새로운 PID 컨트롤러와 고속 전동 니들 밸브를 이용한 진공 농축 공정의 온도 및 압력 정밀 제어
새로운 PID 컨트롤러와 고속 전동 니들 밸브를 이용한 진공 농축 공정의 온도 및 압력 정밀 제어
요약: 진공 농축 공정에서 농축 온도와 압력은 핵심 제어 변수입니다. 본 논문은 기존 농축 기기 및 장비의 낮은 정밀도와 큰 변동성을 보이는 압력 제어 문제를 개선하기 위한 구체적인 방안을 제시하고, 농축 공정에서 목표 온도에 도달하기 위한 새로운 2채널 초고정밀 다기능 PID 컨트롤러와 고속 전자식 니들 밸브를 제안합니다.
1. 질문
진공 농축의 작동 원리는 진공 및 가열 기술을 이용하여 시료 내 용매를 빠르게 기화시키고, 동결 건조, 원심 농축, 회전 증발 등을 통해 시료 시스템을 빠르게 건조시키는 것입니다. 시료마다 온도에 따른 엔트로피 값이 다르고, 압력과 온도 사이에 강한 상관관계가 있기 때문에 진공 농축 과정에서 농축 온도와 압력을 정확하게 제어하는 것이 사용자에게 가장 중요한 과제입니다. 현재 일반적으로 사용되는 진공 농축 장비에는 다음과 같은 문제점이 여전히 존재합니다.
(1) 압력 측정 및 제어의 정확도는 일반적으로 높지 않으며, 특히 저압의 경우 이는 주로 제어기가 사용하는 센서의 정확도가 부족하기 때문입니다. 압력 제어 정확도가 높지 않으면 온도에 심각한 영향을 미칩니다.
(2) 농축 기기 및 장비에서는 일반적으로 하류 압력 제어 방식이 채택됩니다. 즉, 용기와 진공 펌프 사이에 전자 니들 밸브를 설치하여 용기의 배기 속도를 실시간으로 제어합니다. 이 하류 방식은 고압의 정확한 제어에 적합하지만 10mbar 미만의 저압에서는 안정적이고 정확한 제어를 달성하기 어렵습니다.
(3) 현재 대부분의 전자식 니들 밸브는 전기 액추에이터를 사용하고 있으며, 닫힘에서 완전히 열림까지의 시간은 기본적으로 10초 이상입니다. 이러한 심각한 히스테리시스로 인해 밸브 조정 속도의 제어 정확도와 안정성을 확보하기 어렵습니다.
(4) 농축 공정에서 물과 증기 2상 매체의 배출로 인해 매체가 부식성인 경우가 많아 하류 조절 밸브의 내식성에 대한 높은 요구 사항이 제기됩니다.
2. 해결책
2.1 고정밀 압력 센서 채택
진공 농축 공정에서 압력 센서는 전체 농축 공정의 제어 가능성을 보장하는 데 필수적입니다. 진공도, 진공량 및 제어 정확도 측정을 위해서는 고정밀 압력 센서를 사용하는 것이 강력히 권장됩니다. 일반적인 진공 제어 공정은 기계식 진공 펌프를 사용하는데, 저압(절대 압력)에서는 0.01mbar를 넘지 않고 고압에서는 대기압에 근접할 수 있으므로 그림 1과 같이 고정밀 압력 센서로는 정전 용량식 필름 게이지를 사용하는 것이 좋습니다. 절대 측정 정확도는 ±0.2%에 도달할 수 있습니다. 농축 장비에서 사용하는 압력 범위가 비교적 넓은 경우, 10 Torr와 1000 Torr처럼 서로 다른 범위의 센서 두 개를 사용하는 것이 좋습니다. 다른 유형의 진공 센서를 사용하는 경우, 일정 수준의 정밀도가 요구됩니다.
2.2 고정밀 듀얼 채널 PID 컨트롤러 채택
진공 압력 측정 및 제어에서, 앞서 언급한 다이어프램 압력계의 측정 정확도를 최대한 활용하기 위해서는 데이터 수집 및 제어를 위해 최소 16비트 아날로그-디지털 변환기 및 디지털-아날로그 변환기가 필요합니다. 현재, 그림 2와 같이 24비트 측정 및 제어 정확도를 갖춘 공통 PID 제어기가 출시되었습니다. 진공 농축 공정 제어에 사용되는 이 PID 제어기 시리즈는 다음과 같은 특징을 갖습니다.
(1) 고정밀도: 24비트 A/D 획득, 16비트 D/A 출력.
(2) 다중 채널: 독립적인 1채널 및 2채널. 2채널은 온도와 압력의 동시 측정 및 제어가 가능합니다.
(3) 다기능: 47가지 입력 신호(열전대, 열저항, DC 전압)를 통해 다양한 매개변수의 동시 테스트, 표시 및 제어가 가능합니다. 또한 순방향 및 역방향 제어(양방향 제어 모드)도 수행할 수 있습니다.
(4) PID 제어: 개선된 PID 알고리즘은 PV 차동 및 차동 선행 제어를 지원할 수 있습니다. 20개의 그룹 PID가 있습니다.
(5) 이중 센서 전환: 각 채널은 고온 및 저온, 고온 및 저진공의 이중 센서 전환을 지원할 수 있습니다. 두 채널은 총 4개의 센서가 연결된 제어 조합을 형성할 수 있습니다.
