto viene utilizzata per estrarre l'aria dal contenitore ermetico e la pressione dell'aria nel contenitore ermetico può essere mantenuta costante al valore impostato regolando la portata d'aria. Questa è una tipica modalità di pressione costante a controllo di flusso. Questo metodo di regolazione della pressione controllato dal flusso è equivalente a un metodo di controllo ad anello aperto. All'interno del contenitore è presente un gas autogenerato, che non ha una regolarità evidente (come ad esempio un cambiamento di linearità), il che è dannoso per il controllo accurato della pressione interna del contenitore. Per questo tipo di regolazione della pressione controllata dal flusso, come mostrato nella Figura 2, viene aggiunto un canale di aspirazione dell'aria all'estremità anteriore del contenitore di concentrazione e il flusso d'aria di aspirazione viene regolato per controllare il vuoto interno del contenitore a un valore stabile.
Per alcuni strumenti e apparecchiature di concentrazione sottovuoto, non è consentito aggiungere ulteriori canali di ingresso dell'aria; in questo caso è possibile utilizzare il regolatore controllato dalla pressione mostrato nella Figura 6.

Un regolatore di vuoto elettronico è in realtà un'unità integrata con un sensore di pressione del vuoto, un microcontrollore, una camera e due valvole a spillo elettroniche. Nel processo di controllo della pressione del vuoto, il sensore incorporato misura la pressione nella camera. Se la pressione è inferiore al valore impostato, la valvola sulla porta di aspirazione dell'aria viene aperta fino a raggiungere il valore impostato. Se la pressione è superiore al valore impostato, la valvola sulla porta di scarico viene aperta fino a raggiungere il valore impostato. Il regolatore deve garantire che la pressione nella camera sia sempre mantenuta al valore impostato e che la cavità del regolatore sia in comunicazione con il contenitore di concentrazione, ovvero che la pressione della cavità del regolatore sia sempre uguale alla pressione del contenitore di concentrazione.
Si può notare che il regolatore controllato dalla pressione è un regolatore di pressione a vuoto indipendente con una propria valvola di aspirazione dell'aria. Come illustrato nella Figura 6, il regolatore di pressione controllato dalla pressione può anche essere collegato a un sensore esterno e il valore impostato può essere impostato manualmente o tramite un controllore PID. Per ulteriori informazioni sul regolatore di vuoto elettronico, visitate il sito https://www.genndih.com/proportional-pressure-regulator/Electronic-Vacuum-Regulator-1-0bar.html