Precise Control of Temperature and Pressure in Vacuum Concentration Process by New PID Controller and Fast Electric Needle Valve

Özet: Vakum konsantrasyonu işleminde, konsantrasyon sıcaklığı ve basıncı temel kontrol parametreleridir. Mevcut konsantrasyon cihazlarında ve ekipmanlarında zayıf basınç kontrol hassasiyeti ve büyük dalgalanmalar sorunlarına yönelik olarak, konsantrasyon işleminin hedef sıcaklığına ulaşmak için yeni bir çift kanallı ultra yüksek hassasiyetli çok fonksiyonlu PID kontrolörü ve yüksek hızlı elektronik iğne valfi önerildi.

1.Soru
Vakum konsantrasyonunun çalışma prensibi, numunedeki çözücüyü hızlı bir şekilde buharlaştırmak ve dondurarak kurutma, santrifüj konsantrasyonu ve döner buharlaşma altında numune sistemini hızla konsantre etmek veya kurutmak için vakum ve ısıtma teknolojisini kullanmaktır. Farklı numunelerin farklı sıcaklık entropi değerleri nedeniyle, basınç ve sıcaklık arasında güçlü bir korelasyon vardır Vakum konsantrasyonu sırasında konsantrasyon sıcaklığını ve basıncını doğru bir şekilde kontrol etme yeteneği kullanıcılar için en önemli sorun haline gelmiştir. Şu anda yaygın olarak kullanılan vakum konsantrasyon ekipmanı hala aşağıdaki problemlere sahiptir:
(1) Basınç ölçümü ve kontrolünün doğruluğu genellikle yüksek değildir, özellikle basınç düşük olduğunda, bunun nedeni esas olarak kontrolör tarafından kullanılan sensörlerin yetersiz doğruluğudur. Basınç kontrolünün hassasiyeti yüksek değildir, bu da sıcaklık üzerinde ciddi bir etkiye sahip olacaktır.
(2) Konsantrasyon aleti ve ekipmanı genellikle aşağı akış basınç kontrol yöntemini benimser, yani konteyner ve vakum pompası arasına bir elektronik iğne valfi monte edilir ve konteyner egzoz hacmi gerçek zamanlı olarak kontrol edilir. Bu aşağı akış yöntemi, daha yüksek basınçların hassas kontrolü için uygundur, ancak 10 mbar'ın altındaki düşük basınçlar için kararlı ve hassas kontrol elde etmek zordur.
(3) Şu anda, çoğu elektronik iğne valfi elektrikli aktüatörler kullanmaktadır ve kapanmadan tam açılmaya kadar geçen süre temel olarak 10 saniyeden fazladır. Böyle ciddi bir histerezis fenomeni ile valf ayar hızının kontrol doğruluğunu ve stabilitesini sağlamak zordur.
(4) Konsantrasyon işlemi sırasında su buharı iki fazlı ortam boşaltıldığından, ortam genellikle aşındırıcıdır ve akış aşağı regülasyon valfinin korozyon direncine yüksek gereksinimler getirilir.

2. Solution

2.1 Yüksek hassasiyetli basınç sensörü
Vakum konsantrasyon işlemi için, basınç sensörünün rolü, tüm konsantrasyon işleminin kontrol edilebilirliğini sağlamaktır. Vakum, miktar ve kontrol hassasiyeti ölçümünü sağlamak için yüksek hassasiyetli basınç sensörlerinin kullanılması önemle tavsiye edilir. Genel vakum kontrol işlemi temel olarak mekanik bir vakum pompası kullanır.Düşük basınç (mutlak basınç) 0.01 mbar'ı geçmez ve yüksek basınçta bir atmosferik basınca yaklaşabilir.Bu nedenle, Şekil 1'de gösterildiği gibi yüksek hassasiyetli basınç sensörleri için bir kapasitör film ölçer kullanılması önerilir. Mutlak ölçüm hassasiyeti ± 0.2%'ye ulaşabilir. Konsantrasyon cihazı ekipmanı tarafından kullanılan basınç aralığı nispeten genişse, kapsama alanı için 10 torç ve 1000 torç gibi iki farklı sensör aralığının kullanılması önerilir. Başka tipte vakum sensörleri kullanılıyorsa, belirli bir doğruluk derecesi gerektirmelidir.