(6) 프로그램 제어: 최대 20가지의 집중 프로그램을 자체적으로 설정 및 저장할 수 있습니다. 집중할 때 선택 및 호출하여 시작(프로그램 제어 모드)만 하면 됩니다.
2.3 상류 공기 흡입 제어 및 양방향 제어 모드 강화
현재 일반적으로 사용되는 하류 공기 흡입 제어 방식은 대기압에 가까운 압력의 농축 공정에 더 적합하지만, 10mbar 미만의 저압 농축 공정에서는 상류 공기 흡입 제어 방식을 도입해야 합니다. 즉, 농축 용기에 공기 흡입 채널을 추가하고 전자식 니들 밸브를 통해 공기 흡입량을 제어해야 합니다. 이를 통해 공기 통로의 공기 흡입 유량을 조절하여 압력을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
그림 3에서 보는 바와 같이, 다양한 유량의 국산 전자식 니들 밸브가 현재 시판되고 있습니다. 하류 진공 펌프와 결합하여 상류 모드를 통해 고진공(저압)의 정밀 제어가 가능합니다. 저압 및 고압의 전체 스케일을 동시에 정밀하게 제어하기 위해 그림 4와 같은 이중 센서 양방향 제어 모드를 사용할 수 있습니다. 그림 4의 제어 모드에서는 앞서 언급한 VPC-2021 시리즈 이중 채널 컨트롤러의 정방향 및 역방향 제어, 이중 센서 자동 전환 기능을 사용해야 합니다. 즉, 서로 다른 공기압 제어 과정에서 컨트롤러는 진공 게이지의 해당 범위를 자동으로 전환하고, 그에 맞는 전자식 니들 밸브와 고속 전동 볼 밸브를 선택하여 제어합니다.
2.4 고속 전자식 니들 밸브 채택
일반적으로 고속 밸브란 전자식 니들 밸브가 완전히 닫힌 상태에서 열린 상태까지 작동하는 데 걸리는 시간이 1초 미만인 것을 의미하며, 이는 가스 유량 및 압력 제어에 매우 중요합니다. 특히 진공 농축 공정에서 공기압 제어의 빠른 응답 속도는 농축 과정의 정확성과 안전성을 확보하고 증발 속도를 높이는 데 도움이 됩니다.
현재 그림 5와 같이 국산 고속 전자식 니들 밸브가 개발되었습니다. FC 시리즈 소형 고속 밸브는 현재 널리 사용되는 전동 버터플라이 밸브의 업그레이드 제품입니다. VPC2021 시리즈 온도/압력 컨트롤러와 결합하여 빠르고 정확한 진공 압력 폐루프 제어 시스템을 구성할 수 있습니다. 자세한 내용은 https://ko.kaolu-co.com/proportional-flow-control-valve.htm을 참조하십시오.
2.5 진공 제어 조절기 채택
현재 사용되는 진공 농축 기기 및 장비에서는 밀폐 용기 내에서 농축이 이루어집니다. 진공 펌프를 사용하여 밀폐 용기에서 공기를 빼내고, 공기 유량을 조절하여 용기 내부의 압력을 설정값으로 일정하게 유지합니다. 이는 전형적인 유량 제어 방식의 정압 제어입니다. 이러한 유량 제어 방식의 압력 조절은 개루프 제어 방식과 유사합니다. 용기 내부에는 자체 생성된 가스가 존재하며, 이 가스는 뚜렷한 규칙성(예: 선형성 변화)이 없어 용기 내부 압력의 정밀 제어에 어려움을 초래합니다. 따라서 그림 2와 같이 농축 용기 전면에 공기 흡입 채널을 추가하고, 흡입 공기 유량을 조절하여 용기 내부의 진공도를 안정적인 설정값으로 제어하는 유량 제어 방식의 압력 조절이 필요합니다.
일부 진공 농축 기기 및 장비의 경우 추가 공기 흡입 채널을 추가할 수 없으며, 이 경우 그림 6에 나타낸 압력 제어식 조절기를 사용할 수 있습니다.
전자식 진공 조절기는 진공 압력 센서, 마이크로컨트롤러, 챔버 및 두 개의 전자식 니들 밸브가 내장된 통합 장치입니다. 진공 압력 제어 과정에서 내장 센서는 챔버 내부의 압력을 측정합니다. 압력이 설정값보다 낮으면 공기 흡입구의 밸브가 압력이 설정값과 같아질 때까지 열립니다. 압력이 설정값보다 높으면 배기구의 밸브가 압력이 설정값과 같아질 때까지 열립니다. 이를 통해 챔버 내부 압력이 항상 설정값으로 유지되고, 조절기 내부와 농축 용기 사이의 압력이 항상 동일하도록 해야 합니다.
압력 제어식 조절기는 자체 공기 흡입 밸브를 갖춘 독립형 진공 압력 조절기임을 알 수 있습니다. 그림 6에서 보는 바와 같이, 압력 제어식 조절기는 외부 센서와 연결할 수도 있으며, 설정값은 수동으로 또는 PID 컨트롤러를 통해 설정할 수 있습니다. 전자식 진공 조절기에 대한 더 자세한 내용은 https://www.genndih.com/proportional-pressure-regulator/Electronic-Vacuum-Regulator-1-0bar.html 에서 확인할 수 있습니다.