摘要：目前真空冷凍幹燥過程中已普遍使用了電容壓力計，使得與電容壓力計相配套的壓力控制器和電動進氣調節閥這兩個影響壓力控制精度和重複性的主要環節顯着尤為突出。為解決控制精度問題，本文介紹了國産最新型的2通道24位高精度PID壓力控制器和步進電機驅動電動針閥的功能、技術指标及其應用。經試驗驗證，上遊控制模式中使用電動針閥和高精度控制器可将壓力精确控制在±1%以内，并且此控制器還可以同時用于冷凍幹燥過程中皮拉尼真空計的監控，以進行初次凍幹終點的自動判斷。

壓力控制是真空凍幹過程中的一個重要工藝過程，其控制精度嚴重影響産品質量，對于一些敏感産品的冷凍幹燥尤為重要。因此，為使冷凍幹燥過程可靠且可重複地進行，必須在幹燥室内準确、重複地測量和控制壓力，這是考察冷凍幹燥硬件設備能力的重要指标之一。同時因為一次幹燥時的壓力或真空度，直接影響産品升華界面的溫度，因此準确平穩地控制壓力，對于一次幹燥過程至關重要。但在實際真空冷凍幹燥過程中，在準确壓力控制方面目前國内還存在以下問題：

（1）壓力控制器不匹配問題：盡管冷凍幹燥工藝和設備都配備了精度較高的電容壓力計，其精度可達到滿量程的0.2%~0.5%，但目前國内大多配套采用PLC進行電容壓力計直流電壓信号的測量和控制，PLC的A/D和D/A轉換精度明顯不夠，嚴重影響壓力測量和控制精度。A/D和D/A轉換精度至少要達到16位才能滿足冷凍幹燥過程的需要。

（2）進氣控制閥不匹配問題：對于冷凍幹燥中的真空壓力控制，其壓力恒定基本都在幾帕量級，因此一般都采用上遊進氣控制模式，即在真空泵抽速一定的情況下，通過電動調節閥增加進氣流量以降低壓力，減少進氣流量以增加壓力。但目前國内普遍還在使用磁滞很大的電磁閥來進行調節，嚴重影響壓力控制精度和重複性，而目前國際上很多已經開始使用步進電機驅動的低磁滞電動調節閥。

為解決上述冷凍幹燥過程中壓力控制存在的問題，本文将介紹國産最新型的2通道24位高精度PID壓力控制器、電動針閥的功能、技術指标及其應用。經試驗考核和具體應用的驗證，上遊控制模式中使用電動針閥和高精度PID壓力控制器可将壓力精确控制在±1%以内，并且2通道PID控制器還可以同時用于冷凍幹燥過程中皮拉尼真空計的監控和記錄。

為充分利用電容壓力計的測量精度，控制器的數據采集和控制至少需要16位以上的模數和數模轉化器。目前我們已經開發出VPC-2021系列高精度24位通用性PID控制器，如圖1所示。此系列PID控制器功能強大遠超國外産品，但價格隻有國外産品的八分之一。

圖1 國産VPC-2021系列溫度/壓力控制器

壓力控制器其主要性能指标如下：

（1）精度：24位A/D，16位D/A。

（2）多通道：獨立1通道或2通道。2通道可實現雙傳感器同時測量及控制。

（3）多種輸出參數：47種（熱電偶、熱電阻、直流電壓）輸入信号，可實現不同參量的同時測試、顯示和控制。

（4）多功能：正向、反向、正反雙向控制。

（5）PID程序控制：改進型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。可存儲20組分組PID，支持20條程序曲線（每條50段）。

（6）通訊：兩線制RS485，标準MODBUSRTU 通訊協議。

在冷凍幹燥的初級凍幹終點判斷中，VPC-2021系列中的2通道控制器可同時接入電容壓力計和皮拉尼壓力計，其中電容壓力計用作真空壓力控制，皮拉尼計用來監視凍幹過程中水汽的變化，當兩個真空計的差值消失時則認為初級凍幹過程結束。整個過程的典型變化曲線如圖2所示。

圖2. 初級幹燥過程中的典型電容壓力計和皮拉尼壓力計的測量曲線

為實現進氣閥的高精度調節，我們在針閥基礎上采用數控步進電機開發了一系列不同流量的電子針閥，其磁滞遠小于電磁閥，如圖3所示，價格隻有國外産品的三分之一，詳細技術指标如圖4所示。

圖3 國産NCNV系列電子針閥

圖4 國産NCNV系列電子針閥技術指标

考核試驗采用了1Torr量程的電容壓力計，電子針閥作為進氣閥以上遊模式進行控制試驗。首先開啟真空泵後使其全速抽氣，然後在68Pa左右對PID控制器進行 PID參數自整定。自整定完成後，分别對12、27、40、53、67、80、93和 107Pa 共 8 個設定點進行了控制，整個控制過程中真空度的變化如圖 5所示。

圖5 多點壓力控制考核試驗曲線

将圖5曲線的控制效果以波動率來表達，則得到如圖6所示的不同真空壓力下的波動率。從圖6可以看出，整個壓力範圍内隻有在12Pa控制時波動率大于1%，顯然将68Pa下自整定得到的PID參數應用于12Pa壓力控制并不太合适，還需要進行單獨的PID 參數自整定。

圖6. 多點壓力恒定控制波動率

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