Hochpräzise Druck- und Durchflusskontrolllösung für sterile Flüssigkeitssysteme mit elektrischem Quetschventil

Eine hochpräzise Druck- und Durchflussregelung in sterilen Flüssigkeitssystemen war schon immer eine entscheidende technische Anforderung in Bereichen wie Biopharmazeutika, Lebensmittel und Getränke sowie Laboranalysen. In diesem Artikel wird eine Regelungslösung mit geschlossenem Regelkreis vorgeschlagen, die auf einem elektrischen Quetschventil basiert, und alternative Methoden untersucht, um präzise Regelungsanforderungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu erfüllen.

 

I. Technischer Hintergrund und Herausforderungen
Das Quetschventil ist eine berührungslose Flüssigkeitssteuerungskomponente und nutzt externe mechanische Kraft, um den Innendurchmesser eines elastischen Schlauchs zu verändern und so den Durchflussweg ein-/auszuschalten und den Durchfluss zu regulieren. Da der Ventilkörper nicht direkt mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt, eignet sich diese Technologie besonders für den Umgang mit sterilen, korrosiven oder hochreinen Flüssigkeiten. Allerdings verfügen herkömmliche elektrische Quetschventile nicht über automatische Rückkopplungsmechanismen, wodurch eine präzise Druck- und Durchflussregelung schwierig zu erreichen ist.

 

II. Design eines geschlossenen-Loop-Steuerungssystems
Diese Lösung baut ein vollständiges Regelsystem mit geschlossenem Regelkreis auf, das aus einer Antriebseinheit, einer Sensoreinheit, einer Betätigungseinheit und einer Steuereinheit besteht:

1. Antriebseinheit:Verwendet eine Pumpe als Fluidkraftquelle, um einen kontinuierlichen Mediumfluss durch die Schläuche sicherzustellen.

Sensoreinheit:

• Drucksensor: Überwacht den Pipelinedruck in Echtzeit und wandelt ihn in ein Standardsignal um.
• Durchflusssensor: Erkennt präzise Änderungen des Flüssigkeitsflusses.

2. Betätigungseinheit:Elektrisches Quetschventil (Betriebsspannung 24 VDC, unterstützt Steuersignale 0–5 V/0–20 mA), kompatibel mit Schläuchen mit einem Außendurchmesser kleiner oder gleich 7 mm und einer Wandstärke von 0,5–2 mm, mit einem einstellbaren Quetschspalt von 0,5–2 mm.

3.Steuereinheit:Verwendet den hochpräzisen programmierbaren PID-Regler der Serie VPC2021, der 47 Arten von Sensorsignaleingängen unterstützt, mit erweiterten Funktionen wie Kaskadensteuerung und Split-Range-Steuerung ausgestattet ist und über 24-Bit-AD-/16-Bit-DA-Umwandlungsmodule mit einer Ausgangsgenauigkeit von 0,01 % verfügt.

Systemablauf: Die Flüssigkeit wird von der Pumpe durch den flexiblen Schlauch gefördert. Sensoren erfassen Druck-/Durchflussdaten in Echtzeit und übertragen sie an die Steuerung. Der Regler vergleicht den Sollwert mithilfe eines PID-Algorithmus mit dem tatsächlichen Wert und gibt ein präzises Steuersignal aus, um die Öffnung des Quetschventils anzupassen, wodurch eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis entsteht.

 

III. Systemoptimierung und Alternativlösungen
Obwohl die elektrische Quetschventillösung Vorteile wie schnelle Reaktion und hohe Präzision bietet, birgt sie ein Risiko im Zusammenhang mit der Schlauchdrucktoleranz. Wenn der interne Gegendruck die Toleranzgrenze des Schlauchs überschreitet, kann es zum Bruch des Schlauchs kommen. Daher werden drei sicherere Alternativlösungen vorgeschlagen:

• Pumpensteuerungssystem mit variabler Frequenz: Passt die Pumpengeschwindigkeit an, um den Ausgangsdruck zu ändern.
• Spritzenpumpenlösung: Verwendet eine Präzisionsgewindespindel, um eine Spritze für die Abgabe von Flüssigkeiten in Mikrovolumen zu schieben.
• Overlay-Druckkontrollsystem: Erreicht die Druckübertragung durch Regulierung des Gasdrucks an der Oberseite des Flüssigkeitsbehälters.

Unter diesen erbringt die Overlay-Druckkontrolllösung eine außergewöhnlich gute Leistung im Bereich der Mikro{0}}flusskontrolle und eignet sich besonders für Szenarien wie Mikrofluidikchips, die eine ultra{1}hochpräzise Steuerung erfordern. Für Mikro-Schläuche mit Innendurchmesser<1mm, using a syringe pump or pressure controller instead of the pinch valve solution is recommended.

 

IV. Vergleich der technischen Vorteile
Derelektrisches QuetschventilDie Lösung bietet die Vorteile einer einfachen Struktur und geringer Kosten bei der herkömmlichen Schlauchsteuerung, während die Overlay-Drucksteuerungs- und Spritzenpumpenlösungen weitere Vorteile bei der Mikrodurchflusssteuerung und der Druckstabilität bieten. In praktischen Anwendungen sollte die geeignete Steuerungslösung auf Grundlage der Fluideigenschaften, Genauigkeitsanforderungen und Budgetbeschränkungen ausgewählt werden.

Dieses Kontrollsystem wurde erfolgreich in Szenarien wie Bioreaktoren, Zellkultursystemen und pharmazeutischen Abfülllinien eingesetzt und seine Zuverlässigkeit und Anwendbarkeit bei der Kontrolle steriler Flüssigkeiten bestätigt. Durch den modularen Aufbau kann diese Lösung flexibel zu komplexen Mehrkanal-Steuerungssystemen erweitert werden und bietet so einen neuen technischen Weg für die industrielle Flüssigkeitssteuerung.