2.2 Yüksek hassasiyetli çift kanallı PID kontrolörü
Vakum basıncı ölçümü ve kontrolünde, diyafram basınç göstergesinin ölçüm hassasiyetinden tam olarak yararlanmak için, kontrolörün veri toplama ve kontrolü için en az 16 bit analog-dijital ve dijital-analog dönüştürücüler gereklidir. Şekil 2'de gösterildiği gibi 24 bit ölçüm ve kontrol doğruluğuna sahip evrensel bir PID kontrolörü tanıtıldı. Vakum konsantrasyonunun proses kontrolü için, bu PID kontrolör serisi aşağıdaki özelliklere sahiptir:
(1) Yüksek hassasiyet: 24 bit A/D alımı, 16 bit D/A çıkışı.
(2) Çok kanallı: Bağımsız 1 ve 2 kanallı. Çift kanal, sıcaklık ve basıncın eşzamanlı ölçümünü ve kontrolünü sağlar.
(3) Çok fonksiyonlu: 47 çeşit giriş sinyali (termokupl, termal direnç, DC gerilimi), farklı parametrelerin eşzamanlı olarak test edilmesini, gösterilmesini ve kontrol edilmesini sağlar. İleri ve geri kontrol de gerçekleştirilebilir (çift yönlü kontrol modu).
(4) PID kontrolü: Geliştirilmiş PID algoritması PV diferansiyel ve diferansiyel ileri kontrolü destekleyebilir. Toplam 20 grup PID.
(5) Çift sensörlü anahtarlama: Her kanal yüksek ve düşük sıcaklık, yüksek ve düşük vakum çift sensörlü anahtarlamayı destekleyebilir. İki kanal, toplam dört sensörü bağlayan bir kontrol kombinasyonu oluşturabilir.
(6) Program kontrolü: 20 konsantrasyona kadar program kendi başına oluşturulabilir ve saklanabilir. Konsantre olduğunuzda, sadece başlangıcı seçin ve çağırın (program kontrol modu).

2.3 Yukarı akış emme kontrolü ve iki yönlü kontrol yöntemlerini artırın
Şu anda, yaygın olarak kullanılan aşağı akış kontrol yöntemi, atmosferik basınca yakın basınca sahip konsantrasyon işlemi için daha uygundur, ancak 10 mbar'ın altındaki düşük basınçlı konsantrasyon işlemi için, yukarı akış hava emme kontrol yönteminin sokulması gerekir, yani konsantrasyon kabına bir hava giriş kanalı eklenir ve hava girişi bir elektronik iğne valfi ile kontrol edilir. Hava kanalının giriş akışı, basıncın hassas kontrolünü sağlamak için kullanılabilir.
Şekil 3'te gösterildiği gibi, şu anda çeşitli akışlara sahip yerel olarak üretilen elektronik iğne valfleri bulunmaktadır. Aşağı akış vakum pompası ile birlikte, yukarı akış modu ile yüksek vakumun (düşük basınç) hassas kontrolü elde edilebilir. Hem düşük voltaj hem de yüksek voltaj tam ölçekli hassas kontrolü karşılamak için, Şekil 4'te gösterildiği gibi çift sensörlü çift yönlü kontrol yöntemi benimsenebilir. Şekil 4'te gösterilen kontrol modunda, yukarıdaki VPC-2021 serisi çift kanallı kontrolörün ileri ve geri kontrolü ve çift sensörlü otomatik anahtarlama fonksiyonu gereklidir, yani farklı hava basıncı kontrol işlemlerinde, kontrolör otomatik olarak karşılık gelen vakum ölçer aralığını değiştirir ve kontrol için karşılık gelen elektronik iğne valfi ve yüksek hızlı elektrikli küresel valfi seçer.

