Wysoce-precyzyjne rozwiązanie do kontroli ciśnienia i przepływu w systemach sterylnych płynów wykorzystujących elektryczny zawór zaciskowy

Wysoka-precyzyjna kontrola ciśnienia i przepływu w układach sterylnych płynów zawsze była krytycznym wymogiem technicznym w takich dziedzinach, jak biofarmaceutyka, żywność i napoje oraz analiza laboratoryjna. W tym artykule zaproponowano rozwiązanie sterowania w-pętli zamkniętej oparte na elektrycznym zaworze zaciskowym i zbadano alternatywne metody umożliwiające spełnienie wymagań dotyczących precyzyjnego sterowania w różnych warunkach pracy.

 

I. Założenia techniczne i wyzwania
Zawór zaciskowy, jako-bezdotykowy element sterujący płynem, działa w oparciu o zewnętrzną siłę mechaniczną w celu zmiany wewnętrznej średnicy elastycznej rurki, zapewniając w ten sposób włączanie/wyłączanie ścieżki przepływu i regulację przepływu. Ponieważ korpus zaworu nie styka się bezpośrednio z płynem, technologia ta jest szczególnie odpowiednia w przypadku obsługi płynów sterylnych, żrących lub o-o wysokiej czystości. Jednak w tradycyjnych elektrycznych zaworach zaciskowych brakuje automatycznych mechanizmów sprzężenia zwrotnego, co utrudnia osiągnięcie precyzyjnej kontroli ciśnienia i przepływu.

 

II. Projekt systemu sterowania w zamkniętej-pętli
To rozwiązanie tworzy kompletny system sterowania-w zamkniętej pętli składający się z jednostki napędowej, jednostki czujnikowej, jednostki uruchamiającej i jednostki sterującej:

1. Jednostka napędowa:Wykorzystuje pompę jako źródło zasilania płynem, aby zapewnić ciągły przepływ medium przez rurkę.

Jednostka czujnikowa:

• Czujnik ciśnienia: monitoruje ciśnienie w rurociągu-w czasie rzeczywistym i przetwarza je na standardowy sygnał.
• Czujnik przepływu: Precyzyjnie wykrywa zmiany przepływu płynu.

2. Jednostka uruchamiająca:Elektryczny zawór zaciskowy (napięcie robocze 24VDC, obsługuje sygnały sterujące 0-5V/0-20mA), kompatybilny z rurkami o średnicy zewnętrznej mniejszej lub równej 7mm i grubości ścianki 0,5-2mm, z regulowaną szczeliną zaciskania 0,5-2mm.

3. Jednostka sterująca:Wykorzystuje wysoce-precyzyjny programowalny sterownik PID z serii VPC2021, obsługujący 47 typów wejść sygnałów czujników, wyposażony w zaawansowane funkcje, takie jak sterowanie kaskadowe i sterowanie z podziałem-zakresu, oraz wyposażony w 24-bitowe moduły konwersji AD/16-bit DA z dokładnością wyjściową 0,01%.

Przebieg pracy systemu: Ciecz jest pompowana przez pompę poprzez elastyczną rurkę. Czujniki zbierają dane dotyczące ciśnienia/przepływu w czasie-i przesyłają je do sterownika. Sterownik porównuje wartość zadaną z wartością rzeczywistą za pomocą algorytmu PID i wysyła precyzyjny sygnał sterujący w celu regulacji otwarcia zaworu zaciskowego, tworząc-pętlę zamkniętą.

 

III. Optymalizacja systemu i rozwiązania alternatywne
Chociaż rozwiązanie elektrycznego zaworu zaciskowego oferuje takie zalety, jak szybka reakcja i wysoka precyzja, niesie ze sobą ryzyko związane z tolerancją ciśnienia w rurach. Gdy wewnętrzne przeciwciśnienie przekracza granicę tolerancji rurki, może to prowadzić do pęknięcia rurki. Dlatego proponowane są trzy bezpieczniejsze rozwiązania alternatywne:

• System sterowania pompą o zmiennej częstotliwości: dostosowuje prędkość pompy w celu zmiany ciśnienia wyjściowego.
• Rozwiązanie z pompą strzykawkową: wykorzystuje precyzyjną śrubę pociągową do popychania strzykawki w celu dostarczenia-płynu o małej objętości.
• System kontroli ciśnienia nakładki: Zapewnia przenoszenie ciśnienia poprzez regulację ciśnienia gazu w górnej części pojemnika z płynem.

Wśród nich rozwiązanie do kontroli ciśnienia nakładki sprawdza się wyjątkowo dobrze w dziedzinie kontroli mikro-przepływu, szczególnie przydatne w scenariuszach takich jak chipy mikroprzepływowe, które wymagają-bardzo precyzyjnej kontroli. Do mikro-rurek o średnicy wewnętrznej<1mm, using a syringe pump or pressure controller instead of the pinch valve solution is recommended.

 

IV. Porównanie zalet technicznych
Theelektryczny zawór zaciskowyrozwiązanie oferuje zalety prostej konstrukcji i niskiego kosztu w przypadku konwencjonalnego sterowania rurkami, podczas gdy rozwiązania z nakładkową kontrolą ciśnienia i pompami strzykawkowymi zapewniają więcej korzyści w zakresie kontroli mikro-przepływu i stabilności ciśnienia. W zastosowaniach praktycznych odpowiednie rozwiązanie sterujące należy wybrać w oparciu o charakterystykę płynu, wymagania dotyczące dokładności i ograniczenia budżetowe.

Ten system kontroli został z powodzeniem zastosowany w scenariuszach takich jak bioreaktory, systemy hodowli komórkowych i linie napełniania farmaceutyków, weryfikując jego niezawodność i przydatność w kontroli płynów sterylnych. Dzięki modułowej konstrukcji rozwiązanie to można elastycznie rozszerzyć na wielo-kanałowe, złożone systemy sterowania, zapewniając nową ścieżkę techniczną w zakresie kontroli płynów przemysłowych.