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烘干搅拌输送新闻动态
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LGJ-80冷冻干燥烘干机的自动控制应用研究
发布时间：2013-08-26 08:07 来源：未知
1、引言
真空冷冻干燥的主要原理是先将含水物料完全冻结，然后在负压、低温（低于物料共晶点温度以下）加热升华而不出现液相区的干燥方法。此法在医药、食品和生物工程等领域有着广泛的应用。
LGJ-80冷冻干燥烘干机主要是为药品制备、生物制品加工等方面应用而研制的，因此它对控制系统要求比食品用冷冻干燥设备更为精细、准确。其控制系统可分为3个相互联系的过程控制：共晶点测定及预冻控制、加热升华控制和解吸控制3个过程，其中还穿插了对真空系统的控制，其核心控制是加热升华控制。
2、控制系统主要硬件组成
本控制系统采用功能强大的Atmel 89C52单片机作为系统控制核心。由于需要对搁板温度、冷阱温度、物料温度和物料电阻进行实时监控，选用8通道8位逐次逼近式A/D转换器。对真空的测量采用成华电子仪器厂的ZDR-Ⅱ型数显双路电阻真空计。此外，还有一块包含8个触摸按键的薄膜面板，一个液晶显示器，一个4k容量的数据存贮器(RAM)。图1为本系统的简单�？榻峁雇肌�
3、共晶点测定及预冻控制
共晶点是物料完全冻结成固态时的温度。它是冷冻干燥过程中关键性指标。对物料共晶点测定是根据S.A.Arrhenius（阿仑尼乌斯）电离学说原理，当水中含有杂质时，部分杂质就分解成电离子，这时水是导电的，当温度下降溶液电阻会逐渐增加，当溶液全部凝固成固体时，溶液中离子就完全失去自由活动能力，电阻会突然增大，此时温度即为共晶点，电阻为共晶点处电阻，富通新能源销售木屑烘干机、木屑颗�；群蜕镏嗜剂铣尚湍拘己娓苫瞪璞浮�
本系统共晶点的测定采用单片机不断循环读取A/D转换器转换结果，并动态计算出物料电阻相对物料温度的曲线斜率。如下公式：
式中L为曲线斜率，△R为本次采样物料电阻值与上一次之值差，△C为本次物料温度与上一次值差。
当斜率L满足条件：L≥1.732，即斜率角达到1200可以认为此时的温度为共晶点，此时的电阻为共晶点处电阻，并在单片机数据存贮区(idata)内，保存此二值，备后用。
为确保物料冻透，应使物料继续降温达共晶点以下5℃～10℃并维持0.5h．这样预冻阶段就完成了。
4、加热升华控制
加热升华控制作为整个控制的核心部分，是决定冷冻干燥成败的关键。加热温度高于物料共晶点时，物料会干缩起泡，温度过低升华速率低，升华时间加长。通常加热升华是通过采样温度变化实现控制的。由于温度的少许变化不易被检测和控制，而物料在接近共晶点时温度少许变化就会引起物料电阻非常大的变化，电阻的明显变化是很容易被检测和控制的，所以本研究采用物料电阻控制为主，温度监控为辅的双重控制。为确保冻干成功，我们设定安全跳变电阻为共晶点电阻乘以系数1.1，使其略大于晶点电阻，温度为共晶点以下5℃～lO℃，具体数值可在系统启动初始化时通过键盘设定。这样，只要物料电阻大于设定的安全电阻值时，搁板就加热，一旦物料温度上升到接近共晶点时，物料电阻就会降低，当物料电阻小于或等于设定的安全值时，便切断搁板加热。在整个升华阶段机器自动根据物料电阻的变化控制搁板加热或切断，使物料温度保持在一个尽可能高的温度，最大限度地加快升华干燥过程。
此外，升华过程中冻干箱的压力控制也是控制的一个重要方面。冻干箱压力大小影响升华干燥过程，压力过大虽然传热效果好，但不利于水蒸气的溢出；压力过低有利于水蒸气溢出，但不利于对流传热。通常应把压力控制在略高于最高升华温度对应的饱和蒸气压的二分之一的压力附近，一般在30～90Pa之间。本系统设定加热启动气压为60Pa。
5、解吸控制
当物料电阻大于设定的安全值且物料温度高于共晶点温度时，就进入解吸干燥阶段。在此阶段物料中己不存在结晶水，所以物料温度上升很快。解吸控制要求物料温度不能高于物料崩塌温度。所谓崩塌温度就是物料加热允许的最高温度，高于此温度物料将变质。由于物料含水量很难准确测量，为确保物料含水量低于冻干要求（通常是2%~5%），解吸控制要求物料在崩塌温度以下保持th左右。
在解吸阶段由于水蒸气溢出量减少，一般冻干箱内气压下降到20Pa左右，此气压是有利于解吸干燥的，但气压过低热传导差不利于干燥。本系统设定气压跳变值为10Pa，当冻干箱内气压低于10Pa，自动打开电磁阀加入干燥的氮气，维持箱内气压在20Pa左右。
6、结束语
本研究是利用物料在液态和固态两相区转化时，其电阻呈现的巨大变化来自动测定共晶点电阻及温度，并依此实现冻干过程的自动控制。由于电阻变化幅度大，测定准确，使控制更简单、精细。对不同产品都可直接冻干，而无需事先设定好冻干曲线，且使升华与解吸阶段温度、压力保持在最佳状态，提高了冻干效率。
由于冻干工艺复杂，控制要求高，此机在能耗控制方面有待进一步研究提高。