2.4 yüksek hızlı elektronik iğne valfi
Yüksek hızlı valf, genellikle elektronik iğne valfinin, gaz akışı ve basınç kontrolü için çok önemli olan, tamamen kapanmadan açılmaya kadar 1 saniyeden az bir süre boyunca hareket ettiği anlamına gelir. Özellikle vakum konsantrasyon işlemi için, hızlı tepki hava basıncı kontrolü konsantrasyonun doğruluğunu ve güvenliğini sağlayabilir ve konsantrasyonun buharlaşma oranını artırabilir.
Şekil 5'te gösterildiği gibi, yurt içinde üretilen yüksek hızlı elektronik iğne valfleri geliştirilmiştir. FC serisi minyatür yüksek hızlı elektrikli kelebek vanalar, yaygın olarak kullanılan elektrikli kelebek vanaların yükseltilmiş ürünleridir. VPC2021 serisi sıcaklık/basınç kontrolörü ile birlikte, hızlı ve doğru bir vakum basıncı kapalı döngü kontrol sistemi oluşturulabilir. Lütfen ziyaret edin https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

2.5 vakum kontrol regülatörü
Mevcut vakum konsantrasyon cihazlarında, konsantrasyon kapalı kaplarda gerçekleştirilir. Vakum pompası, kapalı kaptan hava çıkarmak ve hava akışını ayarlayarak kapalı kaptaki hava basıncını ayarlanan bir değerde tutmak için kullanılır. Bu tipik bir akış kontrollü sabit basınç modudur. Akış kontrolünün bu basınç düzenleme yöntemi, açık döngü kontrol yöntemine eşdeğerdir. Kabın içinde kendi kendine üretilen gaz vardır ve kendi kendine üretilen gazın, kabın iç basıncının hassas kontrolüne elverişli olmayan belirgin bir düzenliliği (doğrusal değişiklikler gibi) yoktur. Şekil 2'de gösterildiği gibi bu tip akış kontrol basıncı regülasyonu için, konsantrasyon kabının ön ucuna bir hava giriş kanalı eklenir ve kabın iç vakumu, emme hava akışını ayarlayarak sabit bir ayar değerinde kontrol edilir.
Bazı vakum konsantrasyon aletleri ve ekipmanları için ek hava giriş kanallarına izin verilmez.Burada Şekil 6'da gösterilen basınç kontrol regülatörü kullanılabilir.

Elektronik vakum regülatörü aslında dahili vakum basınç sensörü, mikrodenetleyici, bölme ve iki elektronik iğne valfi ile entegre bir ünitedir. Vakum basıncı kontrolü sırasında, dahili sensör boşluktaki basıncı ölçer. Basınç ayarlanan değerden düşükse, hava girişindeki valfi ayarlanan değere eşit olana kadar açın. Basınç ayarlanan değerden büyükse, basınç ayarlanan değere eşit olana kadar egzoz valfini açın. Boşluktaki basıncın her zaman ayarlanan değerde tutulması ve ayar boşluğunun konsantrasyon kabı ile iletişim kurması, yani ayar boşluğunun basıncının her zaman konsantrasyon kabının basıncına eşit olması sağlanmalıdır.
Basınç kontrollü regülatörün, kendi emme valfi ile bağımsız bir vakum basınç regülatörü olduğu görülebilir. Şekil 6'da gösterildiği gibi, basınç kontrollü basınç regülatörü harici bir sensöre de bağlanabilir ve ayar değeri manuel olarak veya bir PID kontrolörü tarafından ayarlanabilir. Elektronik vakum regülatörleri hakkında daha fazla bilgi için lütfen şu adresi ziyaret edin: https://www.genndih.com/proportional-pressure-regulator/Electronic-Vacuum-Regulator-1-0bar.html